CN117307096A - 一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，包括锁定机构、开关机构和密封机构。开关机构与开关工具配合，开关工具驱动开关机构运动，开关机构驱动锁定机构开合。开关机构包括操作臂，密封机构包括阀芯、下球座和碟簧，操作臂推动阀芯转动，实现阀芯与下球座的密封与分离。下球座外柱面上设有碟簧，碟簧预紧阀芯与下球座之间相互接触的密封面。本发明能在稠油热采井350℃高温工况下，作为临时弃井的屏障，对地层高温流体进行有效双向隔离，防止井喷，同时，阻止井筒中压井液能流体漏失，有利于提高作业效率，并增加井筒管柱的安全系数，提高油田采收率。
Description
技术领域
本发明属于稠油热采技术领域，尤其是涉及一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀。
背景技术
随着中国海油油气增储上产计划的推进，稠油热采量规划的逐步实现，适用于蒸汽吞吐稠油热采的长效防砂技术是需要攻关的一个重要方向。
目前,国内外在350℃及以上温度工况下,多轮次长效防砂领域均无较为成熟的技术。海上油田每年作业井数达258井次，因蒸汽吞吐提出防砂完井工具必须满足8轮次以上耐50℃～350℃交变温度,耐压21MPa的不修井换管柱的长效防砂完井工况需要。为聚焦提高稠油采收率和开发经济效益，需要在开发过程中实现地层隔离以保护储层，分层分段注汽以精细开采。
目前,满足开采过程防喷、防漏的地层隔离技术,利用非金属如橡胶等密封件来实现管柱内密封和阀体密封，其主要应用在不高于250℃的井温情况下的常规油气开采工况下，因而，常规的地层隔离阀非金属密封件无法满足350℃稠油热采的工况。所以，有必要针对350℃稠油热采工况，研究一种耐350℃高温的地层隔离阀，提高350℃稠油热采管柱的安全系数，降低350℃稠油热采作业风险，提高稠油开采效率。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，尤其适用于稠油热采井350℃高温工况下，作为临时弃井的屏障，对地层高温流体进行有效双向隔离，防止井喷，同时，阻止井筒中压井液能流体漏失，有利于提高作业效率，并增加井筒管柱的安全系数，提高油田采收率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，包括锁定机构、开关机构和密封机构，所述开关机构与开关工具配合，所述开关工具驱动所述开关机构运动，所述开关机构驱动所述锁定机构开合，所述开关机构包括操作臂，所述密封机构包括阀芯、下球座和碟簧，所述操作臂推动所述阀芯转动，实现所述阀芯与所述下球座的密封与分离，所述下球座外柱面上设有碟簧，所述碟簧预紧所述阀芯与所述下球座之间相互接触的密封面。
进一步的，所述开关机构还包括中心管，所述中心管上端螺纹连接上关闭套，所述中心管下端螺纹连接下打开套，所述中心管外柱面套设有限位环，所述限位环下端螺纹连接连接短节上端，所述连接短节下端螺纹连接心轴上端，所述心轴下端螺纹连接所述操作臂上端。
进一步的，所述锁定机构包括两个所述限位环，两个所述限位环之间设有锁定弹簧，所述上关闭套外柱面上套设有锁定套，所述锁定套内侧设有锁定爪，所述锁定爪置于顶部所述限位环上方，顶部所述限位环顶端与所述锁定爪相对面设有凹槽，当所述锁定爪下移至所述凹槽内时，顶部所述限位环限制所述锁定爪进一步移动。
进一步的，所述密封机构还包括上球座，所述上球座置于所述操作臂下端，所述操作臂穿过所述上球座，所述操作臂上设有凸台，所述阀芯上设有轨道，所述凸台与所述轨道配合，实现所述操作臂带动所述阀芯开合，所述阀芯置于支撑座内，所述下球座置于所述支撑座内部，所述下球座上焊接有波纹管密封总成，所述碟簧置于所述下球座上，石墨环置于所述波纹管密封总成下端，组装后的所述心轴、所述操作臂、所述上球座、所述支撑座、所述阀芯、所述下球座、所述碟簧和所述波纹管密封总成均置于所述球阀外筒内部，隔离垫放入所述球阀外筒内部，所述隔离垫置于所述碟簧与所述波纹管密封总成之间。
