芯轴式封隔器金属密封设计及密封性能分析

晏放 马卫国 陈家俊

针对油页岩、页岩油、重质油和富油煤等非常规油气资源采用地下原位改质技术开采，井下存在高温、高压和腐蚀环境，常规封隔器及其密封不能满足工程要求的问题，设计了一种芯轴式金属对金属密封的井下封隔器，密封副采用耐高温和腐蚀的Inconel 625材料，其中密封座采用金属陶瓷涂层结构。进行了封隔器坐封密封原理试验。试验结果表明，封隔器能在油套大环空间隙形成密封，且密封能力随着坐封载荷的增加而增大。基于密封接触能原理，应用ANSYS软件模拟了井下封隔器的密封性能，并对其影响因素进行研究。研究结果表明：涂层厚度和涂层弹性模量对密封能力影响不显著；芯轴密封面椭圆率和过盈量对密封能力影响较大，起决定性作用。基于密封副高温、持久载荷作用下许用应力低和密封能力评价指标，给出了密封结构参数设计方案，密封座涂层材料为Cr3C2-NiCr，涂层弹性模量250 GPa，涂层厚度为0.3 mm，椭圆率为，过盈量为0.02 mm。研究结果可为高温、高压、腐蚀环境下封隔器的开发和应用提供理论指导。

地下原位改质；封隔器；金属密封；金属陶瓷涂层；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

地下原位改質技术是未来10年极具发展潜力的20项油气勘探开发新技术之一，具有不受地质条件限制、采出程度高和污染低等优点［1］。地下原位改质技术需对地下储层进行加热，使得干酪根达到改质的临界温度以转化为气态或液态烃，然后采用传统开采工艺进行开采。地下原位改质根据加热方法和储层的不同，地层加热温度也有所不同，储层加热温度范围一般在300～700 ℃不等［2-6］

井下高温开采过程中，对温度（热量）的控制是开采的关键。进入储层中的热量，会通过井筒环空流失，损失热量不仅会影响地下原位转化效率，还会对井下套管和井口装置造成热损伤［7］。因此，在地下原位转化热采环境中坐封封隔器，形成封闭的热采环境十分必要。

常规井下油套封隔器一般采用超弹性橡胶作为密封元件。不同橡胶适应温度一般在100～250 ℃［8］，不适应井下高温环境。例如，某尾管悬挂封隔器在170～200 ℃高温下坐封后胶筒发生碎裂［9］。为满足热采高温环境，当前研究主要通过改变封隔器胶筒材料和胶筒表面进行涂层处理等方法提高封隔器的耐高温性能，扩大封隔器的使用范围，但是最高耐温能力都没有超过400 ℃［10-16］。

金属对金属密封是工业中广泛采用的密封形式，对比橡胶密封，具有热稳定性好、强度高和耐腐蚀等优点。当前国内外井下封隔器金属密封，为满足一定间隙的大变形过程密封，通常采用特殊结构的密封件，如金属波纹管结构［17］、金属波纹管加橡胶组合密封结构［18］和类似于金属膨胀管结构的膨胀封隔器［19-20］等多种结构型式。

为了实现高压密封，金属对金属密封的密封面需要产生更大的接触力。采用楔形结构、芯轴结构的金属对金属密封结构可以满足高压密封。例如，套管悬挂井口装置的金属对金属密封结构可以满足承载大、压力高、腐蚀气体环境的密封［19］。但是，未见楔形结构或芯轴结构的井下封隔器金属对金属密封的相关研究報道。

综上所述，本研究基于油页岩、页岩油、重质油和富油煤等非常规油气地下原位转化开采存在的地下高温、高压、腐蚀环境，提出了一种芯轴式金属对金属密封结构的井下封隔器的设计方案，在原理试验的基础上采用ANSYS软件对其密封结构及其性能进行了数值模拟仿真，旨在揭示密封结构、参数、材料和施加载荷等因素对密封性能的影响，以期为高温、高压、腐蚀环境封隔器的开发和应用提供理论指导。

