CN113803464A - 一种用于水下采油树的冠状金属密封圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，设于锁块与阻流板之间，以共同构成顶部堵塞器，安装于油管悬挂器内，以对油管悬挂器起到密封作用，其中金属密封圈的径向截面部包括：顶面部，设有第一连接部，以用于与锁块连接；两个侧面部，分别设于顶面部的底部相对两侧，侧面部包括相连接的过渡锥面和密封面，过渡锥面与油管悬挂器的锥面锥度一致，密封面设有密封结构；底面部，设于两个密封面之间，底面部设有第二连接部和U型槽，U型槽靠近密封面的一侧侧壁高度低于相对另一侧的侧壁。该冠状金属密封圈在操作工况下，由于内压作用，密封面与油管悬挂器锥面贴合更加紧密，起到密封的效果。

Description

一种用于水下采油树的冠状金属密封圈

技术领域

本发明涉及水下油气生产装备密封技术领域，尤其涉及一种用于水下采油树的冠状金属密封圈。

背景技术

我国深水海域幅员辽阔，海洋油气资源十分丰富，到目前为止，海上油气田开发项目已有40多年，开发的油气田大多在滩海、浅海以及近海。虽然我国油气资源如此丰富，但是目前随着国内对油气资源的需求愈来愈大，并且水下生产技术受到国外的垄断，我国现有的水下生产设备已不能满足人们的需求，因此对水下生产技术进行研究、打破国外垄断、实现水下生产技术国有化，是我国现阶段科研的重大难题。顶部堵塞器是水下卧式采油树的一部分，安装在采油树帽下方，油管悬挂器上端口，起到防止油管介质向上泄露的作用。密封是堵塞器重要的一环，传统的弹性体密封技术成熟、成本较低，在开发初期应用广泛；但由于其密封材料自身的属性问题，容易发生高温降解、化学降解，循环载荷导致的疲劳、压缩载荷突变失效和挤压间隙的剪切失效等问题，已经不能满足现阶段水下采油树的密封要求。

针对上述问题，水下卧式采油树的顶部堵塞器采用金属密封和非金属密封复合式密封，其中金属密封起主要作用。金属密封有良好的抗压、耐高温和耐腐蚀等性能，逐步取代了传统弹性体密封，很好的适应了现阶段水下环境的要求。

国内对于水下卧式采油树顶部堵塞器用的传统密封圈主要还是采用弹性体密封，这种密封由于其自身材料的局限性，无法适应高压、高温且有腐蚀的工作环境，且其密封能力以及使用寿命还有很大的提升空间。为满足锁块式顶部堵塞器实际工况的密封要求，本发明提出了一种用于用于水下采油树的冠状金属密封圈。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，用以解决水下采油树井口头与连接器间的高压密封失效的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，设于锁块与阻流板之间，以共同构成顶部堵塞器，安装于油管悬挂器内，以对所述油管悬挂器起到密封作用，其中所述金属密封圈的径向截面部包括：

顶面部，设有第一连接部，以用于与所述锁块连接；

两个侧面部，分别设于所述顶面部的底部相对两侧，每个所述侧面部形成有折弯朝下的折弯处，所述折弯处包括相连接的过渡锥面和密封面，所述过渡锥面与所述油管悬挂器的锥面锥度一致，所述密封面设有密封结构；

底面部，设于两个所述密封面之间，所述底面部设有第二连接部，以用于与所述阻流板连接，所述第二连接部与两个所述侧面部之间分别间隔设有U型槽，所述U型槽靠近所述密封面的一侧侧壁高度低于相对另一侧的侧壁。

根据一些实施例，所述密封结构包括多个凸起，多个所述凸起等间距设于所述密封面上。

根据一些实施例，多个所述凸起的径向截面部呈弧状。

根据一些实施例，多个所述凸起的大小一致。

根据一些实施例，所述第一连接部设于所述顶面部的中央位置，所述第二连接部设于所述底面部的中央位置。

根据一些实施例，所述第一连接部和所述第二连接部均为具有内螺纹结构的凹槽，所述凹槽的径向截面部为圆形，所述第一连接部与所述锁块螺纹连接，所述第二连接部与所述阻流板螺纹连接。

根据一些实施例，两个凹槽的形状大小一致。

根据一些实施例，所述U型槽的深度大于所述凹槽的深度。

根据一些实施例，所述第一连接部和所述第二连接部均为具有外螺纹结构的凸块，所述凸块的径向截面部为圆形，所述第一连接部与所述锁块螺纹连接，所述第二连接部与所述阻流板螺纹连接。