进一步的，所述球阀外筒上端螺纹连接转换套下端，所述转换套上端螺纹连接中间套筒下端，所述中间套筒上端螺纹连接所述锁定套下端，所述锁定套上端螺纹连接上接头，所述球阀外筒下端螺纹连接下接头上端。
进一步的，所述下球座上端为弧形密封面，所述弧形密封面上设有沟槽，所述沟槽内填充耐高温的柔性石墨密封圈，所述阀芯与所述下球座之间形成弧形密封，所述下球座下端为两级台阶状，所述碟簧置于中部台阶上，所述波纹管密封总成置于底部台阶上，所述下球座、所述波纹管密封总成和所述下接头之间形成线形密封。
进一步的，所述波纹管密封总成由上到下依次包括上挡环、波纹管和下挡环，所述上挡环下端设有台阶与所述波纹管上端焊接固定，所述下挡环上端设有台阶与所述波纹管下端焊接固定。
进一步的，所述下接头下端设有台阶与所述下挡环下端焊接固定，所述下接头内侧与所述下球座外侧形成环形空间，所述环形空间支撑所述波纹管，所述下接头下端放置有石墨环，所述石墨环辅助密封所述下接头与所述下挡环焊接处。
进一步的，所述上关闭套顶部外柱面上设有第一刮泥环，所述连接短节外柱面上设有第二刮泥环。
进一步的，所述上接头底部与所述锁定套顶部连接处设有固定销钉，所述心轴底部与所述操作臂顶部连接处设有调节垫片。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明能在稠油热采井350℃高温工况下，作为临时弃井的屏障，对地层高温流体进行有效双向隔离，防止井喷，同时，阻止井筒中压井液能流体漏失，有利于提高作业效率，并增加井筒管柱的安全系数，提高油田采收率。
附图说明
图1为本发明实施例的地层隔离阀打开状态示意图。
图2为本发明实施例的地层隔离阀关闭状态示意图。
图3为本发明实施例的地层隔离阀中球阀密封部分结构示意图。
图4为本发明实施例中常规地层隔离阀密封工作原理图。
图5为本发明实施例的高温地层隔离阀球阀工作原理图。
图6为本发明实施例的波纹管密封总成结构示意图。
图7为本发明实施例的波纹管密封总成上端局部结构示意图。
图8为本发明实施例的波纹管密封总成下端局部结构示意图。
图中：
1、上接头 2、上关闭套 3、第一刮泥环
4、固定销钉 5、锁定套 6、锁定爪
7、限位环 8、锁定弹簧 9、中心管
10、下打开套 11、连接短节 12、第二刮泥环
13、中间套筒 14、心轴 15、转换套
16、调节垫片 17、球阀外筒 18、操作臂
19、上球座 20、阀芯 21、支撑座
22、柔性石墨密封圈 23、下球座 23-1、橡胶密封环
23-2、浮动活塞 23-3、橡胶O型密封圈 24、碟簧
25、隔离垫 26、波纹管密封总成 26-1、下挡环
26-2、上挡环 27、下接头 28、石墨环。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
如图1、图2所示，一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，包括锁定机构、开关机构和密封机构。开关机构与开关工具配合，开关工具驱动开关机构运动，开关机构驱动锁定机构开合。开关机构包括操作臂18，密封机构包括阀芯20、下球座23和碟簧24，操作臂18推动阀芯20转动，实现阀芯20与下球座23的密封与分离。下球座23外柱面上设有碟簧24，碟簧24预紧阀芯20与下球座23之间相互接触的密封面。其中，阀芯20与下球座23的动态密封靠金属密封实现，而阀芯20的密封比压靠碟簧24提供预紧力，同时由金属波纹管密封总成26实现球座与外层管之间密封。本实施例的外管用双级偏梯形短齿同步螺纹，实现地层隔离阀与套管之间的密封，此螺纹不用橡胶O型圈即可实现密封，并且是圆柱螺纹，方便外层零部件之间的定位。
