閘板防噴器氣密封性能改進(jìn)措施研究

陳小明，李 飛，林耀軍，張 前

(中國石化石油機(jī)械股份有限公司，湖北荊州 434024)

在石油鉆井行業(yè)中，閘板防噴器是鉆井井控裝置的重要組成部分，是勘探開發(fā)高壓油氣田，防止井噴事故發(fā)生、平衡鉆井壓力、保障鉆井安全的關(guān)鍵設(shè)備之一。閘板防噴器在關(guān)井過程中由活塞缸內(nèi)液壓油推動(dòng)活塞，使活塞桿(閘板軸)帶動(dòng)閘板總成向中間運(yùn)動(dòng)，將井內(nèi)上竄的高壓返回泥漿液和高壓油氣封堵在殼體與側(cè)門形成的腔室內(nèi)，達(dá)到封閉井口的目的。

隨著石油鉆井行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于常規(guī)鉆井作業(yè)，國內(nèi)外已經(jīng)形成了一整套完整的鉆井井控工藝和技術(shù)，井控裝置在常規(guī)鉆井作業(yè)中的可靠性已經(jīng)基本得到了保證。然而，隨著現(xiàn)階段天然氣開采的進(jìn)一步加強(qiáng)，石油鉆井行業(yè)對(duì)于閘板防噴器的氣密封性能有了更為嚴(yán)格的要求，閘板防噴器除了能密封高壓液體外，還必須能密封高壓氣體。只有提高閘板防噴器氣密封的可靠性，才能有效地保證整套井控裝置氣密封性能。到目前為止，國內(nèi)外石油鉆井行業(yè)仍沒有一套完整的技術(shù)能有效地保證閘板防噴器氣密封的可靠性。

本文就閘板防噴器密封原理、氣密封泄漏失效原因進(jìn)行分析，針對(duì)分析結(jié)果提出了控制氣密封泄漏的措施，并通過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。

1 閘板防噴器氣密封失效原因分析

閘板防噴器具備長期封井、懸掛鉆具、剪斷鉆桿等功能，配合完成循環(huán)、節(jié)流放噴、壓井、井下復(fù)雜情況處理等工作，是井控的關(guān)鍵設(shè)備之一。而密封是閘板防噴器最重要的特性，閘板防噴器有5組密封，如圖1所示。它們對(duì)防噴器的密封性能有著重要的影響。

圖1 閘板防噴器密封結(jié)構(gòu)

多年來，閘板防噴器的氣密封問題一直沒有很好地解決，本實(shí)驗(yàn)室對(duì)國產(chǎn)的閘板防噴器進(jìn)行了氣密封試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，國產(chǎn)防噴器的氣密封試驗(yàn)全部失效，且密封件損壞嚴(yán)重，防噴器功能喪失，井控安全存在較大風(fēng)險(xiǎn)。選取美國卡麥隆公司生產(chǎn)的2FZ28－105雙閘板防噴器進(jìn)行氣密封試驗(yàn)，氣壓上升至22 MPa時(shí)，側(cè)門有不連續(xù)微小氣泡產(chǎn)生，升至66 MPa時(shí)側(cè)門偶有氣泡產(chǎn)生，升至70 MPa時(shí)兩側(cè)門有連續(xù)氣泡產(chǎn)生，當(dāng)試到88 MPa時(shí)，全封閘板出現(xiàn)大量氣泡，壓力迅速下降。拆解防噴器后檢查密封件，密封件沒有大的損壞，閘板完好，防噴器功能雖未喪失，但氣密封性能不可靠。由此可見，解決閘板防噴器氣密封性能是提升井控裝備的瓶頸問題。

表1 閘板防噴器氣密封試驗(yàn)

通過對(duì)閘板防噴器進(jìn)行氣密封試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其側(cè)門與殼體之間密封在氣密封時(shí)滲漏，二次密封孔處有氣泡，閘板軸密封有滲漏，不能滿足氣密封的要求。因此，解決側(cè)門與殼體之間、側(cè)門腔與活塞桿之間的密封性能是提高閘板防噴器氣密封性能的關(guān)鍵。

1.1 殼體與側(cè)門之間的密封原理

側(cè)門與殼體的接合面上裝有密封圈，側(cè)門與殼體之間由螺栓連接，在側(cè)門螺栓預(yù)緊力的作用下，側(cè)門密封圈產(chǎn)生彈性變形后緊貼防噴器殼體和側(cè)門密封面，使井內(nèi)氣體、鉆井液不能從該處泄漏，實(shí)現(xiàn)密封，如圖2所示。

1.2 側(cè)門腔與活塞桿(閘板軸)之間的密封原理

側(cè)門內(nèi)腔與活塞桿之間裝有密封圈，為雙向密封結(jié)構(gòu)，采用方向相反的兩組W型組合密封圈，以密封井液壓力和液壓油壓力，保證閘板防噴器正常工作[1]，密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 側(cè)門密封示意

