CN102454377A - 赋能环鼻锥轮廓和密封件入口 - Google Patents

赋能环鼻锥轮廓和密封件入口 Download PDF

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CN102454377A CN2011103551074A CN201110355107A CN102454377A CN 102454377 A CN102454377 A CN 102454377A CN 2011103551074 A CN2011103551074 A CN 2011103551074A CN 201110355107 A CN201110355107 A CN 201110355107A CN 102454377 A CN102454377 A CN 102454377A
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Abstract

本发明涉及赋能环鼻锥轮廓和密封件入口，具体而言，涉及一种形成内、外井口部件之间的金属间密封的井口密封组件。金属密封环具有通过狭槽分开的内壁和外壁。弹性密封件位于密封环下方并具有接触悬挂器的朝上的台肩的底部。带有锥形鼻锥的赋能环移动到狭槽中。锥形鼻锥具有决定当对赋能环施力时鼻锥在狭槽内移动多少的复合角。一旦弹性密封件被压缩到期望水平，赋能环上的负载便已增加到赋能环的锥形鼻锥将进一步进入狭槽并迫使金属密封件的外壁和内壁与内、外井口部件密封接合的程度。

Description

赋能环鼻锥轮廓和密封件入口
技术领域
本发明总体涉及井口组件，且特别涉及允许锁住U形密封件之前增加密封件的压缩的赋能环鼻锥(nose)轮廓。
背景技术
在内、外井口管状部件之间使用密封件以容纳内部井压。内井口部件可为位于井口罩中并支撑伸入井中的套管管柱的套管悬挂器。密封件或密封装置(packoff)在套管悬挂器与井口罩之间密封。备选地，内井口部件可为支撑伸入井中用于生产流体流的管道管柱的管道悬挂器。管道悬挂器处于外井口部件中，该外井口部件可为井口罩、采油树或管道头。密封装置或密封件在管道悬挂器与外井口部件之间密封。除内、外井口部件之间的密封件外，另一环形密封件或应急密封件可位于该密封件下方。
现有技术中已采用位于内、外井口部件之间的各种密封件。图1示出井口罩10内现有技术中密封组件的一部分。罩10典型地位于井的上端处并用作外井口部件。赋能环2典型地被下送工具或管柱的重量向下迫压以迫使其进入由U型金属密封环4限定的狭槽3。这使密封环4的内壁和外壁变形分开而分别与内井口部件15和外井口部件10成密封接合。赋能环典型地为实心楔形部件。内壁和外壁的变形超过密封环4的材料的屈服强度，从而产生永久变形。现有技术密封件也可包括弹性环和部分金属和弹性环。也可采用用于形成金属间密封件的完全由金属制成的现有技术密封环。
可通过下送工具设置密封件，或者它们可响应于套管或管道的管柱的重量而设置。位于密封环4下方的应急密封件5在密封环4失效的情况下搁靠在形成在内井口部件如悬挂器15上的台肩6上。应急密封件5可由金属材料、非金属材料或弹性材料或其组合制成。当来自管柱的向下力施加至赋能环2时应急密封件5可受压缩，从而使应急密封件5向外凸出而在上方的密封环4下的点接触内井口部件15和外井口部件10。但是，赋能环2还使金属密封环4抵靠外井口部件10和内井口部件15变形。如果金属密封环4在应急密封件5被充分压缩而抵靠外井口部件10向外凸出之前抵靠内井口部件15和外井口部件10变形，则应急密封件5可能无法执行其作为应急密封件的功能并且压力完整性可能降低。
需要一种解决上述密封件泄漏问题的技术。特别需要一种在金属间密封件的壁变形之前将应急密封件压缩期望量的技术。以下技术可以解决这些问题。
发明内容
在本技术的一个实施例中，提供一种密封组件，该密封组件形成金属间密封件并具有增强密封组件的密封性能的特征。该密封组件还包括增强应急或备用密封能力的特征。该密封环具有通过狭槽分开的内壁和外壁并且弹性密封件位于密封环下方并具有接触悬挂器的朝上的台肩的底部。金属赋能环具有锥形鼻锥，可在安装期间将该鼻锥推入狭槽以使内壁和外壁变形而与具有形成在其上的锯齿(wicker)的内、外井口部件形成密封接合。密封件的外壁与匹配的罩的内壁之间存在径向间隙。此类间隙对于现场安装是需要的并且足够大而需要密封件本体而不是赋能环的塑性变形。
