深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置的制作方法

专利2022-05-10  12



1.本发明属于井下生产设备技术领域,具体涉及深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置。


背景技术:

2.井下安全阀(sssv)(subsurface safety valve)是一种装在油气井内,在生产设施发生火警、管线破裂、以及发生不可抗拒的自然灾害(如地震、冰情、强台风等)等非正常情况时,能紧急关闭,防止井喷、保证油气井设施、生产安全的井下工具。
3.传统的井下安全阀是通过井上液压系统远程控制安全阀启闭,由于油路传输距离较远,控制延时性较高。中国专利cn 111577201a公开了一种深井微型高压液站系统用于改善传统安全阀控制延时的问题,且对井下安全阀工作状态进行实时、精确的开闭操作和压力监控。
4.由于深井微型高压液站系统为潜油机构,其面向的井下工作环境恶劣,系统需长时间在高温高压环境下工作的工况,现有的深井微型高压液站系统存在以下缺陷:
5.(1)封闭式结构的深井微型高压液站系统对其潜油微型柱塞泵的自吸性能有较高要求,即泵所在油箱内液体压力需大于1个大气压;而液压系统长期操作引起液压油耗损、蒸发使得封闭式油箱内油量减少,引起油箱内部压强骤降,导致微型柱塞泵吸油失效、液压打压系统故障。
6.(2)活塞式压力平衡装置的配置可避免了潜油柱塞泵吸油失效,其可利用平衡装置活塞油箱侧的油液实时为油箱补液,活塞另侧环腔压力进行压力平衡;压力平衡时,液压站外部环空流体压力与油箱液体压力相等;由于井下深度达千米以上,环空与油箱油液压力均达到10mpa;油箱外电机驱动泵轴旋转,驱动泵吸取油箱油液,油箱盖与旋转轴间的高压旋转动密封难以实现零泄露,使得井下液压系统不能稳定长期的工作;另外液压平衡活塞密封,其属于轴向运动的动密封,其可靠性不足直接导致井下液站难以长时间工作,其动密封是极具挑战的问题。
7.(3)活塞式压力平衡装置在实施布放过程中存在下井过程中,其与外部环境连通管道内空气难以完全排出,活塞将出现气蚀、干摩擦,缩短液压元件寿命,噪声大等问题。
8.综上,现有技术中存在较大的系统油耗、动静密封有效性差以及补压装置中活塞无法避免的气蚀、干摩擦的现象。


技术实现要素:

