新型高壓平板閥防砂性能試驗(yàn)研究

殷偉偉，鄒 勇，常和林，秦志堅(jiān)，袁惠新

1江蘇金石機(jī)械集團(tuán)有限公司 2常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

高壓平板閥是石油、化工、各種低溫工程及海洋采油等流體輸送系統(tǒng)中的控制元件[1]。隨著油田開(kāi)發(fā)的深入，高含砂井的出現(xiàn)以及油田壓裂作業(yè)[2-5]的增加，粗細(xì)不均勻的砂礫填充閥座和閥體之間的間隙，增加閥門(mén)開(kāi)關(guān)力矩，甚至?xí)霈F(xiàn)閥門(mén)無(wú)法正常開(kāi)關(guān)的情況，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的使用易破壞閥門(mén)的密封性能，導(dǎo)致閥門(mén)泄漏，降低閥門(mén)使用壽命。如今關(guān)于高壓平板閥方面的研究很多，例如，鄭泳、張川等[6]運(yùn)用有限元分析與理論分析相結(jié)合的方法對(duì)高壓平板閥內(nèi)部閥板、閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)；申會(huì)芹[7]對(duì)高壓采氣井口平板閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)的研究；車強(qiáng)、池勝高等[8]通過(guò)對(duì)閥座密封結(jié)構(gòu)以及工藝方法的研究，對(duì)水下平板閥閥座密封可靠性及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。本文以江蘇金石機(jī)械集團(tuán)有限公司按API6A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[9-10]的新型高壓平板閥為分析對(duì)象，運(yùn)用試驗(yàn)研究的方法，對(duì)新型高壓平板閥的防砂性能進(jìn)行研究。

1 新型高壓平板閥防砂結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

新型高壓平板閥基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型高壓平板閥結(jié)構(gòu)示意圖

新型高壓平板閥采用閥前密封的形式，與傳統(tǒng)閥前密封的平板閥主要區(qū)別在于閥座位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[11]。傳統(tǒng)閥座總成如圖1中傳統(tǒng)閥座總成局部放大圖所示,波形彈簧變形產(chǎn)生的預(yù)緊力是實(shí)現(xiàn)閥板與閥座初始密封的關(guān)鍵，“O”型密封圈實(shí)現(xiàn)閥體與閥座之間的密封；防砂閥座總成如圖1中防砂閥座總成局部放大圖所示。傳統(tǒng)閥座總成雖避免了攜帶砂礫的流體進(jìn)入到閥門(mén)中腔這一弊端，但傳統(tǒng)閥座總成不管是在開(kāi)啟還是關(guān)閉的狀態(tài)下，閥座與閥體之間的間隙始終存在，介質(zhì)中的砂礫易沉積在閥體與閥座的間隙中，長(zhǎng)時(shí)間使用后，容易導(dǎo)致閥門(mén)開(kāi)關(guān)卡阻。防砂閥座總成相對(duì)于傳統(tǒng)閥座總成，增加了防砂擋圈及防砂“O”型圈的設(shè)計(jì)，在原有基礎(chǔ)上使閥門(mén)具備防砂功能。

2 新型高壓平板閥防砂性能試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置、介質(zhì)及前期準(zhǔn)備

試驗(yàn)以油田現(xiàn)場(chǎng)壓裂砂與黃油進(jìn)行混合作為試驗(yàn)?zāi)M介質(zhì)，壓裂砂顆粒通過(guò)馬爾文激光粒度分析儀得出顆粒粒徑大小在10～400 μm，平均粒徑107.6 μm。為防止水密封試驗(yàn)裝置中壓力源介質(zhì)(水)與試驗(yàn)介質(zhì)混合，使用金屬塞將兩者分隔開(kāi)。

2.2 高壓平板閥防砂性能試驗(yàn)方法

試驗(yàn)步驟如下：①在不加入試驗(yàn)介質(zhì)的前提下，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行密封及開(kāi)關(guān)試驗(yàn)，保證閥門(mén)在壓砂試驗(yàn)前密封良好和開(kāi)關(guān)正常；②將閥門(mén)調(diào)整至打開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài)，并安裝盲法蘭；③由閥門(mén)左側(cè)加入足量試驗(yàn)介質(zhì)(壓裂砂和黃油)，并用棒槌壓實(shí)；④裝入金屬塞，安裝試驗(yàn)法蘭(如圖2或圖3所示)；⑤由壓力入口打壓105 MPa,穩(wěn)壓1 min，并重復(fù)打壓5次或10次，最后一次穩(wěn)壓10 min，卸壓后，檢查閥門(mén)開(kāi)關(guān)是否順暢；⑥拆卸試驗(yàn)法蘭及盲法蘭；⑦從閥門(mén)中取出金屬塞和試驗(yàn)介質(zhì)；⑧開(kāi)關(guān)閥門(mén)，再次檢查閥門(mén)開(kāi)關(guān)是否順暢；⑨拆卸閥門(mén)，取出閥板閥座、檢查閥門(mén)各關(guān)鍵位置的進(jìn)砂情況。

