CN101504077A - 在井内形成金属-金属密封的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于井的密封组件，包括：金属主体，所述金属主体适于响应于该主体在压缩表面之间被纵向压缩而径向向内和径向向外膨胀。所述金属主体包括第一和第二表面，该第一和第二表面在主体被纵向压缩之前与压缩表面不一致，且该第一和第二表面适于接触压缩表面。

Description

在井内形成金属—金属密封的方法

技术领域

本发明一般涉及在井内形成金属—金属密封的方法。

背景技术

包括橡胶和塑料密封的聚合体密封通常使用在井下工具中。通常使用聚合体密封是因为它们的柔性、弹性和密封不均匀或不规则表面的能力。然而，对于一些井下环境，例如存在极高或极低温度的环境或存在腐蚀性流体的环境(作为示例)，传统的聚合体材料可能不合适。而且，即使在聚合体密封可以使用的应用中，由于环境变化导致的材料老化、出现故障和特性改变也对聚合体密封的使用提出了挑战。由于聚合体密封的抗挤压性较差，所以聚合体密封一般与支撑系统一起使用。

金属密封可以使用在井下应用中代替聚合体密封。相较于聚合体密封，金属密封通常展示出较好的稳定的机械和物理特性。然而，密封设计典型地对于金属密封而言更具有挑战性，因为其密封机制与聚合体密封的机制不同。例如，金属密封在密封表面上典型地需要大得多的表面抛光和大得多的接触应力。

发明内容

在本发明的实施例中，用于井的密封组件包括金属主体，所述金属主体适于响应于该主体在压缩表面之间被纵向压缩而径向向内和径向向外膨胀。所述金属主体包括第一和第二表面，该第一和第二表面在主体被纵向压缩之前与压缩表面不一致，且该第一和第二表面适于接触压缩表面。

本发明的优点和其它特征将从下面的附图、描述和权利要求中变得更加明显。

附图说明

图1是图示根据本发明实施例的圆柱体型金属密封组件的、在安装该组件的金属密封环之前的示意图；

图2是根据本发明实施例的图1中的密封环的放大视图；

图3、5、7和9是说明根据本发明实施例的包括金属密封环的金属密封组件在安装该密封环之前的示意图；

图4、6、8和10分别是说明根据本发明实施例的图3、5、7和9中的密封组件在安装了组件的金属密封环之后的示意图；

图11和12是根据本发明实施例的密封环的横截面视图；

图13、14和15是根据本发明实施例的供能环(energizing ring)的横截面视图；

图16说明了根据本发明实施例的由两者不同的金属制成的密封元件的横截面视图；

图17说明了根据本发明实施例的具有由两种不同的金属制成的密封元件的、在安装密封元件之前的密封组件；

图18说明了根据本发明实施例的在安装了组件之后的、图17中的密封组件；

图19、21、23、25和27说明了根据本发明实施例的在安装组件的密封环之前的不同密封组件；

图20、22、24、26和29分别说明了根据本发明实施例的图19、21、23、25和27中的、在安装了密封组件的密封环之后的密封组件；和

图28描述了根据本发明实施例的图27和图29中的密封组件在安装密封组件的过程中的中间状态。

具体实施方式

参照图1，根据本发明实施例的金属密封组件10可以用于形成在井中的内管状部件30与外管状部件20之间的密封。作为示例，外管状部件20可以是套管柱(casing string)，而内管状部件30可以是工作或生产管柱(work or production string)，尽管在本发明的其它实施例中管状部件20和30可以是不同的构件。

管状部件20和30大致与井的纵向轴线12同心且沿井的纵向轴线延伸。一般地，金属密封组件10包括圆柱形金属密封环40，所述金属密封环40具有厚度轮廓(thickness profile)和其它几何特征从而使得金属密封环40当被纵向压缩时径向向内和径向向外膨胀，以在管状部件20与30之间形成密封。

如图1中所示，根据本发明的一些实施例，可以通过使用上套环(thimble)14和下套环16，或夹具(gauges)实现密封环40的纵向压缩。通常，夹具14、16可以分别具有相对平坦的环形表面18和21，以便分别接合密封环40的上表面42和下表面44。与平面18、21不同，密封环40的表面42和44倾斜(这是密封环40的另一特征)，从而使得密封环40当受到纵向压缩时弯曲。

