CN101769146A - 一种金属到金属密封回接连接器 - Google Patents
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Abstract
一种金属到金属密封回接连接器，应用于海洋油气井海面采油平台到水下井口的管线连接。回接连接器本体内壁上有扭转键槽；在回接连接器本体环形凹槽内有重力锁环。在回接连接器本体外壁下部有密封环基座，用剪钉将密封环基座固定在圆柱体上，在密封环基座的顶部有上部和下部金属密封环。上部和下部金属密封环是一个组合膨胀密封环。通过重力锁环与水下井口套管悬挂器的自动锁定连接，来使水下井口与海面平台采油树建立采油采气通道；通过下压上、下部金属密封环开启密封，来实现该连接金属到金属密封。能简化回接连接器与套管悬挂器连接，结构紧凑、安全可靠；通过在旋转时开启金属到金属密封，简化了工艺，节约开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及海洋油气钻探技术领域，特别涉及海洋油气井完井时的一种连接海面采油平台到水下井口的管线回接的密封连接接头。
背景技术
目前，在浅海开采油气时，浮动式钻井平台打好一口井后，采用固定式海面采油平台进行采油生产。固定式海面采油平台到海底井口有很长距离，要用回接管柱从海底井口连接到固定式生产平台上。在回接管柱的下端通过回接连接器与海底的水下井口头连接。回接管柱根据水深一般在几十米到上千米不等。通过回接管柱和回接连接器来隔离海水，建立一条由海平面到海底的采油采气的通道。为了确保安全，防止发生事故，通常要采用两层以上的回接管柱，当最外层回接管柱下端的回接连接器与外层水下井口头相连接后，内层回接管柱在外层回接管柱内，用回接连接器与内层水下井口头上的套管悬挂器相连接，完成一口浅海油井的回接。在海面采油平台上建立好采油树后，在最内层的回接管柱中下入油管便能进行采油、采气作业。
在采油、采气过程中，内层回接管柱连接的回接连接器，通常要承受很高的压力，对密封性能要求相当高。普通的回接连接器的密封材料采用的是橡胶，橡胶密封材料在恶劣的环境中容易失效或者老化其耐高压的能力差。采用橡胶密封材料进行密封，远远不如金属对金属密封。所以很多海上油气井的回接连接机构中都采用的金属到金属密封，但金属到金属密封机构复杂精度高，开启密封需要很大压力。一般在完成回接管柱连接后，须要多下一次钻柱携带专用密封开启工具进行开启，才能实现密封功能。而在海上作业成本高，多下一次钻柱便会增加油气井的开发成本。
发明内容
本发明的目的是：提供一种金属到金属密封回接连接器，能通过对重力锁环的旋转连接，实现内层回接管柱与水下井口头套管悬挂器安全可靠地连接；并且同时对组合式金属膨胀密封环实施开启，实现回接连接器上的金属到金属密封，从而减少下钻柱次数，节约施工成本。
本发明采用的技术方案是：金属到金属密封回接连接器，包括回接连接器本体、重力锁环、橡胶密封圈、上部金属密封环、下部金属密封环、剪钉和密封环基座。
回接连接器本体圆筒状，回接连接器本体上端有内螺纹，内螺纹能与回接管柱下端外螺纹相连接。其特征在于：在回接连接器本体中部的内壁上分布有凹陷的扭转键槽，扭转键槽能使后续下入的专用扭转工具上扭转键的端部插入配合，专用扭转工具带动扭转键转动，同时带动回接连接器本体旋转。因此，回接连接器本体中部内壁上分布的凹陷扭转键槽的形状可以是矩形、圆形或多边形。
在回接连接器本体外壁有一个向下的斜面台阶，当金属到金属密封回接连接器入到水下井口头内时，回接连接器本体1的斜面台阶12能坐在水下井口头内的套管悬挂器上端面上，用于对金属到金属密封回接连接器的支撑。
