CN110259397B - 一种新型机械密封冲管总成 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型机械密封冲管总成，包括上连接螺母、静环、动环、动环防转销以及下连接螺母，所述上连接螺母下端安设有压力负反馈机构，所述静环安设于所述压力负反馈机构下，所述动环安设于所述静环下端，所述动环防转销与所述动环采用销轴连接，所述动环防转销一端插入到下连接螺母内，本发明通过压力负反馈调节机构，根据动、静环端面磨损量和泄漏量这一对参数，对液压弹簧进行动态压力调节，从而控制端面的泄漏量，能有效的降低安装拆卸过程中的劳力强度，进一步减少了维修保养时间，系统本身具备可调性，且控制响应迅速，智能化、集成化程度高，对高压钻井液适应性更强，稳定性更高。

Description

一种新型机械密封冲管总成
技术领域
本发明涉及石油钻井高压机械密封设备技术领域，特别是一种新型机械密封冲管总成。
背景技术
钻井或修井用顶部驱动装置中的冲管总成是一种主要承担鹅颈管与顶驱主轴动静连接的特殊密封部件，高压钻井泥浆会通过其中心通道运输到地下。动静密封高压、颗粒杂质含量高及腐蚀性强的钻井液一直以来都是石油行业的技术攻关课题。
目前，国内外在顶驱设备上成功使用的冲管总成有两种：盘根盒冲管总成和普通机械密封冲管总成。盘根盒冲管总成更换难度大且盘根动密封易失效；普通机械密封冲管总成动、静环端面压力补偿是通过弹簧预紧力提供的，弹簧力在冲管使用过程中无法调节，使得高压钻井液泵启停时端面漏失量大，且长时间使用后弹簧易变形失效，端面漏失量进一步增大，当钻井过程发生震动时，普通机械密封冲管总成也难以保持机械密封的稳定性，这很大程度上影响了机械式密封冲管总成的推广应用，鉴于此，针对上述问题深入研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种新型机械密封冲管总成，解决了现有的盘根盒冲管总成更换难度大且盘根动密封易失效；而普通机械密封冲管总成动、静环端面压力补偿是通过弹簧预紧力提供的，弹簧力在冲管使用过程中无法调节，使得高压钻井液泵启停时端面漏失量大，且长时间使用后弹簧易变形失效，端面漏失量进一步增大，当钻井过程发生震动时，普通机械密封冲管总成也难以保持机械密封的稳定性，这很大程度上影响了机械式密封冲管总成的推广应用的问题。
实现上述目的本发明的技术方案为：一种新型机械密封冲管总成，包括上连接螺母、静环、动环、动环防转销以及下连接螺母，所述上连接螺母下端安设有压力负反馈机构，所述静环安设于所述压力负反馈机构下，所述动环安设于所述静环下端，所述动环防转销与所述动环采用销轴连接，所述动环防转销一端插入到下连接螺母内；
所述压力负反馈机构，包括：静活塞、活塞缸、压力传感器、液压弹簧组件、进油管线以及回油管线；
所述静活塞通过六角头螺栓与所述上连接螺母相连，所述静环通过静环防转销与活塞缸相连，静环可以沿着静环防转销做轴向运动，所述活塞缸通过固定销与所述静活塞相连同时保证活塞缸可以沿所述固定销做轴向运动，所述活塞缸与所述静活塞之间设有密封组件；所述液压弹簧组件上下两端分别通过螺纹与所述静活塞和以及活塞缸相连接，所述进油管线与所述回油管线分别与所述液压弹簧组件相连接；
所述液压弹簧组件，包括：活塞缸体、无杆腔、液压活塞、活塞杆以及有杆腔；
所述活塞缸体通过螺纹与静活塞相连接，所述活塞杆通过螺纹与活塞缸体相连接，所述液压弹簧组件的无杆腔以及有杆腔分别与进油管线和回油管线相连；所述进油管线和回油管线通过阀组并与液压油箱相连，所述阀组通过电缆与中央处理器相连接，所述压力传感器与所述中央处理器相连接。
所述上连接螺母通过第一O形密封圈与外部鹅颈管实现密封连接；所述上连接螺母与所述静活塞之间安设有第二O形密封圈，所述活塞缸与所述静环之间安设有第三O型密封圈，所述动环与所述下连接螺母之间安设有第四O形密封圈，所述下连接螺母通过第五O形密封圈与主轴实现密封连接。