具体的，如图1、图2所示，开关机构还包括中心管9，中心管9上端螺纹连接上关闭套2，中心管9下端螺纹连接下打开套10，中心管9外柱面套设有限位环7，限位环7下端螺纹连接连接短节11上端，连接短节11下端螺纹连接心轴14上端，心轴14下端螺纹连接操作臂18上端，心轴14底部与操作臂18顶部连接处设有调节垫片16。优选的，连接短节11外柱面上设有第二刮泥环12。
如图1、图2所示，锁定机构包括两个限位环7，两个限位环7之间设有锁定弹簧8。上关闭套2外柱面上套设有锁定套5，锁定套5内侧设有锁定爪6，锁定爪6置于顶部限位环7上方，顶部限位环7顶端与锁定爪6相对面设有凹槽，当锁定爪6下移至凹槽内时，顶部限位环7限制锁定爪6进一步移动。优选的，上关闭套2顶部外柱面上设有第一刮泥环3。
如图1、图2所示，密封机构还包括上球座19，上球座19置于操作臂18下端，操作臂18穿过上球座19，操作臂18上设有凸台，阀芯20上设有轨道，凸台与轨道配合，实现操作臂18带动阀芯20开合。阀芯20置于支撑座21内，下球座23置于支撑座21内部，下球座23上焊接有波纹管密封总成26，碟簧24置于下球座23上，石墨环28置于波纹管密封总成26下端。组装后的心轴14、操作臂18、上球座19、支撑座21、阀芯20、下球座23、碟簧24和波纹管密封总成26均置于球阀外筒17内部。隔离垫25放入球阀外筒17内部，隔离垫25置于碟簧24与波纹管密封总成26之间。球阀外筒17上端螺纹连接转换套15下端，转换套15上端螺纹连接中间套筒13下端，中间套筒13上端螺纹连接锁定套5下端，锁定套5上端螺纹连接上接头1，上接头1底部与锁定套5顶部连接处设有固定销钉4。球阀外筒17下端螺纹连接下接头27上端。
如图3-5所示，下球座23上端为弧形密封面，弧形密封面上设有沟槽，沟槽内填充耐高温的柔性石墨密封圈22，阀芯20与下球座23之间形成弧形密封。下球座23下端为两级台阶状，碟簧24置于中部台阶上，碟簧24预紧阀芯20和下球座23之间相互接触的密封面。波纹管密封总成26置于底部台阶上，下球座23、波纹管密封总成26和下接头27之间形成线形密封。本实施例的下球座23、波纹管密封总成26、阀芯20与下接头27构成U形屏障，将地层隔离阀分隔成上下两部分，U形屏障在地层隔离阀关闭模式时，可阻止上部修井液等流体进入下部，也可阻止下部井液流向上部。
如图6-8所示，波纹管密封总成26由上到下依次包括上挡环26-2、波纹管和下挡环26-1，上挡环26-2下端设有台阶与波纹管上端焊接固定，下挡环26-1上端设有台阶与波纹管下端焊接固定。波纹管密封总成26具有一定的刚度，实现密封的同时，可以轴向伸缩一定的距离，用来补偿阀心与球座之间由于相对磨损和加工误差造成的轴向位移损失，进而保证阀芯20与下球座23之间的密封效果。
如图6-8所示，下接头27下端设有台阶与下挡环26-1下端焊接固定，下接头27内侧与下球座23外侧形成环形空间，环形空间支撑波纹管，防止波纹管受到两侧压差导致强度降低而失效。下接头27下端放置有石墨环28，柔性石墨环28辅助密封下接头27与下挡环26-1焊接处，防止此内部焊接工艺精度不够造成此处焊接密封失效。
本发明实施例的安装过程如下：
