CN105546120A - 一种双侧充压多级自动启停机械密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双侧充压多级自动启停机械密封装置，主要由一级组合密封系统、二级组合密封系统和三级机械密封组成。本发明以钻进过程中钻井液较大的压力变化作为每级密封启停的信号源，当钻井作业达到一定深度时，一级组合密封系统中的动密封组件自动脱开失效，同时压紧二级组合密封系统中的接触面，二级组合密封系统自动开始工作；随着钻井深度的进一步增加，二级组合密封系统中的动密封组件自动脱开失效，同时压紧三级机械密封的接触面，则三级机械密封会自动开始工作，从而可以长时间的保护壳体内部的电子仪器设备，避免单级动密封失效就需要起钻更换密封件的问题，极大的提高了钻井作业效率。

Description

一种双侧充压多级自动启停机械密封装置
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气开采方面的深井多级自动启停机械密封，属于石油钻井井下设备技术领域。
背景技术
机械密封目前已经广泛应用于化工、船舶、航天和钻井等领域，钻井过程中经常由于井下密封件的失效导致起钻作业，造成极大的经济损失；在上千米的深井环境中，密封要承受几十兆帕的压力，常规的机械密封机构是不可能正常工作的，通常都是在机械密封的另一侧充入稍高于钻井液压力的润滑油来平衡密封两侧的压差，借助平衡活塞环机构保证润滑油的压力始终高于钻井液压力。由于井下的工况非常恶劣，单级动密封的工作寿命十分有限，动密封的失效会导致井下工具很快报废，如何能够实现多级密封的自动启停工作对这一问题的解决有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有井下动密封技术的不足，对现有的动密封结构进行改进。本发明的技术方案是：本发明一种多级双侧充压自动启停机械密封装置，主要由一级组合密封系统、二级组合密封系统和三级机械密封组成。本发明以钻进过程中钻井液较大的压力变化作为每级密封启停的信号源，当钻井作业达到一定深度时，一级组合密封系统中的动密封组件自动脱开失效，同时压紧二级机械密封的接触面，二级组合密封系统自动开始工作；随着钻井深度的进一步增加，二级组合密封系统中的动密封组件自动脱开失效，同时压紧三级机械密封的接触面，则三级机械密封会自动开始工作，从而可以长时间的保护壳体内部的电子仪器设备，避免单级动密封失效就需要起钻更换密封件的问题，极大的提高了钻井作业效率。
所述一级组合密封系统主要由一级动环、一级静环、一级导杆、一级平衡缸构成，其中一级静环固定在壳体上，一级动环和一级导杆固定在一起，一级平衡缸固定在主轴上，并随主轴一起转动；在一级弹簧较大的压力P1作用下，一级动环压紧一级静环形成接触式一级密封面，从而隔开一级油腔内的润滑油和外部钻井液；
所述二级动组合密封系统主要由二级动环、二级静环、二级导杆、二级平衡缸构成，其中二级静环固定在壳体上，二级动环和二级导杆固定在一起，二级平衡缸固定在主轴上，随主轴一起转动，在二级弹簧较小的压力P2作用下，二级动环压紧二级静环形成非接触式二级密封面；
所述三级机械密封主要由三级动环和三级静环构成，三级静环固定在壳体上，三级动环、三级弹簧和固定座随主轴一起转动；在三级弹簧较小的压力P3作用下，三级动环压紧三级静环形成非接触式三级密封面。
初始状态下，通过调整一级弹簧、二级弹簧、三级弹簧的压缩量，可以满足P1＞P2＞P3，进而可保证一级密封面为接触式密封，二级密封面和三级密封面为非接触式密封，则二级密封面和三级密封面可以为内部润滑油提供通道，从而把一级油腔、二级油腔和三级油腔连通；此时随着主轴的旋转，一级密封面开始工作并会逐渐产生微量磨损，而非接触式二级密封面和三级密封面由于没有紧密贴合，所以二级密封面和三级密封面没有工作，仅仅提供润滑油的通道；
随着钻井深度的增加，钻井液压力会引起一级油腔、二级油腔和三级油腔内润滑油压力的增大，一级活塞环将受到一级活塞弹簧和润滑油压力的综合作用，由于一级活塞环和一级导杆是一体的，所以一级活塞环将把该综合作用力传递到一级导杆上；当一级导杆上的综合作用力大于一级弹簧的推力时，一级导杆会带动一级动环向下移动，一级动环和一级静环形成的一级密封面分离，一级密封面失效，钻井液会通过一级密封面进入一级油腔；同时由于一级导杆和二级静环固定在一起，所以会使二级静环沿着壳体移动，进而压紧二级动环，则二级静环和二级动环形成接触式密封，二级密封面开始工作，可以防止二级油腔内的润滑油向一级油腔的钻井液中泄漏；