9.针对现有技术的不足,本发明提供深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置,该发明能够大大降低深井微型高压液站系统中存在的系统油耗,能够使得动静密封的有效性得到极大提升以及使得补压装置中活塞不会出现气蚀、干摩擦的现象。
10.为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案为:
11.深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置,深井微型高压液站系统
是油气井下工具、井下装置提供操作动力源的封闭式原位高压液压系统,通过液压控制元件及油路对井下安全阀(sssv)、排气阀、滑套、扶正器等进行压力操作,深井微型高压液站系统包括潜油驱动电机、潜油柱塞泵、异形油箱、液压控制元件、管接头及控制油路,异形油箱具有回油通道和将潜油柱塞泵与控制油路连通的出油通道,将驱动电机的输出轴连接潜油柱塞泵动力轴并作为潜油动力轴,其特征在于,包括:
12.密封部,包括套设在潜油动力轴上的轴套组件和设置在轴套组件上的密封单元,潜油驱动电机设置在异形油箱的外部,潜油柱塞泵设置在潜油动力轴上并位于异形油箱的内部,轴套组件由沿潜油动力轴的长度方向依次机械连接的第一密封轴套和第二密封轴套组成,第一密封轴套的一端安装在异形油箱的内壁上,第二密封轴套的一端安装在潜油柱塞泵上,密封单元包括轴端密封组件和中部密封组件,轴端密封组件设置在第二密封轴套与潜油柱塞泵之间,轴端密封组件用于在第二密封轴套与潜油柱塞泵之间形成一级密封,第一密封轴套的另一端的端面具有凹入的密封台阶面,中部密封组件包括重叠设置的骨架密封圈和至少一个泛塞密封圈,至少一个泛塞密封圈设置在密封台阶面上,从而中部密封组件在第一密封轴套和第二密封轴套之间形成二级密封。
13.优选地,中部密封组件包括重叠设置的多个泛塞密封圈和多个硬质平挡圈,两个相邻泛塞密封圈通过硬质平挡圈耦合,从而保证安装平面度及同轴度。
14.优选地,中部密封组件还包括第一“o”型圈,第一“o”型圈设置在第一密封轴套与第二密封轴套的结合面上。
15.优选地,轴端密封组件包括第二“o”型圈、轴端压片以及轴端密封圈,轴端压片压紧设置在轴端密封圈上。
16.优选地,深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置还包括负压平衡活塞缸和负压平衡导管,负压平衡活塞缸的一端与异形油箱连通,另一端通过负压平衡导管与潜油环境连通。
17.优选地,深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置还包括负压平衡活塞缸、减压阀以及负压平衡导管,负压平衡活塞缸的一端通过减压阀与异形油箱连通,另一端通过负压平衡导管与潜油环境连通。
18.进一步地,负压平衡活塞缸包括缸体、设置在缸体内的活塞以及环境流体密封组件,从而实现轴向运动动密封,环境流体密封组件包括均套设在活塞上的格莱密封圈和两个“u”型密封圈,并且两个“u”型密封圈对称地设置在格莱密封圈的两侧。
19.进一步地,负压平衡导管的一端与负压平衡活塞缸的另一端连通,负压平衡导管的另一端与潜油环境连通,负压平衡导管的另一端较一端靠近地表,从而使得负压平衡导管的另一端呈上翘管段结构。
20.优选地,深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置还包括通信模块,与油气井外部的井外控制终端进行通信交互,通信交互的方式为载波通信方式和/或光纤通信方式。
21.进一步地,通信交互的连接线路通过空心硬管铺设,并且在井下连接线路端部具有用于连接安装的液压管接头和液压密封管接头。
22.与现有技术相比,本发明的有益效果是:
23.1.因为本发明的轴套组件由机械连接的第一密封轴套和第二密封轴套组成,密封
单元包括轴端密封组件和中部密封组件,轴端密封组件设置在第二密封轴套与潜油柱塞泵之间,第一密封轴套的端面具有凹入的密封台阶面,中部密封组件包括重叠设置的骨架密封圈和泛塞密封圈,泛塞密封圈设置在密封台阶面上,从而中部密封组件在第一密封轴套和第二密封轴套之间形成二级密封,在骨架密封圈对异形油箱内的油液进行低压密封的同时保证了潜油动力轴的同轴度,从骨架密封圈渗出的油液进入泛塞密封圈,而泛塞密封圈内部弹簧因在油液压力的作用下张开,促使设置在台阶平面上的泛塞密封圈对轴套上的缝隙进行可靠的动密封,因此,本发明能够使得潜油柱塞泵上的动静密封的有效性得到极大提升。