所述静环下端面以及所述动环上端面皆为泄压密封端面，所述端面上开设有泄压齿，所述泄压齿间形成一系列的截流间隙和膨胀空腔，为冲管装置发生径向摆动提供补偿。
所述活塞缸下端面的中心安设有定位凸台，所述静环上端面的中心开设有定位槽，所述定位凸台与所述定位槽相匹配，保证静环以上部件的同轴度。
所述动环与所述下连接螺母间采用球面配合，并且在所述动环防转销以及所述动环之间留有间隙，为顶部驱动钻井装置主轴发生径向摆动时提供了球面补偿。
所述阀组包括：比例减压溢流阀以及电磁换向阀，所述电磁换向阀用于变换进油管线以及出油管线压力，且在安装拆卸过程中降低施加到动环以及静环端面的比压，无需在拆卸过程中克服弹簧力。
利用本发明的技术方案制作的新型机械密封冲管总成，该新型机械密封冲管总成，通过压力负反馈调节机构，根据动、静环端面磨损量和泄漏量这一对参数，对液压弹簧进行动态压力调节，当高压钻井液泵启停时，压力负反馈调节机构能根据压力传感器传送到中央处理器中的低压数据调节较高的液压弹簧力，从而控制端面的泄漏量；当高压钻井液正常循环后，压力负反馈调节机构能根据压力传感器传送到中央处理器中的高压数据调节较低的液压弹簧力，使动、静密封环之间的接触压力保持在相对稳定的范围内，从而保持端面间能形成连续的具有一定厚度的液膜，起到降温和减少端面磨损量的效果，通过电磁换向阀变换进油、出油管线压力,极大程度上降低施加到动、静密封环的端面比压,能有效的降低安装拆卸过程中的劳力强度，通过中央处理器控制电磁换向阀，可以改变进油回油管线，从而大幅降低端面比压，拆卸过程省力方便，进一步减少了维修保养时间，系统本身具备可调性，且控制响应迅速，智能化、集成化程度高，对高压钻井液适应性更强，稳定性更高。
附图说明
图1为本发明所述一种新型机械密封冲管总成的主视结构示意图。
图2为本发明所述一种新型机械密封冲管总成的主视剖面结构示意图。
图中：1-上连接螺母；2-第一O形密封圈；3-静活塞；4-第二O形密封圈；5-六角头螺栓；6-固定销；7-密封组件；8-活塞缸；9-压力传感器；10-液压弹簧组件；101-活塞缸体；102-无杆腔；103-液压活塞；104-活塞杆；105-有杆腔；11-进油管线；12-回油管线；13-第三O型密封圈；14-静环；15-静环防转销；16-动环；17-动环防转销；18-第四O形密封圈；19-下连接螺母；20-第五O形密封圈；21-比例减压溢流阀；22-电磁换向阀；23-液压油箱；24-电缆；25-中央处理器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-2所示，一种新型机械密封冲管总成，包括上连接螺母1、静环14、动环16、动环防转销17以及下连接螺母19，所述上连接螺母1下端安设有压力负反馈机构，所述静环14安设于所述压力负反馈机构下，所述动环16安设于所述静环14下端，所述动环防转销与所述动环采用销轴连接，所述动环防转销一端插入到下连接螺母内，所述压力负反馈机构，包括：静活塞3、活塞缸8、压力传感器9、液压弹簧组件10、进油管线11以及回油管线12，所述静活塞3通过六角头螺栓5与所述上连接螺母1相连，所述静环14通过静环防转销15与活塞缸相连，静环14可以沿着静环防转销15做轴向运动，所述活塞缸8通过固定销6与所述静活塞3相连同时保证活塞缸8可以沿所述固定销6做轴向运动，所述活塞缸8与所述静活塞3之间设有密封组件7；所述液压弹簧组件10上下两端分别通过螺纹与所述静活塞3和以及活塞缸8相连接，所述进油管线11与所述回油管线12分别与所述液压弹簧组件10相连接，所述液压弹簧组件10，包括：活塞缸体101、无杆腔102、液压活塞103、活塞杆104以及有杆腔105，所述活塞缸体101通过螺纹与静活塞3相连接，所述活塞杆