超高压重大井口装备密封结构的关键技术研究

［摘 要］随着开采层位压力的增加，140 MPa 压力等级产品已不能完全满足超深油气井勘探开发的需求，迫切需要更高压力等级的井控装备。通过对现有API 6A 标准分析，完善了175 MPa 超高压井控装备的设计原理。研究了重大井口装备的抗高压、耐高温和耐腐蚀密封结构的关键技术。文章提出了新型的井口装备密封结构，并对密封结构的性能进行了实验验证。结果表明，该密封结构具有优良的抗高压、耐高温及耐腐蚀性能。。

［关键词］175 MPa 超高压；井口装备；高温；腐蚀；密封结构

［中图分类号］F426.61 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）05–0097–03

随着油气资源勘探开发的深入，我国布署了越来越多的超深、超高压、高温等风险探井，特高压、万米深井逐渐增多。面临更复杂的地质条件和更高的关井压力，现有额定压力140 MPa 装备难以满足使用要求，需要研制175 MPa 以上压力等级的超高压重大井口和井控装备，以满足深井超高压、高温井油气开发的需要。例如，API（美国石油学会）标准上的密封结构（普通的阀杆、阀板、悬挂器及脖颈）在用于高温、高压、高腐蚀的井口时，易出现密封不牢靠的现象，甚至造成安全事故。因此，必须使用新型的阀杆、阀板、悬挂器及脖颈的密封结构。

1 新型阀杆密封圈

阀杆填料处一般用密封圈将两者密封，按照具体模式有3 种密封方法，包括机械式密封﹑半机械式密封及自封式唇形复合密封。当气压大于70 MPa 时，密封阀杆填料处会选择此种密封方式。该密封方式将形状像嘴唇的密封圈镶嵌到密封槽内，形成O形圈体，能够提升整个密封圈裙部的弹性，让此部位密封性更好。在超高压环境中，一般会将填料函设计成双层的密封圈。但是此种密封面对175 MPa 压力的井口时密封效果不理想。

截面为Y 形的环状密封圈为Y 形密封圈。Y 形密封圈被压入阀杆与阀盖形成的密封沟槽中时，阀杆与阀盖会同时对Y 形密封圈的唇边产生挤压作用，使Y 形圈发生弹性变形，并在两唇边产生密封所须接触应力。工况下，原油流入平板闸阀并挤压Y 形圈的内唇面，使两唇边产生更大的接触应力，外唇面与阀杆、阀盖更加贴合，达到自密封的效果。Y形密封圈相较与O 形密封圈拥有更好的密封性能。21 MPa 工况压力下，3 种密封圈均满足密封要求，但O 形密封圈和Y 形密封圈的最大接触应力虽超过工况介质压力，但超出值较小，密封可靠性较差，而柔性密封圈超出值较高，密封可靠性更高，密封性能更好。泛塞封兼具Y 形密封圈的密封特点，在高压下接触应力随介质压力的增大而增大，保证了泛塞封从零压到高压均具有优秀的密封性能，提高了密封可靠性。本次新形阀杆密封圈通过结合Y 形密封圈和泛塞封的优点，设计了新形的密封圈，并且增加了辅助装置，增强密封能力。

1.1 新型阀杆密封圈密封原理

阀杆密封件在面对高温、高压、高腐蚀井口时，通过Elgiloy 耐腐蚀合金弹簧的张力将唇口撑开，实现低压密封。当井筒压力升高后，借助井压激发密封，使得密封更可靠。井压或内压越高，密封效果越好，这称之为主密封。在主密封圈后增加两组V 形密封圈，通过V 形密封的唇口撑开密封，起辅助密封作用。当主密封失效后，V 形密封组合可以继续密封。当密封圈承受高压时防止密封件挤出变形，起承压支撑扶正作用。T 形支撑环可防止异物进入弹簧影响密封，同时对挤压密封形成支撑。

1.2 新型阀杆密封圈结构和组成

新型阀杆密封圈结构及组成如图1 所示。

1.3 新型阀杆密封圈有限元分析

通过分析软件对新形密封件受压分析，均在可承受范围内，有限元分析合格。

1.4 新型阀杆密封圈优点

（1）自发形成低压密封，借助井压实现密封，密封可靠。

（2）增加辅助密封，确保可靠性。

（3）增加支撑环，扶正密封圈。

（4）增加T 形支撑环，减小外界对密封件的干扰。

1.5 新型阀杆密封圈实物

通过对阀杆密封圈位置度、公差、工艺等要求。密封圈和阀杆装配时能起到密封的作用，同时耐高温耐高压，满足井口的使用要求。并且符合相应规范。

2 新型耐高温高压的阀座密封圈

目前平板闸阀多采用带有浮动阀座的扩张式双闸板阀门，浮动阀座后表面与阀体间留有一定的间隙，并在阀座面上开有能够嵌入密封圈的密封槽，用O 形密封圈密封阀座与阀体间接触面，防止原油通过阀座与阀体间间隙向上流入阀体内，造成内泄漏[1-2]。乔文杰[3] 分析了在受到侧向力作用下O 形密封圈的泄漏量，从分析的结果来看，受到侧向力时，密封件要产生变形，在该变形的影响下，缝隙导致的泄漏量会进一步被放大，偏心率对于泄漏量的影响是成指数级增长的。因此O形密封圈不适合受到侧向力时的密封。

