閘板防噴器密封性能試驗探討分析

何雨潔 王凱 吳明揚 胡燕

摘要：以閘板防噴器為研究對象，根據實驗室密封性能試驗結果，建立鉆井井壓與防噴器開啟壓力數據模型，分析鉆井井壓與防噴器開啟壓力之間的關系；建立鉆井井壓與防噴器關閉壓力數據模型，分析鉆井井壓與防噴器關閉壓力之間的關系，根據防噴器密封形式討論井壓對密封性能的影響。

關鍵詞：閘板防噴器；密封性能；數據分析；線性模型

1引言

閘板防噴器作為井控設備的核心組件，主要用在鉆井作業中，控制高壓油、氣、水，并在發生井涌或井噴等突發事故時實現密封或封井[1]。閘板防噴器內部共四處密封[2-3]共同實現對高壓流體有效密封：閘板頂部與殼體間密封，閘板前部與管子間密封，殼體與側門間密封，活塞桿與側門間密封。初始密封時，閘板在液壓油推力下膠芯擠壓密封部位抱緊管柱（或封空），形成前端密封，頂部膠芯在閘板與閘板座擠壓過程中，密封橡膠向上微弓，膠芯突出與防噴器腔室凸臺間過盈壓縮，形成頂密封。當井內存有井壓時，流體井壓從閘板背部推動閘板向前擠壓膠芯，同時閘板下部受井壓作用，閘板上浮貼緊防噴器腔室凸臺形成密封，稱為井壓助封。

2 試驗過程

2.1初始井壓為零的閘板關閉試驗

松開閘板關閉裝置上的自動鎖緊系統，防噴器內裝對應試驗芯軸，全封或剪切閘板不安裝試驗芯軸，以10.5MPa關閉油壓關閉閘板，施加3.45MPa的初始井壓，緩慢增大開啟壓力直至出現泄漏或達到最大推薦開啟壓力（10.5MPa）；以10.5MPa關閉油壓關閉閘板，井壓在上次級別上增加增量3.45MPa，若井壓超過34.5MPa，以后的增量為6.89MPa，緩慢增加開啟壓力直至泄漏，重復上訴過程直至井壓等于防噴器額定工作壓力。

2.2有上部井壓的閘板關閉試驗

防噴器內裝對應試驗芯軸，全封或剪切閘板不安裝試驗芯軸，以10.5MPa關閉油壓關閉閘板，施加3.45MPa的井壓，降低關閉壓力，直至出現泄漏；泄壓并開啟防噴器，以10.5MPa關閉油壓關閉閘板，井壓在上次級別上增加增量3.45MPa，若井壓超過34.5MPa，以后的增量為6.89MPa，降低關閉壓力直至出現泄漏，重復上訴過程直至井壓等于防噴器額定工作壓力。

3試驗數據分析及模型建立

3.1不同防噴器密封相同尺寸試驗芯軸

分別用不同廠家防噴器對同一尺寸芯軸進行密封，對三種規格試驗芯軸密封性能數據進行模擬。

3.1.1密封31/2"試驗芯軸

兩批次防噴器分別密封31/2"芯軸試驗，通過線性模擬得出型號為2FZ18-70和型號為2FZ18-35的防噴器初始井壓為零的閘板關閉試驗試驗井壓與開啟壓力線性模型分別為：Y=0.25X+0.06，R2=0.98和Y=0.34X-1.63，R2=0.97。

3.1.2密封5"試驗芯軸

四批次防噴器分別密封5"芯軸試驗，通過線性模擬得出型號為FZ35-105、FZ35-105K.OA、2FZ48-70和2FZ35-70的防噴器初始井壓為零的閘板關閉試驗試驗井壓與開啟壓力線性模型分別為：Y=0.14X+0.98，R2=0.97、Y=0.10X+3.30，R2=0.89、Y=0.26X+0.79，R2=0.99和Y=0.16X+0.30，R2=1.00。

3.1.3密封全封閘板

兩批次防噴器分別密封全封閘板，通過線性模擬得出型號為FZ35-105和型號為2FZ35-105的防噴器初始井壓為零的閘板關閉試驗試驗井壓與開啟壓力線性模型分別為：Y=0.25X-0.19，R2=0.94和Y=0.16X+0.61，R2=0.98。

