CN105257222B - 热敏式波纹管热应力补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应力补偿器技术领域，是一种热敏式波纹管热应力补偿器，包括上压帽、外筒、上接头、波纹管、限位筒、内筒、热胀填充物、活塞筒、滑套、剪切销钉和锁块；内筒的中部外侧设有上环台，上接头的下部内侧套装在内筒的顶部外侧，对应上接头的底部与上环台顶部之间位置的内筒外侧套装有波纹管，波纹管的顶部与上接头的底部焊接为一体，波纹管的底部与上环台的顶部焊接为一体；内筒外侧套装有外筒，外筒的上部内侧设有座于限位环台顶部的上卡台。本发明通过将本发明接入套管串中可使其满足套管在受热和冷却过程中的膨胀和收缩需求，从而有效消除套管热应力和残余应力，降低套管损坏几率，延长套管的使用寿命。

Description

热敏式波纹管热应力补偿器

技术领域

本发明涉及应力补偿器技术领域，是一种热敏式波纹管热应力补偿器。

背景技术

蒸汽吞吐是稠油热力开采最普遍的方式，为提高稠油的开采率，在开采过程中，需要对井中注入高达350℃的高温蒸汽，以降低稠油的黏度，在这种高温下，套管内将产生很大的热应力。热应力是目前公认的稠油热采开发中套管损毁的主要因素，套管损毁将给油井正常生产带来巨大的损失。当向井内注入高温蒸汽后，油层套管就会受热伸长，当停止注汽后，温度下降，套管又将收缩变形，而在稠油热采井中，油层套管伸长或者收缩是受到水泥环和井口的约束，当注入高温蒸汽时套管不能自由伸长，因而在套管内产生很高的压应力，当温度降低时，套管也因受到约束无法自由收缩，应而又产生较大的拉应力。多次进行蒸汽吞吐开采以后，套管内会产生很大的热应力和残余应力，当热应力超过套管屈服极限时，套管将产生永久变形损毁，此外多次蒸汽吞吐交替产生的压缩和拉伸应力也会使套管产生疲劳破坏。

发明内容

本发明提供了一种热敏式波纹管热应力补偿器，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有油层套管存在的在蒸汽吞吐过程中受到约束，无法自由收缩，会产生很高的热应力和残余应力，且当热应力超过套管屈服极限时，套管将产生永久变形损毁，此外多次蒸汽吞吐交替产生的压缩和拉伸应力也会使套管产生疲劳破坏的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种热敏式波纹管热应力补偿器，包括上压帽、外筒、上接头、波纹管、限位筒、内筒、热胀填充物、活塞筒、滑套、剪切销钉和锁块；内筒的中部外侧设有上环台，上接头的下部内侧套装在内筒的顶部外侧，对应上接头的底部与上环台顶部之间位置的内筒外侧套装有波纹管，波纹管的顶部与上接头的底部焊接为一体，波纹管的底部与上环台的顶部焊接为一体；内筒外侧套装有外筒，上接头的下部外侧设有限位环台，外筒的上部内侧设有座于限位环台顶部的上卡台，在上接头外侧通过螺纹连接固定安装有底部座于上卡台顶部的上压帽；上环台的下部外侧设有外环槽，对应上环台下方位置的内筒与外筒之间套装有顶部抵在外环槽内的限位筒，限位筒上沿圆周分布有至少一个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块，对应安装孔位置的内筒与限位筒之间套装有能抵在所有锁块内侧的滑套，滑套与限位筒之间通过剪切销钉固定安装在一起；内筒的下部外侧设有下环台，限位筒的下部内侧套装在下环台的上部外侧，对应限位筒下方位置的外筒内侧设有抵在限位筒底部的下卡台，对应锁块与下环台之间位置的内筒与限位筒之间套装有活塞筒，对应各个锁块周向位置的活塞筒上均分布有能在活塞筒上行后使对应锁块滑入的窗口，对应活塞筒下方位置的内筒与限位筒之间填充有能在受热后膨胀并推动活塞筒上行使剪切销钉剪断且锁块滑入对应窗口的热胀填充物。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述上接头可包括套管接头和连接接头，套管接头的下部内侧与连接接头的上部外侧固定安装在一起，连接接头的下部内侧套装在内筒的上部外侧，波纹管的顶部与连接接头的底部焊接为一体，限位环台位于连接接头的下部外侧。

