一种基于楔形密封的分压式超高温超高压岩心夹持器

1.本发明为一种适用于室内高压岩心实验的基于楔形密封的分压式超高温超高压岩心夹持器。


背景技术：

2.实验室在进行岩心驱替实验或测岩心渗流特征时，需要岩心夹持器来保护并密封岩心，岩心密封失效可能会导致实验失败。目前，国内外的岩心密封方式主要有三种，分别为机械式密封、气压式密封、液压式密封。机械密封依靠机械来压紧各部件，例如使用丝扣紧固，但这种方法仅适用于精密度要求不高的实验；气压式密封以空气、氮气等为密封介质压紧密封套，但密封各部件容易受力不均，导致密封套失效；液压式密封采用液体作为密封介质，通过对液体加压来压紧密封套，保证密封性。
3.随着开发的进行，需要勘探开发温度压力异常高的区块，常规的岩心夹持器由于结构、材质、密封套等原因，在模拟高压地层实验时会出现胶套损坏，夹持器无法密封的问题，无法满足高压下的岩心分析及驱替实验。目前适用于高压的岩心夹持器，如公开专利cn 103940720 a，其进油管线没有加密封圈密封，围压仅靠密封圈受挤压密封，压力过高容易损坏，零件承受整个围压，没有逐级分压，密封圈为o型圈，高压下密封效果不好；公开专利cn 212031248 u通过设置o型密封圈结合衬套结构来提高密封性，公开专利cn205139137u采用锥螺纹密封，比普通螺纹密封效果好，配合o型密封圈密封，便于拆卸；但是在高温高压下o型密封圈可能失去弹性，造成永久变形，或被挤入密封间隙造成扭曲损伤。因而采用镶嵌式楔形密封套提出了一种适合高压下的基于楔形密封的分压式超高温超高压岩心夹持器。


