芯軸式封隔器金屬密封設計及密封性能分析

晏放 馬衛國 陳家俊

針對油頁巖、頁巖油、重質油和富油煤等非常規油氣資源采用地下原位改質技術開采，井下存在高溫、高壓和腐蝕環境，常規封隔器及其密封不能滿足工程要求的問題，設計了一種芯軸式金屬對金屬密封的井下封隔器，密封副采用耐高溫和腐蝕的Inconel 625材料，其中密封座采用金屬陶瓷涂層結構。進行了封隔器坐封密封原理試驗。試驗結果表明，封隔器能在油套大環空間隙形成密封，且密封能力隨著坐封載荷的增加而增大?；诿芊饨佑|能原理，應用ANSYS軟件模擬了井下封隔器的密封性能，并對其影響因素進行研究。研究結果表明：涂層厚度和涂層彈性模量對密封能力影響不顯著；芯軸密封面橢圓率和過盈量對密封能力影響較大，起決定性作用?；诿芊飧备邷?、持久載荷作用下許用應力低和密封能力評價指標，給出了密封結構參數設計方案，密封座涂層材料為Cr3C2-NiCr，涂層彈性模量250 GPa，涂層厚度為0.3 mm，橢圓率為，過盈量為0.02 mm。研究結果可為高溫、高壓、腐蝕環境下封隔器的開發和應用提供理論指導。

地下原位改質；封隔器；金屬密封；金屬陶瓷涂層；密封性能

Metal Seal Design and Sealing Performance Analysis of Mandrel-Type Packer

When the underground in-situ upgrading technology is used to produce unconventional petroleum resources such as oil shale，shale oil，heavy oil and oil rich coal，the conventional packer and its sealing cannot meet engineering requirements due to downhole high-temperature，high-pressure and corrosive environments.Therefore，a metal to metal sealed plug-in structure downhole packer was designed，with sealing pair made of high-temperature and corrosion resistant Inconel 625 material，and sealing socket adopting metal-ceramic coating structure.Then，a sealing principle test of packer setting was conducted.The test results show that the packer can form a seal in the large annular clearance of tubing and casing，and the sealing ability increases with the increase of setting load.Moreover，based on the principle of sealing contact energy，the ANSYS software was used to simulate the sealing performance of downhole packer and conduct study on its influencing factors.The study results show that the thickness and elastic modulus of the coating do not have obvious influence on the sealing ability，while the ellipticity and wring of the mandrel seal surface have a large influence on the sealing ability and play a decisive role.Finally，based on the situation of low allowable stress of sealing pair under high temperature and sustained load as well as sealing ability evaluation indicator，a seal structure parameter design scheme was proposed： the coating material of sealing socket is Cr3C2-NiCr，the elastic modulus of coating is 250 GPa，the coating thickness is 0.3 mm，the ellipticity is? and the wring is 0.02 mm.The study results provide theoretical guidance for the development and application of packers in high-temperature，high-pressure and corrosive environments.

underground in-situ upgrading；packer；metal seal；metal-ceramic coating；sealing performance

0 引 言

地下原位改質技術是未來10年極具發展潛力的20項油氣勘探開發新技術之一，具有不受地質條件限制、采出程度高和污染低等優點［1］。地下原位改質技術需對地下儲層進行加熱，使得干酪根達到改質的臨界溫度以轉化為氣態或液態烴，然后采用傳統開采工藝進行開采。地下原位改質根據加熱方法和儲層的不同，地層加熱溫度也有所不同，儲層加熱溫度范圍一般在300～700 ℃不等［2-6］

井下高溫開采過程中，對溫度（熱量）的控制是開采的關鍵。進入儲層中的熱量，會通過井筒環空流失，損失熱量不僅會影響地下原位轉化效率，還會對井下套管和井口裝置造成熱損傷［7］。因此，在地下原位轉化熱采環境中坐封封隔器，形成封閉的熱采環境十分必要。

常規井下油套封隔器一般采用超彈性橡膠作為密封元件。不同橡膠適應溫度一般在100～250 ℃［8］，不適應井下高溫環境。例如，某尾管懸掛封隔器在170～200 ℃高溫下坐封后膠筒發生碎裂［9］。為滿足熱采高溫環境，當前研究主要通過改變封隔器膠筒材料和膠筒表面進行涂層處理等方法提高封隔器的耐高溫性能，擴大封隔器的使用范圍，但是最高耐溫能力都沒有超過400 ℃［10-16］。

