一种水下井口头两级金属环形密封总成的制作方法

本发明涉及一种用于海洋油气开采的水下井口头两级金属环形密封总成，实现对高压井口头和套管悬挂器之间的环形空间进行压力封隔。

背景技术：

随着陆地石油和天然气资源的勘探开发与枯竭，油气资源向海洋乃至深海开发已成为必然趋势，深海石油装备的发展势在必行。水下井口头系统下端承载油井内各层套管的重量，上端为采油树和防喷器组等关键设备提供支撑，是整个海洋石油钻采过程中不可代替的重要部分。

环形密封总成作为水下井口头系统的关键部件之一，为高压井口头和各层套管之间的环形空间提供压力封隔，其密封性能的优劣和工作的可靠性会影响海洋钻井、完井和开采的安全性与可靠性，甚至影响油气钻采的成败。现有的密封总成多采用单级密封圈实现单级密封，密封可靠性低；在密封圈受到刮擦等外界因素影响而失效时，影响密封性能，无法继续保证水下井口头系统正常工作。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种水下井口头两级金属环形密封总成，对高压井口头和套管悬挂器之间的环形空间实现两级压力封隔，提高了密封可靠性。密封总成通过矩形螺纹与套管悬挂器锁紧在一起，可以承受更大的井内压力；结构简单，安放工序简易，节省了安放时间，提高的安放效率。

本发明解决存在的问题采用的技术方案如下：

一种水下井口头两级金属环形密封总成，包括锁驱套筒、密封体、驱动套筒、开口锁环、剪切销钉和限位螺钉，锁驱套筒包括锁紧部和第一级密封圈驱动部，密封体包括第一级密封圈和第二级密封圈，驱动套筒包括第二级密封圈驱动部和开口锁环驱动部，其特征在于：锁驱套筒上部内周与套管悬挂器相套接，上部外周与下放工具相套接，下部设置有第一级密封圈驱动部，呈锥形，与第一级密封圈套接并相互配置；所述密封体上部内周均布六个l型套接组装槽，其末端设置有轴向坐放槽，中部设置有第一级密封圈，下部设置有第二级密封圈，在第二级密封圈内侧周向均布四个与驱动套筒相套接的倒l型组装槽，其末端设置有轴向坐放槽；所述驱动套筒上部设置有第二密封圈驱动部，呈锥形，与第二级密封圈套接并相互配置，驱动套筒下部外周均布四个与开口锁环相套接的l型组装槽，组装槽末端设置有轴向坐放槽，与开口锁环相套接。

锁驱套筒为一阶梯轴，阶梯面与密封体上端面相配置，下部内周均布六个方形键，与密封体上部l型套接组装槽和坐放槽相配置，中部设置有六个周向均布的剪切销钉安装孔，上部外周均布设置四个l型宽槽，与下放工具相配置，上部内周设置有矩形内螺纹，与套管挂上端矩形外螺纹相配置连接。这一设置，使密封总成与套管挂锁紧在一起，可以承受更大的井内压力；坐放完成后，阶梯面与密封体上端面相配置，可以防止第一级密封圈驱动部继续插入第一级密封圈，而使密封圈变形量增大。

密封体上部周向设置有均布的剪切销钉安装孔，与锁驱套筒中部剪切销钉安装孔相配置，剪切销钉安装孔下方设置有六个均布的限位螺钉安装孔。这一设置，使锁驱套筒与密封体套接后，在下放过程中限位螺钉可以防止二者发生脱离。

密封体下部周向均布设置有四个限位螺钉安装孔，限位螺钉安装孔下方设置有四个剪切销钉安装孔，密封体第一级密封圈和第二级密封圈均为u型密封圈，内外壁有环形凸缘。这一设置，可以使密封体与驱动套筒套接后不发生脱离，两级密封圈可以保证密封性能并提高密封可靠性。

驱动套筒第二级密封圈驱动部上端内周均布四个方形键，与密封体下部倒l型套接组装槽和坐放槽相配置，方形键下方开有四个剪切销钉安装孔，与密封体下部剪切销钉安装孔相配置，开口锁环驱动部下端均布四个限位螺钉安装孔。这一设置，可以实现开口锁环锁紧、第一级密封圈密封完成和第二级密封圈密封完成不同步进行，保证密封可靠性。

