CN115306341B - 具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置 - Google Patents
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Abstract
一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，涉及采气工艺装备领域，包括外筒和安装在外筒内的油管挂，外筒通过法兰连接在井口套管的上端，油管挂和外筒之间密封配合，油管挂的下端连接有油管；油管挂，进一步包括阀体、阀芯、阀体外侧面的上下两端均与所述外筒密封连接，阀芯滑动安装在阀体内，阀芯的顶部连接有丝杠，丝杠从阀体的上端伸出，且伸出端设置有手轮。本发明通过在油管挂内增设阀芯，并在外筒上设置连通管的方式，创造性地将油管四通、套管四通和连接在二者之间的两个生产阀门四者整合成一体，消除了这四个组件连接处形成三个密封连接点，从而大幅降低了密封失效带来的安全隐患。
Description
技术领域
本发明属于采气工艺装备领域，尤其涉及一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置。
背景技术
采气工程中，有一种称为“二氧化碳驱”的采气工艺，采用这种工艺后，采出气中二氧化碳的含量会大幅增加，二氧化碳与水分子结合后会对井口装置中的金属材料和橡胶材料造成损害，继而造成密封失效。密封失效后，如果没有及时发现，便存在气体泄漏的安全隐患。因此，有必要设计一种适用于“二氧化碳驱”采气工艺的，能有效减少密封失效问题，从而避免安全隐患的新型采气井口。
发明内容
本发明的目的是提供一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，通过优化现有采气井口的结构，改善采气井口的耐腐蚀性能，从而更好地满足二氧化碳采气工程中对井口装置的使用需求。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供了一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，包括外筒和安装在外筒内的油管挂，外筒通过法兰连接在井口套管的上端，油管挂和外筒之间密封配合，油管挂的下端连接有油管；
油管挂，进一步包括阀体、阀芯、阀体外侧面的上下两端均与所述外筒密封连接，阀芯滑动安装在阀体内，阀芯的顶部连接有丝杠，丝杠从阀体的上端伸出，且伸出端设置有手轮；
阀芯上部的侧面加工有横向通孔；阀芯中部加工有四通孔，四通孔的四个出口均匀分布在阀芯的外侧；阀芯下端加工有三通孔，三通孔共有三个出口，其中，两个出口位于阀芯的侧面，第三个出口位于阀芯的底部；
所述外筒的外侧设置有两根连通管、两根套管连接管和两根油管连接管，连通管的上下两端均与外筒的内部空间连通，连通管下端与外筒的连接点位于所述油管挂的下方；套管连接管一端和油管连接管的一端均固定连接在外筒上并与外筒内部空间连通；
当所述阀芯位于下极限位置时，两根连通管的上端分别与所述横向通孔的两端对接，两根套管连接管和两根油管连接管均被所述阀芯从外筒内侧封堵；
当所述阀芯位于上极限位置时，两根连通管的上端，以及两根套管连接管分别与所述四通孔的四个出口对接， 两根油管连接管分别与所述三通孔的两个侧向出口对接。
作为优选方案，所述阀芯为四棱柱结构，对应地，所述阀体内侧与阀芯滑动配合的面为四棱柱面；所述横向通孔、四通孔和三通孔对应的所有出口处均设置有阀座。
作为优选方案，所述阀体内侧的四棱柱面为密封面，所述阀座均设置在阀芯上。
作为优选方案，所述外筒的上端设置有端盖，端盖通过法兰连接在外筒的上端；