在一个图示的实施例中，赋能环的鼻锥具有能进行调整以允许将预定量的力传输到密封环下方的应急密封件的复合角构造。该复合角还决定当对赋能环施力时鼻锥在狭槽内行进多少。该力和来自悬挂器的台肩的伴随的反作用力压缩弹性密封件而使得它向外凸出。弹性密封件的向外凸出在内、外井口部件的内表面之间形成密封。一旦弹性密封件受压到期望水平，赋能环上的负载便已增加到赋能环的锥形鼻锥将进一步进入狭槽并迫使金属密封件的外壁和内壁与内、外井口部件形成密封接合的程度。此时，弹性密封件不可能另外压缩。
在一个示例性实施例中，该密封组件还包括接合狭槽的赋能环。卡紧环搁靠在赋能环的外表面上的加工而成的凹穴中。密封环的外支腿被加工有锥度，该锥度接合形成在卡紧环上的锥度。该接合确保密封组件在靠置、设置和取出操作期间作为一个刚性结构保持完好无损。备选地，卡紧环能搁置在赋能环的内表面上的加工而成的凹穴中，以将密封件锁紧在悬挂器上。
赋能环、赋能环鼻锥的复合角构造和密封环下方的可压缩弹性密封件所提供的存储能量的组合在金属间密封件失效的情况下有利地提供了增强的应急密封。
附图说明
图1是现有技术密封组件的剖视图，其中赋能环锁紧在密封件上但未设置，并且应急密封件未受压；
图2是根据本发明的一个实施例的被降下到外井口部件与内井口部件之间的密封组件的剖视图；
图3是根据本发明的一个实施例的靠置在位于未设置位置的外井口部件和内井口部件之间且应急密封件受压缩的图2的密封组件的剖视图；
图4是根据本发明的一个实施例的靠置在位于设置位置的外井口部件和内井口部件之间的图2的密封组件的剖视图；
图5是根据本发明的一个实施例的赋能环的鼻锥在进入密封环的狭槽之前的剖视图；
图6是根据本发明的一个实施例的赋能环的鼻锥在进入密封环的狭槽并使密封环的壁变形之后的剖视图。
具体实施方式
参照图2，本发明的一个实施例示出了包括高压井口罩10的井口组件的一部分。在此示例中，罩10位于井的上端处并用作井口组件的外井口部件。罩10具有位于其中的钻孔11。在此示例中，内井口部件为套管悬挂器15，该套管悬挂器15在图2中被示出为部分位于钻孔11内。备选地，井口罩10可为管道四通(tubing spool)或采油树，并且套管悬挂器15可改为管道悬挂器、插塞、安全阀或其它装置。套管悬挂器15具有从钻孔11向内径向隔开以限定密封凹穴17的外环形凹部。锯齿12位于井口钻孔11的一部分上，而锯齿18位于密封凹穴17的筒形壁的一部分上。在此示例中，每一组锯齿12、18的轮廓均示出为钻孔11和密封凹穴17上的连续轮廓。但是，锯齿12、18可构造在其它装置中。
继续参照图2，金属间密封组件21被降低到罩10与套管悬挂器15之间并位于密封凹穴17中。密封组件21包括由诸如钢的金属形成的密封环23。密封环23具有内壁25，该内壁25是用于抵靠套管悬挂器15的筒形壁密封的内密封件支腿27。密封环23具有包括抵靠井口罩钻孔11密封的外密封件支腿31的外壁表面29。每个壁表面25、29都是筒形且平滑的，并且当抵靠罩10的钻孔11和套管悬挂器15的密封凹穴17变形时接合锯齿12、18。锯齿12、18增强夹持以协助防止一旦设置后密封组件的轴向移动。
在图2的实例中，密封环23是单向的，仅具有上区段；但是，可最佳地使用双向的密封环。上区段具有狭槽35。形成狭槽35的内表面和外表面包括通常筒形的表面，其当在轴向截面中查看时大体平行并且每个均沿一直线。
环形赋能环41在上侧接合狭槽35。如图所示，赋能环41具有与井口组件的轴线(未示出)基本平行的轴线AR。赋能环41在设置期间由与上赋能环41的内径上的沟槽43连接的下送工具(未示出)向下迫压进入狭槽35。备选地，密封组件21和赋能环41可为被降下到钻孔11中的管柱的一部分，该管柱的重量迫使赋能环41进入狭槽35。如果需要取出，则可通过取出工具(未示出)接合沟槽43以从设置位置拉动赋能环41。赋能环41可由诸如钢的金属形成。赋能环41和外密封件支腿31的匹配表面可形成在锁紧锥度处。
在本发明的一个实施例中，被向外偏压的卡紧环44被承载在上赋能环41的外表面上的凹穴45中。环44具有在其外表面上的沟槽47和形成朝上的台肩49的边缘。朝下的台肩51在外密封件支腿31的上端上和其内表面上，该台肩51抵接卡紧环44的台肩49，从而防止赋能环41和密封环23两者一旦接合后从密封环23拉出。
如图2、3和4中所示，凹部53形成在外密封件支腿31的内表面上的台肩51下方。沟槽55在凹部53正下方形成在外密封件支腿31的内表面上。现参照图4，通过向下松脱环41以使沟槽47与沟槽55对准而将赋能环41置于设置位置。当设置好赋能环41时，如图4中所示，卡紧环44将从凹穴45径向移动，并且卡紧环44的外表面上的沟槽47将由外密封件支腿31的内表面上的沟槽55接合并松脱，从而将赋能环41锁紧在密封环23上。卡紧环44可相对于沟槽55向下移动，但不能向上移动。