金屬對金屬密封是工業中廣泛采用的密封形式，對比橡膠密封，具有熱穩定性好、強度高和耐腐蝕等優點。當前國內外井下封隔器金屬密封，為滿足一定間隙的大變形過程密封，通常采用特殊結構的密封件，如金屬波紋管結構［17］、金屬波紋管加橡膠組合密封結構［18］和類似于金屬膨脹管結構的膨脹封隔器［19-20］等多種結構型式。

為了實現高壓密封，金屬對金屬密封的密封面需要產生更大的接觸力。采用楔形結構、芯軸結構的金屬對金屬密封結構可以滿足高壓密封。例如，套管懸掛井口裝置的金屬對金屬密封結構可以滿足承載大、壓力高、腐蝕氣體環境的密封［19］。但是，未見楔形結構或芯軸結構的井下封隔器金屬對金屬密封的相關研究報道。

綜上所述，本研究基于油頁巖、頁巖油、重質油和富油煤等非常規油氣地下原位轉化開采存在的地下高溫、高壓、腐蝕環境，提出了一種芯軸式金屬對金屬密封結構的井下封隔器的設計方案，在原理試驗的基礎上采用ANSYS軟件對其密封結構及其性能進行了數值模擬仿真，旨在揭示密封結構、參數、材料和施加載荷等因素對密封性能的影響，以期為高溫、高壓、腐蝕環境封隔器的開發和應用提供理論指導。

1 芯軸式封隔器設計

1.1 結構與原理

為適應井下高溫、高壓環境，本設計封隔器擬采用一種芯軸式金屬對金屬剛性密封結構。為提高密封的穩定性和可靠性，主體結構由3大機構組成，即自動旋緊機構、自動插入及其密封鎖定機構和高溫密封機構，如圖1所示。其中，密封機構包括芯軸式金屬對金屬主密封和石墨輔助密封。

如圖1所示，上套管接箍、導向外筒、密封外筒和下套管接箍采用螺紋連接組成密封座總成。油管接箍、密封芯軸、上止動套、導向內筒、止退螺母、螺旋彈爪、石墨輔助密封總成和下密封壓帽相互連接組成密封芯軸總成。密封外筒內表面有錐形密封面，密封芯軸外表面有橢圓曲面（鼓形面）密封面，油管接箍與油管柱連接，控制油管柱重力下壓密封芯軸使得密封芯軸上橢圓曲面與密封外筒上錐形密封面接觸形成密封副。為了形成穩定的密封，在密封外筒的內表面加工有馬牙內螺紋，在密封芯軸上裝有螺旋彈爪，螺旋彈爪上加工有馬牙外螺紋。

當密封芯軸在油管柱的重力作用下下行，馬牙外螺紋與馬牙內螺紋形成嚙合鎖緊密封芯軸曲面對密封外筒錐形面的擠壓力，維持密封面接觸力穩定。受馬牙螺紋螺距的影響，密封芯軸下行位移可能無法使得密封面形成擠壓。因此，裝在密封芯軸上的導向內筒上加工有螺旋槽，在導向外筒上裝有導向銷軸，當密封芯軸下行時導向內筒發生旋轉，帶動密封芯軸上的螺旋彈爪旋轉，馬牙外螺紋旋轉將進一步驅動密封芯軸下行，最終使得密封芯軸曲面與密封外筒錐形面形成的密封副之間產生足夠的接觸力，形成密封。

解封時，正向旋轉油管柱，剪斷連接密封芯軸與導向內筒的銷釘，繼續正向旋轉管柱，密封芯軸上的螺旋彈爪退出密封外筒上的馬牙內螺紋，密封芯軸總成與密封外筒總成脫開，上提管柱，完成封隔器解封。

1.2 封隔器參數和密封件材料的確定

（1）封隔器參數。參照88.9 mm（31/2 in）油管下入177.8 mm（7 in）封隔器的管柱結構，確定封隔器參數。封隔器外徑為190 mm，扣型按照油管選定。封隔器密封壓力60 MPa，井筒工作溫度700 ℃。

受試驗條件限制，試驗在常溫下進行，不能驗證高溫對材料和密封性能的影響。

（2）封隔器密封材料。密封件采用Inconel 718防硫化氫材料。

1.3 封隔器坐封密封試驗

（1）試驗裝置。封隔器坐封密封試驗旨在驗證在不同載荷下，封隔器的密封壓力水平。試驗裝置中1 000 kN拉拔機用于密封軸向加載，旋轉頭用于密封芯軸旋轉解封，高壓泵注系統用于封隔器密封壓力加載，數據采集系統用于試驗數據測試等。試驗裝置可以滿足封隔器坐封、解封、加載、試壓和試驗數據測量等操作，如圖2所示。

