开云 开云体育平台— ——10 2 --— — 石 油机械 CHINA PETROLEUM MACHINERY 201 1 年第 39 卷增刊 专题 综述 金属密 封技术 的研 究进展及密封机理分 析 崔 晓 杰 ( 德州大陆架石油工程技术有限公司) 摘要 采用柔性金属取代传统的弹性体作为密封材料的金属密封技术对高温、高压和强腐蚀的 环境有着良好的耐受性，具有克服传统弹性体密封技术局限性的巨大潜力。介绍 了金属密封技术用 于井下工具密封组件的国内外研究进展情况 ，并分析 了该技术的适用性。阐述 了金属 密封技术的原 理并重点分析 了金属密封技术的密封机理 - 9 影响密封能力 的主要因素。指 出金属 密封...
10 2 -- 石 油机械 CHINA PETROLEUM MACHINERY 201 1 年第 39 卷增刊 专题 综述 金属密 封技术 的研 究进展及密封机理分 析 崔 晓 杰 ( 德州大陆架石油工程技术有限公司) 摘要 采用柔性金属取代传统的弹性体作为密封材料的金属密封技术对高温、高压和强腐蚀的 环境有着良好的耐受性，具有克服传统弹性体密封技术局限性的巨大潜力。介绍 了金属密封技术用 于井下工具密封组件的国内外研究进展情况 ，并分析 了该技术的适用性。阐述 了金属 密封技术的原 理并重点分析 了金属密封技术的密封机理 - 9 影响密封能力 的主要因素。指 出金属 密封技术 的研 究 难点主要集 中在密封材料的优选 、金属套筒的结构设计、套筒的成型以及套筒的变形方式等。 关键词 金属密封 高温 高压 强腐蚀 密封机理 0 引 言 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 。虽然人们采用了 严格的质量控制程序来避免这类事故的发生 ，但是 在高温高压油气藏 中，在高含 H， s 或 CO，的井 下 环境 中，或者在温度高达 300 o C 的热采井 中，弹性 体密封方式很容易发生爆发性 的减压或气化冲击 、 高温降解 、化学降解 、循环载荷导致的疲劳 、压缩 载荷突变失效和挤压 间隙 的剪切 等失效 问题 。另 外 ，弹性体的密封组件也容易被井下碎屑冲击而损 坏 。为了应对 油气 开发环境 的改变和一些 井下 操作风险所带来的挑战 ，科研人员提出将能够承受 更高温度和压力 以及碎屑冲击的金属密封技术用于 井下工具的密封 。金属密封技术是采用适当的金属 材料来代替弹性体材料来形成密封的一种中高膨胀 率压力安全机构 ，采用可控的载荷来挤压金属套筒 并使之充分变形与管 串内壁接触 ，利用接触面的压 力使金属发生塑性变形与流动来填充接触面之间的 空隙 ，从而获得密封能力 。 1 金属密封技术的发展现状 金属 密封技术在石油工程中的应用起源较早 ， 主要用于管串连接的密封或者以金属密封圈的形式 用于油气设备 与工具 的小 间隙密封 J 。将金属密 封组件用于油气井管串或大间隙的密封单元的研究 起始于 21 世纪初。虽然 国内有采用超弹性金属作 为封隔器密封组件的报道 j ，但主要的研究工作 还是集中于国外 的工具厂商。Baker Hughes、Cale dyne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。 1． 1 Baker Hughes 公司的 Z 密封技术 z 密封技术是 Baker Hughes 公司开发的一种专 有的金属对金属的密封技术 ，采用可控的载荷使可 膨胀 的金属材料变形膨胀形成压力屏 障 密封组件的密封套筒采用 316 不锈钢加工而成。将 密封组件的金属套筒冲压成特定形状 ，并在套筒表 面加工应力槽。