一種組合密封裝置及導向鑽井工具的組合密封結構的製作方法

2023-10-31 04:34:57

專利名稱：一種組合密封裝置及導向鑽井工具的組合密封結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於井下密封裝置技術領域，具體涉及一種用於在井下惡劣工況下能可靠
地將高壓的被密封流體密封的密封組件。
背景技術：
井下密封裝置主要解決井下導向鑽井工具的心軸類密封問題。為提高鑽採設備和井下工具可靠性和安全性，針對油田鑽採設備和井下工具的旋轉密封大都採用各種心軸類密封，常用的密封有填料密封和各種唇形密封。這些密封都是靠強力來實現密封的，雖然提高了密封效果，但會導致軸與密封件之間的潤滑狀況變差、摩擦增大、過熱及密封件材料的磨損等不利後果，降低了密封效果。 用於井下導向鑽進的指向式旋轉導向工具由於在工作過程中心軸彎曲，因此對密封具有特殊的設計要求，主要體現在 1.由於心軸有一定的徑向偏擺量，要求密封裝置要具備徑向自動補償功能。 2.密封性能良好，允許潤滑油向外少量洩漏，不允許外界汙物進入導向工具內部。 3.抗高溫性能好。隨著鑽井深度的增加，井下溫度逐漸升高，但要保證密封件在高
溫狀態下不會失效。 4.耐腐蝕，耐高壓。 5.密封可靠性和使用壽命較高。 但目前常用的密封，難以符合指向旋轉式導向工具的要求，例如 唇形密封唇形密封是依靠密封件唇口與配合面之間的過盈量和工作介質的壓力
使密封件產生彈性變形，以封堵相對運動兩零件之間的間隙，達到密封的目的。在井下高
溫、高壓等複雜的工況下，密封介質為高壓、磨礪性強的鑽井液，唇形密封很難達到井下密
封的工作要求，較少採用。
填料密封盤根材料具有一定的彈塑性、化學穩定性、不滲透性、自潤滑性、耐溫
性，由於其拆裝方便、製造簡單、價格低廉等特點，在井下工具密封方面得到較廣泛的應用。
密封介質的溫度、壓力、以及設備的線速度、表面粗糙度、同軸度、徑跳、偏心等因素會影響
盤根填料的密封效果。由於井下密封的密封介質為高壓、磨礪性強的鑽井液，通常將盤根纏
繞在心軸上，阻止工具外的鑽井液進入，盤根密封是轉與不轉的動密封，在高壓下盤根與軸
或軸套直接接觸且相對轉動，會造成盤根、軸或軸套的磨損，需經常更換盤根及定期或不定
期更換軸套。這些導緻密封性能差，使用壽命短，維護成本高，工作效率低。
機械密封至少有一對垂直於心軸線的端面，該端面在流體壓力及補償機械(彈
力或磁力)的作用下，加之輔助密封的配合，與另一端面保持貼合併相對滑動，從而防止流
體洩露。由於兩個密封端面的緊密貼合，使密封端面之間的交界(密封界面)形成微小間
隙，當有壓介質通過此間隙時，形成極薄的液膜，造成阻力，阻止介質洩露，又使得端面得以
潤滑，由此獲得長期的密封效果。然而機械密封必須保證密封件的密封端面緊密貼合，該密
封件才能保證其有效工作，因此當工作條件或環境發生變化，如指向式旋轉導向工具的軸產生小彎曲變形時，會對密封端面的貼合產生影響；泥漿中固體的研磨作用會使相鄰內表面磨損，可能產生高值端面載荷導緻密封端面劇烈磨損，大大縮短使用壽命，或者導致洩露至密封失效。因此以上的幾種密封方式都無法達到井下工具的密封要求。

發明內容
為了解決上述填料密封和機械密封用於井下指向式旋轉導向工具存在的上述問題，本發明提供一種組合密封形式實現密封的密封裝置，用於導向鑽井工具中提高了井下密封的可靠性和使用壽命。 本發明的技術方案是這樣實現的一種組合密封裝置，包括波紋管、機械密封和密封套，波紋管與密封套一端連接，密封套內同軸裝有機械密封和兩個軸承，機械密封設置在第一軸承和第二軸承之間，且機械密封的靜環與所述密封套之間裝有密封圈進行密封。兩個軸承可以保證機械密封件的動、靜環端面能夠緊密貼合。 為了便於組合密封中軸承和機械密封的裝配，與機械密封的靜環相對的第二軸承一側裝有鎖緊套向機械密封方向抵住所述的第二軸承，鎖緊套通過外螺紋裝配在所述的密封套內。 所述的密封圈一側裝有墊片，且墊片和密封圈被安裝固定在靜環上的壓環壓緊，墊片能調節機械密封動、靜環端面間的壓力。 還包括一個帶有外螺紋的螺紋排屑套安裝在所述的鎖緊套內，利用螺紋排屑套與