104通过螺纹与活塞缸体101相连接，所述液压弹簧组件10的无杆腔102以及有杆腔105分别与进油管线11和回油管线12相连；所述进油管线11和回油管线12通过阀组并与液压油箱23相连，所述阀组通过电缆24与中央处理器25相连接，所述压力传感器9与所述中央处理器25相连接，所述上连接螺母1通过第一O形密封圈2与外部鹅颈管实现密封连接；所述上连接螺母1与所述静活塞3之间安设有第二O形密封圈4，所述活塞缸8与所述静环14之间安设有第三O型密封圈13，所述动环16与所述下连接螺母19之间安设有第四O形密封圈18，所述下连接螺母19通过第五O形密封圈20与主轴实现密封连接，所述静环14下端面以及所述动环16上端面皆为泄压密封端面，所述端面上开设有泄压齿，所述泄压齿间形成一系列的截流间隙和膨胀空腔，为冲管装置发生径向摆动提供补偿，所述活塞缸8下端面的中心安设有定位凸台，所述静环14上端面的中心开设有定位槽，所述定位凸台与所述定位槽相匹配，保证静环14以上部件的同轴度，所述动环16与所述下连接螺母19间采用球面配合，并且在所述动环防转销17以及所述动环16之间留有间隙，为顶部驱动钻井装置主轴发生径向摆动时提供了球面补偿，所述阀组包括：比例减压溢流阀21以及电磁换向阀22，所述电磁换向阀22用于变换进油管线11以及出油管线压力，且在安装拆卸过程中降低施加到动环16以及静环14端面的比压，无需在拆卸过程中克服弹簧力。
本实施方案的特点为，包括上连接螺母1、静环14、动环16、动环防转销17以及下连接螺母19，上连接螺母1下端安设有压力负反馈机构，静环14安设于压力负反馈机构下，动环16安设于静环14下端，所述动环防转销17与所述动环16采用销轴连接，所述动环防转销17一端插入到下连接螺母内19，压力负反馈机构，包括：静活塞3、活塞缸8、压力传感器9、液压弹簧组件10、进油管线11以及回油管线12，静活塞3通过六角头螺栓5与上连接螺母1相连，静环14通过静环防转销15与活塞缸相连，静环14可以沿着静环防转销15做轴向运动，活塞缸8通过固定销6与静活塞3相连同时保证活塞缸8可以沿固定销6做轴向运动，活塞缸8与静活塞3之间设有密封组件7；液压弹簧组件10上下两端分别通过螺纹与静活塞3和以及活塞缸8相连接，进油管线11与回油管线12分别与液压弹簧组件10相连接，液压弹簧组件10，包括：活塞缸体101、无杆腔102、液压活塞103、活塞杆104以及有杆腔105，活塞缸体101通过螺纹与静活塞3相连接，活塞杆104通过螺纹与活塞缸体101相连接，液压弹簧组件10的无杆腔102以及有杆腔105分别与进油管线11和回油管线12相连；进油管线11和回油管线12通过阀组并与液压油箱23相连，阀组通过电缆24与中央处理器25相连接，压力传感器9与中央处理器25相连接；该新型机械密封冲管总成，通过压力负反馈调节机构，根据动、静环端面磨损量和泄漏量这一对参数，对液压弹簧进行动态压力调节，当高压钻井液泵启停时，压力负反馈调节机构能根据压力传感器传送到中央处理器中的低压数据调节较高的液压弹簧力，从而控制端面的泄漏量；当高压钻井液正常循环后，压力负反馈调节机构能根据压力传感器传送到中央处理器中的高压数据调节较低的液压弹簧力，使动、静密封环之间的接触压力保持在相对稳定的范围内，从而保持端面间能形成连续的具有一定厚度的液膜，起到降温和减少端面磨损量的效果，能有效的降低安装拆卸过程中的劳力强度，进一步减少了维修保养时间，系统本身具备可调性，且控制响应迅速，智能化、集成化程度高，对高压钻井液适应性更强，稳定性更高。
通过本领域人员，将本案中的零部件依次进行连接，具体连接以及操作顺序，应参考下述工作原理，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程。
