关于钻修井作业液控闸板防喷器密封性的研究

朱坤帅

新疆贝肯能源装备制造有限公司新疆克拉玛依834000

摘要：防喷器是控制油气井井喷失控的最后一道防线，但闸板防喷器的密封问题一直没有很好地解决，为了提升闸板防喷器的密封性能，确保钻井过程的安全可靠，对闸板防喷器的密封失效原因进行了分析，提出了改进密性能的措施，通过实验车间试验，现场使用验证，取得了较好的效果。

关键词：闸板防喷器；密封；措施

引言

闸板防喷器是高压油田中控制井喷事故不可缺少的设备，由壳体、活塞侧门、油缸、密封件、闸板等部分构成，闸板会因为液压对活塞的作用开和关，由此便可以实现封闭井口的功能。我国的石油开采经过多年发展已经非常成熟，拥有一套完整的作业体系，无论开采质量还是作业中的安全性都有很好的控制。但随着我国石油开采的不断发展，石油天然气的开发难度也在不断地增加，尤其是页岩气的开发，对设备的性能要求更加苛刻。

1液控闸板防喷系统工作及密封原理

闸板防喷器是由液压传输实现关闭过程。其在关闭两翼闸板时，液控系统高压油进入左右液缸关闭腔，推动活塞带动两翼闸板轴及闸板总成沿闸板室限定的轨道分别向井口中心移动，直至接触并压紧，实现闸板完全关闭，达到关井的目的。在液压力的作用下，亦可剪切井口内油管、钻具、套管，实现紧急密封。如进内压力下降缓慢，需长时间封井，为防止液缸关闭腔内油压下降，闸板密封失效，可利用配置的手轮，利用腔体两侧的锁紧轴，通过人工旋紧的方式阻止密封失效。闸板的密封过程分为两步：一是在液压油作用下闸板轴推动闸板前密封胶芯挤压变形密封前部，顶密封胶芯与壳体间过盈压缩密封顶部，从而形成初始密封；二是井压助封作用，在井口有压力时，井压从闸板后部推动闸板前密封进一步挤压变形，同时井压从下部推动闸板上浮贴紧壳体上密封面，从而形成可靠的密封。

2防喷器气密封失效分析

2.1机械损坏

机械损坏的主要形式是磨损，其中包括其他由于机械强度不够造成的各种形式的损坏。1.磨损损坏。在闸板轴的密封中，如果采用的密封元件尺寸不符合。闸板轴长期开关井活动会造成密封元件的唇边磨损，从而操作密封失效。2.冲蚀和汽蚀损坏。冲蚀和汽蚀损坏一般是在高压差重负荷密封中出现。例如在法兰连接处的密封垫环槽，若未连接不可靠，在高压的冲击下，会造成密封垫环槽冲蚀损坏。

2.2闸板胶芯失效

影响防喷器密封的因素是多方面的，胶芯质量、壳体内表面粗糙度与平面度、密封圈抗塑性能、历经长期恶劣工况密封体内部出现的污染，本体内部出现积砂等情况均可导致密封不严的情况发生。其中闸板胶芯的失效是最容易导致防喷器失效的直接因素。由于橡胶材料可塑性差，压缩系数数量级极低，因而胶芯受高强度挤压，发生形变之后，必然会挤向被密封面的内侧空间，逐渐发生凸起。胶芯在持续的强机械力作用下，凸起处长时间受剪切及高局部应力集中影响，胶芯易出现撕裂脱落损伤。此外，当闸板胶芯密封管柱时，胶芯的弧面与管柱外壁面需长时间保有接触压力，根据磨损剥层理论公式Q=KoWs（其中Ko为磨损系数，W为载荷，S为滑动距离），胶芯弧面与管壁这对摩擦副相互滑动时，橡胶软表面的粗糙峰容易变形，所以在带压作业循环载荷的作用下胶芯表面软粗糙峰易发生断裂。因此，密封胶芯的橡胶易发生磨损。

2.3腐蚀损坏

1、表面腐蚀。为发生在零件接触介质的均匀腐蚀为表面腐蚀，表面腐蚀会造成零件重量减轻，然后因强度不足而断裂，从而导致密封失效。表现最多的部位在壳体与侧门的密封面上。2、点蚀。点蚀是在金属表面各处产生的剧烈腐蚀点，是腐蚀行为发生在构建的局部区域。在防喷器密封上主要表现在侧门与闸板轴密封部位。3、应力腐蚀。应力腐蚀是金属材料在腐蚀介质和应力的共同作用下，产生裂纹或发生断裂的现象。主要表现在骨架上。