通过比较阀杆密封圈的设计原理，考虑到高温、高压、高腐蚀的工作环境，最终将阀座密封圈设计为泛塞封的形式。

2.1 新型耐高温高压的阀座密封圈原理

通过Elgiloy 耐腐蚀合金弹簧的张力将唇口撑开，实现低压密封。当井筒压力升高后，借助井压激发密封，使得密封更可靠。增加背拖环在高压时防止密封件挤出变形，起承压支承作用。设计内加入T 形环，设计材质PTFE，防止阀腔内有反向压力时，将密封件唇口堵塞，增加阀座与阀芯的间隙，防止密封失效。

2.2 新型耐高温高压的阀座密封圈结构

新型耐高温高压的阀座密封圈结构如图2所示。

阀座外圆密封圈主体选用特种特氟龙耐温材料（Teflon，PTFE）， 材质组份为23% Carbon & 2%Graphite Filled PTFE，高温可以满足200℃以上。

耐腐蚀Elgiloy（UNS R30003）钴基合金弹簧的选材和硬度符合ISO15156-3 ：2020 表A39 的要求，专用防腐蚀的弹簧。

背拖环材质为23% Carbon & 2% Graphite FilledPTFE。

T 形环的设计材质选用PTFE。

2.3 新型耐高温高压的阀座密封圈有限元分析

通过有限元分析，在整个完整受力过程中，承压175 MPa，可满足–46 ～ +180℃（L.X））工况使用。特种特氟龙耐温材料（Teflon，PTFE）根据API 6A附录F 在X 级（177℃）工况下进行了浸渍试验。

2.4 新型阀杆密封圈优点

（1）自发形成低压密封，借助井压实现密封，密封可靠。

（2）增加辅助密封，确保可靠性。

（3）增加支撑环，扶正密封圈。

（4）增加T 形支撑环，减小外界对密封件的干扰。

2.5 新型阀杆密封圈实物

通过对阀杆密封圈位置度、公差、工艺等要求。密封圈和阀座装配时能起到密封的作用，同时耐高温耐高压，满足井口的使用要求。并且符合相应规范。

3 井口装置悬挂器和脖颈的H形金属密封

在油气井开发中弹性体密封材料正面临着高温、高压和强腐蚀等耐受性和可靠性问题。密封失效不但会导致油井的产量降低和维修成本增加，甚至会引起巨大的安全和环境问题。虽然国内有采用超弹性金属作为封隔器密封组件的报道，但主要的研究工作还是集中于国外的工具厂商。Baker Hughes、Caledyne 等厂商对金属密封技术在井下工具的应用展开了比较深入的研究，形成了一系列采用金属密封的井下工具。

为解决井口装置在高温高压下的密封问题，根据140 MPa 井口金属密封使用的经历，专门设计了H 形密封圈，悬挂器主密封设计为 H 形金属密封，二次密封设计为U 形曲面结构的金属密封，密封面锥度为 3°，该结构的密封圈采用双支撑定位、自激式结构，利用压力增强式密封原理密封超高压油气介质，具有安装便捷、耐腐蚀、耐高温、金属锥面自锁密封高压的功能，以及超高压环境下密封可靠、性能稳定等优点。且方便现场拆装更换，方便现场反复施工作业更换密封圈，不会损伤四通内腔、密封锥面。

套管悬挂器脖颈处设计为其恶行楔形双锥面自锁金属密封，借助螺栓的预紧力和井口的重量激发锥面锲紧实现密封。悬挂器上研发了3 种不同的金属密封结构解决高压高温耐腐蚀悬挂器的密封问题，密封圈采用UNS NO8825 耐蚀镍基合金，可以满足任何极端腐蚀环境的使用要求。

通过对API6A 和NACE MR0175 标准的研究，采用有限元分析，选用高强度、淬透性好的材质解决本体的强度问题，充分考虑材料在混沌区内弹塑性力学与断裂力学交织，增加壁厚带来爆裂风险即 LBB（Leak Before Break）理论。选用综合力学性能及淬透好42CrMo 作为母材，将综合力学性能提高到105K以上，在与介质接触的所有密封表面采用智能机器人堆焊UNS NO6625 镍基耐腐蚀合金，可以防止任何油气开采介质的腐蚀。阀杆和悬挂器材料选用API6ACRA 推荐的高强度UNS N07718 镍基合金材质，强度高，耐腐蚀性能好。

上述全金属密封悬挂器设计为具有自锁功能的H形、U 形、形金属密封复合钢圈，具有金属锥面自锁密封功能，其主密封设计为X 形结构，二次密封设计为U 形曲面结构，悬挂器脖颈处设计为契形双锥面结构，3 种不同的金属密封结构解决高压高温耐腐蚀悬挂器的密封问题。

4 结论

（1）综上所述，文章通过研究，设计出了新形阀杆密封圈结构、新形耐高温高压的阀座密封圈、井口装置悬挂器和脖颈的H 形金属密封，并且通过实验证实，能够满足175 MPa 井口装备的要求。

（2）H 形金属密封，为超高压井口装备的金属密封提供了设计思路。

（3）新形耐高温高压的阀杆、阀座密封圈为未来更高压力的井口装备的设计提供了思路。

参考文献

[1] 贾振宇，詹飞，王新元. 超高压采气井口平板闸阀密封结构技术[J]. 中国设备工程，2023（14）：203-205.

[2] 王达. 整体式采油树平板闸阀密封性能研究[D]. 成都：西南石油大学，2019.

[3] 乔文杰.O 形密封圈耐久性及其测试系统研究[D]. 沈阳：东北大学，2019.