特殊扣石油套管密封结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械制造领域，更具体的说，是涉及一种特殊的石油套管密封结构。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的发展和科学技术的进步，人们对石油能源的依赖性越来越强。这 促使了地下深层油气资源的开发利用，而在深井服役的石油套管负载非常复杂，要求其必 须具有足够的机械强度和密封性能。
[0003] 通常采用接头用螺纹将两根石油套管联接形成套管柱而使用，这种螺纹有采用 API标准或非API标准的两种，非API标准螺纹适用于深井使用，采用非API标准螺纹联接 的石油套管也称为特殊扣石油套管。
[0004] 目前，特殊扣石油套管的螺纹联接结构如图1所示，石油套管1和接头2的联接部 位分为抗过扭矩台肩3、螺纹4和密封结构面5三部分。
[0005] 联接部位的密封结构是石油套管柱的薄弱部位，主要有锥面/锥面（如图2a所 示）、锥面/球面（如图2b所示）、柱面/球面（如图2c所示）等密封形式。
[0006] 采用锥面/球面密封形式或柱面/球面密封形式，其泄漏路径相对较短；采用锥面 /锥面密封形式，对密封面的锥度加工精度要求过高。无论哪种密封结构，其效果都非常有 限。以美国墨西哥湾和我国渤海等有代表性的漏油事件就从侧面反映了石油套管的结构问 题。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题，是克服上述现有技术中存在的不足，提供一种密封 性好、耐压强度高的特殊扣石油套管密封结构。
[0008] 本发明特殊扣石油套管密封结构，石油套管与接头的一端通过螺纹连接，石油套 管与接头的另一端与抗过扭矩台肩接触，石油套管与接头的中部环形间隙为退刀槽，其特 征是，所述退刀槽安装磁流变液密封结构，所述磁流变液密封结构由环形永磁体、环形磁 极、磁流体和导磁密封轴构成，环形永磁体两端设置环形磁极，导磁密封轴穿过环形永磁体 和环形磁极，所述每个环形磁极设置至少两个极齿，与永磁体对称的两个极齿经永磁体形 成一个闭合磁回路，每个闭合磁回路注入磁流体。
[0009] 所述永磁体的轴向长度为10_15mm。
[0010] 所述导磁密封轴与磁极之间的间隙为〇. 2-0. 6_。
[0011] 所述极齿宽度为〇. 5-1. 0mm，极齿的齿槽宽度为2. 5-4mm，极齿的齿槽高度为 l-2mm〇
[0012] 本发明具有如下有益效果：
[0013] 1、本发明的密封结构与美国石油协会API标准规定的接头具有不同的密封机理， 不是采用金属密封形式，而是采用磁流变液密封形式。
[0014] 2、在金属密封中，为保证密封面具有较大的接触应力，需要较大的过盈量和限制 轴向拉力，这会增加石油套管粘扣的几率和降低轴向拉力，加大石油套管的使用成本，本发 明的密封结构采用磁流变液密封形式，可以降低石油套管的使用成本。
[0015] 3、在金属密封中，为保证密封面具有较大的接触应力，需要提高石油套管的加工 精度，防止加工误差造成的接触压力降低，本发明的密封结构采用磁流变液密封形式，可以 降低石油套管的加工精度。
[0016] 4、保留API标准的抗扭矩台阶能防止过大的扭矩损伤联结螺纹，保护螺纹，并有 辅助密封作用。
【附图说明】
[0017] 图1是现有特殊扣石油套管的螺纹联接结构示意图；
[0018] 图2a是现有特殊扣石油套管的锥面/锥面密封结构形式；
[0019] 图2b是现有特殊扣石油套管的锥面/球面密封结构形式；
