一种弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头的制作方法

本发明涉及钻井技术领域，具体涉及一种用于超深高压油气井的弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头。

背景技术：

套管头是石油、天然气钻采过程中连接套管与井口装置的必备设备。套管头工作原理是通过套管头卡瓦与套管和悬挂器相互作用，把下入井中套管重量通过卡瓦、卡瓦悬挂器传递到套管头基座，使得套管头全部承受套管重量，此时套管头外壳、卡瓦悬挂器、卡瓦和套管都要承受较大作用力，要求各部分机构强度必须满足要求。

目前，套管头通常为分体式和整体式，都配置反卡瓦式悬挂器或心轴式悬挂器，分体式套管头在使用过程中安装不便、费时费力；整体式套管头结构合理、节省材料，且能简化防喷器的安装程序，易于装配。反向卡瓦式悬挂器，在使用过程中易出现抱合不牢现象，套管会上下窜动，密封性能和安全可靠性差，还易损伤套管；采用pt-cq气密封扣的心轴式悬挂器，虽然密封性能、耐压性能及工作可靠性较反卡瓦式套管头有所提高，但对于悬挂大管径较大的表层套管，由于其结构所限，在套管头下部的有限空间中，心轴式悬挂器难以安置，因而使用不便。而套管头在油、气、水井进行钻井时，要达到控制固定井口，并支持、固定下入井内的套管柱，安装防喷器组的目的，因此套管头的密封对于施工安全很重要，特别是在井内发生溢流、井涌等井喷现象时能起到关键作用。针对现有95/8"-24"套管悬挂器总成悬挂各种常规钢级套管的应力和接触力进行分析，发现用各钢级套管仅适用于浅层且不满足300吨极限载荷，套管最大接触力发生在卡瓦缺口处，而且卡瓦与卡瓦悬挂器接触力最大值也发生在缺口处，卡瓦牙与套管外壁面接触是不均匀的，主要原因是卡瓦是通过周向收缩卡紧套管，使得卡瓦、套管接触力不对称。由于卡瓦非对称性，使得卡瓦、套管应力分布极不均匀，卡瓦缺口对面应力值最大。

因此，目前卡瓦主要存在的问题是：现有技术的套管头为单层密封结构，只在卡瓦悬挂器的下端设有一个bt密封圈进行密封，在井内压力出现不稳定的情况下，密封圈的密封效果会受到影响，不利于快速控制井口的井喷现象，卡瓦牙对套管的挤压力不均匀，造成套管强度下降和早期的失效，普通合金卡瓦牙在恶劣的工况环境下容易生锈、牙齿受力不均容易损坏，需要经常更换。

技术实现要素：

针对上述卡瓦结构和密封结构的缺陷，本发明设计了一种弧形式柔性卡瓦牙结构和金属密封承压结构的长寿命套管头。

本发明的技术方案如下：

一种弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头，本发明由底板，支撑垫环ⅰ，环形支撑板，支撑垫环ⅱ，注脂单向阀，手动平板阀，丝扣法兰，堵头，直角式截止阀，抗震压力表，仪表法兰，we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成，顶丝总成，螺钉一，c型复合密封圈，楔形金属密封环ⅰ，内六角螺钉，接头，套管头本体，金属密封圈总成，下部弧形式柔性卡瓦牙，楔形金属密封环ⅱ，卡瓦壳体，螺钉二、弹簧垫圈，密封垫环ⅰ，双头螺栓，密封垫环ⅱ组成，所述底板的上部与支撑垫环焊接固定，支撑垫环上方依次连接有环形支撑板、支撑垫环ⅱ、套管头本体，所述套管头本体中部设有横向的通孔管道，注脂单向阀设置于套管头本体的通孔管道下方，中部车有螺纹丝扣，套管头本体侧面钻有螺纹孔，注脂单向阀与套管头本体采用螺纹连接，所述套管头本体左右对称布置两个手动平板阀，所述手动平板阀为油田标准pff78-70抗硫平板阀，套管头本体左、右部分手动平板阀通过丝扣法兰与套管头本体由双头螺栓、螺母紧固连接，所述密封垫环ⅰ镶嵌在手动平板阀与套管头本体的环形槽内，所述金属密封圈总成镶装在套管头本体的矩形槽内，套管头本体内圈加工有与金属密封圈总成配合的矩形槽，抗震压力表，直角式截止阀与仪表法兰通过npt锥管螺纹连接，抗震压力表连接在直角式截止阀的螺纹孔内，所述顶丝总成安装在套管头本体径向方向加工的螺纹通孔内，密封垫环ⅱ安装在套管头本体上端面的预先加工的密封槽内，所述接头螺纹连接在套管头本体左端丝扣法兰端面，堵头焊接在套管头本体右边的丝扣法兰端面。