圖2 閥門(mén)打開(kāi)狀態(tài)試驗(yàn)圖

圖3 閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)試驗(yàn)圖

3 新型高壓平板閥防砂性能試驗(yàn)結(jié)果分析

在單次試驗(yàn)過(guò)程中，由于閥門(mén)左右兩側(cè)閥座結(jié)構(gòu)始終保持完全相同，其防砂性能也會(huì)完全相同，所以在以后的結(jié)果分析中，本文只對(duì)左側(cè)閥座(上游閥座)的防砂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 傳統(tǒng)閥座總成在閥開(kāi)狀態(tài)下壓砂試驗(yàn)

在閥門(mén)開(kāi)啟的狀態(tài)下，經(jīng)過(guò) 5次打壓以后，閥門(mén)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)卡阻；試驗(yàn)完成取出金屬塞和試驗(yàn)介質(zhì)以后，閥門(mén)開(kāi)關(guān)卡阻現(xiàn)象無(wú)改善。閥門(mén)拆卸時(shí)閥板無(wú)法正常取出，需通過(guò)敲擊取出；將打壓次數(shù)調(diào)整為10次，閥門(mén)卡阻現(xiàn)象加重；拆卸檢查發(fā)現(xiàn)閥體和閥座背面有較多壓裂砂(如圖4所示)。試驗(yàn)過(guò)程中，波形彈簧的預(yù)緊力使閥座貼向閥板，閥座與閥體之間產(chǎn)生間隙。同時(shí)由于入口壓力的作用，將壓裂砂擠壓入閥體與兩閥座的間隙中，此間隙小且深，壓裂砂在進(jìn)入間隙以后很難再被擠出，當(dāng)間隙被填滿后，波形彈簧位置的空間也同樣被壓裂砂填滿，閥座被卡死，使得兩閥座密封面與閥板密封面貼合更緊密，閥門(mén)在無(wú)試驗(yàn)壓力情況下開(kāi)關(guān)出現(xiàn)卡阻。重復(fù)打壓次數(shù)越多，間隙中的壓裂砂填充得越實(shí)，壓裂砂對(duì)于閥座的作用力增大，兩閥座密封面對(duì)閥板密封面的作用力也會(huì)相應(yīng)增大，閥門(mén)開(kāi)關(guān)卡阻現(xiàn)象也會(huì)越嚴(yán)重。在取出金屬塞和試驗(yàn)介質(zhì)以后，間隙中的壓裂砂無(wú)法清理出來(lái)，這也導(dǎo)致閥門(mén)卡阻現(xiàn)象得不到改善?，F(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，此間隙的特點(diǎn)決定了壓裂砂很難被流體沖刷帶走，反而會(huì)因?yàn)殚g隙小且深的原因，壓裂砂容易沉積其中，使得閥門(mén)在長(zhǎng)時(shí)間使用后出現(xiàn)開(kāi)關(guān)卡阻現(xiàn)象。

圖4 閥體及傳統(tǒng)閥座總成進(jìn)砂情況圖實(shí)物圖(閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài))

3.2 防砂閥座總成閥開(kāi)狀態(tài)壓砂試驗(yàn)

在閥門(mén)開(kāi)啟的狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)5次和10次打壓以后，閥門(mén)均未出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象；取出金屬塞和試驗(yàn)介質(zhì)以后，閥門(mén)開(kāi)關(guān)正常；閥門(mén)拆卸檢查，閥板可以輕松取出；閥體和閥座背面未見(jiàn)壓裂砂，防砂閥座波形彈簧位置有較多壓裂砂(如圖5所示)。試驗(yàn)過(guò)程中，波形彈簧的預(yù)緊力同時(shí)實(shí)現(xiàn)閥座與閥板、防砂擋圈與閥體之間的緊密接觸，在入口進(jìn)入壓力以后，防砂擋圈避免了壓裂砂由擋圈前側(cè)進(jìn)入閥體與閥座的間隙，防砂“O”型圈避免了壓裂砂由擋圈后側(cè)進(jìn)入閥體與閥座的間隙，切斷了壓裂砂進(jìn)入閥座與閥體間隙的通道。而波形彈簧位置雖有較多壓裂砂，但由于此處空間較大，同時(shí)緊靠流道，在拆卸過(guò)程中，壓裂砂很容易被清理出來(lái)。同樣在使用時(shí)流體流動(dòng)很容易帶走此處砂礫，壓裂砂不易沉積，使得閥門(mén)在長(zhǎng)時(shí)間使用后不會(huì)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

