頁巖氣壓裂作業(yè)用閥門的防砂技術(shù)探討

潘詠 張強(qiáng)

摘 要：文章主要對國內(nèi)外不同結(jié)構(gòu)的用于川慶地區(qū)壓裂作業(yè)的閥門，在結(jié)構(gòu)和性能上進(jìn)行比較，分析各型結(jié)構(gòu)的防砂優(yōu)劣勢，從而在閥門設(shè)計(jì)和應(yīng)用上提出防砂難題的解決辦法。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；壓裂；閥門；防砂

中圖分類號(hào)：TE934 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）29-0164-02

Abstract： This paper mainly compares the structure and performance of the valves with different structures used in fracturing operation in Chuanqing area at home and abroad， analyzes the advantages and disadvantages of each type of structure in sand control， and puts forward solutions to the difficult problem of sand control in the design and application of valves.

Keywords： shale gas； fracturing； valve； sand control

川慶地區(qū)的頁巖氣開發(fā)屬于國家級能源規(guī)劃項(xiàng)目，主要開發(fā)技術(shù)手段為水力壓裂，而水力壓裂的流體為壓裂液和支撐劑的混合，在部分地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)，工作施工壓力甚至高達(dá)140MPa，閥門在高壓、高含砂、含酸的惡劣工況下，出現(xiàn)了不同程度的閥門卡死、開關(guān)不到位、密封泄漏等問題，極大的困擾現(xiàn)場操作人員，影響壓裂施工進(jìn)度，甚至有可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的井控事故。

1 壓裂作業(yè)用閥門的分類

壓裂作業(yè)中的閥門主要按口徑分，4-1/16″、5-1/8″和7-1/16″的閥門主要安裝在壓裂分配管匯和壓裂樹上，通過開關(guān)閥門，形成壓裂流體主通道，實(shí)現(xiàn)主套管壓裂施工；2-1/16″、2-9/16″和3-1/16″的閥門主要安裝在壓裂井口側(cè)出口及側(cè)出口管匯上，例如捕屑管匯、除砂器、節(jié)流試氣管匯等，通常壓力為10000psi、15000psi以及20000psi，這些閥門的工況都有一個(gè)共性：介質(zhì)為超高壓、含砂條件。

2 壓裂現(xiàn)場常用的閥門結(jié)構(gòu)

從總體結(jié)構(gòu)上看，壓裂現(xiàn)場手動(dòng)閘閥常見的有兩種，一種是明桿帶尾桿螺紋驅(qū)動(dòng)（如圖1），適用于小口徑的閥門；另一種是明桿帶尾桿滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，適用于大口徑閥門（如圖2）；這兩種結(jié)構(gòu)閥門的總體特點(diǎn)為三片可拆、操作扭矩小、開關(guān)指示明顯。在小口徑系列當(dāng)中，國外公司等多為暗桿類型閥門，結(jié)構(gòu)緊湊（如圖3）。

3 常見閥座密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

3.1 閥前密封類型

波簧結(jié)構(gòu)（如圖4），由波簧變形產(chǎn)生較大預(yù)緊力，形成初始低壓密封，外部O型圈密封。密封時(shí)，介質(zhì)壓力和彈簧預(yù)緊力同時(shí)起作用。優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)生閥前密封，當(dāng)閥門全關(guān)時(shí)，介質(zhì)不易進(jìn)入閥腔；缺點(diǎn)：安裝困難，需要專用工具，難以實(shí)現(xiàn)在線維修，操作力矩大，介質(zhì)會(huì)聚集在閥前間隙當(dāng)中，容易卡阻。

活塞式多閥座結(jié)構(gòu)（如圖5），雙閥座活塞式設(shè)計(jì)，O型圈密封，帶擋砂環(huán)，由O型圈預(yù)壓產(chǎn)生初始密封，介質(zhì)壓力過來時(shí)，壓力從兩個(gè)閥座之間進(jìn)入，然后分別作用在閥座上面，推動(dòng)一個(gè)閥座向閘板靠近，一個(gè)向閥體開檔靠近，達(dá)到密封比壓后形成密封效果。此類型優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)生閥前封，閥門全關(guān)時(shí)，介質(zhì)不易進(jìn)入閥腔，安裝比波簧容易；缺點(diǎn)：操作力矩大，介質(zhì)會(huì)聚集間隙，有卡阻風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 閥后密封