开口锁环中部内周均布设有四个方形键，与驱动套筒下部外周均布的l型组装槽和安装键槽相配置。这一设置，可以实现开口锁环与驱动套筒连接在一起。

第二密封圈驱动部末端设置有密封体坐放轴肩，轴肩上端面与密封体末端面相配置，轴肩下端面与开口锁环上端面相配置。这一设置，可以使开口锁环完成锁紧后，其上端面与轴肩接触，限制开口锁环轴向运动，提高锁紧的可靠性。

本发明的有益效果在于：1.锁驱套筒通过矩形螺纹与套管挂连接，使扭矩传递更加稳定，提高了锁紧可靠性。2.锁驱套筒既有锁紧密封总成的作用，又有驱动第一级密封圈使其径向胀开完成一级密封的功能。3.通过剪切销钉的数量控制开口锁环的锁紧、第一级密封圈密封的完成和第二级密封圈密封的完成不同步进行，保证密封总成能够顺利完成下放与坐封。4.密封体采用两级金属环形密封，提高了密封的可靠性能。5.该密封总成互换性强，部件发生损坏后，仅需要更换相应的零部件重新组装即可。

附图说明

图1是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成轴等侧视图。

图2是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成结构示意图。

图3是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成锁驱套筒轴等测视图。

图4是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成密封体轴等测视图。

图5是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成驱动套筒轴等测视图。

图6是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成开口锁环轴等测视图。

图7是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成初始安装位置示意图。

图8是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成锁紧完成位置示意图。

图9是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成一级密封完成位置示意图。

图10是本发明一种水下井口头两级金属环形密封总成两级密封完成位置示意图。

1-锁驱套筒，2-l型宽槽，3-阶梯面，4-密封体上端面，5-方形键，6-第一级密封圈驱动部，7-锁驱套筒锁紧部，8-密封体，9-第二级密封圈，10-方形键，11-剪切销钉安装孔，12-驱动套筒轴肩上端面，13-驱动套筒轴肩下端面，14-开口锁环，15-锁驱套筒外螺纹，16-剪切销钉安装孔，17-剪切销钉安装孔，18-轴向坐放槽，19-第一级密封圈，20-轴向坐放槽，21-第二级密封圈驱动部，22-密封凸缘，23-剪切销钉安装孔，24-密封体下端面，25-开口锁环上端面，26-轴向坐放槽，27-方形键，28-剪切销钉，29-限位螺钉，30-驱动套筒，31-限位螺钉，

32-限位螺钉，33-开口锁环驱动部，34-驱动套筒下端面，35-套管挂矩形内螺纹，36-套管挂，37-套管挂轴肩，38-高压井口头，39-高压井口头锁紧环槽，40-倒l型组装槽，41-密封体上部l型套接组装槽，42-驱动套筒下部l型组装槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对依据本发明提出的结构、特征及使用原理进一步说明。

一种水下井口头两级金属环形密封总成，包括锁驱套筒1、密封体8、驱动套筒30、开口锁环14、剪切销钉28和限位螺钉，锁驱套筒1包括锁紧部7和第一级密封圈驱动部6，密封体8包括第一级密封圈19和第二级密封圈9，驱动套筒30包括第二级密封圈驱动部21和开口锁环驱动部33，其特征在于：锁驱套筒1上部内周与套管悬挂器36相套接，上部外周与下放工具相套接，下部设置有第一级密封圈驱动部6，呈锥形，与第一级密封圈19套接并相互配置；所述密封体8上部内周均布六个l型套接组装槽41，其末端设置有轴向坐放槽18，中部设置有第一级密封圈19，下部设置有第二级密封圈9，在第二级密封圈9内侧周向均布四个与驱动套筒30相套接的倒l型组装槽40，其末端设置有轴向坐放槽20；所述驱动套筒30上部设置有第二级密封圈驱动部21，呈锥形，与第二级密封圈9套接并相互配置，驱动套筒30下部外周均布四个l型组装槽42，组装槽42末端设置有轴向坐放槽26，与开口锁环14相套接。

锁驱套筒1为一阶梯轴，阶梯面3与密封体上端面4相配置，下部内周均布六个方形键5，与密封体8上部l型套接组装槽41和坐放槽18相配置，中部设置有六个周向均布的剪切销钉安装孔17，上部外周均布设置四个l型宽槽2，与下放工具相配置，上部内周设置有矩形内螺纹15，与套管挂上端矩形外螺纹35相配置连接。