[0020] 图2c是现有特殊扣石油套管的柱面/球面密封结构形式；
[0021] 图3是本发明的特殊扣石油套管的密封结构示意图；
[0022] 图4是磁流变液密封结构示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0024] 如图3所示，石油套管1与接头2的一端通过螺纹4连接，石油套管与接头的另一 端与抗过扭矩台肩3接触，石油套管与接头的中部环形间隙为退刀槽6,所述退刀槽安装磁 流变液密封结构7，如图4所示，所述磁流变液密封结构由环形永磁体8、环形磁极9、磁流体 10和导磁密封轴11构成，环形永磁体两端设置环形磁极，导磁密封轴穿过环形永磁体和环 形磁极，所述每个环形磁极设置至少两个极齿，与永磁体对称的两个极齿经永磁体形成一 个闭合磁回路12,每个闭合磁回路注入磁流体。
[0025] 磁流变液是一种由纳米级铁磁性颗粒、悬浮介质和添加剂混合形成的混合液体材 料。磁流变液密封能力明显优于其它密封结构，具有密封性好、耐压强度高、摩擦损耗小、寿 命长等特点，不受尺寸精度、热膨胀、密封间隙等的影响。
[0026] 磁流变液用于石油套管的密封是利用磁性液体对磁场的响应特性，将磁性液体注 入由永磁体、导磁性良好的极靴和导磁性石油套管构成的导磁回路中，形成数个液体" O "形 密封圈，当磁性液体受压差作用时，会在非均匀磁场中移动，产生对抗压差的磁力进而达到 新的平衡，这样就起到了密封的作用。
[0027] 磁流变液的制备，将耐高温、不溶于机械用油和水的二甲基硅油作为基液，磁流体 为直径约IOnm大小Fe 3O4的粒子，分散剂（或扩散剂）采用亚油酸液体，比例为IOmUlOg 及 0. lg。
[0028] 下面对磁流变液密封结构做详细说明：
[0029] 1、永磁体的尺寸参数
[0030] 本发明的永磁体采用轴向充磁的钦铁硼材料，主要尺寸有外径D、轴向长度L及径 向厚度a，永磁体的尺寸与密封间隙g内的最大磁通密度B ni有密切关系，所以永磁体的尺寸 要合理设计。
[0031] 1)永磁体的轴向长度L
[0032] 随永磁体轴向长度的增加，密封间隙g内的磁通密度上升，当轴向长度增加到一 定值后，磁通密度基本保持不变。因此，选择合适的永磁体轴向长度，可以减小永磁体的径 向厚度。当密封间隙g = 〇· 2mm时，永磁体的轴向长度可取L = 10~15mm〇
[0033] 2)永磁体的外径D
[0034] 永磁体的外径D根据石油套管接头的密封部内径选取。如果石油套管接头材料为 导磁体则应在接头和永磁体之间加隔磁套，即可满足设计要求。
[0035] 3)永磁体的径向厚度a
[0036] 永磁体的径向厚度a选取一般采用尝试法。当永磁体的轴向长度L及外径D都确 定之后，通过改变径向厚度a值而不断计算密封结构的压差，直至达到设计的封压差，即可 确定永磁体的径向厚度a。
[0037] 2、磁极的尺寸参数
[0038] 确定永磁体尺寸后，磁极的尺寸参数将直接影响密封间隙内的磁场梯度，从而影 响密封性能。因此，要合理选取磁极尺寸参数以提高磁流体的密封效果，如图4所示。
[0039] 1)密封间隙g
[0040] 磁流变液密封结构中的导磁密封轴与磁极之间的间隙增大，会导致密封性能下 降，这是影响密封能力的重要参数。在加工制造条件的前提下，应尽量减小密封间隙，一般 取 g = 0· 2 ~0· 6mm。
[0041] 2)极齿宽度t
[0042] 密封压差随极齿宽度的增大而增加，升至最高值后，开始下滑。在极齿宽度太小 时，齿部磁场饱和导致磁场边缘效应增大，致使极齿下的磁通密度减小，从而使密封压差； 在齿宽较大时，磁通密度增大，但密封间隙内的无用磁通增加，从而使总磁通的利用率下 降，导致密封压差减小。极齿宽度的最优值一般为t = 0. 5~I. 0mm。