封隔器密封座總成安裝在拉拔機的固定拉盤上，密封芯軸總成插入密封座總成，密封芯軸總成上端與拉拔機的液壓缸連桿連接，密封座總成下端連接加壓管，高壓泵壓力管線與加壓管連接。

（2）試驗結果與分析。由拉拔機液壓缸加壓推動芯軸進行密封加載，高壓泵加壓。測試結果如表1所示。

由表1可知，金屬對金屬芯軸式封隔器可以實現封隔器坐封密封，封隔器密封能力隨著加載載荷的增加而增大。

2 封隔器密封性能

為適應于地下原位轉化油氣開采，井下封隔器研究的關鍵在于研究其高溫高壓腐蝕環境下的密封性能。這里擬從封隔器密封副的材料、結構和加載等方面入手，研究封隔器的密封性能，以建立穩定、持久、可靠的封隔器密封。

2.1 封隔器密封件材料

（1）材料的選擇。文獻［22]提供了高溫腐蝕環境的材料選擇指南。但眾多油頁巖熱采現場試驗和實驗室模擬表明，碳鋼、低合金鋼和蒙乃爾合金會遭受十分嚴重的腐蝕破壞，耐蝕合金Incoloy 825、904不銹鋼和Sanicro 28也會經歷不同程度的損壞，只有含至少9%Mo的Ni-Cr-Mo系合金Hastelloy C-276和Inconel 625能夠在更加惡劣的火驅環境中長期使用［23］。

在實際工程中，封隔器密封座總成隨套管下入井筒中并固井形成永久管柱的一部分。因此，密封座總成中密封外筒將長期處于井下的惡劣環境之中，不可更換。由此可知，密封外筒材料的確定是影響封隔器密封性能的關鍵?；诖?，密封外筒擬采用Inconel 625耐蝕合金，并在密封錐面表面噴涂Cr3C2基涂層?？紤]密封副形成軟硬面密封面接觸，以利于低載荷作用下建立密封，密封芯軸便于更換等因素，密封芯軸擬采用Inconel 625材料，且表面不作硬化處理。

（2）Inconel 625合金的力學性能。在高溫環境中長期載荷作用下，Inconel 625合金易發生蠕變，存在持久強度，即在較低應力水平下會發生斷裂。因此，Inconel 625合金在高溫、長期載荷作用下的力學性能用蠕變極限和持久強度來描述，如圖3所示［24］。

井下封隔器在高溫、長期載荷作用下，要使得密封材料發生蠕變，能夠持續長久不被損壞，密封不失效，參考不同溫度條件下材料的持久強度確定材料的許用應力。本研究根據地下原位轉化油氣開采可能發生的高溫條件，參照圖3中Inconel 625合金在650 ℃、10 000 h時的蠕變極限與持久強度，確定密封材料的最大許用應力為180 MPa。

（3）表面噴涂涂層材料。參考金屬密封涂層在高溫嚴重沖蝕磨損環境中的應用實例［25-26］，這里選擇彈性模量為250～550 GPa的Cr3C2基金屬陶瓷涂層作為密封外筒內錐面涂層材料，涂層厚度為0.3～1.0 mm［27］。

（4）封隔器密封件材料參數。

封隔器金屬對金屬密封結構由密封芯軸和密封外筒構成。各部件材料及屬性如表2所示。其中Cr3C2基涂層材料彈性模量與制備工藝和黏結劑種類有關，探究彈性模量對密封性能的影響規律之后進行選擇。

2.2 封隔器密封副結構

球面與錐面接觸時，錐面錐角α大小不同形成了接觸面不同曲線［28］：當錐角小于45°時為橢圓接觸，等于45°時為拋物線接觸，大于45°時為雙曲線接觸。因此，控制球面的半徑和錐面錐角角度可以獲得不同結構的曲面對錐面接觸形式。3種曲線中，橢圓接觸能夠獲得更長的接觸線長度，也即相同載荷作用下能夠獲得更低的接觸應力，且橢圓對錐面接觸能夠獲得更好的密封性能［29］。同時，考慮到高溫長期載荷作用下，密封件材料的許用應力較低，擬選擇橢圓對錐面密封結構。

2.3 有限元模型

芯軸式封隔器密封結構由密封芯軸（橢圓面）和密封外筒（錐面）組成密封副。芯軸為管狀結構，內徑r為38 mm；密封外筒錐面內徑Rm為63 mm，密封外筒外徑R為95 mm，密封外筒內錐角α為10°；密封芯軸橢圓短半軸a，長半軸b；密封外筒錐面涂層厚度t。如圖4所示。

