CN101858203A - 自紧式环形密封 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下完井组件以及用于在两个环形表面之间形成密封的环形密封组件。该密封组件包括：环形基座，其包括密封表面；以及边缘，其从所述环形基座的与基座密封表面相背对的部分延伸并包括密封表面；所述基座是可弹性变形的，并且所述边缘可相对于所述基座弹性变形以实现所述两个环形表面之间的自紧式密封。

Description

自紧式环形密封

本申请是2008年11月5日提交、发明名称为“自紧式环形密封”、申请号为PCT/US2008/082410的发明专利申请的分案申请。

背景技术

能够产油或气的井具有固定在导管柱上的导管头，该导管延伸到井中的较浅深度。然后，将井口头放置在导管头中并固定到外套管柱或第一套管柱上。第一套管柱穿过导管延伸到井中的较深深度。根据目标区(通常为油或气生产区、或流体注入区)上方的地质层的特定条件，一个或多个附加套管柱穿过外套管柱延伸更深的深度，直至将井的最终深度也被包围为止。外套管柱的上端由其自身的套管挂支撑，该套管挂放置在井口头中并由井口头支撑。在每个套管挂与井口头之间，设置套管挂密封组件以将套管柱之间的各个环形空间隔离。最末最深的套管柱，即生产套管，延伸至井中的最深深度。

在钻孔和安装套管柱的步骤完成之后，必须完井以生产产液。产液通常在生产区从地层中穿过在生产套管中制造出的孔流出。生产油管柱在生产套管内延伸至生产区以提供压力受控管道，通过该压力受控管道生产井产流体。在生产区上方的某点处，封隔器密封生产套管与生产油管之间的空间以保证井产流体通过生产油管流到表面。该油管由放置并锁定在生产套管挂上方的油管挂组件来支撑。设置油管挂密封组件来隔离开生产油管与生产套管之间的环形空间。

在井口处，在安装在井口头中的通常称为采油树的组件中布置具有各种布置方式的生产调节阀门。该采油树具有包括控制阀门并延伸到各产出流体出口的一个或多个生产井筒(production bore)。

例如，可以使用具有与生产油管偏置的生产调节阀门的布置方式的采油树，通常称为水平式采油树。一种类型的水平式采油树是在美国专利No.5,544,707中示出并说明的Spool Tree^TM，该专利通过引用并入本文。水平式采油树还锁定并密封到井口头上。然而，在水平式采油树中，油管挂锁定并密封在采油树的孔中。采用与生产油管偏置的生产阀门，可以在不必从井口头上移除水平式采油树的情况下从采油树上移除生产油管挂和生产油管。

生产油管挂组件锁定并密封在经钻穿的水平式采油树中而不是井口头中。然而，因为压力和热膨胀和外力作用在限制于该环形空间中的元件上，所以油管挂密封组件所在的环形空间不总是保持恒定。此外，因为负荷施加在部件上，所以形成孔或心轴的部件的不对称几何结构可能导致不对称偏转。油管挂密封组件应该沿着径向具有顺从性(compliant)以适应密封表面的这些移动并与密封表面保持足够的接触压力以在所有条件下都保持密封性。

附图说明

下面，为了更详细地说明实施例，将参考以下附图：

图1A是安装有油管挂的水平式采油树的剖视正视图；

图1B是图1A的水平式采油树的放大剖视图；

图2A是示例性密封组件的剖视图；

图2B是可选密封组件的剖视图；

图2C是可选密封组件的剖视图；

图2D是可选密封组件的剖视图；

图2E是可选密封组件的剖视图；

图3A是紧接在移动到设置条件之前位于两个管状部件之间的密封组件的局部剖视图；以及

图3B是图3A所示的本发明的形式在密封组件处于设置条件的情况下的局部剖视图。

具体实施方式

在以下附图和说明中，在整个说明书和附图中分别用相同的附图标记来表示相同的部分。附图不一定按比例绘制。本发明的某些特征可以按比例放大或者在一定程度上以示意的形式示出，并且为了清楚和简洁起见，可能没有示出传统元件的某些细节。本发明可以采用不同形式的实施例。详细描述并在附图中示出了具体的实施例，应该理解的是应将本公开视为本发明的原理的实例，并且本公开并不意图使本发明局限于本文所示和所述的内容。应该完全认识到可以单独地或以任意合适的组合采用不同于下文所讨论的实施例的教导来产生期望的结果。以任意形式任意地使用术语“连接”、“接合”、“结合”、“安装”或描述元件之间的相互作用的任何其它术语并不意味着将所述相互作用局限于元件之间的直接相互作用，该相互作用还可以包括所述元件之间的间接相互作用。在参考附图阅读实施例的以下详细说明时，本领域的技术人员容易理解上述各种特性以及下文更详细地描述的其它特征和特性。

