本發(fā)明涉及一種石油井口環(huán)空密封裝置。

背景技術(shù)：

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(jì)，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(yuǎn)大于液壓行業(yè)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(chǎn)生的石油管與套在石油管上的密封本體(即井口裝置)間會(huì)形成一個(gè)環(huán)空，對(duì)環(huán)空部分的密封至少應(yīng)有2.495毫米間隙的密封能力。如此大的間隙對(duì)任何橡膠密封件都是考驗(yàn)，并且工況極其惡劣，例如-60℃至121℃的工況，并且待密封介質(zhì)介質(zhì)含有硫化氫等腐蝕流體。

井口裝置與石油管間環(huán)空的現(xiàn)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(nèi)加金屬骨架，利用注入密封脂或內(nèi)嵌彈簧提供密封動(dòng)力來密封井口裝置與石油管之間的環(huán)空。這幾種密封方法是石油井口行業(yè)先行者們?cè)谏鲜兰o(jì)六十年代至七十年代測(cè)繪并仿制美國(guó)進(jìn)口密封圈經(jīng)改進(jìn)而成。

其缺點(diǎn)是：

1.橡膠的耐高溫性能差，雖然名義上高等級(jí)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(jìn)口或國(guó)內(nèi)替代進(jìn)口廠家因其加工工藝復(fù)雜，而導(dǎo)致廢品率偏高，成本也比較高，例如5-1/2″規(guī)格的密封圈，其市場(chǎng)價(jià)格也近千元人民幣。

2.密封件的金屬骨架進(jìn)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(guó)內(nèi)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(qiáng)度大幅下降。

中國(guó)專利文獻(xiàn)cn101984214a公開了一種用于井口油管與套管間環(huán)空密封的補(bǔ)償式環(huán)形防噴器，其密封件是環(huán)形防噴膠套，該防噴膠套外設(shè)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(shí)現(xiàn)環(huán)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(zhǎng)度，需要占據(jù)的空間較大，并且如前所述，其材質(zhì)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(guó)專利文獻(xiàn)cn205823223u對(duì)于井口環(huán)空的密封有賴于壓緊螺帽的下壓，使封隔單元產(chǎn)生徑向膨脹，從而填充井口環(huán)空的徑向空間實(shí)現(xiàn)密封。然而，為實(shí)現(xiàn)基于徑向膨脹實(shí)現(xiàn)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(duì)其變形應(yīng)有比較好的可控性。然而，如前所述，井口環(huán)空比較大，單純的徑向膨脹實(shí)現(xiàn)環(huán)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(shí)現(xiàn)徑向變形的可控性。

同樣地，例如中國(guó)專利文獻(xiàn)cn204252908u也采用依靠絲堵擠壓膠芯的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)井口環(huán)空的封固。

此外，里如中國(guó)專利文獻(xiàn)cn202673223u，其與中國(guó)專利文獻(xiàn)cn205823223u，以及cn204252908u都依賴于橡膠件的徑向變形實(shí)現(xiàn)環(huán)空密封。用以實(shí)現(xiàn)密封的作動(dòng)件是兩個(gè)硬膠筒，需要通過軸向的液壓力或者機(jī)械力壓縮這兩個(gè)硬膠筒，而軸向活動(dòng)件較多，裝配空間比較小，硬膠筒驅(qū)動(dòng)裝置裝配難度相對(duì)較大。

以上現(xiàn)有技術(shù)普遍采用變形量比較大的橡膠件，如前所述，橡膠件對(duì)環(huán)境溫度的耐受度比較低，容易失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)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(huán)空密封裝置。

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

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

動(dòng)力圈，裝在所述環(huán)槽內(nèi)，并介于環(huán)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(qiáng)的流體，以使動(dòng)力圈推動(dòng)密封圈壓緊石油管。

上述石油井口環(huán)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(nèi)。

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(dòng)力圈的密封體的斷面為圓形；

其中，動(dòng)力圈與環(huán)槽的壁面接合實(shí)現(xiàn)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(dòng)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(dòng)力圈與密封圈為分立的兩個(gè)部件或者為一體結(jié)構(gòu)；

若為分立的兩個(gè)部件時(shí)，在環(huán)槽內(nèi)的裝配時(shí)，兩部件固定連接，或者動(dòng)力圈的內(nèi)面與密封圈的外面接合。

可選地，所述環(huán)槽有兩道。

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

依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，受環(huán)槽的約束，密封圈的變形的可控性比較好，此外，密封圈受環(huán)槽在徑向的導(dǎo)引，其變形只需要考慮在密封主體徑向的變形，對(duì)變形量的要求相對(duì)較小，從而可以選擇變形能力相對(duì)不高但耐溫性、耐腐蝕性更好的材質(zhì)。動(dòng)力圈與環(huán)槽槽底的空間剛度相對(duì)較大，并且空間也相對(duì)較小(比中國(guó)專利文獻(xiàn)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(qiáng)的流體對(duì)動(dòng)力圈的作動(dòng)作用的方向性更強(qiáng)，變形的不確定性更小，從而易于實(shí)現(xiàn)更加可靠的密封。

附圖說明

圖1為一實(shí)施例中石油井口環(huán)空密封裝置在井口設(shè)備上裝配結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的a部放大圖。

