CN113833430B - 单向密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温高压油气井固井过程中的密封结构技术领域，公开了一种单向密封结构，包括：密封座，在所述密封座的内部构造有纵向通孔，在所述纵向通孔朝向油气井井底的方向构造有锥形孔；密封总成，所述密封总成远离油气井井底的端部能与所述锥形孔相适配用以封堵所述锥形孔；止挡部件，所述止挡部件的上端与所述密封座相连接，所述止挡部件的下端套设在所述密封总成上；以及弹性部件，所述弹性部件套设在所述密封总成上，所述弹性部件的第一端与所述止挡部件的下端相抵接，所述弹性部件的第二端与所述密封总成的上端相抵接。该单向密封结构具有密封能力好和反向密封不易失效的优点。

Description

单向密封结构

技术领域

本发明涉及高温高压油气井固井过程中的密封结构技术领域，具体涉及一种单向密封结构。

背景技术

随着勘探开发的不断深入，全球油气勘探开发对象已经从常规油气藏转向非常规油气藏，目的层由中浅层向深层和超深层快速延伸，随着目的层的延伸，伴随着地层温度高、施工压力大等一系列苛刻条件。目前常规固井用注水泥浮动设备所用单向密封结构主要有金属式、金属与弹性体材料组合密封式两种，金属式单向密封结构耐循环冲蚀效果好，但是密封能力较低，该种结构的密封能力取决于单向密封金属面与密封座金属面之间的压合密封，当大排量冲蚀作业后，单向密封金属面被冲蚀导致表面粗糙，当井底反向压力较高时，密封不严，使得固井作业结束后，水泥浆倒返，导致管柱内留塞；金属与弹性体材料组合密封式单向密封结构，主要依靠弹性体材料填充单向密封与密封座之间的缝隙而形成严密的密封，但是该种结构也存在两大弊端：一是当井底温度高时，单向密封表面硫化的弹性体材料由于温度升高力学性能下降，在承受反向高压时，容易被挤压破坏，导致密封失效；二是当固井作业过程中大排量冲蚀时，橡胶材料的耐冲蚀能力较差，容易被流体中的砂子划伤表面，使得密封失效。两种情况都会导致注水泥浮动设备反向密封失效，造成管柱内留水泥塞，为下一步钻进和施工造成麻烦。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种单向密封结构，以至少解决现有的密封结构存在密封能力差、反向密封容易失效的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种单向密封结构，包括：密封座，在所述密封座的内部构造有纵向通孔，在所述纵向通孔朝向油气井井底的方向构造有锥形孔；密封总成，所述密封总成远离油气井井底的端部能与所述锥形孔相适配用以封堵所述锥形孔；止挡部件，所述止挡部件的上端与所述密封座相连接，所述止挡部件的下端套设在所述密封总成上；以及弹性部件，所述弹性部件套设在所述密封总成上，所述弹性部件的第一端与所述止挡部件的下端相抵接，所述弹性部件的第二端与所述密封总成的上端相抵接。

其中，所述密封总成包括能与所述密封座的锥形孔进行第一部分密封的密封本体、设置在所述密封本体上并与所述密封座的锥形孔进行第二部分密封的坐封弹性体以及套设在所述密封本体上并能与所述坐封弹性体相适配的坐封套。

其中，所述弹性部件套设在所述坐封套和所述密封本体上，其中，所述弹性部件的第一端与所述止挡部件朝向油气井井底的端部相抵接，所述弹性部件的第二端与所述坐封套远离油气井井底的端部相抵接。

其中，所述密封本体包括与所述锥形孔的内侧相适配的圆锥形导向密封头以及与所述圆锥形导向密封头相连接的杆部；所述坐封弹性体套设在所述杆部上并与所述圆锥形导向密封头连接为一体。

其中，在所述坐封弹性体朝向油气井井底的端面构造有渐扩口；所述坐封套包括套设在所述杆部上的环形体以及套设在所述杆部上并与所述环形体相连接的筒体，其中，在所述环形体朝向所述坐封弹性体的端部构造有凸部，当所述单向密封结构承受来自上部的流体压力时，流体压力推动所述密封总成向下压缩所述弹性部件，所述锥形孔被打开以供流体流过；当所述单向密封结构承受来自下部的流体压力时，所述坐封弹性体向上压紧在所述密封座内部的锥形孔的锥度斜面上，所述凸部紧密压紧在所述渐扩口内。