技术实现要素：

4.针对气、液压式密封高压下密封套容易失去弹性，永久变形，或被挤入密封间隙造成扭曲损伤等问题，设计了一种基于楔形密封的分压式超高温超高压岩心夹持器。其具体技术方案如下：
5.一种基于楔形密封的分压式超高温超高压岩心夹持器，该夹持器主要由筒体、端盖、一体式固定器、固定器、紧固器、岩心套、泄压阀等组成，岩心装在岩心套中，并放置在一个圆柱形筒体中，实验流体通过轴压加注管线直接给岩心加压。首先通过筒体上的孔给紧固器的空间三注入流体加压，当压力大于泄压阀阈值时，空间三内的流体(空气以及加压液体)通过泄压阀进入到紧固器与固定器之间的空间二中，此时，减缓加压速度，同时开始通过管线10给空间二加压，使得空间二的压力大于空间三的压力；同理空间二的压力大于筒体与岩心套之间的环形空间一的压力时，通过泄压阀将压力泄到环形空间一中，一体式固定器的加压方式与上述一致，通过管线11给空间二加压，另外，两边压力同时开始加注，保证岩心两边的压力一致，此时，夹持器内压力由内到外是逐渐降低的。密封圈所承受的压差因逐级加压的方式以及多个环形空间而降低，如密封圈能承受压差70mpa，空间三压力为
70mpa，即环形空间一内可加压至200mpa。密封圈不会因为压差过大而出现损坏，同时，这种逐级分压加压的方式也可以使压力保持相对稳定的状态。
6.固定器采用螺纹设计初步紧固，再用楔形密封圈来加强密封效果，该密封圈的截面类似梯形，但边缘为曲线，这种密封件的密封机理与一般接触式密封圈的密封机理完全不同。一般接触式密封圈在装配时，首先要有一定的预压缩量，从而在密封面上产生预压紧力。当单位面积上的单位压紧力大于液体压力时，即构成了密封。而且当液体压力升高时，密封圈因受到挤压而使密封面上的压紧力进一步提高，故仍能实现可靠的密封。这种密封圈都必须装在沟槽内，否则不能正常工作，相较于一般的密封圈，由于受到挤压且有沟槽固定，密封效果会更好，因此固定器上有相应的楔形槽来安装密封圈，通过密封圈使固定器保证密封良好。密封圈的材料为聚四氟乙烯，耐高温，几乎不溶于所有的溶剂。固定器上的泄压阀与其相连，通过泄压阀可以将空间三的压力通过固定器上的通道泄到空间二中。
7.紧固器包括左右两部分，右半部分靠密封圈来保证密封效果，可以旋转或者上下移动调整管线位置，使其便于加压，右部有一半圆形凸出部分，可以挤压固定器，保证固定器不移动；左半部分其上有四个密封胶圈来保证其密封效果，左端凸出部分便于安装管线，之后通过端盖上的螺纹将整个岩心夹持器固定。固定器和紧固器之间以及一体式固定器有管线穿过，分别给岩心加压以及三个空间加围压。紧固器和固定器上的管线有两个密封胶圈，将不同环形空间分隔开使围压不连通，即使没有固定好岩心位置或管线出现损坏，密封圈也可以保证流体不会进入其他空间。
8.泄压阀主要由弹簧、针型堵头、胶圈等组成。泄压阀内的通道与弹簧腔体连通，保持压力一致。堵头上有楔形密封圈，弹簧伸缩时，即使中间部分密封不良也可以保证边缘部分不漏液。常规情况下，弹簧处于无压力状态，针型堵头保持裸露在外的状态；安装时，针型堵头通过螺纹紧固，堵头上安装有一个楔形密封胶圈，压缩弹簧使堵头收缩进阀体，而后安装进圆柱形槽中，由于弹力，堵头会自动弹出堵住通道。当管线压力大于泄压阀内压力时，弹簧被压缩，堵头进入阀体内，管线内流体进入泄压阀泄压。当压力降至两端压力相等时，弹簧的弹力将堵头推出重新将管线密封。
9.与现有的岩心夹持器相比，本发明具有以下几个优点：
10.(1)可以进行高压下的岩心驱替实验或岩心分析，尽可能的贴近地层条件，以得到相对真实的岩心数据；(2)特制的楔形密封圈安装在密封槽内，围压会使密封圈向槽内挤压，保证在高压或超高压下其密封性良好；(3)泄压阀可以在外部压力过高时向内泄压，保持压差不会过大，逐级加压以保证密封套密封良好不会损坏；(4)结构简单，泄压方便，便于安装拆卸。
附图说明
11.图1为岩心夹持器的结构图
12.图2为泄压阀结构图
13.图3为一体式固定器结构图
14.图4为紧固器结构图
15.图5为固定器结构图
16.图中：1、端盖；2、筒体；3、一体式固定器；4、紧固器；5、固定器；6、岩心套；7、岩心；
8、环形空间一加压管线；9、轴压加注管线；10、空间二加压管线；11、一体式紧固定器空间二加压管线；12、空间三加压孔；13、楔形密封圈；14、泄压阀；15、泄压阀连通通道；16、环形空间一；17、空间二；18、空间三；19、针型堵头；20、楔形密封圈；21、弹簧；22、连通管道
具体实施方式
17.下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
18.一种基于楔形密封的分压式超高温超高压岩心夹持器，如附图1，主要由筒体、端盖、一体式固定器、固定器、紧固器、岩心套、泄压阀等组成。岩心(7)装在岩心套(6)中，并放置在一个圆柱形筒体(2)中，实验流体通过轴压加注管线(9)直接给岩心加压。加压过程中，首先通过筒体上的孔(12)给紧固器(4)间的空间三(18)注入流体加压，当压力大于泄压阀(14)阈值时，空间三内的流体通过泄压阀进入到紧固器(4)与固定器(5)之间的空间二(17)中，此时，减缓加压速度，同时通过管线(10)给空间二加压，使得空间二的压力大于空间三的压力；同理空间二的压力大于筒体(2)与岩心套(6)之间的环形空间一(16)的压力时，通过泄压阀将压力泄到环形空间一中，同时通过围压加注管线(8)给环形空间一加压，一体式固定器(3)的加压方式与上述一致，通过管线(11)给空间二加压，另外，两边压力同时开始加注，保证岩心两边的压力一致，此时，夹持器内压力由内到外是逐渐降低的。泄压阀使得每段环空的压差不会过大，密封圈不会轻易出现损坏，这种逐级分压加压的方式也可以使压力保持相对稳定的状态。另外，从外向内的逐级加压方式还可以使空气直接通过管线(10)排出环形空间，泄压过程中，通过管线(8)、(9)、(10)、(11)以及围压加注孔(12)同时泄围压以及内压。
19.附图2中为泄压阀，主要由弹簧、针型堵头、胶圈等组成。泄压阀内的通道(22)与弹簧腔体连通，保持压力一致。堵头上有楔形密封圈(20)，弹簧伸缩时，即使中间部分密封不良也可以保证边缘部分不漏液。常规情况下，弹簧处于无压力状态，针型堵头(19)保持裸露在外的状态，安装时，针型堵头通过螺纹紧固，堵头上安装有一个楔形密封胶圈，压缩弹簧使堵头收缩进阀体，而后安装进圆柱形槽中，由于弹力，堵头会自动弹出堵住通道；当管线压力大于泄压阀内压力时，弹簧被压缩，堵头进入阀体内，管线内流体进入泄压阀泄压。当压力降至两端压力相等时，弹簧的弹力将堵头推出重新将管线密封。
20.在安装岩心夹持器时，首先装入岩心套，岩心套两端安装好加压管线，之后通过螺纹安装固定器，将岩心的位置固定，左端固定器再加一根围压加注管线，管线与固定器之间加密封圈；接着安装紧固器，通过旋转不断调整空间二的加压管线，最后紧固端盖，通过端盖上的螺纹将整个装置固定；右边的一体式固定器调整至与岩心接触，通过其上的密封圈将岩心密封，最后上端盖将其固定。
21.本发明并不限于上述实施方式，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变更。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。