在回接连接器本体外壁上并在斜面台阶下部有环形凹槽，在环形凹槽内卡放有重力锁环。在环形凹槽内，并在环形凹槽的上部均匀分布有圆弧形凸台，圆弧形凸台的凸起组成外接圆的外径小于重力锁环的外径。当重力锁环放入环形凹槽中时，凸台卡入到重力锁环中相对应的卡槽中，凸台能承受回接连接器本体旋转时带来的反扭矩。为了使重力锁环容易进入环形凹槽内，所述的环形凹槽的下平面是斜面，环形凹槽的下平面与环形凹槽的底平面的夹角为93～120°之间。
重力锁环为圆环柱形，重力锁环内壁为圆柱形，重力锁环内径与回接连接器本体的环形凹槽外径相同，重力锁环外壁从上到下是纵截面为锯齿形的螺纹，锯齿形螺纹的较好形状是：锯齿形螺纹横截面的上平面垂直回接连接器本体的中心线，锯齿形螺纹横截面的下平面与回接连接器本体中心线的夹角在45～70°之间。重力锁环有纵向断开口。重力锁环的纵向断开口的宽度在2～200毫米之间。当重力锁环受到向外的径向力时断开口宽度增长，重力锁环向外扩张。重力锁环的下端面与重力锁环内壁轴线的夹角为93～120°之间。重力锁环上端沿圆周均匀分布有与环形圆槽凸台位置相对应的卡槽(上豁口)。将重力锁环套入回接连接器本体的环形凹槽内卡槽与凸台相嵌，卡槽与凸台用于承受回接连接器本体在旋转时带来的反扭矩，即接连接器本体在旋转时凸台推动重力锁环一起旋转。
在回接连接器本体外壁上并在环形凹槽下部有密封圈槽，在密封圈槽内有橡胶密封圈。当回接连接器本体下端插入水下井口头的套管悬挂器内，并与套管悬挂器内径配合，橡胶密封圈起到临时密封作用。
在回接连接器本体外壁上并在密封圈槽下部有一个向下的台阶，向下的台阶下部是圆柱体，在圆柱体的外表面下端套有圆环柱形的密封环基座，采用剪钉将密封环基座固定在圆柱体上，并且密封环基座的下端面在圆柱体下端面之下，即密封环基座下端比圆柱体下端长3～15毫米。当密封环基座受到足够大的向上推力时，密封环基座向上运动能剪断剪钉。在密封环基座的顶部与回接连接器本体向下的台阶面之间有上部金属密封环和下部金属密封环。上部金属密封环和下部金属密封环是一个组合式金属膨胀密封环。
密封环基座最下端外壁有一圆锥面，圆锥面引导密封环基座进入套管悬挂器内孔。
上部金属密封环是一个圆环体，圆环体的一侧纵剖面下部有楔形体；下部金属密封环是一个圆环体，圆环体的一侧纵剖面上部有楔形槽。上部金属密封环的楔形体插入下部金属密封环的楔形槽内。当上部金属密封环与下部金属密封环两端受到轴向压力时，上部金属密封环楔形体更深地插入下部金属密封环的楔形槽内，使下部金属密封环径向扩张。最终使下部金属密封环的外壁与套管悬挂器内孔之间形成密封。
上部金属密封环的楔形体和下部金属密封环楔形槽的斜度在5～20°之间。
为了提高下部金属密封环两侧的临时密封性，在下部金属密封环的内壁和外壁上分别有O型密封圈。
简述本发明金属到金属密封回接连接器的操作过程和密封原理：参阅图1。密封回接连接器上端连接回接管柱，并插入到水下井口头内的套管悬挂器内控中，重力锁环3依靠回接管柱自身重量滑入到套管悬挂器内壁上相应内螺纹锁槽内。然后从海面采油平台下入扭转工具，使扭转工具上的扭转键插入到回接连接器本体1内壁上的扭转键槽2中，旋转扭转工具带动回接连接器本体1旋转，通过回接连接器本体1环形圆槽上凸台5与重力锁环3相对应的卡槽配合，使重力锁环3旋紧在套管悬挂器内螺纹上。同时，在重力锁环3悬紧于套管悬挂器内螺纹过程中，由于回接连接器下入到水下井口头内的套管悬挂器时，其下端斜面台阶12与套管悬挂器内壁相应斜面保留一定距离，使得回接连接器本体1有足够的下行空间，来开启金属密封。使得回接连接器本体1有相对于密封环基座11向下运动趋势，即使得回接连接器本体1与套管悬挂器能产生相对位移。当其轴向力超过剪钉10设计剪切力时，剪钉被剪断，回接连接器本体1向下运动，将上部金属密封环7的楔形的圆环挤压到下部金属密封环8的环形槽中，使槽的左右两壁向外扩张，下部金属密封环8的环形槽的两金属密封外壁分别贴合于回接连接器本体1下端外壁和套管悬挂器内壁上，起到金属密封作用。当重力锁环3旋紧于套管悬挂器内壁螺纹上时，同时保持对金属密封环的挤压力，使得金属密封环始终保持密封状态。水下井口头内的套管悬挂器和扭转工具本领域的技术人员比较熟悉，并且不属于本发明的内容，不详细叙述。
