海上熱采井下工具全金屬密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

胡厚猛 孫永濤 孫玉豹 馬增華 顧啟林 王 通

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459)

渤海油田的稠油油藏在整體儲(chǔ)量中占有重要地位，稠油熱采是稠油油藏經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)的重要手段，2000年以后，渤海油田開(kāi)展了20余井次的稠油熱采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[1-3]并逐步進(jìn)入規(guī)?；_(kāi)發(fā)階段。熱采井下工具是海上熱采各項(xiàng)工藝實(shí)施的具體載體，而其各功能部件的密封性則是決定其各項(xiàng)性能參數(shù)可靠性的關(guān)鍵所在。目前熱采工具所使用的改性聚四氟乙烯、石墨、全氟醚橡膠(FFKM)等軟密封隨著過(guò)熱蒸汽、蒸汽驅(qū)、注采一體化、井筒安全控制工藝的應(yīng)用暴露出適用溫度低、高低交變密封失效以及長(zhǎng)期密封可靠性差的問(wèn)題[4-6]，迫切需要針對(duì)海上井下工具提供一套適用于動(dòng)靜密封不同工作場(chǎng)合、不同尺寸的全金屬密封解決方案。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了采用金屬密封代替軟密封的技術(shù)思路，分別考慮熱采井下工具不同部件連接所采用的靜密封以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)密封2種工作場(chǎng)合開(kāi)展密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。全金屬靜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用彈性力學(xué)方法優(yōu)選了“內(nèi)球外錐”的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)以接觸應(yīng)力和使用裝配為目標(biāo)對(duì)錐面角度、球面直徑等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；全金屬滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，對(duì)其材質(zhì)、尺寸和表面處理工藝進(jìn)行優(yōu)選，最后以全金屬滑動(dòng)密封和靜密封結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)試制了全金屬高溫排氣閥并開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以驗(yàn)證其高低溫工況下的長(zhǎng)效密封性能。本文研究為海上熱采井下工具關(guān)鍵密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了解決方案，提高了海上熱采井下工具的可靠性。

1 全金屬靜密封設(shè)計(jì)

井下工具部件的外形主要為圓筒狀，各部件靜密封的方式主要為錐-錐密封、球-錐密封及臺(tái)肩密封[7]。實(shí)際應(yīng)用中一般將錐-錐密封或球-錐密封與臺(tái)肩密封進(jìn)行組合而形成兩級(jí)金屬密封，以便在井下承壓或受拉等復(fù)雜工況下保持可靠的密封性。由于封隔器、安全閥、排氣閥等井下工具零部件的尺寸、結(jié)構(gòu)形式不同，因此需要通過(guò)計(jì)算分析各種密封方式的接觸應(yīng)力、上扣扭矩和尺寸過(guò)盈量，對(duì)密封方式進(jìn)行優(yōu)選和組合以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高密封可靠性，降低裝配難度。

1.1 錐-錐密封理論分析模型

錐-錐密封在內(nèi)外管擰緊過(guò)程中，內(nèi)外管錐面逐漸靠近貼合形成密封，并且隨著上扣扭矩的增加產(chǎn)生徑向過(guò)盈達(dá)到密封的效果(圖1)。在考慮內(nèi)外管材質(zhì)相同的情況下，其密封面徑向過(guò)盈接觸應(yīng)力可采用彈性力學(xué)基于厚壁圓筒模型的拉美公式進(jìn)行計(jì)算[8-9]，表示為

(1)

其中

rx=r0+xtanγ(0≤x≤Lz)

(2)

式(1)、(2)中：pr為徑向過(guò)盈接觸應(yīng)力，MPa；E為內(nèi)外管彈性模量，MPa；δr為錐面密封徑向過(guò)盈量，mm；

圖1 錐-錐密封結(jié)構(gòu)示意圖

R1為外管半徑，mm；rx為坐標(biāo)x處錐面密封接觸半徑，mm；r0為外錐面內(nèi)半徑，mm；r1為內(nèi)管內(nèi)半徑，mm；x為以錐-錐接觸最小截面中心為原點(diǎn)(O)，以內(nèi)外管軸向(x)和徑向(r)建立坐標(biāo)系中的軸向位置，mm；γ為錐面密封半錐角，(°)；Lz為錐面密封長(zhǎng)度，mm。

