CN105275423B - 一种可现场更换悬挂器的单级套管头 - Google Patents

Abstract

一种可现场更换悬挂器的单级套管头，在套管头本体和转换法兰中心的阶台孔内，既能安装芯轴式套管悬挂器，也能安装卡瓦式套管悬挂器；芯轴式套管悬挂器上方的上下楔入式金属密封组件，置于转换法兰中心阶台孔的下方，既对芯轴式套管悬挂器的加长颈进行密封，也对卡瓦式套管悬挂器上方的内层套管进行密封。另外，在芯轴式套管悬挂器中的上、下两组金属密封组件和套管头本体底部的卡瓦组合件中的金属密封组件，均为上下楔入式金属密封组件；在表层套管、内层套管或芯轴式套管悬挂器的加长颈上端，均实行“金属密封+BT圈注脂”的组合密封结构；所有橡胶密封圈均采用“高饱和氢化丁腈橡胶”材料制做；使之更适合在复杂井况和高温高压油气井上使用。

Description

一种可现场更换悬挂器的单级套管头

技术领域

本发明涉及石油机械，油气井钻采设备中的套管头。

背景技术

现有油气井常用的芯轴式套管头，在实际生产中常会遇到复杂的井况，如超深井、大位移井、水平井、高温高压井、小间隙井和塌陷井等，使常规的尾管芯轴式悬挂器难以顺利地安装和悬挂，常需要换用卡瓦式套管头。如果整体更换套管头，势必浪费大量的人力和物力，并影响油气井的钻采进度。在套管头本体的中心孔内更换不同类型的套管悬挂器，并非难事；困难的是在更换不同类型的套管悬挂器后，套管头本体上方的转换法兰及其密封组件不能通用，增加了现场装配的难度和用户的经济负担。另外，现有采用锥管螺纹联接表层套管的套管头，由于其本体体积庞大、重达数百公斤，与埋入地下的表层套管螺纹联接，亦非易事，常因为联接螺纹的加工质量、机械损伤、现场泥沙和同轴度的影响，欲速不达。而现有采用底部的卡瓦联接表层套管的套管头，都采用“BT密封圈+注脂阀注入密封脂”的方法密封，由于BT密封圈与零件之间有缝隙，密封脂会干枯萎缩，所以密封效果不佳。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用成组技术和新的结构，对现有的套管头产品进行改进设计，以达在同一套管头本体和转换法兰的壳体内，安装不同类型的套管悬挂器，并提高其密封的可靠性，以满足油气井在不同情况下的固井需求。

本发明主要包括底座、套管头本体、芯轴式套管悬挂器、卡瓦式套管悬挂器、转换法兰、注脂阀、泄压阀、螺栓螺母、密封垫环、顶丝部件、卡瓦组合件和BT密封圈；其独特之处是：在套管头本体和转换法兰中心的阶台孔内，既能安装芯轴式套管悬挂器，也能换装卡瓦式套管悬挂器；芯轴式套管悬挂器上方的上下楔入式金属密封组件，置于转换法兰中心阶台孔的下方，既能对芯轴式套管悬挂器的加长颈进行密封，也能对换装的卡瓦式套管悬挂器上方的内层套管进行密封。另外，在芯轴式套管悬挂器中的上、下两组金属密封组件和套管头本体底部的卡瓦组合件中的金属密封组件，均为上下楔入式金属密封组件；在表层套管、内层套管和芯轴式套管悬挂器的加长颈上端，均实行“金属密封+BT圈注脂”的组合密封结构。

由于本发明套管头本体和转换法兰的中心孔内，既能安装芯轴式套管悬挂器，也能换装卡瓦式套管悬挂器，提高了套管头产品及零部件的通用性和应对复杂井况的能力，避免了更换不同悬挂器套管头产品时，人力、物力和时间的消耗。采用密封性能突出的上下楔入式金属密封组件，对芯轴式套管悬挂器的上方和下方，对卡瓦式悬挂器夹持的表层套管和内层套管上端，均采取金属密封；并在所有金属密封组件的前后，均增设BT密封圈或O型密封圈。进一步提高了套管头产品的密封可靠性，使其更适合在复杂的井况地区和高温高压油气井上使用。

