閘板防噴器密封性能試驗探討分析

何雨潔 王凱 吳明揚 胡燕

摘要：以閘板防噴器為研究對象，根據(jù)實驗室密封性能試驗結(jié)果，建立鉆井井壓與防噴器開啟壓力數(shù)據(jù)模型，分析鉆井井壓與防噴器開啟壓力之間的關(guān)系；建立鉆井井壓與防噴器關(guān)閉壓力數(shù)據(jù)模型，分析鉆井井壓與防噴器關(guān)閉壓力之間的關(guān)系，根據(jù)防噴器密封形式討論井壓對密封性能的影響。

關(guān)鍵詞：閘板防噴器；密封性能；數(shù)據(jù)分析；線性模型

1引言

閘板防噴器作為井控設(shè)備的核心組件，主要用在鉆井作業(yè)中，控制高壓油、氣、水，并在發(fā)生井涌或井噴等突發(fā)事故時實現(xiàn)密封或封井[1]。閘板防噴器內(nèi)部共四處密封[2-3]共同實現(xiàn)對高壓流體有效密封：閘板頂部與殼體間密封，閘板前部與管子間密封，殼體與側(cè)門間密封，活塞桿與側(cè)門間密封。初始密封時，閘板在液壓油推力下膠芯擠壓密封部位抱緊管柱（或封空），形成前端密封，頂部膠芯在閘板與閘板座擠壓過程中，密封橡膠向上微弓，膠芯突出與防噴器腔室凸臺間過盈壓縮，形成頂密封。當(dāng)井內(nèi)存有井壓時，流體井壓從閘板背部推動閘板向前擠壓膠芯，同時閘板下部受井壓作用，閘板上浮貼緊防噴器腔室凸臺形成密封，稱為井壓助封。

2 試驗過程

2.1初始井壓為零的閘板關(guān)閉試驗

松開閘板關(guān)閉裝置上的自動鎖緊系統(tǒng)，防噴器內(nèi)裝對應(yīng)試驗芯軸，全封或剪切閘板不安裝試驗芯軸，以10.5MPa關(guān)閉油壓關(guān)閉閘板，施加3.45MPa的初始井壓，緩慢增大開啟壓力直至出現(xiàn)泄漏或達(dá)到最大推薦開啟壓力（10.5MPa）；以10.5MPa關(guān)閉油壓關(guān)閉閘板，井壓在上次級別上增加增量3.45MPa，若井壓超過34.5MPa，以后的增量為6.89MPa，緩慢增加開啟壓力直至泄漏，重復(fù)上訴過程直至井壓等于防噴器額定工作壓力。

2.2有上部井壓的閘板關(guān)閉試驗

防噴器內(nèi)裝對應(yīng)試驗芯軸，全封或剪切閘板不安裝試驗芯軸，以10.5MPa關(guān)閉油壓關(guān)閉閘板，施加3.45MPa的井壓，降低關(guān)閉壓力，直至出現(xiàn)泄漏；泄壓并開啟防噴器，以10.5MPa關(guān)閉油壓關(guān)閉閘板，井壓在上次級別上增加增量3.45MPa，若井壓超過34.5MPa，以后的增量為6.89MPa，降低關(guān)閉壓力直至出現(xiàn)泄漏，重復(fù)上訴過程直至井壓等于防噴器額定工作壓力。

3試驗數(shù)據(jù)分析及模型建立

3.1不同防噴器密封相同尺寸試驗芯軸

分別用不同廠家防噴器對同一尺寸芯軸進(jìn)行密封，對三種規(guī)格試驗芯軸密封性能數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。

3.1.1密封31/2"試驗芯軸

兩批次防噴器分別密封31/2"芯軸試驗，通過線性模擬得出型號為2FZ18-70和型號為2FZ18-35的防噴器初始井壓為零的閘板關(guān)閉試驗試驗井壓與開啟壓力線性模型分別為：Y=0.25X+0.06，R2=0.98和Y=0.34X-1.63，R2=0.97。

3.1.2密封5"試驗芯軸

四批次防噴器分別密封5"芯軸試驗，通過線性模擬得出型號為FZ35-105、FZ35-105K.OA、2FZ48-70和2FZ35-70的防噴器初始井壓為零的閘板關(guān)閉試驗試驗井壓與開啟壓力線性模型分別為：Y=0.14X+0.98，R2=0.97、Y=0.10X+3.30，R2=0.89、Y=0.26X+0.79，R2=0.99和Y=0.16X+0.30，R2=1.00。

3.1.3密封全封閘板

兩批次防噴器分別密封全封閘板，通過線性模擬得出型號為FZ35-105和型號為2FZ35-105的防噴器初始井壓為零的閘板關(guān)閉試驗試驗井壓與開啟壓力線性模型分別為：Y=0.25X-0.19，R2=0.94和Y=0.16X+0.61，R2=0.98。

