本发明涉及油气井钻采设备技术领域，尤其是一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器。
背景技术：
油管挂和芯轴式套管悬挂器具有基本相同的密封结构和密封机理，多数密封结构和密封件采用金属压紧密封与弹性橡胶密封的混合结构，这类密封结构常有泄漏发生，如果遇到超高温井橡胶密封件很快失效，其风险源有：安装后金属密封没有真正激发，试压合格是弹性橡胶密封起作用，时间长后橡胶老化、或被腐蚀介质侵蚀或遇高温井快速失效等，丧失密封性能力，现有结构安装时不能判别是金属密封还是弹性橡胶密封起作用，现场安装时，下放座挂悬挂器过程中要通过环形防喷器、闸板防喷器组的内孔，井架天车本生有偏移，不能判别断金属密封是否存在碰伤或挂损，存在“盲座”情况，屈服流动密封机理要求操作严格,如果座挂后密封检验不合格，必须将悬挂器连带套管串整体提离井口后检查更换，若水泥返到井口地面并已凝固或套管太重，上提困难时将导致整体安装作业失败，留下后患，油管挂也存在上潜在风险，而且密封失效的后果比套管悬挂器更严重，可能造成环空带压给井口造成安全风险，被迫压井更换金属密封。
对国内外相关专利进行调研发现：专利cn201520993567.3、专利cn201520732023.1上旋接腔与套管预留部位进行旋接，而密封部分，沿用了传统的双o型橡胶密封圈和双金属密封圈设计，具有可靠的密封性能，但密封周期短，耐高温耐腐蚀性及可靠性差；专利cn201510167051.8通过套管头本体上的试压孔检测密封可靠性，如遇密封失效可利用拆卸工具更换金属密封件，由于密封部分采用了o型橡胶圈作为主要密封圈，必然存在老化和失效的缺陷；专利cn201520424020.1上层套管头或油管头无需更换为卡瓦悬挂器配套所采用的结构形式，虽然便于更换悬挂器，但是座挂时难于判断和观察，下部密封部位没法避免下部密封部位盲座，依然靠橡胶件实现密封，寿命短和可靠性差；专利cn201420360999.6、cn201420327658.9、专利cn201220739199.6均实行金属密封与bt圈注脂的组合密封结构，橡胶密封圈均采用“高饱和氢化丁腈橡胶(hnbr)”，使之更适合在复杂井况和高温高压油气井上使用，虽然在短期内保证密封可靠性，但长期作业还是存在橡胶件失效和老化的缺陷；专利cn201110143409.5，专利cn200920255438.9虽然解决传统悬挂器的橡胶密封件容易老化且难更换的问题，无法避免产生盲座的问题，存在碰伤或挂损的风险。
现有的这些专利和产品密封部位不可避免需要使用橡胶密封件，容易发生橡胶件的老化，在外界各种恶劣环境下，橡胶件的寿命会受到极大影响，大大降低橡胶件的可靠性，不能保证永久密封及后期的安全性，另外当下放带有密封结构的悬挂器，悬挂器座挂于四通台阶位置，会形成座封盲区，难于判断下部密封碰伤或挂损，而且不便于更换密封组件，对于超深、超高压、超高温井及高含硫油气井的完井、采油、采气作业带来安全风险。
技术实现要素：
本发明主要是为了克服上述难题和现有密封结构的缺陷，保证油气开采作业的永久性安全，防止后期密封泄漏失效事故，提供一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器，本悬挂器可以用于在长期的开采过程中，井口和采油树作为多级屏障，有最高的安全余量，在多级全金属密封屏障保护作用下，产层流体不可能直接泄漏在大气环境。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器，包括芯轴、四通、上部双u型金属密封组件、下部单u型金属密封组件；
所述芯轴从上到下设有上圆锥台阶面、圆柱台肩、下圆锥台阶面，所述四通内壁上部设有圆锥面，内壁中部设有斜台阶面；
所述芯轴竖直设置在四通内，所述上圆锥台阶面与圆锥面之间形成上锥形间隙，所述下圆锥台阶面与斜台阶面之间形成下锥形间隙，所述上部双u型金属密封组件设置在上锥形间隙内，所述下部单u型金属密封组件设置在下锥形间隙内；
所述上部双u型金属密封组件包括螺纹式预紧力压块、上顶环、双u型金属密封环、上支撑环，所述上支撑环上端嵌入双u型金属密封环的下部u型开口内，下端压在圆柱台肩的上端面上，所述上顶环下端嵌入双u型金属密封环的上部u型开口内，所述螺纹式预紧力压块与芯轴螺纹连接并压紧上顶环上端；