1 芯轴式封隔器设计

1.1 结构与原理

为适应井下高温、高压环境，本设计封隔器拟采用一种芯轴式金属对金属刚性密封结构。为提高密封的稳定性和可靠性，主体结构由3大机构组成，即自动旋紧机构、自动插入及其密封锁定机构和高温密封机构，如图1所示。其中，密封机构包括芯轴式金属对金属主密封和石墨辅助密封。

如图1所示，上套管接箍、导向外筒、密封外筒和下套管接箍采用螺纹连接组成密封座总成。油管接箍、密封芯轴、上止动套、导向内筒、止退螺母、螺旋弹爪、石墨辅助密封总成和下密封压帽相互连接组成密封芯轴总成。密封外筒内表面有锥形密封面，密封芯轴外表面有椭圆曲面（鼓形面）密封面，油管接箍与油管柱连接，控制油管柱重力下压密封芯轴使得密封芯轴上椭圆曲面与密封外筒上锥形密封面接触形成密封副。为了形成稳定的密封，在密封外筒的内表面加工有马牙内螺纹，在密封芯轴上装有螺旋弹爪，螺旋弹爪上加工有马牙外螺纹。

当密封芯轴在油管柱的重力作用下下行，马牙外螺纹与马牙内螺纹形成啮合锁紧密封芯轴曲面对密封外筒锥形面的挤压力，维持密封面接触力稳定。受马牙螺纹螺距的影响，密封芯轴下行位移可能无法使得密封面形成挤压。因此，装在密封芯轴上的导向内筒上加工有螺旋槽，在导向外筒上装有导向销轴，当密封芯轴下行时导向内筒发生旋转，带动密封芯轴上的螺旋弹爪旋转，马牙外螺纹旋转将进一步驱动密封芯轴下行，最终使得密封芯轴曲面与密封外筒锥形面形成的密封副之间产生足够的接触力，形成密封。

解封时，正向旋转油管柱，剪断连接密封芯轴与导向内筒的销钉，继续正向旋转管柱，密封芯轴上的螺旋弹爪退出密封外筒上的马牙内螺纹，密封芯轴总成与密封外筒总成脱开，上提管柱，完成封隔器解封。

1.2 封隔器参数和密封件材料的确定

（1）封隔器参数。参照88.9 mm（31/2 in）油管下入177.8 mm（7 in）封隔器的管柱结构，确定封隔器参数。封隔器外径为190 mm，扣型按照油管选定。封隔器密封压力60 MPa，井筒工作温度700 ℃。

受试验条件限制，试验在常温下进行，不能验证高温对材料和密封性能的影响。

（2）封隔器密封材料。密封件采用Inconel 718防硫化氢材料。

1.3 封隔器坐封密封试验

（1）试验装置。封隔器坐封密封试验旨在验证在不同载荷下，封隔器的密封压力水平。试验装置中1 000 kN拉拔机用于密封轴向加载，旋转头用于密封芯轴旋转解封，高压泵注系统用于封隔器密封压力加载，数据采集系统用于试验数据测试等。试验装置可以满足封隔器坐封、解封、加载、试压和试验数据测量等操作，如图2所示。

封隔器密封座总成安装在拉拔机的固定拉盘上，密封芯轴总成插入密封座总成，密封芯轴总成上端与拉拔机的液压缸连杆连接，密封座总成下端连接加压管，高压泵压力管线与加压管连接。

（2）试验结果与分析。由拉拔机液压缸加压推动芯轴进行密封加载，高压泵加压。测试结果如表1所示。

由表1可知，金属对金属芯轴式封隔器可以实现封隔器坐封密封，封隔器密封能力随着加载载荷的增加而增大。

2 封隔器密封性能

为适应于地下原位转化油气开采，井下封隔器研究的关键在于研究其高温高压腐蚀环境下的密封性能。这里拟从封隔器密封副的材料、结构和加载等方面入手，研究封隔器的密封性能，以建立稳定、持久、可靠的封隔器密封。

