活塞式排气阀机械结构优化与应用研究
时间：2023-04-08 20:50:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
付强
（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）
电潜泵机采完井技术是中国海上油气田应用最为广泛的完井技术，尤其是在渤海地区占总井数比例超过80%。电泵机采完井管柱的封隔器采用电缆穿越式封隔器，一方面起到环空封隔保护作用，另一方面为潜油电泵动力电缆提供穿越和密封通道。然而由于封隔器的环空阻隔，电潜泵以上至封隔器胶筒以下环空空间逐渐会有气体积聚。如果气体逼近电潜泵就可能会造成电泵气锁停机。因此在封隔器位置配置排气阀，通过控制排气阀的启闭来释放电潜泵以上积聚的气体。排气阀是海上电泵机采完井管柱中的必备工具之一[1]。
常用的排气阀内部均有活塞结构，活塞移动通过液压控制。排气阀入井前在上端传液孔位置连接液控管线，液控管线另一端穿越井口密封并连接至井口控制盘。排气阀内部的活塞腔上下密封位置分别是上密封体与活塞本体密封和下密封体与活塞本体密封，腔内两端存在面积差，一般是上端面积大于下端面积[2]。因此，井下作业需要开启排气阀排气时，通过井口控制盘加压，压力传递至排气阀活塞腔内，活塞受到向上作用力大而上移打开排气孔排气；
井下作业需要关闭排气阀时，在井口控制盘泄压，活塞受到向上作用力减小直至复位弹簧将活塞复位并关闭排气孔。
但是，现场作业要求排气阀控制压力精度非常高，以满足实际的需要。一般情况下，排气阀出厂测试时，要求连续5次最小开启压力和最大关闭压力波动分别不超过200 psi，然而对于原有设计产品，实际出厂测试产品合格率只有20%左右。对机械结构进行分析发现，该柱塞式结构设计过于理想化，要求上下密封体和活塞本体同轴度公差和圆度公差控制在0.2 mm以内，才能满足活塞运动流畅，启闭压力稳定。为满足此要求，首先严格控制制造环节加工误差，配做活塞和上下壳体，能够有效提升出厂测试合格率至50%以上。但是该方案治标不治本，且大大增加了生产成本和管理成本[3-7]。
为此，本文分析了活塞式排气阀机械结构特点，并尝试通过结构优化设计的方式从设计环节解决该问题。
1.1 原有设计分析
原有排气阀机械结构如图1所示。活塞上端与上密封体通过密封元件密封，活塞下端与下密封体通过密封元件密封。当活塞滑动时同时在上下密封体内腔滑动，可能出现以下问题：1）活塞上下两端密封面分别与上下密封体接触，无法保证3个零件同轴度精度要求时，活塞运动过程中可能会有阻滞甚至卡死导致排气阀打不开或者关不上，影响生产安全；
2）上下密封体与活塞本体为间隙配合，当排气阀运输过程中出现磕碰，可能会造成零件轴心线偏离，导致现场使用开启和关闭压力与出厂调试参数对应不上；
3）原有技术在加工工艺方面要求零件表面粗糙度级别高。零件间隙小，零件同轴度和圆度等形位公差严格，因此加工困难，技术和管理成本高，且无法根治问题。
图1 原有排气阀结构示意图
1.2 提出新机械结构
为此，对该活塞式排气阀进行了机械结构优化，设计出一款新型结构的活塞式排气阀，具有结构简单、加工组装容易、开启关闭压力稳定性好的显著优势。
新型活塞式排气阀结构如图2所示。密封体加长并覆盖活塞本体整个移动距离；
在密封体本体侧壁钻液压传递孔传递液压力；
弹簧套筒不再作为上密封体，不参与活塞本体移动。
该排气阀开启过程：排气阀下入井内预定深度后，井口控制盘加压，液压力传递至排气阀活塞密封腔室，利用活塞上下两端密封面面积差产生向上推力，推动活塞本体向上滑动。继续增加液压力，活塞本体不断克服复位弹簧的弹簧力上移直至密封头到达密封体限位位置。保持液压控制力不变，则排气阀在液压力作用下保持开启状态。
该排气阀关闭过程为通过地面泄液压控制力，排气阀的活塞本体所受向上推力逐渐减小，直至小于复位弹簧的弹簧力。继续泄压，复位弹簧推动活塞本体向下滑动直至密封头与密封座重新接触关闭排气孔。排气阀恢复关闭状态。
1.3 参数分析与计算
对新型活塞式排气阀活塞系统进行校核计算如下。
1.3.1 活塞受力面积
活塞受力面积即活塞腔上下截面的面积差。经过计算，面积差S=349.67 mm2。
1.3.2 弹簧计算
1.3.2.1 弹簧参数
弹簧线径d=7 mm，中径D=31 mm，经过计算，旋绕比C=D/d=4.43；
弹簧有效圈数n=22；
