石油井口環空密封裝置的制作方法

本發明涉及一種石油井口環空密封裝置。

背景技術：

石油鉆井與采油最常用工作溫度的范圍ku(-60℃至121℃)，工作溫度范圍比較大，并且石油管材的外圓公差按5.5英寸石油管計，其外圓公差是其直徑尺寸+1％d到-0.5％d(石油管密封間隙遠大于液壓行業的密封間隙的原因是石油管的密封面即石油管外徑公差很大)，其中d為5.5英寸的外徑尺寸。由此所產生的石油管與套在石油管上的密封本體(即井口裝置)間會形成一個環空，對環空部分的密封至少應有2.495毫米間隙的密封能力。如此大的間隙對任何橡膠密封件都是考驗，并且工況極其惡劣，例如-60℃至121℃的工況，并且待密封介質介質含有硫化氫等腐蝕流體。

井口裝置與石油管間環空的現有密封方法主要有三種：bt密封、p型密封、fs密封。這三種密封裝置均使用橡膠件作為主體密封件，橡膠件內加金屬骨架，利用注入密封脂或內嵌彈簧提供密封動力來密封井口裝置與石油管之間的環空。這幾種密封方法是石油井口行業先行者們在上世紀六十年代至七十年代測繪并仿制美國進口密封圈經改進而成。

其缺點是：

1.橡膠的耐高溫性能差，雖然名義上高等級橡膠可以耐受攝氏121度以上的高溫，但如果在此高溫下承受0至138mpa的壓力并且是大間隙條件下的腐蝕性流體壓力則密封失敗率很高。進口或國內替代進口廠家因其加工工藝復雜，而導致廢品率偏高，成本也比較高，例如5-1/2″規格的密封圈，其市場價格也近千元人民幣。

2.密封件的金屬骨架進一步增加了橡膠密封件的加工難度，另外，基于金屬骨架定位，國內大多采用二次硫化工藝，雖然解決了金屬骨架固定的問題，但也使密封件的耐高溫性能和強度大幅下降。

中國專利文獻cn101984214a公開了一種用于井口油管與套管間環空密封的補償式環形防噴器，其密封件是環形防噴膠套，該防噴膠套外設密封缸，從而與密封缸間形成沖液空間，利用液體壓力，使防噴膠套脹開，從而實現環空的密封。防噴膠套為獲得比較大的徑向脹開度，需要具有比較大的軸向長度，需要占據的空間較大，并且如前所述，其材質是橡膠，在不配置骨架(即金屬骨架)的條件下，盡管降低了加工難度，但自身也容易失效。

中國專利文獻cn205823223u對于井口環空的密封有賴于壓緊螺帽的下壓，使封隔單元產生徑向膨脹，從而填充井口環空的徑向空間實現密封。然而，為實現基于徑向膨脹實現密封，一方面需要封隔單元具有比較高的變形能力，另一方面，對其變形應有比較好的可控性。然而，如前所述，井口環空比較大，單純的徑向膨脹實現環空密封的難度比較大，另外封隔單元是彈性件，徑向膨脹的可控性本身就比較差，要求封隔單元具有極高的各向同性，否則難以實現徑向變形的可控性。

同樣地，例如中國專利文獻cn204252908u也采用依靠絲堵擠壓膠芯的方式實現對井口環空的封固。

此外，里如中國專利文獻cn202673223u，其與中國專利文獻cn205823223u，以及cn204252908u都依賴于橡膠件的徑向變形實現環空密封。用以實現密封的作動件是兩個硬膠筒，需要通過軸向的液壓力或者機械力壓縮這兩個硬膠筒，而軸向活動件較多，裝配空間比較小，硬膠筒驅動裝置裝配難度相對較大。

以上現有技術普遍采用變形量比較大的橡膠件，如前所述，橡膠件對環境溫度的耐受度比較低，容易失效。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種對密封件變形能力要求較低，但能夠有效提高密封能力的石油井口環空密封裝置。

依據本發明的實施例，提供一種石油井口環空密封裝置，用于井口密封本體與石油管間環空的密封，于密封本體的內壁面開有至少一道環槽，并在密封本體上開有連通到環槽離心端的注入孔；從而石油井口環空密封裝置進一步包括：