参照图1A，根据本发明的一些实施例，密封环40的径向厚度从环40最厚的端部朝向环40最薄的中部48变化。也可以提出密封环40的其它厚度变化(例如，密封环的厚度不均匀)，这些厚度变化在本发明的权利要求所限定的保护范围内。

为实现厚度变化，密封环的内表面可以相对于水平参考线倾斜角度α。密封环40的上表面42和下表面44每一个可以相对于水平参考线倾斜较小的角度β。

参照图2，当密封环40被纵向压缩时，密封环40的内部倒圆的表面51和53与内管状部件30的外表面接触并大致形成密封。另外，靠近环40的中部的密封环40的外表面在密封环40与外管状部件20的内表面之间形成对应的密封接触55。同样如图2中所示，当密封环40被纵向压缩时，环40的上表面42与下表面44大致与对应的夹具表面18和21分别一致。

根据本发明的一些实施例，密封环40可以主要由退火铜材料形成并且纵向尺寸大致为7英寸。直径上，挤压间隙可以大致为0.178英寸。根据本发明的其它实施例，密封环40可以由其它材料制成并可以具有不同的尺寸。例如，对于密封环40，可以选择其它材料代替铜，因为任何原因，例如腐蚀作用、强度、成本等。作为更具体的示例，由镍或镍合金制成的密封元件对于腐蚀环境可以具有增加的使用性。如上面进一步描述的，密封元件可以由不同金属形成，选择不同的金属来执行不同的功能。

基于本发明的特定实施例，密封环40可以具有各种不同的内径、外径、长度、外侧角和内侧角。特定的环尺寸可以由外管状部件20的内径、夹具16、18的外径、和心轴外径、或上述因素的组合来确定。密封环40的厚度变化的角度α(见图1A)以及表面42、44的倾斜角度β可以根据本发明的特定实施例在10度—70度(作为示例)的范围内变化。基于本发明的特定实施例，外侧角可以与内侧角相同或不同。这些角使得厚度变化以帮助实现理想的密封变形。由此，在权利要求的保护范围内可以设想出很多变化。

图3说明了金属密封组件59，根据本发明的一些实施例可以使用金属密封组件59代替金属密封组件10。参照图3，密封组件59包括上金属密封环60和下金属密封环70，两者中的每一个都具有弯曲的径向横截面。上密封环60朝向(密封组件59的)供能环75凹入，所述供能环75布置在环60与70之间；且下密封环70位于供能环75的下方并且也相对于环70凹入。如图3中所示，供能环75大致具有V形的径向横截面。通常，根据本发明的一些实施例，供能环75的横截面的顶点位于内管状部件30的外表面附近。要注意的是，密封环60和70的横截面形状作为示例示出，基于本发明的特定实施例，密封环可以为椭圆形、V形半圆或其它形状。不论特定轮廓，密封环60和70在径向向内的方向和径向向外的方向打开。因此，可以由夹具14和16施加纵向压力以使得密封元件60和70变形，从而获得相对高的接触应力和更好的密封性能。

尽管供能环75在图3中显示为V形，但是应该注意的是，基于本发明的特定实施例，供能环75可以具有其它的横截面形状。例如，基于本发明的特定实施例，供能环75可以具有矩形、梯形或其它的径向横截面形状。密封环和供能环的组合允许密封环变形并且分别在管状部件20的内表面和管状部件30的外表面上进行密封。图4显示了当密封环60和70被纵向压缩以分别形成与外管状部件20的内表面之间的密封接触62和与内管状部件30的外表面之间的密封接触64时，图3中的密封组件59。

图5显示了金属密封组件89，根据本发明的其它实施例可以使用该金属密封组件89。当与图3和4中的密封组件59比较时，密封组件89包括单个弯曲密封环60，所述密封环60具有与组件59的密封环60相同的定向。密封组件89包括供能环90，所述供能环90位于密封环60之下，并具有梯形的径向横截面，从而密封环60在上夹具14的相对平坦的表面18与供能环90的相对倾斜的表面91之间被压缩。密封环60被安装时如图6中所示地变形，从而形成外密封接触93和内密封接触95。