密封設備心軸旋轉方向相反的螺紋槽，可以實現排渣，以提高密封使用壽命。 還有一個內套安裝在所述的螺紋排屑套內且與螺紋排屑套為過盈配合，以便於組
合密封的裝配。 還包括一個第三軸承安裝在所述密封套波紋管連接端向內的凸臺與第一軸承之間，該第三軸承的轉動面與所述密封套軸心線垂直，第三軸承的軸承環與第一軸承內環之間墊有環套。 本發明還提供了一種導向鑽井工具的組合密封結構，包括同軸套在導向鑽井工具的心軸上的波紋管、機械密封、密封套，所述的波紋管一端與導向鑽井工具中的防轉套連接，波紋管另一端與所述密封套連接，在所述的密封套與心軸之間裝有第一軸承和第二軸承，所述機械密封位於密封套內且設置在第一軸承和第二軸承之間，且機械密封的靜環與所述密封套之間裝有密封圈進行密封。第一軸承和第二軸承可以對心軸產生徑向約束作用，使心軸與密封套和機械密封保持同心，消除心軸的偏擺對密封性能的影響，保證軸端的同軸度要求，以達到機械密封的動、靜環端面緊密貼合的要求。 還包括一個通過過盈配合安裝在所述心軸上的內套，所述的機械密封中的靜環活
套在該內套上，在與機械密封的靜環相對的第二軸承一側裝有鎖緊套抵住所述的第二軸承，鎖緊套通過外螺紋裝配在所述的密封套內，在鎖緊套的內孔內有一個帶外螺紋的螺紋
排屑套通過過盈配合安裝在所述的內套上，所述螺紋排屑套的螺紋旋向和導向鑽井工具的心軸的鑽進旋轉方向相反，且螺紋排屑套與鎖緊套之間有間隙。採用螺紋排屑套避免泥漿中的固體對機械密封端面產生研磨的副作用，當鑽進時，可以將泥漿中的固體從螺紋排屑套和鎖緊套之間的空隙有效地排出，有效降低泥漿中的固體對機械密封副的端面磨損，有效提高密封的有效壽命。
所述的機械密封的靜環與密封套之的密封圈一側裝有墊片，且墊片被安裝固定在靜環上的壓環壓緊。 還包括一個第三軸承安裝在所述密封套向內的凸臺與第一軸承之間，該第三軸承的轉動面與所述密封套軸心線垂直，防止由於在使用時重力作用對第一軸承和第二軸承的損壞，以及重力作用使機械密封動靜環之間壓力過大而加快磨損。 本發明的有益效果本發明採用波紋管、機械密封形成的組合密封，滿足了導向工具下端在正常鑽進和導向鑽進兩種工作狀態下的動密封要求，保證了機械密封件的動、靜密封端面能夠緊密貼合，防止密封端面劇烈磨損，提高了井下密封的可靠性和使用壽命。並且當採用螺紋排屑套時，又可降低泥漿中固體顆粒對機構密封的影響。


圖1為本發明的組合密封裝置的結構示意圖； 圖2為將圖1中的組合密封裝置應用於導向鑽井工具後形成的導向鑽井工具的組合密封結構示意圖。 圖中1心軸，2套筒，3波紋管，4扶正器，5第一軸承，6機械密封，7第二軸承，8鎖緊套，9螺紋排屑套，10防轉套，11密封套，12機械密封靜環，13內套，14第三軸承，15壓環。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明
