閘板防噴器密封失效原因及對策分析

董堯 孫洪祥

摘要：隨著現階段天然氣開采的進一步加強，石油鉆井行業對于閘板防噴器的氣密封性能有了更為嚴格的要求，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，國內外石油鉆井行業仍沒有一套完整的技術能有效地保證閘板防噴器氣密封的可靠性。

關鍵詞：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、節流放噴、壓井、井下復雜情況處理等工作，是井控的關鍵設備之一。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，根據某實驗室對國產的閘板防噴器進行氣密封試驗可以看出，國產防噴器的氣密封試驗全部失效，且密封件損壞嚴重，防噴器功能喪失，井控安全存在較大風險。選取美國卡麥隆公司生產的2FZ28—105雙閘板防噴器進行氣密封試驗，氣壓上升至22MPa時，側門有不連續微小氣泡產生，升至66MPa時側門偶有氣泡產生，升至70MPa時兩側門有連續氣泡產生，當試到88MPa時，全封閘板出現大量氣泡，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，發現其側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，解決側門與殼體之間、側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鍵。

1.1 殼體與側門之間的密封原理

側門與殼體的接合面上裝有密封圈，側門與殼體之間由螺栓連接，在側門螺栓預緊力的作用下，側門密封圈產生彈性變形后緊貼防噴器殼體和側門密封面，使井內氣體、鉆井液不能從該處泄漏，實現密封。

1.2 側門腔與活塞桿（閘板軸）之間的密封原理

側門內腔與活塞桿之間裝有密封圈，為雙向密封結構，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成密封面的材料而異。當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，唇部發熱甚至燒化。反之，粗糙度過高時，表面太粗糙，軸轉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，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，使其中的油被擠出。在a區，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，但摩擦因數仍然很大，唇口會很快磨損。最佳粗糙區在b區，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鏈基團的存在，側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。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，應選用透氣性小的橡膠制品，如側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所對應的接觸比壓力與介質壓力關系圖。減小密封寬度，接觸比壓力增大，隨著介質壓力增加，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計應確保介質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計為D型，最大限度的提高其密封面寬度。

3 結束語：

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].山東工業技術.2019（07）