所述下部单u型金属密封组件包括下顶环、单u型金属密封环、下支撑环、固定环，所述下顶环上端与圆柱台肩的下端轴向配合，下端嵌入单u型金属密封环的u型开口内，所述下支撑环上端与单u型金属密封环下端平面支撑配合，所述固定环与芯轴螺纹连接并支撑下支撑环。
进一步的是，所述下支撑环与芯轴的下圆锥台阶面之间具有间隙。
进一步的是，所述下顶环下端与单u型金属密封环的u型开口之间也具有间隙。
进一步的是，所述双u型金属密封环、单u型金属密封环u型开口的密封面均为椭圆形锥面。
进一步的是，所述椭圆形锥面上敷焊有软金属层。
进一步的是，所述四通左右两侧均依次设置有手动平板阀、仪表法兰、手动平板阀、压力表法兰、autoclave堵头，所述仪表法兰上设有直通式截止阀、抗震压力表。
进一步的是，所述仪表法兰上设有堵头。
进一步的是，所述压力表法兰上设有autoclave注脂阀。
进一步的是，所述四通的上部径向设有上部试压孔和下部试压孔。
进一步的是，所述四通的上部径向还设有顶丝组件，所述顶丝组件末端斜面与上顶环的斜面配合压紧。
本发明的有益效果是：
1)本发明的结构为多级金属密封结构，不涉及橡胶密封件，可提高多种恶劣环境下的承压、防腐蚀、橡胶老化失效的能力，大大提高使用寿命，保证套管头悬挂器密封环空的可靠性，防止不同等级的压力串通给套管头以及套管串的承压造成安全风险，危及井口的安全生产；
2)与现有悬挂器结构相比，直接利用压环对上部锥形环定位，减少定位孔的钻铰工艺，定位销钉对下部密封金属密封部位的定位，减少四通周向的多孔定位安装工艺，现场操作适应性：密封操作、检验认可、可修复性，不会增加固井后拆卸和安装的难度；
3)u型金属密封为复合型金属密封，基体为高强度，表面敷焊一层一定厚度的软金属，通过轴向加压和套管串自重作用激发软金属塑性流动与基体弹性变形实现密封；
4)该全金属多级密封芯轴式悬挂器用于超深、超高压、超高温及高含硫油气井的套管头组合；密封原理和结构有创新，通过大量的理论研究和多种密封结构面(线性、正弦、抛物线及其椭圆)接触压力分布的有限元计算机仿真模拟研究，获到了最优的、可靠的整体密封结构位置及其结构尺寸，通过对线性、正弦、抛物线及其椭圆密封面接触压力分布的计算机仿真模拟研究结果得出：椭圆密封结构曲面的接触深度和宽度较大，其接触压力分布均匀，足以长期实现密封，可靠性高；
5)本发明与现有悬挂器结构相比，密封结构中密封元件大大减少，简化了加工和装配工艺，减少加工周期，并可以在应急状况下装配卡瓦悬挂器，且更换方便，可实施性强，易于推广运用。
附图说明
图1为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的结构示意图；
图2为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的i处放大图；
图3为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的ii处放大图；
图4为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的iii处放大图；
图5为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的k-k剖面图；
图6为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的上部金属密封组件三维图；
图7为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的下部金属密封组件三维图；
图8为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的芯轴三维图；
图9为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的双u型金属密封环；
图10为一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器的单u型金属密封环。