当载荷作用于密封元件时，金属套 筒在应力槽位置发生屈服 ，并沿着原有的外形轮廓 向外膨胀直至与管柱 内壁发生接触为止 ，随着施加 载荷的增加 ，膨胀后的套筒边缘与套管内壁形成密 封副来封隔流体以达到密封效果，其过程见图 1。 蕾 盟 图 l Z 密封技术的密封过程 l 一上压头 ；2一 金属套筒 ；3一下压头 ；4一膨胀后的金属套筒 。 z 密封元件可以用于桥塞、封隔器和悬挂器等 』 。该类 a 坐 封前 b 坐封后 2011 年 第39 卷增刊 崔晓杰：金属密封技术的研究进展及密封机理分析 一 103 一 工具与管串的密封。图2 为 Baker Hughes 公司开发 的采用 z 密封 元件 的可 回收式桥塞结 构示 意 网。 该桥塞的结构与其他桥 塞类 似 ，仅采用 z 密封元 件代替弹性体密封胶筒。该 系列桥塞的额定压力可 以达到 55． 16 MPa，额定温度为 177 cC ，直径膨胀 率为 110％ ～127％ ，可 以通 过电缆 、钢缆 、连续 油管和油管等方式下人 ，可应用于压裂 、堵漏和层 段分隔等场合。 图 2采 用 z 密封元件的可 回收式桥 塞结构 示意图 下提供大于 68． 95 MPa 压力 的密封 ，可 以用于桥 塞 、封隔器和滑套等不同井下工具的密封。图4 为 Caledyne 公司采用金属密封组件的可回收桥塞结构 示意图。 该桥塞具有如下特征 ：高温度与压力等级 ，高 膨胀率 ，单趟下入管柱来坐封和回收工具 ，所有连 接采用金属密封方式。桥塞的结构除 了采用金属密 封组件之外 ，还采用了内藏卡瓦的结构来保证桥塞 的顺利下入 ，另外还采用能量储存元件来缓冲压力 的突然变化对桥塞本体的影响来保证工具密封的可 靠性。该桥 塞可 以用于修井作业 ，损伤接头 的封 堵 ，储层分隔，水气关闭，检查管柱泄漏等场合。 1． 3金属密封技术的适用性 金属密封技 术相 比弹性体 密封技术具有 以下 优势： ( 1) 金属密封组件能够承受 371 o C 的温度，超过了除氟橡胶和硅橡胶之外的其他橡胶，并且金 属材料相对于橡胶材料在高温下具有更好 的性能稳 定性。 ( 2) 金属对金属密 封可以在 高达 300 o C 的温 度下承受 68． 95 MPa 的额定压力。另外 ，通过增加 金属密封套筒的厚度还可以承受更高的压差。 ( 3) 金属对金属密封具有更好的化学兼容性。 金属密封方式的密封组件采用的耐腐蚀金属对井中 流体和气体的化学兼容性比橡胶材料要广泛得多。 1． 2 Caledyne 公司的金属密封技术 Caledyne公司也开发 了具有专利 的金属密封技 术 J 。该技术几乎可 以适 用于任何 现有 的井 下工 具 ，无论井下温度 、压力和 H， s 与 CO，的体 积分 数如何 ，均可提供耐久的 、可靠 的密封方案。 图3 为 Caledyne公司研制的金属密封组件 的结 构示意图。该组件也采用柔性金属来取代弹性体作 为压力承受载体 。与 z 密 封组件不 同的是 ，该组 件采用 内、外 2 层金属套筒 ，在 2 层套筒 内部采用 可变形的填充料 ( 如聚四氟乙烯等 ) 来 填充两者 之间的空隙。将 内层金属套筒 的 内表面加工成 w 形，当载荷作用于套筒时，套筒沿着 w 形的套筒 内壁折叠 以防止密封组件变形失稳并与内表面形成 密封；外层套筒向外膨胀与管壁形成密封面，多余 的填充料挤出到填充料容腔以防止填充料阻碍金属 套简的变形。 l 填充 料 填充料容腔 图 3 Caledyne 公 司的金 属密封组件 1 内层套简 ；2一外层套筒 。 