赋能环41具有接合狭槽35的鼻锥61或接合部分。赋能环41具有用于接合密封环23中的狭槽35的相对内侧壁的内表面63和外表面65。内表面63和外表面65可为如图所示的直表面，或最佳地弯曲表面。赋能环41的鼻锥61的关键特征在图5和图6的描述中更详细地论述。
在图2的示例性实施例中，下延伸体100通过螺纹固定在密封环23的下部上。下延伸体100向下延伸并与上金属环102连接。可将上金属环102粘合、锡焊、焊接或紧固在下延伸体100上。在此示例中，上金属环102连同下金属环104一起将应急或备用密封件106保持在其间。应急密封件106可被粘合在两个金属环102、104上并且可从弹性材料、金属材料或非金属材料或其组合制成。在此示例中，靠置鼻锥108与下金属环104的后端连接，以有利于靠置在形成在套管悬挂器15的内部的朝上的台肩110上。台肩110在设置操作其间提供反作用点。
参照图5和图6，分别示出了位于未设置位置和设置位置的赋能环63的鼻锥61的放大剖视图。鼻锥61可具有通气孔70以防止液力锁紧并且可具有以角度74向下渐缩的第一锥形表面或部分72并具有第二锥形表面或部分80。密封环23的内支腿27和外支腿31在它们的上端处并紧邻狭槽35的开口具有渐缩、朝上的台肩76、82。台肩76、82形成鼻锥61的第二锥形表面80当位于未设置位置时搁置在其上的对应表面。第一锥形表面72和第二锥形表面80的锥度形成复合角，可改变该复合角以实现赋能环63进入密封环23的狭槽35的延迟。例如，如果向第二锥形表面80提供更小的锥度使其更平直，则会需要对赋能环41(图2)施加较大的力以迫使鼻锥61进入狭槽35，且因此，应急密封件106将比如果施加较小的力压缩更多。第二锥形表面80的锥度可从提供最大阻力的0度(平直)变成高达90度。第一锥形表面72可具有在0度与30度之间变化的锥度角74。用于两个锥形表面72、80的各种组合可根据用途来使用并且可受应急密封件106的材料和结构影响。
通过延迟赋能环鼻锥61在对赋能环41施力时进入狭槽35(图2)，延迟了密封环23的支腿27、31的设置并从而向悬挂器15上的台肩110(图3)传力，该台肩110充当反作用点。赋能环41上的力和来自台肩110(图3)的反作用力从而压缩应急密封件106(图2-4)而致使它向外凸出直到它抵靠罩10(图3)的钻孔11形成密封。一旦应急密封件106充分受压而抵靠外井口部件10向外凸出，则鼻锥61的第二锥形表面80与朝上的台肩76之间的表面力可被施加至赋能环41(图4)的力克服，从而触发鼻锥61进入狭槽35。在一个示例性实施例中，鼻锥61的第一锥形表面72的锥度显著大于第二锥形表面80的锥度，以有利于鼻锥61进入狭槽35并从而使密封环34的支腿27、31抵靠罩10和悬挂器15的锯齿12、18变形。一旦设置好支腿27、31，弹性密封件106(图4)便一般不能再被压缩。还可以通过改变第二锥形表面80和朝上的台肩76的接触表面之间的表面积来调整弹性密封件106(图4)中的压缩量的控制。在该接触表面处的较大表面积可协助鼻锥61进入狭槽35的延迟。
在图2-6中所示的实施例的操作实例中，将下送工具或管柱(未示出)附接到密封组件21(图1)上并降下到密封凹穴17中。密封组件21可预组装有全部如图2所示连接的赋能环41、卡紧环44、密封环23、延伸体100和应急密封件106。可将下送工具或管柱(未示出)附接到赋能环41上的沟槽43上。外密封件支腿31的外壁29将与井口钻孔11上的锯齿12靠近地隔开。内密封件27的内壁25将与密封凹穴17的圆柱形壁上的锯齿18靠近地隔开。通过以充足的力向下推动(例如通过下送工具)赋能环41使得在赋能环41的鼻锥61处的第二锥形表面80经由朝上的锥形台肩76向下经密封环23传力至应急密封件106，从而如图3中所示压缩密封件106。应急密封件106的压缩致使其径向向外凸出并密封地接合罩10的钻孔11。在密封件106被充分压缩以致使其抵靠外井口部件10向外凸出后，连续的力施加至赋能环41而克服鼻锥61的第二锥形表面80与密封环23的锥形台肩76之间的表面力，以将鼻锥61插入狭槽35。鼻锥61的第一锥形表面72有利于驱使鼻锥61进入狭槽35，因为它们具有比第二锥形表面80明显更大的锥度并因此具有更小的阻力。此外，鼻锥61与狭槽35的接合致使内密封件支腿27和外密封件支腿29如图4和图6中所示彼此径向移动分开。内密封件支腿27的内壁25将在密封接合中嵌入锯齿18，而外密封件支腿31的外壁29将在密封接合中嵌入锯齿12。一旦内密封件支腿27和外密封件支腿31抵靠井口部件10、15的锯齿12、18密封，应急密封件106便不再能被压缩。