根据一些实施例，所述冠状金属密封圈为一体成型结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

在上述方案中，顶部堵塞器下放安装时，首先冠状金属密封圈的冠状密封结构先和油管悬挂器的上端口接触，随着冠状金属密封圈的下移，冠状金属密封圈的过渡锥面到达指定位置完成密封圈的定位，冠状密封结构也完成预紧并与油管悬挂器上端口的接触面形成过盈配合。冠状金属密封圈预紧完成后，由于冠状密封结构与油管悬挂器的上端口的接触情况，冠状金属密封圈会为其上部的锁块提供轴向预紧力，帮助锁块完成锁紧。正常工作时，油管介质先冲击金属密封圈下方的阻流板，待阻流板失效后，油管介质进入U形槽5内，冠状金属密封圈开始起密封作用。由于油管介质属于高压流体，会对U形槽内壁造成挤压，促使冠状金属密封圈的冠状密封结构与油管悬挂器上端口的锥面接触更加紧密，使得此冠状金属密封圈的由折弯处形成的冠状密封结构在密封过程中，不仅在密封预紧力的作用下更容易发生弹塑性变形，而且还起到了类似于迷宫密封的效果，极大延长了密封圈的使用寿命和提升了密封圈的密封能力。

进一步地，本发明的水下采油树冠状金属密封圈，密封接触面与轴向有一定角度，便于安装；密封截面呈冠状，该冠状金属密封圈属于自紧式密封，在预紧工况下可以为顶部堵塞器的锁紧机构提供轴向预紧力，正常工作时保障密封性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面部将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面部描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈的结构示意图；

图2为本发明提供的一种水下采油树冠状金属密封圈的安装完成时的结构示意图；

图3为本发明提供的一种水下采油树冠状金属密封圈的锥形密封圈接触应力云图；

图4为本发明提供的一种水下采油树冠状金属密封圈的锥形密封圈等效应力云图；

图5为本发明提供的一种水下采油树冠状金属密封圈的冠状密封圈接触应力云图；

图6为本发明提供的一种水下采油树冠状金属密封圈的冠状密封圈等效应力云图。

图中：顶面部1、侧面部2、底面部3、折弯处4、密封结构5、油管悬挂器6、锁块7、阻流板8、冠状金属密封圈9、第一连接部10、过渡锥面12、密封面13、第二连接部14、U形槽15。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图2，本发明提供一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，该冠状金属密封圈9设于锁块7与阻流板8之间，以共同构成顶部堵塞器，安装于油管悬挂器6内，以对油管悬挂器6起到密封作用。其具体方案如下。

该冠状金属密封圈9的径向截面部包括顶面部1、两个侧面部2以及底面部3，其中顶面部1设有第一连接部10，以用于与锁块7连接；两个侧面部2分别设于顶面部1的底部相对两侧，每个侧面部2形成有折弯朝下的折弯处4，折弯处4包括相连接的过渡锥面12和密封面13，过渡锥面12与油管悬挂器6的锥面锥度一致，密封面13设有密封结构5；底面部3 设于两个密封面13之间，底面部3设有第二连接部14，以用于与阻流板 8连接，第二连接部14与两个侧面部2之间分别间隔设有U型槽，且U型槽靠近密封面13的一侧侧壁的高度低于相对另一侧的侧壁。

值得注意的是，该水下采油树冠状金属密封圈采用的材料为金属，所且该冠状金属密封圈9为一体成型结构，其有良好的抗压、耐高温和耐腐蚀能力；密封面13与多个密封结构5结合以形成冠状结构，与油管悬挂器6接触面之间是过盈配合。在预紧工况下，提供一个轴向的分力作为顶部堵塞器锁紧机构的预紧力；在操作工况下，由于内压作用，密封面13与油管悬挂器6锥面贴合更加紧密，起到密封的效果。

在上述方案中，顶部堵塞器下放安装时，首先冠状金属密封圈9的冠状密封结构先和油管悬挂器6的上端口接触，随着冠状金属密封圈9的下移，冠状金属密封圈9的过渡锥面12到达指定位置完成密封圈的定位，冠状密封结构也完成预紧并与油管悬挂器6上端口的接触面形成过盈配合。冠状金属密封圈9预紧完成后，由于冠状密封结构与油管悬挂器6的上端口的接触情况，冠状金属密封圈9会为其上部的锁块7提供轴向预紧力，帮助锁块7完成锁紧。正常工作时，油管介质先冲击金属密封圈下方的阻流板8，待阻流板8失效后，油管介质进入U形槽15内，冠状金属密封圈 9开始起密封作用。由于油管介质属于高压流体，会对U形槽15内壁造成挤压，促使冠状金属密封圈9的冠状密封结构与油管悬挂器6上端口的锥面接触更加紧密，使得此冠状金属密封圈9的由折弯处4形成的冠状密封结构在密封过程中，不仅在密封预紧力的作用下更容易发生弹塑性变形，而且还起到了类似于迷宫密封的效果，极大延长了密封圈的使用寿命和提升了密封圈的密封能力。进一步地，本发明的水下采油树冠状金属密封圈 9，密封接触面与轴向有一定角度，便于安装；密封截面呈冠状，该冠状金属密封圈9属于自紧式密封，在预紧工况下可以为顶部堵塞器的锁紧机构提供轴向预紧力，正常工作时保障密封性能。