上述对应活塞筒与下环台之间位置的限位筒上可设有能将热胀填充物注入的注入孔，注入孔上安装有能将其封堵的堵头；外筒由上至下包括外上筒、外下筒和下压帽，上卡台位于外上筒的上端内侧，下卡台位于下压帽的下端内侧，外上筒的下部内侧与外下筒的上部内侧固定安装在一起，外下筒的下部外侧与下压帽的上部内侧固定安装在一起，外下筒的底端位于注入孔的上方；内筒由上至下包括上套筒和中心筒，上环台位于上套筒的下端外侧，下环台位于中心筒的中部外侧，上套筒的下部内侧与中心筒的上部外侧固定安装在一起。

上述在上套管外侧与连接接头内侧之间、限位环台外侧与外上筒内侧之间、活塞筒内侧与中心筒外侧之间、活塞筒外侧与限位筒内侧之间、下环台外侧与限位筒内侧之间可分别设有密封圈。

上述热胀填充物可为夹层石墨。

上述活塞筒顶部与滑套底部之间可有间距。

上述限位筒上可沿圆周均布有四个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块。

本发明结构合理而紧凑，其通过将本发明接入套管串中可使其在受热时通过热胀填充物膨胀剪断剪切销钉，限位筒与外筒之间解锁，内筒将在其下方套管的作用下带动限位筒上行，波纹管将被上环台挤压而收缩，由此可释放套管热应力；待到温度下降时，内筒将在其下方套管的作用下带动限位筒下行，波纹管将被上环台拉伸，由此可满足套管在受热和冷却过程中的膨胀和收缩需求，从而有效消除套管热应力和残余应力，降低套管损坏几率，延长套管的使用寿命；其通过将波纹管的两端分别与上接头和上环台焊接，并增设密封圈可有效避免泄漏，使用方便省力，且可通过更换剪切销钉而重复使用，降低成本，易于推广应用。

附图说明

附图1为本发明最佳实施例的主视半剖视结构示意图。

附图2为附图1在A处的局部放大结构示意图。

附图3为附图1在B处的局部放大结构示意图。

附图4为附图1在C处的局部放大结构示意图。

附图中的编码分别为：1为上压帽，2为波纹管，3为限位筒，4为热胀填充物，5为活塞筒，6为滑套，7为剪切销钉，8为锁块，9为上环台，10为限位环台，11为上卡台，12为外环槽，13为下环台，14为下卡台，15为窗口，16为套管接头，17为连接接头，18为堵头，19为外上筒，20为外下筒，21为下压帽，22为上套筒，23为中心筒，24为密封圈。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1、2、3、4所示，该热敏式波纹管热应力补偿器包括上压帽1、外筒、上接头、波纹管2、限位筒3、内筒、热胀填充物4、活塞筒5、滑套6、剪切销钉7和锁块8；内筒的中部外侧设有上环台9，上接头的下部内侧套装在内筒的顶部外侧，对应上接头的底部与上环台9顶部之间位置的内筒外侧套装有波纹管2，波纹管2的顶部与上接头的底部焊接为一体，波纹管2的底部与上环台9的顶部焊接为一体；内筒外侧套装有外筒，上接头的下部外侧设有限位环台10，外筒的上部内侧设有座于限位环台10顶部的上卡台11，在上接头外侧通过螺纹连接固定安装有底部座于上卡台11顶部的上压帽1；上环台9的下部外侧设有外环槽12，对应上环台9下方位置的内筒与外筒之间套装有顶部抵在外环槽12内的限位筒3，限位筒3上沿圆周分布有至少一个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块8，对应安装孔位置的内筒与限位筒3之间套装有能抵在所有锁块8内侧的滑套6，滑套6与限位筒3之间通过剪切销钉7固定安装在一起；内筒的下部外侧设有下环台13，限位筒3的下部内侧套装在下环台13的上部外侧，对应限位筒3下方位置的外筒内侧设有抵在限位筒3底部的下卡台14，对应锁块8与下环台13之间位置的内筒与限位筒3之间套装有活塞筒5，对应各个锁块8周向位置的活塞筒5上均分布有能在活塞筒5上行后使对应锁块8滑入的窗口15，对应活塞筒5下方位置的内筒与限位筒3之间填充有能在受热后膨胀并推动活塞筒5上行使剪切销钉7剪断且锁块8滑入对应窗口15的热胀填充物4。当上压帽1向下旋时，波纹管2将被拉伸；在固井作业时，将其连入套管串，下入井内合适位置，一般是下至油层以上一定位置，对于水泥不返到井口的热采井来说也可以下至井口以下一定位置，可以防止井口抬升，保护井口装置，套管串中可根据需要连入一个或多个本发明；在使用过程中，当热采注汽时，套管串的环境温度升高，热胀填充物4将受热膨胀并推动活塞筒5上行，当活塞筒5上行至碰在滑套6底部时，滑套6将受到较大的冲击作用力，此时剪切销钉7将被剪断，活塞筒5将在热胀填充物4的作用下继续上行至各个窗口15对准对应的锁块8，锁块8将滑入窗口15内，限位筒3与外筒之间解锁，即两者之间能够实现相对运动；连接在内筒下方的套管在受热后将膨胀，其长度将向上伸长，即内筒将受到向上的作用力，并在其下方套管的作用下带动限位筒3上行，波纹管2将被上环台9挤压而收缩，由此可释放套管热应力；待到温度下降时，连接在内筒下方的套管将收缩，内筒将受到向下的作用力，并在其下方套管的作用下带动限位筒3下行，波纹管2将被上环台9拉伸，由此可满足套管在受热和冷却过程中的膨胀和收缩需求，从而有效消除套管热应力和残余应力，降低套管损坏几率，延长套管的使用寿命；其通过将波纹管2的两端分别与上接头和上环台9焊接可有效避免泄漏，使用方便省力，且可通过更换剪切销钉7而重复使用，降低成本，易于推广应用。