對(duì)徑向過(guò)盈接觸應(yīng)力沿接觸面進(jìn)行積分，即可得到錐-錐密封裝配時(shí)的預(yù)緊力，表示為

(3)

式(3)中：Fx為坐標(biāo)x處的預(yù)緊力，N。

因此，錐面密封的上扣扭矩即為螺紋扭矩與錐面摩擦力矩之和，表示為

Tz=Tz1+Tz2

(4)

(5)

式(4)、(5)中：Tz為錐面密封的上扣扭矩，N·m；Tz1為產(chǎn)生預(yù)緊力所需要的螺紋扭矩，N·m， 通過(guò)式(5)計(jì)算[10]；Tz2為錐面的摩擦力矩，N·m，可以通過(guò)接觸應(yīng)力沿密封面積分得到；d2為連接螺紋中徑，mm；P為連接螺紋螺距，mm；μt為連接螺紋摩擦系數(shù)，無(wú)因次；α為連接螺紋承載角，(°)。

臺(tái)肩密封結(jié)構(gòu)與錐-錐密封結(jié)構(gòu)類似，也采用式(1)～(5)的模型計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

1.2 球-錐密封理論分析模型

球-錐密封如圖2所示。在內(nèi)外管擰緊過(guò)程中，內(nèi)管球面與外管錐面首先發(fā)生以初始接觸點(diǎn)為半徑的圓周線接觸，隨著上扣扭矩上升球面和錐面產(chǎn)生法向過(guò)盈，球面與錐面形成一定接觸寬度的周向密封面。根據(jù)Hertz接觸理論，球頭-錐面的法向接觸應(yīng)力可以表達(dá)為[11-12]

(6)

式(6)中：pq為坐標(biāo)z處的法向接觸應(yīng)力，MPa；E*為當(dāng)量彈性模量，MPa，馬氏體耐熱鋼9Cr1Mo在350 ℃溫度下的當(dāng)量彈性模量為195 GPa；wm為密封面接觸半寬，mm；Rq為球面半徑，mm；z為以球-

圖2 球-錐密封結(jié)構(gòu)示意圖

錐初始接觸點(diǎn)為原點(diǎn)(O)，以球面切向(z)和法向(y)建立坐標(biāo)系中的切向位置，mm。最大接觸應(yīng)力pqmax與平均接觸應(yīng)力pqava分別表示為

(7)

(8)

由于密封面寬度遠(yuǎn)小于密封球面半徑，因而法向過(guò)盈量、密封面寬度和球面半徑近似為

(9)

式(9)中：δqN為球面法向過(guò)盈量，mm。對(duì)接觸應(yīng)力沿密封面積分，可得密封面附加軸向預(yù)緊力，表示為

(10)

式(10)中：Fq為密封面附加軸向預(yù)緊力，N；rq為球頭錐面密封面半徑，mm；β為錐面錐角，(°)。

同理，球面密封產(chǎn)生的上扣扭矩為螺紋扭矩與球面摩擦力矩之和，即

Tq=Tq1+Tq2

(11)

(12)

式(11)、(12)中：Tq為球面密封產(chǎn)生的上扣扭矩，N·m；Tq1為產(chǎn)生預(yù)緊力所需要的螺紋扭矩，N·m，可根據(jù)式(5)求得；μq為連接螺紋摩擦系數(shù)，無(wú)因次；Tq2為球面的摩擦力矩，N·m，忽略密封面半徑變化時(shí)可根據(jù)式(12)求得。

