CN101696729A - 一种组合密封装置及导向钻井工具的组合密封结构 - Google Patents

Abstract

一种组合密封装置及导向钻井工具的组合密封结构，属于井下密封装置技术领域，包括波纹管、机械密封和密封套，波纹管与密封套连接，密封套内装有机械密封和轴承，机械密封设置在两个轴承之间，应用在导向钻井工具中能够满足导向工具下端在正常钻进和导向钻进两种工作状态下的动密封要求，保证了机械密封件的动、静密封端面能够紧密贴合，防止密封端面剧烈磨损，提高了井下密封的可靠性和使用寿命。

Description

一种组合密封装置及导向钻井工具的组合密封结构

技术领域

本发明属于井下密封装置技术领域，具体涉及一种用于在井下恶劣工况下能可靠地将高压的被密封流体密封的密封组件。

背景技术

井下密封装置主要解决井下导向钻井工具的心轴类密封问题。为提高钻采设备和井下工具可靠性和安全性，针对油田钻采设备和井下工具的旋转密封大都采用各种心轴类密封，常用的密封有填料密封和各种唇形密封。这些密封都是靠强力来实现密封的，虽然提高了密封效果，但会导致轴与密封件之间的润滑状况变差、摩擦增大、过热及密封件材料的磨损等不利后果，降低了密封效果。

用于井下导向钻进的指向式旋转导向工具由于在工作过程中心轴弯曲，因此对密封具有特殊的设计要求，主要体现在：

1.由于心轴有一定的径向偏摆量，要求密封装置要具备径向自动补偿功能。

2.密封性能良好，允许润滑油向外少量泄漏，不允许外界污物进入导向工具内部。

3.抗高温性能好。随着钻井深度的增加，井下温度逐渐升高，但要保证密封件在高温状态下不会失效。

4.耐腐蚀，耐高压。

5.密封可靠性和使用寿命较高。

但目前常用的密封，难以符合指向旋转式导向工具的要求，例如：

唇形密封：唇形密封是依靠密封件唇口与配合面之间的过盈量和工作介质的压力使密封件产生弹性变形，以封堵相对运动两零件之间的间隙，达到密封的目的。在井下高温、高压等复杂的工况下，密封介质为高压、磨砺性强的钻井液，唇形密封很难达到井下密封的工作要求，较少采用。

填料密封：盘根材料具有一定的弹塑性、化学稳定性、不渗透性、自润滑性、耐温性，由于其拆装方便、制造简单、价格低廉等特点，在井下工具密封方面得到较广泛的应用。密封介质的温度、压力、以及设备的线速度、表面粗糙度、同轴度、径跳、偏心等因素会影响盘根填料的密封效果。由于井下密封的密封介质为高压、磨砺性强的钻井液，通常将盘根缠绕在心轴上，阻止工具外的钻井液进入，盘根密封是转与不转的动密封，在高压下盘根与轴或轴套直接接触且相对转动，会造成盘根、轴或轴套的磨损，需经常更换盘根及定期或不定期更换轴套。这些导致密封性能差，使用寿命短，维护成本高，工作效率低。

机械密封：至少有一对垂直于心轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械(弹力或磁力)的作用下，加之辅助密封的配合，与另一端面保持贴合并相对滑动，从而防止流体泄露。由于两个密封端面的紧密贴合，使密封端面之间的交界(密封界面)形成微小间隙，当有压介质通过此间隙时，形成极薄的液膜，造成阻力，阻止介质泄露，又使得端面得以润滑，由此获得长期的密封效果。然而机械密封必须保证密封件的密封端面紧密贴合，该密封件才能保证其有效工作，因此当工作条件或环境发生变化，如指向式旋转导向工具的轴产生小弯曲变形时，会对密封端面的贴合产生影响；泥浆中固体的研磨作用会使相邻内表面磨损，可能产生高值端面载荷导致密封端面剧烈磨损，大大缩短使用寿命，或者导致泄露至密封失效。因此以上的几种密封方式都无法达到井下工具的密封要求。

发明内容

为了解决上述填料密封和机械密封用于井下指向式旋转导向工具存在的上述问题，本发明提供一种组合密封形式实现密封的密封装置，用于导向钻井工具中提高了井下密封的可靠性和使用寿命。