2 影響閘板防噴器氣密封性能的主要因素及改進(jìn)措施

2.1 密封面的粗糙度及刀紋

密封面粗糙度對(duì)密封性能的影響曲線如圖4所示。圖4表明，試件表面粗糙度對(duì)密封性能的影響因構(gòu)成密封面的材料而異。當(dāng)不銹鋼試件表面粗糙度由0.08 μm 增大到0.63 μm，不銹鋼/黃銅的雙硬密封面接觸比壓力急劇提高，而不銹鋼/丁腈橡膠硬軟密封面受試件表面粗糙度影響較小。

圖3 側(cè)門腔與活塞桿的密封結(jié)構(gòu)

側(cè)門平面密封處，為無相對(duì)滑動(dòng)的靜密封，如果密封表面微觀不平度谷底過深，受預(yù)壓后的密封材料不能完全填滿，而留有縫隙，造成泄漏。表面越粗糙，泄漏越厲害，同時(shí)，貫穿密封面的刀紋愈深，泄漏愈厲害。因此，密封平面的理想刀紋應(yīng)與密封圈圓周方向一致。然而，閘板腔體為矩形，無論采用銑加工或是刨加工等，都會(huì)出現(xiàn)貫穿密封面的刀紋。通過革新加工工藝，提高密封平面的粗糙度，同時(shí)去除了銑床加工時(shí)產(chǎn)生的刀紋。

活塞桿表面粗糙度對(duì)活塞桿密封性能和使用壽命有很大的影響。表面粗糙度過低時(shí)，液壓油很容易從密封接觸面之間擠出，以致油膜變薄或者破裂，唇部發(fā)熱甚至燒化。反之，粗糙度過高時(shí)，表面太粗糙，軸轉(zhuǎn)動(dòng)后容易刮傷油封唇口，使密封面變毛，此時(shí)不僅摩擦力矩增大，而且唇口會(huì)很快磨損，造成泄漏。因此，對(duì)密封性能而言，必定有一個(gè)最佳粗糙度范圍。

圖4 密封面粗糙度對(duì)密封性能的影響曲線

通過油封與軸的摩擦因數(shù)和油封嵌入量的關(guān)系來反映不同表面粗糙度的影響，圖5所示其試驗(yàn)結(jié)果。在c區(qū)，軸表面粗糙度太低，加工痕跡很淺，油封唇口很容易嵌入其內(nèi)，使其中的油被擠出。在a區(qū)，軸表面粗糙度太高，即太粗糙，油封唇口不可能填滿表面的凹部，它們之間存在空隙，能存油，并形成油膜，但因粗糙處的凸面鋒刃硬而尖，容易劃傷唇口，因此盡管形成油膜，但摩擦因數(shù)仍然很大，唇口會(huì)很快磨損。最佳粗糙區(qū)在b區(qū)，那里的軸表面粗糙度既能形成油膜，又不致劃傷油封唇口。

2.2 密封材料

從圖6中可以看到，密封材料對(duì)泄漏流量有較大的影響，在同一接觸比壓力下，通過不銹鋼/黃銅雙硬密封面的泄漏流量最大，不銹鋼/聚四氟乙烯密封面次之，不銹鋼/丁腈橡膠硬軟密封面最小。另外，泄漏流量隨接觸比壓力的增大而減小，當(dāng)泄漏流量等于零時(shí)，不銹鋼/黃銅密封面的接觸比壓力為17.0 MPa，遠(yuǎn)大于不銹鋼/丁腈橡膠密封面的5.2 MPa。

圖5 最佳粗糙度范圍

同時(shí)從圖5中可以看出，不銹鋼/丁腈橡膠硬軟密封面受試件表面粗糙度影響最小。

圖6 密封材料對(duì)泄漏量的影響

橡膠的透氣性對(duì)氣密封性能也有很大的影響，氣體在橡膠中的擴(kuò)散速度取決于橡膠分子中有無側(cè)鏈基團(tuán)的存在，側(cè)鏈基團(tuán)的存在能使氣體擴(kuò)散率顯著下降。橡膠的氣密性，取決于橡膠件與密封物的密合性，密封的好壞與橡膠的壓縮永久變形以及耐老化性能密切相關(guān)。具有柔性鏈且分子間作用力較大，不飽和鏈較少的橡膠，基本上能滿足這一要求。因此，應(yīng)選用透氣性小的橡膠制品，如側(cè)基位阻較大的丁基橡膠、聚異丁烯橡膠以及極性較大的均聚氯醚橡膠、高丙烯腈含量的丁腈橡膠、聚氨酯橡膠、氟橡膠和環(huán)氧化天然橡膠。

2.3 密封面寬度

圖7中所示分別為丁腈橡膠采用密封寬度為0.5 mm、1.5 mm、3.0 mm所對(duì)應(yīng)的接觸比壓力與介質(zhì)壓力關(guān)系圖。減小密封寬度，接觸比壓力增大，隨著介質(zhì)壓力增加，密封接觸比壓力增大，但增大速度逐漸降低。