其中，在所述杆部上构造有剪钉孔，在所述筒体上构造有通孔，所述通孔与所述剪钉孔上下对应连通以构造成组合安装孔，所述坐封套与所述密封本体通过设置在所述组合安装孔内的剪钉进行固定连接。

其中，在所述筒体靠近油气井井底的端部的内表面上构造有防退卡簧安装槽；所述单向密封结构还包括防退卡簧，所述防退卡簧安装在所述防退卡簧安装槽内；在所述杆部上构造有第一锯齿螺纹，在所述防退卡簧的内表面构造有第二锯齿螺纹，其中，所述第二锯齿螺纹与所述第一锯齿螺纹相适配。

其中，所述止挡部件的第一端与所述密封座通过螺纹连接为一体，所述止挡部件的第二端套设在所述杆部上，在所述止挡部件上构造有过流通孔。

其中，所述单向密封结构还包括外壳体，所述密封座、所述密封总成、所述止挡部件以及所述弹性部件均设置在所述外壳体内，其中，所述外壳体与所述密封座通过螺纹连接。

其中，在所述外壳体与所述密封座之间套设有密封圈。

(三)有益效果

本发明提供的单向密封结构，与现有技术相比，具有如下优点：

当单向密封结构承受来自上部的流体压力时，流体压力可推动密封总成向下压缩弹性部件，锥形孔被打开，流体可顺畅通过。当单向密封结构承受来自下部的流体压力时，密封总成向上压紧在密封座内部的锥形孔的锥度斜面上，坐封弹性体密封锥形孔，此种组合密封形式，可承受较低温度、较低反向压力的工况，当油气井的井底温度较高且压力较高时，坐封弹性体的材料在高温作用下，力学性能会变差，整个密封组合的密封能力也相对降低，当流体反向压力达到剪钉剪断值时，如下所述的剪钉被剪断，坐封套在流体反向压力的作用下，持续压紧该坐封弹性体，由于坐封弹性体的凹槽深度大于坐封套的凸起高度，当持续挤压时，坐封弹性体会产生变形，进行坐封，紧紧的压合在密封座内部的锥形孔的锥度斜面上。可见，本申请的密封座内部的锥形孔分别与坐封弹性体以及密封总成配合形成双级密封结构，即，由密封总成中的密封本体承受高压，由坐封弹性体进行辅助密封，本申请的单向密封结构具有能够根据油气井井底压力实现双级密封，承受固井作业过程中大排量冲蚀以及能够承受高压的优点。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述。在图中：

图1为本发明的实施例的单向密封结构的整体结构示意图；

图2为本发明的实施例的单向密封结构的密封座的整体结构示意图；

图3为本发明的实施例的单向密封结构的密封本体的整体结构示意图；

图4为本发明的实施例的单向密封结构的坐封弹性体的整体结构示意图；

图5为本发明的实施例的单向密封结构的止挡部件的整体结构示意图；

图6为本发明的实施例的单向密封结构的坐封套的整体结构示意图；

图7为本发明的实施例的单向密封结构的防退卡簧的整体结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行进一步的描述。

如图1至图7所示，图中示意性地显示了该单向密封结构包括密封座1、密封总成2、止挡部件3以及弹性部件4。

在本申请的实施例中，在该密封座1的内部构造有纵向通孔，在该纵向通孔朝向油气井井底的方向构造有锥形孔11。所谓的“纵向通孔”的中心线与油气井的中心线相平行。

该密封总成2远离油气井井底的端部能与该锥形孔11相适配用以封堵该锥形孔11。

该止挡部件3的上端与该密封座1相连接，该止挡部件3的下端套设在该密封总成2上。

该弹性部件4套设在该密封总成2上，该弹性部件4的第一端与该止挡部件3的下端相抵接，该弹性部件4的第二端与该密封总成2的上端相抵接。具体地，当单向密封结构承受来自上部的流体压力时，流体压力可推动密封总成2向下压缩弹性部件4，锥形孔11被打开，流体可顺畅通过。