2.1 封隔器密封件材料

（1）材料的选择。文献［22]提供了高温腐蚀环境的材料选择指南。但众多油页岩热采现场试验和实验室模拟表明，碳钢、低合金钢和蒙乃尔合金会遭受十分严重的腐蚀破坏，耐蚀合金Incoloy 825、904不锈钢和Sanicro 28也会经历不同程度的损坏，只有含至少9%Mo的Ni-Cr-Mo系合金Hastelloy C-276和Inconel 625能够在更加恶劣的火驱环境中长期使用［23］。

在实际工程中，封隔器密封座总成随套管下入井筒中并固井形成永久管柱的一部分。因此，密封座总成中密封外筒将长期处于井下的恶劣环境之中，不可更换。由此可知，密封外筒材料的确定是影响封隔器密封性能的关键。基于此，密封外筒拟采用Inconel 625耐蚀合金，并在密封锥面表面喷涂Cr3C2基涂层。考虑密封副形成软硬面密封面接触，以利于低载荷作用下建立密封，密封芯轴便于更换等因素，密封芯轴拟采用Inconel 625材料，且表面不作硬化处理。

（2）Inconel 625合金的力学性能。在高温环境中长期载荷作用下，Inconel 625合金易发生蠕变，存在持久强度，即在较低应力水平下会发生断裂。因此，Inconel 625合金在高温、长期载荷作用下的力学性能用蠕变极限和持久强度来描述，如图3所示［24］。

井下封隔器在高温、长期载荷作用下，要使得密封材料发生蠕变，能够持续长久不被损坏，密封不失效，参考不同温度条件下材料的持久强度确定材料的许用应力。本研究根据地下原位转化油气开采可能发生的高温条件，参照图3中Inconel 625合金在650 ℃、10 000 h时的蠕变极限与持久强度，确定密封材料的最大许用应力为180 MPa。

（3）表面喷涂涂层材料。参考金属密封涂层在高温严重冲蚀磨损环境中的应用实例［25-26］，这里选择弹性模量为250～550 GPa的Cr3C2基金属陶瓷涂层作为密封外筒内锥面涂层材料，涂层厚度为0.3～1.0 mm［27］。

（4）封隔器密封件材料参数。

封隔器金属对金属密封结构由密封芯轴和密封外筒构成。各部件材料及属性如表2所示。其中Cr3C2基涂层材料弹性模量与制备工艺和黏结剂种类有关，探究弹性模量对密封性能的影响规律之后进行选择。

2.2 封隔器密封副结构

球面与锥面接触时，锥面锥角α大小不同形成了接触面不同曲线［28］：当锥角小于45°时为椭圆接触，等于45°时为抛物线接触，大于45°时为双曲线接触。因此，控制球面的半径和锥面锥角角度可以获得不同结构的曲面对锥面接触形式。3种曲线中，椭圆接触能够获得更长的接触线长度，也即相同载荷作用下能够获得更低的接触应力，且椭圆对锥面接触能够获得更好的密封性能［29］。同时，考虑到高温长期载荷作用下，密封件材料的许用应力较低，拟选择椭圆对锥面密封结构。

2.3 有限元模型

芯轴式封隔器密封结构由密封芯轴（椭圆面）和密封外筒（锥面）组成密封副。芯轴为管状结构，内径r为38 mm；密封外筒锥面内径Rm为63 mm，密封外筒外徑R为95 mm，密封外筒内锥角α为10°；密封芯轴椭圆短半轴a，长半轴b；密封外筒锥面涂层厚度t。如图4所示。

假定涂层与基体结合强度足够［30］﹐对涂层和基体接触面节点耦合后进行网格划分，密封副接触区域加密网格，构建有限元模型和网格模型，如图4所示。密封副接触算法采用罚函数法，接触面摩擦因数为0.1。