在赋能环41相对于密封组件21向下移动期间，被向外偏压的卡紧环44骑跨在凹部53上。如图4中所示，随着赋能环41的楔形部件61前移到狭槽35中，卡紧环44和沟槽55由密封件支腿31的内表面上的沟槽55接合和松脱。结果，卡紧环44如图4中所示将赋能环41锁紧在密封环23上，从而防止卡紧环44从密封环23脱出。通气通路或渗透孔70(图5)可跨越楔形部件61并通过上赋能环41结合，使得液力锁紧状态不会妨碍赋能器和密封系统的轴向构成。
随后，在生产期间，热的井产流体可致使套管由于热生长而轴向扩大。如果这样的话，则套管悬挂器15可相对于井口罩10向上移动。内密封支腿27将随套管悬挂器15并相对于外密封件支腿31向上移动。卡紧环44将夹住沟槽55以阻止赋能环41相对于外密封件支腿31的任何向上移动。锯齿12、18将维持与内密封件支腿27的内壁25和外密封件支腿31的外壁29的密封接合。
如果由于过度的热生长循环或较高的操作压力而危及由锯齿12、18与内密封件支腿27和外密封件支腿31形成的密封，则紧急密封件106可维持外井口部件10与内井口部件15之间的密封完整性。
在要从钻孔11移除密封组件21的情况下，将下送工具与上赋能环41上的螺纹43连接。对上赋能环41施加向上的轴向力，从而致使它从狭槽34和卡紧环44拔出而与密封件支腿31上的沟槽55分离。但是，由于保持台肩49、51，赋能环41将保持与密封环23接合，从而防止两者完全分开(图2)。
在另一实施例(未示出)中，井口罩10可为管道四通或采油树。此外，套管悬挂器15可改为锁定悬挂器、管道悬挂器、插塞、安全阀或其它装置。
虽然仅采用本发明的其中一种形式来示出本发明，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明并不受此限制，而是可容易地做出各种更改而不脱离本发明的范围。例如，密封件可构造成用于承受两个方向上的压力，如果需要的话，具有两个赋能环。另外，每个赋能环都可以是柔性的而不是刚性的。

Claims (15)

1.一种具有轴线的井口组件，其特征在于：
具有钻孔(11)的外井口部件(10)；
所述钻孔(11)中的内井口部件(15)；
所述内井口部件和外井口部件(15，10)之间的环形空间(17)；
具有内环形壁和外环形壁(25，29)的密封部件(23)，所述内环形壁和外环形壁在二者之间限定狭槽(35)；以及，
环形赋能环(41)，其在所述狭槽(35)中并具有带锥形表面(80)的下端(61)，所述锥形表面(80)处于倾斜于所述环(41)的轴线的角度处，且从所述环(41)的所述轴线横向延伸，使得当所述环(41)被插入所述狭槽(35)时，所述锥形表面(80)接触其中一个壁(25，29)的上边缘(76)。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征还在于：
形成在至少其中一个所述密封表面中的一组锯齿(12，18)，平滑筒形表面(11，17)邻接所述一组锯齿(12，18)；以及
所述钻孔(11)中和所述内井口部件(15)的外部(17)上相对的密封表面。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征还在于紧固在所述密封部件(23)的下端上的延伸体(100)。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征还在于粘合在密封元件(106)的任一侧上的一对金属环(102，104)，其中一个所述金属环(102)的背面与连接到所述密封环(23)上的所述延伸体(100)的下端连接，另一金属环(104)的背面与靠置延伸体(108)的顶端连接，其中所述靠置延伸体(18)提供用于在安装期间接触反作用点(110)的表面。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征还在于密封元件(106)，其位于所述密封部件(23)与向下延伸的靠置延伸体(108)之间，其中形成所述锥形表面(80)的角度使得所述密封元件(106)受压缩并向外凸出以在所述赋能环(41)插入所述狭槽(35)之前密封地接合所述外井口部件(10)。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述锥形表面(80)是第一锥形表面，所述组件还包括在与所述环(41)的下终端(61)相对的一侧上邻近所述第一锥形表面(80)的第二锥形表面(72)，其中所述第二锥形表面(72)与所述环轴线之间的角度(74)小于所述第一锥形表面(80)与轴线之间的角度。
