CN108412449A - 一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，包括芯轴、上部法兰、四通、下部法兰、旋压套、锥形密封环、密封垫环、定位环、悬挂套管、表层套管、金属压环、X型密封环、支撑垫环；所述芯轴从上到下为颈部段、上台阶段、圆锥面段、下台阶段、连接螺纹段、锥形螺纹段，所述芯轴轴向设置在四通内；所述四通的圆锥面与芯轴的圆锥面段之间形成锥形间隙，所述锥形密封环设置在锥形间隙内，所述旋压套螺纹连接在芯轴的上台阶段上，并压紧锥形密封环；所述金属压环、X型密封环、支撑垫环设置在四通下部的环形阶梯槽内。本发明不涉及橡胶密封件，能够承受多种恶劣的环境影响，大大提高使用时间，保证套管头整体密封稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及油气井钻采设备技术领域，尤其是一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器。
背景技术
现场使用卡瓦悬挂器，密封结构部位长时间受压缩载荷和温度变化剧烈，使橡胶件易老化，在试压过程中，经常发生主密封失效，因此采用芯轴式悬挂器相对可靠，芯轴式悬挂器用于油管挂或套管悬挂，其悬挂方式和密封原理基本相同，具有基本相同的密封结构和密封机理，然而现有的芯轴式悬挂器的密封结构多采用金属密封与弹性橡胶密封的混合形式，这类密封结构偶尔有泄漏发生，安装后金属密封欠佳，试压合格是弹性橡胶密封起作用，时间长后橡胶老化或被腐蚀介质侵蚀，丧失密封性，现有结构安装时不能判别是金属密封还是弹性橡胶密封起作用，现场安装下放坐挂悬挂器过程中，不能判别金属密封是否存在碰伤，因此密封部位存在“盲坐”情况，如果座挂后密封检验不合格，必须将悬挂器连带套管整体提离井口后检查更换，若水泥返到井口并已凝固或套管太重，上提困难时将导致整体安装作业失败，油管挂也存在潜在风险，而且密封失效的后果比套管悬挂器严重，可能造成严重环空带压，被迫压井修井，造成巨大的经济损失和环境安全。
通过对国内外悬挂器相关文献和专利查询，卡瓦悬挂器配套所采用的结构形式，虽然便于更换悬挂器，但是不易于判断和测试座封的存在，同时存在橡胶密封圈和下部密封部位没法避免盲座，有些悬挂器的密封结构沿用了传统的双O型密封圈和双金属密封圈设计，具有可靠的密封性能，但是仍然需要选用橡胶件，专利CN201510167051.8通过套管头本体上的试压孔检测密封可靠性，如遇密封失效可利用拆卸工具更换金属密封件，由于密封部分采用了O型密封圈作为功能圈，必然存在老化和失效的缺陷；使之更适合在复杂井况和高温高压油气井上使用，虽然在短期内保证密封可靠性，但长期作业还是存在橡胶件失效和老化的缺陷；专利CN200920255438.9虽然解决传统悬挂器的橡胶密封件容易老化且难更换的问题，无法避免产生盲座；专利CN201220739199.6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”材料制作；GE公司的金属密封专利使用了齿形密封形式，直排齿嵌入到涨簧内表面，实现金属原子之间过盈配合实现金属密封，但是制造和安装成本较高，配合精度要求较高，构造比较复杂，不利于推广。
现有的这些专利和产品密封部位不可避免需要使用橡胶密封件，容易发生橡胶件的老化，在外界各种恶劣环境下，橡胶件的寿命会受到极大影响，大大降低橡胶件的可靠性，不能保证永久密封及后期的安全性，另外当下放带有密封结构的悬挂器，悬挂器坐挂于四通台阶位置，会形成座封盲区，难于判断下部密封，而且不便于更换密封组件，对于超深、超高压、高含硫油气井的完井、采油、采气作业带来安全风险，为了克服上述难题和现有密封结构的缺陷，保证油气开采作业的永久性安全，防止后期密封泄漏失效事故，本专利设计了一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，本专利可以用于在长期的开采过程中，具有极高安全余量，在此多级全金属密封屏障保护作用下，产层流体不可能直接泄漏在大气环境中。
发明内容
本发明主要是为了克服上述难题和现有密封结构的缺陷，提供一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，本悬挂器能够承受多种恶劣的环境影响，大大提高使用时间，保证套管头整体密封稳定性。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，包括芯轴、上部法兰、四通、下部法兰、旋压套、锥形密封环、密封垫环、定位环、悬挂套管、表层套管、金属压环、X型密封环、支撑垫环；
