【摘要】分析了目前常用的三种井口密封装置的结构，工作原理，以及在现场应用中存在的缺陷，针对密封圈的形状和材质选用不合理、盘根装拆不方便、没有调偏斜机构和不能实现防喷功能等现状，研制了一种新型采油井口密封装置。该密封装置采用普通传动V带作为密封盘根，成本低、密封性能好，设计盘根盒存储盘根,密封盘根螺旋缠绕在光杆上，使其安装和拆卸方便，可实现抽油机不停产加盘根作业，设计的防喷机构简单可靠，调偏斜机构可实现装置的角度调偏斜功能。现场试验表明，该密封装置操作简便，性能可靠，密封效果好，具有广阔的推广应用价值。
【关键词】密封装置;盘根;防喷;调偏斜
1 引言
目前我国大部分油田已进入机械采油期，在机械采油中所用的主要设备为有杆抽油设备。据有关资料统计，有杆抽油井占机械采油井总数的90 %以上，而有杆抽油井中其井口密封装置的98 %以上均采用常规光杆密封装置。由于结构上的缺陷,常规光杆密封装置在现场应用中暴露出许多缺陷，密封圈的失效率较高，采油工作时率低〔1～2〕。
为解决上述问题，研制了一种新型采油井口密封装置，适合于油田有杆抽油设备中的井口光杆密封，可以有效地解决井口光杆密封中出现的各种问题，尤其是能实现抽油机不停产加盘根作业、密封装置的角度调偏斜和防喷功能。
2 、常规井口密封装置的缺陷
2. 1 常规式井口密封装置
常规式井口密封装置结构如图1所示。
该装置的工作原理是：盘根4是依靠压盖2用压盖螺栓1轴向压紧,使盘根轴向和径向变形，间隙被填塞而达到密封的目的。该装置主要存在以下缺陷：①密封圈的形状不合理，抗挤压、抗磨损的能力较差，其密封效果不甚理想。②密封圈的材质一般采用丁腈橡胶，耐热性较差，弹性补偿性能不好，易老化，其工作性能不理想。③密封圈安装和拆卸不方便。④光杆上下往复运动时对井口中心产生一定的随机性和定向性偏摆,由于没有调偏调斜机构，导致光杆对密封装置中的盘根产生偏磨，使盘根早期受损，降低了盘根的使用寿命。 ⑤没有防喷机构，在出现井喷时，没有有效的应对措施，会导致原油损失和环境污染。
1— 压盖螺栓; 2—压盖; 3—主体; 4—盘根; 5—衬套
图 1 常规式井口密封装置结构简图
2. 2 改良型井口密封装置一
改良型井口密封装置结构如图2所示。
该装置的工作原理是：主体 4下部与井口装置连接;主体4上部是圆柱形密封腔，压帽1通过压套 2压紧一组矩形密封圈 3来达到密封井口的目的;主体4中部有两个调节丝杆5,用来调节两个半圆形密封圈，使其卡到光杆上,用以控制井喷。该装置主要存在以下缺陷： ①密封圈的形状不合理,密封效果不理想。②密封圈的材质选用不合理,工作性能不理想。 ③密封圈安装和拆卸不方便。 ④密封盒采用圆柱形,密封圈在光杆周围分布不均,受挤压偏磨,降低其使用寿命。⑤没有调偏调斜机构,降低密封装置的使用寿命。 ⑥防喷系统结构复杂,操作麻烦,也不利于密封装置向简便化方向发展。
1— 压帽; 2 —压套; 3 —密封圈; 4— 主体; 5— 调节丝杠; 6— 半圆密封圈
图 2 改良型井口密封装置结构简图
2. 3 改良型井口密封装置二
改良型井口密封装置结构如图3所示。
1 — 压帽; 2 — 上压套 ; 3 — 锥形密封圈; 4 — 主体; 5 — 下压套;6 — ○形密封圈; 7 — 密封圈; 8 — 连接体
图 3 改良型井口密封装置结构简图
该装置的工作原理是：连接体8下部与井口装置用卡箍连接;主体4上部是圆锥形密封腔，压帽1通过压套2压紧一组锥形密封圈 3来达到密封井口的目的;通过旋紧主体4的下部螺纹挤压圆柱形防喷密封圈7,来控制井喷。该密封装置主要存在以下缺陷：①密封圈的材质选用不合理,工作性能不理想。②锥形密封圈的综合性能提高不大,而且还对密封腔的内部结构提出了新的要求,加工成本提高。③该密封装置没有设计具有一定间隙的衬套，密封圈本身的锥形设计使其受力相对于矩形增大，密封圈下端很容易被挤出。④没有调偏调斜机构，降低密封装置的使用寿命。