[0043] 3)齿槽宽度s
[0044] 齿槽宽度减小，齿槽内的磁通密度增大，但极齿两边的磁通密度差减小，使密封压 差降低；齿槽宽度增加，磁通密度减小，但极齿两边的磁通密度差增大，使密封压差增加。如 果齿槽宽度过大，齿槽内将产生无用磁通，密封压差下降。齿槽宽度的最优值一般取 S = 2. 5~4mm较合理。
[0045] 4)齿槽高度h
[0046] 增加齿槽高度使密封间隙内的磁通密度减小，从而增大密封压差。但当齿槽高度 增加到一定值后，密封压差变化不大。考虑到齿槽的加工制造难度，一般取齿槽高度h = 1~2mm比较合理。
[0047] 3、磁流变液的密封能力
[0048] 磁流变液的密封能力计算式为：
[0049] Δ p = NMs (Bmax-Bmin)
[0050] 式中：N为密封极数；
[0051] MsS磁流变液的饱和磁化强度；
[0052] Bmax为密封间隙内磁感应强度的极大值；
[0053] Bmin为密封间隙内磁感应强度的极小值。
[0054] 实验例：
[0055] 石油套管材料选用IGJSNiOTi,接头材料也选用同样的IGJSN iOTp永磁体为钕铁 硼，矫顽力H。= 935KA/m，每个磁极有3个极齿，磁流变液的饱和磁化强度为Ms= 30KA/m， 具体尺寸见表1所示。
[0056] 表1石油套管、永磁体及磁极的尺寸（单位：_)
[0057]
【主权项】
1. 一种特殊扣石油套管密封结构，石油套管与接头的一端通过螺纹连接，石油套管与 接头的另一端与抗过扭矩台肩接触，石油套管与接头的中部环形间隙为退刀槽，其特征是， 所述退刀槽安装磁流变液密封结构，所述磁流变液密封结构由环形永磁体、环形磁极、磁流 体和导磁密封轴构成，环形永磁体两端设置环形磁极，导磁密封轴穿过环形永磁体和环形 磁极，所述每个环形磁极设置至少两个极齿，与永磁体对称的两个极齿经永磁体形成一个 闭合磁回路，每个闭合磁回路注入磁流体。
2. 根据权利要求1所述的一种特殊扣石油套管密封结构，其特征是，所述永磁体的轴 向长度为10_15mm〇
3. 根据权利要求1所述的一种特殊扣石油套管密封结构，其特征是，所述导磁密封轴 与磁极之间的间隙为0. 2-0. 6_。
4. 根据权利要求1、2或3所述的一种特殊扣石油套管密封结构，其特征是，所述极齿宽 度为0. 5-1. 0mm，极齿的齿槽宽度为2. 5-4mm，极齿的齿槽高度为l-2mm。
【专利摘要】本发明公开了一种特殊扣石油套管密封结构。本发明石油套管与接头的一端通过螺纹连接，石油套管与接头的另一端与抗过扭矩台肩接触，石油套管与接头的中部环形间隙为退刀槽，其特征是，所述退刀槽安装磁流变液密封结构，所述磁流变液密封结构由环形永磁体、环形磁极、磁流体和导磁密封轴构成，环形永磁体两端设置环形磁极，导磁密封轴穿过环形永磁体和环形磁极，所述每个环形磁极设置至少两个极齿，与永磁体对称的两个极齿经永磁体形成一个闭合磁回路，每个闭合磁回路注入磁流体。本发明采用磁流变液密封形式，可以降低石油套管的使用成本，可以降低石油套管的加工精度。
【IPC分类】E21B17-08
【公开号】CN104847282
【申请号】CN201510237843
【发明人】李连进, 张海军, 乔治霞, 李牧, 王惠斌, 张传友, 宗卫兵, 王东爱, 洪林
【申请人】天津商业大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月12日