进一步的，所述we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成的we型卡瓦壳体内表面加工有三层台阶，弧形式柔性卡瓦牙外表面加工有三层台阶，并与we型卡瓦壳体由台阶配合安装，内六角螺钉圆周方向布置在we型卡瓦壳体和弧形式柔性卡瓦牙圆周方向上，紧固we型卡瓦壳体和弧形式柔性卡瓦牙，we型卡瓦壳体上端面圆周方向加工有螺纹孔，通过螺钉三、金属垫圈与支撑垫环配合连接，楔形金属密封环ⅰ和楔形金属密封环镶嵌在弧形式柔性卡瓦牙的外表面的楔形槽内，所述内六角螺钉压紧we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成弧形式柔性卡瓦牙，we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成配合安装在套管头本体的内孔锥形面上。

进一步的，所述下部弧形式柔性卡瓦牙外表面加工有二层台阶，卡瓦壳体加工有二层台阶，下部弧形式柔性卡瓦牙与卡瓦壳体由台阶配合安装，卡瓦壳体下端面圆周方向加工有螺纹孔，通过螺钉、弹簧垫圈，与支撑垫环ⅱ配合连接，楔形金属密封环ⅱ镶嵌在下部弧形式柔性卡瓦牙的外表面的楔形槽内。

进一步的，所述金属密封圈总成由金属密封圈上座、h型金属密封圈及金属密封圈下座组成，h型金属密封圈设置在金属密封圈上座与金属密封圈下座中间，并压紧配合，金属密封圈上座与金属密封圈下座由12cr13加工成型，h型金属密封圈由15crnimo制成。

进一步的，其特征在于，所述c型复合密封圈由o型密封圈和c型橡胶圈配合注塑成型，c型橡胶圈由唇形密封圈结构改进设计，可以承受空间六个方向承压功能，选用c型复合密封圈选用hnbr氢化丁腈橡胶材料，其相对普通橡胶圈强度较高，耐氧化、耐老化、耐高温、耐化学酸碱腐蚀性能更强，保证密封结构寿命更长。

进一步的，所述下部弧形式柔性卡瓦牙沿圆周方向加工圆筒卡瓦结构，然后再纵向切割为分块卡瓦，安装于卡瓦壳体台阶上，和普通直卡瓦牙的安装方法相同，可实施性强，便于推广应用。

进一步的，工作过程中，将套管头本体右端部分的堵头封堵，套管头本体左端部分的接头可以连接外部高压管线。

本发明的整体密封部分基本采用金属密封结构，少的橡胶密封元件，耐高温，耐腐蚀，使用寿命延长，减少更换橡胶密封件的维修成本和劳动强度。

本发明的有益效果是：

1)利用金属密封结构的复合密封结构替代橡胶密封元件，保证承压效果，延长使用寿命，减少更换频率，密封效果优越，在卡瓦壳体和卡瓦牙之间设计楔形金属密封环，减小卡瓦壳体和卡瓦牙接触面的相对磨损；

2)将上部密封件更换为c型复合密封圈，相对普通的o型密封圈或矩形密封圈，保证在外部载荷作用下多方向的承压和密封性能，c型复合密封圈选用hnbr氢化丁腈橡胶材料，其相对普通橡胶圈强度较高，耐氧化、耐老化、耐高温、耐化学酸碱腐蚀性能更强，保证密封结构寿命更长；