本发明的技术方案是这样实现的：一种组合密封装置，包括波纹管、机械密封和密封套，波纹管与密封套一端连接，密封套内同轴装有机械密封和两个轴承，机械密封设置在第一轴承和第二轴承之间，且机械密封的静环与所述密封套之间装有密封圈进行密封。两个轴承可以保证机械密封件的动、静环端面能够紧密贴合。

为了便于组合密封中轴承和机械密封的装配，与机械密封的静环相对的第二轴承一侧装有锁紧套向机械密封方向抵住所述的第二轴承，锁紧套通过外螺纹装配在所述的密封套内。

所述的密封圈一侧装有垫片，且垫片和密封圈被安装固定在静环上的压环压紧，垫片能调节机械密封动、静环端面间的压力。

还包括一个带有外螺纹的螺纹排屑套安装在所述的锁紧套内，利用螺纹排屑套与密封设备心轴旋转方向相反的螺纹槽，可以实现排渣，以提高密封使用寿命。

还有一个内套安装在所述的螺纹排屑套内且与螺纹排屑套为过盈配合，以便于组合密封的装配。

还包括一个第三轴承安装在所述密封套波纹管连接端向内的凸台与第一轴承之间，该第三轴承的转动面与所述密封套轴心线垂直，第三轴承的轴承环与第一轴承内环之间垫有环套。

本发明还提供了一种导向钻井工具的组合密封结构，包括同轴套在导向钻井工具的心轴上的波纹管、机械密封、密封套，所述的波纹管一端与导向钻井工具中的防转套连接，波纹管另一端与所述密封套连接，在所述的密封套与心轴之间装有第一轴承和第二轴承，所述机械密封位于密封套内且设置在第一轴承和第二轴承之间，且机械密封的静环与所述密封套之间装有密封圈进行密封。第一轴承和第二轴承可以对心轴产生径向约束作用，使心轴与密封套和机械密封保持同心，消除心轴的偏摆对密封性能的影响，保证轴端的同轴度要求，以达到机械密封的动、静环端面紧密贴合的要求。

还包括一个通过过盈配合安装在所述心轴上的内套，所述的机械密封中的静环活套在该内套上，在与机械密封的静环相对的第二轴承一侧装有锁紧套抵住所述的第二轴承，锁紧套通过外螺纹装配在所述的密封套内，在锁紧套的内孔内有一个带外螺纹的螺纹排屑套通过过盈配合安装在所述的内套上，所述螺纹排屑套的螺纹旋向和导向钻井工具的心轴的钻进旋转方向相反，且螺纹排屑套与锁紧套之间有间隙。采用螺纹排屑套避免泥浆中的固体对机械密封端面产生研磨的副作用，当钻进时，可以将泥浆中的固体从螺纹排屑套和锁紧套之间的空隙有效地排出，有效降低泥浆中的固体对机械密封副的端面磨损，有效提高密封的有效寿命。

所述的机械密封的静环与密封套之的密封圈一侧装有垫片，且垫片被安装固定在静环上的压环压紧。

还包括一个第三轴承安装在所述密封套向内的凸台与第一轴承之间，该第三轴承的转动面与所述密封套轴心线垂直，防止由于在使用时重力作用对第一轴承和第二轴承的损坏，以及重力作用使机械密封动静环之间压力过大而加快磨损。

本发明的有益效果：本发明采用波纹管、机械密封形成的组合密封，满足了导向工具下端在正常钻进和导向钻进两种工作状态下的动密封要求，保证了机械密封件的动、静密封端面能够紧密贴合，防止密封端面剧烈磨损，提高了井下密封的可靠性和使用寿命。并且当采用螺纹排屑套时，又可降低泥浆中固体颗粒对机构密封的影响。

附图说明

图1为本发明的组合密封装置的结构示意图；

图2为将图1中的组合密封装置应用于导向钻井工具后形成的导向钻井工具的组合密封结构示意图。

图中：1心轴，2套筒，3波纹管，4扶正器，5第一轴承，6机械密封，7第二轴承，8锁紧套，9螺纹排屑套，10防转套，11密封套，12机械密封静环，13内套，14第三轴承，15压环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1组合密封装置

