一种整体式单金属密封安装方法及密封面压力自动调整系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于石油天然气钻井的整体式单金属密封安装方法及密封面压力自动调整系统，属于石油钻井井下设备技术领域，主要由单金属密封、压力加载系统、安装座、主轴和壳体构成；首先在钻井工具的外部进行单金属密封的组装，然后再把已经装好的单金属密封及安装座安装在壳体和主轴之间即可达到安装要求；压力加载系统主要由缸体、弹簧、活塞和壳体组成，钻井液压力会导致活塞端部对动环座的外侧施加推力，可以持续地保证密封面的外侧接触压力大于内侧接触压力，实现当钻井深度逐渐增大时，密封面可持续地形成内楔形间隙。
【专利说明】
一种整体式单金属密封安装方法及密封面压力自动调整系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于石油天然气钻井的整体式单金属密封安装方法及密封面压力自动调整系统，属于石油钻井井下设备技术领域。
【背景技术】
[0002]钻井过程中经常由于井下工具动密封的失效而造成巨大的经济损失，单金属密封主要应用于牙轮钻头上，中国专利CN 101086197A提出一种单金属密封，该结构可以适应井底振动造成旋转轴的径向摆动，然而橡胶支撑环的压缩量对单金属密封的性能有很大的影响，如果在钻具内部安装单金属密封的各个零件，则安装误差非常大，所以迫切需要一种可以在钻具外部完成组装，然后再整体安装在钻具内部的密封机构；另一方面，随着钻井深度的变化，单金属密封的动密封面的接触压力会发生改变，根据理论分析和实验研究发现，钻井初始阶段，钻井压力比较小，单金属密封面外侧的接触压力大于内侧，形成内收敛间隙，有利于润滑油膜的形成，随着钻井深度的增加，密封面外侧的接触压力逐渐会小于内侧，动密封面则变成外楔形间隙，不能形成润滑油膜，同时钻井液中的固体颗粒会进入密封面，导致密封面磨损加剧，所以如何能够通过结构优化，实现当钻井压力逐渐增大时，密封面可以持续地形成内楔形间隙，延长动密封的寿命是非常重要的。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有井下动密封技术的不足，对现有的动密封结构进行改进，本发明的技术方案是:本发明一种整体式单金属密封及密封面压力自动调整系统，主要由单金属密封、压力加载系统、安装座、主轴和壳体构成。
[0004]所述整体式单金属密封由安装座、静环、动环、橡胶圈、橡胶支撑环和动环座组成，其中动环、橡胶圈和橡胶支撑环安装在动环座上，随主轴一起旋转，静环安装在安装座上，固定不动，动环和静环之间的接触面为密封面，密封面靠近主轴一侧为润滑油腔，靠近壳体一侧为钻井液腔;首先在钻井工具的外部进行单金属密封的组装，橡胶支撑环、橡胶圈、动环、静环先放置在动环座和安装座之间，然后在动环座的右侧施加压力，迫使橡胶圈和橡胶支撑环发生变形，当密封面的接触压力达到所需要的压力时，通过挡环和螺钉将动环座固定在安装座上，然后再把已经调整好的整体式单金属密封安装在壳体和主轴之间，并通过主轴上的主轴螺钉和主轴挡环卡住动环座的内侧，最后拆掉挡环和螺钉即可达到安装要求。
[0005]所述压力加载系统主要由缸体、弹簧、活塞和壳体组成，其中壳体和四个缸体通过螺纹联接实现固定，钻井液分别作用在缸体的左侧和活塞的右侧，缸体左侧的钻井液压力可以传递到壳体上，不会影响活塞的受力；而活塞右侧的钻井液压力则和缸体内部弹簧的弹力形成一种动态平衡，随着钻井深度的增加，活塞会进一步压缩弹簧，达到一种新的平衡，此时活塞左侧的端部会对动环座的外侧施加轴向推力，而且该轴向推力会随着钻井深度的增加而不断增大，从而可以持续地保证密封面的外侧接触压力大于内侧接触压力，实现当钻井深度逐渐增大时，密封面可持续地形成内楔形间隙，润滑油腔的润滑油则可以形成动态油膜，从而防止钻井液中的颗粒进入密封面的外侧，延长密封的寿命;动环座底部的外侧厚度为内侧厚度的二分之一，且内外侧过渡处为圆弧，该种结构更有利于动环座的变形，可以更好的压紧密封面的外侧。
[0006]本发明的有益效果和优点如下:
1.实现了单金属密封的整体式安装，避免了在钻具的内部调整密封面的接触压力，提高了单金属密封的安装精度，同时也降低了操作难度;2.通过压力加载系统，实现了密封面外侧接触压力随钻井深度的增加逐渐增大，可以持续地保证密封面的外侧接触压力大于内侧接触压力，解决了长期以来随着钻井深度的增加，单金属密封失效概率逐渐增多的问题。