3)采用弧形式柔性卡瓦牙，相比以往常规直齿式卡瓦牙，承载力更大，使套管外表面受力均匀，因此几乎不会造成对套管的咬合损伤，钛合金的卡瓦牙的耐腐蚀能力是普通合金钢的近百倍；

4)本发明设计的弧形式柔性卡瓦牙为钛合金材料，耐腐蚀和耐高温性能更强，而且具有更强的弹性形变，使得卡瓦、套管应力分布均匀，不会造成对卡瓦壳体和卡瓦牙配合的台阶面应力值过大，也不会构成对接触的套管表面的损伤，同时不会造成自身牙齿的损伤；

5)通过采用钛合金材料的卡瓦牙，使套管头整体重量减轻，进而减少了吊装和搬动的劳动强度，更易于加工和装配，可实施性强，推广运用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头的结构示意图；

图2a为本发明的三维立体结构图；

图2b为现有技术的三维立体结构图；

图3a为常规直齿式卡瓦牙的安装结构示意图；

图3b为弧形式柔性卡瓦牙的安装结构示意图；

图4为一种弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头的h型金属密封圈总成结构示意图；

图5为一种弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头的两种结构卡瓦牙安装示意图；

图6为一种弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头的we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成结构示意图；

图7a为本发明的卡瓦牙受力变化示意图；

图7b为现有技术的卡瓦牙受力变化示意图。

图中所示：

1-底板，2-垫环，3-环形支撑板，4-注脂孔，5-注脂单向阀，6-手动平板阀，7-丝扣法兰，8-堵头，9-直角式截止阀，10-抗震压力表，11-仪表法兰，12-we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成，13-顶丝总成，14-螺钉，15-c型复合密封圈，16-楔形金属密封环ⅰ，17-内六角螺钉，18-接头，19-套管头本体，20-金属密封圈总成，21-楔形金属密封环ⅱ，22-下部弧形式柔性卡瓦牙，23-卡瓦壳体，

a1、a2-螺钉弹簧垫圈，

a3-密封垫环ⅰ，

a4、a5、a6、a7-双头螺栓，

a8-密封垫环ⅱ，

121-we型卡瓦壳体，122-弧形式柔性卡瓦牙，123-金属垫圈，124-支撑垫环，125-螺钉，

151-o型密封圈，152-c型橡胶圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但并非用以限定本发明。

