CN203835318U

CN203835318U - 万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器

Info

Publication number: CN203835318U
Application number: CN201420073652.3U
Authority: CN
Inventors: 邓海波
Original assignee: Individual
Current assignee: Deng Haibo
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2024-02-20

Abstract

万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，上部设光杆密封填料函；填料函内装置上下两层PTFE盒套，两层盒套内崁入扇形永磁体；填料函内两层PTFE盒套之间设磁流体填料室；填料函壁中部设磁流体外注孔及阀门；填料函下部组合在万向节纠偏机构上；万向节纠偏机构套在一个可滑动的基座内；基座下部是带锥度的螺纹接箍与油井采油树连接；本实用新型将油田现行各种固体盘根密封器“抱死”光杆密封改变为磁性“液体”极小摩阻“填充”式密封，从而解决了现行各种固体盘根密封器必须经常停产更换，且能耗大，损坏快，造成井口油气水大量跑冒滴漏，以及由此产生的严重环境污染、安全隐患等老大难问题，可广泛应用于油田有杆泵抽油机井口光杆密封。

Description

万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器

一、技术领域

(一)、本发明所属技术领域：

专利著录技术领域：机械装置及运输技术领域——机械组件——G05G——只按机械特征区分的控制装置或系统。

科技部高新技术领域目录：八、高新技术改造传统产业——(四)新型机械——2、通用机械和新型机械。

(二)、应用范围：

本实用新型为石油工业节能减排、安全环保新技术产品，是旧有光杆密封器的升级换代产品，适用于全国20多个大中型油田约50万口有杆泵抽油井之光杆密封。

(三)、功能作用：

本发明采用最先进的磁流体密封技术，实现对抽油机光杆往复运动全过程的“零”泄漏密封；同时采用万向随机纠偏机构，解决了长期以来采油过程中光杆飘移擦碰损坏问题；本发明替代使用了一个多世纪的胶皮盘根或编织盘根密封方式，解决了盘根密封造成的经常停产操作，并且摩擦阻力大，抽油机电耗大，损坏频繁，井口带压油气水“跑、冒、滴、漏”，以及由此产生的严重环境污染和安全隐患等一系列老大难问题。

二、背景技术

被替代的产品种类：

(一)、传统盘根盒类光杆密封器

1、种类：目前各油田广泛使用的传统抽油机光杆密封装置主要有，单盘根盒密封器、双盘根盒密封器、单塔形盘根盒密封器、双塔形盘根盒密封器、球形盘根盒密封器及其交叉组合的变形产品等，品种多达十余种。

2、基本结构

传统抽油机光杆胶皮盘根密封装置，最典型的是“O”形橡胶圈单盘根盒光杆密封器，其结构如图2所示。

这类产品的结构如图2，主要由以下几个部分组成：14、上压盖旋柄；15、革兰；16、上压盖；17、“O”型橡胶密封圈(或编织盘根密封圈)；18、光杆；19、盘根盒；20、盘根盒与采油树接箍。

其他类型产品，如双盘根盒、塔型盒、球形盒等盘根密封器，是将基本密封器型改为叠加型、塔形或球形，相应压紧装置部件形状作了部分改进，其余结构基本相同。

3、技术原理

如图2所示，通过旋紧上压盖16，推动革兰15，压紧“O”形橡胶密封圈(或编织盘根密封圈)17，使之抱紧光杆，从而起到密封作用，防止油井中的带压油、气、水随光杆的往复运动而冒出井口。

其他各品种产品技术原理也基本一致，也都是通过机械压紧方式，使胶块抱紧光杆，起到密封作用。

4、产品功能、效果

传统抽油机光杆密封装置的功能是，通过压紧耐磨盘根对光杆实施“抱死”密封，防止油井中的带压油、气、水随光杆的往复运动而冒出井口。

此类产品已沿用一个多世纪了，实践证明它在使用初期能起到一定密封作用，但存在问题很多，不能适应油田现代化建设需要，急需更新换代。

5、存在问题：

如图2所示，采用机械压紧胶块对往复运动中的光杆实施“抱死”密封，存在问题主要表现在以下八方面：

(1)、造成严重环境污染。

“抱死”密封必然导致胶皮盘根(或编织盘根密封圈)磨损，首先从磨损缝隙泄漏出的是石油伴生气，据联合国环境规划署(UNEP)官网公布，全世界在产油、气井每年向大气层排放的天然气、石油伴生气约13600000000m³。天然气、石油伴生气主要成分是CH₄(也有一定量SH₂)，它吸收和释放热能力远高于CO₂，属于超高碳排放，是臭氧层破坏、温室效应扩张和造成酸雨的重要根源。在油田，这样看不见、摸不着的有毒、有害气体每天都在大量释放着。当盘根磨损到一定程度后，原油和高矿化度地层水就会外泄到地面，造成地表环境的严重污染；如果油井是在农田里，就会造成庄稼成片死亡。