如图1所示，密封结构5包括多个凸起，多个凸起等间距设于密封面1 3上。多个凸起的径向截面部呈弧状，多个凸起的形状大小可以是依次自上而下变小，也可以多个凸起的形状大小一致。优选的，该密封结构5设有三组凸起结构，通过其与油管悬挂器6上端口锥面的过盈配合形成类似于迷宫密封的效果。迷宫密封依靠泄漏通道内有许多齿或槽组成的迷宫式间隙对被密封件产生节流效应而达到密封作用，它具有密封性能良好、使用寿命长、不需要采用其他密封材料的优点。在水下采油树高温高压的工作环境下，密封面13上的三个凸起结构与油管悬挂器6的锥面进行逐层密封，当与油管介质接触的首个凸起结构失效后，第二层凸起结构开始发挥密封作用，同理当第二层凸起结构失效后第三层发挥密封作用，共构成三级密封，大大提升密封圈的使用寿命，起到非常好的密封效果；拆卸时，密封面13的密封结构5可以防止密封圈在高温高压环境下与油管悬挂器6的锥面粘牢，便于密封圈的拆卸。

如图2所示，第一连接部10设于顶面部1的中央位置，第二连接部1 4设于底面部3的中央位置。根据一些实施例，第一连接部10和第二连接部14均为具有内螺纹结构的凹槽，且两个凹槽的形状大小一致。凹槽的径向截面部为圆形，第一连接部10与锁块7螺纹连接，第二连接部14与阻流板8螺纹连接，且U型槽的深度大于凹槽的深度。本发明适用于锁块式顶部堵塞器，该顶部堵塞器的优点是结构简单，锁紧与解锁操作简便，依靠下放机具驱动顶部堵塞器上下运动。下放机具采用类千斤顶式的螺杆螺纹驱动方式，并且能够起到力放大作用，螺纹具有自锁功能，极大提高了顶部堵塞器在深水中使用的适应性。

根据一些实施例，下放机具采用类千斤顶式的螺杆螺纹驱动方式还可以是第一连接部10和第二连接部14均为具有外螺纹结构的凸块，凸块的径向截面部为圆形，第一连接部10与锁块7螺纹连接，第二连接部14与阻流板8螺纹连接。

在该水下采油树冠状金属密封圈9中，上述的冠状金属密封圈9的冠状密封结构相比于原来的锥形密封结构，主要是密封面13的接触应力大大增加，使得密封圈与油管悬挂器6锥面贴合得更紧密，提高了密封圈的密封性。

如图3-6所示，通过有限元分析，在同等工况下，即工作压力10000p si(69MPa)，对比两种密封结构的密封接触面的最大接触应力和最大等效应力，得出：锥形密封结构最大接触应力为333.53MPa，冠状密封结构最大接触应力为630.19MPa，冠状密封结构的最大接触应力提升了88.95％；锥形密封结构最大等效应力为181.85MPa；冠状密封结构最大等效应力为294.4 1MPa，均小于密封圈材料316L的屈服强度。仿真结果显示冠状密封结构的密封效果提升显著。

综上所述，本发明的水下采油树冠状金属密封圈9，密封接触面与轴向有一定角度，便于安装；密封截面呈冠状，该冠状金属密封圈9属于自紧式密封，在预紧工况下可以为顶部堵塞器的锁紧机构提供轴向预紧力，正常工作时保障密封性能。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

Claims (10)

1.一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，设于锁块与阻流板之间，以共同构成顶部堵塞器，安装于油管悬挂器内，以对所述油管悬挂器起到密封作用，其特征在于，所述金属密封圈的径向截面部包括：

顶面部，设有第一连接部，以用于与所述锁块连接；

两个侧面部，分别设于所述顶面部的底部相对两侧，每个所述侧面部形成有折弯朝下的折弯处，所述折弯处包括相连接的过渡锥面和密封面，所述过渡锥面与所述油管悬挂器的锥面锥度一致，所述密封面设有密封结构；

底面部，设于两个所述密封面之间，所述底面部设有第二连接部，以用于与所述阻流板连接，所述第二连接部与两个所述侧面部之间分别间隔设有U型槽，所述U型槽靠近所述密封面的一侧侧壁高度低于相对另一侧的侧壁。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

所述密封结构包括多个凸起，多个所述凸起等间距设于所述密封面上。

3.根据权利要求2所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

多个所述凸起的径向截面部呈弧状。

4.根据权利要求3所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

多个所述凸起的大小一致。

5.根据权利要求1所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

所述第一连接部设于所述顶面部的中央位置，所述第二连接部设于所述底面部的中央位置。

6.根据权利要求5所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

所述第一连接部和所述第二连接部均为具有内螺纹结构的凹槽，所述凹槽的径向截面部为圆形，所述第一连接部与所述锁块螺纹连接，所述第二连接部与所述阻流板螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

两个凹槽的形状大小一致。

8.根据权利要求7所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

所述U型槽的深度大于所述凹槽的深度。

9.根据权利要求5所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

所述第一连接部和所述第二连接部均为具有外螺纹结构的凸块，所述凸块的径向截面部为圆形，所述第一连接部与所述锁块螺纹连接，所述第二连接部与所述阻流板螺纹连接。

10.根据权利要求1所述的一种用于水下采油树的冠状金属密封圈，其特征在于，

所述冠状金属密封圈为一体成型结构。

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