附图说明

图1为本发明套管头本体底部带卡瓦组合件，在套管头本体和转换法兰中心的阶台孔内，安装芯轴式套管悬挂器(左侧)、或换装卡瓦式套管悬挂器(右侧)的两个半剖视合并的一个实施例总体结构示意图；

图2为本发明套管头本体底部为锥管螺纹，在套管头本体和转换法兰中心的阶台孔内，安装芯轴式套管悬挂器(左侧)、或换装卡瓦式套管悬挂器(右侧)的两个半剖视合并的另一个实施例总体结构示意图；

图3为图1中芯轴式套管悬挂器部件整体结构的全剖视示意图；

图4为图1中卡瓦式套管悬挂器部件整体结构，以及上方的内层套管被上下楔入式金属密封组件密封的全剖视示意图；

图5为图3中蝶形弹簧零件的水平俯视示意图；

图6为图4中卡瓦式套管悬挂器部件水平俯视局部剖视示意图。

附图中标号所示的零部件名称如下：

1、底座，2、套管头本体，3、芯轴式套管悬挂器，3-1、套管挂，3-2、加长颈，3-3、金属密封圈，3-4、O型密封圈，3-5、蝶形弹簧，3-6、下垫环，3-7、X型密封圈，3-8、上垫环，3-9、O型密封圈，3-10、上垫环，3-11、X型密封圈，3-12、下垫环，3-13、拼紧螺母，3-14、紧定螺钉，4、卡瓦式套管悬挂器，4-1、卡瓦，4-2、卡瓦座，4-3、内外密封圈，4-4、支承圈，4-5、接插板，4-6、接插销，5、转换法兰，6、注脂阀、7、BT密封圈，8、泄压阀，9、螺栓螺母，10、密封垫环，11、顶丝部件，12、内层套管，13、BT密封圈，14、卡瓦组合件，14-1、上垫环，14-2、X型密封圈，14-3、下垫环，14-4、整圈卡瓦，14-5、卡瓦座，14-6、压紧螺栓，15、表层套管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明和实施例作进一步说明：

图1为本发明中，套管头本体2底部用卡瓦组合件14与表层套管15相联接的一个实施例：其产品结构主要包括底座1、套管头本体2、芯轴式套管悬挂器3、卡瓦式套管悬挂器4、转换法兰5、注脂阀6、泄压阀8、螺栓螺母9、密封垫环10、顶丝部件11、卡瓦组合件14和BT密封圈7、13；另外，本发明还会根据客户要求，在套管头本体2的两侧，装配旁路阀门、压力表总成等其它零部件。通常情况下，芯轴式套管悬挂器3和卡瓦式套管悬挂器4搭配出厂使用，其总数量与套管头本体2或转换法兰5的数量保持一致；使用时，优先选用芯轴式套管悬挂器3。在本发明中，芯轴式套管悬挂器3中间粗的部位和下方金属密封组件的外圆配合尺寸，与卡瓦式套管悬挂器4中的卡瓦座4-2、内外密封圈4-3和支承圈4-4的外圆配合尺寸相同；芯轴式套管悬挂器3中，加长颈3-2上方空心圆柱体处的外径尺寸，与内层套管12的外径尺寸相同；使得两种套管悬挂器均能被分别安装在套管头本体2和转换法兰5的中心阶台孔内。芯轴式套管悬挂器3上方的上下楔入式金属密封组件，置于转换法兰5中心阶台孔的下方，既能对芯轴式套管悬挂器3的加长颈3-2进行密封，也能对卡瓦式套管悬挂器4上方的内层套管12进行密封。