当单向密封结构承受来自下部的流体压力时，密封总成2向上压紧在密封座1内部的锥形孔11的锥度斜面上，坐封弹性体22密封锥形孔11，此种组合密封形式，可承受较低温度、较低反向压力的工况，当油气井的井底温度较高且压力较高时，坐封弹性体22的材料在高温作用下，力学性能会变差，整个密封组合的密封能力也相对降低，当流体反向压力达到剪钉8剪断值时(此值可根据井况，通过控制剪钉8的数量进行调节)，如下所述的剪钉8被剪断，坐封套23在流体反向压力的作用下，持续压紧该坐封弹性体22，由于坐封弹性体22的凹槽深度大于坐封套23的凸起高度，当持续挤压时，坐封弹性体22会产生变形，进行坐封，紧紧的压合在密封座1内部的锥形孔11的锥度斜面上。可见，本申请的密封座1内部的锥形孔11分别与坐封弹性体22以及密封总成2配合形成双级密封结构，即，由密封总成2中的密封本体21承受高压，由坐封弹性体22进行辅助密封，本申请的单向密封结构具有能够根据油气井井底压力实现双级密封，承受固井作业过程中大排量冲蚀以及能够承受高压的优点。

如图1至图7所示，在本申请的一个优选的实施例中，该密封总成2包括能与该密封座1的锥形孔11进行第一部分密封的密封本体21、设置在该密封本体21上并与该密封座1的锥形孔11进行第二部分密封的坐封弹性体22以及套设在该密封本体21上并能与该坐封弹性体22相适配的坐封套23。

其中，该密封座1为金属环状部件，密封座1的外部有公螺纹，可与外层套管或注水泥浮动设备的外壳相连接，在该密封座1的内部构造有该锥形孔11，该锥形孔11分别与密封本体21和坐封弹性体22配合形成双级密封，该密封座1的下端构造有公螺纹，可与止挡部件3相连接。可以理解的是，在密封座1的下端也可构造有母螺纹。

在本申请的一个优选的实施例中，该弹性部件4套设在该坐封套23和该密封本体21上，其中，该弹性部件4的第一端与该止挡部件3朝向油气井井底的端部相抵接，该弹性部件4的第二端与该坐封套23远离油气井井底的端部相抵接。具体地，通过增设该弹性部件4，该弹性部件4可为该密封总成2提供预紧力，促使坐封套23上的凸部231a能够紧密地压紧在坐封弹性体22的渐扩口221上，从而实现密封总成2对密封座1内的锥形孔11的密封。

在本申请的一个具体的实施例中，该弹性部件4可为弹簧，其能够承受高速、高频压缩不失效。

如图1至图7所示，在本申请的一个优选的实施例中，该密封本体21包括与该锥形孔11的内侧相适配的圆锥形导向密封头211以及与该圆锥形导向密封头211相连接的杆部212。其中，该圆锥形导向密封头211与该杆部212连接为一体。

该坐封弹性体22套设在该杆部212上并与该圆锥形导向密封头211连接为一体。具体地，该坐封弹性体22可根据不同井况(井温、流体性能等)，选择不同的弹性体材料，以实现耐高温高压的性能。

如图1所示，在本申请的一个优选的实施例中，在该坐封弹性体22朝向油气井井底的端面构造有渐扩口221。

该坐封套23包括套设在该杆部212上的环形体231以及套设在该杆部212上并与该环形体231相连接的筒体232，其中，在该环形体231朝向该坐封弹性体22的端部构造有凸部231a，当该单向密封结构承受来自上部的流体压力时，流体压力推动该密封总成2向下压缩该弹性部件4，该锥形孔11被打开以供流体流过。

当该单向密封结构承受来自下部的流体压力时，该坐封弹性体22向上压紧在该密封座1内部的锥形孔11的锥度斜面上，该凸部231a紧密压紧在该渐扩口221内。

当单向密封结构承受来自下部的流体压力较大时，即，该流体压力大于如下所述的剪钉8的剪切力时，设置在该坐封套23和密封本体21的杆部212上的如下所述的剪钉8会被剪断，此时，坐封套23上的凸部231a会更加紧密地压紧在坐封弹性体22的渐扩口221内，从而大大地提高了对密封座1内的锥形孔11的密封性。其中，该坐封套23可为金属圆筒状部件。