圖5 閥體及防砂閥座總成進(jìn)砂情況實(shí)物圖(閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài))

3.3 傳統(tǒng)閥座總成閥關(guān)狀態(tài)壓砂試驗(yàn)

在閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下的試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，與閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果基本一致，但相對(duì)開(kāi)啟狀態(tài)下，閥門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)下壓砂試驗(yàn)更容易出現(xiàn)卡阻，拆卸檢查發(fā)現(xiàn)閥體和閥座背面壓裂砂更多(如圖6所示)。由于閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，入口壓力作用，使得左側(cè)閥座推動(dòng)閥板向右側(cè)移動(dòng)，左側(cè)閥座與閥體間的間隙進(jìn)一步增大，更有利于壓裂砂進(jìn)入到間隙，同時(shí)一些較大粒徑的壓裂砂進(jìn)入間隙以后更容易造成閥門(mén)開(kāi)關(guān)卡阻。在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，閥門(mén)關(guān)閉后，流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，受重力作用，部分泥沙會(huì)沉降在閥座與閥體的間隙中，閥門(mén)開(kāi)啟后又無(wú)法通過(guò)流體流動(dòng)將間隙中的砂礫帶走，閥門(mén)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)開(kāi)關(guān)，此間隙中沉積的砂礫也會(huì)越來(lái)越多，直至閥門(mén)無(wú)法正常開(kāi)關(guān)。

圖6 閥體及傳統(tǒng)閥座總成進(jìn)砂情況實(shí)物圖(閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài))

3.4 防砂閥座總成閥關(guān)狀態(tài)壓砂試驗(yàn)

在閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下的試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，與閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果一致，閥體和閥座背面未見(jiàn)壓裂砂，防砂閥座波形彈簧位置有較多壓裂砂(如圖7所示)。

圖7 閥體及防砂閥座總成進(jìn)砂情況實(shí)物圖(閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài))

閥門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)下，雖然入口壓力作用使得左側(cè)閥座推動(dòng)閥板向右側(cè)移動(dòng)，左側(cè)閥座與閥體之間的間隙加大，但由于波形彈簧預(yù)緊力、防砂擋圈以及防砂“O”型圈的共同作用，切斷了壓裂砂進(jìn)入閥座與閥體間隙的通道。而聚集在波形彈簧位置的壓裂砂很容易被清理，在使用過(guò)程中也極易被流體流動(dòng)帶走，所以閥門(mén)不易導(dǎo)致開(kāi)關(guān)卡阻。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)優(yōu)化高壓平板閥閥座結(jié)構(gòu)，增加防砂結(jié)構(gòu)，解決了閥門(mén)在高含砂井口和壓裂作業(yè)時(shí)閥門(mén)出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)力矩增大或開(kāi)關(guān)卡阻這一難題，減少現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)故障的發(fā)生，延長(zhǎng)閥門(mén)使用壽命。

(2)傳統(tǒng)閥座結(jié)構(gòu)和防砂閥座結(jié)構(gòu)對(duì)比試驗(yàn)表明，防砂閥座結(jié)構(gòu)能夠有效的切斷砂礫進(jìn)入閥體與閥座間隙的通道，從而避免閥門(mén)力矩增大和卡阻現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)打壓次數(shù)的增加，對(duì)防砂閥座結(jié)構(gòu)的閥門(mén)開(kāi)關(guān)未有影響，間接的反映了防砂閥座結(jié)構(gòu)的高壓平板閥在長(zhǎng)時(shí)間使用后，依舊能具備非常良好的防砂性能。

(3)防砂閥座結(jié)構(gòu)的高壓平板閥已較長(zhǎng)時(shí)間使用于順北、塔河、江漢油田，原先出現(xiàn)的閥門(mén)開(kāi)關(guān)力矩增大或卡阻現(xiàn)象明顯減少，閥門(mén)維修頻率減少，使用壽命增加，防砂效果明顯。