密封圈，嵌裝于所述環槽，該密封圈通過與環槽壁面接合用于在徑向密封環槽，并通過與石油管外壁接合而用于對環空密封；

動力圈，裝在所述環槽內，并介于環槽槽底與密封圈間；以及

注入組件，裝于注入孔的入口，用于注入給定壓強的流體，以使動力圈推動密封圈壓緊石油管。

上述石油井口環空密封裝置，可選地，所述注入組件包括一單向閥。

可選地，所述注入組件包括一管體，該管體的兩端均具有連接螺紋；

其中，一端連接螺紋用于管體與注入孔的固定連接，另一端連接螺紋則用于配裝封帽，以通過封帽封堵管件。

可選地，所述單向閥位于管體內。

可選地，密封圈的密封體的斷面為矩形。

可選地，密封圈的密封體的斷面為方形，動力圈的密封體的斷面為圓形；

其中，動力圈與環槽的壁面接合實現密封徑向密封。

可選地，所述密封圈為聚四氟乙烯密封圈或覆聚四氟乙烯密封圈；

動力圈為o型橡膠密封圈、o型聚四氟乙烯密封圈或o型覆覆聚四氟乙烯密封圈。

可選地，動力圈與密封圈為分立的兩個部件或者為一體結構；

若為分立的兩個部件時，在環槽內的裝配時，兩部件固定連接，或者動力圈的內面與密封圈的外面接合。

可選地，所述環槽有兩道。

可選地，注入孔為密封本體徑向的徑向孔；兩道環槽配裝密封圈后所約束的環空的軸向空間通過一徑向孔連通一試壓口。

依據本發明的實施例，受環槽的約束，密封圈的變形的可控性比較好，此外，密封圈受環槽在徑向的導引，其變形只需要考慮在密封主體徑向的變形，對變形量的要求相對較小，從而可以選擇變形能力相對不高但耐溫性、耐腐蝕性更好的材質。動力圈與環槽槽底的空間剛度相對較大，并且空間也相對較小(比中國專利文獻cn101984214a中防噴膠套與密封缸體間的空間要小很多)通過注入組件注入的給定壓強的流體對動力圈的作動作用的方向性更強，變形的不確定性更小，從而易于實現更加可靠的密封。

附圖說明

圖1為一實施例中石油井口環空密封裝置在井口設備上裝配結構示意圖。

圖2為圖1的a部放大圖。

圖3為一實施例中石油井口環控密封裝置主剖結構示意圖。

圖4為圖3的z部放大圖。

圖中：1.注入組件，2.注入孔，3.動力圈，4.密封圈，5.石油管，6.密封本體，7.試壓口，8.試壓口，9.井口套管頭。

11.封帽，12.絲頭，13.連接頭。

具體實施方式

參照說明書附圖1，是一套石油井口套管頭，是一些實施例中井口環空密封裝置在井口設備上的裝配結構，其整體上是立式結構，或者說是豎直設置的，是石油鉆井過程中懸掛套管頭和密封套管環空的裝置，其中的套管頭即為圖中所示的密封本體6，是石油井口的一部分(石油井口包括：套管頭、油管頭和采油樹三部分)。

如背景技術部分所述，密封本體6與石油管5間因石油管5的公差帶比較寬，而具有比較大的環空。

可以理解的是，基于管件以及圍繞管件所配裝的其他部件，徑向、軸向和周向通常以所圍繞的管件為參考基準。

那么如圖3所示的石油井口環空密封裝置即用于井口密封本體6與石油管5間環空的密封，圖中所示的密封本體6與石油管5同軸線，且密封本體6套在石油管5上，由于石油管5存在比較寬的公差帶，密封本體6與石油管5間存在一定寬度的環空。

密封本體6具有用于石油管5穿過的中心孔，該中心孔內如圖4所示設有內孔環槽，簡稱環槽，內孔環槽一般由內孔環槽切刀或者鏜刀加工，環槽至少能夠容置密封圈4和動力圈3，其中動力圈3的外側，也就是徑向方向的離心側最好留有一定的空間，而不是緊貼環槽槽底，使動力圈3具備相對較大的承壓面積，從而能夠獲得比較大的推動力。

在一些實施例中，如果動力圈3的外側或者說離心側為柱面時，基于與環槽槽底的接合，仍然具有相對比較大的受壓面積。

應當理解，受壓面積是徑向方向上的正壓面積，或者與徑向方向相垂直的面的投影面積。

圖4中所示的環槽槽身斷面為矩形，槽底為豎直面。進而通過流體通道引入用于推動動力圈3的流體，流體通道可以采用如圖1和3中所示的注入孔2，也可以采用其他類型的流體通道形式，另外可以理解的是，由于流體通道的加工通常是采用深孔鉆鉆銷而成，因此，圖1和圖3中所示的注入孔2盡可能的簡單，例如圖1中所示的徑向孔，一次鉆銷即可完成。