如图1至图7所示，在本申请的一个优选的实施例中，在该杆部212上构造有剪钉孔212a，在该筒体232上构造有通孔232a，该通孔232a与该剪钉孔212a上下对应连通以构造成组合安装孔，该坐封套23与该密封本体21通过设置在该组合安装孔内的剪钉8进行固定连接。具体地，剪钉孔212a沿轴向均匀分布，剪钉孔212a的数量可根据需求进行相应地调整。该坐封套23远离油气井井底的端部的背面(所谓的“背面”是指朝向油气井井底的方向)为圆盘状承压面，可承受反向压力，产生剪断剪钉8的作用力，该坐封套23的正面(所谓的“正面”是指背向油气井井底的方向)设计有倾斜角度为60°的凸部231a，该凸部231a优选为梯形凸起，该梯形凸起可与坐封弹性体22内的渐扩口221相适配(坐封弹性体22内的渐扩口的倾斜角度为60°，深度大于梯形凸起)，当剪钉8被剪断后，反向压力产生一定的作用力继续挤压坐封套23，坐封套23的梯形凸起挤压进入渐扩口221内，由于渐扩口221与梯形凸起的角度不同，使得坐封弹性体22胀封，紧紧的压合在密封座1内部的锥形孔11的锥度斜面上。

如图1和图6所示，在本申请的一个优选的实施例中，在该筒体232靠近油气井井底的端部的内表面上构造有防退卡簧安装槽232b。

该单向密封结构还包括防退卡簧5，该防退卡簧5安装在该防退卡簧安装槽232b内。

在该杆部212上构造有第一锯齿螺纹212b，在该防退卡簧5的内表面构造有第二锯齿螺纹51，其中，该第二锯齿螺纹51与该第一锯齿螺纹212b相适配。具体地，该防退卡簧5为一圆环形金属件，其内部构造有第二锯齿螺纹51，其与密封本体21上的第一锯齿螺纹212b相配合后可以进行单向滑动，滑动到位后不后退，具有较高的防退能力，该防退卡簧5的外部为齿形结构，与坐封套23内部的防退卡簧安装槽232b配合，保证坐封套23单向移动而不后退，使得坐封套23上的凸部231a能够紧密地欠设在坐封弹性体22上的渐扩口221内。

需要说明的是，该防退卡簧5可提供坐封套23止动力，使坐封套23保持压紧状态，实现高温高压密封。

如图1和图5所示，在本申请的一个优选的实施例中，该止挡部件3的第一端与该密封座1通过螺纹连接为一体，该止挡部件3的第二端套设在该杆部212上，在该止挡部件3上构造有过流通孔31。具体地，该止挡部件3为金属部件，其一端构造有母螺纹，与密封座1下端的公螺纹配合连接；在该止挡部件3的下部构造有小孔，该小孔可容密封本体21中的杆部212穿过，其周边设计有过流通孔31，可允许流体顺畅通过。

如图1所示，在本申请的一个优选的实施例中，该单向密封结构还包括外壳体6，该密封座1、该密封总成2、该止挡部件3以及该弹性部件4均设置在该外壳体6内，其中，该外壳体6与该密封座1通过螺纹连接。

在该外壳体6的内部构造有母螺纹，其可与密封座1配合连接，在该外壳体6的上端的内部构造母螺纹，下端构造为公螺纹，其可与套管串连接。

或者在该外壳体6上端内部构造有母螺纹，下端构造有导向头，该导向头连接在管串最下端，以起到导向作用。

在本申请的一个优选的实施例中，在该外壳体6与密封座1之间套设有密封圈。具体地，该密封圈的设置，可以增强外壳体6与密封座1之间的密封性，避免流体从外壳体6和密封座1之间流出。