图1A～图1B、图2A、和图3A～图3B示出在水平式采油树14的情况下使用的密封组件10的实施例。图1A～图1B示出作为对生产油管进行支撑的油管挂16的一部分被安装在采油树14的通孔12中的密封组件10。采油树14的下端密封地连接至井口头(未示出)。采油树14的上端密封地连接至防喷器(BOP)(未示出)。采油树14包括敞通至通孔12的横向孔，这些横向孔包括与油管挂16的生产井筒20对接的生产出口18。一旦就位，油管挂锁定组件22将油管挂16锁定在采油树14内的位置处。

如图所示，油管挂16包括两个密封组件10，一个密封组件位于生产出口18下方并且另一个密封组件位于生产出口18的上方。密封组件10是环形密封件，并因此将生产出口18和生产井筒20之间的连接部分与在密封组件10的上方和下方环绕油管挂16的环形空间隔离开。如图2A最佳地示出，密封组件10包括大致上为圆筒形形状的基座24。基座部分24包括从除基座表面28之外的其余部分突出而以过盈配合与表面接合并将该表面密封的密封区(密封带)26。将基座部分24的结构和材料设计为使得基座部分24能够在密封组件10扩张或收缩时存储弹性能量(在下文中对此做进一步解释)。密封区26将接触压力集中到带中从而集中接触压力以实现对油管挂16的密封。基座24还对因密封件的一端与另一端之间的压力差而施加于密封组件10上的任何轴向负荷进行支撑。从基座24延伸出两个边缘30，这两个边缘均沿着背离基座24的方向延伸并随后沿相反方向弯曲。边缘30具有渐缩截面轮廓，从而能够在边缘30的端部偏转时存储弹性能量(在下文中对此做进一步解释)。边缘30还设计为具有足够的强度来抵抗在流体压力施加到密封组件10的任一端或两端上时的塑性变形。因此，基座24与边缘30之间的连接部分形成具有弹性和部分塑性的“铰链”以允许边缘30的端部与基座24之间进行相对移动。

密封组件10可以由诸如金属等具有弹性行为的任意合适的密封材料制成。例如，密封组件10可以由镍合金718制成。然而，应该认识到还可以使用其它材料，例如弹性体材料等。另外，密封组件10可以是镀银的。所镀覆的银充当用于下述安装过程的润滑剂，并且由于银是相对较软的材料，所以能发生变形来填充密封表面上的表面缺陷。

如图所示，密封组件还可选地包括弹性密封元件32，该弹性密封元件32用作对由密封区26形成的密封起辅助作用的辅助密封件。作为一个实例，弹料密封元件32可以采用位于基座24上的凹槽中的O形环的形式。密封组件10还包括在边缘30之间贯穿基座24的至少一个卸压孔34。卸压孔34使得在安装和设置密封组件10期间整个基座24上的压力达到平衡。

下面，将描述安装和设置过程。如上文所述，在安装时将油管挂16降落到采油树14中。如图1A～图1B和图3A～图3B所示，将密封组件10安装在油管挂16的外侧。对于该安装过程，在安装生产油管之前，将密封组件10滑到油管挂16的外侧。油管挂16的初始外径的尺寸设定为允许在密封组件10与油管挂16之间存在间隙。然而，通常，油管挂16的外径在到达密封组件10最终要设置的区域之前在一定距离内逐渐增大而形成渐缩部分。由于油管挂16的外径逐渐增大，密封组件10与油管挂16接合，随后，随着密封组件10在油管挂16上进一步行进，密封组件10扩张。当处于最终安装位置时，密封组件10扩张至足以使得密封区26以过盈配合的方式对油管挂16的外侧进行密封。如果具有可选的密封元件32，则该密封元件32也对油管挂16的外侧形成密封。为了将密封组件10保持在合适位置，图3A和图3B示出位于各个密封组件10的任一侧的使用卡环38保持在合适位置的止动环36。止动环36用于将密封组件10保持在合适位置并且用于吸收在设置过程中施加在密封组件10上的至少一些轴向负荷。还可以借助基座部分24与油管挂16之间的摩擦来抵抗某些轴向负荷。应该认识到还可以使用用于保持密封组件的其它装置，只要能限制密封组件10沿着油管挂16的轴向移动即可，例如图1A和图1B所示的构造等。