随着钻井深度的进一步增加，二级油腔和三级油腔内润滑油在压力平衡作用下随着增加，二级活塞环将受到二级活塞弹簧和润滑油压力的综合作用，由于二级活塞环和二级导杆是一体的，所以二级活塞环将把该综合作用力传递到二级导杆上；当二级导杆上的综合作用力大于二级弹簧的推力时，二级导杆会带动二级动环向下移动，二级动环和二级静环形成的二级密封面分离，二级密封面失效，外部钻井液会通过二级密封面进入二级油腔内，同时由于二级导杆和三级静环固定在一起，所以会使三级静环沿着壳体移动，进而压紧三级动环，在三级弹簧和固定座的限制下，三级静环和三级动环形成接触式密封，三级密封面开始工作，可以防止三级油腔内的润滑油向二级油腔的钻井液中泄漏，从而达到长时间保护壳体内部电子仪器的目的。
本发明的有益效果和优点如下：1.常规的多级动密封都是非接触式密封，泄漏量非常大，本发明可以在工作过程中逐步实现接触式密封，减小密封泄漏量，这对深井钻井过程不能补充润滑油是非常重要的；2.本发明结合钻井过程中压力的变化，以钻井深度和钻井液压力作为启动信号，实现动密封的自动启停；3.本发明可以避免由于密封失效带来的起钻问题，极大地提高了油田现场的作业效率，降低了经济成本。
附图说明
图1为本发明一种双侧充压多级自动启停机械密封装置结构示意图；
图2为图1中一级组合密封系统、二级组合密封系统的放大图；
图3为图1中一级活塞环的三维图；
图4为图1中一级平衡缸的三维图；
图5为图1中二级静环的三维图；
图中：1.一级静环，2.一级密封面，3.壳体，4.一级动环，5.一级导杆，6.一级
活塞环，7.一级平衡缸，8.二级静环，9.二级密封面，10.二级导杆，11.二级动环，12.二级活塞环，13.二级平衡缸,14.三级静环，15.三级密封面，16.三级动环，17.平衡活塞环，18.电子仪器，19.固定座，20.三级弹簧，21.三级油腔，22.二级油腔，23.二级活塞弹簧，24.二级弹簧，25.一级油腔，26.一级活塞弹簧，27.一级弹簧，28.主轴。
具体实施方式
下面通过实施方法和附图对本发明作进一步详细阐述：
在图1、图2、图3、图4和图5中，本发明一种双侧充压多级自动启停机械密封装置，主要由一级组合密封系统、二级组合密封系统和三级机械密封组成。本发明以钻进过程中钻井液的压力变化作为每级密封启停的信号源，当钻井作业达到一定深度时，一级组合密封系统中的一级密封面2自动脱开失效，同时压紧二级组合密封系统中的二级密封面9，二级组合密封系统自动开始工作；随着钻井深度的进一步增加，二级组合密封系统中的二级密封面9自动脱开失效，同时压紧三级机械密封的三级密封面15，则三级机械密封会自动开始工作，从而可以长时间的保护壳体3内部的电子仪器18设备，避免单级动密封失效就需要起钻更换密封件的问题，极大的提高了钻井作业效率。
所述一级组合密封系统主要由一级动环4、一级静环1、一级导杆5、一级平衡缸7构成，其中一级静环1固定在壳体3上，一级动环4和一级导杆5固定在一起，一级平衡缸7固定在主轴28上，并随主轴28一起转动；在一级弹簧27较大的压力P1作用下，一级动环4压紧一级静环1形成接触式一级密封面2，从而隔开一级油腔25内的润滑油和外部钻井液；
所述二级组合密封系统主要由二级动环11、二级静环8、二级导杆10、二级平衡缸13构成，其中二级静环8固定在壳体3上，二级动环11和二级导杆10固定在一起，二级平衡缸13固定在主轴28上，随主轴28一起转动，在二级弹簧24较小的压力P2作用下，二级动环11压紧二级静环8形成非接触式二级密封面9；
所述三级机械密封主要由三级动环16和三级静环14构成，三级静环14固定在壳体3上，三级动环16、三级弹簧20和固定座19随主轴28一起转动；在三级弹簧20较小的压力P3作用下，三级动环16压紧三级静环14形成非接触式三级密封面15。