FLS和FL結(jié)構(gòu)，F(xiàn)LS型閥座內(nèi)圈和外圈均有密封圈（如圖6），而FL型閥座僅有一個(gè)密封（如圖7）。密封圈的結(jié)構(gòu)都是帶彈簧V型唇口型（如圖8），主密封圈材料為PEEK，保護(hù)圈為PTFE，彈簧為不銹鋼316或耐腐蝕合金EIGILOY或INCONEL材質(zhì)。密封原理相同，彈簧提供預(yù)緊力，使得閘板和閥座貼合形成初始密封；同時(shí)，彈簧撐開PEEK圈，形成密封和保護(hù)。FLS雙圈設(shè)計(jì)能夠有效保護(hù)閥座密封面，防止進(jìn)砂的同時(shí)可互相保護(hù)，不至于在泄壓的時(shí)候刺壞密封圈。此類型優(yōu)點(diǎn)：低壓、高壓密封良好，扭矩低，可在線維修；缺點(diǎn)：介質(zhì)易進(jìn)入閥腔。

3.3 雙閥座結(jié)構(gòu)

如圖9，小閥座與大閥座之間以及大閥座和閥體之間設(shè)有矩形PTFE密封圈，密封原理為，壓力作用在閘板上，推動(dòng)閘板壓向另一側(cè)的雙閥座，矩形圈提供輔助密封并保護(hù)下游大閥座和小閥座，大閥座和閥體之間的密封面，防止過度污染。此類型優(yōu)點(diǎn)：閥后密封可靠，可在線維修；缺點(diǎn)：低壓密封效果不理想，介質(zhì)容易進(jìn)入閥腔。

4 閥門的防砂優(yōu)化

綜合以上對比閥前密封和閥后密封的優(yōu)劣勢，閥后密封不易產(chǎn)生由于密封面積砂導(dǎo)致的卡死現(xiàn)象，閥前密封可以延緩閥體中腔進(jìn)砂，但無法避免開關(guān)過程中進(jìn)砂問題。具體優(yōu)化措施如下：

（1）設(shè)計(jì)方面：盡量減少閘板與閥座及閥體之間密封間隙，減少密封面；密封圈采用帶唇口帶彈簧的擋砂結(jié)構(gòu)；閥桿密封采用組合式彈簧蓄能圈型密封，增加密封接觸面積，以防止砂粒磨損閥桿；閥門內(nèi)部設(shè)置支持板，減少油脂流失；閘板采用導(dǎo)向型設(shè)計(jì)，側(cè)邊開泄砂槽，便于閘板運(yùn)動(dòng)過程中擠開底部沉砂；閥門底部和上部設(shè)置對沖沖砂口，便于沉砂時(shí)及時(shí)外接水源沖砂；閥門整體結(jié)構(gòu)盡量采用三片式結(jié)構(gòu)，便于拆卸維修；倒密封位置不宜過深，防止砂沉積；整體撬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上的閥門，安裝方式盡量采用水平放置。

（2）使用方面：在線使用時(shí)，需要及時(shí)注脂保養(yǎng)，有油脂在內(nèi)腔可以避免砂沉落。同時(shí)，縮短注脂周期，及時(shí)觀察，稍有扭矩增大就應(yīng)立即注脂。

5 結(jié)束語

根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，閥后密封結(jié)構(gòu)的閥門有利于砂順利進(jìn)入閥腔，閥門安裝位置合適例如盡量使閥門平放，閥后密封在線拆卸維修方便，帶有沖洗口，保證閥門正常的有效開關(guān)行程，閥門在實(shí)際的使用過程中會(huì)有良好的表現(xiàn)。定期維護(hù)保養(yǎng)，能夠極大的延長產(chǎn)品的在線服務(wù)周期，單靠結(jié)構(gòu)本身實(shí)現(xiàn)永久的防砂是不太現(xiàn)實(shí)的。閥門在使用之前，操作人員要得到系統(tǒng)的培訓(xùn)，了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場工況，在實(shí)際操作時(shí)，需要按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)操作流程進(jìn)行，保養(yǎng)規(guī)范、及時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳漢川，劉伯修.非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)中壓裂裝備的研制[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，06（33）.

[2]孫曉迎，易先中，鄧金先.抗H2S腐蝕的HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥研制[J].石油礦場機(jī)械，2013，06.

[3]朱有光，戴金星.中國含硫化氫天然氣的研究及勘探前景[J].天然氣工業(yè)，2004，24（9）：1-4.