CN113323594A - 一种超高压轴向密封结构钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高压轴向密封结构钻杆，该钻杆包括钻杆本体，在所述超高压密封钻杆本体的前端外周面上设有第一轴向密封结构，钻杆本体的后端内周面上设有第二轴向密封结构，所述第一轴向密封结构包括第一直轴导向段、第一内锥密封锥螺纹、第一O型圈和第一直角滑环，所述第二轴向密封结构包括从后向前依次设置的第一外锥密封锥螺纹和第一内圆柱孔段。本发明的超高压轴向密封结构钻杆的超高压轴向密封结构由间隙密封、组合密封、锥螺纹密封组成多重密封，该密封结构的最高承压可达400MPa，甚至更高，具有耐压高，安装顺畅，重复拆卸次数多等优点。

Description

一种超高压轴向密封结构钻杆

技术领域

本发明涉及钻杆密封技术领域，特别涉及一种超高压轴向密封结构钻杆。

背景技术

煤炭在我国能源结构中仍占有重要比重，伴随着煤炭开采新兴技术与装备的不断投用，煤矿开采以每年约10～20m的速度向深部不断延深，深部煤岩瓦斯动力灾害逐步成为制约煤矿安全高效生产的主要问题。深部矿井煤岩瓦斯动力灾害致灾机理更趋复杂，须从煤层瓦斯抽采达标和有效卸压的角度进行灾害防治。对煤层进行水力化卸压增透措施具有事半功倍的效果，深部高应力条件下中硬、硬煤扩孔卸压、增透需要大幅度提高水射流压力，进而提高破煤效率及破煤深度，解决当前深部矿井煤岩动力灾害局面。

目前，通常超高压定义为压强超过100Mpa，压力介于100～280Mpa之间。在间隙相同的情况下，超高压系统会比高压泄漏量大几倍或几十倍；另一方面因流量小，稍有泄漏就会严重影响超高压系统的升压或保压性能。当流体介质压力超过100MPa时，单纯依靠单个或者多个O型圈、Y型密封圈、组合密封圈等很难满足密封要求和重复安装使用的实际需要，进而影响水力化措施的使用安全和应用推广。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种超高压轴向密封结构钻杆。本发明的超高压轴向密封结构钻杆的超高压轴向密封结构由间隙密封、组合密封、锥螺纹密封组成多重密封，该密封结构的最高承压可达400MPa，甚至更高，具有耐压高，安装顺畅，重复拆卸次数多等优点。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种超高压轴向密封结构钻杆，该钻杆包括钻杆本体，在所述超高压密封钻杆本体的前端外周面上设有第一轴向密封结构，钻杆本体的后端内周面上设有第二轴向密封结构，所述第一轴向密封结构包括第一直轴导向段、第一内锥密封锥螺纹、第一O型圈和第一直角滑环，在所述第一直轴导向段上设有矩形凹槽，在环槽内安装有第一O型圈和第一直角滑环，在所述第一直轴导向段的后端设有第一内锥密封锥螺纹；所述第二轴向密封结构包括从后向前依次设置的第一外锥密封锥螺纹和第一内圆柱孔段；所述第一直轴导向段和第一内圆柱孔段为同心，且第一内圆柱孔段内径大于第一直轴导向段外径；当多个超高压密封钻杆依次首尾相连时，相邻两个超高压密封钻杆的第一轴向密封结构与第二轴向密封结构相配合，所述第一O型圈、第一直角滑环顺序安装在矩形凹槽内形成组合密封；第一直轴导向段和第一内圆柱孔段相配合形成间隙密封，降低高压水向组合密封的泄露和压力传递；第一内锥密封锥螺纹和第一外锥密封锥螺纹相配合形成锥螺纹密封。