24.2.因为本发明的中部密封组件包括重叠设置的多个泛塞密封圈和多个硬质平挡圈,两个相邻泛塞密封圈通过硬质平挡圈耦合,从而保证安装平面度及同轴度,因此,本发明能够通过硬质平挡圈耦合安装多个泛塞密封圈,从而能够根据井下油液的实际压力情况,通过安装多个泛塞密封圈作为备用使得中部密封组件在一次设置后能够保证更长使用周期内潜油柱塞泵上的动静密封的有效性。
25.3.因为本发明还包括负压平衡活塞缸、减压阀以及负压平衡导管,负压平衡活塞缸的一端通过减压阀与异形油箱连通,另一端通过负压平衡导管与潜油环境连通,因此,本发明不仅能通过负压平衡导管和负压平衡缸实现对异形油箱的实时补压,使得异形油箱内液压始终维持在使潜油柱塞泵进行良好泵吸的状态,而且通过减压阀对负压平衡活塞缸的输出端的油压的减压,使得异形油箱内的油压降低,从而减轻对密封单元中的密封元件的液压,进而使得密封单元中的密封元件的密封性进一步得到提升。
26.4.因为本发明的负压平衡活塞缸的环境流体密封组件包括均套设在活塞上的格莱密封圈和两个“u”型密封圈,并且两个“u”型密封圈对称地设置在格莱密封圈的两侧,因此,本发明不仅能通过密封将活塞两侧的潜油环境油液和异形油箱油液完全隔离,而且由于“u”型密封圈在进行密封时,密封面与负压平衡活塞缸的内壁形成的夹角为钝角,从而使得在活塞的往复运动过程中,潜油环境油液中的杂质无法在“u”型密封圈与负压平衡活塞缸的内壁之间堆积滞留,进而不会对“u”型密封圈和负压平衡活塞缸产生摩擦损伤,大大延长了负压平衡活塞缸的使用寿命。
27.5.因为本发明的负压平衡导管的一端与负压平衡活塞缸的另一端连通,负压平衡导管的另一端与潜油环境连通,负压平衡导管的另一端较一端靠近地表,从而使得负压平衡导管的另一端呈上翘管段结构,因此,本发明的上翘管段的设置使得负压平衡导管与潜油环境连通的开口端较负压平衡导管与负压平衡活塞缸的连通端的环境压力要小,从而当负压平衡导管中存在气泡时,气泡能够通过环境压力较小的负压平衡导管与潜油环境连通的开口端流入潜油环境中,进而能够消除气泡内气体对活塞的气蚀,干摩擦等问题。
附图说明
28.图1为本发明的实施例一的深井微型高压液站系统的系统原理示意图;
29.图2为本发明的实施例一的深井微型高压液站系统的液压原理示意图;
30.图3为本发明的实施例一的深井微型高压液站系统的部分示意图;
31.图4为本发明的实施例一的深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置的局部示意图;
32.图5为图4的f部分的局部放大图;
33.图6为本发明的实施例一的负压平衡活塞缸和负压平衡导管的侧剖示意图;
34.图7为本发明的实施例一的负压平衡活塞缸和负压平衡导管的正剖示意图;
35.图8为本发明的实施例一的活塞和环境流体密封组件的配合示意图;
36.图9为本发明的实施例二的深井微型高压液站系统的液压原理示意图;以及
37.图10为本发明的实施例二的减压阀、负压平衡活塞缸以及负压平衡导管的结构示意图。
38.图中:1000、深井微型高压液站系统,a、抽油管,a1、箱内油液过滤器,a2、单向阀,a3、电磁换向阀,a4、电磁溢流阀,a5、压力传感器,a6、井下安全阀,a7、排气阀,b、固定架,c、潜油驱动电机,c1、潜油动力轴,d、异形油箱,d1、出油通道,d2、回油通道,e、潜油柱塞泵,100、深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置,10、轴套组件,11、第一密封轴套,111、密封台阶面,12、第二密封轴套,210、中间密封组件,211、第一“o”型圈,212、骨架密封圈,213、泛塞密封圈,214、硬质平挡圈,40、负压平衡活塞缸、41、缸体,42、活塞,43、环境流体密封组件,431、格莱密封圈,432、“u”型密封圈,50、负压平衡导管,30、减压阀。
具体实施方式
39.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,以下实施例结合附图对本发明的深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置作具体阐述,需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。
40.<实施例一>
41.如图1