参照图7，根据本发明的其它实施例，上密封环60和下密封环70可以使用在另外的金属密封组件99中，所述金属密封组件99的设计与图3中的金属密封组件59相似。然而，在密封组件99中，供能环75由供能环100代替，所述供能环100具有正方形的径向横截面。密封环60和70如图9中显示地变形以便形成内密封接触101和外密封接触106。

参照图9，在又一变型中，金属密封组件109包括弯曲的密封环110，所述密封环110在上夹具14与内管状部件30的弯曲的、倾斜的表面120之间被纵向压缩。可选地，根据本发明的实施例，表面120可以是下夹具与内管状部件30分开的一部分。上夹具14相对于表面120的移动压缩弯曲的密封环110以如图10中所示，形成内密封接触113和外密封接触115。

作为其它可能的密封元件设计的示例，根据本发明的其它实施例，图11和12分别显示了环形弯曲环150和V形密封环160。密封环150具有环形半径从而环150相对于供能元件(图12中没有示出)凹入。图12中的密封环160的顶点在元件160变形之前接触供能元件(在图12中没有示出)或上夹具。

作为其它可能的密封元件设计的示例，根据本发明的其它实施例，图13显示了供能环170，所述供能环170包括上V形表面和下V形表面174。图14显示了不同的径向梯形横截面的供能环180，该供能环180具有上表面182和下表面184。图15显示了供能环190，所述供能环190包括弯曲的上表面192和弯曲的下表面194。如能够看到的，可以设想出很多变型，所有这些变型都在权利要求限定的保护范围之内。

密封环可以由软金属，例如铜、镍，或任何具有低的屈服应力的其它材料制成。使用软金属的优点在于利用较低的安装力密封就相对容易地变形。使用软金属的另一优点在于密封容易与粗糙的密封表面一致。在本发明的其它实施例中，密封元件可以由高屈服应力的金属制成。在本发明的这些实施例中，如果元件在其弹性区域内变形，密封变形可以是可逆的。

供能环也可以由高屈服应力和高强度的金属制成，因为它用于向密封元件供能并在密封变形之后用于支撑。形状记忆合金也可以与供能环一起使用，供能环也可以不使用形状记忆合金。使用形状记忆合金的另外的优点是可以允许合金基于外部刺激(例如温度、电磁场等)改变形状。

参照图16，根据本发明的一些实施例，密封环200可以由软金属和高屈服应力金属制成。如此，密封元件200的一部分201可以由高屈服应力金属制成，该部分201是弹性的并包括倒圆的部分210和208以形成密封接触。密封元件200也包括软金属以形成软金属接触220，所述软金属接触220嵌入部分201内以在外管状部件20的内表面上形成密封接触。

作为另一示例，图17显示了密封组件228，所述密封组件228具有顶部密封环230、中部密封环232和底部密封环234，这些密封环可以由不同的金属形成以用于不同的功能。例如，环230、232和234中的一个或更多可以由适于锚定密封组件228的金属形成(用于分隔器和桥塞应用(packerand bridge plug applications))；和/或环230、232和234中的一个或更多可以由当密封组件228被压缩时(图18)适于在内管状部件30与外管状部件20之间形成密封的金属制成。由此，根据本发明一些实施例，基于油井是否装有套管，环230、232和234中的一个或更多可以将特定的井下构件锚定到井眼壁或油井套管(well casing)上。如图17中所示，所有三个环230、232和234可以具有V形横截面，且顶部环230和底部环234朝向外管状部件20开口，且中间环232朝向内管状部件30开口(作为非限制性实施例)。

为了多个目的，密封组件228可以含有不同的金属。因为金属组件228可以起到用于分隔器和桥塞应用的锚定装置，可以省略传统的卡瓦(slips)。由于高的接触应力，密封元件可以被焊接到密封表面上。

根据本发明的一些实施例，密封组件的一部分可以具有环形凹槽阵列以提高密封与接触表面之间的相互作用以及增强锚定效果。使用这些金属密封也可以获得例如低的安装力和良好的防抽干性(swab-offresistance)的其它优点。

为了不干扰密封功能，可以在密封的一侧上钻穿多个孔。钻出的孔可以有助于排放在密封与内管状部件表面之间的空腔内部的压力。该孔也有助于在压差保持的情况下压力强化(pressure energize：或受压自紧)该密封。同样，使得密封的一侧开口也产生了相同的结果，这允许井眼压力、和/或施加的差压进一步提高密封能力。在应用中这将与分隔器皮碗(packer cup)的结果相似。