考虑芯轴式封隔器为轴对称结构，模型简化为二维轴对称模型。但是，二维模型模拟封隔器芯轴旋转锁紧密封时，不能直接在模型上施加锁紧扭矩，研究中需要对密封接触表面设置过盈量模拟密封面的接触状态，接触形式如图5所示。

2.4 有限元模型验证

为验证有限元模型的正确性，取椭圆短半轴a和长半轴b分别为1和30 mm，密封锥面锥度为10°，密封接触状态（加载）设置0.01～0.05 mm的过盈量。基于过盈Hertz接触理论，求解无涂层密封外筒的锥面对芯轴密封曲面的最大密封面接触应力和密封接触长度［31］。将有限元模拟结果与理论计算结果进行比较，如图6所示。由图6可以看出，有限元模拟结果与理论计算结果趋势基本一致，不同过盈量下的结果误差均在10%左右，验证了有限元模型的合理性。

2.5 封隔器金属对金属密封性能分析

2.5.1 金属对金属密封原理

金属对金属密封原理主要有塑性流动充填和密封接触能2种［32］。前者是在接触应力高于材料屈服应力的条件下，密封材料发生塑性流动充填泄漏间隙形成密封，适应于较小接触面、高强度金属的密封。后者通过增加密封接触长度，在密封面接触应力水平低的情况下保证密封性能。高温、持久载荷作用的环境中，密封材料的许用应力远远低于材料的屈服强度，若采用塑性流动充填设计密封，可能会造成密封结构发生蠕变而提前损坏。因此，本研究将基于密封接触能理论对密封性能进行评价和分析。

2.5.2 密封准则

文献［33-34]提出了基于密封接触能原理，使用密封接触强度评估热采井中套管连接金属密封性能。密封接触强度表达式为：

式中：fs为密封接触强度，MPa·mm；psN为密封面接触应力，MPa；l为密封面接触长度，mm。

为将密封接触强度值与实际渗流速率关联起来，XIE J.等［35］基于经验函数，定义了密封能力SC和密封需求SD：

式中：σ为密封面接触应力，MPa；D为密封界面区域的直径，mm；Q为临界泄漏速率，ml/min；p为需要的密封压差，MPa；A为密封常数;k为表面处理系数；m为表面粗糙度影响系数；n为密封相关指数。根据文献［35]和热采标准中规定的环境温度和工作压力，给出了拟合参数A、k、m和n的大小分别为33.9、0.8、-0.081和1.95。

当SC大于SD时，即实际泄漏率小于标准中规定泄漏率，满足密封要求。考虑加工尺寸偏差、工作环境外载荷和温度对密封性能的影响，设计时给予1.5的安全系数。

2.5.3 密封性能分析

（1）涂层弹性模量对密封性能影响。

设置密封结构a、b和t分别为1、30和0.3 mm。密封芯轴与密封外筒之间施加0.02 mm过盈量，改变密封外筒涂层弹性模量分别为205 GPa（无涂层）、250、350、450和550 GPa，探究涂层弹性模量对最大密封接触应力、密封接触长度和密封能力的影响，结果如图7所示。由图7可知，随着弹性模量的增大，密封面最大密封接触应力和密封能力增大，密封接触长度基本不变。弹性模量为205～550 GPa时，最大密封接触应力和密封能力分别增长2.2%和3.6%。产生该现象的主要原因是涂层材料弹性模量越大，维持一定量的过盈量，需要施加更大的密封载荷。

如图7所示，在设计的弹性模量范围内，最大密封接触应力都远远高于密封压力。因此，设计中考虑到涂层制备的经济性，拟选取尽可能小的弹性模量。参考金属密封涂层在煤化工等高温严重冲蚀磨损领域的应用实例［36］，本研究拟选取密封外筒涂层弹性模量为250 GPa。