(2)、工人劳动强度大。

为了使盘根盒不泄漏，采油工人每天必须巡视井场，拧紧盘根压盖；盘根的使用寿命一般都不长，每1～2周必须停产更换新盘根；1个采油班对几十上百口油井进行这两项日常作业，是工人们的最大负担，尤其在冬季北方油田，在零下20～30℃恶劣环境下进行野外作业，其艰苦程度可想而知。

(3)、安全隐患。

从盘根盒中溢出的气体是天然气，其主要成分是CH₄、C₂H₆、C₃H₈等；根据不同地质情况也含有或多或少H₂S，前者易燃易爆，后者能灼伤呼吸系统，致人窒息死亡。因此说，盘根泄漏是油田严重的安全隐患。

(4)、增加能耗。

在抽油机采油过程中，无论是上冲程还是下冲程，光杆始终都处于被盘根“抱紧”的刹车状态，增加了运动阻力，从而也就增加了抽油机能耗。

(5)、浪费资源。

胶皮盘根(或编织盘根密封圈)被摩损后，与光杆之间产生间隙，随着使用时间延长，此间隙不断扩大，油井中的带压油、气、水从间隙中不断冒出、溢散，浪费了宝贵的资源。

(6)、损坏光杆。

由于光杆始终处于机械压迫和“抱紧”摩擦状态，摩擦损耗使光杆由粗变细，疲劳应力使光杆内部产生裂纹，双重作用大大缩短了光杆使用寿命。

(7)、容易造成抽油杆偏摩。

由于光杆始终处于刚性压迫状态，当它的运动脱离油井中轴线时，就会带动下面的抽油杆(短则七、八百米，长则二、三千米)也偏离油井中轴线而运动，造成抽油杆偏摩，从而增加抽油机电耗，并且容易磨断抽油杆接箍，造成断杆事故，使油井被迫停产大修。

(8)、停产损失大。

如上所述，使用盘根盒光杆密封器，带来的经常更换盘根、更换光杆，造成抽油杆偏摩、断杆，修井等作业，都必须停止抽油机工作。单井如此，各个油田都如此。据不完全统计，全国由于盘根问题每年造成的能耗、物耗、停产损失、作业费用等不下几百亿元。

(二)、油田采油用磁流体光杆密封器

本人邓海波于2009年3月4日获得油田采油用磁流体光杆密封器实用新型专利，专利号为ZL 2008 2 0065400.0，其整体结构如图3所示。

经过实验室试验和油田井场试验，证实了一个效果，就是本人设计的磁流体密封装置具有先进性和可靠性；提出了两个需要改进的问题：一是磁流体在光杆往复运动过程中会有少量流失，每1～2年需补充1次；二是在抽油过程中光杆飘移是常态，必须有纠偏装置才能保证光杆和密封函外壳不擦碰损坏。

本次申报的万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，是对本人ZL200820065400.0实用新型专利技术的改进升级。

三、发明内容

(一)、发明目的

如前所述，盘根盒光杆密封装置已广泛使用一个多世纪了，该类产品八个方面的固有弊端至今没有解决，严重污染环境，严重影响油田的生产和效益，制约了石油工业的发展。

发明万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器目的，就是实现光杆密封装置的技术创新，用新技术产品替代落后的老产品，推动石油工业装备改造升级。

本发明是将油田抽油机光杆由老式的固体盘根“抱死”密封，升级换代变为磁流体“填充”密封。本发明具有密封效果好、摩擦阻力小、节能减排、安全环保、提高油气回收率、投入产出比高、经济效益好等特点；尤其是能将油井中伴生的有毒易燃天然气(主要成分甲烷)等完全封住，从而避免其溢散到空气中对大气层造成污染和破坏，有利于缓解全球温室效应，是促进循环经济发展和绿色油田建设的优良节能环保项目，其直接经济效益和社会效益非常巨大。

(二)、本发明具体方案

万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，上部设光杆密封填料函；填料函内装置上下两层PTFE盒套，两层盒套内崁入扇形永磁体；填料函内两层PTFE盒套之间设磁流体填料室；填料函壁中部设磁流体外注孔及阀门；填料函下部组合在万向节纠偏机构上；万向节纠偏机构套在一个可滑动的基座内；基座下部是带锥度的螺纹接箍与油井采油树连接；所述两层PTFE盒套内崁入扇形永磁体是，上层PTFE盒套内崁入6块扇形永磁体；下层PTFE盒套内嵌入6块永磁体，嵌入时使每层盒套内两块扇形永磁体之间异级相邻；所述万向随机纠偏机构，其中心部位是万向节，上部为压盖，下部为底盘，并将其组合在底盘可滑动的封闭基座内；所述外注磁流体，是在填料函壁中部设磁流体注入孔及阀门，外部连接向填料函内注入磁流体填料的高压注剂枪。

