一种耐高温高抗硫HH级三层套管头

技术领域

本发明属于油气开采井控设备技术领域，涉及HH级别套管头，具体地，涉及一种耐高温高抗硫HH级三层套管头。

背景技术

目前公知对油气开采HSE的要求越来越严苛，对油气开发使用钻井井控装置要求也越来越高，往往很多地区勘探出耐高温、高含硫和高产品油气田，由于技术瓶颈，都采取了搁置开发，降低风险。因此对耐高温（180℃）、高含硫（H

发明内容

为解决上述存在的问题，本发明的目的是提供一种耐高温高抗硫HH级三层套管头，通过对耐高温高抗硫HH级三层套管头从材质选择和结构设计两方面共同控制，实现满足三高地区井控装置制造。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种耐高温高抗硫HH级三层套管头，所述耐高温高抗硫HH级三层套管头，包括三层套管头总成，从下到上依次为底层套管头总成、中层套管头总成和上层套管头总成，所述底层套管头总成包括底层套管头本体，所述底层套管头本体内腔设置有底层芯轴式悬挂器，所述中层套管头总成包括中层套管头本体，所述中层套管头本体内腔设置有中层芯轴式悬挂器，所述上层套管头总成包括上层套管头本体，所述上层套管头本体内腔设置有上层芯轴式悬挂器，所述底层套管头本体和中层套管头本体之间通过第一螺栓组件固定连接，所述中层套管头本体和上层套管头本体之间通过第二螺栓组件固定连接；所述底层芯轴式悬挂器的中部与底层套管头本体的内壁之间、所述中层芯轴式悬挂器的中部与中层套管头本体的内壁之间、所述上层芯轴式悬挂器的中部与上层套管头本体的内壁均设有组第一橡胶密封件和一组第一金属密封件，采用金属密封和橡胶密封圈组合密封形式，金属密封依靠顶丝挤压和拧紧两法兰螺栓共同实现密封；所述底层芯轴式悬挂器与所述中层套管头本体之间采用第二金属密封件和第二橡胶密封件形成中层套管头底部二次封隔；所述中层芯轴式悬挂器与所述上层套管头本体之间采用第三金属密封件和第三橡胶密封件形成上层套管头底部二次封隔。

进一步的，上述结构中，所述底层套管头本体上的法兰中、所述中层套管头本体上的法兰中、所述上层套管头本体上的法兰中均沿径向开有一个顶丝通道，三个所述顶丝通道中分别安装有一组顶丝组件；所述中层套管头本体的下法兰中、所述上层套管头本体的下法兰中均沿径向开有两个注脂试压孔道，所述注脂试压孔道外端口分别安装有一组密封试压组件；所述中层套管头本体的下法兰中开设的注脂试压孔道Ⅰ内连接第二橡胶密封件，所述注脂试压孔道Ⅰ与中层套管头本体以及中层芯轴式悬挂器之间通过第二橡胶密封件密封；所述上层套管头本体的下法兰中开设的注脂试压孔道Ⅱ内连接第三橡胶密封件，所述注脂试压孔道Ⅱ与上层套管头本体以及上层芯轴式悬挂器之间通过第三橡胶密封件密封。

进一步的，上述结构中，所述第二金属密封件由第二上金属密封圈、第二下金属密封圈、第二金属压环和第二P型密封圈组成；第三金属密封件由第三上金属密封圈、第三下金属密封圈、第三金属压环和第三P型密封圈组成；所述第二金属密封件的第二上金属密封圈和第二下金属密封圈为C型金属密封圈；第三金属密封件的第三上金属密封圈、第三下金属密封圈为C型金属密封圈；所述第二橡胶密封件和第三橡胶密封件为FKM氟橡胶材质的BT密封圈结构，HS硬度为85±5，通过注脂实现密封；所述第一橡胶密封件为O型橡胶密封圈，所述第一金属密封件为C型金属密封圈。套管头底部二次封隔采用金属和橡胶密封组合密封的形式，其中金属密封依靠收紧两法兰螺栓，使金属密封圈实现对内对外的膨胀进而实现有效的密封。

进一步的，上述结构中，所述顶丝组件包括顶丝本体、顶丝密封圈、顶丝填料和顶丝压帽；所述顶丝本体依次与顶丝密封圈、顶丝填料连接，并且顶丝的右侧设有顶丝压帽；所述密封试压组件包括丝堵接头和注脂试压阀。