實施例1組合密封裝置 如圖1所示是一種組合密封裝置，包括波紋管3、機械密封6和密封套11，波紋管3與密封套一端焊接連接在一起，密封套內同軸裝有機械密封6和軸承5、7、14，機械密封6設置在第一軸承5和第二軸承7之間。第三軸承14安裝在密封套11的波紋管連接端向內的凸臺與第一軸承5之間，該第三軸承14的轉動面與密封套軸心線垂直，第三軸承的軸承環與第一軸承內環之間通過墊有環套，以避免第一軸承的外環與第三軸承接觸影響兩者正常運轉。 機械密封的靜環12與密封套11之間裝有密封圈進行密封，密封圈一側裝有墊片，密封圈及墊片被用銷釘固定在靜環上的壓環15壓緊，以保證靜環與密封套之間密封效果。第二軸承7右側裝有鎖緊套8抵住第二軸承外環，鎖緊套8通過外螺紋裝配在密封套11內，以保證三個軸承、機械密封被安裝定位在密封套內。內套13同軸安裝在密封套內，其端部將第三軸承和第一軸承頂在密封套內的臺階孔內的環形凸臺上，機械密封的彈簧座通過過盈配合安裝在內套13上， 一個螺紋排屑套9也通過過盈配合安裝在內套13上，螺紋排屑套位於鎖緊套內，其外表面有外螺紋且與鎖緊套之間有排渣間隙。利於內套、鎖緊套、密封套，不但能夠將軸承、機械密封安裝在密封套內形成一個組合密封，形成一個獨立的密封產品，便於在工廠生產、組裝和運輸，而且也便於裝配，即其裝配過程可以如圖2所示將調整並組合好的組合密封整體裝在心軸1上並把波紋管另一端與防裝套10焊接即可，與將各部件在現場一個個往鑽井工具上安裝相比，提高裝配效率和精度。
實施例2 是一種導向鑽井工具的組合密封結構，採用了實施例1中的組合密封，其具體結構如圖2所示，組合密封設置在心軸1與導向工具的套筒2和扶正器4之間。組合密封裝置包括套在心軸1上的波紋管3、機械密封6、密封套ll，波紋管3套在導向鑽井工具的心軸1上並與防轉套10焊接，波紋管3另一端焊接在密封套11上。內套13和心軸1之間採用過盈配合，機械密封6的靜環12右側靠近鑽頭一端設有第二軸承7，另一端設有由第三軸承14和第一軸承5組成的軸承組合，該第三軸承的轉動面與密封套ll和心軸的軸心線垂直，第三軸承14的軸承環與第一軸承5內環之間墊有環套。通過過盈配合裝在心軸1上的內套13左端部將軸承組合壓在密封套11臺階形內孔向內的凸臺處。機械密封的彈簧座通過過盈配合裝在內套13上，以隨心軸和內套一起同步轉動，機械密封的靜環12與密封套ll之間裝有密封圈進行密封，密封圈右側裝有墊片，密封圈及墊片被用銷釘固定在靜環上的壓環15壓緊，以保證靜環與密封套之間的密封。與機械密封的靜環相對的第二軸承7 —側裝有鎖緊套8抵住第二軸承7的外環，鎖緊套8通過外螺紋裝配在所述的密封套11內。一個螺紋排屑套9也通過過盈配合安裝在內套13上，其外表面有與心軸鑽進旋轉方向相反的外螺紋，且螺紋排屑套與鎖緊套之間有間隙。由於機械密封6至少有一對垂直於心軸線的摩擦副端面，該端面在流體壓力及補償機械(彈力或磁力)的作用下，加之輔助密封的配合，與另一端面保持貼合併相對滑動，從而防止流體洩露。 該導向工具在正常鑽進和導向鑽進兩種狀態時，心軸1分別為直和彎曲兩種形狀。當心軸1不彎曲時，機械密封6起主要密封作用，由於導向工具內的油壓大於外循環泥漿的壓力，這個壓力差保證了機械密封件的動、靜環密封端面能夠緊密貼合，保證密封的可靠性；但是為避免泥漿中的固體對機械密封6端面產生研磨的副作用，機械密封6靠近鑽頭一端設置有由螺紋排屑套9構成的螺紋密封，由該密封件的螺紋旋向和導向工具的鑽進旋轉方向相反，當鑽進時，可以將泥漿中的固體從鎖緊套8與螺紋排屑套9間的間隙中有效地排出，有效降低泥漿固相對機械密封副的端面磨損，提高密封的有效壽命。
當心軸l彎曲時，心軸1的偏擺必然會影響機械密封動靜環的緊密結合，導致端面接觸壓力不一致，影響密封能力，出現過早失效。為滿足心軸l軸端偏擺時的密封要求，在心軸1和扶正器4之間增加一個波紋管3密封，並與防轉套10焊接，利用波紋管3的彈性彎曲補償軸的偏擺角度；同時增加軸端的長度，並在機械密封6的兩端設計軸承組合5和第二軸承7，使其對軸產生徑向約束作用，消除軸的偏擺對密封性能的影響，保證軸端安裝機械密封段的同軸度要求，以達到機械密封的動、靜環端面始終緊密貼合的要求，另外機械密封靜環與密封套10之間裝有密封圈，密封圈一側裝有墊片，墊片能調節機械密封動、靜環端面間的壓力。 通過這樣的組合密封設計，滿足了導向工具下端在正常鑽進和導向鑽進兩種工作狀態下的動密封要求，提高了井下密封的可靠性和使用壽命。