在外筒的顶部，外筒和阀体之间的环形缝隙处加工有横截面为等腰梯形的环形槽，该环形槽内镶嵌有第一金属环，第一金属环和所述端盖之间设置有第二金属环，第二金属环的上下两侧均为楔形结构，两处楔型结构分别楔入端盖和第一金属环上的凹槽上，从而实现外筒与阀体之间、外筒与端盖之间以及端盖与阀体之间的密封。
作为优选方案，所述阀体下端的外侧和外筒之间设置有复合密封环和调整环，调整环支撑在复合密封环的下方，调整环下端的外侧与外筒的内壁通过圆锥面实现配合。
作为优选方案，所述复合密封环进一步包括橡胶环和均匀螺旋缠绕在橡胶环外侧的金属箔条，金属箔条缠绕时，上一圈金属箔条的边缘被下一圈金属箔条的边缘覆盖。
作为优选方案，缠绕所采用的金属箔条的厚度不大于0.1mm，金属箔条在橡胶环表面的缠绕层数不小于两层。
作为优选方案，所述外筒下部的内侧附着有由聚四氟乙烯制成的防腐层，防腐层的上端延伸至所述外筒与所述调整环之间的锥面配合处，防腐层的下端延伸至外筒下端的法兰面上。
作为优选方案，所述连通管焊接在外筒上。
本发明的有益效果为：
1、现有技术中，采气井口的结构包括油管四通、套管四通和连接在二者之间的两个生产阀门，这四个组件连接后，连接处形成三个密封连接点，密封连接点越多，故障率越高，泄露风险越大。
而本发明通过在油管挂内增设阀芯，并在外筒上设置连通管的方式，创造性地将油管四通、套管四通和连接在二者之间的两个生产阀门四者整合成一体，消除了这四个组件连接处形成三个密封连接点，从而大幅降低了密封失效带来的安全隐患。
另外，通过增设阀芯，并在外筒上设置连通管，使本发明具备了同时切断油管通道和套管通道的功能，这一功能不但可以减少井口装置中的阀门数量，还可以在油管挂外侧的密封结构失效时快速隔离油管通道和套管通道，从而及时消除安全隐患。
2、由于技术演进路线造成的技术偏见，现有技术中，技术人员为了提高井口装置内部的抗腐蚀能力，技术人员始终致力于对油管挂和套管四通（相当于本发明中的外筒）之间的密封结构和密封件材质进行改进，但是，由于油管挂外侧需要密封的面均为回转面，大幅限制了密封结构和密封件材质的选择余地。
而本发明通过设置四棱柱形状的阀芯结构，使得油管挂变成了一个具有两对平行密封面的特殊平板闸阀（普通的平板闸阀只有两个出口，因此只有一对平行的密封面），进而使得本发明中的阀芯和和阀体之间得以采用现有平板闸阀中的阀座式密封结构，与现有技术相比，采用阀座式密封结构可大幅提高密封的可靠性。
另外，采用阀座式结构后，阀座中密封件的材质可根据压力需要灵活选用硬质合金、铜等硬密封结构，也可采用聚四氟乙烯、橡胶等软密封结构。而在对传统油管挂外侧的密封结构进行改进时，选用每一密封材料需要对套管四通或油管挂进行不同的结构改变，无法做到灵活选用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是图1中A处的局部放大图。
图3是图1中B处的局部放大图。
图4是图1中C处的局部放大图。
图5是图1中D处的局部放大图。
图6是将复合密封环平面展开后，金属箔片在橡胶环上缠绕的结构示意图。
图7是图1中A向的向视图。
图8是现有井口装置的结构示意图。
图9是现有井口装置中的套管四通与油管挂的配合结构示意图。
图中：1、井口套管，2、外筒，3、连通管，4、阀体，5、阀芯，6、端盖，7、丝杠，8、手轮，9、横向通孔，10、四通孔，11、三通孔，12、第二金属环，13、第一金属环，14、复合密封环，15、调整环，16、防腐层，17、阀座，18、橡胶环，19、金属箔条，20、套管连接管，21、油管连接管，22、油管四通，23、生产阀门，24、套管四通。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，本实施例包括外筒2和安装在外筒2内的油管挂，外筒2通过法兰连接在井口套管1的上端，油管挂和外筒2之间密封配合，油管挂的下端连接有油管。以上为现有技术中的常见结构，在此不再赘述。