圖7 接觸寬度對(duì)密封性能的影響

丁腈橡膠密封件的設(shè)計(jì)應(yīng)確保介質(zhì)最大壓力下的接觸比壓力小于密封材料的許用比壓力。為此，將前密封圈截面形狀設(shè)計(jì)為D型，最大限度的提高其密封面寬度。

2.4 密封件的結(jié)構(gòu)

如圖8、圖9所示，密封件的結(jié)構(gòu)直接影響其密封能力，根據(jù)密封要求選擇合理的密封結(jié)構(gòu)是氣密封防噴器攻關(guān)的關(guān)鍵。

圖8 O形、D形密封圈比壓－變形位移

圖9 O形、D形密封圈安裝示意

同樣粗糙度情況下:刀紋方向與密封圈方向一致時(shí)，實(shí)現(xiàn)氣密封所需的接觸比壓較低，而刀紋方向與密封圈方向不一致時(shí)(即刀紋貫穿密封面)，實(shí)現(xiàn)氣密封需要較大的比壓。

因此，側(cè)門密封前端面密封面刀紋方向與密封圈方向不一致，提高平面密封的密封能力必須提高:①提高密封面粗糙度;(通過磨穿磨加工及后期拋光使粗糙度達(dá)高于Ra0.4);②增大接觸比壓(合理設(shè)計(jì)前密封圈)。

由試驗(yàn)曲線可知:前密封采用O形圈密封時(shí)，如O型圈最大變形位移量為3 mm，無論側(cè)門螺栓預(yù)緊力多大，密封低壓時(shí)都無法使接觸比壓高于3 MPa，導(dǎo)致低壓時(shí)氣密性失效。

合理設(shè)計(jì)的D型圈有效解決了該問題，在最大變形位移量小于2 mm的情況下便實(shí)現(xiàn)了接觸壓力達(dá)到5.5 MPa，有效解決低壓氣密性不佳的問題。

將閘板軸與側(cè)門之間的W圈組合密封形式改為Y形圈+O形圈+支撐圈的組合密封形式，合理設(shè)計(jì)內(nèi)外徑尺寸，減少了密封件的數(shù)量，保證了接觸面的初始?jí)毫?，有效解決了活塞桿密封處的氣密封問題。如圖10、圖11所示。

圖10 常規(guī)閘板軸密封

圖11 改進(jìn)后的氣密封結(jié)構(gòu)

2.5 金屬件材料抗腐蝕性能

在鉆井作業(yè)過程中，工作介質(zhì)為鉆井液，可能還含H2S、CO2、殘酸等腐蝕性雜質(zhì)。如果密封面被腐蝕，導(dǎo)致密封表面微觀不平度谷底過深，受預(yù)壓后的密封材料不能完全填滿而泄漏，則更換密封件不可能帶來任何改進(jìn)，需回廠修復(fù)，增加了成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問題，可對(duì)關(guān)鍵密封面進(jìn)行鎳基合金625堆焊。

3 氣密封試驗(yàn)試壓

在一定的環(huán)境溫度下，用氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)介質(zhì)，將被改造后的產(chǎn)品完全浸沒在水浴中進(jìn)行試壓。

第一次進(jìn)行高壓試驗(yàn):在關(guān)閉的閘板下施加壓力應(yīng)至少等于閘板防噴器額定工作壓力。在壓力穩(wěn)定后，保壓10 min，壓降為0。

第二次進(jìn)行低壓試驗(yàn):應(yīng)在關(guān)閉的閘板下施加1.4～2.1 MPa的壓力。在壓力穩(wěn)定后，保壓10 min，壓降為0。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在西南地區(qū)和新疆順南區(qū)域應(yīng)用了改造后的氣密封防噴器11臺(tái)。已經(jīng)在西南春生1井、馬3井、丁頁3井、丁頁4井、元壩7井、新疆順西3井等6口井進(jìn)行了應(yīng)用，大幅度提高了防噴器氣密封性能，規(guī)避惡劣工況條件下的井控風(fēng)險(xiǎn)，確保了井控安全。

5 結(jié)論

對(duì)閘板防噴器密封原理，氣密封失效進(jìn)行分析，并對(duì)因氣密封失效而產(chǎn)生的泄漏進(jìn)行系統(tǒng)性分析研究，總結(jié)出如下結(jié)論:側(cè)門密封、閘板軸密封失效是閘板防噴器不能滿足氣密封要求的主要原因;改善密封橡膠性能、采用新型浮動(dòng)骨架結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)形式能有效提高氣密封性能;防噴器金屬之間接觸面加工精度、耐腐蝕性能也是影響氣密封的重要因素，密封平面的理想刀紋與密封圈圓周方向一致時(shí)可提高氣密封性能;密封面敷焊625合金，增強(qiáng)抗腐蝕性能，有助于提高氣密封性能。