磁性增压光杆密封器的制作方法

(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：

本发明为石油工业节能减排、安全环保新技术，是目前油田普遍使用的盘根光杆密封器的升级换代产品，适用于全国约50万口和全世界约500万口有杆泵抽油井的光杆密封。

(三)、功能作用：

本发明采用磁性增压技术和磁流体复合密封技术，在轴向使密封函内磁流体填料始终保持增压态势，使之在径向形成无数“O”形磁流体密封圈，自动、致密地填充密封区内可能产生的任何缝隙，增强抗击穿能力，从而实现光杆“零”泄漏密封；本发明解决盘根“抱紧”密封造成的摩擦阻力大，抽油机电耗大，盘根损坏更换频繁，停产检修成本高，井口带压油气水经常“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：
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目前国家专利局已认证的抽油机光杆密封器专利达200多项，但被油田认可且具实用价值的微乎其微，这说明解决光杆密封泄漏问题研究者之众，难度之大。现实情况是，在油田普遍使用的光杆密封器仍然沿用的是一百多年来的基本结构，这就是盘根盒光杆密封器，也是载入《采油工程手册》的唯一一类器型。

1、品种：目前各油田广泛使用的传统抽油机光杆密封装置主要有：单盘根盒光杆密封器，双盘根盒光杆密封器，单塔形盘根盒光杆密封器，双塔形盘根盒光杆密封器，球形盘根盒光杆密封器等。

2、基本结构

传统盘根盒类光杆密封装置，最典型的是“O”形橡胶圈单盘根盒光杆密封器，如图2所示；双塔形盘根盒光杆密封器，如图3所示。

这类产品的结构主要由以下几部分组成：12、上压盖；13、革兰；14、“O”型橡胶密封圈(或编织盘根密封圈)；15、盘根盒(密封函)；16、弹簧；17、盘根盒与采油树接箍；18、塔形橡胶密封件。

其他类型产品，如双盘根盒、单塔型盘根盒、球形盘根盒等盘根盒光杆密封器，是将基本密封器型稍作改变，其余结构基本相同。

3、技术原理

如图2、图3所示，通过旋紧上压盖12，推动革兰13，压紧“O”形盘根14或18，使之产生形变抱紧光杆，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，都是通过机械装置压迫盘根产生形变“抱紧”光杆方式，起到密封作用。

此类产品已沿用一个多世纪，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。

4、存在问题：

如图2、图3所示，采用机械压紧胶皮盘根形变对往复运动光杆实施“抱紧”密封，主要存在以下问题：

(1)、造成严重环境污染。

“抱紧，，密封必然导致胶皮盘根(或编织盘根)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)，它释放热能力远高于CO₂，属于高碳排放，是臭氧层破坏、温室效应扩张和造成酸雨的重要根 源。在油用，这样看不见、摸不着的有毒、有害气体每天都有排放。当盘根磨损到一定程度后，原油和高矿化度地下水就会外泄到地面，造成地表环境严重污染；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，拆开上压盖，更换新盘根；尤其是沙漠油田，在夏季零上40～50度、冬季零下20～30度的恶劣环境下进行野外作业，十分艰苦。

(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”甚至是“抱死”的刹车状态，增加了运动阻力，也就增加了抽油机能耗。

(5)、浪费资源。

胶皮盘根(或编织盘根)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，浪费宝贵资源。

(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呈现“蛇形”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，发生断杆事故，使油井被迫停产检修。

(8)、停产损失大。

如上所述，使用盘根盒光杆密封器，造成经常更换盘根、更换光杆，抽油杆偏摩、断杆，修井等作业，严重影响油田正常生产。据不完全统计，全国由于光杆盘根盒密封泄漏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。

三、

技术实现要素：
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(一)、发明目的

为了消除盘根盒光杆密封装置能耗高，损坏快，污染大，严重影响生产和效益等问题，用新技术改造传统产业，本人邓海波于2008年申报了磁流体光杆密封器ZL 2008 2 0065400.0专利；2014年进行了升级，获得了万向随机纠偏外注磁流体光杆密封器ZL2014 2 0073652.3专利；经过近10年实验研究和持续不断改进完善，在前2次专利基础上升级的磁性增压光杆密封器已实现一年以上不停产，不换料，不操作，不维护，不泄漏，目前正在多家油田推广，为建设绿色油田发挥作用。

(二)、本发明理论原理

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；磁体具有同极相斥，异极相吸特性，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。

(三)、本发明具体方案和技术创新点

1、整体结构创新。磁性增压光杆密封器，其特征在于：在圆筒状光杆密封函内，下端安装嵌入6块条形永磁体固定密封套，上端安装嵌入6块条形永磁体滑动密封套，上、下密封套之间注满磁流体填料，形成可伸缩 的高压密封区。

2、发明固定密封套装置。所述固定密封套，所述固定密封套，其基体是沿半径方向开了6个燕尾槽的PTFE圆环，燕尾槽中嵌入极性两两相反的6块条形永磁体，PTFE圆环外缘有螺纹与密封函内壁连接固定。

3、发明滑动密封套装置，使密封区自动伸缩并且保持高压不减。所述滑动密封套，其基体是沿半径方向开了6个燕尾槽的PTFE圆环，燕尾槽中嵌入极性两两相反的6块条形永磁体，同时PTFE圆环外缘安装有活塞式“OD”密封圈，可在密封函内滑动，维系可伸缩的高压密封区。