假定涂層與基體結合強度足夠［30］﹐對涂層和基體接觸面節點耦合后進行網格劃分，密封副接觸區域加密網格，構建有限元模型和網格模型，如圖4所示。密封副接觸算法采用罰函數法，接觸面摩擦因數為0.1。

考慮芯軸式封隔器為軸對稱結構，模型簡化為二維軸對稱模型。但是，二維模型模擬封隔器芯軸旋轉鎖緊密封時，不能直接在模型上施加鎖緊扭矩，研究中需要對密封接觸表面設置過盈量模擬密封面的接觸狀態，接觸形式如圖5所示。

2.4 有限元模型驗證

為驗證有限元模型的正確性，取橢圓短半軸a和長半軸b分別為1和30 mm，密封錐面錐度為10°，密封接觸狀態（加載）設置0.01～0.05 mm的過盈量?；谶^盈Hertz接觸理論，求解無涂層密封外筒的錐面對芯軸密封曲面的最大密封面接觸應力和密封接觸長度［31］。將有限元模擬結果與理論計算結果進行比較，如圖6所示。由圖6可以看出，有限元模擬結果與理論計算結果趨勢基本一致，不同過盈量下的結果誤差均在10%左右，驗證了有限元模型的合理性。

2.5 封隔器金屬對金屬密封性能分析

2.5.1 金屬對金屬密封原理

金屬對金屬密封原理主要有塑性流動充填和密封接觸能2種［32］。前者是在接觸應力高于材料屈服應力的條件下，密封材料發生塑性流動充填泄漏間隙形成密封，適應于較小接觸面、高強度金屬的密封。后者通過增加密封接觸長度，在密封面接觸應力水平低的情況下保證密封性能。高溫、持久載荷作用的環境中，密封材料的許用應力遠遠低于材料的屈服強度，若采用塑性流動充填設計密封，可能會造成密封結構發生蠕變而提前損壞。因此，本研究將基于密封接觸能理論對密封性能進行評價和分析。

2.5.2 密封準則

文獻［33-34]提出了基于密封接觸能原理，使用密封接觸強度評估熱采井中套管連接金屬密封性能。密封接觸強度表達式為：

式中：fs為密封接觸強度，MPa·mm；psN為密封面接觸應力，MPa；l為密封面接觸長度，mm。

為將密封接觸強度值與實際滲流速率關聯起來，XIE J.等［35］基于經驗函數，定義了密封能力SC和密封需求SD：

式中：σ為密封面接觸應力，MPa；D為密封界面區域的直徑，mm；Q為臨界泄漏速率，ml/min；p為需要的密封壓差，MPa；A為密封常數;k為表面處理系數；m為表面粗糙度影響系數；n為密封相關指數。根據文獻［35]和熱采標準中規定的環境溫度和工作壓力，給出了擬合參數A、k、m和n的大小分別為33.9、0.8、-0.081和1.95。

當SC大于SD時，即實際泄漏率小于標準中規定泄漏率，滿足密封要求?？紤]加工尺寸偏差、工作環境外載荷和溫度對密封性能的影響，設計時給予1.5的安全系數。

2.5.3 密封性能分析

（1）涂層彈性模量對密封性能影響。

設置密封結構a、b和t分別為1、30和0.3 mm。密封芯軸與密封外筒之間施加0.02 mm過盈量，改變密封外筒涂層彈性模量分別為205 GPa（無涂層）、250、350、450和550 GPa，探究涂層彈性模量對最大密封接觸應力、密封接觸長度和密封能力的影響，結果如圖7所示。由圖7可知，隨著彈性模量的增大，密封面最大密封接觸應力和密封能力增大，密封接觸長度基本不變。彈性模量為205～550 GPa時，最大密封接觸應力和密封能力分別增長2.2%和3.6%。產生該現象的主要原因是涂層材料彈性模量越大，維持一定量的過盈量，需要施加更大的密封載荷。

如圖7所示，在設計的彈性模量范圍內，最大密封接觸應力都遠遠高于密封壓力。因此，設計中考慮到涂層制備的經濟性，擬選取盡可能小的彈性模量。參考金屬密封涂層在煤化工等高溫嚴重沖蝕磨損領域的應用實例［36］，本研究擬選取密封外筒涂層彈性模量為250 GPa。