（2）涂层厚度对密封性能影响。

涂层厚度的选择范围一般在0.3～1.0 mm之间，选取涂层厚度分别为0.3、0.6、0.9和1.2 mm进行讨论。密封结构参数a和b分别为1和30 mm，涂层弹性模量为250 GPa，过盈量设置为0.02 mm。计算最大密封接触应力、密封接触长度和密封能力随涂层厚度的变化，如图8所示。由图8可知，最大接触应力和密封能力分别随涂层厚度增加而增加，但二者增长率较小，涂层厚度为0.3～1.2 mm时，最大密封接触应力和密封能力分别增长仅为1.1%和1.7%。密封接触长度保持不变。

由于密封外筒基体与涂层之间性能的差异，涂层越厚，涂层与基体之间的结合强度越小［37］。当涂层厚度过大时，涂层在载荷作用下容易产生脱落。因此，在满足密封性能的前提下，涂层厚度应尽可能小。拟选取涂层厚度为0.3 mm。

（3）芯轴密封面椭圆率对密封性能的影响。

椭圆率是决定椭圆形态的参数，即椭圆的短半轴与长半轴之比。这里，固定椭圆短半轴a为1 mm，改变长半轴b分别为10、20、30和40 mm。椭圆率依次为1/10、1/20、和。涂层厚度为0.3 mm，涂层弹性模量为250 GPa，密封过盈量为0.02 mm。计算最大密封接触应力、密封接触长度和密封能力随椭圆率的变化，如图9所示。

由图9可知，随着密封面椭圆率的减小，最大密封接触应力和密封能力随之减小，密封接触长度近似呈线性增加。椭圆率为1/10～时，最大密封接触应力和密封能力减小率分别为77.7%和80.8%。密封接触长度增长率为265.5％。

拟密封压力为30 MPa的密封需求线和密封面许用应力为180 MPa的许用应力线如图9所示。当过盈量为0.02 mm，椭圆率为～时，密封结构的密封面最大接触应力都小于密封面许用应力，满足强度要求。但是，只有椭圆率大于时，密封能力值大于密封需求值。因此，既要满足密封接触面强度要求，又要满足密封能力要求时，密封结构椭圆率大小为。

（4）过盈量对密封性能的影响。

密封芯轴与密封外筒接触的过盈量决定了封隔器施加载荷的大小，也是封隔器密封最主要的参数，有必要讨论过盈量对密封性能的影响。密封结构參数a、b和t分别为1、30和0.3 mm，涂层弹性模量为250 GPa，密封结构过盈量分别设置为0.01、0.02、0.03、0.04和0.05 mm，最大密封接触应力、密封接触长度和密封能力随过盈量的变化，结果如图10所示。

由图10可知，随着过盈量的增加，最大密封接触应力、密封接触长度和密封能力都随之增大。过盈量为0.01～0.05 mm时，三者的变化率分别为143.8％、144.7％、1 299.5％。密封能力随过盈量增大变化十分显著。

当拟密封压力为30 MPa时，其密封需求线如图10所示。当过盈量为0.02 mm以上时，密封能力值大于密封需求值，满足密封条件。因此，拟选取0.02 mm作为密封结构设置的过盈量。

3 结 论

（1）针对非常规油气资源地下原位改质开采技术井下高温高压腐蚀环境封隔器持久密封，设计了一种金属对金属芯轴式密封结构封隔器，并进行了坐封密封试验。试验结果表明，芯轴式金属对金属密封结构在无大变形条件下能够满足油套大环空间隙密封。封隔器密封能力随着芯轴坐封载荷的增加而增大。

（2）考虑到高温、高压、腐蚀环境，金属对金属密封材料拟采用Inconel 625合金钢。这种材料在高温、持久载荷作用下，许用应力大幅降低，远低于其常温下材料的屈服极限。因此，基于密封接触能原理，增加密封面接触长度，降低接触应力，以接触应力小于密封面许用应力、密封能力大于密封需求为密封准则。