套管头本体2中心是贯通的阶台孔，上方和中间的阶台孔，可分别安装芯轴式套管悬挂器3或卡瓦式套管悬挂器4；下方的阶台孔，用来安装卡瓦组合件14和表层套管15。套管头本体2上方是法兰，用均布的多只螺栓螺母9和密封垫环10与转换法兰5相联接；在上方法兰的圆周边上，加工有数个两端有螺纹、并与中心孔相通的水平阶台孔，孔中各装有一个顶丝部件11，用来压紧联接内层套管12的悬挂器。套管头本体2的中下方是两段不同直径的空心圆柱体，在直径较粗的圆柱体对应的两侧，加工有两个平面；在两个平面的中间部位，各有一个与中心孔贯通的旁通孔，在两个平面的旁通孔口处，均加工有多只螺纹盲孔和一道梯形垫环槽，以便用螺栓螺母和密封垫环，联接旁通道上的阀门或压力表总成等其它零部件。在套管头本体2的底平面上、中心阶台通孔的四周，均布着多只螺纹盲孔，用于固定卡瓦组合件14；在卡瓦组合件14的上方、套管头本体2中心阶台孔下方的孔壁上，加工有一道凹槽，凹槽内装有BT密封圈13；在套管头本体2下端的圆周边上，加工有两个向内与凹槽相通的径向小阶台孔；在两个小阶台孔的外端口处，分别装有一个注脂阀6和一个泄压阀8。本发明采用套管头本体2底部的卡瓦组合件14与表层套管15联接时，卡瓦组合件14的上部、套管头本体2中心阶台孔的下端，是一组由上垫环14-1、X型密封圈14-2、下垫环14-3组成的上下楔入式金属密封组件，与上方同一阶台孔内的BT密封圈13配合，对表层套管15的上端进行密封；整圈卡瓦14-4、卡瓦座14-5和压紧螺栓14-6，利用螺纹和锥面联接产生的力，夹紧表层套管15。

图2为本发明中，套管头本体2底部用锥管螺纹与表层套管15相联接的另一个实施例：本案例去除图1中“卡瓦组合件14和套管头本体2下方的注脂阀6、泄压阀8、BT密封圈13及其相关构造”；将套管头本体2中心阶台通孔的下端，直接加工成锥管螺纹，与表层套管15的顶端用螺纹联接密封，产品的其它零部件数量、结构及其功能均保持不变；其优点是结构简单、价格较低，以满足不同用户和不同情况的需求。

转换法兰5上方和下方是法兰，上下法兰之间是过渡的圆柱体和圆锥体；中心是贯通的阶台孔，阶台孔上半部分是容纳油管的过道，下半部分用来安装芯轴式套管悬挂器3或内层套管12；下法兰采用多根螺栓螺母9和一个密封垫环10，与套管头本体2相联接；上法兰也采用螺栓螺母和密封垫环，与其它井口设备相联接。在转换法兰5中心阶台孔的中部，加工有一道凹槽，凹槽内装有BT密封圈7，用来配合金属密封组件的密封；在转换法兰的圆锥体部位，加工有两个与凹槽相通的小阶台斜孔；在两个小阶台斜孔的外端口处，分别装有一个注脂阀6和一个泄压阀8。在转换法兰5下方法兰的圆周边上，加工有两个水平的小阶台孔，与中心处的阶台孔下端相通；在两个水平的小阶台孔外端口处，分别装有一个注脂阀6和一个泄压阀8。在套管头安装就绪后，用注塑枪通过注脂阀6向套管头内注入的密封脂，当密封脂从另一端的泄压阀8溢出后，证明此处套管头本体2内的环形空间和缝隙已充满密封脂。