1.3 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)選

全金屬靜密封在熱采井下工具實(shí)際應(yīng)用中，其外管外徑大多分布在40～60 mm(如排氣閥)與100～140 mm(如安全閥和封隔器)2個(gè)區(qū)間內(nèi)[13-14]。對(duì)比外管半徑 30、70 mm 2種尺寸下，錐-錐密封和球-錐密封在不同上扣扭矩下的最大接觸應(yīng)力(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)：①R1=30 mm時(shí)，人工上卸扣所能達(dá)到的扭矩一般小于600 N·m，在此扭矩范圍內(nèi)，球-錐密封所能提供的最大接觸應(yīng)力大于錐-錐密封，扭矩越小則兩者差值越大，所以對(duì)于外管尺寸較小的靜密封，采用球-錐的主密封方式更方便裝配且密封接觸應(yīng)力更大；同時(shí)為了防止密封面屈服產(chǎn)生塑性變形，需要臺(tái)肩來(lái)分擔(dān)主密封面的上扣扭矩形成組合密封結(jié)構(gòu)，以保證主密封接觸壓力的穩(wěn)定。②R1=70 mm時(shí)，如果要產(chǎn)生大于300 MPa的密封接觸應(yīng)力，則球-錐密封與錐-錐密封均需進(jìn)行液壓上扣機(jī)裝配，此時(shí)2種密封結(jié)構(gòu)均可選擇。

圖3 不同尺寸條件下錐-錐密封與球-錐密封接觸應(yīng)力對(duì)比

1.4 密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖4 不同全金屬靜密封結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)金屬靜密封基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(表1)對(duì)“內(nèi)球外錐”密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。影響關(guān)鍵密封性能的參數(shù)主要包括球面半徑Rq、錐面角度β和臺(tái)肩角度γ。①考慮到整個(gè)金屬密封的總上扣扭矩為600 N·m，一般臺(tái)肩的上扣扭矩占總扭矩的75%，因此球-錐密封的上扣扭矩為150 N·m，同時(shí)設(shè)定Rq=22.5 mm，通過(guò)式(7)～(12)可得不同球面半徑和錐面角度下的平均接觸應(yīng)力和密封面半寬(圖5a)，可以看到隨著錐面角度的增加，密封面寬度減小，最大接觸應(yīng)力和平均接觸應(yīng)力也逐漸減小，為了保持較大的密封寬度和接觸應(yīng)力，錐面角度應(yīng)盡可能小。②通過(guò)球-錐密封接觸點(diǎn)的位置(圖5b)可以看到，在6°～14°時(shí)，接觸點(diǎn)的位置較為靠近球面的中間平面，能夠避免接觸位置靠近尖角產(chǎn)生應(yīng)力集中。綜合以上2點(diǎn)，錐面角度選擇6°～10°較為合理。

表1 金屬靜密封基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of metal static seal

在給定接觸應(yīng)力600 MPa的條件下，不同球面半徑的密封面寬度和上扣扭矩如圖6所示?？梢钥吹剑S著球面半徑增加，密封面寬度和上扣扭矩逐步增加，因此應(yīng)盡可能增加球面半徑以提高密封面寬度和密封效果；球面半徑也受密封結(jié)構(gòu)幾何尺寸的限制，當(dāng)Rq>40 mm時(shí)，球-錐密封由于更靠近球面邊緣而引起應(yīng)力集中，因此Rq=40 mm是較為合理的選擇。

圖5 錐面角度對(duì)密封參數(shù)和接觸點(diǎn)位置的影響

圖6 球面半徑對(duì)密封參數(shù)的影響(pqmax=600 MPa)

臺(tái)肩角度對(duì)上扣扭矩的影響見(jiàn)圖7。當(dāng)R1=27.5 mm時(shí)，隨著臺(tái)肩角度的增加，臺(tái)肩上扣扭矩快速減小，同時(shí)球面上扣扭矩占總上扣扭矩的比例增加。為了讓該比例保持在20%～30%內(nèi)，臺(tái)肩角度選擇15°較為合適，此時(shí)金屬靜密封結(jié)構(gòu)的總體上扣扭矩為218 N·m。

圖7 臺(tái)肩角度對(duì)上扣扭矩的影響(R1=27.5 mm)

2 全金屬滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選

全金屬滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)采用彈性金屬密封，相較于橡膠材料，彈性金屬密封不受溫度變化影響，但由于其強(qiáng)度高變形困難，會(huì)導(dǎo)致密封與滑動(dòng)難以平衡，因而需要對(duì)配合的滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)的材質(zhì)、尺寸和表面處理工藝進(jìn)行優(yōu)選。