将转换套15和球阀外筒17通过螺纹连接在一起，将心轴14和操作臂18通过螺纹连接在一起后，插到球阀外筒17内部，露出操作臂18。将阀芯20装入支撑座21内，使操作臂18穿过上球座19，通过操作臂18上的凸台与阀芯20上的轨道配合。将组装后的心轴14、操作臂18、上球座19、支撑筒21和阀芯20一起装入球阀外筒17内部。同时，将下球座23与波纹管密封总成26焊接在一起，将碟簧24放置在下球座23上，将石墨环28放在波纹管密封总成26下端，将组装后的下球座23、碟簧24和波纹管密封总成26一起装入球阀外筒17内部。然后，将隔离垫25放入球阀外筒17内部，将下接头27与球阀外筒17用螺纹连接在一起，将中间套筒13通过螺纹和转换套15连接在一起，将连接短节11通过螺纹与心轴14连接在一起，将限位环7通过螺纹与连接短节11连接在一起。将锁定爪6和锁定弹簧8放置在中心管9上，将上关闭套2、下打开套10通过螺纹与中心管9连接在一起，再将中心管9装入限位环7内部。将锁定套5通过螺纹与中间套筒13连接在一起后，将上接头1通过螺纹与锁定套5连接在一起，下挡环26-1与下接头27焊接在一起。
具体的，本发明实施例的施工工艺如下：
S1：地层隔离阀与封隔器等连接在一起，构成完井管柱下入井筒内。
S2：开关工具与生产油管连接在一起，下放到地层隔离阀上部。
S3：向下施加压力，开关工具与地层隔离阀下打开套10配合，带动地层隔离阀开启机构，打开地层隔离阀，开关工具脱手，油管可继续下移到指定位置，进行正常生产作业。
S4：若需起出管柱，上提油管管柱，开关工具与地层阀上关闭套2配合，带动地层隔离阀关闭机构，关闭地层隔离阀，开关工具脱手，油管可继续上移，起出井口，无须压井，可进行修井作业，修井液不会进入地层，井液也不会流入井筒。
本发明实施例的工作原理如下：
当打开地层隔离阀时，使用开关工具通过地层隔离阀内部，开关工具的弹性爪与地层隔离阀的下打开套10配合，推动中心管9、上关闭套2、锁定爪6一起下移，使锁定爪6脱离限位环7，失去对限位环7的约束，并推动限位环7继续下移，带动连接短节11、心轴14和操作臂18一起下移，操作臂18推动阀芯20旋转90度，打开球阀，此时，连接短节11达到中间套筒13上端，停止继续向下移动。同时，限位环7上弹性爪外部台阶到达锁定套5台阶处，锁定爪6的台阶与限位环7内部的弹性爪内部台阶配合，实现锁定，使限位环7无法向上移动，开关工具继续带动中心管9下移，开关工具到达连接短节11缩径位置时，脱手，此时，地层隔离阀处于打开状态。
当关闭地层隔离阀时，使用开关工具通过地层隔离阀内部，开关工具的弹性爪与上关闭套2配合，推动中心管9、上关闭套2、锁定爪6一起上移，使锁定爪6脱离限位环7，失去对限位环7的约束，并推动限位环7继续上移，带动连接短节11、心轴14和操作臂18一起上移，操作臂18推动阀芯20旋转90度，关闭球阀，此时，限位环7达到上接头1下端，停止继续向上移动。同时，限位环7上弹性爪外部台阶到达锁定套5台阶处，锁定爪6的台阶与限位环7内部的弹性爪内部台阶配合，实现锁定，使限位环7无法向下移动，开关工具继续带动中心管9上移，开关工具到达上接头1缩径位置时，脱手，此时，地层隔离阀处于关闭状态。
本实施例的地层隔离阀，波纹管轴线将下球座23沟槽分隔成两部分，加上下球座23与阀芯20接触的密封面内侧和外侧，可把整体密封面分隔成四部分。若U形屏障上部的压力大于下部的压力时，波纹管轴线与密封面外侧构成上部流体压力作用面，进而产生的作用力作用在左右两个密封面上，通过计算，可形成足够的密封比压，保证阀芯20与下球座23金属对金属之间有足够的密封比压。若U形屏障上部的压力小于下部的压力时，波纹管轴线与密封面内侧构成下部流体压力作用面，进而产生的作用力作用在左右两个密封面上，通过计算，可形成足够的密封比压，保证阀芯20与下球座23金属对金属之间有足够的密封比压。
具体的，本发明实施例的密封比压计算方法如下：
适当的密封比压是确保球阀密封性能、使用寿命和结构协调的重要参数，密封比压需满足以下条件：