4所示,本实施例中的深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置100,包含于深井微型高压液站系统1000之中,深井微型高压液站系统1000通过固定架b安装在抽油管a上,随抽油管a一起深入油气井下,深井微型高压液站系统1000是油气井下工具、井下装置提供操作动力源的封闭式原位高压液压系统,通过液压控制元件及油路对井下安全阀(sssv)、排气阀、滑套、扶正器等进行压力操作。
42.在本实施例中,深井微型高压液站系统1000的井上系统部分和井下系统部分由通过光纤连接的井上侧、井下侧的光端机进行信号交互,当主动控制时,上位机发送信号至控制器(plc),控制器(plc)与井上侧光端机通过光纤将信号与井下侧光端机进行信号交互,井下侧i/o模块再通过通讯线与井下侧光端机进行信号交互,完成数字量至模拟量的转换,再将相关信号传输给传感器及继电器,实现对井下各个元器件的控制;同时井下的各个元器件的工作状态亦通过此方式反馈至上位机进行监控,从而对井下作业安全有着更高的保障。
43.在本实施例中,深井微型高压液站系统1000的液压控制系统包括井下安全阀a6、排气阀a7、电力线与通讯线、压力传感器a5、电磁换向阀a3、单向阀a2、电磁溢流阀a4、箱内油液过滤器a1以及深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置。
44.在本实施例中,深井微型高压液站系统1000包括潜油驱动电机c、潜油柱塞泵e、异形油箱d、液压控制元件(附图中未示出)、管接头(附图中未示出)及控制油路(附图中未示出),异形油箱d具有弓形圆弧截面(异形油箱d也因此命名),并且异形油箱d具有回油通道
d2和将潜油柱塞泵e与控制油路连通的出油通道d1,将驱动电机c的输出轴连接潜油柱塞泵动力轴并作为潜油动力轴c1,驱动电机c在异形油箱d的部分位于密封机构中,潜油驱动电机c设置在异形油箱d的外部,潜油柱塞泵e设置在潜油动力轴c1上并位于异形油箱d的内部。
45.在本实施例中,图3中g部分设置有安全阀控制接口(附图中未标出)、排气阀控制接口(附图中未标出)以及电力线接口(附图中未标出),井下侧与井下液压系统2

