熱采平行閘閥閘板密封現(xiàn)狀及技術(shù)難點(diǎn)分析

　　在稠油熱采井口裝置中，介質(zhì)的溫度達(dá)到370℃，壓力達(dá)到21MPa，常溫平行閘閥的密封結(jié)構(gòu)和密封材料已無法滿足使用要求。從密封結(jié)構(gòu)、密封機(jī)理和受力角度3個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有熱采平行閘閥的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和比較，并對(duì)高溫工況下密封的難點(diǎn)和未來研究方向進(jìn)行了分析，供從事熱采井口閘閥和相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、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(wěn)定性直接決定了井控質(zhì)量的水平。平行閘閥因具有開關(guān)力矩小、密封可靠性高、制造維護(hù)方便等諸多優(yōu)勢(shì)，在常溫井口和采油樹上獲得了廣泛的應(yīng)用，并具有逐步取代楔形閘閥的優(yōu)勢(shì)。特別是對(duì)于35MPa以上的高壓井口閘閥，浮動(dòng)式平板閘閥更突顯出自壓密封的優(yōu)勢(shì)，然而在稠油熱采領(lǐng)域使用的熱采井口裝置，其工作溫度達(dá)到370℃，壓力達(dá)到21MPa，雖然強(qiáng)度上采取標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)已無法滿足工況要求，若要在此工況下繼續(xù)使用平行閘閥，必然要對(duì)其密封結(jié)構(gòu)做出變動(dòng)。國(guó)內(nèi)外均對(duì)此做了大量的技術(shù)工作和試驗(yàn)，也陸續(xù)設(shè)計(jì)了多種能夠滿足稠油熱采工況的平行閘閥并投入批量應(yīng)用。本文就此類閘閥的結(jié)構(gòu)和密封技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，供從事熱采井口閘閥和相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造人員參考。

1、現(xiàn)狀

　　熱采井口平行閘閥從閘板結(jié)構(gòu)上主要有撐開式雙閘板(如圖1)和單閘板(如圖2)2種結(jié)構(gòu)型式；從閥座是否具備移動(dòng)能力上又分為固定式閥座和浮動(dòng)式閥座2種結(jié)構(gòu)型式。撐開式雙閘板閘閥配備固定式閥座，屬于雙面強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)。單閘板熱采平行閘閥配備浮動(dòng)式閥座，主要是解決出口端密封的問題，雖然浮動(dòng)式閥座按照密封機(jī)理來講存在進(jìn)口端密封、出口端密封和進(jìn)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(shí)現(xiàn)，在高溫工況下由于密封材料的原因尚無法實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)出口端的密封。撐開式雙閘板結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍相對(duì)較廣，應(yīng)用效果也相對(duì)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(yīng)用。關(guān)于單閘板熱采平行閘閥的報(bào)道較多，但真正大批量應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)且具有很好應(yīng)用效果的較少，只有小范圍的使用且處于試驗(yàn)和驗(yàn)證階段，究其主要原因在于密封件的結(jié)構(gòu)、性能和重復(fù)密封的可靠性尚不十分理想。

圖1　撐開式雙閘板

圖2　單閘板

3、技術(shù)難點(diǎn)分析

　　比較2種結(jié)構(gòu)的閘板，通過上述計(jì)算和密封機(jī)理分析，各自存在優(yōu)越性和局限性，如何在保持優(yōu)越性的前提下避免局限性的存在，是當(dāng)前要解決的技術(shù)難題，同時(shí)也是未來的發(fā)展方向。

　　對(duì)于撐開式雙閘板結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性，但是產(chǎn)生初始密封比壓所需的閥桿推力導(dǎo)致閘閥啟閉力矩較大，且在閘閥關(guān)閉的終點(diǎn)達(dá)到最大；另外，強(qiáng)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(guān)閉和開啟的終點(diǎn)依據(jù)行程擋塊產(chǎn)生位移約束，如何保證開啟后的全通徑尺寸而減少介質(zhì)的壓力損失也對(duì)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(zhuǎn)矩和避免被卡死的可能是該結(jié)構(gòu)閘閥目前尚存在的技術(shù)難題。

　　對(duì)于單閘板結(jié)構(gòu)，初始比壓由波形彈簧提供，工作過程中的密封比壓由介質(zhì)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(chǎn)生初始密封比壓方面，單閘板產(chǎn)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(jù)壓力的變化浮動(dòng)，從而避免了閘板被卡死的可能性。但是，此類閘板密封結(jié)構(gòu)由于只能保證出口端的密封，因此介質(zhì)可通過進(jìn)口端閥座與閘板間的縫隙進(jìn)入閥腔，給后期閘閥的維護(hù)帶來諸多不便。另外，該種結(jié)構(gòu)的閘閥只能單向使用，壓力源必須處于進(jìn)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(yè)完成后的燜井過程，壓力源又轉(zhuǎn)向了井筒，所以熱采井口閘閥應(yīng)當(dāng)具有雙向密封的功能，如果使用該結(jié)構(gòu)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(chǔ)上滿足雙向密封的功能和可靠性是該結(jié)構(gòu)閘閥目前尚存在的技術(shù)難題。

4、結(jié)論及建議

　　熱采井口平行閘閥雖可以滿足低壓工況的要求，但相對(duì)于常溫平行閘閥在密封能力和操作靈活角度均存在較大差距，存在較大的研究空間。如何使平行閘閥能夠完全滿足熱采工況的要求，對(duì)今后此類閘閥的研究提出以下建議：

　　1)　受彈性密封材料的限制，目前尚無法在閥座徑向與閥體密封，只能依靠閥座端面與閥體的密封，在這種前提下，研究和設(shè)計(jì)一種既可以實(shí)現(xiàn)端面密封又可以使閥座在壓力變化過程中浮動(dòng)的閘板、閥座密封結(jié)構(gòu)將可以彌補(bǔ)上述2種結(jié)構(gòu)的不足，綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，使熱采閘閥在保持密封可靠性的前提下達(dá)到開啟靈活、輕巧的目的。

　　2)　隨著彈性高溫密封材料的發(fā)展與進(jìn)步，新型高溫密封材料的各項(xiàng)性能已逐步接近熱采工況的要求，從材料角度出發(fā)，研究一種新型彈性高溫密封材料亦可使熱采平行閘閥的各項(xiàng)性能得以改善。

　　3)　由于原油中含有硫化氫、二氧化碳等腐蝕性氣體，特別是在火驅(qū)采油工藝過程中，如何提高密封件特別是密封表面的防腐能力也是迫切需要研究和解決的問題

　　4)　全金屬密封是閘閥未來的發(fā)展方向，如何在閘閥的密封部位采用全金屬密封的方式，對(duì)閘閥的質(zhì)量和性能將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

　　5)　大幅提高密封部位的制造質(zhì)量，包括尺寸精度和表面粗糙度，也會(huì)對(duì)平行閘閥的密封性能產(chǎn)生很大的影響。