1) 材質(zhì)。

金屬材質(zhì)在高溫條件下也會(huì)產(chǎn)生一定的尺寸膨脹和強(qiáng)度衰減，從而改變金屬密封環(huán)與外部結(jié)構(gòu)的過(guò)盈量，影響滑動(dòng)密封的效果。選取材料分別為沉淀硬化型馬氏體不銹鋼17-4PH、沉淀硬化型鎳基合金Inconel 718和馬氏體耐熱鋼9Cr1Mo 的活塞桿進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)分析。試驗(yàn)工裝如圖8所示，金屬密封環(huán)被上下固定套和墊環(huán)固定于密封套內(nèi)部的上下腔體內(nèi)，活塞桿穿過(guò)密封套與金屬密封環(huán)形成密封，同時(shí)可以在密封套與下接頭連接的腔體內(nèi)上下移動(dòng)。

圖8 全金屬滑動(dòng)密封試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)示意圖

不同材料活塞桿密封試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥吹剑褂民R氏體不銹鋼17-4PH和耐熱鋼9Cr1Mo材質(zhì)活塞桿的全金屬滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)在常溫30 ℃下及高溫350 ℃下均能有效實(shí)現(xiàn)密封，鎳基合金Inconel 718材質(zhì)活塞桿的全金屬滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)在250 ℃下密封失效。分析認(rèn)為，這一現(xiàn)象是由于鎳基合金Inconel 718的熱膨脹系數(shù)隨溫度增加而增大的最多而造成的。因此對(duì)于全金屬滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先選擇馬氏體不銹鋼17-4PH和耐熱鋼9Cr1Mo兩種材質(zhì)。

表2 3種不同材料活塞桿密封試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Sealing test results of piston rod with three different materials

2) 表面處理工藝。

每天早上七點(diǎn)，“平民包子”準(zhǔn)時(shí)開(kāi)門營(yíng)業(yè)，鼓風(fēng)機(jī)嗡嗡作響，火苗忽閃，蒸氣繚繞，剛出籠的包子香味誘人。常有不到十歲的學(xué)生和穿環(huán)衛(wèi)服的老人來(lái)買包子，他們有時(shí)不小心把包子掉到地上，老板連忙撿起放到垃圾袋中，免費(fèi)再送上新的。

對(duì)表面鹽浴復(fù)合處理和表面鍍鉻處理2種工藝進(jìn)行優(yōu)選。進(jìn)行表面鹽浴復(fù)合處理后，工件表面粗糙度Ra<1.6 μm，表面硬度得以提高，因而很好地改善了不銹鋼的粘扣現(xiàn)象；進(jìn)行表面鍍鉻處理后，工件表面粗糙度Ra<0.8 μm，工件耐腐蝕性能得以提高。也就是說(shuō)，2種表面處理工藝均能很好地適應(yīng)全金屬滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可靠滑動(dòng)與密封。

3) 配合尺寸優(yōu)選。

由于金屬密封環(huán)一般用于徑向靜密封，采用其推薦的安裝過(guò)盈量時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力[15-16]，對(duì)于滑動(dòng)密封的壽命和動(dòng)作執(zhí)行產(chǎn)生不利影響。為了更好地平衡摩擦力和密封性能，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法評(píng)估過(guò)盈量對(duì)摩擦力和高低溫密封性能的影響，其試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。通過(guò)下接頭連接試壓管線打壓，當(dāng)活塞桿開(kāi)始移動(dòng)時(shí)即可得到當(dāng)前配合尺寸的摩擦力，然后通過(guò)將試驗(yàn)工裝放入油浴槽可進(jìn)行高溫密封試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥吹剑S著直徑過(guò)盈量的增加，摩擦力快速增加，同時(shí)高溫下的密封性能明顯改善。其中，直徑12.96 mm、過(guò)盈量0.14 mm的活塞桿摩擦力大小適中(400 N)，同時(shí)具有較好的密封可靠性。

表3 活塞桿-金屬密封環(huán)動(dòng)密封試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Dynamic sealing test results of piston rod and metal sealing ring