Caledyne公 司的密封组件可以在 300 o C 的温度 图 4 C aledyne 公 司采 用金 属 密 封 组 件 的 可 回 收 桥 基 结 构 示 意 图 1一储能元件； 2密封组件 ； 3- - 锥体；4一卡瓦。 (5) 金属密封技术可以提高密封体的可回收 性。金属材料在高温下具有更高的强度和更好的性 能稳定性 ，因而可以有效防止高温下密封材料的时 效硬化导致的密封体断裂脱落引起的井筒堵塞。 虽然金属密封技术具有诸多优势，但其应用也 (4) 金属密封组件具有良好的抗冲刷能力。金 属密封组件的金属框架结构具有较高的刚度，可以 防止下人工具时过快的流体冲过密封组件导致密封 体耸起甚至从工具上脱离，因而采取金属对金属密 封的工具可以采取更快的下人速度和洗井循环操作。 石 油机械 2011年第 39 卷增刊 有一定局限，具体表现在 ： ( 1) 对于裸 眼井筒来说 ，由于井壁不规则 和 金属的弹性变形能力小 ，金属密封不能达到良好的 密封效果 。 (2) 金属密封对管 串的表面粗 糙度要求 比较 高 ，如果管内壁不平整或者接触面变形 比较严重 ， 金属套筒很难与管壁贴合紧密。 ( 3)由于金属 密封是通过使金属弹性变形乃 至局部的塑性变形来达到密封面的紧密贴合 ，所以 金属密封比弹性体密封需要更大的坐封压力。 综上 ，由于广泛的环境适应性和对绝大多数化 学品的不敏感性 ，金属密封技术 比弹性体密封更适 合用于高温高压油气井和重油热采等场合 ，另外也 可 以用于富含 H： S 和 CO：的油气开采 以及油气井 的报废作业 。在具有规则平整 内部形状的井筒管柱 中，采用金属密封技术的密封组件可以代替弹性体 密封胶筒用于油气井管串的永久和临时密封。 2 金属密封技术的密封机理分析 2． 1 金属密封的微观密封过程 金属密封的泄漏方式 主要是界面泄漏 ，密封的 基本原理是通过不 同途径 阻止介质在金属接触表面 问的微小空隙中流动。要做到不泄漏和泄漏率非常 低 ，需要密封表面形成连续 的贴合 。金属密封 面间的接触属于 2 个粗糙表面之问的接触 ，在密封 力作用下，金属密封 的微观密封过程如 图 5 所示。 在接触面上未施加载荷时 ，只有表面对应的微凸体 相互接触 ，随着载荷增加 ，微凸体接触数量和变形 图5金属 密封 的微观 密封过 程 程度增加 ，微凸体开始产生塑性变形或嵌入彼此表 面，继续增加载荷 ，由初始表面不平度所形成的微 观间隙基本被堵死，配合面大部分嵌合。在此阶 段 ，流道截面随压紧力而减小 ，流道阻力也随之增 大，泄漏率随之减小 。此时的泄漏通道主要 由表面 裂纹和划伤等组成 。 在金属密封中，要达到密封系统绝对没有泄漏 和泄漏率很低 ，材料所受的挤压应力必须超过其弹 性极限。接触压力使密封面产生的塑性变形增大了 接触面凹凸部分的接触面积 ，就能实现在弹性变形 条件下采用高度研磨和精磨的接触表面也不可能实 现的密封。要保证在压力的作用下形成一定 的塑性 变形密封 ，密封副之间应具有一定的硬度和屈服强 度差值 。要使塑性变形达到可以阻止气体泄漏的程 度，至少要使接触应力达到较软材料屈服强度 的 2 。 2． 2金属密封性能的影响因素 金属密封性能主要取决于金属表面质量 、密封 面的硬度差 、密封宽度 、表面接触应力及材料的屈 服强度等因素。 2． 2． 1 密封副的表面质量 密封副的吻合增加了流体的阻力 ，即可提高密 封性 。相对应接触表面的粗糙部分为环行纹路 比多 方向和交叉纹路具有更好 的密封性能 ，产生这种差 异的原因是在密封力的作用下 ，多层的环形波峰产 生了塑性变形 ，形成了迷宫式密封 。 2． 2． 