熱采平行閘閥閘板密封現狀及技術難點分析

2013-11-18 申玉壯新疆油田公司

　　在稠油熱采井口裝置中，介質的溫度達到370℃，壓力達到21MPa，常溫平行閘閥的密封結構和密封材料已無法滿足使用要求。從密封結構、密封機理和受力角度3個方面對現有熱采平行閘閥的現狀進行了分析和比較，并對高溫工況下密封的難點和未來研究方向進行了分析，供從事熱采井口閘閥和相關產品的設計、制造人員參考。

　　閘閥作為井口裝置和采油樹的主要部件，其密封的可靠性和穩定性直接決定了井控質量的水平。平行閘閥因具有開關力矩小、密封可靠性高、制造維護方便等諸多優勢，在常溫井口和采油樹上獲得了廣泛的應用，并具有逐步取代楔形閘閥的優勢。特別是對于35MPa以上的高壓井口閘閥，浮動式平板閘閥更突顯出自壓密封的優勢，然而在稠油熱采領域使用的熱采井口裝置，其工作溫度達到370℃，壓力達到21MPa，雖然強度上采取標準推薦的降壓處理方式能夠滿足高溫工況的要求，但由于高溫的原因使得已有的密封結構已無法滿足工況要求，若要在此工況下繼續使用平行閘閥，必然要對其密封結構做出變動。國內外均對此做了大量的技術工作和試驗，也陸續設計了多種能夠滿足稠油熱采工況的平行閘閥并投入批量應用。本文就此類閘閥的結構和密封技術難點進行了分析，供從事熱采井口閘閥和相關產品的設計、制造人員參考。

1、現狀

　　熱采井口平行閘閥從閘板結構上主要有撐開式雙閘板(如圖1)和單閘板(如圖2)2種結構型式；從閥座是否具備移動能力上又分為固定式閥座和浮動式閥座2種結構型式。撐開式雙閘板閘閥配備固定式閥座，屬于雙面強制密封結構。單閘板熱采平行閘閥配備浮動式閥座，主要是解決出口端密封的問題，雖然浮動式閥座按照密封機理來講存在進口端密封、出口端密封和進出口雙向密封3種密封方式，但這3種密封方式在常溫平行閘閥中容易實現，在高溫工況下由于密封材料的原因尚無法實現閥座與閥體的徑向密封，只能采取閥座與閥體端面密封的方式實現出口端的密封。撐開式雙閘板結構應用范圍相對較廣，應用效果也相對較好，在遼河油田、勝利油田的稠油熱采井口中獲得了批量應用。關于單閘板熱采平行閘閥的報道較多，但真正大批量應用于油田現場且具有很好應用效果的較少，只有小范圍的使用且處于試驗和驗證階段，究其主要原因在于密封件的結構、性能和重復密封的可靠性尚不十分理想。

撐開式雙閘板

圖1　撐開式雙閘板

單閘板

圖2　單閘板

3、技術難點分析

　　比較2種結構的閘板，通過上述計算和密封機理分析，各自存在優越性和局限性，如何在保持優越性的前提下避免局限性的存在，是當前要解決的技術難題，同時也是未來的發展方向。

　　對于撐開式雙閘板結構，由于初始的密封比壓是通過閥桿的軸向推力施加，因此能夠保證足夠的密封比壓以確保工作過程的密封可靠性和穩定性，但是產生初始密封比壓所需的閥桿推力導致閘閥啟閉力矩較大，且在閘閥關閉的終點達到最大；另外，強制的雙向密封無法完全避免閘板在高溫工況下卡死的可能性；再者，關閉和開啟的終點依據行程擋塊產生位移約束，如何保證開啟后的全通徑尺寸而減少介質的壓力損失也對各配合件的制造精度提出了更高的要求。如何最大限度降低啟閉轉矩和避免被卡死的可能是該結構閘閥目前尚存在的技術難題。

　　對于單閘板結構，初始比壓由波形彈簧提供，工作過程中的密封比壓由介質壓力和彈簧共同提供，閥桿的受力僅為閘板與閥座表面的摩擦力。在產生初始密封比壓方面，單閘板產生初始密封比壓所需的閥桿力為零，因此，此類閘閥開啟輕巧、靈活；另外，閘板可根據壓力的變化浮動，從而避免了閘板被卡死的可能性。但是，此類閘板密封結構由于只能保證出口端的密封，因此介質可通過進口端閥座與閘板間的縫隙進入閥腔，給后期閘閥的維護帶來諸多不便。另外，該種結構的閘閥只能單向使用，壓力源必須處于進口端才能密封。然而稠油開采工藝中，需要通過閘閥和井口向地層注入高溫高壓蒸汽，在注汽過程中壓力的來源在地面，而注汽作業完成后的燜井過程，壓力源又轉向了井筒，所以熱采井口閘閥應當具有雙向密封的功能，如果使用該結構的平行閘閥，則不能保證很好的密封和使用效果。如何在保證開啟輕巧、靈活的基礎上滿足雙向密封的功能和可靠性是該結構閘閥目前尚存在的技術難題。