頁巖氣壓裂作業用閥門的防砂技術探討

潘詠 張強

摘 要：文章主要對國內外不同結構的用于川慶地區壓裂作業的閥門，在結構和性能上進行比較，分析各型結構的防砂優劣勢，從而在閥門設計和應用上提出防砂難題的解決辦法。

關鍵詞：頁巖氣；壓裂；閥門；防砂

中圖分類號：TE934 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0164-02

Abstract： This paper mainly compares the structure and performance of the valves with different structures used in fracturing operation in Chuanqing area at home and abroad， analyzes the advantages and disadvantages of each type of structure in sand control， and puts forward solutions to the difficult problem of sand control in the design and application of valves.

Keywords： shale gas； fracturing； valve； sand control

川慶地區的頁巖氣開發屬于國家級能源規劃項目，主要開發技術手段為水力壓裂，而水力壓裂的流體為壓裂液和支撐劑的混合，在部分地質復雜地區，工作施工壓力甚至高達140MPa，閥門在高壓、高含砂、含酸的惡劣工況下，出現了不同程度的閥門卡死、開關不到位、密封泄漏等問題，極大的困擾現場操作人員，影響壓裂施工進度，甚至有可能會導致嚴重的井控事故。

1 壓裂作業用閥門的分類

壓裂作業中的閥門主要按口徑分，4-1/16″、5-1/8″和7-1/16″的閥門主要安裝在壓裂分配管匯和壓裂樹上，通過開關閥門，形成壓裂流體主通道，實現主套管壓裂施工；2-1/16″、2-9/16″和3-1/16″的閥門主要安裝在壓裂井口側出口及側出口管匯上，例如捕屑管匯、除砂器、節流試氣管匯等，通常壓力為10000psi、15000psi以及20000psi，這些閥門的工況都有一個共性：介質為超高壓、含砂條件。

2 壓裂現場常用的閥門結構

從總體結構上看，壓裂現場手動閘閥常見的有兩種，一種是明桿帶尾桿螺紋驅動（如圖1），適用于小口徑的閥門；另一種是明桿帶尾桿滾珠絲杠驅動，適用于大口徑閥門（如圖2）；這兩種結構閥門的總體特點為三片可拆、操作扭矩小、開關指示明顯。在小口徑系列當中，國外公司等多為暗桿類型閥門，結構緊湊（如圖3）。

3 常見閥座密封結構特點對比

3.1 閥前密封類型

波簧結構（如圖4），由波簧變形產生較大預緊力，形成初始低壓密封，外部O型圈密封。密封時，介質壓力和彈簧預緊力同時起作用。優點：產生閥前密封，當閥門全關時，介質不易進入閥腔；缺點：安裝困難，需要專用工具，難以實現在線維修，操作力矩大，介質會聚集在閥前間隙當中，容易卡阻。

活塞式多閥座結構（如圖5），雙閥座活塞式設計，O型圈密封，帶擋砂環，由O型圈預壓產生初始密封，介質壓力過來時，壓力從兩個閥座之間進入，然后分別作用在閥座上面，推動一個閥座向閘板靠近，一個向閥體開檔靠近，達到密封比壓后形成密封效果。此類型優點：產生閥前封，閥門全關時，介質不易進入閥腔，安裝比波簧容易；缺點：操作力矩大，介質會聚集間隙，有卡阻風險。

3.2 閥后密封

FLS和FL結構，FLS型閥座內圈和外圈均有密封圈（如圖6），而FL型閥座僅有一個密封（如圖7）。密封圈的結構都是帶彈簧V型唇口型（如圖8），主密封圈材料為PEEK，保護圈為PTFE，彈簧為不銹鋼316或耐腐蝕合金EIGILOY或INCONEL材質。密封原理相同，彈簧提供預緊力，使得閘板和閥座貼合形成初始密封；同時，彈簧撐開PEEK圈，形成密封和保護。FLS雙圈設計能夠有效保護閥座密封面，防止進砂的同時可互相保護，不至于在泄壓的時候刺壞密封圈。此類型優點：低壓、高壓密封良好，扭矩低，可在線維修；缺點：介質易進入閥腔。

3.3 雙閥座結構

如圖9，小閥座與大閥座之間以及大閥座和閥體之間設有矩形PTFE密封圈，密封原理為，壓力作用在閘板上，推動閘板壓向另一側的雙閥座，矩形圈提供輔助密封并保護下游大閥座和小閥座，大閥座和閥體之間的密封面，防止過度污染。此類型優點：閥后密封可靠，可在線維修；缺點：低壓密封效果不理想，介質容易進入閥腔。

4 閥門的防砂優化

綜合以上對比閥前密封和閥后密封的優劣勢，閥后密封不易產生由于密封面積砂導致的卡死現象，閥前密封可以延緩閥體中腔進砂，但無法避免開關過程中進砂問題。具體優化措施如下：

（1）設計方面：盡量減少閘板與閥座及閥體之間密封間隙，減少密封面；密封圈采用帶唇口帶彈簧的擋砂結構；閥桿密封采用組合式彈簧蓄能圈型密封，增加密封接觸面積，以防止砂粒磨損閥桿；閥門內部設置支持板，減少油脂流失；閘板采用導向型設計，側邊開泄砂槽，便于閘板運動過程中擠開底部沉砂；閥門底部和上部設置對沖沖砂口，便于沉砂時及時外接水源沖砂；閥門整體結構盡量采用三片式結構，便于拆卸維修；倒密封位置不宜過深，防止砂沉積；整體撬結構產品上的閥門，安裝方式盡量采用水平放置。

（2）使用方面：在線使用時，需要及時注脂保養，有油脂在內腔可以避免砂沉落。同時，縮短注脂周期，及時觀察，稍有扭矩增大就應立即注脂。

5 結束語

根據筆者的經驗，閥后密封結構的閥門有利于砂順利進入閥腔，閥門安裝位置合適例如盡量使閥門平放，閥后密封在線拆卸維修方便，帶有沖洗口，保證閥門正常的有效開關行程，閥門在實際的使用過程中會有良好的表現。定期維護保養，能夠極大的延長產品的在線服務周期，單靠結構本身實現永久的防砂是不太現實的。閥門在使用之前，操作人員要得到系統的培訓，了解產品結構和現場工況，在實際操作時，需要按相應的標準操作流程進行，保養規范、及時。

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