如图1～图7所示，一种弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头，其特征在于，本发明由底板1，支撑垫环ⅰ2，环形支撑板3，支撑垫环ⅱ4，注脂单向阀5，手动平板阀6，丝扣法兰7，堵头8，直角式截止阀9，抗震压力表10，仪表法兰11，we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成12，顶丝总成13，螺钉一14，c型复合密封圈15，楔形金属密封环ⅰ16，内六角螺钉17，接头18，套管头本19，金属密封圈总成20，下部弧形式柔性卡瓦牙21，楔形金属密封环ⅱ22，卡瓦壳体23，螺钉、弹簧垫圈a1、a2，密封垫环ⅰa3，双头螺栓、螺母a4、a5、a6、a7，密封垫环ⅱa8组成；底板1的上部与支撑垫环2焊接固定，用于支撑上部零部件，环形支撑板3上表面与支撑垫环ⅱ4接触，注脂单向阀5车有螺纹丝扣，套管头本体19钻有螺纹孔，注脂单向阀5与套管头本体19螺纹连接，所述套管头本体19左右对称布置两个手动平板阀6，所述手动平板阀6为油田标准pff78-70抗硫平板阀，套管头本体19左、右部分手动平板阀6通过丝扣法兰7与套管头本体19由双头螺栓、螺母a4、a5紧固连接，所述密封垫环ⅰa3镶嵌在手动平板阀6与套管头本体19的环形槽内，所述金属密封圈总成20镶装在套管头本体19的矩形槽内，套管头本体19内圈加工有与金属密封圈总成20配合的矩形槽，抗震压力表10，直角式截止阀9与仪表法兰11通过npt锥管螺纹连接，抗震压力表10连接在直角式截止阀9的螺纹孔内，所述顶丝总成13安装在套管头本体19径向方向加工的螺纹通孔内，密封垫环ⅱa8安装在套管头本体19上端面的预先加工的密封槽内，所述接头18螺纹连接在套管头本体19左端丝扣法兰7端面，堵头8焊接在套管头本体19右边的丝扣法兰7端面；we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成12的we型卡瓦壳体121内表面加工有三层台阶，弧形式柔性卡瓦牙122外表面加工有三层台阶，弧形式柔性卡瓦牙122是轴向切割的四瓣相互配合对称安装，并与we型卡瓦壳体121由台阶配合安装，内六角螺钉17圆周方向布置在we型卡瓦壳体121和弧形式柔性卡瓦牙122圆周方向上，紧固we型卡瓦壳体121和弧形式柔性卡瓦牙122，we型卡瓦壳体121上端面圆周方向加工有螺纹孔，通过螺钉三125、金属垫圈123与支撑垫环124配合连接，楔形金属密封环ⅰ16和楔形金属密封环161镶嵌在弧形式柔性卡瓦牙122的外表面的楔形槽内，所述内六角螺钉17压紧we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成12弧形式柔性卡瓦牙122，we型弧形式柔性卡瓦悬挂器总成12配合安装在套管头本体19预先加工的内孔锥形面上；下部弧形式柔性卡瓦牙21外表面加工有二层台阶，卡瓦壳体23加工有二层台阶，下部弧形式柔性卡瓦牙21与卡瓦壳体23由台阶配合安装，卡瓦壳体23下端面圆周方向加工有螺纹孔，通过螺钉、弹簧垫圈a1、a2，与支撑垫环ⅱ4配合连接，楔形金属密封环ⅱ22镶嵌在下部弧形式柔性卡瓦牙21的外表面的楔形槽内；金属密封圈总成20由金属密封圈上座201、h型金属密封圈202及金属密封圈下座203组成，h型金属密封圈202设置在金属密封圈上座201与金属密封圈下座203中间，并压紧配合，金属密封圈上座201与金属密封圈下座203由12cr13加工成型，h型金属密封圈202由15crnimo制成；

如图3a和3b所示，c型复合密封圈15由o型密封圈151和c型橡胶圈15配合注塑成型，c型橡胶圈152由唇形密封圈结构改进设计，可以承受空间六个方向承压功能，选用c型复合密封圈15采用hnbr氢化丁腈橡胶材料，其相对普通橡胶圈强度较高，耐氧化、耐老化、耐高温、耐化学酸碱腐蚀性能更强，保证密封结构寿命更长；下部弧形式柔性卡瓦牙21沿圆周方向加工圆筒卡瓦结构，然后再纵向切割为分块卡瓦，安装于卡瓦壳体23台阶上，和普通直卡瓦牙的安装方法相同，可实施性强，便于推广应用。

工作过程中，将套管头本体19右端部分的堵头8封堵，套管头本体19左端部分的接头可以连接外部高压管线；套管头整体密封部分基本采用金属密封结构，少的橡胶密封元件，耐高温，耐腐蚀，使用寿命延长，减少更换橡胶密封件的维修成本和劳动强度；图7中为直螺纹牙卡瓦与本专利的弧形式柔性卡瓦受力作用的对比，发现直螺纹牙卡瓦对套管局部影响巨大，且应力分布不均，上下两端大，中间小，弧形式柔性螺纹牙卡瓦对套管影响较小，且应力分布均匀。

本发明所提供的一种弧形式柔性卡瓦牙长寿命套管头，其弧形式柔性卡瓦牙都采用钛合金材料制成，相比以往常规直齿式卡瓦牙，承载力更大，使套管外表面受力均匀，因此几乎不会造成对套管的咬合损伤，钛合金的卡瓦牙的耐腐蚀能力是普通合金钢的近百倍，密封结构基本采用金属密封圈结构，保证卡瓦悬挂器的长寿命，适合用于现有的深井和超深井井口套管头的组合，扩展了卡瓦悬挂器的使用领域。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。