页岩气压裂作业用阀门的防砂技术探讨

潘咏 张强

摘 要：文章主要对国内外不同结构的用于川庆地区压裂作业的阀门，在结构和性能上进行比较，分析各型结构的防砂优劣势，从而在阀门设计和应用上提出防砂难题的解决办法。

关键词：页岩气；压裂；阀门；防砂

中图分类号：TE934 文献标志码：A 文章编号：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

川庆地区的页岩气开发属于国家级能源规划项目，主要开发技术手段为水力压裂，而水力压裂的流体为压裂液和支撑剂的混合，在部分地质复杂地区，工作施工压力甚至高达140MPa，阀门在高压、高含砂、含酸的恶劣工况下，出现了不同程度的阀门卡死、开关不到位、密封泄漏等问题，极大的困扰现场操作人员，影响压裂施工进度，甚至有可能会导致严重的井控事故。

1 压裂作业用阀门的分类

压裂作业中的阀门主要按口径分，4-1/16″、5-1/8″和7-1/16″的阀门主要安装在压裂分配管汇和压裂树上，通过开关阀门，形成压裂流体主通道，实现主套管压裂施工；2-1/16″、2-9/16″和3-1/16″的阀门主要安装在压裂井口侧出口及侧出口管汇上，例如捕屑管汇、除砂器、节流试气管汇等，通常压力为10000psi、15000psi以及20000psi，这些阀门的工况都有一个共性：介质为超高压、含砂条件。

2 压裂现场常用的阀门结构

从总体结构上看，压裂现场手动闸阀常见的有两种，一种是明杆带尾杆螺纹驱动（如图1），适用于小口径的阀门；另一种是明杆带尾杆滚珠丝杠驱动，适用于大口径阀门（如图2）；这两种结构阀门的总体特点为三片可拆、操作扭矩小、开关指示明显。在小口径系列当中，国外公司等多为暗杆类型阀门，结构紧凑（如图3）。

3 常见阀座密封结构特点对比

3.1 阀前密封类型

波簧结构（如图4），由波簧变形产生较大预紧力，形成初始低压密封，外部O型圈密封。密封时，介质压力和弹簧预紧力同时起作用。优点：产生阀前密封，当阀门全关时，介质不易进入阀腔；缺点：安装困难，需要专用工具，难以实现在线维修，操作力矩大，介质会聚集在阀前间隙当中，容易卡阻。

活塞式多阀座结构（如图5），双阀座活塞式设计，O型圈密封，带挡砂环，由O型圈预压产生初始密封，介质压力过来时，压力从两个阀座之间进入，然后分别作用在阀座上面，推动一个阀座向闸板靠近，一个向阀体开档靠近，达到密封比压后形成密封效果。此类型优点：产生阀前封，阀门全关时，介质不易进入阀腔，安装比波簧容易；缺点：操作力矩大，介质会聚集间隙，有卡阻风险。

3.2 阀后密封

FLS和FL结构，FLS型阀座内圈和外圈均有密封圈（如图6），而FL型阀座仅有一个密封（如图7）。密封圈的结构都是带弹簧V型唇口型（如图8），主密封圈材料为PEEK，保护圈为PTFE，弹簧为不锈钢316或耐腐蚀合金EIGILOY或INCONEL材质。密封原理相同，弹簧提供预紧力，使得闸板和阀座贴合形成初始密封；同时，弹簧撑开PEEK圈，形成密封和保护。FLS双圈设计能够有效保护阀座密封面，防止进砂的同时可互相保护，不至于在泄压的时候刺坏密封圈。此类型优点：低压、高压密封良好，扭矩低，可在线维修；缺点：介质易进入阀腔。

3.3 双阀座结构

如图9，小阀座与大阀座之间以及大阀座和阀体之间设有矩形PTFE密封圈，密封原理为，压力作用在闸板上，推动闸板压向另一侧的双阀座，矩形圈提供辅助密封并保护下游大阀座和小阀座，大阀座和阀体之间的密封面，防止过度污染。此类型优点：阀后密封可靠，可在线维修；缺点：低压密封效果不理想，介质容易进入阀腔。

4 阀门的防砂优化

综合以上对比阀前密封和阀后密封的优劣势，阀后密封不易产生由于密封面积砂导致的卡死现象，阀前密封可以延缓阀体中腔进砂，但无法避免开关过程中进砂问题。具体优化措施如下：

（1）设计方面：尽量减少闸板与阀座及阀体之间密封间隙，减少密封面；密封圈采用带唇口带弹簧的挡砂结构；阀杆密封采用组合式弹簧蓄能圈型密封，增加密封接触面积，以防止砂粒磨损阀杆；阀门内部设置支持板，减少油脂流失；闸板采用导向型设计，侧边开泄砂槽，便于闸板运动过程中挤开底部沉砂；阀门底部和上部设置对冲冲砂口，便于沉砂时及时外接水源冲砂；閥门整体结构尽量采用三片式结构，便于拆卸维修；倒密封位置不宜过深，防止砂沉积；整体撬结构产品上的阀门，安装方式尽量采用水平放置。

（2）使用方面：在线使用时，需要及时注脂保养，有油脂在内腔可以避免砂沉落。同时，缩短注脂周期，及时观察，稍有扭矩增大就应立即注脂。

5 结束语

根据笔者的经验，阀后密封结构的阀门有利于砂顺利进入阀腔，阀门安装位置合适例如尽量使阀门平放，阀后密封在线拆卸维修方便，带有冲洗口，保证阀门正常的有效开关行程，阀门在实际的使用过程中会有良好的表现。定期维护保养，能够极大的延长产品的在线服务周期，单靠结构本身实现永久的防砂是不太现实的。阀门在使用之前，操作人员要得到系统的培训，了解产品结构和现场工况，在实际操作时，需要按相应的标准操作流程进行，保养规范、及时。

参考文献：

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