密封体8上部周向设置有六个均布的剪切销钉安装孔16，与锁驱套筒中部剪切销钉安装孔17相配置，剪切销钉安装孔16下方设置有六个均布的限位螺钉安装孔29。所述密封体8下部周向均布设置有四个限位螺钉安装孔32，限位螺钉安装孔32下方设置有四个剪切销钉安装孔11，密封体第一级密封圈19和第二级密封圈9均为u型密封圈，内外壁有环形凸缘22。

驱动套筒第二级密封圈驱动部21上端内周均布四个方形键10，与密封体8下部倒l型套接组装槽40和坐放槽20相配置，方形键10下方开有四个剪切销钉安装孔23，与密封体下部剪切销钉安装孔11相配置，开口锁环驱动部33下端均布四个限位螺钉安装孔31。第二密封圈驱动部21末端设置有密封体坐放轴肩，轴肩上端面12与密封体末端面24相配置，轴肩下端面13与开口锁环上端面25相配置。

开口锁环14中部内周均布设有四个方形键27，与驱动套筒30下部外周均布的l型组装槽42和轴向安装槽26相配置。

本发明的安装过程：将整个密封总成按照附图2所示装配好，此时锁驱套筒阶梯面3与密封体上端面4、密封体下端面24与驱动体轴肩上端面12以及驱动体轴肩下端面13与开口锁环上端面25均未接触。密封总成通过锁驱套筒1上部外周l型宽槽2与下放工具连接在一起，进行下放。下放工具将密封总成下放到高压井口头38和套管挂36所形成的环形空间密封位置后，如图7所示，左转下放工具，由于下放工具与锁驱套筒1连接在一起，下放工具会带动锁驱套筒1同步旋转，锁驱套筒1上部内周矩形螺纹15与套管挂上部矩形外螺纹35啮合在一起，实现密封总成与套管挂36初步固定；由于锁驱套筒1与密封体8上部、密封体8下部与驱动套筒30有不同数量剪切销钉连接，在压力达不到剪切力前不会发生相对运动，继续转动，向下传递的力会逐步增大，进而带动驱动套筒30下行，挤压开口锁环14，开口锁环14被胀开，进入到高压井口头38锁紧凹槽39内，驱动套筒30轴肩下端面13与开口锁环上端面25接触的同时，驱动套筒下端面34与套管挂轴肩37接触，实现密封总成的锁紧，如图8所示。由于锁驱套筒1与密封体8通过六个剪切销钉连接，而密封体8与驱动套筒30通过四个剪切销钉连接，继续转动下放工具，随着压力的逐渐增大，密封体8与驱动套筒30连接剪切销钉会被首先剪断，二者发生相对位移，密封体8下行，第二级密封圈9“u”型槽插入到第二级密封圈驱动部21而被胀开，内外侧密封凸缘22径向移动，分别与套管挂36外壁和高压井口头38内壁接触，随着插入深度的增加接触应力增大，密封凸缘22发生塑性变形，密封体下端面24与驱动套筒轴肩上端面12接触，第二级密封圈9实现密封，一级压力封隔完成，如图9所示。下放工具继续转动，下行压力继续增大，锁驱套筒1与密封体8连接剪切销钉被剪断，第一级密封圈驱动部6插入到第一级密封圈19“u”型槽内，内外侧密封凸缘22径向移动，分别与套管挂36外壁和高压井口头38内壁接触，随着插入深度的增加接触应力增大，密封圈凸缘22发生塑性变形，锁驱套筒1继续下行，直到其阶梯面3与密封体上端面4接触，第一级密封圈19实现密封，两级压力封隔完成，如图10所示。回收下放工具，整个密封总成安装过程结束。

本发明的回收过程：将下放回收工具下放到密封总成安放位置，回收工具与锁驱套筒1上部外周l型宽槽2连接，右转下放回收工具，锁驱套筒1旋转上升，第一级密封圈驱动部6与第一级密封圈19“u”型槽分离，密封凸缘22回缩，第一级密封圈19解封；继续右转，锁驱套筒1带动密封体8上行，第二级密封圈驱动部21与第二级密封圈9分离，密封凸缘22回缩，第二级密封圈9解封；继续右转，密封体8带动驱动套筒30上行，开口锁环14失去预紧力而回缩，解除锁定；继续右转，锁驱套筒1与套管挂36脱离，整个密封总成解封，回收作业完成。