在此说明的密封设计也与聚合体材料一起使用，例如金属密封元件的一部分可以涂覆有橡胶或塑料材料。此种类型的密封的优点是可以获得仅仅利用聚合体密封难以获得的很高的接触应力。在此申请中，通过施加轴向压缩载荷或其它方法，例如加热由形状记忆合金制成的密封，来形成密封。

对于一些涉及工具或小的密封移动的密封应用，也可以装入具有弹簧类型机构的具体装置，因为金属—金属密封对于移动会具有降低的灵活性。

可以设想出其它变型并且其它变型都在权利要求的保护范围内。例如，图19显示了一种金属密封组件300，其中密封环330被压缩在两个夹具314与320之间。密封环330的上端容纳在肩部331内，所述肩部331形成在夹具314的下端内用于当被压缩时使密封环330变形(如图20中所示)。密封环330基于本发明的特定实施例可以连接到或不连接到夹具314。如图20中所示，当被压缩时，压缩的密封环330的中间点323与外管状部件20的内表面形成密封；且密封环330的端部324与内管状部件30的外表面形成密封点。

参照图21，作为另一变型的示例，密封组件339的密封环340可以在夹具341与343之间被纵向压缩。如图22中所示，当密封元件340被纵向压缩时，密封环340被弯曲，或在端部342和344处弯曲，这分别形成对应的密封接触352和354。另外，当环340被压缩时，密封环340的中点与外管状部件20的内表面形成密封接触350(见图22)。

参照图23，根据本发明的另外实施例，金属密封组件359的密封环360可以大致径向向外拱起，从而密封环360的中心或中间部分361具有最大半径。也参照图24，当被纵向压缩时，密封接触362和364形成在密封环360的端部367和369处，且密封环360的中点361与外管状部件30的内表面形成密封接触370。

参照图25，根据本发明的一些实施例，在又一变型中，金属密封组件379的密封环380可以是环形布置的管状环。如此，密封环380可以被加热和径向压缩直到获得椭圆形横截面；然后密封环380可以被退火以获得需要的硬度。当密封环380被压缩时，如图26中所示，安装力将环380返回到它的环形横截面(或至少稍微椭圆的横截面)，以形成分别与外管状部件30的密封接触392和与内管状部件20的密封接触394。

作为另一变型的示例，图27显示了根据本发明的其它实施例的金属密封组件400。密封组件400包括V形径向横截面金属密封环410，该密封环410包括V形开口414以容纳外圆锥(outer cone)404。外圆锥404通过剪切螺钉(shear screw)408连接到内圆锥(inner cone)402上。

参照图28(图28显示了密封组件400在安装期间的中间状态)，当密封元件410开始被压缩时，外圆锥404首先接触密封元件410，强制元件410接触外管状部件20的内表面。参照图29，当安装力超过螺钉408的剪切值时，内圆锥402进入密封元件410内，从而形成分别与外管状部件20的密封接触412和与内管状部件30的密封接触411。

另一方法包括两个安装步骤，该两个安装步骤在一个步骤中独立驱动元件410到外管状部件20，且在另一步骤中驱动元件410到内管状部件30内(顺序不重要)。通过消除当前环设计的组合曳力，通过消除在安装过程中在管状部件20和30上的环的同时牵曳，这将形成降低安装力的技术方案。

在此披露的金属密封组件可以用于在井下环境中的多种应用，仅仅作为几个示例，例如桥塞(bridge plugs)、跨件(straddles)、改型锁(retrofit locks)、滑动套筒、连通孔板&套筒、尾管悬挂器(linerhangers)、永久和可收回分隔器(permanent &retrievable packers)、四通系统塞(spool tree plugs)、抛光座圈(polished bore receptacle(PBR))、密封组件、侧窗和侧连接(lateral window &junctions)、表面压力控制设备、钢丝绳填料箱和润滑酯注入头(wireline stuffingboxes & grease injection heads)、立柱(sub-sea riser)。

尽管已经参照有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员根据该内容将可以对其做出很多修改和变型。并且，权利要求覆盖了所有这些修改和变型，且这些修改和变型落入本发明的保护范围内。