可根据实际需要，对上述热敏式波纹管热应力补偿器作进一步优化或/和改进：

如附图1、2、3、4所示，上接头包括套管接头16和连接接头17，套管接头16的下部内侧与连接接头17的上部外侧固定安装在一起，连接接头17的下部内侧套装在内筒的上部外侧，波纹管2的顶部与连接接头17的底部焊接为一体，限位环台10位于连接接头17的下部外侧。这样可使其便于加工和安装。

如附图1、2、3、4所示，对应活塞筒5与下环台13之间位置的限位筒3上设有能将热胀填充物4注入的注入孔，注入孔上安装有能将其封堵的堵头18；外筒由上至下包括外上筒19、外下筒20和下压帽21，上卡台11位于外上筒19的上端内侧，下卡台14位于下压帽21的下端内侧，外上筒19的下部内侧与外下筒20的上部内侧固定安装在一起，外下筒20的下部外侧与下压帽21的上部内侧固定安装在一起，外下筒20的底端位于注入孔的上方；内筒由上至下包括上套筒22和中心筒23，上环台9位于上套筒22的下端外侧，下环台13位于中心筒23的中部外侧，上套筒22的下部内侧与中心筒23的上部外侧固定安装在一起。根据需求，堵头18可为内六方螺柱或销轴；在安装时，先将限位筒3与外下筒20通过锁块8固定安装在一起，然后将滑套6装入限位筒3内使其抵在将各个锁块8的内侧，然后装入剪切销钉7将滑套6与限位筒3锁死，再将活塞筒5套装在中心筒23上，并将两者一同装入限位筒3内，将下环台13上部外侧与限位筒3的下部内侧固定安装在一起；接着在将热胀填充物4从注入孔注入后，需将堵头18安装在注入孔上，然后将下压帽21与外下筒20安装在一起；由此可完成本发明下部的安装操作；采用上述结构可使本发明在满足功能需求的同时能够便于加工和安装，降低其生产成本，使其能够广泛应用。

如附图1、2、3、4所示，在上套管外侧与连接接头17内侧之间、限位环台10外侧与外上筒19内侧之间、活塞筒5内侧与中心筒23外侧之间、活塞筒5外侧与限位筒3内侧之间、下环台13外侧与限位筒3内侧之间分别设有密封圈24。这样可增强其密封效果，有效防泄漏。

如附图1、2、3、4所示，热胀填充物4为夹层石墨。夹层石墨是石墨累膨胀材料的一种，自由膨胀可以高达20多倍，如果膨胀过程中体积受阻，可以产生很大的压力，这种材料活化温度为200℃；油田注蒸汽温度一般为350摄氏度，夹层石墨可满足其受热膨胀的需求。根据需求，热胀填充物4还可采用其它满足条件的现有公知材料。

如附图1、2、3、4所示，活塞筒5顶部与滑套6底部之间有间距。由于热胀填充物4在受热后膨胀处于渐变的过程，活塞筒5受到的作用力将逐渐增大，使活塞筒5顶部与滑套6底部之间保持一定距离可使滑套6在受到活塞筒5撞击时瞬时受到较大的作用力，这样可形成碰压效果，确保剪切销钉7能顺利剪断。