进一步的，上述结构中，所述第一螺栓组件和第二螺栓组件均包括双头螺栓、螺母和密封垫环。

进一步的，上述结构中，所述底层套管头本体、中层套管头本体和上层套管头本体的相对两侧旁通分别设置有第一手动平板阀和第二手动平板阀。

进一步的，上述结构中，所述第一手动平板阀包括第一平板阀体，所述第一平板阀体的一端通过丝扣法兰和栽丝螺栓螺母组件连接对应层的套管头本体、相对的另一端连接第一法兰盘，所述第一法兰盘的另一端连接第一丝堵接头，所述第一丝堵接头连接第一公母接头，所述第一公母接头上设置有双刻度防硫抗震压力表，所述第一公母接头的端部连接有方形直角截止阀。

进一步的，上述结构中，所述第二手动平板阀包括第二平板阀体，所述第二平板阀体的一端通过丝扣法兰和栽丝螺栓螺母组件连接对应层的套管头本体、相对的另一端连接第二法兰盘，所述第二法兰盘的端部连接第二丝堵接头。所述丝扣法兰与对应层套管头本体之间还设置金属密封钢圈。另，第一手动平板阀和第二手动平板阀，其阀门均采用FLS结构，且其阀门阀板阀座采用金属密封，内部无任何橡胶密封件，确保密封性能稳定。

进一步的，上述结构中，所述底层套管头本体与中层套管头本体之间、第二金属密封件的外侧以及所述中层套管头本体与上层套管头本体之间、第三金属密封件的外侧均还设置八角环钢圈。

进一步的，上述结构中，所述耐高温高抗硫HH级三层套管头的金属组成部分均采用耐高温高抗硫的合金制备而成，与介质接触部位均采用合金堆焊而成。

具体地，底层套管头本体、中层套管头本体、上层套管头本体、第一平板阀阀体和阀盖、第二平板阀阀体和阀盖均采用耐高温高抗硫的合金钢4130制备而成，HRC硬度控制≤22，且满足NACE MR0175抗硫要求，机械性能满足75K要求，同时所有与介质接触部位都进行inconel 625合金堆焊，焊层厚度不小于3.5mm。

另外，底层芯轴式悬挂器、中层芯轴式悬挂器、上层芯轴式悬挂器、顶丝本体和顶丝压帽、第一平板阀和第二平板阀的阀杆、阀板、阀座都采用inconel 718材质，HRC硬度为32~40，符合NACE MR0175抗硫化氢无限制要求，机械性能满足120K要求。

而且，非金属密封件如顶丝密封圈、第一平板阀和第二平板阀的阀杆盘根、阀座密封圈采用PEEK++Elgiloy；八角环钢圈、金属密封钢圈、形成套管头底部二次封隔的C型金属密封圈均采用inconel 825合金，HRB硬度≤92；所述第二橡胶密封件和第三橡胶密封件采用FKM氟橡胶材质。

上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：本发明所述的耐高温高抗硫HH级三层套管头，通过从通过材料选择成功攻克井控套管头耐高温问题，具有能耐高温的特点；通过结构设计成功攻克井控套管头高含硫问题，具有能抗高含硫腐蚀的特点；成功填补了耐高温高含硫井控套管头国内空白。非金属密封件采用PEEK和FKM材质，在高温180℃温度下，具有非常好的密封性能；三层套管头在选材上所有与介质接触部位都是合金，合金对硫化氢腐蚀是无上限的，芯轴式套管悬挂器、套管头底部二次封隔都采用了金属密封结构，材质选择inconel 825合金，确保密封性能。

附图说明

图1为本发明所述耐高温高抗硫HH级三层套管头的结构示意图；

图2为本发明所述上层套管头总成的结构示意图；

图3为本发明所述中层套管头总成的结构示意图；

图4为本发明所述底层套管头总成的结构示意图；

图5为本发明所述顶丝组件的结构示意图；

图6为本发明所述第二金属密封件的结构示意图；

图7为本发明所述第三金属密封件的结构示意图。

图中：1底层套管头本体，2底层芯轴式悬挂器，3中层套管头底部二次封隔，31第二橡胶密封件， 32第二金属密封件；321第二上金属密封圈、322第二下金属密封圈、323第二金属压环；324第二P型密封圈；621第三上金属密封圈、622第三下金属密封圈、623第三金属压环、624第三P型密封圈；4中层套管头本体，5中层芯轴式悬挂器，6上层套管头底部二次封隔， 61第三橡胶密封件，62第三金属密封件，7上层套管头本体，8上层芯轴式悬挂器；9第一螺栓组件；10第二螺栓组件；11第一橡胶密封件，12第一金属密封件；

14顶丝组件，141顶丝本体、142顶丝密封圈、143顶丝填料，144顶丝压帽；15试压组件；16第一手动平板阀，161第一平板阀体，162第一法兰盘，163第一丝堵接头，164第一公母接头，165双刻度防硫抗震压力表，166方形直角截止阀；17第二手动平板阀，171第二平板阀阀体，172第二法兰盘，173第二丝堵接头；18八角环钢圈；