实施例：由说明书附图1-2可知，本案为一种新型机械密封冲管总成，包括上连接螺母1、静环14、动环16、动环防转销17以及下连接螺母19，上连接螺母1下端安设有压力负反馈机构，静环14安设于压力负反馈机构下，动环16安设于静环14下端，所述动环防转销17与所述动环16采用销轴连接，所述动环防转销17一端插入到下连接螺母内19，在压力负反馈调节机构中，采用的是液压弹簧组件10通过螺纹与静活塞3和活塞缸8相连，静活塞3与活塞缸8之间通过固定销6相连，同时，固定销6也作为一个限位引导机构，保证活塞缸8相对静活塞3不发生转动且能轴向运动。具体地，液压弹簧组件10通过活塞缸体101与静活塞3相连，形成一个相对静止的机构，液压弹簧组件10通过活塞杆104与活塞缸8相连，又活塞杆104通过与之相连的液压活塞103能自由的在液压弹簧组件10的无杆腔102和有杆腔105内做轴向运动，从而保证了活塞缸8沿静活塞3外表面轴向运动自由度。其中，比例减压溢流阀21和电磁换向阀22组合为一个阀组，并通过进油管线11和回油管线12将液压弹簧10和液压油箱23连通；所述液压弹簧组件10的无杆腔102与进油管线11相连，有杆腔105与回油管线12相连；所述的阀组通过电缆24与中央处理器25相连；所述的压力传感器9通过无线方式或有线方式与中央处理器25相连，将冲管内部的压力数据传输到中央处理器25中；所述的中央处理器25通过处理接收到的压力数据，通过电缆控制阀组来调节液压弹簧组件10内部压力，从而形成一种动态压力调节机构，目的是实现对冲管内部压力的一种负反馈调节机制；
另外，中央处理器25通过电缆24控制电磁换向阀22，使得所述液压弹簧组件10的无杆腔102与回油管线12相连，有杆腔105与进油管线11相连；所述的比例减压溢流阀21可以提供一个较低的液压动力；所述的液压活塞103在液压动力驱动下，带动活塞杆104沿活塞缸体101内壁轴向向上运动；所述的活塞杆104与活塞缸8通过螺纹固定连接；在拆卸压力负反馈调节机构时，活塞缸8在一个较低液压动力驱使下能自行上提，从而为静环14在轴向上避让开静环防转销15提供空间，通过上述过程可以实现压力负反馈调节机构半自动化拆卸；
上连接螺母1、压力负反馈机构、静环14、动环16、下连接螺母19间皆是密封安装。所述的上连接螺母1通过第一O形密封圈2与外部鹅颈管实现密封连接；所述的上连接螺母1与静活塞3之间通过第二O形密封圈4实现密封；在压力负反馈机构中，所述的静活塞3与活塞缸8之间通过密封组件7实现密封隔离；所述的活塞缸8与静环14通过第三O型密封圈13实现密封；所述的动环16与下连接螺母19之间通过第四O形密封圈18实现密封；所述的下连接螺母19通过第五O形密封圈20与主轴实现密封连接；所述的静环14下端面和动环16上端面皆为泄压密封端面，泄压齿间形成一系列的截流间隙和膨胀空腔，当高压钻井液通过静环14下端面和动环16上端面的间隙时将产生节流效应从而阻止钻井液泄漏；
在本装置实际工作时，高压钻井液会通过所述的密封通道，当高压钻井液泵启停时，压力负反馈调节机构能根据压力传感器9传送到中央处理器25中的低压数据调节较高的液压弹簧力，增加静环14与动环16之间的端面比压，进一步强化了静环14下端面和动环16上端面泄压密封的截流效应，从而控制端面的泄漏量；当高压钻井液正常循环后，压力负反馈调节机构能根据压力传感器9传送到中央处理器25中的高压数据调节较低的液压弹簧力，从而保持端面间能形成连续的具有一定厚度的液膜，起到降温和减少端面磨损量的效果。
上述技术方案中所描述的压力负反馈调节功能即使使用机械结构完成以上逻辑功能的装置也在本发明的保护范围内。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型机械密封冲管总成，包括上连接螺母(1)、静环(14)、动环(16)、动环防转销(17)以及下连接螺母(19)，其特征在于，所述上连接螺母(1)下端安设有压力负反馈机构，所述静环(14)安设于所述压力负反馈机构下，所述动环(16)安设于所述静环(14)下端，所述动环防转销(17)与所述动环(16)采用销轴连接，所述动环防转销(17)一端插入到下连接螺母内(19)。