所述芯轴从上到下为颈部段、上台阶段、圆锥面段、下台阶段、连接螺纹段、锥形螺纹段，所述四通内壁上部设有圆锥面，中部设有台肩，下部设有环形阶梯槽；
所述定位环螺纹连接在连接螺纹段上，所述密封垫环通过定位环固定在下台阶段的下端面上，所述悬挂套管螺纹连接锥形螺纹段上，所述芯轴轴向设置在四通内，所述密封垫环位于下台阶段与四通的台肩之间；
所述四通的圆锥面与芯轴的圆锥面段之间形成锥形间隙，所述锥形密封环设置在锥形间隙内，所述旋压套螺纹连接在芯轴的上台阶段上，并压紧锥形密封环，所述上部法兰设置在四通上端；
所述表层套管通过下部法兰轴向设置在四通的下端内，所述悬挂套管位于表层套管内，所述金属压环下端设有凸块、所述X型密封环上端设有齿槽，下端设有凹槽，所述支撑垫环上端设有凸起部分，所述金属压环的凸块压紧在X型密封环的齿槽内，所述X型密封环下端嵌入在支撑垫环的凸起部分上；
所述金属压环、X型密封环、支撑垫环设置在四通下部的环形阶梯槽内，所述支撑垫环下端压在下部法兰的上端面上。
进一步的是，所述旋压套、锥形密封环之间设有碟簧。
进一步的是，所述上部法兰下端面、四通上端面上均设有半环凹槽，二个半环凹槽相对设置并构成密封环槽，所述密封环槽内设有钢圈；
所述下部法兰上端面、四通下端面上均设有半环槽，二个半环槽相对设置并构成环形槽，所述环形槽内设有下部钢圈。
进一步的是，所述圆锥面段上设有正弦齿。
进一步的是，所述下台阶段的下端面设有上环形齿，所述台肩的上端面设有下环形齿。
进一步的是，所述四通下端内壁设有上BT密封圈、下BT密封圈，所述上BT密封圈、下BT密封圈与表层套管外壁接触并压紧。
进一步的是，所述X型密封环内壁设有内环槽，外壁设有外环槽；所述外环槽、内环槽内均设有O型密封圈。
进一步的是，所述锥形密封环内外均设有相同锥角的锥面，所述锥形密封环、密封垫环、X型密封环的外表面都熔敷一层软合金敷焊层，所述环形阶梯槽内设有与X型密封环相配合的锥面。
进一步的是，所述上部法兰与四通之间、下部法兰四通之间均通过螺栓、螺母连接。
进一步的是，所述四通径向设有上试压孔、下试压孔。
本发明的有益效果是：
1)本发明的结构为多级金属密封结构，不涉及橡胶密封件，能够承受多种恶劣的环境影响，大大提高使用时间，保证套管头整体密封稳定性；
2)将芯轴颈部锥面部位加工有正弦齿，硬齿嵌入到锥形密封环外圆部位的软金属后，形成过盈配合，达到多级金属密封的目的；
3)中间部位的芯轴、垫片、四通之间台阶部位加工有多级同心圆环齿，在下部套管柱自重作用下，芯轴和四通上的硬齿嵌入垫片软金属面，使垫片软金属面发生塑性变形，从而形成多级过盈配合，也可实现多级金属密封；
4)采用防振蝶形弹簧，吸收上下部的振动能量，防止密封零部件的微动磨损造成密封失效；
5)本发明也可以在应急状况下装配卡瓦悬挂器，且更换方便，可实施性强，易于推广运用。
附图说明
图1为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的结构示意图；
图2为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的I处放大图；
图3为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的I I处放大图；
图4为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的I I I处放大图；
图5为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的IV处放大图；
图6为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的V处放大图；
图7为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的芯轴结构图；
图8为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的VI处放大图；