进一步地，所述超高压密封钻杆本体为中空圆柱体型，在所述超高压密封钻杆本体内的第二轴向密封结构前端设有与所述第一内圆柱孔段同轴设置的圆形通孔。

进一步地，在所述超高压密封钻杆本体外周壁上设有螺旋凹槽。

进一步地，所述超高压密封钻杆本体为中空圆柱体型，在所述超高压密封钻杆本体内的第二轴向密封结构前端设有与所述第一内圆柱孔段同轴设置的阶梯孔。

进一步地，在所述超高压密封钻杆本体外周壁上设有向钻杆本体外侧凸出的螺旋叶片。

进一步地，所述第一直轴导向段顶部设有第一倒角，所述第一倒角角度为30°～60°。

进一步地，所述第一O型圈和第一直角滑环安装顺序为水压力方向依次安装。

进一步地，所述矩形凹槽前端到第一直轴导向段顶端距离D大于15mm。

进一步地，所述第一直轴导向段和第一内圆柱孔段为同心，且第一内圆柱孔段内径大于第一直轴导向段外径。

进一步地，所述第一内圆柱孔段内径大于第一直轴导向段外径0.5mm。

相对于现有的技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的第一直轴导向段和第一内圆柱孔段中间存在的同心环状间隙进而形成间隙密封，降低高压水向组合密封的泄露和压力传递；

(2)第一O型圈、第一直角滑环顺序安装在第一直轴导向段上的矩形凹槽内形成组合密封，承压能力高；

(3)超高压轴向密封结构钻杆前端的第一内锥密封锥螺纹和超高压轴向密封结构钻杆尾端的第一外锥密封锥螺纹可相互配合形成螺纹密封；

(4)第一直轴导向段及其顶部的第一倒角便于超高压轴向密封结构钻杆的依次安装。

本发明的超高压轴向密封结构钻杆的超高压轴向密封结构由间隙密封、组合密封、锥螺纹密封组成多重密封，该密封结构的最高承压可达400MPa，甚至更高，具有耐压高，安装顺畅，重复拆卸次数多等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是超高压轴向密封结构钻杆结构示意图，也是实施例一；

图2是实施例二的超高压轴向密封结构钻杆结构示意图；

图3是实施例三的超高压轴向密封结构钻杆结构示意图；

图4是实施例四的超高压轴向密封结构钻杆结构示意图；

图5是可调节式超高压水射流切割装置的结构示意图；

图6是超高压流体压力转换装置的结构示意图；

图中：3、超高压轴向密封结构钻杆；31、钻杆本体；311、第一轴向密封结构；3111、第一直轴导向段；3112、第一O型圈；3113、第一直角滑环；3114、第一内锥密封锥螺纹；312、第二轴向密封结构；3121、第一外锥密封锥螺纹；3122、第一内圆柱孔段；313、圆形通孔；314、螺旋凹槽；315、阶梯孔；316、螺旋叶片；32、第一倒角；

1、钻头；2、超高压流体压力转换装置；21、超高压流体压力转换装置本体；211、第一密封段；2111、第二直轴导向段；2112、第二内锥密封锥螺纹；2113、第二O型圈；2114、第二直角滑环；212、第二密封段；2121、第二外锥密封锥螺纹；2122、第二内圆柱孔段；213、阶梯通孔；214、第一锥面；22、超高压流体压力转换阀体；221、压缩弹簧；222、阀杆；2221、第二锥面；223、定位阀芯；224、压力调节螺杆；225、挡圈；23、水射流喷嘴；24、煤岩破碎片；25、第二倒角；