7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述第一锥形表面和所述第二锥形表面(80，72)在所述赋能环(41)的内侧和外侧(63，65)上。
8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述内壁和所述外壁(25，29)具有锥形的朝上的台肩(76)，并且所述台肩(76)被所述赋能环(41)的所述锥形表面(80)接触。
9.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，形成在所述赋能环(41)的鼻锥端(61)上的所述锥形表面(80)具有能够从所述环(41)的轴线从约90度到0度变化的锥度。
10.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述第二锥形表面(72)具有能够从所述环(41)的轴线从约0度到约30度变化的锥度。
11.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，形成在所述密封部件(23)的所述内壁和所述外壁(25，29)上的锥形的朝上台肩(76)具有分配施加至所述赋能环(41)的力的区域，使得所述赋能环(41)与所述内壁和所述外壁(25，29)的滑动接合被延迟，直到密封元件(106)受压缩并形成所述环形空间(17)中的压力屏障。
12.一种用于密封井口组件中的环形空间(17)的方法，其特征在于：
提供密封组件(21)，其包括：具有钻孔(11)的外井口部件(10)；所述钻孔(11)中的内井口部件(14)；所述内井口部件和所述外井口部件(15，10)之间的环形空间(17)；具有内环形壁和外环形壁(25，29)的密封部件(23)，所述内环形壁和外环形壁在二者之间限定狭槽(35)；环形赋能环(41)，其在所述狭槽(35)中并具有带锥形表面(80)的下端(61)，所述锥形表面(80)处于倾斜于所述环(41)的轴线的角度处，且从所述环(41)的所述轴线横向延伸，使得当所述环(41)被插入所述狭槽(35)时，所述锥形表面(80)接触其中一个壁(25，29)的上边缘(76)；以及所述密封组件(21)的下端上的柔韧密封件(106)；
将所述密封件(23)插入所述空间；
使所述锥形表面(80)与支腿(27，31)的上表面(76)接触；
通过在所述赋能环(41)上施加向下的力以使所述柔韧密封件(106)受压缩并变形而与所述柔韧密封件(106)形成密封；
通过增加所述赋能环(41)上的向下的力以克服分界面处的反作用力，在所述分界面处所述锥形表面(80)接触所述支腿(27，31)的上表面(76)，从而将所述赋能环(41)插入所述狭槽(35)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述锥形表面(80)是第一锥形表面，所述组件还包括在与所述环(41)的下终端(61)相对的一侧上邻近所述第一锥形表面(80)的第二锥形表面(72)，其中所述第二锥形表面(72)与所述环轴线之间的角度(74)小于所述第一锥形表面(80)与所述轴线之间的角度。
14.根据权利要求12所述的组件，其特征还在于提供密封元件(106)，所述密封元件位于所述密封部件(23)与向下延伸的靠置延伸体(108)之间，其中形成所述锥形表面(80)的角度使得所述密封元件(106)受压缩并向外凸出以在所述赋能环(41)插入所述狭槽(35)之前密封地接合所述外井口部件(10)。
15.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，
形成在所述赋能环(41)的鼻锥端(61)上的所述锥形表面(80)具有能够从所述环(41)的轴线从约90度到0度变化的锥度；并且
所述第二锥形表面(72)具有能够从所述环(41)的轴线从约0度到约30度变化的锥度。
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