所述压力负反馈机构，包括：静活塞(3)、活塞缸(8)、压力传感器(9)、液压弹簧组件(10)、进油管线(11)以及回油管线(12)；
所述静活塞(3)通过六角头螺栓(5)与所述上连接螺母(1)相连，所述静环(14)通过静环防转销(15)与活塞缸相连，静环(14)可以沿着静环防转销(15)做轴向运动，所述活塞缸(8)通过固定销(6)与所述静活塞(3)相连，同时保证活塞缸(8)可以沿所述固定销(6)做轴向运动，所述活塞缸(8)与所述静活塞(3)之间设有密封组件(7)；所述液压弹簧组件(10)上下两端分别通过螺纹与所述静活塞(3)和以及活塞缸(8)相连接，所述进油管线(11)与所述回油管线(12)分别与所述液压弹簧组件(10)相连接；
所述液压弹簧组件(10)，包括：活塞缸体(101)、无杆腔(102)、液压活塞(103)、活塞杆(104)以及有杆腔(105)；
所述活塞缸体(101)通过螺纹与静活塞(3)相连接，所述活塞杆(104)通过螺纹与活塞缸体(101)相连接，所述液压弹簧组件(10)的无杆腔(102)以及有杆腔(105)分别与进油管线(11)和回油管线(12)相连；所述进油管线(11)和回油管线(12)通过阀组并与液压油箱(23)相连，所述阀组通过电缆(24)与中央处理器(25)相连接，所述压力传感器(9)与所述中央处理器(25)相连接；
所述静环(14)下端面以及所述动环(16)上端面皆为泄压密封端面，所述端面上开设有泄压齿，所述泄压齿间形成一系列的截流间隙和膨胀空腔，为冲管装置发生径向摆动提供补偿；
当高压钻井液泵启停时，压力负反馈调节机构能根据压力传感器(9)传送到中央处理器中(25)的低压数据调节较高的液压弹簧力，从而控制端面的泄漏量；当高压钻井液正常循环后，压力负反馈调节机构能根据压力传感器(9)传送到中央处理器(25)中的高压数据调节较低的液压弹簧力，使动、静密封环之间的接触压力保持在相对稳定的范围内，从而保持端面间能形成连续的具有一定厚度的液膜，起到降温和减少端面磨损量的效果。
2.根据权利要求1所述的一种新型机械密封冲管总成，其特征在于，所述上连接螺母(1)通过第一O形密封圈(2)与外部鹅颈管实现密封连接；所述上连接螺母(1)与所述静活塞(3)之间安设有第二O形密封圈(4)，所述活塞缸(8)与所述静环(14)之间安设有第三O型密封圈(13)，所述动环(16)与所述下连接螺母(19)之间安设有第四O形密封圈(18)，所述下连接螺母(19)通过第五O形密封圈(20)与主轴实现密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种新型机械密封冲管总成，其特征在于，所述活塞缸(8)下端面的中心安设有定位凸台，所述静环(14)上端面的中心开设有定位槽，所述定位凸台与所述定位槽相匹配，保证静环(14)以上部件的同轴度。
4.根据权利要求1所述的一种新型机械密封冲管总成，其特征在于，所述动环(16)与所述下连接螺母(19)间采用球面配合，并且在所述动环防转销(17)以及所述动环(16)之间留有间隙，为顶部驱动钻井装置主轴发生径向摆动时提供了球面补偿。
5.根据权利要求1所述的一种新型机械密封冲管总成，其特征在于，所述阀组包括：比例减压溢流阀(21)以及电磁换向阀(22)，所述电磁换向阀(22)用于变换进油管线(11)以及出油管线压力，且可以在安装拆卸过程中降低施加到动环(16)以及静环(14)端面的比压，无需在拆卸过程中克服弹簧力。
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