（3）基于ANSYS数值模拟仿真，研究表明，密封外壳涂层弹性模量、涂层厚度、芯轴椭圆面结构参数和密封接触面过盈量（载荷）对密封性能和密封面强度有一定的影响。其中，椭圆面结构和过盈量影响显著。为同时满足密封接触面强度和密封能力要求，最终给出密封结构的参数设计方案为：涂层弹性模量250 GPa，涂层厚度0.3 mm，椭圆率，过盈量0.02 mm。

［1］  杨金华，李晓光，孙乃达，等．未来10年极具发展潜力的20项油气勘探开发新技术［J］．石油科技论坛，2019，38（1）：38-48．

YANG J H，LI X G，SUN N D，et al.Twenty items of new technology for oil and gas exploration and development in next decade［J］.Oil Forum，2019，38（1）：38-48.

［2］ 汪友平，王益维，孟祥龙，等．美国油页岩原位开采技术与启示［J］．石油钻采工艺，2013，35（6）：55-59．

WANG Y P，WANG Y W，MENG X L，et al.Enlightenment of Americans oil shale in-situ retorting technology［J］.Oil Drilling & Production Technology，2013，35（6）：55-59.

［3］ 马丽，段中会，杨甫，等．“双碳”背景下煤炭原位地下热解采油意义研究［J］．中国煤炭地质，2022，34（4）：5-7．

MA L，DUAN Z H，YANG F，et al.Study on the significance of coal in-situ underground pyrolytic oil production under carbon peaking and carbon neutrality background［J］.Coal Geology of China，2022，34（4）：5-7.

［4］ 孙友宏，郭威，邓孙华．油页岩地下原位转化与钻采技术现状及发展趋势［J］．钻探工程，2021，48（1）：57-67．

SUN Y H，GUO W，DENG S H.The status and development trend of in-situ conversion and drilling exploitation technology for oil shale［J］.Drilling Engineering，2021，48（1）：57-67.

［5］ 豆進元．油页岩原位注蒸汽开采油气中试与多模式原位热采技术研究［J］．石化技术，2022，29（10）：217-219．

DOU J Y.Research on oil and gas pilot test and multi-mode in-situ thermal recovery technology for in-situ steam injection in oil shales［J］.Petrochemical Industry Technology，2022，29（10）：217-219.

［6］ 李年银，王元，陈飞，等．油页岩原位转化技术发展现状及展望［J］．特种油气藏，2022，29（3）：1-8．

LI N Y，WANG Y，CHEN F，et al.Development status and prospects of in-situ conversion technology in oil shale［J］.Special Oil & Gas Reservoirs，2022，29（3）：1-8.

［7］ LIU J R，WANG Z，SHI K Y，et al.Analysis and modeling of thermoelectric power generation in oil wells：a potential power supply for downhole instruments using in-situ geothermal energy［J］.Renewable Energy，2020，150：561-569.

［8］ 陆迎赓，赵光贤，谢世杰，等．耐热性橡胶配合技巧（上）［J］．橡塑技术与装备，2005，31（8）：13-18．

LU Y G，ZHAO G X，XIE S J，et al.Heat resistant rubber compounding technology（part one ）［J］.China Rubber/Plastics Technology and Equipment，2005，31（8）：13-18.

［9］ 李富平，刘明，张长齐，等．高温高压尾管顶部封隔器研制［J］．石油矿场机械，2018，47（3）：44-49．

LI F P，LIU M，ZHANG C Q，et al.Development of high temperature and high pressure liner packer［J］.Oil Field Equipment，2018，47（3）：44-49.

［10］ 刘传刚，王世强，马认琦，等．海上热采耐高温三胶筒结构封隔器设计及性能评价［J］．钻采工艺，2022，45（6）：118-122．

LIU C G，WANG S Q，MA R Q，et al.Design and perfomance evaluation of a tri-tubing for thermal packer with high temperature resistance in offshore wells［J］.Drilling & Production Technology，2022，45（6）：118-122.

［11］ 王通，孙永涛，马增华，等．海上Y241型双通道热采封隔器的研制及试验［J］．石油机械，2018，46（11）：53-57．

WANG T，SUN Y T，MA Z H，et al.Development and test of offshore Y241 dual-channel thermal recovery packer［J］.China Petroleum Machinery，2018，46（11）：53-57.

