闸板防喷器密封性能试验探讨分析

何雨洁 王凯 吴明扬 胡燕

摘要：以闸板防喷器为研究对象，根据实验室密封性能试验结果，建立钻井井压与防喷器开启压力数据模型，分析钻井井压与防喷器开启压力之间的关系；建立钻井井压与防喷器关闭压力数据模型，分析钻井井压与防喷器关闭压力之间的关系，根据防喷器密封形式讨论井压对密封性能的影响。

关键词：闸板防喷器；密封性能；数据分析；线性模型

1引言

闸板防噴器作为井控设备的核心组件，主要用在钻井作业中，控制高压油、气、水，并在发生井涌或井喷等突发事故时实现密封或封井[1]。闸板防喷器内部共四处密封[2-3]共同实现对高压流体有效密封：闸板顶部与壳体间密封，闸板前部与管子间密封，壳体与侧门间密封，活塞杆与侧门间密封。初始密封时，闸板在液压油推力下胶芯挤压密封部位抱紧管柱（或封空），形成前端密封，顶部胶芯在闸板与闸板座挤压过程中，密封橡胶向上微弓，胶芯突出与防喷器腔室凸台间过盈压缩，形成顶密封。当井内存有井压时，流体井压从闸板背部推动闸板向前挤压胶芯，同时闸板下部受井压作用，闸板上浮贴紧防喷器腔室凸台形成密封，称为井压助封。

2 试验过程

2.1初始井压为零的闸板关闭试验

松开闸板关闭装置上的自动锁紧系统，防喷器内装对应试验芯轴，全封或剪切闸板不安装试验芯轴，以10.5MPa关闭油压关闭闸板，施加3.45MPa的初始井压，缓慢增大开启压力直至出现泄漏或达到最大推荐开启压力（10.5MPa）；以10.5MPa关闭油压关闭闸板，井压在上次级别上增加增量3.45MPa，若井压超过34.5MPa，以后的增量为6.89MPa，缓慢增加开启压力直至泄漏，重复上诉过程直至井压等于防喷器额定工作压力。

2.2有上部井压的闸板关闭试验

防喷器内装对应试验芯轴，全封或剪切闸板不安装试验芯轴，以10.5MPa关闭油压关闭闸板，施加3.45MPa的井压，降低关闭压力，直至出现泄漏；泄压并开启防喷器，以10.5MPa关闭油压关闭闸板，井压在上次级别上增加增量3.45MPa，若井压超过34.5MPa，以后的增量为6.89MPa，降低关闭压力直至出现泄漏，重复上诉过程直至井压等于防喷器额定工作压力。

3试验数据分析及模型建立

3.1不同防喷器密封相同尺寸试验芯轴

分别用不同厂家防喷器对同一尺寸芯轴进行密封，对三种规格试验芯轴密封性能数据进行模拟。

3.1.1密封31/2"试验芯轴

两批次防喷器分别密封31/2"芯轴试验，通过线性模拟得出型号为2FZ18-70和型号为2FZ18-35的防喷器初始井压为零的闸板关闭试验试验井压与开启压力线性模型分别为：Y=0.25X+0.06，R2=0.98和Y=0.34X-1.63，R2=0.97。

3.1.2密封5"试验芯轴

四批次防喷器分别密封5"芯轴试验，通过线性模拟得出型号为FZ35-105、FZ35-105K.OA、2FZ48-70和2FZ35-70的防喷器初始井压为零的闸板关闭试验试验井压与开启压力线性模型分别为：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密封全封闸板

两批次防喷器分别密封全封闸板，通过线性模拟得出型号为FZ35-105和型号为2FZ35-105的防喷器初始井压为零的闸板关闭试验试验井压与开启压力线性模型分别为：Y=0.25X-0.19，R2=0.94和Y=0.16X+0.61，R2=0.98。

3.2同一防喷器密封不同尺寸试验芯轴

同一防喷器密封不同尺寸试验芯轴，型号为2FZ48-70的防喷器（样品7），分别密封5"试验芯轴、变径闸板（31/2"～75/8"试验芯轴）、剪切闸板（无芯轴）。

3.2.1初始井压为零的闸板关闭试验

通过线性模拟得出试验井压与开启压力线性模型分别为：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。

在会出现泄漏现象这一区间，钻井井压越高，打开防喷器所需的开启油压越大，二者呈线性关系；该样品密封不同钻杆，不发生泄漏点对应的开启压力不全一致，造成这一现象的原因是，除去试验本身操作过程以外，该样品内装变径闸板，设计时对极限值考虑较为详尽，故密封31/2"和75/8"芯轴时，不发生泄漏点对应开启压力接近，剪切闸板前段密封的材质与普通闸板有所不同，所以，不发生泄漏点对应的开启压力与其他三组试验相差较大。

3.2.2有上部井压的闸板关闭试验

通过线性模拟得出试验井压与关闭压力线性模型分别为：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。

在会出现泄漏现象这一区间，钻井井压越高，发生泄漏时的关闭油压越大，二者呈线性关系，亦即，钻井井压越高，保证不发生泄漏的关闭油压就越大。

3.3讨论

密封性能影响着防喷器封井的有效性，关井过程中，闸板防喷器腔内流体压力作用在闸板后部，推动闸板向井眼中心挤压闸板，辅助闸板前部与管柱（芯轴）间的密封，一定范围内，助封力与井内流体压力呈正相关，腔内井液压力越大，助封效果越明显，闸板与管柱间的密封越牢靠；闸板在关闭油压作用下向中心挤压，闸板顶部胶芯挤压变形与腔体顶密封面形成顶密封，但当腔室内井液压力过低或无压力时这种密封并不可靠，可能会发生流体溢漏，而当腔室密封高压流体时，高压流体推动闸板底部向上挤压，加大顶部胶芯与腔体顶部密封面间的贴紧力，辅助顶密封，在一定范围内，助封力与井内流体压力呈正相关，腔内井液压力越大，闸板顶部与壳体间的密封越牢靠。壳体与侧门间的密封处如有泄漏或渗漏，在试验时容易被观察到，而常用防喷器侧门密封形式有端面密封和径向密封，端面密封时侧门密封圈产生弹性变形挤压贴紧防喷器壳体和侧门密封面形成密封面，径向密封由金属骨架上的密封圈分别与侧门和壳体间形成径向密封，从而密封侧门和壳体。当腔内有高压流体时，井液对骨架的周向作用力加大了橡胶与密封面的贴紧力。

4结论

综上所述，钻井井压越高，关井密封所需的关闭油压越大，二者呈线性正相关；随着井压的增大，打开防喷器所需的开启油压越大，未发生不泄漏情况前，开启油压与井压呈线性正相关，一定范围内，井压越高，对闸板防喷器的助封作用越强，试验钻井井压超过40MPa助封效果变得非常明显。

参考文献

[1]孙振纯，王守谦，徐明辉.井控设备[M].北京：石油工业出版社，1997：19-35.

[2]陈惠琴，唐波，何为。闸板防喷器密封失效原因及对策分析[J].天然气工业，2006，25（11）：12-15.

[3]王道宝.闸板防喷器可靠性研究[D].东营：中国石油大学（华东）机电工程学院.2010：30-38

第一作者简介：何雨洁（1991-），女，四川成都人，学士，中石油川庆钻探工程有限公司安检院助理工程师（四川科特检测技术有限公司），现主要从事石油井控产品性能检测工作。

（作者单位：川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院）