本发明的有益效果：本发明金属到金属密封回接连接器，能实现水下井口和海面采油平台的金属到金属密封回接。通过重力锁环3旋转和密封环基座11轴向向上推动下部金属密封环8，实现下部金属密封环8膨胀密封，简化了回接连接器与套管悬挂器的连接密封，整个连接结构紧凑、安全可靠；另一方面，通过在旋转时开启金属到金属密封，简化了开启工艺，节约了油气井开发成本。
附图说明
图1是本发明金属到金属密封回接连接器结构剖面示意图。
图2是本发明回接连接工具横截面示意图。
图3是图1的局部放大图。
图中，1.回接连接器本体，2.扭转键槽，3.重力锁环，4.锁环斜面，5.凸台，6.橡胶密封圈，7.上部金属密封环，8.下部金属密封环，9.O型密封圈，10.剪钉，11.密封环基座，12.斜面台阶。
具体实施方式
实施例1：以一个339mm(133/8″)的金属到金属密封回接连接工具为例，对本发明作进一步详细说明。
参阅图1。本发明金属到金属密封回接连接器，包括回接连接器本体1、重力锁环3、橡胶密封圈6、上部金属密封环7、下部金属密封环8、剪钉10和密封环基座11。
回接连接器本体1圆筒状，回接连接器本体1上端有内螺纹，内螺纹能与回接管柱下端外螺纹相连接。回接连接器本体1最上端有339mm(133/8″)套管偏梯螺纹，能与339mm(133/8″)回接管柱下端相连接。将金属到金属密封回接连接器通过回接管柱下入到水下井口头内的套管悬挂器上。
在回接连接器本体1中部的内壁上分布有三个凹陷的扭转键槽2；回接连接器本体1中部内壁上分布的凹陷扭转键槽2的形状是矩形。凹陷扭转键槽2的深度为15毫米。从海面采油平台下入扭转工具，使扭转工具上的扭转键是均匀分布到向外突出的三个矩形块，三个矩形块能插入到回接连接器本体内壁上的扭转键槽2中，带动回接连接器本体1旋转。
在回接连接器本体1外壁有一个向下的斜面台阶12；
在回接连接器本体1外壁上并在斜面台阶12下部有环形凹槽，在环形凹槽内卡放有重力锁环3。参阅图2。在环形凹槽内，并在环形凹槽的上部均匀分布有三个圆弧形凸台5，圆弧形凸台5的凸起组成外接圆的外径小于重力锁环3外径2毫米。所述的环形凹槽的下平面是斜面，环形凹槽的下平面与环形凹槽的底平面的夹角为100°。重力锁环3的下端面与重力锁环3内壁轴线的夹角为100°。
重力锁环3为圆环柱形，重力锁环3内壁为圆柱形，重力锁环3内径与回接连接器本体1的环形凹槽外径相同，重力锁环3外壁从上到下是纵截面为锯齿形的螺纹，锯齿形螺纹横截面的上平面垂直回接连接器本体1的中心线，锯齿形螺纹横截面的下平面与回接连接器本体1中心线的夹角60°。重力锁环3有纵向断开口。重力锁环3的纵向断开口的宽度为100毫米。重力锁环3上端沿圆周均匀分布有与环形圆槽凸台5位置相对应的卡槽。重力锁环3套入回接连接器本体1的环形凹槽内卡槽与凸台5相嵌。
在回接连接器本体1外壁上并在环形凹槽下部有密封圈槽，在密封圈槽内有橡胶密封圈6。外径340mm，可与套管悬挂器内径很好贴合，使得环形圆槽下端的橡胶密封圈6能起到很好的密封效果。
在回接连接器本体1外壁上并在密封圈槽下部有一个向下的台阶，向下的台阶下部是圆柱体，在圆柱体的外表面下端套有圆环柱形的密封环基座11，用两个直径为5mm的剪钉10将密封环基座11固定在圆柱体上，并且密封环基座11的下端面在圆柱体下端面之下，即密封环基座11下端比圆柱体下端长5毫米(轴向距离)。在密封环基座11的顶部与回接连接器本体1向下的台阶面之间有上部金属密封环7和下部金属密封环8。上部金属密封环7和下部金属密封环8是一个组合膨胀密封环。