4、钻机；5、超高压旋转水尾；6、超高压软管；7、卸压调节阀；8、超高压水力泵站；9、水力缝槽；10、煤层环状缝槽；11、辅助破岩喷嘴。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参照图1，一种超高压轴向密封结构钻杆，该钻杆包括钻杆本体31，在所述钻杆本体31的前端外周面上设有第一轴向密封结构311，钻杆本体31的后端内周面上设有第二轴向密封结构312，所述第一轴向密封结构311包括第一直轴导向段3111、第一内锥密封锥螺纹3114、第一O型圈3112和第一直角滑环3113，在所述第一直轴导向段3111上设有矩形凹槽，在环槽内安装有第一O型圈3112和第一直角滑环3113，在所述第一直轴导向段3111的后端设有第一内锥密封锥螺纹3114；所述第二轴向密封结构312包括从后向前依次设置的第一外锥密封锥螺纹3121和第一内圆柱孔段3122；所述第一直轴导向段3111和第一内圆柱孔段3122为同心，且第一内圆柱孔段3122内径大于第一直轴导向段3111外径；当多个超高压轴向密封结构钻杆3依次首尾相连时，相邻两个超高压轴向密封结构钻杆3的第一轴向密封结构311与第二轴向密封结构312相配合，所述第一O型圈3112、第一直角滑环3113顺序安装在矩形凹槽内形成组合密封；第一直轴导向段3111和第一内圆柱孔段3122相配合形成间隙密封，降低高压水向组合密封的泄露和压力传递；第一内锥密封锥螺纹3114和第一外锥密封锥螺纹3121相配合形成锥螺纹密封。

所述超高压密封钻杆本体31为中空圆柱体型，在所述超高压密封钻杆本体31内的第二轴向密封结构312前端设有与所述第一内圆柱孔段3122同轴设置的圆形通孔313。

所述第一直轴导向段3111顶部设有第一倒角32。所述第一倒角32角度为30°～60°，优选45°。第一直轴导向段3111及其顶部的第一倒角32便于超高压轴向密封结构钻杆3的依次安装。

所述第一O型圈3112和第一直角滑环3113安装顺序为水压力方向依次安装。

所述矩形凹槽前端到第一直轴导向段3111顶端距离D大于15mm。

所述第一直轴导向段3111和第一内圆柱孔段3122为同心，且第一内圆柱孔段3122内径大于第一直轴导向段3111外径。

所述第一内圆柱孔段3122内径大于第一直轴导向段3111外径0.5mm。

所述第一直轴导向段3111和超高压流体压力转换装置2的第二内圆柱孔段2122为同心，且第一内圆柱孔端2122内径大于第一直轴导向段3111外径，第一内圆柱孔端2122内径大于第一直轴导向段3111外径0.5mm。上述结构实现超高压轴向密封结构钻杆3和超高压流体压力转换装置2的间隙密封，降低高压水向组合密封的泄露和压力传递。

实施例二

与实施例一不同之处在于，在所述钻杆本体31外周壁上设有螺旋凹槽314，有利于实施水力化措施时排出煤岩碎屑，同时降低钻杆重量，降低劳动强度。

实施例三

与实施例一不同之处在于，所述钻杆本体31为中空圆柱体型，在所述超高压密封钻杆本体31内的第二轴向密封结构312前端设有与所述第一内圆柱孔段3122同轴设置的阶梯孔315。

实施例四

与实施例三不同之处在于，在所述钻杆本体31外周壁上设有向钻杆本体31外侧凸出的螺旋叶片316，便于实施水力化措施时排出煤岩碎屑。

实施例五

本发明的超高压轴向密封钻杆应用于可调节式超高压水射流切割装置中，所述可调节式超高压水射流切割装置的结构如下：

可调节式超高压水射流切割装置，该装置包括从前向后依次按顺序连接的钻头1、超高压流体压力转换装置2、超高压轴向密封结构钻杆3、超高压旋转水尾5、多根超高压软管6及超高压水力泵站8；在所述超高压轴向密封结构钻杆3下方安装有钻机4并由钻机4上的回转装置驱动旋转给进，在所述多根超高压软管间安装有卸压调节阀，所述超高压流体压力转换装置2与超高压轴向密封结构钻杆3、超高压轴向密封结构钻杆3与超高压旋转水尾5之间均采用超高压轴向密封结构连接；所述超高压软管6通过超高压旋转水尾5连接到超高压轴向密封结构钻杆3尾部，所述超高压水泵站8通过超高压软管6和超高压轴向密封结构钻杆3向超高压流体压力转换装置2和钻头1供水，卸压调节阀7用于调节管路压力，进而控制超高压流体压力转换装置2中水流通路的封闭与开启，从而实现可调节式超高压水射流切割装置的低压钻进和超高压割缝。