3 全金屬密封結(jié)構(gòu)在井下高溫排氣閥的應(yīng)用

3.1 高溫排氣閥結(jié)構(gòu)

高溫排氣閥一般安裝在高溫環(huán)空封隔器上部，上部通過(guò)液控管線連接地面液控柜，在熱采過(guò)程中通過(guò)地面液控柜壓力控制高溫排氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，為環(huán)空注氮、洗壓井等工藝措施提供環(huán)空通道。高溫排氣閥的結(jié)構(gòu)如圖9所示，該工具共使用4個(gè)全金屬靜密封結(jié)構(gòu)，和2個(gè)全金屬滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，上接頭上部連接使用NPT卡套密封的液控管線，下部通過(guò)靜密封連接閥座，同時(shí)閥座內(nèi)部和密封套也是采用金屬密封連接，于是形成上部密閉腔體；閥座下部和下接頭通過(guò)金屬密封連接，同時(shí)在排氣閥關(guān)閉時(shí)閥座和活塞桿形成球-錐密封，形成下部密封腔體；為了保證活塞桿在上下密封腔之間形成可靠密封，設(shè)置了兩處滑動(dòng)密封，分別通過(guò)固定壓套和墊環(huán)將金屬密封環(huán)固定在密封套內(nèi)部。地面打壓時(shí)上部密封腔壓力增加壓縮彈簧同時(shí)活塞桿下移，下部密封腔和上部環(huán)空溝通形成環(huán)空通道；地面液控柜泄壓則下部密封腔壓力配合彈簧回彈力帶動(dòng)活塞桿上移，活塞桿下部的球-錐密封隔斷上下環(huán)空。

圖9 高溫排氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 高溫排氣閥室內(nèi)密封試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包括高溫油槽、高溫排氣閥、壓力平衡容器、壓力表和打壓泵，如圖10所示。高溫排氣閥兩端及閥座中部(閥座中部過(guò)流槽加工前先配鉆試壓孔完成試驗(yàn))分別連接內(nèi)部容積大于0.004 m3的壓力平衡容器[17]，一方面用來(lái)平衡高溫排氣閥閥體移動(dòng)時(shí)內(nèi)部容積變動(dòng)產(chǎn)生的壓力變化，另一方面防止高溫油槽內(nèi)的熱油返出傷害其他設(shè)備。高溫排氣閥連接上接頭、閥座和下接頭三路管線分別連接壓力表和打壓泵，形成上腔、中間腔體和下腔，這3個(gè)腔體壓力分別代表液控端、封隔器上部環(huán)空以及封隔器下部環(huán)空的壓力，模擬高溫排氣閥在井下實(shí)際工作的狀態(tài)。

圖10 高溫排氣閥室內(nèi)試驗(yàn)流程示意圖

3.2.2試驗(yàn)方法

1) 多輪次高低溫密封試驗(yàn)。 ①將高溫油槽升溫至350 ℃；②在中間腔體放空的狀態(tài)下，下腔和上腔依次打壓至35 MPa并在高溫下保壓8 h；③將上下腔體壓力補(bǔ)壓至35 MPa并穩(wěn)壓15 min，測(cè)試高溫下高溫排氣閥關(guān)閉后液控端以及承下壓的密封性能；④高溫油槽停止加熱并冷卻至30 ℃，下腔、上腔、中間腔體依次打壓至35、35、27 MPa，然后穩(wěn)壓15 min，分別測(cè)試高溫排氣閥回到低溫后的承上壓、液控端承壓以及承下壓的密封性能[18-19]；⑤重復(fù)步驟①～④4輪次。

2) 多輪次高低溫啟閉試驗(yàn)。①在每輪次高溫時(shí)，依次對(duì)中間腔體和下腔階梯打壓至0、10、21 MPa，然后在每個(gè)壓力點(diǎn)測(cè)試高溫排氣閥的開(kāi)啟壓力5次；②在每輪次低溫時(shí)，依次對(duì)中間腔體和下腔階梯打壓至0、10、21 MPa，然后在每個(gè)壓力點(diǎn)測(cè)試高溫排氣閥的開(kāi)啟壓力5次。