综上所述，当本申请的单向密封结构承受来自上部的流体压力时，流体压力可推动密封总成2向下压缩弹性部件4，锥形孔11被打开，流体可顺畅通过。

当单向密封结构承受来自下部的流体压力时，密封总成2向上压紧在密封座1内部的锥形孔11的锥度斜面上，坐封弹性体22密封锥形孔11，此种组合密封形式，可承受较低温度、较低反向压力的工况，当油气井的井底温度较高且压力较高时，坐封弹性体22的材料在高温作用下，力学性能会变差，整个密封组合的密封能力也相对降低，当流体反向压力达到剪钉8剪断值时(此值可根据井况，通过控制剪钉8的数量进行调节)，如下所述的剪钉8被剪断，坐封套23在流体反向压力的作用下，持续压紧该坐封弹性体22，由于坐封弹性体22的凹槽深度大于坐封套23的凸起高度，当持续挤压时，坐封弹性体22会产生变形，进行坐封，紧紧的压合在密封座1内部的锥形孔11的锥度斜面上。可见，本申请的密封座1内部的锥形孔11分别与坐封弹性体22以及密封总成2配合形成双级密封结构，即，由密封总成2中的密封本体21承受高压，由坐封弹性体22进行辅助密封，本申请的单向密封结构具有能够根据油气井井底压力实现双级密封，承受固井作业过程中大排量冲蚀以及能够承受高压的优点。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

以上该仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种单向密封结构，安装在油气井中，其特征在于，包括：

密封座，在所述密封座的内部构造有纵向通孔，在所述纵向通孔朝向油气井井底的方向构造有锥形孔；

密封总成，所述密封总成远离油气井井底的端部能与所述锥形孔相适配用以封堵所述锥形孔；

止挡部件，所述止挡部件的上端与所述密封座相连接，所述止挡部件的下端套设在所述密封总成上；以及

弹性部件，所述弹性部件套设在所述密封总成上，所述弹性部件的第一端与所述止挡部件的下端相抵接，所述弹性部件的第二端与所述密封总成的上端相抵接，

其中，所述密封总成包括能与所述密封座的锥形孔进行第一部分密封的密封本体、设置在所述密封本体上并与所述密封座的锥形孔进行第二部分密封的坐封弹性体，以及套设在所述密封本体上并能与所述坐封弹性体相适配的坐封套；

所述密封本体包括与所述锥形孔的内侧相适配的圆锥形导向密封头，以及与所述圆锥形导向密封头相连接的杆部；

所述坐封弹性体套设在所述杆部上，并与所述圆锥形导向密封头连接为一体；

在所述坐封弹性体朝向油气井井底的端面构造有渐扩口；

所述坐封套包括套设在所述杆部上的环形体，以及套设在所述杆部上并与所述环形体相连接的筒体，在所述环形体朝向所述坐封弹性体的端部构造有凸部，其中，当所述单向密封结构承受来自上部的流体压力时，流体压力推动所述密封总成向下压缩所述弹性部件，所述锥形孔被打开以供流体流过，当所述单向密封结构承受来自下部的流体压力时，所述坐封弹性体向上压紧在所述密封座的锥形孔的锥度斜面上，所述凸部紧密压紧在所述渐扩口内。

2.根据权利要求1所述的单向密封结构，其特征在于，所述弹性部件套设在所述坐封套和所述密封本体上，其中，所述弹性部件的第一端与所述止挡部件朝向油气井井底的端部相抵接，所述弹性部件的第二端与所述坐封套远离油气井井底的端部相抵接。

3.根据权利要求1或2所述的单向密封结构，其特征在于，在所述杆部上构造有剪钉孔，在所述筒体上构造有通孔，所述通孔与所述剪钉孔上下对应连通以构造成组合安装孔，所述坐封套与所述密封本体通过设置在所述组合安装孔内的剪钉进行固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的单向密封结构，其特征在于，在所述筒体靠近油气井井底的端部的内表面上构造有防退卡簧安装槽；

所述单向密封结构还包括防退卡簧，所述防退卡簧安装在所述防退卡簧安装槽内；

在所述杆部上构造有第一锯齿螺纹，在所述防退卡簧的内表面构造有第二锯齿螺纹，其中，所述第二锯齿螺纹与所述第一锯齿螺纹相适配。

5.根据权利要求4所述的单向密封结构，其特征在于，所述止挡部件的第一端与所述密封座通过螺纹连接为一体，所述止挡部件的第二端套设在所述杆部上，在所述止挡部件上构造有过流通孔。

6.根据权利要求5所述的单向密封结构，其特征在于，所述单向密封结构还包括外壳体，所述密封座、所述密封总成、所述止挡部件以及所述弹性部件均设置在所述外壳体内，其中，所述外壳体与所述密封座通过螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的单向密封结构，其特征在于，在所述外壳体与所述密封座之间套设有密封圈。

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