2 密封面的表面粗糙度 对于金属密封面 ，如果表面粗糙度大，密封表 面的塑性变形不足以填满泄漏通道 ，密封介质就会 顺着泄漏通道泄漏 出来。特别是分子量小 、渗透性 很强的气体 ，更容易泄漏。但是 ，当密封元件在密 封接触面上产生 了超过屈服强 度 2 倍 的塑性变形 后 ，接触面的表面粗糙度将不再影响密封系统的密 封性能 。此时，接触表面产生了永久变形 ，金属开 始流动 ，并把所有的表面缺陷填平 ，堵住了任何可 能的泄漏 ，也就是说密封面的变形情况将成为影响 密封性能的唯一因素。 2． 2． 3 密封 面 宽度 从理论上讲 ，密封面宽度决 定 了毛细孔 的长 度。当宽度增大时，液体沿毛细孑 L运动路程增加 ， 泄漏量应成反比减小。但实际上 由于密封副接触面 不能吻合 ，所以密封能力与密封面宽度并不成正比 例关系。另一方面 ，密封面宽度增加 ，需要增加外 部压力才能产生足够的接触应力使金属发生塑性变 形。因此，需要合理地选择密封面的宽度。 2． 2． 4 密封 比压 密封 比压的大小直接影响金属密封组件的密封 可靠性。在外界条件相同的情况下 ，密封比压过小 不足以提供足够的接触应力 ，容易引起泄漏 ，比压 过大则会引起密封组件的失稳与损坏。在保证密封 ～3 倍 2011 年 第 39 卷增-T1 崔晓杰：金属密封技术的研究进展及密封机理分析 - 105 所需最小 比压 的情况下 ，可以适当增大密封 比压 。 2． 2． 5 密封面软质层 在金属密封面上放置非常薄的软金属薄片 ，如 银 、铝、铜等 ，或在强度较高的金属密封面镀覆一 种较软材料 的薄镀覆层 ，在密封面的微观表面挤压 过程中，软金属层更容易发生塑性变形将密封面上 的缺陷填平 ，收到密封效果。 3 关键技术研 究 3． 1套筒材料的优选 为了适应高温高压和高腐蚀性的井 下环境，需 要选择耐腐蚀 的合金材料。另外 ，为了保证密封的 完整性 ，需要综合考虑材料 的力学性能以及变形过 程 中的性能变化问题 。材料的选择应遵循如下原则 ： ( 1) 材料的耐腐蚀性。金属密封技术的重要 优势在于对 H s 和 CO 的腐蚀相对于弹性体密封 具有更好的耐受性。因而 ，材料的选择需优先保证 耐腐蚀原则 。 (2) 材料的伸长率。金属套筒主要依靠压缩 力使金属材料膨胀与管壁接触形成密封 ，有时金属 套筒 的直径膨胀率会达到 160％ ，因而所选用的金 属材料必须具有较大 的伸长率才能保证套筒变形时 不发生破裂。 ( 3) 材料 的屈 服强度。材料 的屈服 强度决定 了材料变形的难易程度 。如果金属材料的屈服强度 过大 ，则需较大的压缩力才能使套筒发生变形 ；如 果材料的屈服强度过小，套筒容易在变形时失稳。 (4) 材料的硬度 。材料 的硬 度表征 了局 部抵 抗硬物压人其表面 的能力。根据密封机理的分析 ， 必须保证套筒材料与管体材料具有一定的硬度差。 3． 2密封组件的结构设计 作为密封组件的金属套简要在一定的压缩力作 用下发生膨胀并与管壁形成密封 ，需要金属套筒进 行一定预成型才能保证其按照预定的轮廓发生膨胀 变形。一般情况下 ，密封套筒的结构设计应满足如 下要求 ： ( 1) 变形要 求。密封套 筒 的外形 轮廓要符合 变形要求 ，使套筒在下压力的作用下能够沿着外形 轮廓继续膨胀至与管壁接触。其次 ，要合理地选择 套筒 的壁厚 ，合理的壁厚既能保证密封性和结构稳 定性 ，又能使变形所需的下压力不过大。另外 ，可 以在套简表面加工应力槽 以使膨胀变形按照预定 的 轮廓进行。 (2) 密封性要求。为了满足密...
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