当多根超高压软管6连接时，所述超高压软管6之间连接采用耐超高压脉冲软管接头。

所述超高压流体压力转换装置2包括超高压流体压力转换装置本体21、超高压流体压力转换阀体22和多个水射流喷嘴23，在所述超高压流体压力转换装置本体21的前端设有第一密封段211，尾端设有第二密封段212，所述第一密封段211包括第二直轴导向段2111、第二O型圈2113、第二直角滑环2114和第二内锥密封锥螺纹2112，在所述第二直轴导向段2111上设有环槽，在环槽内安装有第二O型圈2113及第二直角滑环2114，在所述第二直轴导向段2111的后端设有第二内锥密封锥螺纹2112；

所述第二密封段212包括设置在超高压流体压力转换装置本体21内周面且自尾端向前端依次设置的第二外锥密封锥螺纹2121、第二内圆柱孔段2122；

在所述超高压流体压力转换装置本体21内的第二密封段212前端设有阶梯通孔213，且所述阶梯通孔213的变径处设有第一锥面214；所述超高压流体压力转换阀体22安装在阶梯通孔213中，所述超高压流体压力转换阀体22包括前向后依次设置的压缩弹簧221、阀杆222、定位阀芯223、压力调节螺杆224和挡圈225，所述压缩弹簧221套装在所述阀杆222外部，所述压力调节螺杆224外部套装有所述定位阀芯223，所述定位阀芯223与超高压流体压力转换装置本体21内周面通过键槽可轴向移动安装，压力调节螺杆224前端嵌入阀杆222中并通过螺纹方式连接，挡圈225位于压力调节螺杆224后端且置于超高压流体压力转换装置本体21内周面设置的凹槽中，阀杆222的前端设有与所述第一锥面214相匹配的第二锥面2221；通过旋转压力调节螺杆224调整定位阀芯223前端与阶梯通孔213第一锥面214之间的距离，改变压缩弹簧221的变形量，进而调节封闭超高压流体压力转换装置水流通路的阈值；当工作液体压力大于阈值时，第二锥面2221与第一锥面214接触，超高压流体压力转换装置中水流通路封闭，当工作液体压力小于阈值时，第二锥面2221与第一锥面214分离，超高压流体压力转换装置中水流通路开启；本发明通过旋转压力调节螺杆224可以调节压缩弹簧221的压缩量，进而调整压力转换阈值；

在所述超高压流体压力转换装置本体21上沿圆周方向错位对称安装有多个水射流喷嘴23。

所述压缩弹簧221的前端与所述超高压流体压力转换装置本体21的阶梯通孔213的阶梯面相抵触，后端与定位阀芯223前端面相抵触。

所述第二直轴导向段2111顶部设有第二倒角25，且第二倒角25角度为30°～60°。

所述多个水射流喷嘴23位于第二密封段212与超高压流体压力转换阀体22之间，且相邻两个水射流喷嘴23之间的错位距离L为2cm～6cm。水射流喷嘴为直射流喷嘴，数量为2～3个；每个水射流喷嘴23与超高压流体压力转换装置本体21侧壁夹角为90°。

所述阀杆222的外周面与超高压流体压力转换装置本体21的阶梯通孔213中较大直径通孔的内周面之间具有间隙，且间隙为2mm～5mm。

在所述所述超高压流体压力转换装置本体21上每个水射流喷嘴23的前端分别安装有向外侧凸出的煤岩破碎片24，煤岩破碎片24为金刚石复合片或者硬质合金，通过设置煤岩破碎片24能够有效破碎超高压水力割缝形成的大块煤岩块，有效地降低水力割缝过程中的堵孔风险。