3.2同一防噴器密封不同尺寸試驗芯軸

同一防噴器密封不同尺寸試驗芯軸，型號為2FZ48-70的防噴器（樣品7），分別密封5"試驗芯軸、變徑閘板（31/2"～75/8"試驗芯軸）、剪切閘板（無芯軸）。

3.2.1初始井壓為零的閘板關(guān)閉試驗

通過線性模擬得出試驗井壓與開啟壓力線性模型分別為：Y=0.25X+0.78，R2=0.99、Y=0.45X1.04，R2=0.99、Y=0.16X+0.13，R2=0.98和Y=0.19X+0.39，R2=0.94。

在會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象這一區(qū)間，鉆井井壓越高，打開防噴器所需的開啟油壓越大，二者呈線性關(guān)系；該樣品密封不同鉆桿，不發(fā)生泄漏點對應(yīng)的開啟壓力不全一致，造成這一現(xiàn)象的原因是，除去試驗本身操作過程以外，該樣品內(nèi)裝變徑閘板，設(shè)計時對極限值考慮較為詳盡，故密封31/2"和75/8"芯軸時，不發(fā)生泄漏點對應(yīng)開啟壓力接近，剪切閘板前段密封的材質(zhì)與普通閘板有所不同，所以，不發(fā)生泄漏點對應(yīng)的開啟壓力與其他三組試驗相差較大。

3.2.2有上部井壓的閘板關(guān)閉試驗

通過線性模擬得出試驗井壓與關(guān)閉壓力線性模型分別為：Y=0.14X-0.57，R2=0.96、Y=0.12X+1.34，R2=0.99、Y=0.14X+1.73，R2=1.00和Y=0.12X-0.63，R2=0.93。

在會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象這一區(qū)間，鉆井井壓越高，發(fā)生泄漏時的關(guān)閉油壓越大，二者呈線性關(guān)系，亦即，鉆井井壓越高，保證不發(fā)生泄漏的關(guān)閉油壓就越大。

3.3討論

密封性能影響著防噴器封井的有效性，關(guān)井過程中，閘板防噴器腔內(nèi)流體壓力作用在閘板后部，推動閘板向井眼中心擠壓閘板，輔助閘板前部與管柱（芯軸）間的密封，一定范圍內(nèi)，助封力與井內(nèi)流體壓力呈正相關(guān)，腔內(nèi)井液壓力越大，助封效果越明顯，閘板與管柱間的密封越牢靠；閘板在關(guān)閉油壓作用下向中心擠壓，閘板頂部膠芯擠壓變形與腔體頂密封面形成頂密封，但當(dāng)腔室內(nèi)井液壓力過低或無壓力時這種密封并不可靠，可能會發(fā)生流體溢漏，而當(dāng)腔室密封高壓流體時，高壓流體推動閘板底部向上擠壓，加大頂部膠芯與腔體頂部密封面間的貼緊力，輔助頂密封，在一定范圍內(nèi)，助封力與井內(nèi)流體壓力呈正相關(guān)，腔內(nèi)井液壓力越大，閘板頂部與殼體間的密封越牢靠。殼體與側(cè)門間的密封處如有泄漏或滲漏，在試驗時容易被觀察到，而常用防噴器側(cè)門密封形式有端面密封和徑向密封，端面密封時側(cè)門密封圈產(chǎn)生彈性變形擠壓貼緊防噴器殼體和側(cè)門密封面形成密封面，徑向密封由金屬骨架上的密封圈分別與側(cè)門和殼體間形成徑向密封，從而密封側(cè)門和殼體。當(dāng)腔內(nèi)有高壓流體時，井液對骨架的周向作用力加大了橡膠與密封面的貼緊力。

4結(jié)論

綜上所述，鉆井井壓越高，關(guān)井密封所需的關(guān)閉油壓越大，二者呈線性正相關(guān)；隨著井壓的增大，打開防噴器所需的開啟油壓越大，未發(fā)生不泄漏情況前，開啟油壓與井壓呈線性正相關(guān)，一定范圍內(nèi)，井壓越高，對閘板防噴器的助封作用越強(qiáng)，試驗鉆井井壓超過40MPa助封效果變得非常明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]孫振純，王守謙，徐明輝.井控設(shè)備[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997：19-35.

[2]陳惠琴，唐波，何為。閘板防噴器密封失效原因及對策分析[J].天然氣工業(yè)，2006，25（11）：12-15.

[3]王道寶.閘板防噴器可靠性研究[D].東營：中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院.2010：30-38

第一作者簡介：何雨潔（1991-），女，四川成都人，學(xué)士，中石油川慶鉆探工程有限公司安檢院助理工程師（四川科特檢測技術(shù)有限公司），現(xiàn)主要從事石油井控產(chǎn)品性能檢測工作。

（作者單位：川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院）