密封环基座11最下端外壁有一圆锥面，圆锥面引导密封环基座11进入套管悬挂器内孔。
上部金属密封环7是一个圆环体，圆环体的一侧纵剖面下部有楔形体；下部金属密封环8是一个圆环体，圆环体的一侧纵剖面上部有楔形槽。上部金属密封环7的楔形体插入下部金属密封环8的楔形槽内。上部金属密封环7的楔形体和下部金属密封环8楔形槽的斜度为15°。
在下部金属密封环8的内壁和外壁上分别有O型密封圈9。
Claims (6)
1.一种金属到金属密封回接连接器，包括回接连接器本体(1)、重力锁环(3)、橡胶密封圈(6)、上部金属密封环(7)、下部金属密封环(8)、剪钉(10)和密封环基座(11)；
回接连接器本体(1)圆筒状，回接连接器本体(1)上端有内螺纹，内螺纹能与回接管柱下端外螺纹相连接；其特征在于：在回接连接器本体(1)中部的内壁上分布有凹陷的扭转键槽(2)；
在回接连接器本体(1)外壁有一个向下的斜面台阶(12)；
在回接连接器本体(1)外壁上并在斜面台阶(12)下部有环形凹槽，在环形凹槽内卡放有重力锁环(3)，在环形凹槽内，并在环形凹槽的上部均匀分布有圆弧形凸台(5)，圆弧形凸台(5)的凸起组成外接圆的外径小于重力锁环(3)的外径；
重力锁环(3)为圆环柱形，重力锁环(3)内壁为圆柱形，重力锁环(3)内径与回接连接器本体(1)的环形凹槽外径相同，重力锁环(3)外壁从上到下是纵截面为锯齿形的螺纹，重力锁环(3)有纵向断开口，重力锁环(3)的纵向断开口的宽度在2～200毫米之间，重力锁环(3)上端沿圆周均匀分布有与环形圆槽凸台(5)位置相对应的卡槽，重力锁环(3)套入回接连接器本体(1)的环形凹槽内卡槽与凸台(5)相嵌；
在回接连接器本体(1)外壁上并在环形凹槽下部有密封圈槽，在密封圈槽内有橡胶密封圈(6)；
在回接连接器本体(1)外壁上并在密封圈槽下部有一个向下的台阶，向下的台阶下部是圆柱体，在圆柱体的外表面下端套有圆环柱形的密封环基座(11)，用剪钉(10)将密封环基座(11)固定在圆柱体上，并且密封环基座(11)的下端面在圆柱体下端面之下，即密封环基座(11)下端比圆柱体下端长3～15毫米；在密封环基座(11)的顶部与回接连接器本体(1)向下的台阶面之间有上部金属密封环(7)和下部金属密封环(8)，上部金属密封环(7)和下部金属密封环(8)是一个组合膨胀密封环；
密封环基座(11)最下端外壁有一圆锥面，圆锥面引导密封环基座(11)进入套管悬挂器内孔；
上部金属密封环(7)是一个圆环体，圆环体的一侧纵剖面下部有楔形体；下部金属密封环(8)是一个圆环体，圆环体的一侧纵剖面上部有楔形槽，上部金属密封环(7)的楔形体插入下部金属密封环(8)的楔形槽内。
2.如权利要求1所述的金属到金属密封回接连接器，其特征在于：所述的环形凹槽的下平面是斜面，环形凹槽的下平面与环形凹槽的底平面的夹角为93～120°之间，重力锁环(3)的下端面与重力锁环(3)内壁轴线的夹角为93～1 20°之间。
3.如权利要求1所述的金属到金属密封回接连接器，其特征在于：回接连接器本体(1)中部内壁上分布的凹陷扭转键槽(2)的形状是矩形、圆形或多边形。
4.如权利要求1所述的金属到金属密封回接连接器，其特征在于：锯齿形螺纹横截面的上平面垂直回接连接器本体(1)的中心线，锯齿形螺纹横截面的下平面与回接连接器本体(1)中心线的夹角在45～70°之间。
5.如权利要求1所述的金属到金属密封回接连接器，其特征在于：上部金属密封环(7)的楔形体和下部金属密封环(8)楔形槽的斜度在5～20°之间。
6.如权利要求1所述的金属到金属密封回接连接器，其特征在于：在下部金属密封环(8)的内壁和外壁上分别有O型密封圈(9)。
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