如图1所示：是一种组合密封装置，包括波纹管3、机械密封6和密封套11，波纹管3与密封套一端焊接连接在一起，密封套内同轴装有机械密封6和轴承5、7、14，机械密封6设置在第一轴承5和第二轴承7之间。第三轴承14安装在密封套11的波纹管连接端向内的凸台与第一轴承5之间，该第三轴承14的转动面与密封套轴心线垂直，第三轴承的轴承环与第一轴承内环之间通过垫有环套，以避免第一轴承的外环与第三轴承接触影响两者正常运转。

机械密封的静环12与密封套11之间装有密封圈进行密封，密封圈一侧装有垫片，密封圈及垫片被用销钉固定在静环上的压环15压紧，以保证静环与密封套之间密封效果。第二轴承7右侧装有锁紧套8抵住第二轴承外环，锁紧套8通过外螺纹装配在密封套11内，以保证三个轴承、机械密封被安装定位在密封套内。内套13同轴安装在密封套内，其端部将第三轴承和第一轴承顶在密封套内的台阶孔内的环形凸台上，机械密封的弹簧座通过过盈配合安装在内套13上，一个螺纹排屑套9也通过过盈配合安装在内套13上，螺纹排屑套位于锁紧套内，其外表面有外螺纹且与锁紧套之间有排渣间隙。利于内套、锁紧套、密封套，不但能够将轴承、机械密封安装在密封套内形成一个组合密封，形成一个独立的密封产品，便于在工厂生产、组装和运输，而且也便于装配，即其装配过程可以如图2所示将调整并组合好的组合密封整体装在心轴1上并把波纹管另一端与防装套10焊接即可，与将各部件在现场一个个往钻井工具上安装相比，提高装配效率和精度。

实施例2

是一种导向钻井工具的组合密封结构，采用了实施例1中的组合密封，其具体结构如图2所示，组合密封设置在心轴1与导向工具的套筒2和扶正器4之间。组合密封装置包括套在心轴1上的波纹管3、机械密封6、密封套11，波纹管3套在导向钻井工具的心轴1上并与防转套10焊接，波纹管3另一端焊接在密封套11上。内套13和心轴1之间采用过盈配合，机械密封6的静环12右侧靠近钻头一端设有第二轴承7，另一端设有由第三轴承14和第一轴承5组成的轴承组合，该第三轴承的转动面与密封套11和心轴的轴心线垂直，第三轴承14的轴承环与第一轴承5内环之间垫有环套。通过过盈配合装在心轴1上的内套13左端部将轴承组合压在密封套11台阶形内孔向内的凸台处。机械密封的弹簧座通过过盈配合装在内套13上，以随心轴和内套一起同步转动，机械密封的静环12与密封套11之间装有密封圈进行密封，密封圈右侧装有垫片，密封圈及垫片被用销钉固定在静环上的压环15压紧，以保证静环与密封套之间的密封。与机械密封的静环相对的第二轴承7一侧装有锁紧套8抵住第二轴承7的外环，锁紧套8通过外螺纹装配在所述的密封套11内。一个螺纹排屑套9也通过过盈配合安装在内套13上，其外表面有与心轴钻进旋转方向相反的外螺纹，且螺纹排屑套与锁紧套之间有间隙。由于机械密封6至少有一对垂直于心轴线的摩擦副端面，该端面在流体压力及补偿机械(弹力或磁力)的作用下，加之辅助密封的配合，与另一端面保持贴合并相对滑动，从而防止流体泄露。

该导向工具在正常钻进和导向钻进两种状态时，心轴1分别为直和弯曲两种形状。当心轴1不弯曲时，机械密封6起主要密封作用，由于导向工具内的油压大于外循环泥浆的压力，这个压力差保证了机械密封件的动、静环密封端面能够紧密贴合，保证密封的可靠性；但是为避免泥浆中的固体对机械密封6端面产生研磨的副作用，机械密封6靠近钻头一端设置有由螺纹排屑套9构成的螺纹密封，由该密封件的螺纹旋向和导向工具的钻进旋转方向相反，当钻进时，可以将泥浆中的固体从锁紧套8与螺纹排屑套9间的间隙中有效地排出，有效降低泥浆固相对机械密封副的端面磨损，提高密封的有效寿命。