如图1所示，油管挂，进一步包括阀体4、阀芯5、阀体4外侧面的上下两端均与所述外筒2密封连接，阀芯5滑动安装在阀体4内，阀芯5的顶部连接有丝杠7，丝杠7从阀体4的上端伸出，且伸出端设置有手轮8。使用时，通过旋转手轮8驱动丝杠7旋转，进而实现阀芯5的上下往复运动。
如图1和图7所示，所述外筒2的外侧设置有两根连通管3、两根套管连接管20和两根油管连接管21，连通管3的上下两端均与外筒2的内部空间连通，连通管3下端与外筒2的连接点位于所述油管挂的下方。套管连接管20一端和油管连接管21的一端均固定连接在外筒2上并与外筒2内部空间连通。实施时，所述连通管3焊接在外筒2上，以避免增加密封节点。
如图1所示，阀芯5上部的侧面加工有横向通孔9，用于连通两根连通管3。阀芯5中部加工有四通孔10，用于连通两根连通管3和两根套管连接管20，四通孔10的四个出口均匀分布在阀芯5的外侧。阀芯5下端加工有三通孔11，用于连通井下的油管和所述油管连接管21，三通孔11共有三个出口，其中，两个出口位于阀芯5的侧面，第三个出口位于阀芯5的底部。
本发明通过在油管挂内增设阀芯5，并在外筒2上设置连通管3的方式，创造性地将油管四通22、套管四通24和连接在二者之间的两个生产阀门23四者整合成一体，消除了这四个组件连接处形成三个密封连接点，从而大幅降低了密封失效带来的安全隐患。另外，通过增设阀芯5，并在外筒2上设置连通管3，使本发明具备了同时切断油管通道和套管通道的功能，这一功能不但可以减少井口装置中的阀门数量，还可以在油管挂外侧的密封结构失效时快速隔离油管通道和套管通道，从而及时消除安全隐患。
如图1和图5所示，所述阀芯5为四棱柱结构，对应地，所述阀体4内侧与阀芯5滑动配合的面为四棱柱面；所述横向通孔9、四通孔10和三通孔11对应的所有出口处均设置有阀座17。所述阀体4内侧的四棱柱面为密封面，所述阀座17均设置在阀芯5上。本发明通过设置四棱柱形状的阀芯5结构，使得油管挂变成了一个具有两对平行密封面的特殊平板闸阀（普通的平板闸阀只有两个出口，因此只有一对平行的密封面），进而使得本发明中的阀芯5和和阀体4之间得以采用现有平板闸阀中的阀座17式密封结构，与现有技术相比，采用阀座17式密封结构可大幅提高密封的可靠性。
需要说明的是，平板闸阀是二氧化碳采气井口装置中广泛使用的一种阀门，平板闸阀内的阀座17的密封性能和耐腐蚀性能均已经得到实践证明，而本发明采用的也正是现有平板闸阀中的阀座17结构，因此将现有平板闸阀中的阀座17结构应用于本发明中，阀座17处密封性能与现有的平板闸阀一致，同样可以保证良好的密封性能。由于本发明采用了现有技术中的常规的阀座17的结构，因此，本领域技术人员可直接将现有的平板闸阀中的阀座17结构应用在本发明中，而阀座17的结构也并不属于本发明的保护范围。
另外，采用阀座17式结构后，阀座17中密封件的材质可根据压力需要灵活选用硬质合金、铜等硬密封结构，也可采用聚四氟乙烯、橡胶等软密封结构。而在对传统油管挂外侧的密封结构进行改进时，选用每一密封材料需要对套管四通24或油管挂进行不同的结构改变，无法做到灵活选用。
工作原理：
关井状态下，当所述阀芯5位于下极限位置（即如图1所示的位置），两根连通管3的上端分别与所述横向通孔9的两端对接，使得套管处于关闭状态，两根油管连接管21以及油管挂底部出口均被所述阀芯5从外筒2内侧封堵。
需要生产时，通过旋转手轮8使丝杠7旋转，继而驱动阀芯5向上移动，直至到达阀芯5的上极限位置，处于此位置时，两根连通管3的上端，以及两根套管连接管20分别与所述四通孔10的四个出口对接， 两根油管连接管21分别与所述三通孔11的两个侧向出口对接，从而使得井内的油管与所述油管连接管21连通，并使井口套管1与所述套管连接管20连通，保证生产的顺利进行。