图3中，本发明使用的芯轴式套管悬挂器3，由两端细中间粗、带加长颈的套管挂，上、下两组金属密封组件和附带的O型密封圈所组成；带加长颈的套管挂，由套管挂3-1和加长颈3-2通过螺纹联接在一起，在加长颈3-2下端的顶锥、外圆与套管挂3-1中心的阶台孔结合处，还装有金属密封圈3-3和O型密封圈3-4；上、下两组金属密封组件，均为上下楔入式金属密封组件；在套管挂3-1上端的圆周上，还切有一道密封槽，槽内装有O型密封圈3-9，用于配合下方的金属密封组件密封。套管挂3-1中心阶台孔的中部是圆柱形油管通道，下部的锥形螺纹孔用来联接内层套管12，上部的螺纹孔除了用来联接加长颈3-2，还用来联接外来装卸用的吊扣，以便吊装套管挂3-1和联接的内层套管12；在套管挂3-1上端粗直径的圆周上，自上而下地切有V型槽、密封槽和安装金属密封组件的圆台阶；其V型槽与均布在套管头本体2法兰圆周上的顶丝部件11配合，用于固定芯轴式套管悬挂器3。芯轴式套管悬挂器3上方的上下楔入式金属密封组件，由蝶形弹簧3-5、下垫环3-6、X型密封圈3-7、上垫环3-8所组成，与转换法兰5中心阶台孔内的BT密封圈7配合，对加长颈3-2或内层套管12的上端进行密封；密封的动力来源于联接套管头本体2和转换法兰5的多根螺栓螺母9产生的压力，以及注脂阀6注入的密封脂压力。芯轴式套管悬挂器3下方的上下楔入式金属密封组件，由上垫环3-10、X型密封圈3-11、下垫环3-12、拼紧螺母3-13和紧定螺钉3-14所组成，安装在芯轴式套管悬挂器3中下部与套管头本体2中心的阶台孔之间，依靠套管头本体2中心孔内的台阶和安装在套管挂3-1下方的内层套管12的重力，使X型密封圈3-11膨胀密封。

图5中：在芯轴式套管悬挂器3上方的上下楔入式金属密封组件中，蝶形弹簧3-5的上端圆周上，切有多条均布的沟槽，沟槽的下端均加工成圆弧形；可使蝶形弹簧3-5产生足够的变形量，以适应组装的零部件轴向误差和上下楔入式金属密封组件压紧的需要，并为外来的密封脂填满套管悬挂器与套管头本体2、转换法兰5之间的环形空间和缝隙畅通渠道。

图4和图6中，本发明使用的卡瓦式套管悬挂器4，选用的是市场上通用的W型卡瓦式套管悬挂器，由卡瓦4-1、卡瓦座4-2、内外密封圈4-3、支承圈4-4、接插板4-5和接插筋4-6六种零件组成实际使用的部件，技术成熟、性能可靠。卡瓦4-1、卡瓦座4-2、内外密封圈4-3和支承圈4-4均是回转体零件；卡瓦4-1被均等的切成4块，以提高卡夹力的均匀性；卡瓦座4-2、内外密封圈4-3和支承圈4-4均被切成相同的2块，以便于在井口现场安装。卡瓦4-1的中心是锯齿形孔，用于夹紧内层套管12；外圆的上部为圆锥面，以利于分布在套管头本体2法兰上的顶丝部件11压紧固定；中下部是大尺寸的倒圆锥和台阶，与卡瓦座4-2中心孔中的大尺寸的倒圆锥和台阶相吻合，依靠内层套管12的重力达到夹紧的效果；卡瓦4-1下方的4个径向螺纹孔与卡瓦座4-2中部4个径向均布的阶台孔相对正，在使用前装入“螺头手柄”(装配后拆除)，以利于运输和井口装配。卡瓦座4-2上端平面上均布着4个小螺钉孔，用来联接起吊用的“螺头吊索”(装配后拆除)；下端平面上加工有一道内宽外窄束口的环形槽，用来联接内外密封圈4-3和支承圈4-4；卡瓦座4-2外圆周上方，还切有一道矩形槽，用来焊接和容纳接插板4-5。内外密封圈4-3，用内、外圈之间的环形槽，套在支承圈4-4上方凸起的上宽下窄的环形榫上，安装在卡瓦座4-2下端面的束口环形槽内；支承圈4-4下方上粗下细的外圆处，有一个较大的过渡倒角，与套管头本体2中心的阶台孔配合，悬挂整个卡瓦式套管悬挂器4和内层套管12。2块接插板4-5均被弯曲成圆孤形，一端焊接、另一端插接在2块卡瓦座4-2外圆上方的矩形槽内、2个相对的切口处；4根接插筋4-6均弯曲成圆孤形，一端焊接、另一端插接在4块卡瓦4-1外圆上方的沟槽内、4个相对的切口处；在卡瓦式套管悬挂器4的全部零件接插组合后，不会产生轴向错位和分离。

