閘板防噴器密封失效原因及對策分析

董堯 孫洪祥

摘要：隨著現(xiàn)階段天然氣開采的進一步加強，石油鉆井行業(yè)對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。

關(guān)鍵詞：閘板防噴器氣密封;失效分析

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。它們對防噴器的密封性能有著重要的影響。

多年來，閘板防噴器的氣密封問題一直沒有很好地解決，根據(jù)某實驗室對國產(chǎn)的閘板防噴器進行氣密封試驗可以看出，國產(chǎn)防噴器的氣密封試驗全部失效，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。選取美國卡麥隆公司生產(chǎn)的2FZ28—105雙閘板防噴器進行氣密封試驗，氣壓上升至22MPa時，側(cè)門有不連續(xù)微小氣泡產(chǎn)生，升至66MPa時側(cè)門偶有氣泡產(chǎn)生，升至70MPa時兩側(cè)門有連續(xù)氣泡產(chǎn)生，當(dāng)試到88MPa時，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。通過對閘板防噴器進行氣密封試驗，發(fā)現(xiàn)其側(cè)門與殼體之間密封在氣密封時滲漏，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，實現(xiàn)密封。

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。

一旦高壓鉆井液沖破密封圈，鉆井液將進入油缸與液控管路，使液壓油遭到污染，損傷液控閥件。

2 影響閘板防噴器氣密封性能的主要因素及改進措施

2.1 密封面的粗糙度及刀紋

密封面粗糙度對密封性能的影響曲線如圖1所示。圖1表明，試件表面粗糙度對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0.08μm增大到0.63μm，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。

側(cè)門平面密封處，為無相對滑動的靜密封，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，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，同時去除了銑床加工時產(chǎn)生的刀紋。活塞桿表面粗糙度對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，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，表面太粗糙，軸轉(zhuǎn)動后容易刮傷油封唇口，使密封面變毛，此時不僅摩擦力矩增大，而且唇口會很快磨損，造成泄漏。因此，對密封性能而言，必定有一個最佳粗糙度范圍。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。

1.2 密封材料

密封材料對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，不銹鋼/黃銅密封面的接觸比壓力為17.0MPa，遠大于不銹鋼/丁腈橡膠密封面的5.2MPa。

橡膠的透氣性對氣密封性能也有很大的影響，氣體在橡膠中的擴散速度取決于橡膠分子中有無側(cè)鏈基團的存在，側(cè)鏈基團的存在能使氣體擴散率顯著下降。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。

1.3 密封面寬度

圖2中所示分別為丁腈橡膠采用密封寬度為0.5mm、1.5mm、3.0mm所對應(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。丁腈橡膠密封件的設(shè)計應(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)計為D型，最大限度的提高其密封面寬度。

3 結(jié)束語：

防噴器是控制高溫、高壓、高含硫“三高”氣井井噴失控的最后一道防線，但閘板防噴器的氣密封問題一直沒有很好地解決，為了提升閘板防噴器的氣密封性能，確保鉆井過程的安全可靠，對閘板防噴器的氣密封失效原因進行了分析，提出了改進氣密性能的措施，希望通過此次分析能夠提升閘板防噴器的密封性能。

參考文獻：

[1]張樹林.閘板防噴器氣密封性能改進措施分析[J].山東工業(yè)技術(shù).2019（07）