論頁巖氣鉆采閘閥的研制

周國東

(美鉆石油鉆采系統(南京)有限公司，江蘇 南京 210000)

頁巖氣是一種以溶解、游離、吸附等多種方式賦予在粉砂質泥巖，暗色泥頁巖的夾層以及底層部位自生自儲存的天然氣聚集。開采這種氣體需要高壓大口徑閥門，開采時設備承載交變載荷，承受酸性含砂物質的磨損。筆者在借鑒相關閥門資料的基礎上，設計了一種壓裂鉆采閘閥。

1 工作原理及結構特點

頁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，液缸通過閥桿帶動閥板上下移動而開關閥門。下部有平衡尾桿結構，以保證閥門工作過程中的壓力平衡，最大限度減少開關力矩。閥體外部設有注脂結構，油脂通過注脂器、閥桿進入閥門密封面，使閥門達到零泄漏，便于對閥體內腔進行潤滑處理。閥門開啟時：泥砂經過閥體、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，泥砂無法進入閥腔。閥門關閉時：泥砂被封閉在閥體、閥座和閥板組成的密閉空間里，泥漿無法進入閥腔。全開或全閉是閥板工作狀態的兩個位置，嚴禁將閥門處于半開狀態。

該閥具有以下結構特點(如圖2)：(1)閥門設計的液壓驅動裝置，可以有效快速地開啟和關閉閥門。(2)閥座與閥板接觸面噴焊硬質合金，閥座背面用V型組合密封(波形彈簧加PTFE)，由于有預緊力，可實現高低壓密封。(3)擋泥板設計，防止泥沙進入閥腔。(4)U形組合桿密封由改性聚四氟乙烯與U形脹緊彈簧構成，內外多重唇口密封，可在含高濃度 CO2和 H2S的惡劣條件下長期工作且保持彈性。

圖1 頁巖氣鉆采閘閥基本結構

圖2 頁巖氣鉆采閘閥特點

2 設計任務書

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

3 關鍵細節分析

(1)理論計算及分析：根據API 6A，閥門設計手冊等，結合選用材料特性的對承壓件強度、最小壁厚、密封副的密封比壓、開閉扭矩進行理論計算，然后通過計算機模型對其進行有限元分析驗算。閥體、閥蓋等(選用AISI 4130)熱處理理論機械性能如下：抗拉強度655Mpa，屈服強度517Mpa，延伸率17%，斷面收縮率35%；閥桿選用Inconel 718，抗拉強度1000Mpa，屈服強度827Mpa，延伸率20%，斷面收縮率35%。

(2)采用合理的工藝及檢測方法來滿足其設計目標。原材料控制，三級鍛造，鍛造比大于等于4，依據ASTM 751，ASTM E354要求，用光譜分析對其進行化學分析，確定元素偏差是否在規定范圍。熱處理控制，AISI 4130調質熱處理，Inconel 718固溶加時效處理。為了驗證材料是否符合使用要求的拉伸性能時，每爐批工件熱處理需要一根隨爐試棒，所需要的機械試驗應在隨爐試棒切取的試樣上進行。

(3)對于流體的腐蝕性，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)為防止在使用時產生潛在的裂紋導致爆炸或泄露的風險，主控件出廠前需要進行無損檢測。在改善力學性能的熱處理后和限制檢驗結果有效解釋的機加工之前進行內部超聲檢測；在可接觸的濕潤流體表面和密封表面在最終熱處理和最終機械加工后通過液體滲透探傷或磁粉法進行檢查，探傷結果符合API 6A (PSL3G)要求。

(5)裝配完工的該閥要進行強度試驗和密封壓力測試，目的檢測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啟和關閉能力，驗證該閥設計結構和可操作的合理性。

4 結束語

頁巖氣鉆采閘閥在壓裂氣井的開采過程中發揮重要作用，由于使用環境特殊，設計要求較高，故在制造檢驗過程中做好各細節的控制，該閥通過相關壓力測試并在美國頁巖氣田使用，未出現卡阻問題，滿足鉆井作業要求。