曲度系数k=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C=1.358；
对于弹簧材料70Si2MnA，取剪切模量G=76 GPa[8]。
1.3.2.2 弹簧刚度
将弹簧参数代入公式计算得k=GD/（8nC4）=41.57 N/mm。
1.3.2.3 弹簧工作状态安全校核
根据弹簧设计可知，弹簧总压缩量L=99 mm。初始安装状态（完全关闭状态）下压缩量L1=55 mm=55.6%×L，最大工作载荷状态（完全打开状态）下压缩量L2=65 mm=65.7%×L，均满足弹簧设计要求。
1.3.3 排气阀控制压力计算
假设：理想状态下，排气阀的开启和关闭不承受任何摩阻。
计算结果为：初始开启状态P1=948 psi，完全开启状态P2=1120 psi，初始关闭状态P3=P2=1120 psi，完全关闭状态P4=P1=948 psi。
1.3.4 排气阀下入深度
计算公式为H=P/I/S/1.45，其中：H为排气阀安全下入垂深；
P为排气阀初始关闭压力；
I为液压油与水密度比；
S为安全系数，取值1.45；
经过计算H=1042.2 m。原设计活塞式排气阀下入深度552 m，优化设计的活塞式排气阀下入深度大大提高。
2.1 排气阀密封腔密封性能测试
密封腔密封性能可靠性是决定排气阀质量的关键因素，也是确保排气阀开启和关闭压力稳定的前提。
试验过程：用手压泵连接排气阀上端传液孔。操作手压泵快速加压至排气阀完全打开，然后快速泄压至排气阀完全关闭。反复操作3次，排净密封腔内的气体。通过手压泵打压，打压程序：a. 打压500 psi，保压5 min；
b. 打压5000 psi，压力稳定后保压15 min。要求压力稳定后的保压过程压降不超过50 psi且无明显渗漏。
经过测试，活塞式排气阀密封腔密封性能良好。
2.2 排气阀控制压力测试
排气阀控制压力是现场使用过程的关键操作压力，需符合现场设备能力，并且控制压力稳定可靠[9]。
试验过程：在排气阀密封腔密封性能测试时连接的装置基础上，对排气阀进行开启和关闭压力测试，测试并获取实际控制压力参数。通过手压泵平稳加压至排气阀初始开启和完全开启，然后缓慢泄压至排气阀初始关闭和完全关闭，并记录相关数值。要求反复测试5次以上，并取平均值，试验数据如表1所示。
表1 排气阀控制压力测试数据
现场作业根据设备能力要求排气阀初始开启压力P1≤2500 psi，完全开启压力P2≤4000 psi，完全关闭压力P4≥900 psi。结合作业时液控管线内摩阻影响，该试验数据可以满足要求。
经过测试，优化设计后的活塞式排气阀开启关闭压力满足设计要求。
2.3 排气阀反向密封性能测试
排气阀反向密封指的是验证密封头和下接头之间的密封效果，是排气阀关闭状态下保持封隔作用的关键。
试验过程：在排气阀下端连接试压堵头，并通过高压管线连接手压泵。通过手压泵对排气阀快速加压，然后快速泄压，反复操作3次，排净测试腔内气体。通过手压泵打压，打压程序：a. 打压500 psi，保压5 min；
b. 打压5000 psi，压力稳定后保压15 min。要求压力稳定后的保压过程压降不超过50 psi且无明显渗漏。
经过测试，活塞式排气阀反向密封性能良好。
得益于中国海上油田对排气阀的大量需求，优化设计后的活塞式排气阀通过室内测试和验证后，迅速得到了现场应用和推广的机会。2016年8月，南海东部EP油田某开发井作业，由于施工设计要求电泵下深达到800 m以下，因此要求放气阀配合过电缆封隔器下深约760 m。原设计活塞式排气阀设计下深552 m，不能满足现场应用需求。采用优化设计后的活塞式排气阀作业，排气阀下入过程和控制过程顺利，完井施工优质，受到客户赞扬。
目前，优化设计的活塞式排气阀已经全面替代了原设计的排气阀，广泛应用于中国渤海和南海西部油田机采开发中，并且产品制造终检合格率提升至90%以上，解决了原设计排气阀的弊端。
1）对原有活塞式排气阀结构进行机械结构优化设计，精简了滑动配合零件数量，最终方案由两个零件配合即可实现活塞轴向滑动，大大提高了活塞运动稳定性和产品制造终检合格率，并降低了成本。
2）室内试验和现场应用表明，优化后的排气阀控制压力稳定，下入深度由原来的552 m增加到1000 m以下，可以满足南海地区电泵机采完井需求。
3）目前优化后的活塞式排气阀已经全面替代了原结构排气阀，为生产提质、降本、增效做出了贡献。
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