論頁(yè)巖氣鉆采閘閥的研制

周國(guó)東

(美鉆石油鉆采系統(tǒng)(南京)有限公司，江蘇 南京 210000)

頁(yè)巖氣是一種以溶解、游離、吸附等多種方式賦予在粉砂質(zhì)泥巖，暗色泥頁(yè)巖的夾層以及底層部位自生自儲(chǔ)存的天然氣聚集。開(kāi)采這種氣體需要高壓大口徑閥門，開(kāi)采時(shí)設(shè)備承載交變載荷，承受酸性含砂物質(zhì)的磨損。筆者在借鑒相關(guān)閥門資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種壓裂鉆采閘閥。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

頁(yè)巖氣鉆采閘閥由閥體、閥座、閥板、上(下)閥蓋、上閥桿、液缸等零部件組成，如圖1所示，液缸通過(guò)閥桿帶動(dòng)閥板上下移動(dòng)而開(kāi)關(guān)閥門。下部有平衡尾桿結(jié)構(gòu)，以保證閥門工作過(guò)程中的壓力平衡，最大限度減少開(kāi)關(guān)力矩。閥體外部設(shè)有注脂結(jié)構(gòu)，油脂通過(guò)注脂器、閥桿進(jìn)入閥門密封面，使閥門達(dá)到零泄漏，便于對(duì)閥體內(nèi)腔進(jìn)行潤(rùn)滑處理。閥門開(kāi)啟時(shí)：泥砂經(jīng)過(guò)閥體、閥座以及閘板中孔。閥座與閥體之間依靠組合密封件、閥板與閥座靠金屬密封，泥砂無(wú)法進(jìn)入閥腔。閥門關(guān)閉時(shí)：泥砂被封閉在閥體、閥座和閥板組成的密閉空間里，泥漿無(wú)法進(jìn)入閥腔。全開(kāi)或全閉是閥板工作狀態(tài)的兩個(gè)位置，嚴(yán)禁將閥門處于半開(kāi)狀態(tài)。

該閥具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(如圖2)：(1)閥門設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置，可以有效快速地開(kāi)啟和關(guān)閉閥門。(2)閥座與閥板接觸面噴焊硬質(zhì)合金，閥座背面用V型組合密封(波形彈簧加PTFE)，由于有預(yù)緊力，可實(shí)現(xiàn)高低壓密封。(3)擋泥板設(shè)計(jì)，防止泥沙進(jìn)入閥腔。(4)U形組合桿密封由改性聚四氟乙烯與U形脹緊彈簧構(gòu)成，內(nèi)外多重唇口密封，可在含高濃度 CO2和 H2S的惡劣條件下長(zhǎng)期工作且保持彈性。

圖1 頁(yè)巖氣鉆采閘閥基本結(jié)構(gòu)

圖2 頁(yè)巖氣鉆采閘閥特點(diǎn)

2 設(shè)計(jì)任務(wù)書

通徑103.5mm；-29～+121℃；規(guī)范等級(jí)：PSL3G；工作介質(zhì)：石油天然氣、H2S等;液控壓力：9～11Mpa。

3 關(guān)鍵細(xì)節(jié)分析

(1)理論計(jì)算及分析：根據(jù)API 6A，閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)等，結(jié)合選用材料特性的對(duì)承壓件強(qiáng)度、最小壁厚、密封副的密封比壓、開(kāi)閉扭矩進(jìn)行理論計(jì)算，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)模型對(duì)其進(jìn)行有限元分析驗(yàn)算。閥體、閥蓋等(選用AISI 4130)熱處理理論機(jī)械性能如下：抗拉強(qiáng)度655Mpa，屈服強(qiáng)度517Mpa，延伸率17%，斷面收縮率35%；閥桿選用Inconel 718，抗拉強(qiáng)度1000Mpa，屈服強(qiáng)度827Mpa，延伸率20%，斷面收縮率35%。

(2)采用合理的工藝及檢測(cè)方法來(lái)滿足其設(shè)計(jì)目標(biāo)。原材料控制，三級(jí)鍛造，鍛造比大于等于4，依據(jù)ASTM 751，ASTM E354要求，用光譜分析對(duì)其進(jìn)行化學(xué)分析，確定元素偏差是否在規(guī)定范圍。熱處理控制，AISI 4130調(diào)質(zhì)熱處理，Inconel 718固溶加時(shí)效處理。為了驗(yàn)證材料是否符合使用要求的拉伸性能時(shí)，每爐批工件熱處理需要一根隨爐試棒，所需要的機(jī)械試驗(yàn)應(yīng)在隨爐試棒切取的試樣上進(jìn)行。

(3)對(duì)于流體的腐蝕性，依照API 6A，NACE MR0175，堆焊防腐層或用整體耐腐蝕合金材料。如閥體，閥蓋等流體接觸表面堆焊3.2mm以上耐腐蝕合金；閥桿用整體Inconel 718合金。對(duì)于密封副的耐磨性，閥板與閥座接觸面用超音速噴涂碳化物提高耐磨能力，在鏡面磨削下保證其粗糙度與位置公差。

(4)為防止在使用時(shí)產(chǎn)生潛在的裂紋導(dǎo)致爆炸或泄露的風(fēng)險(xiǎn)，主控件出廠前需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。在改善力學(xué)性能的熱處理后和限制檢驗(yàn)結(jié)果有效解釋的機(jī)加工之前進(jìn)行內(nèi)部超聲檢測(cè)；在可接觸的濕潤(rùn)流體表面和密封表面在最終熱處理和最終機(jī)械加工后通過(guò)液體滲透探傷或磁粉法進(jìn)行檢查，探傷結(jié)果符合API 6A (PSL3G)要求。

(5)裝配完工的該閥要進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和密封壓力測(cè)試，目的檢測(cè)各部位連接的密封性和整體的耐壓能力及在最大壓差情況下閥門開(kāi)啟和關(guān)閉能力，驗(yàn)證該閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和可操作的合理性。

4 結(jié)束語(yǔ)

頁(yè)巖氣鉆采閘閥在壓裂氣井的開(kāi)采過(guò)程中發(fā)揮重要作用，由于使用環(huán)境特殊，設(shè)計(jì)要求較高，故在制造檢驗(yàn)過(guò)程中做好各細(xì)節(jié)的控制，該閥通過(guò)相關(guān)壓力測(cè)試并在美國(guó)頁(yè)巖氣田使用，未出現(xiàn)卡阻問(wèn)題，滿足鉆井作業(yè)要求。