Claims (32)

1、一种用于井的密封组件，包括：

金属主体，所述金属主体适于响应于该主体在压缩表面之间被纵向压缩而径向向内和径向向外膨胀，所述金属主体包括第一和第二表面，该第一和第二表面在主体被纵向压缩之前与压缩表面不一致，且该第一和第二表面适于接触压缩表面。

2、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述第一和第二表面相对于压缩表面倾斜。

3、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述金属主体包括圆柱形主体。

4、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述金属主体具有沿金属主体的纵向长度变化的径向厚度。

5、根据权利要求4所述的密封组件，其中所述厚度在靠近金属主体的纵向中间点处比靠近金属主体的任一端处薄。

6、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述金属主体包括大体上被倒圆的表面，以在径向位于所述主体的内部的第一部件和径向位于所述主体的外部的第二部件之间形成密封接触。

7、根据权利要求1所述的密封组件，其中响应于金属主体被纵向压缩，所述第一和第二表面大体上与压缩表面一致。

8、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述第一表面被倒圆从而金属主体具有弯曲的横截面轮廓。

9、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述压缩表面中的一个包括供能环的表面。

10、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述压缩表面中的至少一个具有倾斜轮廓。

11、根据权利要求1所述的密封组件，进一步包括：

固定到第一金属主体上的另一金属主体。

12、根据权利要求11所述的密封组件，其中所述第一金属主体和所述另一金属主体由不同的金属形成。

13、根据权利要求11所述的密封组件，其中所述另一金属主体比第一金属主体软。

14、根据权利要求11所述的密封组件，其中所述另一金属主体与第一金属主体一致。

15、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述金属主体包括围绕这样的线同心的管状主体，所述线围绕所述金属主体的纵向轴线径向延伸。

16、根据权利要求1所述的密封组件，其中所述金属主体适于将井下构件锚定到井眼壁和油井套管中的至少一个上。

17、一种用于井的密封组件，包括：

至少一个用于施加纵向压缩力的部件，所述部件包括第一表面；和

金属主体，所述金属主体响应于该纵向力径向向内和径向向外膨胀，所述金属主体包括第二表面，当金属主体被压缩时所述第二表面大体上与第一表面一致。

18、根据权利要求17所述的密封组件，其中所述第一表面和第二表面相对于压缩表面倾斜。

19、根据权利要求17所述的密封组件，其中所述金属主体包括圆柱形主体。

20、根据权利要求19所述的密封组件，其中所述金属主体具有沿金属主体的纵向长度变化的径向厚度。

21、根据权利要求20所述的密封组件，其中所述厚度在靠近圆柱形主体的纵向中间点处比靠近圆柱形主体的任一端处薄。

22、根据权利要求17所述的密封组件，其中两个压缩表面中的一个包括供能环。

23、根据权利要求22所述的密封组件，其中所述供能环包括具有梯形横截面的环。

24、根据权利要求22所述的密封组件，其中所述供能环包括具有矩形横截面的环。

25、根据权利要求17所述的密封组件，其中所述密封组件包括用于分隔器和桥塞之一的密封组件。

26、一种用于井的方法，包括步骤：

提供金属主体，从而当金属主体被纵向压缩时在井内形成密封；

形成金属主体的表面，该表面在金属主体受到纵向压缩之前基本上并不与压缩表面一致；和

相对所述表面施加纵向力以纵向压缩所述金属主体。

27、根据权利要求26所述的方法，进一步包括：

相对于多个压缩表面设置第一和第二表面。

28、根据权利要求26所述的方法，其中提供金属主体的步骤包括提供圆柱形主体。

29、根据权利要求28所述的方法，其中提供金属主体的步骤包括提供具有沿金属主体的纵向长度变化的径向厚度的金属主体。

30、根据权利要求29所述的方法，其中所述径向厚度在靠近圆柱形主体的纵向中间点处比靠近圆柱形主体的任一端处薄。

31、根据权利要求26所述的方法，其中提供金属主体的步骤包括提供具有大体上被倒圆的表面的金属主体以便在径向位于所述主体的内部的第一部件和径向位于所述主体的外部的第二部件之间形成密封接触。

32、根据权利要求26所述的方法，进一步包括：

使用金属主体以形成井中的锚定件。

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