如图1和图2所示，所述外筒2的上端设置有端盖6，端盖6通过法兰连接在外筒2的上端。在外筒2的顶部，外筒2和阀体4之间的环形缝隙处加工有横截面为等腰梯形的环形槽，该环形槽内镶嵌有第一金属环13，第一金属环13可采用铜等软金属或合金制成。第一金属环13和所述端盖6之间设置有第二金属环12，第二金属环可采用耐腐蚀性能较好的不锈钢制成。第二金属环12的上下两侧均为楔形结构，两处楔型结构分别楔入端盖6和第一金属环13上的凹槽上，从而实现外筒2与阀体4之间、外筒2与端盖6之间以及端盖6与阀体4之间的密封。需要说明的是，基于第二金属环的楔入式密封结构是现有技术中的常规结构（如图9所示的现有技术中就有应用），此处的密封结构的技术特点主要在于第一金属环的应用，引入第一金属环后，通过一处密封件便可实现外筒2与阀体4之间、外筒2与端盖6之间以及端盖6与阀体4之间共三处密封，且密封可靠。
如图1和图3所示，所述阀体4下端的外侧和外筒2之间设置有复合密封环14和调整环15，调整环15支撑在复合密封环14的下方，调整环15下端的外侧与外筒2的内壁通过圆锥面实现配合。端盖6装配过程中，端盖6逐渐向下压紧阀体4，阀体4向下压缩复合密封环14，继而使复合密封环14的内外两侧分别贴紧在阀体4的外表面和外筒2的内表面，从而实现密封。通过更换轴向尺寸不同的调整环15，可调整复合密封环14的压缩量，从而保证最好的密封效果。
如图6所示，所述复合密封环14进一步包括橡胶环18和均匀螺旋缠绕在橡胶环18外侧的金属箔条19，金属箔条19缠绕时，上一圈金属箔条19的边缘被下一圈金属箔条19的边缘覆盖。与现有技术中单纯采用橡胶环18相比，缠绕金属箔条19后，会在复合密封环14的表面形成一个金属密封层，复合密封环14被阀体压缩后，橡胶环18发生形变，所述金属密封层会在橡胶环18形变后施加的压力作用下发生塑性变形，继而全方位贴合在复合密封环14周围的所有表面，从而改善密封效果。同时，金属箔条19缠绕形成的金属密封层还可将橡胶环18与井内的酸性气体彻底隔绝，从而保护橡胶环18，防止橡胶环18在酸性气体作用下老化，从而延长橡胶环18的使用寿命，大幅降低密封失效的概率。
实施时，金属箔条19可采用铜或铝制成，缠绕所采用的金属箔条19的厚度不大于0.1mm，以便降低缠绕难度。金属箔条19在橡胶环18表面的缠绕层数不小于两层，以保证金属密封层的厚度。
如图1、图3和图4所示，所述外筒2下部的内侧附着有由聚四氟乙烯制成的防腐层16，防腐层16的上端延伸至所述外筒2与所述调整环15之间的锥面配合处，防腐层16的下端延伸至外筒2下端的法兰面上。聚四氟乙烯这种材料既具有良好的密封性能，又具有良好的防腐性能，因此，此处防腐层16的设置可有效改善外筒2内壁的防腐性能，同时不影响外筒2于阀体4之间的密封效果。
以上尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，包括外筒（2）和安装在外筒（2）内的油管挂，外筒（2）通过法兰连接在井口套管（1）的上端，油管挂和外筒（2）之间密封配合，油管挂的下端连接有油管，其特征在于：
油管挂，进一步包括阀体（4）、阀芯（5）、阀体（4）外侧面的上下两端均与所述外筒（2）密封连接，阀芯（5）滑动安装在阀体（4）内，阀芯（5）的顶部连接有丝杠（7），丝杠（7）从阀体（4）的上端伸出，且伸出端设置有手轮（8）；
阀芯（5）上部的侧面加工有横向通孔（9）；阀芯（5）中部加工有四通孔（10），四通孔（10）的四个出口均匀分布在阀芯（5）的外侧；阀芯（5）下端加工有三通孔（11），三通孔（11）共有三个出口，其中，两个出口位于阀芯（5）的侧面，第三个出口位于阀芯（5）的底部；
所述外筒（2）的外侧设置有两根连通管（3）、两根套管连接管（20）和两根油管连接管（21），连通管（3）的上下两端均与外筒（2）的内部空间连通，连通管（3）下端与外筒（2）的连接点位于所述油管挂的下方；套管连接管（20）一端和油管连接管（21）的一端均固定连接在外筒（2）上并与外筒（2）内部空间连通；
