(一)、本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域：

專利著錄技術(shù)領(lǐng)域：機械裝置及運輸技術(shù)領(lǐng)域——機械組件——G05G——只按機械特征區(qū)分的控制裝置或系統(tǒng)。

科技部高新技術(shù)領(lǐng)域目錄：八、高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)——(四)新型機械——2、通用機械和新型機械。

(二)、應(yīng)用范圍：

本發(fā)明為石油工業(yè)節(jié)能減排、安全環(huán)保新技術(shù)，是目前油田普遍使用的盤根光桿密封器的升級換代產(chǎn)品，適用于全國約50萬口和全世界約500萬口有桿泵抽油井的光桿密封。

(三)、功能作用：

本發(fā)明采用磁性增壓技術(shù)和磁流體復(fù)合密封技術(shù)，在軸向使密封函內(nèi)磁流體填料始終保持增壓態(tài)勢，使之在徑向形成無數(shù)“O”形磁流體密封圈，自動、致密地填充密封區(qū)內(nèi)可能產(chǎn)生的任何縫隙，增強抗擊穿能力，從而實現(xiàn)光桿“零”泄漏密封；本發(fā)明解決盤根“抱緊”密封造成的摩擦阻力大，抽油機電耗大，盤根損壞更換頻繁，停產(chǎn)檢修成本高，井口帶壓油氣水經(jīng)?！芭?、冒、滴、漏”，以及由此產(chǎn)生的嚴(yán)重環(huán)境污染和安全隱患等一系列老大難問題。

二、

背景技術(shù)：
：

目前國家專利局已認(rèn)證的抽油機光桿密封器專利達(dá)200多項，但被油田認(rèn)可且具實用價值的微乎其微，這說明解決光桿密封泄漏問題研究者之眾，難度之大?，F(xiàn)實情況是，在油田普遍使用的光桿密封器仍然沿用的是一百多年來的基本結(jié)構(gòu)，這就是盤根盒光桿密封器，也是載入《采油工程手冊》的唯一一類器型。

1、品種：目前各油田廣泛使用的傳統(tǒng)抽油機光桿密封裝置主要有：單盤根盒光桿密封器，雙盤根盒光桿密封器，單塔形盤根盒光桿密封器，雙塔形盤根盒光桿密封器，球形盤根盒光桿密封器等。

2、基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)盤根盒類光桿密封裝置，最典型的是“O”形橡膠圈單盤根盒光桿密封器，如圖2所示；雙塔形盤根盒光桿密封器，如圖3所示。

這類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：12、上壓蓋；13、革蘭；14、“O”型橡膠密封圈(或編織盤根密封圈)；15、盤根盒(密封函)；16、彈簧；17、盤根盒與采油樹接箍；18、塔形橡膠密封件。

其他類型產(chǎn)品，如雙盤根盒、單塔型盤根盒、球形盤根盒等盤根盒光桿密封器，是將基本密封器型稍作改變，其余結(jié)構(gòu)基本相同。

3、技術(shù)原理

如圖2、圖3所示，通過旋緊上壓蓋12，推動革蘭13，壓緊“O”形盤根14或18，使之產(chǎn)生形變抱緊光桿，從而起到密封作用，防止油井中的帶壓油、氣、水隨光桿的往復(fù)運動而冒出井口。

其他各品種產(chǎn)品技術(shù)原理也基本一致，都是通過機械裝置壓迫盤根產(chǎn)生形變“抱緊”光桿方式，起到密封作用。

此類產(chǎn)品已沿用一個多世紀(jì)，實踐證明它在使用初期能起到一定密封作用，但存在問題很多，不能適應(yīng)油田現(xiàn)代化建設(shè)需要，急需更新?lián)Q代。

4、存在問題：

如圖2、圖3所示，采用機械壓緊膠皮盤根形變對往復(fù)運動光桿實施“抱緊”密封，主要存在以下問題：

(1)、造成嚴(yán)重環(huán)境污染。

“抱緊，，密封必然導(dǎo)致膠皮盤根(或編織盤根)磨損，首先從磨損縫隙泄漏出的是石油伴生氣，據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)官網(wǎng)公布，全世界在產(chǎn)油、氣井每年向大氣層排放的天然氣、石油伴生氣約13600000000m³。天然氣、石油伴生氣主要成分是CH₄(也有一定量SH₂)，它釋放熱能力遠(yuǎn)高于CO₂，屬于高碳排放，是臭氧層破壞、溫室效應(yīng)擴(kuò)張和造成酸雨的重要根 源。在油用，這樣看不見、摸不著的有毒、有害氣體每天都有排放。當(dāng)盤根磨損到一定程度后，原油和高礦化度地下水就會外泄到地面，造成地表環(huán)境嚴(yán)重污染；如果油井是在農(nóng)田里，就會造成莊稼成片死亡。