［12］ 于晓聪，屈展，赵树杰，等．火烧油层过电缆热敏封隔器的研制［J］．石油机械，2018，46（2）：63-67．

YU X C，QU Z，ZHAO S J，et al.Development of through-cable thermal-sensitive packer for in-situ combustion［J］.China Petroleum Machinery，2018，46（2）：63-67.

［13］ XU Z Y，ZHAO L，GANGULY P.Elastic carbon composite and its use as ultrahigh temperature packer element［C］∥SPE Middle East Oil & Gas Show and Conference.Manama，Kingdom of Bahrain，2017：SPE 183857-MS.

［14］ ROY T，NACEUR K B，SINGH M，et al.Design of a 750°F，15 K packer for enhanced geothermal systems，supercritical CO2-sequestration and SAGD：energy transition through technology synthesis［C］∥Offshore Technology Conference.Houston，Texas，USA，2022：OTC 31895-MS.

［15］ 朱洪征，郑刚，吕亿明，等.水平井拖动管柱找水电控封隔器的研制与现场试验［J］.石油钻探技术，2023，51（2）：102-108.

ZHU H Z，ZHENG G，Lü Y M，et al. Development and Field Test of an Electrically Controlled Packer for Water Prospecting by Pulling Pipe Strings in Horizontal Wells［J］. Petroleum Drilling Techniques，2023，51（2）：102-108.

［16］ 任永琳，王达，冯浦涌，等.碳酸盐岩储层机械转向酸化酸压技术最新研究进展［J］. 非常规油气，2022，9（5）：1-8.

REN Y L，WANG D，FENG P Y，et al. Latest research progress of carbonate formation mechanical diversion stimulation technology［J］. Unconventional Oil & gas，2022，9（5）：1-8.

［17］ 崔晓杰，张瑞，韩峰，等．金属对金属密封组件的有限元分析与试验研究［J］．石油机械，2014，42（8）：107-110，115．

CUI X J，ZHANG R，HAN F，et al.Finite element analysis and experimental study of the metal to metal seal assembly［J］.China Petroleum Machinery，2014，42（8）：107-110，115.

［18］ DREESEN D S.Analytical and experimental evaluation of expanded metal packers for well completion service［C］∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Dallas，Texas，1991：SPE 22858-MS.

［19］ 崔晓杰．金属密封技术的研究进展及密封机理分析［J］．石油机械，2011，39（增刊1）：102-105，108．

CUI X J.Research progress of metal sealing technology and sealing mechanism analysis［J］.China Petroleum Machinery，2011，39（S1）：102-105，108.

［20］ ESQUITIN Y，SCHWANITZ B，MORENO G，et al.Metal expandable annular sealing systems for high pressure open hole zonal isolation and stimulation［C］∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Calgary，Alberta，Canada，2019：SPE 196227-MS.

［21］ 王峰．芯轴式套管悬挂器密封结构及其力学行为研究［D］．成都：西南石油大学，2019．

WANG F.Research on the sealing structure of mandrel-type casing suspensions and their mechanical behaviour［D］.Chengdu：Southwest Petroleum University，2019.

［22］ NACE.Petroleum and natural gas industries-materials for use in H2S-containing envirronments in oil and gas production：MR0175/ISO 15156［S］.2003.

［23］ SCHROLL D W.Flammability and sensitivity of materials in oxygen-enriched atmospheres：third volume［M］.［S.l.］：ASTM International，1988.

［24］ 《中國航空材料手册》编辑委员会．中国航空材料手册-第2卷-变形高温合金 铸造高温合金［M］．北京：中国标准出版社，2001．

Editorial Board of China Aeronautical Materials Handbook.China aeronautical materials handbook：wrought superalloy & cast superalloy［M］.Beijing：China Standards Press，2001.