在一些實施例中，流體通道可以通過兩次鉆銷完成，其包含水平部分和豎直部分，其中的水平部分可以就是圖1中所示的注入孔2，進而從密封本體6的上端面起鉆鉆銷一與注入孔2垂直的立孔，流體配管在密封本體6的上端。

關于所述流體，優選粘度相對較大的脂類密封劑，不容易產生從密封圈4的向心側泄露。當然也不排除其他流體的使用。

關于所述密封圈4，在一些實施例中，如圖4所示，將其嵌裝于所述環槽，具體地，密封圈4位于環槽的槽口端，從而能夠與石油管5，通過機械接合實現密封。

密封通過徑向的移動抱緊石油管，相對而言，密封圈4的變形量要求相對較小，從而可以不必選擇變形量比較大，但耐高溫、耐腐蝕性比較低的橡膠密封件。而是可以選擇變形量相對較小，但耐高溫、耐腐蝕性比較好的材質，例如聚四氟乙烯，從而能夠延長井口密封裝置的維護周期。

關于密封圈4也可以采用覆聚四氟乙烯密封圈，即在常規密封圈的表面覆有一層聚四氟乙烯。

密封圈4與環槽上下壁面所約束的結構采用過盈配合，并基于自身變形能夠在一定推力下向心運動而抱緊石油管5。

關于動力圈3，也裝在所述環槽內，并介于環槽槽底與密封圈4間，提供密封圈4收緊的擠壓力。

關于注入孔2的配管部分，其部分結構可以構造為注入組件1，如圖1所示，注入組件1裝于注入孔2的入口，如圖1中所示的注入孔2的在密封本體6的離心端。

通過注入組件1用于導入給定壓強的流體，從而使動力圈3的離心側受壓而收縮，進而箍緊密封圈4，使密封圈4收縮，從而抱緊石油管5，而實現對環空的在石油管5軸向的密封。

在一些實施例中，如圖2所示，所述注入組件1包括一單向閥，單向閥可以有效減少反壓的影響。

在一些實施例中，可以采用注入管加注例如密封脂，利用注入管的加注壓力持壓。

對于單向閥可以采用可控單向閥，即可以控制閥芯，而是單向閥反向導通。

在圖2所示的結構中，所述注入組件1包括一管體，也可以理解為注入組件1的本體，該管體的兩端均具有連接螺紋。

其中，一端連接螺紋用于管體與注入孔2的固定連接，另一端連接螺紋則用于配裝封帽11，以通過封帽11封堵管件。

相應地，注入孔2的離心端含有內螺紋部分，以用于與管體通過螺紋進行連接。

如圖2所示，單向閥結構相對簡單，直接構造在管體上，其包括一個閥球，在流體注入方向的反向，提供一彈簧壓緊閥球，從而構造出單向閥。

密封圈4的密封體的斷面優選為矩形，尤其是密封圈4的內側面，即朝向石油管5的側面，以使環空具有比較大的密封界面面積。

此外，矩形端面的密封體，使密封圈4的上下面也與環槽的壁面具有相對較大的接合面面積。

進一步地，密封圈4的密封體的斷面為方形，動力圈3的密封體的斷面為圓形，從而可以減小環槽的深度，前面對此原理已經進行了說明，即初始階段，使動力圈3具有相對較大的承壓面積。

相應地，動力圈3與環槽的壁面接合實現密封徑向密封。

優選地，所述密封圈4為聚四氟乙烯密封圈.

對于動力圈3，可以采用常規的o型橡膠密封圈，其不同于密封圈4，不與環空內的氣體接觸。在一些實施例中，動力圈3優選o型聚四氟乙烯密封圈。

動力圈3與密封圈4可以采用分立的兩個部件，也可以采用一體結構，采用一體結構時，優選兩者采用相同的材質。

若為分立的兩個部件時，在環槽內的裝配時，兩部件固定連接，或者動力圈3的內面與密封圈4的外面接合。

如圖1所示，在優選的實施例中，所述環槽有兩道。

優選地，注入孔2為密封本體6徑向的徑向孔；兩道環槽配裝密封圈4后所約束的環空的軸向空間通過一徑向孔連通一試壓口7，以便于對環控密封進行檢測。

在一些實施例中，如圖1所示，還配有試壓口8，試壓口8的出口位于最下面注入孔2的下側，可以用于初期的密封檢測。