超高壓重大井口裝備密封結構的關鍵技術研究

［摘 要］隨著開采層位壓力的增加，140 MPa 壓力等級產品已不能完全滿足超深油氣井勘探開發的需求，迫切需要更高壓力等級的井控裝備。通過對現有API 6A 標準分析，完善了175 MPa 超高壓井控裝備的設計原理。研究了重大井口裝備的抗高壓、耐高溫和耐腐蝕密封結構的關鍵技術。文章提出了新型的井口裝備密封結構，并對密封結構的性能進行了實驗驗證。結果表明，該密封結構具有優良的抗高壓、耐高溫及耐腐蝕性能。。

［關鍵詞］175 MPa 超高壓；井口裝備；高溫；腐蝕；密封結構

［中圖分類號］F426.61 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0097–03

隨著油氣資源勘探開發的深入，我國布署了越來越多的超深、超高壓、高溫等風險探井，特高壓、萬米深井逐漸增多。面臨更復雜的地質條件和更高的關井壓力，現有額定壓力140 MPa 裝備難以滿足使用要求，需要研制175 MPa 以上壓力等級的超高壓重大井口和井控裝備，以滿足深井超高壓、高溫井油氣開發的需要。例如，API（美國石油學會）標準上的密封結構（普通的閥桿、閥板、懸掛器及脖頸）在用于高溫、高壓、高腐蝕的井口時，易出現密封不牢靠的現象，甚至造成安全事故。因此，必須使用新型的閥桿、閥板、懸掛器及脖頸的密封結構。

1 新型閥桿密封圈

閥桿填料處一般用密封圈將兩者密封，按照具體模式有3 種密封方法，包括機械式密封﹑半機械式密封及自封式唇形復合密封。當氣壓大于70 MPa 時，密封閥桿填料處會選擇此種密封方式。該密封方式將形狀像嘴唇的密封圈鑲嵌到密封槽內，形成O形圈體，能夠提升整個密封圈裙部的彈性，讓此部位密封性更好。在超高壓環境中，一般會將填料函設計成雙層的密封圈。但是此種密封面對175 MPa 壓力的井口時密封效果不理想。

截面為Y 形的環狀密封圈為Y 形密封圈。Y 形密封圈被壓入閥桿與閥蓋形成的密封溝槽中時，閥桿與閥蓋會同時對Y 形密封圈的唇邊產生擠壓作用，使Y 形圈發生彈性變形，并在兩唇邊產生密封所須接觸應力。工況下，原油流入平板閘閥并擠壓Y 形圈的內唇面，使兩唇邊產生更大的接觸應力，外唇面與閥桿、閥蓋更加貼合，達到自密封的效果。Y形密封圈相較與O 形密封圈擁有更好的密封性能。21 MPa 工況壓力下，3 種密封圈均滿足密封要求，但O 形密封圈和Y 形密封圈的最大接觸應力雖超過工況介質壓力，但超出值較小，密封可靠性較差，而柔性密封圈超出值較高，密封可靠性更高，密封性能更好。泛塞封兼具Y 形密封圈的密封特點，在高壓下接觸應力隨介質壓力的增大而增大，保證了泛塞封從零壓到高壓均具有優秀的密封性能，提高了密封可靠性。本次新形閥桿密封圈通過結合Y 形密封圈和泛塞封的優點，設計了新形的密封圈，并且增加了輔助裝置，增強密封能力。

1.1 新型閥桿密封圈密封原理

閥桿密封件在面對高溫、高壓、高腐蝕井口時，通過Elgiloy 耐腐蝕合金彈簧的張力將唇口撐開，實現低壓密封。當井筒壓力升高后，借助井壓激發密封，使得密封更可靠。井壓或內壓越高，密封效果越好，這稱之為主密封。在主密封圈后增加兩組V 形密封圈，通過V 形密封的唇口撐開密封，起輔助密封作用。當主密封失效后，V 形密封組合可以繼續密封。當密封圈承受高壓時防止密封件擠出變形，起承壓支撐扶正作用。T 形支撐環可防止異物進入彈簧影響密封，同時對擠壓密封形成支撐。

1.2 新型閥桿密封圈結構和組成

新型閥桿密封圈結構及組成如圖1 所示。

1.3 新型閥桿密封圈有限元分析

通過分析軟件對新形密封件受壓分析，均在可承受范圍內，有限元分析合格。

1.4 新型閥桿密封圈優點

（1）自發形成低壓密封，借助井壓實現密封，密封可靠。

（2）增加輔助密封，確保可靠性。

（3）增加支撐環，扶正密封圈。

（4）增加T 形支撐環，減小外界對密封件的干擾。

1.5 新型閥桿密封圈實物

通過對閥桿密封圈位置度、公差、工藝等要求。密封圈和閥桿裝配時能起到密封的作用，同時耐高溫耐高壓，滿足井口的使用要求。并且符合相應規范。

2 新型耐高溫高壓的閥座密封圈

目前平板閘閥多采用帶有浮動閥座的擴張式雙閘板閥門，浮動閥座后表面與閥體間留有一定的間隙，并在閥座面上開有能夠嵌入密封圈的密封槽，用O 形密封圈密封閥座與閥體間接觸面，防止原油通過閥座與閥體間間隙向上流入閥體內，造成內泄漏[1-2]。喬文杰[3] 分析了在受到側向力作用下O 形密封圈的泄漏量，從分析的結果來看，受到側向力時，密封件要產生變形，在該變形的影響下，縫隙導致的泄漏量會進一步被放大，偏心率對于泄漏量的影響是成指數級增長的。因此O形密封圈不適合受到側向力時的密封。