[0007]【附图说明】:
图1为本发明一种整体式单金属密封及密封面压力自动调整系统的轴截面示意图；
图2为整体式单金属密封在钻具外部的组装示意图；
图3为整体式单金属密封在主轴上的安装示意图；
图4为缸体和壳体连接的三维图；
图5为密封面内收敛间隙示意图；
图6为密封面外收敛间隙示意图；
图中:1.壳体，2.测试仪器，3.安装座，4.静环，5.动环，6.螺钉，7.挡环，8.缸体，9.弹簧，10.活塞，11.钻井液腔，12.橡胶支撑环，13.主轴挡环，14.主轴螺钉，15.动环座，16.主轴，17.橡胶圈，18.密封面，19.润滑油腔。
[0008]【具体实施方式】:
在图1、图2、图3、图4、图5和图6中，一种整体式单金属密封及密封面压力自动调整系统，主要由单金属密封、压力加载系统、安装座2、主轴16和壳体I构成。
[0009]在图1、图2、图3、图4、图5和图6中，所述整体式单金属密封由安装座3、静环4、动环5、橡胶圈17、橡胶支撑环12和动环座15组成，其中动环5、橡胶圈17和橡胶支撑环12安装在动环座15上，随主轴16—起旋转，静环4安装在安装座3上，固定不动，动环5和静环4之间的接触面为密封面18，密封面18靠近主轴16—侧为润滑油腔19，靠近壳体I的一侧为钻井液腔11;首先在钻具壳体I的外部进行单金属密封的组装，橡胶支撑环12、橡胶圈17、动环5、静环4先放置在动环座15和安装座3之间，然后在动环座15的右侧施加压力，迫使橡胶圈17和橡胶支撑环12发生变形，当密封面18的接触压力达到所需要的压力时，通过挡环7和螺钉6将动环座15固定在安装座3上，然后再把已经调整好的单金属密封整体安装在壳体I和主轴16之间，并通过主轴16上的主轴螺钉14和主轴挡环13卡住动环座15的内侧，最后拆掉挡环7和螺钉6即可达到安装要求。
[0010]在图1、图2、图3、图4、图5和图6中，所述压力加载系统主要由缸体8、弹簧9、活塞10和壳体I组成，其中壳体I和缸体8通过螺纹联接实现固定，钻井液分别作用在缸体8的左侧和活塞1的右侧，缸体8左侧的钻井液压力可以传递到壳体I上，不影响活塞1的受力;而活塞10右侧的钻井液压力则和缸体8内部弹簧9的弹力形成一种动态平衡，随着钻井深度的增加，活塞10会进一步压缩弹簧9，达到一种新的平衡，此时活塞10左侧的端部会对动环座15施加轴向推力，而且该轴向推力会随着钻井深度的增加而不断增大，从而可以持续地保证密封面18的外侧接触压力大于内侧接触压力，实现当钻井深度逐渐增大时，密封面18可持续地形成内楔形间隙，润滑油腔19的润滑油则可以形成动态油膜，从而防止钻井液中的颗粒进入密封面18的外侧，延长密封的寿命;动环座15底部的外侧厚度为内侧厚度的二分之一，且内外侧过渡处为圆弧，该种结构更有利于动环座15的变形，可以更好的压紧密封面18的外侧。
【主权项】
1.一种整体式单金属密封安装方法，其特征在于:所述整体式单金属密封由安装座(3)、静环(4)、动环(5)、橡胶圈(17)、橡胶支撑环(12)和动环座(15)组成，首先在钻具壳体(I)的外部进行整体式单金属密封的组装，当密封面(18)的接触压力达到所需要的压力时，通过挡环(7)和螺钉(6)将动环座(15)固定在安装座(3)上，然后把已经调整好的整体式单金属密封安装在壳体(I)和主轴(16)之间，并通过主轴(16)上的主轴螺钉(14)和主轴挡环(13)卡住动环座(15)的内侧，最后拆掉挡环(7)和螺钉(6)即可达到安装要求。2.—种如权利要求1所述的整体式单金属密封的密封面压力自动调整系统，其特征在于:所述密封面压力自动调整系统主要由缸体(8)、弹簧(9)、活塞(10)和壳体(I)组成，其中缸体(8)沿周向布置四个，和壳体(I)通过螺纹联接实现固定；在钻井液压力作用下，活塞(10)的伸出端紧贴动环座(15)底部的外侧;所述动环座(15)底部的外侧厚度为内侧厚度的二分之一，且动环座(15)内外侧过渡处为圆弧。
【文档编号】E21B10/25GK106014263SQ201610458342
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】张毅, 张晓东, 张明明, 肖平, 周权, 卢美亮, 吴倩
【申请人】西南石油大学