所述超高压旋转水尾5采用硬质合金全密封，流量系数大于3.0。

所述超高压软管6之间连接采用耐超高压脉冲软管接头。

所述超高压水力泵站为卧式五柱塞往复泵，额定压力大于100MPa，额定流量大于6m³/h。

实施例六

可调节式超高压水射流切割装置的使用方法，具体实现步骤如下：

(1)将超高压轴向密封结构钻杆3安装于钻机4之上并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，超高压流体压力转换装置2安装于超高压轴向密封结构钻杆3前端；超高压流体压力转换装置前端安装钻头1；多根超高压软管6通过超高压旋转水尾5连接于超高压轴向密封结构钻杆3之后；卸压调节阀7安装在多根超高压软管6间，超高压水力泵站8通过超高压软管6和超高压旋转水尾5向超高压轴向密封结构钻杆3和超高压流体压力装换装置2和钻头1内供水；

(2)根据供给钻进设备的工作液体压力确定合理的压力转换阈值，通过旋转压力调节螺杆224改变压缩弹簧221的变形量，进而调节封闭超高压流体压力转换装置2水流通路的阈值，进而改变钻头1出水口允许通过的最大压力P1；

(3)通过卸压调节阀7调整超高压软管6输送水的压力，从而控制超高压流体压力转换装置中水流通路的封闭与开启，从而实现可调节式超高压水射流切割装置的低压钻进和超高压割缝。

所述步骤(3)具体为：

通过卸压调节阀7调整超高压软管6输送水的压力，当卸压调节阀6与超高压旋转水尾5之间的压力小于P1时，第二锥面2221与第一锥面214分离，高压水通过超高压流体压力转换装置2内部经高压水力辅助破煤钻头1前端的辅助破岩喷嘴11喷出冲割钻孔前端煤体辅助钻进；当超高压水力泵站8的输出压力大于P1时，超高压流体压力转换装置2中阀杆222的位置前移，第二锥面与超高压流体压力转换装置本体21的阶梯通孔213的第一锥面214配合形成密封，封闭水流通路，提高管路压力，高压水通过错位安装的水射流喷嘴23喷出，对煤层进行冲割形成具有一定间距的水力缝槽9，实现超高压割缝，多道水力缝槽9在地应力、瓦斯压力及音速级别的水射流扰动下相互融合成一道具有相当宽度和深度的煤层环状缝槽10。

所述步骤(3)的超高压割缝方式为前进式割缝和后退式割缝；具体的操作步骤为在前进式割缝或后退式割缝过程中钻机在单根超高压密封钻杆行程的两端执行步骤(3)超高压割缝2次，然后增加或减少2根以上超高压密封钻杆后重复步骤(3)直至整个钻孔完成超高压水力割缝作业。

所述钻机4为履带式自动钻机，超高压水力泵站8为履带式，钻机4和超高压水力泵站8均能够远程操作。

本发明的所述超高压轴向密封结构钻杆3与超高压流体压力转换装置2安装时采用超高压轴向密封结构连接，具体为：超高压轴向密封结构钻杆3前端的第一内锥密封锥螺纹3114和超高压流体压力转换装置2尾端的第二外锥密封锥螺纹2121形成螺纹密封；第一直轴导向段3111及其顶部的第一倒角32便于超高压轴向密封结构钻杆3的安装，第一O型圈3112、第一直角滑环3113顺序安装在矩形凹槽内形成组合密封，承压能力高，超高压轴向密封结构钻杆3的第一内锥密封锥螺纹3114与超高压流体压力转换装置2的第二外锥密封锥螺纹2121形成锥螺纹密封。