（2）涂層厚度對密封性能影響。

涂層厚度的選擇范圍一般在0.3～1.0 mm之間，選取涂層厚度分別為0.3、0.6、0.9和1.2 mm進行討論。密封結構參數a和b分別為1和30 mm，涂層彈性模量為250 GPa，過盈量設置為0.02 mm。計算最大密封接觸應力、密封接觸長度和密封能力隨涂層厚度的變化，如圖8所示。由圖8可知，最大接觸應力和密封能力分別隨涂層厚度增加而增加，但二者增長率較小，涂層厚度為0.3～1.2 mm時，最大密封接觸應力和密封能力分別增長僅為1.1%和1.7%。密封接觸長度保持不變。

由于密封外筒基體與涂層之間性能的差異，涂層越厚，涂層與基體之間的結合強度越?。?7］。當涂層厚度過大時，涂層在載荷作用下容易產生脫落。因此，在滿足密封性能的前提下，涂層厚度應盡可能小。擬選取涂層厚度為0.3 mm。

（3）芯軸密封面橢圓率對密封性能的影響。

橢圓率是決定橢圓形態的參數，即橢圓的短半軸與長半軸之比。這里，固定橢圓短半軸a為1 mm，改變長半軸b分別為10、20、30和40 mm。橢圓率依次為1/10、1/20、和。涂層厚度為0.3 mm，涂層彈性模量為250 GPa，密封過盈量為0.02 mm。計算最大密封接觸應力、密封接觸長度和密封能力隨橢圓率的變化，如圖9所示。

由圖9可知，隨著密封面橢圓率的減小，最大密封接觸應力和密封能力隨之減小，密封接觸長度近似呈線性增加。橢圓率為1/10～時，最大密封接觸應力和密封能力減小率分別為77.7%和80.8%。密封接觸長度增長率為265.5％。

擬密封壓力為30 MPa的密封需求線和密封面許用應力為180 MPa的許用應力線如圖9所示。當過盈量為0.02 mm，橢圓率為～時，密封結構的密封面最大接觸應力都小于密封面許用應力，滿足強度要求。但是，只有橢圓率大于時，密封能力值大于密封需求值。因此，既要滿足密封接觸面強度要求，又要滿足密封能力要求時，密封結構橢圓率大小為。

（4）過盈量對密封性能的影響。

密封芯軸與密封外筒接觸的過盈量決定了封隔器施加載荷的大小，也是封隔器密封最主要的參數，有必要討論過盈量對密封性能的影響。密封結構參數a、b和t分別為1、30和0.3 mm，涂層彈性模量為250 GPa，密封結構過盈量分別設置為0.01、0.02、0.03、0.04和0.05 mm，最大密封接觸應力、密封接觸長度和密封能力隨過盈量的變化，結果如圖10所示。

由圖10可知，隨著過盈量的增加，最大密封接觸應力、密封接觸長度和密封能力都隨之增大。過盈量為0.01～0.05 mm時，三者的變化率分別為143.8％、144.7％、1 299.5％。密封能力隨過盈量增大變化十分顯著。

當擬密封壓力為30 MPa時，其密封需求線如圖10所示。當過盈量為0.02 mm以上時，密封能力值大于密封需求值，滿足密封條件。因此，擬選取0.02 mm作為密封結構設置的過盈量。

3 結 論

（1）針對非常規油氣資源地下原位改質開采技術井下高溫高壓腐蝕環境封隔器持久密封，設計了一種金屬對金屬芯軸式密封結構封隔器，并進行了坐封密封試驗。試驗結果表明，芯軸式金屬對金屬密封結構在無大變形條件下能夠滿足油套大環空間隙密封。封隔器密封能力隨著芯軸坐封載荷的增加而增大。

（2）考慮到高溫、高壓、腐蝕環境，金屬對金屬密封材料擬采用Inconel 625合金鋼。這種材料在高溫、持久載荷作用下，許用應力大幅降低，遠低于其常溫下材料的屈服極限。因此，基于密封接觸能原理，增加密封面接觸長度，降低接觸應力，以接觸應力小于密封面許用應力、密封能力大于密封需求為密封準則。

（3）基于ANSYS數值模擬仿真，研究表明，密封外殼涂層彈性模量、涂層厚度、芯軸橢圓面結構參數和密封接觸面過盈量（載荷）對密封性能和密封面強度有一定的影響。其中，橢圓面結構和過盈量影響顯著。為同時滿足密封接觸面強度和密封能力要求，最終給出密封結構的參數設計方案為：涂層彈性模量250 GPa，涂層厚度0.3 mm，橢圓率，過盈量0.02 mm。

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