初始状态下，通过调整一级弹簧27、二级弹簧24、三级弹簧20的压缩量，可以满足P1＞P2＞P3，进而可保证一级密封面2为接触式密封，二级密封面9和三级密封面15为非接触式密封，则二级密封面9和三级密封面15可以为内部润滑油提供通道，从而把一级油腔25、二级油腔22和三级油腔21连通；此时随着主轴28的旋转，一级密封面2开始工作并会逐渐产生微量磨损，而非接触式二级密封面9和三级密封面15由于没有紧密贴合，所以二级密封面9和三级密封面15没有工作，仅仅提供润滑油的通道；
随着钻井深度的增加，钻井液压力会引起一级油腔25、二级油腔22和三级油腔21内润滑油压力的增大，一级活塞环6将受到一级活塞弹簧26和润滑油压力的综合作用，由于一级活塞环6和一级导杆5是一体的，所以一级活塞环6将把该综合作用力传递到一级导杆5上；当一级导杆5上的综合作用力大于一级弹簧27的推力时，一级导杆5会带动一级动环4向下移动，一级动环4和一级静环1形成的一级密封面2分离，一级密封面2失效，钻井液会通过一级密封面2进入一级油腔25；同时由于一级导杆5和二级静环8固定在一起，所以会使二级静环8沿着壳体3移动，进而压紧二级动环11，则二级静环8和二级动环11形成接触式密封，二级密封面9开始工作，可以防止二级油腔22内的润滑油向一级油腔25的钻井液中泄漏；
随着钻井深度的进一步增加，二级油腔22和三级油腔21内润滑油在压力平衡作用下随着增加，二级活塞环12将受到二级活塞弹簧23和润滑油压力的综合作用，由于二级活塞环12和二级导杆10是一体的，所以二级活塞环12将把该综合作用力传递到二级导杆10上；当二级导杆10上的综合作用力大于二级弹簧24的推力时，二级导杆10会带动二级动环11向下移动，二级动环11和二级静环8形成的二级密封面9分离，二级密封面9失效，外部钻井液会通过二级密封面9进入二级油腔22内，同时由于二级导杆10和三级静环14固定在一起，所以会使三级静环14沿着壳体3移动，进而压紧三级动环16，在三级弹簧20和固定座19的限制下，三级静环14和三级动环16形成接触式密封，三级密封面15开始工作，可以防止三级油腔21内的润滑油向二级油腔22的钻井液中泄漏，从而达到长时间保护壳体3内部电子仪器18的目的。

Claims (2)

1.一种双侧充压多级自动启停机械密封装置，主要由一级组合密封系统、二级组合密封系统和三级机械密封组成；其特征在于：所述一级组合密封系统主要由一级动环（4）、一级静环（1）、一级导杆（5）、一级平衡缸（7）构成，其中一级静环（1）固定在壳体（3）上，一级动环（4）和一级导杆（5）固定在一起，一级平衡缸（7）固定在主轴（28）上，并随主轴（28）一起转动；所述二级动组合密封系统主要由二级动环（11）、二级静环（8）、二级导杆（10）、二级平衡缸（13）构成，其中二级静环（8）固定在壳体（3）上，二级动环（11）和二级导杆（10）固定在一起，二级平衡缸（13）固定在主轴（28）上，随主轴（28）一起转动；初始状态下，保证一级密封面（2）为接触式密封，二级密封面（9）和三级密封面（15）为非接触式密封；随着外界钻井液压力的增加，一级油腔（25）内的压力随着增加，当一级导杆（5）上的综合作用力大于一级弹簧（27）的推力时，一级导杆（5）会带动一级动环（4）向下移动，一级动环（4）和一级静环（1）形成的一级密封面（2）分离；同时一级导杆（5）会带动二级静环（8）沿着壳体（3）移动，压紧二级动环（11），则二级静环（8）和二级动环（11）形成接触式密封，二级密封面（9）开始工作；随着外界钻井液压力的进一步增加，二级油腔（22）内的压力随着增加，当二级导杆（10）上的综合作用力大于二级弹簧（24）的推力时，二级导杆（10）会带动二级动环（11）向下移动，二级动环（11）和二级静环（8）形成的二级密封面（9）分离，同时二级导杆（10）会带动三级静环（14）沿着壳体（3）移动，进而压紧三级动环（16），三级静环（14）和三级动环（16）形成接触式密封，三级密封面（15）开始工作。
2.根据权利要求1所述的一种多级双侧充压自动启停机械密封装置，其特征在于：所述一级导杆（5）为轴对称结构；一级导杆（5）内侧和一级动环（4）固定在一起，外侧伸出端插入二级静环（8）中；一级导杆（5）和一级活塞环（6）固定在一起。
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