(2)、工人勞動強度大。

為了使盤根盒不泄漏，采油工人每天必須巡視井場，擰緊盤根壓蓋；盤根的使用壽命一般都不長，每1～2周必須停產(chǎn)，拆開上壓蓋，更換新盤根；尤其是沙漠油田，在夏季零上40～50度、冬季零下20～30度的惡劣環(huán)境下進(jìn)行野外作業(yè)，十分艱苦。

(3)、安全隱患。

從盤根盒中溢出的氣體是天然氣，其主要成分是CH4、C2H6、C3H8等；根據(jù)不同地質(zhì)情況也含有或多或少H₂S，前者易燃易爆，后者能灼傷呼吸系統(tǒng)，致人窒息死亡。因此說，盤根泄漏是油田嚴(yán)重的安全隱患。

(4)、增加能耗。

在抽油機采油過程中，無論是上沖程還是下沖程，光桿始終都處于被盤根“抱緊”甚至是“抱死”的剎車狀態(tài)，增加了運動阻力，也就增加了抽油機能耗。

(5)、浪費資源。

膠皮盤根(或編織盤根)被摩損后，與光桿之間產(chǎn)生間隙，隨著使用時間延長，此間隙不斷擴(kuò)大，油井中的帶壓油、氣、水從間隙中不斷冒出、溢散，浪費寶貴資源。

(6)、損壞光桿。

由于光桿始終處于機械壓迫和抱緊摩擦狀態(tài)，摩擦損耗使光桿由粗變細(xì)，疲勞應(yīng)力使光桿內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，雙重作用大大縮短光桿使用壽命。

(7)、容易造成抽油桿偏摩。

由于光桿始終處于剛性壓迫狀態(tài)，當(dāng)它的運動脫離油井中軸線時，就會帶動下面的抽油桿(短則七、八百米，長則二、三千米)也偏離油井中軸線而呈現(xiàn)“蛇形”運動，造成抽油桿偏摩，從而增加抽油機電耗，并且容易磨斷抽油桿接箍，發(fā)生斷桿事故，使油井被迫停產(chǎn)檢修。

(8)、停產(chǎn)損失大。

如上所述，使用盤根盒光桿密封器，造成經(jīng)常更換盤根、更換光桿，抽油桿偏摩、斷桿，修井等作業(yè)，嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國由于光桿盤根盒密封泄漏問題每年造成的能耗、物耗、停產(chǎn)損失、作業(yè)費用等不下幾百億元。

三、

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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(一)、發(fā)明目的

為了消除盤根盒光桿密封裝置能耗高，損壞快，污染大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和效益等問題，用新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，本人鄧海波于2008年申報了磁流體光桿密封器ZL 2008 2 0065400.0專利；2014年進(jìn)行了升級，獲得了萬向隨機糾偏外注磁流體光桿密封器ZL2014 2 0073652.3專利；經(jīng)過近10年實驗研究和持續(xù)不斷改進(jìn)完善，在前2次專利基礎(chǔ)上升級的磁性增壓光桿密封器已實現(xiàn)一年以上不停產(chǎn)，不換料，不操作，不維護(hù)，不泄漏，目前正在多家油田推廣，為建設(shè)綠色油田發(fā)揮作用。

(二)、本發(fā)明理論原理

根據(jù)現(xiàn)代量子力學(xué)理論，物質(zhì)由于電子自旋磁矩、軌道磁矩和原子核磁矩的微觀交互作用產(chǎn)生磁場；磁場是物質(zhì)存在的一種客觀形式；磁場具有能量和動量；磁體具有同極相斥，異極相吸特性，其實質(zhì)是內(nèi)部磁疇的定向有序排列。美國麻省理工學(xué)院R.C.Ohandley教授經(jīng)長期實驗研究證明，單磁疇或多磁疇軟磁磁性液體(粒度在10^-7～10^-9m)，在強磁場作用下磁化，可在三維空間形成極性定向有序排列，并且其數(shù)學(xué)描述遵從Maxwell、Biot-Savart、Bernoulli等基本方程。