權利要求
一種組合密封裝置，其特徵是包括波紋管、機械密封和密封套，波紋管與密封套一端連接，密封套內同軸裝有機械密封和兩個軸承，機械密封設置在第一軸承和第二軸承之間，且機械密封的靜環與所述密封套之間裝有密封圈進行密封。
2. 根據權利要求1所述的組合密封裝置，其特徵是所述的與機械密封的靜環相對的 第二軸承一側裝有鎖緊套向機械密封方向抵住所述的第二軸承外環，鎖緊套通過外螺紋裝 配在所述的密封套內。
3. 根據權利要求2所述的組合密封裝置，其特徵是還包括一個帶有外螺紋的螺紋排 屑套安裝在所述的鎖緊套內，且與鎖緊套之間有間隙。
4. 根據權利要求3所述的組合密封裝置，其特徵是還有一個內套安裝在所述的螺紋 排屑套內，且與螺紋排屑套及機械密封的彈簧座為過盈配合。
5. 根據權利要求1至3中之一所述的組合密封裝置，其特徵是在所述的密封圈一側 裝有墊片，且墊片及密封圈被安裝固定在靜環上的壓環壓緊。
6. 根據權利要求1至3中之一所述的組合密封裝置，其特徵是還包括一個第三軸承 安裝在所述密封套波紋管連接端向內的凸臺與第一軸承之間，該第三軸承的轉動面與所述 密封套軸心線垂直，第三軸承的軸承環與第一軸承內環之間墊有環套。
7. —種導向鑽井工具的組合密封結構，其特徵是包括同軸套在導向鑽井工具的心軸 上的波紋管、機械密封、密封套，所述的波紋管一端與導向鑽井工具中的防轉套連接，波紋 管另一端與所述密封套連接，在所述的密封套與心軸之間裝有第一軸承和第二軸承，所述 機械密封位於密封套內且設置在第一軸承和第二軸承之間，且機械密封的靜環與所述密封 套之間裝有密封圈進行密封。
8. 根據權利要求7所述的導向鑽井工具的組合密封結構，其特徵是還包括一個通過過盈配合安裝在所述心軸上的內套，所述的機械密封中的活套所述 的內套上，且機械密封的彈簧座通過過盈配合安裝在內套上，在與機械密封的靜環相對的 第二軸承一側裝有鎖緊套抵住所述的第二軸承外環，鎖緊套通過外螺紋裝配在所述的密封 套內，在鎖緊套的內孔內裝有一個帶外螺紋的螺紋排屑套通過過盈配合安裝在所述的內套 上，所述螺紋排屑套的螺紋旋向和導向鑽井工具的心軸的鑽進旋轉方向相反，且螺紋排屑 套與鎖緊套之間有間隙。
9. 根據權利要求7所述的導向鑽井工具的組合密封結構，其特徵是所述的機械密封的靜環與密封套之間的密封圈一側裝有墊片，且墊片和密封圈被安裝 固定在靜環上的壓環壓緊。
10. 根據權利要求7至9中之一所述的導向鑽井工具的組合密封結構，其特徵是還包 括一個第三軸承安裝在所述密封套波紋管連接端向內的凸臺與第一軸承之間，該第三軸承 的轉動面與所述密封套軸心線垂直，第三軸承的軸承環與第一軸承內環之間墊有環套。
全文摘要
一種組合密封裝置及導向鑽井工具的組合密封結構，屬於井下密封裝置技術領域，包括波紋管、機械密封和密封套，波紋管與密封套連接，密封套內裝有機械密封和軸承，機械密封設置在兩個軸承之間，應用在導向鑽井工具中能夠滿足導向工具下端在正常鑽進和導向鑽進兩種工作狀態下的動密封要求，保證了機械密封件的動、靜密封端面能夠緊密貼合，防止密封端面劇烈磨損，提高了井下密封的可靠性和使用壽命。
文檔編號F16J15/52GK101696729SQ200910211099
公開日2010年4月21日 申請日期2009年11月12日 優先權日2009年11月12日
發明者劉寶林, 周琴 申請人:劉寶林;周琴;