式中：qb为球阀密封最小必需密封比压，MPa；[q]为球阀密封许用比压，MPa；q为球阀密封设计比压，MPa；Qp为流体介质在进口端阀座上施加的作用力，N；Qj为通过密封面间隙的流体在密封表面上产生的推力，N；Ps为球阀上部流体压力，MPa；Px为球阀下部流体压力，MPa；QT为预紧结构在球阀进口端阀座上产生推力，N；S为密封面面积mm2；S′为上部流体压力大时，流体作用力施加到阀座上的面积，mm2；S″为上部流体压力大时，流体作用力施加到阀座上的面积，mm2；R为球体半径，mm；θ为流道中心线与密封面法向方向的夹角，Deg；l1、l2为球体中心线到阀座内外径的距离，mm；qmin为最小预紧比压，MPa；DJH为浮动活塞外径，mm；DMW为阀座密封面的外径，mm；DMN为阀座密封面的内径，mm；P为流体介质压力，MPa。
如图4所示，采用金属密封，其中，23-1为橡胶密封环，23-2为浮动活塞，23-3为橡胶O型密封圈，若上部压力大于下部压力时，可得密封比压：
若上部压力小于下部压力时，可得密封比压：
式中：S1、S2分别为上下密封面面积mm2；S1′为上部流体压力大时，流体作用力施加到阀座上的面积，mm2；S2′为上部流体压力大时，流体作用力施加到阀座上的面积，mm2；R为球体半径，mm；θ为流道中心线与密封面法向方向的夹角，Deg；l1、l2为球体中心线到阀座内外径的距离，mm；qmin为最小预紧比压，MPa；D5为浮动活塞外径，mm；D4为阀座密封面的外径，mm；D3为波纺管分隔中径，mm；D2为阀座密封面的内径，mm；D1为浮动活塞内径，mm；P为流体介质压力，MPa。
从上述三个式子可以看出，密封圈作为球阀密封可以采用浮动活塞23-2结构，使DHW可以大于DMW，DHN小于DMN，即流体介质作用的面积S′大于密封面面积S，这样可以让流体作用于下球座23产生的推力在密封面上形成足够大的密封比压即P×S′/S。而稠油热采井350℃的工况不能采用密封圈结构，而是采用金属波纹管结构，密封面由1道改成2道，中间充填柔性石墨密封圈22，这样使流体介质作用的面积大于密封面面积，即S1′大于(S1+S2),S2′大于(S1+S2),所以，无论球阀上部压力和下部压力不平衡时，都可以让流体作用于下球座23产生的推力在密封面上形成双向密封足够大的密封比压。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明以测试功能完备的配水器为基础，实现海上平台全注水井、注水管线、注水泵的协同控制，自动分配各注水井、各层段的注水量，有效地解决了海上平台大范围测试需求下的协同控制全平台的注水井及注水管线、远程控制等问题，将以往单井配注变为全平台配注。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：包括锁定机构、开关机构和密封机构，所述开关机构与开关工具配合，所述开关工具驱动所述开关机构运动，所述开关机构驱动所述锁定机构开合，所述开关机构包括操作臂，所述密封机构包括阀芯、下球座和碟簧，所述操作臂推动所述阀芯转动，实现所述阀芯与所述下球座的密封与分离，所述下球座外柱面上设有碟簧，所述碟簧预紧所述阀芯与所述下球座之间相互接触的密封面。
2.根据权利要求1所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述开关机构还包括中心管，所述中心管上端螺纹连接上关闭套，所述中心管下端螺纹连接下打开套，所述中心管外柱面套设有限位环，所述限位环下端螺纹连接连接短节上端，所述连接短节下端螺纹连接心轴上端，所述心轴下端螺纹连接所述操作臂上端。
3.根据权利要求2所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述锁定机构包括两个所述限位环，两个所述限位环之间设有锁定弹簧，所述上关闭套外柱面上套设有锁定套，所述锁定套内侧设有锁定爪，所述锁定爪置于顶部所述限位环上方，顶部所述限位环顶端与所述锁定爪相对面设有凹槽，当所述锁定爪下移至所述凹槽内时，顶部所述限位环限制所述锁定爪进一步移动。