图中所示：1-芯轴、2-四通、3-螺纹式预紧力压块、4-上顶环、5-双u型金属密封环、6-上支撑环、7-下顶环、8-单u型金属密封环、9-下支撑环、10-固定环、11-上部试压孔11、12-下部试压孔、13-autoclave堵头、14-压力表法兰、15-autoclave注脂阀、16-直通式截止阀、17-抗震压力表、18-手动平板阀、19-堵头、20-顶丝组件。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种3u型多级全金属密封芯轴式悬挂器，包括芯轴1、四通2、上部双u型金属密封组件、下部单u型金属密封组件；所述芯轴1下部加工有螺纹，与下部套管柱连接，芯轴1和四通2分别由不同强度的金属材料加工，且芯轴1的强度大于四通2；
所述芯轴1从上到下设有上圆锥台阶面、圆柱台肩、下圆锥台阶面，所述四通2内壁上部设有圆锥面，内壁中部设有斜台阶面；
所述芯轴1竖直设置在四通2内，所述上圆锥台阶面与圆锥面之间形成上锥形间隙,其锥形角度为c，所述下圆锥台阶面与斜台阶面之间形成下锥形间隙，所述上部双u型金属密封组件设置在上锥形间隙内，所述下部单u型金属密封组件设置在下锥形间隙内；
所述上部双u型金属密封组件包括螺纹式预紧力压块3、上顶环4、双u型金属密封环5、上支撑环6，所述上锥形间隙与双u型金属密封环5外表面相配合，所述上支撑环6上端嵌入双u型金属密封环5的下部u型开口内，下端压在圆柱台肩的上端面上，所述上顶环4下端嵌入双u型金属密封环5的上部u型开口内，所述螺纹式预紧力压块3与芯轴1螺纹连接并压紧上顶环4上端，从而将上顶环4、双u型金属密封环5、上支撑环6依次压紧在圆柱台肩上；
所述下部单u型金属密封组件包括下顶环7、单u型金属密封环8、下支撑环9、固定环10，所述下顶环7上端与圆柱台肩的下端轴向配合，即是下顶环7上端顶在圆柱台肩的下端面上，下顶环7的下端嵌入单u型金属密封环8的u型开口内，所述下支撑环9上端与单u型金属密封环8下端平面支撑配合，所述固定环10与芯轴1螺纹连接并支撑下支撑环9，并随芯轴1下放，然后下支撑环9坐落在四通2的斜台阶面上。
为了保证密封接触的安全性和可靠性，优选的实施方式是，所述下支撑环9与芯轴1的下圆锥台阶面之间具有间隙b，所述下顶环7下端与单u型金属密封环8的u型开口之间也具有间隙a。
所述双u型金属密封环5、单u型金属密封环8的u型开口的密封面均为椭圆形锥面，所述椭圆形锥面上敷焊有软金属层。通过旋转加压和套管串自重作用激发软金属塑性流动与基体弹性变形实现密封。
本实施例中：所述四通2左右两侧均依次设置有手动平板阀18、仪表法兰、手动平板阀18、压力表法兰14、autoclave堵头13所述仪表法兰上设有直角式截止阀16、抗震压力表17，所述仪表法兰上设有堵头19，所述手动平板阀18上设有autoclave注脂阀15。
四通2中部侧出口内加工有螺纹丝扣，其中autoclave堵头13、压力表法兰14、autoclave注脂阀15、直通式截止阀16、抗震压力表17、手动平板阀18在四通2两端对称布置，四通2与手动平板阀18连接，所述手动平板阀18、仪表法兰由抗硫材料加工，抗震压力表17及直通式截止阀16与仪表法兰通过螺纹连接，抗震压力表17连接在直通式截止阀16的螺纹孔内，autoclave注脂阀15与手动平板阀18通过螺纹连接，在仪表法兰开有备用堵头孔，堵头孔装有堵头19。
其中四通2左右端的autoclave堵头13根据施工要求选择打开和关闭，通过观察抗震压力表17压力变化手动平板阀18内漏情况以判断其可靠性。四通2左右端部分可以换装相应的法兰后连接外部放喷或生产管线。
用于试压和拆卸维修密封组件，优选的实施方式是，所述四通2的上部径向设有上部试压孔11和下部试压孔12。
本实施例中优选的实施方式是，所述四通2的上部径向还设有顶丝组件20，所述顶丝组件20末端斜面与上顶环4的斜面配合压紧，可以预防在固井过程中下部压力过大，引起芯轴密封结构整体上窜。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，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做出些变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。