3.2同一防噴器密封不同尺寸試驗芯軸

同一防噴器密封不同尺寸試驗芯軸，型號為2FZ48-70的防噴器（樣品7），分別密封5"試驗芯軸、變徑閘板（31/2"～75/8"試驗芯軸）、剪切閘板（無芯軸）。

3.2.1初始井壓為零的閘板關閉試驗

通過線性模擬得出試驗井壓與開啟壓力線性模型分別為：Y=0.25X+0.78，R2=0.99、Y=0.45X1.04，R2=0.99、Y=0.16X+0.13，R2=0.98和Y=0.19X+0.39，R2=0.94。

在會出現泄漏現象這一區間，鉆井井壓越高，打開防噴器所需的開啟油壓越大，二者呈線性關系；該樣品密封不同鉆桿，不發生泄漏點對應的開啟壓力不全一致，造成這一現象的原因是，除去試驗本身操作過程以外，該樣品內裝變徑閘板，設計時對極限值考慮較為詳盡，故密封31/2"和75/8"芯軸時，不發生泄漏點對應開啟壓力接近，剪切閘板前段密封的材質與普通閘板有所不同，所以，不發生泄漏點對應的開啟壓力與其他三組試驗相差較大。

3.2.2有上部井壓的閘板關閉試驗

通過線性模擬得出試驗井壓與關閉壓力線性模型分別為：Y=0.14X-0.57，R2=0.96、Y=0.12X+1.34，R2=0.99、Y=0.14X+1.73，R2=1.00和Y=0.12X-0.63，R2=0.93。

在會出現泄漏現象這一區間，鉆井井壓越高，發生泄漏時的關閉油壓越大，二者呈線性關系，亦即，鉆井井壓越高，保證不發生泄漏的關閉油壓就越大。

3.3討論

密封性能影響著防噴器封井的有效性，關井過程中，閘板防噴器腔內流體壓力作用在閘板后部，推動閘板向井眼中心擠壓閘板，輔助閘板前部與管柱（芯軸）間的密封，一定范圍內，助封力與井內流體壓力呈正相關，腔內井液壓力越大，助封效果越明顯，閘板與管柱間的密封越牢靠；閘板在關閉油壓作用下向中心擠壓，閘板頂部膠芯擠壓變形與腔體頂密封面形成頂密封，但當腔室內井液壓力過低或無壓力時這種密封并不可靠，可能會發生流體溢漏，而當腔室密封高壓流體時，高壓流體推動閘板底部向上擠壓，加大頂部膠芯與腔體頂部密封面間的貼緊力，輔助頂密封，在一定范圍內，助封力與井內流體壓力呈正相關，腔內井液壓力越大，閘板頂部與殼體間的密封越牢靠。殼體與側門間的密封處如有泄漏或滲漏，在試驗時容易被觀察到，而常用防噴器側門密封形式有端面密封和徑向密封，端面密封時側門密封圈產生彈性變形擠壓貼緊防噴器殼體和側門密封面形成密封面，徑向密封由金屬骨架上的密封圈分別與側門和殼體間形成徑向密封，從而密封側門和殼體。當腔內有高壓流體時，井液對骨架的周向作用力加大了橡膠與密封面的貼緊力。

4結論

綜上所述，鉆井井壓越高，關井密封所需的關閉油壓越大，二者呈線性正相關；隨著井壓的增大，打開防噴器所需的開啟油壓越大，未發生不泄漏情況前，開啟油壓與井壓呈線性正相關，一定范圍內，井壓越高，對閘板防噴器的助封作用越強，試驗鉆井井壓超過40MPa助封效果變得非常明顯。

參考文獻

[1]孫振純，王守謙，徐明輝.井控設備[M].北京：石油工業出版社，1997：19-35.

[2]陳惠琴，唐波，何為。閘板防噴器密封失效原因及對策分析[J].天然氣工業，2006，25（11）：12-15.

[3]王道寶.閘板防噴器可靠性研究[D].東營：中國石油大學（華東）機電工程學院.2010：30-38

第一作者簡介：何雨潔（1991-），女，四川成都人，學士，中石油川慶鉆探工程有限公司安檢院助理工程師（四川科特檢測技術有限公司），現主要從事石油井控產品性能檢測工作。

（作者單位：川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院）