当多个超高压轴向密封结构钻杆3依次首尾相连时也采用超高压轴向密封结构连接，具体为：相邻两个超高压轴向密封结构钻杆3的第一轴向密封结构311与第二轴向密封结构312相配合，第一直轴导向段3111和第一内圆柱孔段3122中间存在的同心环状间隙进而形成间隙密封，降低高压水向组合密封的泄露和压力传递。第一O型圈3112、第一直角滑环3113顺序安装在矩形凹槽内形成组合密封，承压能力高；相邻两个钻杆中后一个钻杆前端的第一内锥密封锥螺纹3114和前一个钻杆尾端的第一外锥密封锥螺纹3121形成锥螺纹密封；第一直轴导向段3111及其顶部的第一倒角32便于超高压轴向密封结构钻杆3的依次安装。

所述超高压轴向密封结构钻杆3与超高压旋转水尾5之间也采用如上述的超高压轴向密封结构钻杆3与超高压流体压力转换装置2之间的超高压轴向密封结构连接，具体连接结构不再详细赘述。

超高压轴向密封结构钻杆3与超高压流体压力转换装置2之间、超高压轴向密封结构钻杆3与超高压轴向密封结构钻杆3之间、超高压轴向密封结构钻杆3与超高压旋转水尾5之间的超高压轴向密封结构由间隙密封、组合密封、锥螺纹密封组成多重密封，超高压轴向密封结构的最高承压可达400MPa，甚至更高，具有耐压高，安装顺畅，重复拆卸次数多等优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，该钻杆包括钻杆本体，在所述超高压密封钻杆本体的前端外周面上设有第一轴向密封结构，钻杆本体的后端内周面上设有第二轴向密封结构，所述第一轴向密封结构包括第一直轴导向段、第一内锥密封锥螺纹、第一O型圈和第一直角滑环，在所述第一直轴导向段上设有矩形凹槽，在环槽内安装有第一O型圈和第一直角滑环，在所述第一直轴导向段的后端设有第一内锥密封锥螺纹；所述第二轴向密封结构包括从后向前依次设置的第一外锥密封锥螺纹和第一内圆柱孔段；所述第一直轴导向段和第一内圆柱孔段为同心，且第一内圆柱孔段内径大于第一直轴导向段外径；当多个超高压密封钻杆依次首尾相连时，相邻两个超高压密封钻杆的第一轴向密封结构与第二轴向密封结构相配合，所述第一O型圈、第一直角滑环顺序安装在矩形凹槽内形成组合密封；第一直轴导向段和第一内圆柱孔段相配合形成间隙密封；第一内锥密封锥螺纹和第一外锥密封锥螺纹相配合形成锥螺纹密封。

2.如权利要求1所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，所述超高压密封钻杆本体为中空圆柱体型，在所述超高压密封钻杆本体内的第二轴向密封结构前端设有与所述第一内圆柱孔段同轴设置的圆形通孔。

3.如权利要求2所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，在所述超高压密封钻杆本体外周壁上设有螺旋凹槽。

4.如权利要求1所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，所述超高压密封钻杆本体为中空圆柱体型，在所述超高压密封钻杆本体内的第二轴向密封结构前端设有与所述第一内圆柱孔段同轴设置的阶梯孔。

5.如权利要求4所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，在所述超高压密封钻杆本体外周壁上设有向钻杆本体外侧凸出的螺旋叶片。

6.如权利要求1所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，所述第一直轴导向段顶部设有第一倒角，所述第一倒角角度为30°～60°。

7.如权利要求1所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，所述第一O型圈和第一直角滑环安装顺序为水压力方向依次安装。

8.如权利要求1所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，所述矩形凹槽前端到第一直轴导向段顶端距离D大于15mm。

9.如权利要求1所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，所述第一直轴导向段和第一内圆柱孔段为同心，且第一内圆柱孔段内径大于第一直轴导向段外径。

10.如权利要求1所述的一种超高压轴向密封结构钻杆，其特征在于，所述第一内圆柱孔段内径大于第一直轴导向段外径0.5mm。

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