图3A和图3B的两个位置示出密封组件10在采油树14内的向下移动。在图3A中，油管挂16在密封组件10处于大直径孔42中并接近渐缩部分设置孔40的情况下在采油树14内向下移动。在图3B中，油管挂16已经向下移动至如下的点：即密封组件10与采油树14的孔密封接合，从而对油管挂16的外部和对采油树14的内部提供密封接合。如图3B所示，油管挂16已经相对于采油树14向下移动，从而使密封组件10移动到小直径孔44中，由此借助渐缩设置表面40以机械方式设置了油管挂16。当密封组件10从图3A所示的位置移动到图3B所示的位置时，边缘30因与渐缩设置孔40接合而受到挤压并继续受到挤压直至到达图3B所示的最终设置位置为止。一旦设置完成，边缘30借助过盈配合接触而形成对采油树14的孔的密封。如所设计的那样，虽然边缘偏转，但边缘30在其与采油树14的内孔接合并将该内孔密封时随着边缘30的端部发生偏转而存储弹性能量。边缘30还设计为在开始生产井产流体时具有足够的强度来抵抗在流体压力施加到密封组件的任一端或两端上时发生的塑性变形。另外，基座24与柔性边缘30之间的连接部分形成具有弹性和部分塑性的“铰链”以允许边缘30的端部与基座24之间进行相对移动。因为密封是基于密封组件10在油管挂16与采油树14之间的过盈配合而形成的，所以当以这种方式设置时，密封组件是“自紧式的”。然而，当流体压力施加在密封组件10的任一端上时，由于边缘30的结构还能实现附加密封能力。一旦施加了流体压力，则流体压力提供使密封组件10的密封能力提高的附加力。密封组件10的特征是密封组件10能够依靠来自采油树14的孔中的任一轴向或两个轴向的流体压力进行可靠地密封。

在设置完成时，即使采油树14与油管挂16之间的环形空间并不总是保持恒定，诸如当压力和热膨胀或外力作用在油管挂16和采油树14上时，密封组件10也能够保持密封。另外，因为密封组件10沿轴向具有顺从性，所以由于采油树14或油管挂16的不对称几何结构引起的任何不对称偏转都可以被吸收。因此，密封组件10可以保证与采油树14的密封表面和油管挂16的密封表面具有足够的接触压力以维持动态条件下的密封性。

另外，虽然已经描述了用基座24对油管挂16进行密封并且用边缘30对采油树14进行密封，但也可以将密封组件颠倒，即，在边缘30形成对油管挂16的密封且基座24设置为形成对采油树14的密封的情况下，将密封组件10安装在油管挂16上。

还应该认识到，虽然描述了密封组件10应用于将油管挂设置到采油树孔中的情况，但密封组件10也可用于其它应用，包括除了油气工业之外的那些应用。因此，密封组件10可以用于许多场合，即，在需要将两个表面之间进行密封的任意场合。

图2B示出密封组件的另一实施例110。如图所示，密封组件110类似于密封组件10，但是密封组件110不使用单个单元，而是包括堆叠的单向密封组件，在该组件中，将具有单个边缘30的两个密封体25堆叠起来，因而基座24实际上具有两个构件并且沿着相反的径向设置边缘。此外，密封组件110可以仅仅包括单向密封件，在该单向密封件中，使用仅具有单个边缘30的基座24。

图2C示出密封组件的另一实施例210。如图所示，密封组件210类似于密封组件10，但是密封组件210包括在基座24与每个边缘30之间添加的环形弹簧250。该弹簧为密封组件110提供弹性能量的附加源。该弹簧通过抵抗安装期间基座部分24的扩张以有助于迫使密封区26与油管挂16进行密封接触。该弹簧还有助于迫使边缘30在设置密封组件210期间对采油树14的内部进行过盈接触。因此，可以通过弹簧250来传递径向负荷以加强密封区26或边缘30处的密封接触压力。该弹簧可以是任意合适的高强度、耐腐蚀材料，例如弹性范围尽可能高的