在固定密封套和滑动密封套中永磁体产生强磁场引力作用下，滑动密封套始终保持向固定密封套滑移的势能，从而牢固吸附并压迫磁流体填料形成可伸缩的高压密封区，当磁流体填料损耗流失后，高压密封区自动收缩，当磁流体填料外注补充后，高压密封区增压扩张至最大，本密封器始终保持内部压力和耐击穿能力不减弱。

(四)、本发明还具有以往本人多项发明的先进性

1、磁性增压光杆密封器同时具有磁流体密封特性。磁流体填料由外注孔注入密封函内，在固定密封套和滑动密封套内多个永磁体所产生的强磁场力作用下，磁流体沿磁力线回路密集分布，始终被吸附“控制”呈悬浮状态，这些“磁性悬浮体”自动填入光杆与密封套、密封套与函内壁之间的一切缝隙，起到持久良好的密封作用。

2、磁性增压光杆密封器同时具有万向随机纠偏特性。前述高压密封区可自动伸缩的密封组件组合在万向节机构之上，而万向节安装在轴向可摇头15°、径向可360°平移的双层盒套内，可在三维空间及任意时间节点实现随机纠偏。

3、磁性增压光杆密封器同时具有随机外注补充磁流体特性。光杆密封函内磁流体填料被往复运动光杆带出和蒸发而逐渐损耗减少是必然现象， 为解决此问题，在光杆密封函上部和下部各安装了1个注剂阀，可用胶枪方便地不停产随机外注补充磁流体填料，从而大大延长密封器使用寿命。

(五)、主要功效

(1)、密封效果好，使用寿命长。

磁性增压光杆密封器，由于将光杆由原来盘根固体刚性抱紧密封换成了液态强润滑填充密封，不仅能封住油、水，更重要的是连井内带压天然气也能有效封住，其密封效果是盘根盒密封无法相比的，本技术产品可不停产，不换料，不操作，不维护，不泄漏连续安全使用2至3年，之后经简单维修保养可继续重复使用，寿命可长达5年以上。

(2)、节能降耗。

传统盘根盒光杆密封器对光杆往复运动摩擦阻力很大；而磁性增压光杆密封器是通过强磁场引力作用吸附磁流体围绕光杆形成无数液态“O”形密封圈，填充密封部位实现密封，并且磁流体中含有强润滑剂和耐磨剂，它与光杆之间的摩擦系数几近于零，因此摩擦损耗功大为减少，从而降低抽油机电耗，降低采油成本。

(3)环保效益良好。

磁性增压光杆密封器，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，避免了对大气和地面的污染，同时又提高了资源的利用率，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)、确保安全。

传统盘根盒光杆密封器磨损后，首先泄漏的是天然气和石油伴生气，少则扩散污染空气，多则易燃、易爆，引发安全事故；尤其是如果析出气体中H2S含量高，就会危及现场职工的人身安全；而磁性增压光杆密封器“0”泄漏，能有效消除安全隐患。

(5)、节省人工。

磁性增压光杆密封器，可免除采油工人每天必须旋紧盘根盒压盖的劳作，避免经常性更换盘根造成的停产损失，减少光杆和抽油杆损坏以及由此造成 的修井作业，从而节省大量人工和物耗，降低采油成本。

(6)、提高生产率和经济效益。

传统盘根盒光杆密封器采用的是“抱紧”光杆密封机制，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、七天，多的可达一、二十天；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。磁性增压光杆密封器，实现2年左右不停产，不换料，不操作，不维护，不泄漏，可大大减少上述停产时间，提高抽油机有效生产率和油田经济效益。

(六)、主要技术参数

1、外形尺寸：∮88.9×450mm

2、净重：30kg

3、连接尺寸：2 7/8TBG

4、抗拉强度：≥600MPa

5、使用温度：-40～+120℃

6、密封耐压：≥10MPa

7、径向调整光杆偏心度：⊙12mm；

8、轴向调整光杆偏心度：∠15°

四、附图说明：

图1是磁性增压光杆密封器整体结构示意图

图2是单盘根盒光杆密封器整体结构示意图

图3是双塔形盘根盒光杆密封器整体结构示意图

图4是永磁体密封套、磁回路及磁流体填充密封区示意图

图5是密封区内磁性增压原理示意图

图6是可伸缩高压密封区结构示意图

上述图1～6中依序号分别是：1光杆；2、压盖；3、革兰；4、永磁体； 5、密封函；6、密封函下部外注剂阀；7、PTFE盒套；8、密封辅件；9、万向节及随机纠偏装置；10、采油树接箍；11、密封函上部注剂阀孔；12、盘根盒上压盖；13、盘根盒内革兰；14、盘根；15、盘根盒；16、弹簧；17、采油树接箍；18、塔形橡胶密封件；19、磁力线；20、条形永磁体；21、磁流体填料；22、上部可滑动PTFE盒套；23、永磁体；24、活塞式“OD”密封圈；25、下部固定PTFE盒套。

五、具体实施方式：

参见说明书附图1～6。本发明磁性增压光杆密封器，上部为光杆密封函、函内各密封套及外注阀组件；下部为万向随机纠偏装置组件；采用分段加工制造然后对接安装成整机的工艺路线。磁流体填料由本人特定配方生产。

密封函5及上压盖2采用30CrMn制造，石油行业标准螺纹连接；固定密封套25和滑动密封套22采用PTFE材料加工，每层盒套内崁入的条形永磁体20和23外委加工，“OD”密封圈及其他密封辅件外购，然后组装成完整部件。

万向随机纠偏总成9采用45钢制造，内部各连接螺纹采用国家标准加工，氟橡胶密封件按标准外购，然后组装。

将上部密封函组件与下部万向随机纠偏机构螺纹对接即为磁性增压光杆密封器。