图9为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的VI I处放大图；
图10为一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器的锥形密封环结构图。
图中所示：1-螺栓，2-螺母，3-芯轴，31-颈部段，32-上台阶段，33-圆锥面段，34-下台阶段，35-连接螺纹段，36-锥形螺纹段，4-上部法兰，5-四通，6-下试压孔，7-上试压孔，8-法兰接口，9-下部法兰，10-钢圈，11-旋压套，12-碟簧，13-锥形密封环，14-密封垫环，15-定位环，16-悬挂套管，17-表层套管，18-上BT密封圈，19-下BT密封圈，20-O型密封圈，21-金属压环，22-X型密封环，23-支撑垫环，24-下部钢圈，25-正弦齿，26-上环形齿，27-下环形齿。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示，包括芯轴3、上部法兰4、四通5、下部法兰9、旋压套11、锥形密封环13、密封垫环14、定位环15、悬挂套管16、表层套管17、金属压环21、X型密封环22、支撑垫环23；
所述芯轴3从上到下为颈部段31、上台阶段32、圆锥面段33、下台阶段34、连接螺纹段35、锥形螺纹段36，所述四通5内壁上部设有圆锥面，中部设有台肩，下部设有环形阶梯槽；
所述定位环15螺纹连接在连接螺纹段35上，所述密封垫环14通过定位环15固定在下台阶段34的下端面上，所述悬挂套管16螺纹连接锥形螺纹段36上，所述芯轴3轴向设置在四通5内，所述密封垫环14位于下台阶段34与四通5的台肩之间，所述密封垫环14由芯轴3和四通5的台阶面压紧；
所述四通5的圆锥面与芯轴3的圆锥面段之间形成锥形间隙，所述锥形密封环13设置在锥形间隙内，所述旋压套11螺纹连接在芯轴3的上台阶段上，并压紧锥形密封环13，使得锥形密封环13外表面与芯轴3的圆锥面段33压紧，这样芯轴3、四通5、旋压套11及锥形密封环13组装后形成上部密封系统，所述上部法兰4设置在四通5上端；
所述表层套管17通过下部法兰9轴向设置在四通5的下端内，所述悬挂套管16位于表层套管17内，所述金属压环21下端设有凸块、所述X型密封环22上端设有齿槽，下端设有凹槽，所述支撑垫环23上端设有凸起部分，所述金属压环21的凸块压紧在X型密封环22的齿槽内，所述X型密封环22下端嵌入在支撑垫环23的凸起部分上；
所述金属压环21、X型密封环22、支撑垫环23设置在四通5下部的环形阶梯槽内，X型密封环22与表层套管17接触部位由金属压环21压紧形成底部密封，密封垫环14和X型密封环22本体为合金钢结构，其强度与四通5材料相当，所述支撑垫环23下端压在下部法兰9的上端面上。
其中优选的实施方式是，所述旋压套11、锥形密封环13之间设有碟簧12，采用防振蝶形弹簧，吸收上下部的振动能量，防止密封零部件的微动磨损造成密封失效。
所述上部法兰4下端面、四通5上端面上均设有半环凹槽，二个半环凹槽相对设置并构成密封环槽，所述密封环槽内设有钢圈10；所述下部法兰9上端面、四通5下端面上均设有半环槽，二个半环槽相对设置并构成环形槽，所述环形槽内设有下部钢圈24。
为了提高密封效果，优选的实施方式，所述圆锥面段33上设有正弦齿25，正弦齿25受到上部旋压套11压紧力作用将嵌入到锥形密封环13的内表面；所述下台阶段34的下端面设有上环形齿26，所述台肩的上端面设有下环形齿27，上环形齿26、下环形齿27压紧密封垫环14。所述四通5下端内壁设有上BT密封圈18、下BT密封圈19，所述上BT密封圈18、下BT密封圈19与表层套管17外壁接触并压紧。所述X型密封环22内壁设有内环槽，外壁设有外环槽；所述外环槽、内环槽内均设有O型密封圈20，O型密封圈20压紧表层套管17外表面。所述锥形密封环13内外均设有相同锥角的锥面，所述锥形密封环13、密封垫环14、X型密封环22的外表面都熔敷一层软合金敷焊层，所述环形阶梯槽内设有与X型密封环22相配合的锥面。
其中为了拆卸方便，优选的实施方式，所述上部法兰4与四通5之间、下部法兰9四通5之间均通过螺栓1、螺母2连接。