3试压方法

（1）全封、剪切闸板试压方法。全封、剪切闸板试压时需要封闭防喷器通径，试压方法是将井口防喷器试压装置上部接悬挂器后下入井中，井口防喷器试压装置悬挂在井口下方套管内。从井口大四通闸门处接高压手压泵，从防喷器上部灌满水，关闭全封闸板或剪切闸板，试压泵打压至试压目标值，观察并记录压力变化情况。试压完成后打开井口大四通闸门放水，起出悬挂器和井口防喷器试压装置。如果全封闸板和剪切闸板都有，可以按照自下而上的顺序依次试压。（2）半封闸板和环形防喷器试压方法。半封闸板和环形防喷器试压方法是：在井口防喷器试压装置连接试压器或试压塞，修井防喷器应依次连接油管接箍、油管短接和母丝堵（油管短接长度要保证试压装置下入套管内），用吊卡将试压装置下入井中，从井口大四通闸门处接高压试压泵，从防喷器上部灌满水，关闭半封闸板防喷器或环形防喷器，试压泵打压至试压目标值，观察并记录压力变化情况。试压完成后打开井口大四通闸门放水，起出井口防喷器试压装置。如果半封闸板和环形防喷器都有，可以按照自下而上的顺序依次试压。

4闸板防喷器密封性能改进措施

4.1密封面

对密封面进行改进之前我们首先要了解其中的影响因素，针对密封面来讲，我们要明确其粗糙程度和密封性之间的关系。通过对测试结果进行分析可以得知，如果密封面使用的材料不同，那么对粗糙度的要求也不同，例如，当不锈钢材料的粗糙度增加时，由不锈钢和黄铜组成的密封面受到的压力会非常高，而不锈钢和丁腈橡胶的密封面受到的压力相对较小。因为侧门的密封面是静止的，因此如果密封面的粗糙度过高，就会造成密封件无法彻底填满密封面，这样当液体或者气体对密封面造成压力时就会从没有彻底被填满的空隙处泄漏。

4.2金属件密封部位的防腐蚀处理

目前，在役防喷器壳体腔、壳体与侧门贴合的密封端面、侧门的闸板轴密封元件安装孔、侧门密封槽均未作防腐处理，使密封面易受流体腐蚀，造成密封面早期密封失效。为防止防喷器井压密封部位腐蚀，造成气密封失效，对在役防喷器检维修时应进行防腐处理，如堆焊不锈钢或Ni625合金。

4.3密封材料

当确定了密封面粗糙度的影响之后，我们接下应对密封材料进行选择，在选择密封材料的时候我们可以发现，密封性能会随着材料的变化而变化，如果在压力相同的情况下，不锈钢和黄铜的密封面的密封性能最差；其次分别为不锈钢和聚四氟乙烯、不锈钢和丁腈橡胶。同时此测试也对接触面压力和密封性的关系做了分析，当使用不锈钢和黄铜的密封面时，其在17.0MPa的压力下达到百分之百密封，而不锈钢和丁腈橡胶要达成百分之百的密封只需要5.2MPa的压力。另外测试也考虑到了橡胶透气性对密封性能的影响，在橡胶中，如果存在侧链基团的话会使气体在其中的扩散性明显降低。同时根据本节分析的橡胶密封性和黄铜之间的对比，当对橡胶的密封面施加足够压力就使其密封性能明显提升，以此可知，在密封材料的选择上应以不锈钢和橡胶为主，同时结合橡胶的透气性可以选择有侧链基团的丁基橡胶或者是聚异丁烯橡胶等。

结语

对闸板防喷器密封原理，密封失效进行分析，并对因密封失效而产生的泄漏进行系统性分析研究，对提高闸板防喷器可靠性具有一定意义。

参考文献

[1]陈慧琴，唐波，何为.闸板防喷器密封失效原因及对策分析[J].天然气工业，2006，26（11）：80-82.

[2]刘秀平，张伟.修井作业配套井控装置的研制与应用[J].石油机械，2005,33(10):22~23.

[3]张全贵，李建国，任晓红，付民，谭金华，韦庆胜.现场检验SFZ18型防喷器密封装置的研制与应用[J].油气井测试，2012,21(3):37,39.