4.根据权利要求3所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述密封机构还包括上球座，所述上球座置于所述操作臂下端，所述操作臂穿过所述上球座，所述操作臂上设有凸台，所述阀芯上设有轨道，所述凸台与所述轨道配合，实现所述操作臂带动所述阀芯开合，所述阀芯置于支撑座内，所述下球座置于所述支撑座内部，所述下球座上焊接有波纹管密封总成，所述碟簧置于所述下球座上，石墨环置于所述波纹管密封总成下端，组装后的所述心轴、所述操作臂、所述上球座、所述支撑座、所述阀芯、所述下球座、所述碟簧和所述波纹管密封总成均置于所述球阀外筒内部，隔离垫放入所述球阀外筒内部，所述隔离垫置于所述碟簧与所述波纹管密封总成之间。
5.根据权利要求4所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述球阀外筒上端螺纹连接转换套下端，所述转换套上端螺纹连接中间套筒下端，所述中间套筒上端螺纹连接所述锁定套下端，所述锁定套上端螺纹连接上接头，所述球阀外筒下端螺纹连接下接头上端。
6.根据权利要求5所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述下球座上端为弧形密封面，所述弧形密封面上设有沟槽，所述沟槽内填充耐高温的柔性石墨密封圈，所述阀芯与所述下球座之间形成弧形密封，所述下球座下端为两级台阶状，所述碟簧置于中部台阶上，所述波纹管密封总成置于底部台阶上，所述下球座、所述波纹管密封总成和所述下接头之间形成线形密封。
7.根据权利要求4至6任一所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述波纹管密封总成由上到下依次包括上挡环、波纹管和下挡环，所述上挡环下端设有台阶与所述波纹管上端焊接固定，所述下挡环上端设有台阶与所述波纹管下端焊接固定。
8.根据权利要求7所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述下接头下端设有台阶与所述下挡环下端焊接固定，所述下接头内侧与所述下球座外侧形成环形空间，所述环形空间支撑所述波纹管，所述下接头下端放置有石墨环，所述石墨环辅助密封所述下接头与所述下挡环焊接处。
9.根据权利要求2至6任一所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述上关闭套顶部外柱面上设有第一刮泥环，所述连接短节外柱面上设有第二刮泥环。
10.根据权利要求5或6任一所述的一种用于稠油热采井的耐高温地层隔离阀，其特征在于：所述上接头底部与所述锁定套顶部连接处设有固定销钉，所述心轴底部与所述操作臂顶部连接处设有调节垫片。
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Cited By (1)
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| CN117489291A (zh) * | 2023-12-31 | 2024-02-02 | 大庆市天德忠石油科技有限公司 | 一种具有压缩式密封结构的套管头 |
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2023
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| CN117489291B (zh) * | 2023-12-31 | 2024-04-05 | 大庆市天德忠石油科技有限公司 | 一种具有压缩式密封结构的套管头 |
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