当心轴1弯曲时，心轴1的偏摆必然会影响机械密封动静环的紧密结合，导致端面接触压力不一致，影响密封能力，出现过早失效。为满足心轴1轴端偏摆时的密封要求，在心轴1和扶正器4之间增加一个波纹管3密封，并与防转套10焊接，利用波纹管3的弹性弯曲补偿轴的偏摆角度；同时增加轴端的长度，并在机械密封6的两端设计轴承组合5和第二轴承7，使其对轴产生径向约束作用，消除轴的偏摆对密封性能的影响，保证轴端安装机械密封段的同轴度要求，以达到机械密封的动、静环端面始终紧密贴合的要求，另外机械密封静环与密封套10之间装有密封圈，密封圈一侧装有垫片，垫片能调节机械密封动、静环端面间的压力。

通过这样的组合密封设计，满足了导向工具下端在正常钻进和导向钻进两种工作状态下的动密封要求，提高了井下密封的可靠性和使用寿命。

Claims (10)

1.一种组合密封装置，其特征是：包括波纹管、机械密封和密封套，波纹管与密封套一端连接，密封套内同轴装有机械密封和两个轴承，机械密封设置在第一轴承和第二轴承之间，且机械密封的静环与所述密封套之间装有密封圈进行密封。

2.根据权利要求1所述的组合密封装置，其特征是：所述的与机械密封的静环相对的第二轴承一侧装有锁紧套向机械密封方向抵住所述的第二轴承外环，锁紧套通过外螺纹装配在所述的密封套内。

3.根据权利要求2所述的组合密封装置，其特征是：还包括一个带有外螺纹的螺纹排屑套安装在所述的锁紧套内，且与锁紧套之间有间隙。

4.根据权利要求3所述的组合密封装置，其特征是：还有一个内套安装在所述的螺纹排屑套内，且与螺纹排屑套及机械密封的弹簧座为过盈配合。

5.根据权利要求1至3中之一所述的组合密封装置，其特征是：在所述的密封圈一侧装有垫片，且垫片及密封圈被安装固定在静环上的压环压紧。

6.根据权利要求1至3中之一所述的组合密封装置，其特征是：还包括一个第三轴承安装在所述密封套波纹管连接端向内的凸台与第一轴承之间，该第三轴承的转动面与所述密封套轴心线垂直，第三轴承的轴承环与第一轴承内环之间垫有环套。

7.一种导向钻井工具的组合密封结构，其特征是：包括同轴套在导向钻井工具的心轴上的波纹管、机械密封、密封套，所述的波纹管一端与导向钻井工具中的防转套连接，波纹管另一端与所述密封套连接，在所述的密封套与心轴之间装有第一轴承和第二轴承，所述机械密封位于密封套内且设置在第一轴承和第二轴承之间，且机械密封的静环与所述密封套之间装有密封圈进行密封。

8.根据权利要求7所述的导向钻井工具的组合密封结构，其特征是：

还包括一个通过过盈配合安装在所述心轴上的内套，所述的机械密封中的活套所述的内套上，且机械密封的弹簧座通过过盈配合安装在内套上，在与机械密封的静环相对的第二轴承一侧装有锁紧套抵住所述的第二轴承外环，锁紧套通过外螺纹装配在所述的密封套内，在锁紧套的内孔内装有一个带外螺纹的螺纹排屑套通过过盈配合安装在所述的内套上，所述螺纹排屑套的螺纹旋向和导向钻井工具的心轴的钻进旋转方向相反，且螺纹排屑套与锁紧套之间有间隙。

9.根据权利要求7所述的导向钻井工具的组合密封结构，其特征是：

所述的机械密封的静环与密封套之间的密封圈一侧装有垫片，且垫片和密封圈被安装固定在静环上的压环压紧。

10.根据权利要求7至9中之一所述的导向钻井工具的组合密封结构，其特征是：还包括一个第三轴承安装在所述密封套波纹管连接端向内的凸台与第一轴承之间，该第三轴承的转动面与所述密封套轴心线垂直，第三轴承的轴承环与第一轴承内环之间垫有环套。

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