［25］ 李立鑫，李一，柳学全，等．Cr3C2基金属陶瓷的研究进展［J］．粉末冶金技术，2014，32（2）：126-132．

LI L X，LI Y，LIU X Q，et al.Development of chromium carbide based cermets［J］.Powder Metallurgy Technology，2014，32（2）：126-132.

［26］ 徐峰，陈道毅．热喷涂Cr3C2-NiCr涂层的研究进展［J］．热加工工艺，2021，50（2）：22-26．

XU F，CHEN D Y.Research progress of Cr3C2-NiCr coating prepared by thermal spraying［J］.Hot Working Technology，2021，50（2）：22-26.

［27］ 张勇，孙新新，宁啸．加注管陶瓷涂层有限元接触分析［J］．中国陶瓷，2011，47（2）：42-46．

ZHANG Y，SUN X X，NING X.Finite element contact analysis on ceramic coating of filling tube［J］.China Ceramics，2011，47（2）：42-46.

［28］ 李峪岚．球与内锥面接触时的局部应力计算［J］．甘肃工业大学学报，1993，19（2）：61-64．

LI Y L.Calculation of contact stress of ball with conical interior［J］.Journal of Gansu University of Technology，1993，19（2）：61-64.

［29］ 练章华，刘洋，张耀明，等．一种套管悬挂器金属密封结构设计与研究［J］．润滑与密封，2019，44（8）：115-120．

LIAN Z H，LIU Y，ZHANG Y M，et al.Design and study on metal seal of casing mandrel hanger［J］.Lubrication Engineering，2019，44（8）：115-120.

［30］ 陈东，谢华，陈小文．TiN涂层/基体接触应力的有限元分析［J］．材料研究与应用，2010，4（3）：192-198．

CHEN D，XIE H，CHEN X W.Finite element analysis of the contact stress of Tin coating/substrate［J］.Materials Research and Application，2010，4（3）：192-198.

［31］ 许红林，李天雷，杨斌，等．油套管特殊螺纹球面对锥面密封性能理论分析［J］．西南石油大学学报（自然科学版），2016，38（5）：179-184．

XU H L，LI T L，YANG B，et al.Theoretical analysis of sphere to cone sealing performance for tubing and casing premium connection［J］.Journal of Southwest Petroleum University （Science & Technology Edition），2016，38（5）：179-184.

［32］ 张颖．极端条件下气井油套管特殊螺纹管端力学行为及其密封机理研究［D］．成都：西南石油大学，2018．

ZHANG Y.Mechanical behavior and sealing mechanism of premium connection tubing and casing under extreme environment gas well［D］.Chengdu：Southwest Petroleum University，2018.

［33］ API.Procedures for testing casing and tubing connections：API RP 5C5［S］.Washington，DC：American Petroleum Institute，2017.

［34］ ISO.Petroleum and natural gas industries—procedures for testing casing and tubing connections：ISO 13679：2019［S］.Geneva：ISO，2019.

［35］ XIE J R，FRIESEN D，DROESSLER M，et al.Experimental study for establishing Metal-to-Metal seal evaluation criteria for tubular connections in thermal and HPHT applications［C］∥Paper presented at the SPE 2021 Symposium Compilation，Virtual，November 2021：SPE-208438-MS.

［36］ 黄宇生，柏洪武，邱晓来，等．超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层性能及其在金属硬密封球阀上的应用［J］．材料保护，2020，53（9）：50-55．

HUANG Y S，BAI H W，QIU X L，et al.Performances and application on the metal seal ball valve of Cr3C2-NiCr coating deposited by high velocity oxygen fuel spray process［J］.Materials Protection，2020，53（9）：50-55.

［37］ 陶順衍，季珩，丁传贤．等离子喷涂碳化钨涂层的静摩擦性能［J］．无机材料学报，2004，19（1）：159-164．

TAO S Y，JI H，DING C X.Friction behavior of plasma sprayed Tungsten carbide coatings［J］.Journal of Inorganic Materials，2004，19（1）：159-164.