43注脂试压孔道Ⅰ，73注脂试压孔道Ⅱ。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-7所示的耐高温高抗硫HH级三层套管头，所述耐高温高抗硫HH级三层套管头，包括三层套管头总成，从下到上依次为底层套管头总成、中层套管头总成和上层套管头总成，所述底层套管头总成包括底层套管头本体1，所述底层套管头本体1内腔设置有底层芯轴式悬挂器2，所述中层套管头总成包括中层套管头本体4，所述中层套管头本体4内腔设置有中层芯轴式悬挂器5，所述上层套管头总成包括上层套管头本体7，所述上层套管头本体7内腔设置有上层芯轴式悬挂器8，所述底层套管头本体1和中层套管头本体4之间通过第一螺栓组件9固定连接，所述中层套管头本体4和上层套管头本体7之间通过第二螺栓组件10固定连接；所述底层芯轴式悬挂器2的中部与底层套管头本体1的内壁之间、所述中层芯轴式悬挂器5的中部与中层套管头本体4的内壁之间、所述上层芯轴式悬挂器8的中部与上层套管头本体7的内壁均设有组第一橡胶密封件11和一组第一金属密封件12，采用金属密封和橡胶密封圈组合密封形式，金属密封依靠顶丝挤压和拧紧两法兰螺栓共同实现密封；所述底层芯轴式悬挂器2与所述中层套管头本体4之间采用第二橡胶密封件31和第二金属密封件32形成中层套管头底部二次封隔3；所述中层芯轴式悬挂器5与所述上层套管头本体7之间采用第三橡胶密封件61和第三金属密封件62形成上层套管头底部二次封隔6。

上述结构中，所述底层套管头本体1上的法兰中、所述中层套管头本体4上的法兰中、所述上层套管头本体7上的法兰中均沿径向开有一个顶丝通道，三个所述顶丝通道中分别安装有一组顶丝组件14；所述中层套管头本体4的下法兰中、所述上层套管头本体7的下法兰中均沿径向开有两个注脂试压孔道，所述注脂试压孔道外端口分别安装有一组密封试压组件15；所述中层套管头本体4的下法兰中开设的注脂试压孔道Ⅰ43内连接第二橡胶密封件31，所述注脂试压孔道Ⅰ43与中层套管头本体4以及中层芯轴式悬挂器5之间通过第二橡胶密封件31密封；所述上层套管头本体7的下法兰中开设的注脂试压孔道Ⅱ73内连接第三橡胶密封件61，所述注脂试压孔道Ⅱ73与上层套管头本体7以及上层芯轴式悬挂器8之间通过第三橡胶密封件61密封。

上述结构中，所述第二金属密封件32由第二上金属密封圈321、第二下金属密封圈322、第二金属压环323和第二P型密封圈324组成；第三金属密封件62由第三上金属密封圈621、第三下金属密封圈622、第三金属压环623和第三P型密封圈624组成；所述第二金属密封件32的第二上金属密封圈321和第二下金属密封圈322为C型金属密封圈；第三金属密封件62的第三上金属密封圈621、第三下金属密封圈622为C型金属密封圈；所述第二橡胶密封件31和第三橡胶密封件61为FKM氟橡胶材质的BT密封圈结构，HS硬度为85±5，通过注脂实现密封；所述第一橡胶密封件11为O型橡胶密封圈，所述第一金属密封件12为C型金属密封圈。套管头底部二次封隔采用金属和橡胶密封组合密封的形式，其中金属密封依靠收紧两法兰螺栓，使金属密封圈实现对内对外的膨胀进而实现有效的密封。

进一步的，上述结构中，所述顶丝组件14包括顶丝本体141、顶丝密封圈142、顶丝填料143和顶丝压帽144；所述顶丝本体141依次与顶丝密封圈142、顶丝填料143连接，并且顶丝的右侧设有顶丝压帽144；所述密封试压组件15包括丝堵接头和注脂试压阀。

进一步的，上述结构中，所述第一螺栓组件9和第二螺栓组件10均包括双头螺栓、螺母和密封垫环。

进一步的，上述结构中，所述底层套管头本体1、中层套管头本体4和上层套管头本体7的相对两侧旁通分别设置有第一手动平板阀16和第二手动平板阀17。

进一步的，上述结构中，所述第一手动平板阀16包括第一平板阀体161，所述第一平板阀体161的一端通过丝扣法兰19和栽丝螺栓螺母组件20连接对应层的套管头本体、相对的另一端连接第一法兰盘162，所述第一法兰盘162的另一端连接第一丝堵接头163，所述第一丝堵接头163连接第一公母接头164，所述第一公母接头164上设置有双刻度防硫抗震压力表165，所述第一公母接头164的端部连接有方形直角截止阀166。