(三)、本实用新型理论原理

根据现代量子力学理论，物质由于电子自旋磁矩、轨道磁矩和原子核磁矩的微观交互作用产生磁场；磁场是物质存在的一种客观形式；磁场具有能量和动量；任何磁性物体总有N极和S极，两极不能独立存在，其实质是内部磁畴的定向有序排列。美国麻省理工学院R.C.Ohandley教授经长期实验研究证明，单磁畴或多磁畴软磁磁性液体(粒度在10^-7～10^-9m)，在强磁场作用下磁化，可在三维空间形成极性定向有序排列，并且其数学描述遵从Maxwell、Biot-Savart、Bernoulli等基本方程。

(四)、本发明技术创新点

1、新型磁流体密封技术。

所述新型磁流体密封技术，是在密封函内部光杆周围设置两层各6块扇形永磁体，这种设计能在填料函内形成有着24个磁回路的强磁场区，磁流体由外注孔注入，在永磁体磁场作用下，“磁流体”始终被吸附“控制”呈悬浮状态，这些“磁性悬浮体”自动填入光杆与盒套、盒套与填料函内壁之间的任何缝隙，起到持久稳定的密封作用。

2、万向随机纠偏技术。

所述万向随机纠偏技术，其纠偏机构中心部位为万向节，上部为压盖，下部为底盘，并将其组合在底盘可滑动的封闭基座内，在轴向可任意纠偏1°～30°，在径向可任意滑动平移⊙12mm纠偏，光杆密封函组合在万向节构件之上，实现在三维空间及任意时间点上随机纠偏。

实践证明，光杆在三维空间及任意时间点随机纠偏，是减少摩擦阻力、节能降耗、防止光杆和密封器填料函擦碰损伤并保证密封器经久耐用的必要技术。

3、磁流体外注和不停产补充技术。

在网络上可搜索到的磁流体密封(无论是旋转轴还是往复轴密封)器中，都未见有外注磁流体报道。但是，根据本人实用新型专利“油田采油用磁流体光杆密封器(专利号为ZL 2008 2 0065400.0)”中试实践，磁流体蒸发和流失并逐渐减少是个必然规律，要补充磁流体必须将密封器从设备上拆卸下来，补充完后再装上去，这一拆、一装，增加人工消耗，造成停产损失。因此，需要改进原磁流体光杆密封器，技术方案是，在填料函壁中部设注入孔和阀门，外部连接向填料函内注入磁流体填料的高压注剂枪，打到内压达10MPa即填满，从而实现不停产注入和补充磁流体填料，大大延长密封器使用寿命。

(五)、八大功效

(1)密封效果好，使用寿命长。

万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，采用最新技术、创新设计、先进材料生产，确保“零”泄漏。本产品无需日常操作，可不停产连续安全使用2至3年；两年后经简单维修保养，可继续使用，寿命可长达5至6年。

(2)节省人工。

万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，可免去采油工人每天去旋紧胶皮盘根盒压盖，可免去两周1次停产更换盘根，可减少由于使用盘根盒造成的修井等作业，从而节省人工，减少工人劳动强度，降低采油成本。

(3)环保效益大。

万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，由于杜绝了油井中带压油、气、水“跑、冒、滴、漏”，特别是消除了CH₄、C₂H₆等高碳气体排放的危害，避免了对大气和地面的污染，为建设“绿色生态油田”，给子孙后代留下一个绿色地球作出贡献。

(4)节能降耗。

较之于传统盘根盒光杆密封器，万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器将固态刚性摩擦变为液态柔性摩擦，所产生的摩擦损耗功大为减少，从而降低抽油机电耗，降低采油成本。

(5)提高资源利用率。

万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，有效实现“零”泄漏，避免了油、气、水资源“跑、冒、滴、漏”，可提高采收率；全国有约50万口游梁式抽油机井，如果都能实现“零”泄漏，则增收的资源和财富十分巨大。

(6)确保安全。

传统盘根盒光杆密封器磨损后，首先泄漏的是石油伴生气，少则扩散污染空气，多则易燃、易爆，引发安全事故；尤其是如果所含H₂S超标，则会危及现场职工的人身安全；而万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器“O”泄漏，就确保了安全。

(7)提高工效。

传统盘根盒密封器采用的是“抱死”光杆密封的机制，这种机制是造成光杆磨断、抽油杆憋曲偏磨、抽油杆磨断、抽油杆脱扣等生产事故的重要原因之一。一旦发生这类事故则必须停产检修，再加上开抽后的含水恢复期，产油损失至少六、七个工作日，多的可达一、二十个工作日；同时，日常更换盘根和盘根盒也必须停产，这种经常性的停产损失更是无法统计。采用万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，可大大减少上述停产时间，提高抽油机有效工时，提高采油效率，增加油、气产量。