由此，油田普遍使用的光杆密封装置在材料选用和结构设计上存在缺陷，会降低密封圈的使用寿命,提高密封装置在使用过程中的失效率。
3 新型井口密封装置的研制
针对现有井口密封装置存在的缺陷，设计出一种新型密封装置，来延长其使用寿命，提高其适应性和可靠性。并于2008年获国家实用新型专利，专利号为ZL200720157316. 7 。
3. 1结构及特点
新型井口密封装置主要由底座、本体、密封圈、压套、压盖、手柄、连接体、盒体等组成,结构如图 4所示。
角度调偏斜机构用来实现密封装置的角度调偏斜,消除偏磨,底座下部通过卡箍直接与井口连接,底座上部与连接体下部球面接触，二者通过外端法兰上的螺栓联接。防喷机构用来实现防喷功能，通过手柄旋紧密封腔挤压密封圈来控制井喷,其上部通过螺纹与密封盒连接。密封盒是密封装置的主体,压紧螺旋缠绕在光杆上的盘根实现密封功能,通过螺纹其上端连接盘根盒,下端连接防喷机构。盘根盒用来存储盘根,为密封盒提供盘根,盒中的盘根与密封盒中的密封盘根为同一个盘根。
1—底座; 2— 螺栓; 3— 螺母; 4 —球形垫圈; 5 —○形密封圈; 6 —连接体 ; 7— 防喷密封圈 ; 8 —下压套 ; 9 —○形密封圈 ;10 —本体; 11— 常规密封圈; 12 — 盘根底套 ; 13 — 毡圈; 14 — 密封盘根 ; 15 — 上压套; 16 — ○形密封圈 ; 17 — 压盖; 18 — 盒体;19— 深沟球轴承; 20 — 旋转轴 ; 21— 盒盖; 22 — 螺栓; 23 — 上层手柄; 24 — 螺栓; 25 — 下层手柄
图 4 新型有杆抽油井口密封装置结构简图
3. 2 工作原理
3. 2. 1 密封原理：压盖通过下压套来压紧密封盘根,盘根产生轴向和径向变形,紧贴光杆和密封腔内壁表面,间隙被填塞而达到密封的目的。另外在密封装置正常工作时，多级密封盘根间形成多级液环，环中充满润滑剂,既起到较好的自润滑作用，又起到一定的液体自封作用,进一步加强密封。
3. 2. 2 角度调偏斜原理:密封装置中的底座上部与连接体下部球面接触,外端法兰上的联接螺栓也采用球形垫圈,在光杆上下往复运动中,通过调整螺栓和螺母,依靠光杆偏磨面的侧向力角度调偏斜机构可以自行调整,实现密封装置在一定范围内进行角度调偏斜。
4现场应用
新型井口密封装置的技术参数为：适应光杆直径25mm、28mm、32mm、38mm;设计工作压力0 ～ 2.5MPa;盘根规格 11mm×17mm(普通传动 V带) ;调偏角度-5° ～ 5 °;安装高度466mm;旋转半径206mm;与井口连接形式为卡箍。
现场操作说明：①密封盘根受损后,只需旋转上层手柄,通过上压套来压紧密封盘根,即可恢复密封盒的密封功能。②密封盘根失效后,应开启防喷机构,打开密封盒,更换盘根,然后关闭密封盒。③更换盘根或出现井喷时,须旋转手柄,通过下压套来压紧防喷密封圈,实现密封。 ④为避免盘根受挤压磨损,通过旋松角度调偏斜机构法兰上的螺栓,依靠光杆偏磨面的侧向力该机构自行调整,达到调整同轴心的目的,然后旋紧螺栓即可。
5、结论
5. 1 采用普通传动V带作为密封盘根,节约成本的同时,改善了装置的密封性能。
5. 2 密封盘根安装和拆卸方便,且更换盘根时,无须卸下整个采油树,实现了抽油机不停产加盘根作业,节省了采油工作时率。
5. 3 防喷机构的结构简单,操作简便,能够实现密封目的,防止井喷。
5. 4 角度调偏斜机构的球面设计可以很好地解决偏磨问题。
〔参考文献〕
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