进一步的，上述结构中，所述第二手动平板阀17包括第二平板阀体171，所述第二平板阀体171的一端通过丝扣法兰19和栽丝螺栓螺母组件20连接对应层的套管头本体、相对的另一端连接第二法兰盘172，所述第二法兰盘172的端部连接第二丝堵接头173。所述丝扣法兰19与对应层套管头本体之间还设置金属密封钢圈。

另外，第一手动平板阀和第二手动平板阀，其阀门均采用FLS结构，且其阀门阀板阀座采用金属密封，内部无任何橡胶密封件，确保密封性能稳定。

进一步的，上述结构中，所述底层套管头本体1与中层套管头本体4之间、第二金属密封件32的外侧以及所述中层套管头本体4与上层套管头本体7之间、第三金属密封件62的外侧均还设置八角环钢圈18。

进一步的，上述结构中，所述耐高温高抗硫HH级三层套管头的金属组成部分均采用耐高温高抗硫的合金制备而成，与介质接触部位均采用合金堆焊而成。

具体地，底层套管头本体1、中层套管头本体4、上层套管头本体7、第一平板阀阀体161和阀盖、第二平板阀阀体171和阀盖均采用耐高温高抗硫的合金钢4130制备而成，HRC硬度控制≤22，且满足NACE MR0175抗硫要求，机械性能满足75K要求，同时所有与介质接触部位都进行inconel 625合金堆焊，焊层厚度不小于3.5mm。在此，材料机械性能满足75K的要求，对应的机械性能数值为：0.2%残余变形屈服强度（最小值）为517 MPa（75,000 psi）、抗拉强度（最小值）为655 MPa（95,000 psi）、50mm的伸长率（最小值）为17%、断面收缩率（最小值）为35%。

另外，底层芯轴式悬挂器2、中层芯轴式悬挂器5、上层芯轴式悬挂器8、顶丝本体141和顶丝压帽144、第一平板阀16和第二平板阀17的阀杆、阀板、阀座都采用inconel 718材质，HRC硬度为32~40，符合NACE MR0175抗硫化氢无限制要求，机械性能满足120K要求。在此，需要说明的是：材料机械性能满足120K的要求，对应的机械性能数值为：0.2%残余变形屈服强度（最小值）为827 MPa（120,000 psi）、抗拉强度（最小值）为1034 MPa（150,000psi）、50mm的伸长率（最小值）为20%、断面收缩率（最小值）为35%。

而且，非金属密封件如顶丝密封圈142、第一平板阀16和第二平板阀17的阀杆盘根、阀座密封圈采用PEEK++Elgiloy（合金弹簧）；八角环钢圈18、金属密封钢圈、形成套管头底部二次封隔的C型金属密封圈均采用inconel 825合金，HRB硬度≤92；所述第二橡胶密封件31和第三橡胶密封件61采用FKM氟橡胶材质。

安装时，根据钻井工艺先安装底层套管头总成，相关作业后，下套管固井前，安装底层芯轴式悬挂器2，固井结束后，将底层芯轴式悬挂器2安装至底层套管头本体1的内腔内，然后安装中层套管头本体4，中层套管头本体4和底层芯轴式悬挂器之间采用金属和橡胶组合密封形成二次中层套管头底部封隔。

中层套管头总成安装完成后，进行相关作业后，下套管固井前，安装中层芯轴式悬挂器5，固井结束后，将中层芯轴式悬挂器5安装至中层套管头本体4的内腔内，然后安装上层套管头本体7，上层套管头本体7和中层芯轴式悬挂器5之间采用金属和橡胶组合密封形成上层套管头底部二次封隔。

上层套管头总成安装完成后，进行相关作业后，下套管固井前，安装上层芯轴式悬挂器8，固井结束后，将上层芯轴式悬挂器8安装至上层套管头本体7的内腔内，然后安装油管头总成（图中未画出），上层芯轴式悬挂器8预留密封脖颈可与油管头（图中未画出）之间形成金属和橡胶组合密封。

上述的相关作业是指：在套管头上安装钻井四通、防喷器组，使用试压塞对套管头上部钢圈、钻井四通和防喷器组进行试压，试压合格后，取出试压塞，使用防磨套专用取送工具下放防磨套，下钻头钻井，钻到设计井深后，取出钻具，使用防磨套专用取送工具取出防磨套，下套管循环后，安装上层金属密封芯轴式悬挂器，坐放到位后上提芯轴式悬挂器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。