圖3為一實(shí)施例中石油井口環(huán)控密封裝置主剖結(jié)構(gòu)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(dòng)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(shí)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(shí)施例中井口環(huán)空密封裝置在井口設(shè)備上的裝配結(jié)構(gòu)，其整體上是立式結(jié)構(gòu)，或者說是豎直設(shè)置的，是石油鉆井過程中懸掛套管頭和密封套管環(huán)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(shù)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(huán)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(zhǔn)。

那么如圖3所示的石油井口環(huán)空密封裝置即用于井口密封本體6與石油管5間環(huán)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(huán)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(nèi)如圖4所示設(shè)有內(nèi)孔環(huán)槽，簡(jiǎn)稱環(huán)槽，內(nèi)孔環(huán)槽一般由內(nèi)孔環(huán)槽切刀或者鏜刀加工，環(huán)槽至少能夠容置密封圈4和動(dòng)力圈3，其中動(dòng)力圈3的外側(cè)，也就是徑向方向的離心側(cè)最好留有一定的空間，而不是緊貼環(huán)槽槽底，使動(dòng)力圈3具備相對(duì)較大的承壓面積，從而能夠獲得比較大的推動(dòng)力。

在一些實(shí)施例中，如果動(dòng)力圈3的外側(cè)或者說離心側(cè)為柱面時(shí)，基于與環(huán)槽槽底的接合，仍然具有相對(duì)比較大的受壓面積。

應(yīng)當(dāng)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(huán)槽槽身斷面為矩形，槽底為豎直面。進(jìn)而通過流體通道引入用于推動(dòng)動(dòng)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(jiǎn)單，例如圖1中所示的徑向孔，一次鉆銷即可完成。

在一些實(shí)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(jìn)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(guān)于所述流體，優(yōu)選粘度相對(duì)較大的脂類密封劑，不容易產(chǎn)生從密封圈4的向心側(cè)泄露。當(dāng)然也不排除其他流體的使用。

關(guān)于所述密封圈4，在一些實(shí)施例中，如圖4所示，將其嵌裝于所述環(huán)槽，具體地，密封圈4位于環(huán)槽的槽口端，從而能夠與石油管5，通過機(jī)械接合實(shí)現(xiàn)密封。

密封通過徑向的移動(dòng)抱緊石油管，相對(duì)而言，密封圈4的變形量要求相對(duì)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(duì)較小，但耐高溫、耐腐蝕性比較好的材質(zhì)，例如聚四氟乙烯，從而能夠延長(zhǎng)井口密封裝置的維護(hù)周期。

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

密封圈4與環(huán)槽上下壁面所約束的結(jié)構(gòu)采用過盈配合，并基于自身變形能夠在一定推力下向心運(yùn)動(dòng)而抱緊石油管5。

關(guān)于動(dòng)力圈3，也裝在所述環(huán)槽內(nèi)，并介于環(huán)槽槽底與密封圈4間，提供密封圈4收緊的擠壓力。

關(guān)于注入孔2的配管部分，其部分結(jié)構(gòu)可以構(gòu)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(dǎo)入給定壓強(qiáng)的流體，從而使動(dòng)力圈3的離心側(cè)受壓而收縮，進(jìn)而箍緊密封圈4，使密封圈4收縮，從而抱緊石油管5，而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)空的在石油管5軸向的密封。

在一些實(shí)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(shí)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(duì)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?qū)ā?/p>

在圖2所示的結(jié)構(gòu)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(yīng)地，注入孔2的離心端含有內(nèi)螺紋部分，以用于與管體通過螺紋進(jìn)行連接。

如圖2所示，單向閥結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，直接構(gòu)造在管體上，其包括一個(gè)閥球，在流體注入方向的反向，提供一彈簧壓緊閥球，從而構(gòu)造出單向閥。

密封圈4的密封體的斷面優(yōu)選為矩形，尤其是密封圈4的內(nèi)側(cè)面，即朝向石油管5的側(cè)面，以使環(huán)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(huán)槽的壁面具有相對(duì)較大的接合面面積。

進(jìn)一步地，密封圈4的密封體的斷面為方形，動(dòng)力圈3的密封體的斷面為圓形，從而可以減小環(huán)槽的深度，前面對(duì)此原理已經(jīng)進(jìn)行了說明，即初始階段，使動(dòng)力圈3具有相對(duì)較大的承壓面積。

相應(yīng)地，動(dòng)力圈3與環(huán)槽的壁面接合實(shí)現(xiàn)密封徑向密封。

優(yōu)選地，所述密封圈4為聚四氟乙烯密封圈.

對(duì)于動(dòng)力圈3，可以采用常規(guī)的o型橡膠密封圈，其不同于密封圈4，不與環(huán)空內(nèi)的氣體接觸。在一些實(shí)施例中，動(dòng)力圈3優(yōu)選o型聚四氟乙烯密封圈。

動(dòng)力圈3與密封圈4可以采用分立的兩個(gè)部件，也可以采用一體結(jié)構(gòu)，采用一體結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)選兩者采用相同的材質(zhì)。

若為分立的兩個(gè)部件時(shí)，在環(huán)槽內(nèi)的裝配時(shí)，兩部件固定連接，或者動(dòng)力圈3的內(nèi)面與密封圈4的外面接合。

如圖1所示，在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述環(huán)槽有兩道。

優(yōu)選地，注入孔2為密封本體6徑向的徑向孔；兩道環(huán)槽配裝密封圈4后所約束的環(huán)空的軸向空間通過一徑向孔連通一試壓口7，以便于對(duì)環(huán)控密封進(jìn)行檢測(cè)。

在一些實(shí)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(cè)，可以用于初期的密封檢測(cè)。