甚至是非金属材料。环形弹簧250可以是盘簧、螺旋盘簧、板簧、或任意其它合适的结构。另外，虽然未示出，但在图2B所示的密封组件110中可以使用弹簧250。

图2D示出密封组件的另一实施例310。如图所示，密封组件310类似于密封组件10，但该密封组件310除了包括弹性密封元件32之外，还包括外部二次密封件360。外部二次密封件360用于在设置密封组件310时在密封组件310与采油树14的内部之间形成辅助密封。然而，在外部二次密封件360定位时，密封组件310不再包括卸压孔34。另外，密封组件310可以可选地不包括如图2C所示的弹簧250。

图2E示出密封组件的另一实施例410。密封组件410类似于密封组件10，但除了弹性密封元件32之外，还包括外部二次密封件470。外部二次密封件470用于在设置密封组件410时在密封组件410与采油树14的内部之间形成辅助密封。然而，当外部二次密封件470定位在边缘30上时，密封组件410仍可以包括卸压孔34。另外，虽然未示出，但密封组件410可以包括如图2C所示的弹簧250。

虽然已示出并说明了具体实施例，但是本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神或教导的情况下进行修改。所示的实施例仅仅是示例性的且不是限制性的。在本发明的范围内进行的许多变型和修改都是可行的。因此，保护范围不限于所述实施例，而是仅仅由随后的权利要求书来限定，保护范围应包括权利要求书的主题的所有等同内容。

Claims (17)

1.一种用于在两个环形表面之间形成密封的环形密封组件，所述密封组件包括：

环形基座，其包括密封表面；

边缘，其从所述环形基座的与基座密封表面相背对的部分延伸并包括密封表面；

所述基座是可弹性变形的，并且所述边缘可相对于所述基座弹性变形以实现所述两个环形表面之间的自紧式密封。

2.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述基座密封表面还包括具有密封表面的突起密封带。

3.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述基座密封表面包括基座二次密封件。

4.根据权利要求1所述的密封组件，还包括环形盘簧，所述环形盘簧位于所述基座与所述边缘之间并且设置为提供径向抵抗力以使所述边缘挤压向所述基座。

5.根据权利要求1所述的密封组件，还包括多于一个的基座和对应的边缘单元，所述边缘单元在轴向上对准从而使得所述边缘彼此相背对地延伸。

6.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述环形基座和所述边缘是金属。

7.根据权利要求1所述的密封组件，还包括位于边缘密封表面上的边缘二次密封件。

8.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述边缘可相对于所述基座弹性变形，以允许所述边缘的端部与所述基座之间进行相对移动并在动态条件下保持所述环形表面之间的密封。

9.一种用于水下井的水下完井组件，所述完井组件包括：

井口；

生产采油树，其与所述井口接合并包括采油树环形表面；

油管挂，其放置在所述生产采油树中并包括油管挂环形表面；以及

环形密封组件，其用于在所述采油树与所述油管挂环形表面之间形成密封，所述密封组件包括：

环形基座，其包括密封表面；

一对间隔开的边缘，它们从所述环形基座的与基座密封表面相背对的部分沿着相反方向延伸，所述边缘包括密封表面；

所述基座是可弹性变形的，并且所述边缘可相对于所述基座弹性变形以实现所述采油树与所述油管挂环形表面之间的自紧式密封。

10.根据权利要求1所述的水下完井组件，其中，所述基座密封表面还包括具有密封表面的突起密封带。

11.根据权利要求1所述的水下完井组件，其中，所述基座密封表面包括基座二次密封件。

12.根据权利要求1所述的水下完井组件，还包括位于所述边缘之间并贯穿所述环形基座的卸压孔。

13.根据权利要求1所述的水下完井组件，还包括环形盘簧，所述环形盘簧位于所述基座与各个边缘之间并且设置为提供径向抵抗力以使所述边缘挤压向所述基座。

14.根据权利要求1所述的水下完井组件，其中，所述环形基座和所述边缘形成为多于一个主体。

15.根据权利要求1所述的水下完井组件，其中，所述环形基座和所述边缘是金属。

16.根据权利要求1所述的水下完井组件，还包括边缘二次密封件。

17.根据权利要求1所述的水下完井组件，其中，所述边缘可相对于所述基座弹性变形，以允许所述边缘的端部与所述基座之间进行相对移动并在动态条件下保持所述采油树与所述油管挂环形表面之间的密封。

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