如附图1、2、3、4所示，限位筒3上沿圆周均布有四个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块8。这样可使其受力均匀，增大强度，延长使用寿命，便于加工和安装。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (12)

1.一种热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于包括上压帽、外筒、上接头、波纹管、限位筒、内筒、热胀填充物、活塞筒、滑套、剪切销钉和锁块；内筒的中部外侧设有上环台，上接头的下部内侧套装在内筒的顶部外侧，对应上接头的底部与上环台顶部之间位置的内筒外侧套装有波纹管，波纹管的顶部与上接头的底部焊接为一体，波纹管的底部与上环台的顶部焊接为一体；内筒外侧套装有外筒，上接头的下部外侧设有限位环台，外筒的上部内侧设有座于限位环台顶部的上卡台，在上接头外侧通过螺纹连接固定安装有底部座于上卡台顶部的上压帽；上环台的下部外侧设有外环槽，对应上环台下方位置的内筒与外筒之间套装有顶部抵在外环槽内的限位筒，限位筒上沿圆周分布有至少一个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块，对应安装孔位置的内筒与限位筒之间套装有能抵在所有锁块内侧的滑套，滑套与限位筒之间通过剪切销钉固定安装在一起；内筒的下部外侧设有下环台，限位筒的下部内侧套装在下环台的上部外侧，对应限位筒下方位置的外筒内侧设有抵在限位筒底部的下卡台，对应锁块与下环台之间位置的内筒与限位筒之间套装有活塞筒，对应各个锁块周向位置的活塞筒上均分布有能在活塞筒上行后使对应锁块滑入的窗口，对应活塞筒下方位置的内筒与限位筒之间填充有能在受热后膨胀并推动活塞筒上行使剪切销钉剪断且锁块滑入对应窗口的热胀填充物。

2.根据权利要求1所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于上接头包括套管接头和连接接头，套管接头的下部内侧与连接接头的上部外侧固定安装在一起，连接接头的下部内侧套装在内筒的上部外侧，波纹管的顶部与连接接头的底部焊接为一体，限位环台位于连接接头的下部外侧。

3.根据权利要求1所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于对应活塞筒与下环台之间位置的限位筒上设有能将热胀填充物注入的注入孔，注入孔上安装有能将其封堵的堵头；外筒由上至下包括外上筒、外下筒和下压帽，上卡台位于外上筒的上端内侧，下卡台位于下压帽的下端内侧，外上筒的下部内侧与外下筒的上部内侧固定安装在一起，外下筒的下部外侧与下压帽的上部内侧固定安装在一起，外下筒的底端位于注入孔的上方；内筒由上至下包括上套筒和中心筒，上环台位于上套筒的下端外侧，下环台位于中心筒的中部外侧，上套筒的下部内侧与中心筒的上部外侧固定安装在一起。

4.根据权利要求2所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于对应活塞筒与下环台之间位置的限位筒上设有能将热胀填充物注入的注入孔，注入孔上安装有能将其封堵的堵头；外筒由上至下包括外上筒、外下筒和下压帽，上卡台位于外上筒的上端内侧，下卡台位于下压帽的下端内侧，外上筒的下部内侧与外下筒的上部内侧固定安装在一起，外下筒的下部外侧与下压帽的上部内侧固定安装在一起，外下筒的底端位于注入孔的上方；内筒由上至下包括上套筒和中心筒，上环台位于上套筒的下端外侧，下环台位于中心筒的中部外侧，上套筒的下部内侧与中心筒的上部外侧固定安装在一起。

5.根据权利要求4所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于在上套筒外侧与连接接头内侧之间、限位环台外侧与外上筒内侧之间、活塞筒内侧与中心筒外侧之间、活塞筒外侧与限位筒内侧之间、下环台外侧与限位筒内侧之间分别设有密封圈。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于热胀填充物为夹层石墨。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于活塞筒顶部与滑套底部之间有间距。

8.根据权利要求6所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于活塞筒顶部与滑套底部之间有间距。

9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于限位筒上沿圆周均布有四个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块。

10.根据权利要求6所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于限位筒上沿圆周均布有四个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块。

11.根据权利要求7所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于限位筒上沿圆周均布有四个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块。

12.根据权利要求8所述的热敏式波纹管热应力补偿器，其特征在于限位筒上沿圆周均布有四个安装孔，对应各个安装孔位置的外筒内侧均设有限位凹槽，每个安装孔内均安装有外侧嵌入对应限位凹槽内的锁块。