(三)、本發(fā)明具體方案和技術(shù)創(chuàng)新點

1、整體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。磁性增壓光桿密封器，其特征在于：在圓筒狀光桿密封函內(nèi)，下端安裝嵌入6塊條形永磁體固定密封套，上端安裝嵌入6塊條形永磁體滑動密封套，上、下密封套之間注滿磁流體填料，形成可伸縮 的高壓密封區(qū)。

2、發(fā)明固定密封套裝置。所述固定密封套，所述固定密封套，其基體是沿半徑方向開了6個燕尾槽的PTFE圓環(huán)，燕尾槽中嵌入極性兩兩相反的6塊條形永磁體，PTFE圓環(huán)外緣有螺紋與密封函內(nèi)壁連接固定。

3、發(fā)明滑動密封套裝置，使密封區(qū)自動伸縮并且保持高壓不減。所述滑動密封套，其基體是沿半徑方向開了6個燕尾槽的PTFE圓環(huán)，燕尾槽中嵌入極性兩兩相反的6塊條形永磁體，同時PTFE圓環(huán)外緣安裝有活塞式“OD”密封圈，可在密封函內(nèi)滑動，維系可伸縮的高壓密封區(qū)。

在固定密封套和滑動密封套中永磁體產(chǎn)生強磁場引力作用下，滑動密封套始終保持向固定密封套滑移的勢能，從而牢固吸附并壓迫磁流體填料形成可伸縮的高壓密封區(qū)，當(dāng)磁流體填料損耗流失后，高壓密封區(qū)自動收縮，當(dāng)磁流體填料外注補充后，高壓密封區(qū)增壓擴(kuò)張至最大，本密封器始終保持內(nèi)部壓力和耐擊穿能力不減弱。

(四)、本發(fā)明還具有以往本人多項發(fā)明的先進(jìn)性

1、磁性增壓光桿密封器同時具有磁流體密封特性。磁流體填料由外注孔注入密封函內(nèi)，在固定密封套和滑動密封套內(nèi)多個永磁體所產(chǎn)生的強磁場力作用下，磁流體沿磁力線回路密集分布，始終被吸附“控制”呈懸浮狀態(tài)，這些“磁性懸浮體”自動填入光桿與密封套、密封套與函內(nèi)壁之間的一切縫隙，起到持久良好的密封作用。

2、磁性增壓光桿密封器同時具有萬向隨機糾偏特性。前述高壓密封區(qū)可自動伸縮的密封組件組合在萬向節(jié)機構(gòu)之上，而萬向節(jié)安裝在軸向可搖頭15°、徑向可360°平移的雙層盒套內(nèi)，可在三維空間及任意時間節(jié)點實現(xiàn)隨機糾偏。

3、磁性增壓光桿密封器同時具有隨機外注補充磁流體特性。光桿密封函內(nèi)磁流體填料被往復(fù)運動光桿帶出和蒸發(fā)而逐漸損耗減少是必然現(xiàn)象， 為解決此問題，在光桿密封函上部和下部各安裝了1個注劑閥，可用膠槍方便地不停產(chǎn)隨機外注補充磁流體填料，從而大大延長密封器使用壽命。

(五)、主要功效

(1)、密封效果好，使用壽命長。

磁性增壓光桿密封器，由于將光桿由原來盤根固體剛性抱緊密封換成了液態(tài)強潤滑填充密封，不僅能封住油、水，更重要的是連井內(nèi)帶壓天然氣也能有效封住，其密封效果是盤根盒密封無法相比的，本技術(shù)產(chǎn)品可不停產(chǎn)，不換料，不操作，不維護(hù)，不泄漏連續(xù)安全使用2至3年，之后經(jīng)簡單維修保養(yǎng)可繼續(xù)重復(fù)使用，壽命可長達(dá)5年以上。

(2)、節(jié)能降耗。

傳統(tǒng)盤根盒光桿密封器對光桿往復(fù)運動摩擦阻力很大；而磁性增壓光桿密封器是通過強磁場引力作用吸附磁流體圍繞光桿形成無數(shù)液態(tài)“O”形密封圈，填充密封部位實現(xiàn)密封，并且磁流體中含有強潤滑劑和耐磨劑，它與光桿之間的摩擦系數(shù)幾近于零，因此摩擦損耗功大為減少，從而降低抽油機電耗，降低采油成本。