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果

1) 多輪次高低溫密封試驗(yàn)。

從多輪次高低溫密封試驗(yàn)的高溫保壓曲線(圖11)可以看出，在350 ℃條件下，經(jīng)過(guò)5輪次共41 h的保壓，上腔和下腔壓力均緩慢下降，每輪次上腔和下腔壓降均小于4.1 MPa，證明高溫排氣閥的全金屬密封結(jié)構(gòu)高溫長(zhǎng)期密封較為可靠。從多輪次高低溫密封試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果(表4)可以看出，每輪次高溫和低溫的15 min保壓試驗(yàn)壓降均小于5%，滿足API Specification 14A的要求。

2) 多輪次高低溫啟閉試驗(yàn)。

多輪次高低溫啟閉試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。隨著高溫試驗(yàn)輪次增加，高溫排氣閥初開(kāi)壓力逐漸減小并穩(wěn)定在11.0 MPa，30 ℃下的初開(kāi)壓力也逐漸減小并穩(wěn)定在13.8 MPa，在5輪次150次有效啟閉試驗(yàn)中，高溫排氣閥均能正常關(guān)閉，表明其開(kāi)啟關(guān)閉功能可靠。

圖11 高溫排氣閥5輪次高溫保壓曲線

表4 5輪次高低溫密封試驗(yàn)結(jié)果(單位：MPa)Table 4 Results of five rounds high and low temperature sealing tests(Unit：MPa)

表5 5輪次高低溫啟閉試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of five rounds high and low temperature opening and closing tests

3.3 高溫排氣閥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)全金屬密封結(jié)構(gòu)高溫排氣閥的長(zhǎng)期工作的可靠性，在渤海X油田的B36井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。B36井完鉆井深1 752 m，水深12.2 m，采用508 mm隔水導(dǎo)管、339.7 mm表層套管和244.5 mm生產(chǎn)套管與防砂篩管完井。高溫排氣閥下入深度為189.1 m。

B36井為渤海第一口蒸汽驅(qū)井，注熱溫度為280～311 ℃，油管壓力6.4～9.3 MPa，套管壓力6～8.8 MPa，注汽速度8～11.8 t/h，環(huán)空采用間歇注氮進(jìn)行隔熱，截至2020年10月，總注熱時(shí)間為100 d，總注入量20 266 t，注熱過(guò)程中高溫排氣閥溫度及地面液控壓力變化如圖12所示。在注熱過(guò)程中，地面液控柜在油套環(huán)空溫度達(dá)到平衡后，一直保持在27.5 MPa附近，表明高溫排氣閥在長(zhǎng)期高溫及多輪次高低溫交變的工況下，其全金屬靜密封和滑動(dòng)密封密封性能良好。

圖12 渤海X油田B36井高溫排氣閥控制壓力及溫度變化曲線

4 結(jié)論

1) 通過(guò)的理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)并優(yōu)化了“內(nèi)球外錐”全金屬靜密結(jié)構(gòu)的密封性能、可裝配性能，以及全金屬滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的活塞桿直徑和過(guò)盈量，使其在具有較好的高低溫密封性能同時(shí)摩擦力較小。

2) 以高溫排氣閥為例介紹了在全金屬密封結(jié)構(gòu)在熱采井下工具上的應(yīng)用，通過(guò)室內(nèi)多輪次高溫試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明全金屬密封結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期高溫及多輪次高低溫交變工況下具有較好的密封可靠性和動(dòng)作可靠性。

3) 基于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果，建議全金屬密封機(jī)構(gòu)在高溫井下安全閥、高溫封隔器等熱采井下工具中推廣應(yīng)用，助力渤海稠油熱采規(guī)?；_(kāi)發(fā)；同時(shí)在全金屬密封結(jié)構(gòu)材料優(yōu)選和動(dòng)靜密封結(jié)合等方面繼續(xù)研究，進(jìn)一步降低滑動(dòng)摩擦力和漏失量，提高全金屬密封結(jié)構(gòu)的適用性和可靠性。