本实施例中，所述四通5径向设有上试压孔7、下试压孔6，通过对上试压孔7进行打压，可以试验上部密封部位的密封性能，通过对下试压孔6打压，既可以进行锥形密封环13的取出，又可密封部位的试压。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，包括芯轴(3)、上部法兰(4)、四通(5)、下部法兰(9)、旋压套(11)、锥形密封环(13)、密封垫环(14)、定位环(15)、悬挂套管(16)、表层套管(17)、金属压环(21)、X型密封环(22)、支撑垫环(23)；
所述芯轴(3)从上到下为颈部段(31)、上台阶段(32)、圆锥面段(33)、下台阶段(34)、连接螺纹段(35)、锥形螺纹段(36)，所述四通(5)内壁上部设有圆锥面，中部设有台肩，下部设有环形阶梯槽；
所述定位环(15)螺纹连接在连接螺纹段(35)上，所述密封垫环(14)通过定位环(15)固定在下台阶段(34)的下端面上，所述悬挂套管(16)螺纹连接锥形螺纹段(36)上，所述芯轴(3)轴向设置在四通(5)内，所述密封垫环(14)位于下台阶段(34)与四通(5)的台肩之间；
所述四通(5)的圆锥面与芯轴(3)的圆锥面段之间形成锥形间隙，所述锥形密封环(13)设置在锥形间隙内，所述旋压套(11)螺纹连接在芯轴(3)的上台阶段上，并压紧锥形密封环(13)，所述上部法兰(4)设置在四通(5)上端；
所述表层套管(17)通过下部法兰(9)轴向设置在四通(5)的下端内，所述悬挂套管(16)位于表层套管(17)内，所述金属压环(21)下端设有凸块、所述X型密封环(22)上端设有齿槽，下端设有凹槽，所述支撑垫环(23)上端设有凸起部分，所述金属压环(21)的凸块压紧在X型密封环(22)的齿槽内，所述X型密封环(22)下端嵌入在支撑垫环(23)的凸起部分上；
所述金属压环(21)、X型密封环(22)、支撑垫环(23)设置在四通(5)下部的环形阶梯槽内，所述支撑垫环(23)下端压在下部法兰(9)的上端面上。
2.根据权利要求1所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述旋压套(11)、锥形密封环(13)之间设有碟簧(12)。
3.根据权利要求2所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述上部法兰(4)下端面、四通(5)上端面上均设有半环凹槽，二个半环凹槽相对设置并构成密封环槽，所述密封环槽内设有钢圈(10)；
所述下部法兰(9)上端面、四通(5)下端面上均设有半环槽，二个半环槽相对设置并构成环形槽，所述环形槽内设有下部钢圈(24)。
4.根据权利要求1所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述圆锥面段(33)上设有正弦齿(25)。
5.根据权利要求4所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述下台阶段(34)的下端面设有上环形齿(26)，所述台肩的上端面设有下环形齿(27)。
6.根据权利要求1或5所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述四通(5)下端内壁设有上BT密封圈(18)、下BT密封圈(19)，所述上BT密封圈(18)、下BT密封圈(19)与表层套管(17)外壁接触并压紧。
7.根据权利要求6所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述X型密封环(22)内壁设有内环槽，外壁设有外环槽；所述外环槽、内环槽内均设有O型密封圈(20)。
8.根据权利要求3所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述锥形密封环(13)内外均设有相同锥角的锥面，所述锥形密封环(13)、密封垫环(14)、X型密封环(22)的外表面都熔敷一层软合金敷焊层，所述环形阶梯槽内设有与X型密封环(22)相配合的锥面。
9.根据权利要求1所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述上部法兰(4)与四通(5)之间、下部法兰(9)四通(5)之间均通过螺栓(1)、螺母(2)连接。
10.根据权利要求1所述的一种全金属多级及等锥密封结构的芯轴式悬挂器，其特征在于，所述四通(5)径向设有上试压孔(7)、下试压孔(6)。
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