当所述阀芯（5）位于下极限位置时，两根连通管（3）的上端分别与所述横向通孔（9）的两端对接，两根套管连接管（20）和两根油管连接管（21）均被所述阀芯（5）从外筒（2）内侧封堵；
当所述阀芯（5）位于上极限位置时，两根连通管（3）的上端，以及两根套管连接管（20）分别与所述四通孔（10）的四个出口对接，两根油管连接管（21）分别与所述三通孔（11）的两个侧向出口对接。
2.根据权利要求1所述的一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，其特征在于：所述阀芯（5）为四棱柱结构，对应地，所述阀体（4）内侧与阀芯（5）滑动配合的面为四棱柱面；所述横向通孔（9）、四通孔（10）和三通孔（11）对应的所有出口处均设置有阀座（17）。
3.根据权利要求2所述的一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，其特征在于：所述阀体（4）内侧的四棱柱面为密封面，所述阀座（17）均设置在阀芯（5）上。
4.根据权利要求1所述的一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，其特征在于：所述外筒（2）的上端设置有端盖（6），端盖（6）通过法兰连接在外筒（2）的上端；
在外筒（2）的顶部，外筒（2）和阀体（4）之间的环形缝隙处加工有横截面为等腰梯形的环形槽，该环形槽内镶嵌有第一金属环（13），第一金属环（13）和所述端盖（6）之间设置有第二金属环（12），第二金属环（12）的上下两侧均为楔形结构，两处楔形结构分别楔入端盖（6）和第一金属环（13）上的凹槽上，从而实现外筒（2）与阀体（4）之间、外筒（2）与端盖（6）之间以及端盖（6）与阀体（4）之间的密封。
5.根据权利要求1所述的一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，其特征在于：所述阀体（4）下端的外侧和外筒（2）之间设置有复合密封环（14）和调整环（15），调整环（15）支撑在复合密封环（14）的下方，调整环（15）下端的外侧与外筒（2）的内壁通过圆锥面实现配合。
6.根据权利要求5所述的一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，其特征在于：所述复合密封环（14）进一步包括橡胶环（18）和均匀螺旋缠绕在橡胶环（18）外侧的金属箔条（19），金属箔条（19）缠绕时，上一圈金属箔条（19）的边缘被下一圈金属箔条（19）的边缘覆盖。
7.根据权利要求6所述的一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，其特征在于：缠绕所采用的金属箔条（19）的厚度不大于0.1mm，金属箔条（19）在橡胶环（18）表面的缠绕层数不小于两层。
8.根据权利要求5所述的一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，其特征在于：所述外筒（2）下部的内侧附着有由聚四氟乙烯制成的防腐层（16），防腐层（16）的上端延伸至所述外筒（2）与所述调整环（15）之间的锥面配合处，防腐层（16）的下端延伸至外筒（2）下端的法兰面上。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种具备防腐性能的二氧化碳驱采气井口装置，其特征在于：所述连通管（3）焊接在外筒（2）上。
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