(8)经济效益好。

综上所述，万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器密封效果好、使用寿命长、提高资源回收率、节能降耗、节省人工、安全环保、提高工效等，既可创造直接经济效益，又具有构建“绿色可持续发展油田”的安全环保效应，是一个具有重要推广价值的新技术产品。比较保守地对它的经济价值作个估算：按2007年中石油集团日均单井产量2.8吨计算，单井年只增加5个有效工作日，可增产14吨原油；而全国有约50万口此类机抽油井，普遍推广使用后则年增产总量可达700万吨，直接经济效益可达200余亿元，其经济效益和社会效益都十分可观。

(六)、主要技术参数

万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器主要技术参数如下：

1、外形尺寸：∮88.9×450mm

2、净重：18kg

3、连接尺寸：27/8TBG

4、抗拉强度：≤600MPa

5、使用温度：-40～+120℃

6、密封耐压：≤10MPa

7、万向随机纠偏：径向纠偏偏心度：⊙12mm；

轴向纠偏角度：∠30°

8、使用年限：2年

四、附图说明

图1是万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器整体结构示意图

图2是胶皮和编织盘根光杆密封器整体结构示意图

图3是本人实用新型专利“油田采油用磁流体光杆密封器”整体结构示意图

图4是永磁体、磁回路及磁流体填充密封区示意图

图5是万向随机纠偏机构示意图

图6是外注磁流体填料示意图

上述图1～6中依序号分别是：1光杆；2、压盖；3、革兰；4、填料函内磁流体；5、外注孔阀门；6、密封函盒；7、扇形磁铁和PTFE盒套；8、万向节机构；9、万向节基座；10、万向节上压盖；11、万向节底盘，12、万向节滑动垫圈；13、采油树接箍；14、盘根盒压盖旋柄；15、盘根盒革兰；16、盘根盒压盖，17、胶皮盘根或编织盘根；18、光杆；19、盘根盒；20、连接采油树接箍；21、光杆；22、上压盖；23、革兰；24、上柔性床；25、密封填料函；26、上密封套；27、磁流体密封套；28、密封函内填充的磁流体；29、下密封套；30、下柔性床；31、密封函底盘；32、连接螺扣；33、连接采油树接箍；34、密封函盒内壁；35、磁力线；36、光杆；37、PTFE盒套；38、密封函内密封区的磁流体；39、扇形永磁体；40、磁流体注入胶管；41、磁流体注剂枪。

五、具体实施方式

参见说明书附图1～6。本发明万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，上部为光杆密封填料函6，涵内装置上下两层PTFE盒套7，每层盒套内崁入扇形永磁体39，在涵内形成有着24个磁回路的强磁场区；将注剂枪41的输入管40自碰接头连接于密封器外注口，打开外注孔阀门5，将磁流体填料38填入注剂枪，打压注剂枪，向密封涵内注入磁流体，打到内压达10MPa即填满，从而实现不停产补充磁流体密封填料，可大大延长密封器使用寿命；在永磁体磁场35作用下，注入填料函内的磁流体38始终被永磁体吸附“控制”呈悬浮状态，这些“磁性悬浮体”自动填入光杆与盒套、盒套与填料函内壁之间的强磁场区，从而填充、堵塞密封区域的任何缝隙，起到持久稳定的密封作用；中部为万向节机构8、10、11，基座9，基座内滑动垫圈12，光杆密封填料函组合在万向节构件8之上，可在三维维空间及任意时间节点实现纠偏；基座下部是带锥度的螺纹接箍13，与井口采油树连接。

Claims

1.万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，其特征在于：上部设光杆密封填料函；填料函内装置上下两层PTFE盒套，两层盒套内崁入扇形永磁体；填料函内两层PTFE盒套之间设磁流体填料室；填料函壁中部设磁流体外注孔及阀门；填料函下部组合在万向节纠偏机构上；万向节纠偏机构套在一个可滑动的基座内；基座下部是带锥度的螺纹接箍与油井采油树连接。

2.根据权利要求1所述的万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，其特征在于：所述两层PTFE盒套内崁入扇形永磁体是，上层PTFE盒套内崁入6块扇形永磁体；下层PTFE盒套内嵌入6块永磁体；嵌入时使每层盒套内两块扇形永磁体之间异级相邻。

3.根据权利要求1所述的万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，其特征在于：所述万向随机纠偏机构，其中心部位是万向节，上部为压盖，下部为底盘，并将其组合在底盘可滑动的封闭基座内。

4.根据权利要求1所述的万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器，其特征在于：所述外注磁流体，是在填料函壁中部设磁流体注入孔及阀门，外部连接向填料函内注入磁流体填料的高压注剂枪。