(3)環(huán)保效益良好。

磁性增壓光桿密封器，由于杜絕了油井中帶壓油、氣、水“跑、冒、滴、漏”，特別是消除了CH₄、C₂H₆等高碳?xì)怏w排放，避免了對大氣和地面的污染，同時又提高了資源的利用率，為建設(shè)“綠色生態(tài)油田”，給子孫后代留下一個綠色地球作出貢獻(xiàn)。

(4)、確保安全。

傳統(tǒng)盤根盒光桿密封器磨損后，首先泄漏的是天然氣和石油伴生氣，少則擴(kuò)散污染空氣，多則易燃、易爆，引發(fā)安全事故；尤其是如果析出氣體中H2S含量高，就會危及現(xiàn)場職工的人身安全；而磁性增壓光桿密封器“0”泄漏，能有效消除安全隱患。

(5)、節(jié)省人工。

磁性增壓光桿密封器，可免除采油工人每天必須旋緊盤根盒壓蓋的勞作，避免經(jīng)常性更換盤根造成的停產(chǎn)損失，減少光桿和抽油桿損壞以及由此造成 的修井作業(yè)，從而節(jié)省大量人工和物耗，降低采油成本。

(6)、提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)盤根盒光桿密封器采用的是“抱緊”光桿密封機制，這種機制是造成光桿磨斷、抽油桿憋曲偏磨、抽油桿磨斷、抽油桿脫扣等生產(chǎn)事故的重要原因之一。一旦發(fā)生這類事故則必須停產(chǎn)檢修，再加上開抽后的含水恢復(fù)期，產(chǎn)油損失至少六、七天，多的可達(dá)一、二十天；同時，日常更換盤根和盤根盒也必須停產(chǎn)，這種經(jīng)常性的停產(chǎn)損失更是無法統(tǒng)計。磁性增壓光桿密封器，實現(xiàn)2年左右不停產(chǎn)，不換料，不操作，不維護(hù)，不泄漏，可大大減少上述停產(chǎn)時間，提高抽油機有效生產(chǎn)率和油田經(jīng)濟(jì)效益。

(六)、主要技術(shù)參數(shù)

1、外形尺寸：∮88.9×450mm

2、凈重：30kg

3、連接尺寸：2 7/8TBG

4、抗拉強度：≥600MPa

5、使用溫度：-40～+120℃

6、密封耐壓：≥10MPa

7、徑向調(diào)整光桿偏心度：⊙12mm；

8、軸向調(diào)整光桿偏心度：∠15°

四、附圖說明：

圖1是磁性增壓光桿密封器整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是單盤根盒光桿密封器整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是雙塔形盤根盒光桿密封器整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4是永磁體密封套、磁回路及磁流體填充密封區(qū)示意圖

圖5是密封區(qū)內(nèi)磁性增壓原理示意圖

圖6是可伸縮高壓密封區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

上述圖1～6中依序號分別是：1光桿；2、壓蓋；3、革蘭；4、永磁體； 5、密封函；6、密封函下部外注劑閥；7、PTFE盒套；8、密封輔件；9、萬向節(jié)及隨機糾偏裝置；10、采油樹接箍；11、密封函上部注劑閥孔；12、盤根盒上壓蓋；13、盤根盒內(nèi)革蘭；14、盤根；15、盤根盒；16、彈簧；17、采油樹接箍；18、塔形橡膠密封件；19、磁力線；20、條形永磁體；21、磁流體填料；22、上部可滑動PTFE盒套；23、永磁體；24、活塞式“OD”密封圈；25、下部固定PTFE盒套。

五、具體實施方式：

參見說明書附圖1～6。本發(fā)明磁性增壓光桿密封器，上部為光桿密封函、函內(nèi)各密封套及外注閥組件；下部為萬向隨機糾偏裝置組件；采用分段加工制造然后對接安裝成整機的工藝路線。磁流體填料由本人特定配方生產(chǎn)。

密封函5及上壓蓋2采用30CrMn制造，石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接；固定密封套25和滑動密封套22采用PTFE材料加工，每層盒套內(nèi)崁入的條形永磁體20和23外委加工，“OD”密封圈及其他密封輔件外購，然后組裝成完整部件。

萬向隨機糾偏總成9采用45鋼制造，內(nèi)部各連接螺紋采用國家標(biāo)準(zhǔn)加工，氟橡膠密封件按標(biāo)準(zhǔn)外購，然后組裝。

將上部密封函組件與下部萬向隨機糾偏機構(gòu)螺紋對接即為磁性增壓光桿密封器。