为了适应高温、高压和酸性的油气介质，并努力使橡胶密封圈的寿命与金属密封组件的寿命相接近，本发明在芯轴式套管悬挂器3上使用的O型密封圈3-4、3-9，卡瓦式套管悬挂器4中使用的内外密封圈4-3，套管头本体2内使用的BT密封圈13和转换法兰5内使用的BT密封圈7，均采用“高饱和氢化丁腈橡胶”材料制做。

Claims (7)

1.一种可现场更换悬挂器的单级套管头，主要包括底座、套管头本体、芯轴式套管悬挂器、卡瓦式套管悬挂器、转换法兰、注脂阀、泄压阀、螺栓螺母、密封垫环、顶丝部件、卡瓦组合件和BT密封圈；其特征是：在套管头本体(2)和转换法兰(5)中心的阶台孔内，既能安装芯轴式套管悬挂器(3)，也能换装卡瓦式套管悬挂器(4)；芯轴式套管悬挂器(3)上方的上下楔入式金属密封组件，置于转换法兰(5)中心阶台孔的下方，既能对芯轴式套管悬挂器(3)的加长颈(3-2)进行密封，也能对换装的卡瓦式套管悬挂器(4)上方的内层套管(12)进行密封。

2.根据权利要求1所述的可现场更换悬挂器的单级套管头，其特征是：采用套管头本体(2)底部的卡瓦组合件(14)与表层套管(15)联接时，卡瓦组合件(14)的上部、套管头本体(2)中心阶台孔的下端，是一组由上垫环(14-1)、X型密封圈(14-2)、下垫环(14-3)组成的上下楔入式金属密封组件，与上方同一阶台孔内的BT密封圈(13)配合，对表层套管(15)的上端进行密封。

3.根据权利要求1所述的可现场更换悬挂器的单级套管头，其特征是：芯轴式套管悬挂器(3)，由两端细中间粗、带加长颈的套管挂，上、下两组金属密封组件和附带的O型密封圈所组成；带加长颈的套管挂，由套管挂(3-1)和加长颈(3-2)通过螺纹联接在一起，在加长颈(3-2)的下端的顶锥、外圆与套管挂(3-1)中心的阶台孔结合处，还装有金属密封圈(3-3)和O型密封圈(3-4)；上、下两组金属密封组件，均为上下楔入式金属密封组件；在套管挂(3-1)上端的圆周上，还切有一道密封槽，槽内装有O型密封圈(3-9)。

4.根据权利要求1所述的可现场更换悬挂器的单级套管头，其特征是：芯轴式套管悬挂器(3)上方的上下楔入式金属密封组件，由蝶形弹簧(3-5)、下垫环(3-6)、X型密封圈(3-7)、上垫环(3-8)所组成，与转换法兰(5)中心阶台孔内的BT密封圈(7)配合，对加长颈(3-2)或内层套管(12)的上端进行密封。

5.根据权利要求4所述的可现场更换悬挂器的单级套管头，其特征是：在芯轴式套管悬挂器(3)上方的上下楔入式金属密封组件中，蝶形弹簧(3-5)的上端圆周上，切有多条均布的沟槽，沟槽的下端均加工成圆弧形。

6.根据权利要求1所述的可现场更换悬挂器的单级套管头，其特征是：卡瓦式套管悬挂器(4)，选用的是市场上通用的W型卡瓦式套管悬挂器，由卡瓦(4-1)、卡瓦座(4-2)、内外密封圈(4-3)、支承圈(4-4)、接插板(4-5)和接插筋(4-6)六种零件组成实际使用的部件。

7.根据权利要求1所述的可现场更换悬挂器的单级套管头，其特征是：在芯轴式套管悬挂器(3)上使用的O型密封圈(3-4)、(3-9)，卡瓦式套管悬挂器(4)中使用的内外密封圈(4-3)，套管头本体(2)内使用的BT密封圈(13)和转换法兰(5)内使用的BT密封圈(7)，均采用“高饱和氢化丁腈橡胶”材料制做。