通過比較閥桿密封圈的設計原理，考慮到高溫、高壓、高腐蝕的工作環境，最終將閥座密封圈設計為泛塞封的形式。

2.1 新型耐高溫高壓的閥座密封圈原理

通過Elgiloy 耐腐蝕合金彈簧的張力將唇口撐開，實現低壓密封。當井筒壓力升高后，借助井壓激發密封，使得密封更可靠。增加背拖環在高壓時防止密封件擠出變形，起承壓支承作用。設計內加入T 形環，設計材質PTFE，防止閥腔內有反向壓力時，將密封件唇口堵塞，增加閥座與閥芯的間隙，防止密封失效。

2.2 新型耐高溫高壓的閥座密封圈結構

新型耐高溫高壓的閥座密封圈結構如圖2所示。

閥座外圓密封圈主體選用特種特氟龍耐溫材料（Teflon，PTFE）， 材質組份為23% Carbon & 2%Graphite Filled PTFE，高溫可以滿足200℃以上。

耐腐蝕Elgiloy（UNS R30003）鈷基合金彈簧的選材和硬度符合ISO15156-3 ：2020 表A39 的要求，專用防腐蝕的彈簧。

背拖環材質為23% Carbon & 2% Graphite FilledPTFE。

T 形環的設計材質選用PTFE。

2.3 新型耐高溫高壓的閥座密封圈有限元分析

通過有限元分析，在整個完整受力過程中，承壓175 MPa，可滿足–46 ～ +180℃（L.X））工況使用。特種特氟龍耐溫材料（Teflon，PTFE）根據API 6A附錄F 在X 級（177℃）工況下進行了浸漬試驗。

2.4 新型閥桿密封圈優點

（1）自發形成低壓密封，借助井壓實現密封，密封可靠。

（2）增加輔助密封，確保可靠性。

（3）增加支撐環，扶正密封圈。

（4）增加T 形支撐環，減小外界對密封件的干擾。

2.5 新型閥桿密封圈實物

通過對閥桿密封圈位置度、公差、工藝等要求。密封圈和閥座裝配時能起到密封的作用，同時耐高溫耐高壓，滿足井口的使用要求。并且符合相應規范。

3 井口裝置懸掛器和脖頸的H形金屬密封

在油氣井開發中彈性體密封材料正面臨著高溫、高壓和強腐蝕等耐受性和可靠性問題。密封失效不但會導致油井的產量降低和維修成本增加，甚至會引起巨大的安全和環境問題。雖然國內有采用超彈性金屬作為封隔器密封組件的報道，但主要的研究工作還是集中于國外的工具廠商。Baker Hughes、Caledyne 等廠商對金屬密封技術在井下工具的應用展開了比較深入的研究，形成了一系列采用金屬密封的井下工具。

為解決井口裝置在高溫高壓下的密封問題，根據140 MPa 井口金屬密封使用的經歷，專門設計了H 形密封圈，懸掛器主密封設計為 H 形金屬密封，二次密封設計為U 形曲面結構的金屬密封，密封面錐度為 3°，該結構的密封圈采用雙支撐定位、自激式結構，利用壓力增強式密封原理密封超高壓油氣介質，具有安裝便捷、耐腐蝕、耐高溫、金屬錐面自鎖密封高壓的功能，以及超高壓環境下密封可靠、性能穩定等優點。且方便現場拆裝更換，方便現場反復施工作業更換密封圈，不會損傷四通內腔、密封錐面。

套管懸掛器脖頸處設計為其惡行楔形雙錐面自鎖金屬密封，借助螺栓的預緊力和井口的重量激發錐面鍥緊實現密封。懸掛器上研發了3 種不同的金屬密封結構解決高壓高溫耐腐蝕懸掛器的密封問題，密封圈采用UNS NO8825 耐蝕鎳基合金，可以滿足任何極端腐蝕環境的使用要求。

通過對API6A 和NACE MR0175 標準的研究，采用有限元分析，選用高強度、淬透性好的材質解決本體的強度問題，充分考慮材料在混沌區內彈塑性力學與斷裂力學交織，增加壁厚帶來爆裂風險即 LBB（Leak Before Break）理論。選用綜合力學性能及淬透好42CrMo 作為母材，將綜合力學性能提高到105K以上，在與介質接觸的所有密封表面采用智能機器人堆焊UNS NO6625 鎳基耐腐蝕合金，可以防止任何油氣開采介質的腐蝕。閥桿和懸掛器材料選用API6ACRA 推薦的高強度UNS N07718 鎳基合金材質，強度高，耐腐蝕性能好。

上述全金屬密封懸掛器設計為具有自鎖功能的H形、U 形、形金屬密封復合鋼圈，具有金屬錐面自鎖密封功能，其主密封設計為X 形結構，二次密封設計為U 形曲面結構，懸掛器脖頸處設計為契形雙錐面結構，3 種不同的金屬密封結構解決高壓高溫耐腐蝕懸掛器的密封問題。

4 結論

（1）綜上所述，文章通過研究，設計出了新形閥桿密封圈結構、新形耐高溫高壓的閥座密封圈、井口裝置懸掛器和脖頸的H 形金屬密封，并且通過實驗證實，能夠滿足175 MPa 井口裝備的要求。

（2）H 形金屬密封，為超高壓井口裝備的金屬密封提供了設計思路。

（3）新形耐高溫高壓的閥桿、閥座密封圈為未來更高壓力的井口裝備的設計提供了思路。

參考文獻

[1] 賈振宇，詹飛，王新元. 超高壓采氣井口平板閘閥密封結構技術[J]. 中國設備工程，2023（14）：203-205.

[2] 王達. 整體式采油樹平板閘閥密封性能研究[D]. 成都：西南石油大學，2019.

[3] 喬文杰.O 形密封圈耐久性及其測試系統研究[D]. 沈陽：東北大學，2019.