2环抱于抽油管a上,液压系统通过硬管及接头分别与井下安全阀a6和排气阀a7相连通,井下系统部分控制电磁换向阀a3与潜油驱动电机c向井下安全阀a6进行打压和泄压,实现井下安全阀a6的开启与关闭;电磁溢流阀a4受井上系统部分的远程控制对液压系统设置安全压力,使液压系统根据实际使用情况实现液压系统的安全压力范围可调,负压平衡活塞缸40与弓形圆弧截面的异形油箱d相连通,负压平衡活塞缸40借助井下潜油环境的环境压力通过活塞42在平衡系统

环境压力差的同时给弓形圆弧截面的异形油箱d补油。若该深井微型高压液站系统放入地下深处,井下潜油环境与异形油箱d内部之间的压力差过大,可在负压平衡活塞缸40与弓形圆弧截面的异形油箱d之间加入减压阀间以作为对压力的调节的补充。
46.如图3

图7所示,深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置100包括密封部(附图中未示出)、负压平衡活塞缸40、负压平衡导管50以及通信模块(附图中未示出)。
47.密封部包括套设在潜油动力轴c1上的轴套组件10和设置在轴套组件10上的密封单元(附图中未示出)。
48.轴套组件10由沿潜油动力轴c1的长度方向依次机械连接的第一密封轴套11和第二密封轴套12组成,第一密封轴套11的一端安装在异形油箱d的内壁上,第二密封轴套12的一端安装在潜油柱塞泵e上,即位于异形油箱d内的潜油动力轴c1套设在轴套组件10内,第一密封轴套11的另一端的端面,(与第二密封轴套12相连接的端面)具有凹入的密封台阶面111。
49.密封单元包括轴端密封组件(附图中未示出)和中部密封组件210。
50.轴端密封组件设置在第二密封轴套12与潜油柱塞泵e之间,轴端密封组件用于在第二密封轴套12与潜油柱塞泵e之间形成一级密封,轴端密封组件包括第二“o”型圈(附图中未示出)、轴端压片(附图中未示出)以及轴端密封圈(附图中未示出),轴端压片(附图中未示出)压紧设置在轴端密封圈(附图中未示出)上,从而在第二密封轴套12与潜油柱塞泵e之间形成静密封。
51.中部密封组件210包括第一“o”型圈211与重叠设置的骨架密封圈212和至少一个泛塞密封圈213,第一“o”型圈设置在第一密封轴套与第二密封轴套的结合面上,第一“o”型圈在第一密封轴套11和第二密封轴套12之间形成静密封,至少一个泛塞密封圈213设置在密封台阶面111上,从而中部密封组件210在第一密封轴套11和第二密封轴套12之间形成二级密封,即在在第一密封轴套11和第二密封轴套12之间形成动密封,在本实施例中,骨架密封圈212为唇形密封圈。
52.具体地,中部密封组件210还包括重叠设置的多个泛塞密封圈213和多个硬质平挡圈214,两个相邻泛塞密封圈213通过硬质平挡圈214耦合,从而通过安装多个泛塞密封圈213作为备用使得中部密封组件210在一次设置后能够保证更长使用周期内潜油柱塞泵e上
的动静密封的有效性,同时又保证了泛塞密封圈213的安装平面度及多个泛塞密封圈213的同轴度。
53.负压平衡活塞缸40的一端与异形油箱d连通,另一端通过负压平衡导管50与井下潜油环境连通。
54.负压平衡活塞缸40包括缸体41、设置在缸体41内的活塞42以及环境流体密封组件43。
55.如图8所示,活塞42环境流体密封组件43用于实现活塞42在轴向运动时的动密封,环境流体密封组件43包括均套设在活塞42上的格莱密封圈431和两个“u”型密封圈432,并且两个“u”型密封圈432对称地设置在格莱密封圈431的两侧,如此设置不仅能通过密封将活塞42两侧的潜油环境的油液和异形油箱d内的油液完全隔离,而且由于“u”型密封圈432在进行密封时,密封面与负压平衡活塞缸40的缸体41的内壁形成的夹角为钝角,从而使得在活塞42的往复运动过程中,潜油环境油液中的杂质无法在“u”型密封圈432与负压平衡活塞缸40的缸体41的内壁之间堆积滞留,进而不会对“u”型密封圈432和负压平衡活塞缸40的缸体41的内壁产生摩擦损伤。
56.负压平衡导管50的一端与负压平衡活塞缸40的另一端连通,负压平衡导管50的另一端与井下潜油环境连通,负压平衡导管50的另一端较一端靠近地表,从而使得负压平衡导管50的另一端呈上翘管段结构,从而使得负压平衡导管50与潜油环境连通的开口端较负压平衡导管50与负压平衡活塞缸40的连通端的环境压力要小,从而当负压平衡导管50中存在气泡时,气泡能够通过环境压力较小的负压平衡导管50与井下潜油环境连通的开口端流入井下潜油环境中。
57.通信模块,与油气井外部的井外控制终端(附图中未示出)进行通信交互,并且通信交互的方式为载波通信方式和/或光纤通信方式,通信交互的连接线路通过空心硬管铺设,并且在井下连接线路端部具有用于连接安装的液压管接头和液压密封管接头。
58.本实施例的深井微型高压液站系统1000的工作过程为:
59.打开井下安全阀a6与排气阀a7阶段:箱内油液过滤器a1为工作状态,从而保证异形油箱d内的油液的清洁度,潜油驱动电机c驱动潜油柱塞泵e工作,输出液压的压力最高约为100mpa,液压油流入井下安全阀a6与排气阀a7,分别推动对应的活塞杆进行运动,直至安全阀a6与排气阀a7完全打开。
60.保压持续开启阶段:当井下安全阀a6与排气阀a7d处于打开状态,压力传感器a5将对应的压力值实时传输到井上侧,相关油路通过单向阀a2与电磁换向阀a3进行保压,使井下安全阀a6与排气阀a7持续处于开启状态,当压力传感器a5检测到压力下降时,潜油驱动电机c和潜油柱塞泵e继续工作,并对异形油箱d内进行补压,当压力补足至压力传感器a5开启压力时,潜油驱动电机c停止工作。
61.关闭安全阀与排气阀阶段:开启电磁换向阀a3,油路卸荷,井下安全阀a6与排气阀a7关闭;或者当遇到突发情况断电时,电磁换向阀a3在备用电源的供电下开启,油路卸荷,井下安全阀a6与排气阀a7关闭。电力线与通讯线为井下电气元件供电及进行传输控制信号与反馈信号。弓形圆弧截面的异形油箱d采用封闭式结构,潜油柱塞泵e需要预定的环境油液压力才能正常工作,故为保证液压系统可靠性,在异形油箱d的底部置有负压平衡活塞缸40和负压平衡导管50,通过改变相关油液的密度向异形油箱d的内部施加环境压力。为保证
弓形圆弧截面的异形油箱d的密闭性,通过采用中间密封组件210、负压平衡活塞缸40的内部的活塞42采用环境流体密封组件43,负压平衡活塞缸40的端部连通有与井下潜油环境连通的负压平衡导管50,并且负压平衡导管50具有上翘设计的管段及管端开口,从而如有气泡进入负压平衡导管50内部,气泡能够通过环境压力较小的负压平衡导管50与井下潜油环境连通的开口端流入井下潜油环境,进而避免在对异形油箱d内进行补压时气泡进入相关管路。
62.<实施例二>
63.对于与实施例一相同的结构给予相同的符号,并省略相同的说明。
64.实施例二中与实施例一的不同之处在于:
65.深井微型高压液站系统的动静密封、压力平衡组合装置100还包括减压阀30。
66.如图9和图10所示,负压平衡活塞缸40的一端通过减压阀30与异形油箱d连通,另一端通过负压平衡导管50与井下潜油环境连通,如此不仅能通过负压平衡导管50和负压平衡缸40实现对异形油箱d的实时补压,使得异形油箱d内液压始终维持在使潜油柱塞泵e进行良好泵吸的状态,而且通过减压阀30对负压平衡活塞缸40的输出端的油压的减压,使得异形油箱d内的油压降低,从而减轻对密封单元中的密封元件的液压冲击。
67.上述实施方式为本发明的优选案例,并不用来限制本发明的保护范围,本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。
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