CN102536148B - 具有增强式鼻圈的密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有增强式鼻圈的密封件。具有开孔的井口外罩与套管悬挂器之间的密封组件具有用于抵靠悬挂器密封的内密封支腿和用于抵靠外罩密封的外密封支腿。延伸部从外密封支腿向下延伸且连接到具有向下面向的肩部的鼻圈上，向下面向的肩部搁置在悬挂器肩部上以提供用于设置操作的反作用点。锁圈固持在鼻圈内部。形成在鼻圈上部上的向上面向的肩部接触内密封支腿的下表面。在设置操作期间，肩部防止内支腿向下偏斜且消除了因泊松效应所造成的弯折，泊松效应起因于由密封支腿增长而最终产生的轴向力。因此，肩部防止密封件的歪斜或扭曲设置以防止密封件中的塑性应变。

Description

具有增强式鼻圈的密封件

相关申请的交叉引用

本申请请求享有2010年10月8提交的临时申请61/391,477的优先权。

技术领域

本发明主要涉及井口组件，并且具体地涉及改善对于悬挂器运动的容许量(tolerance)的密封鼻圈。

背景技术

密封件用于内井口管状部件与外井口管状部件之间以容纳内部井压。内井口部件可为套管悬挂器，其定位在井口外罩中且支承延伸到井中的套管柱(string)。密封件或封隔件(packoff)在套管悬挂器与井口外罩之间密封。作为备选，内井口部件可为管路悬挂器，其支承延伸到井中以便产出的流体流动的管路柱。管路悬挂器处在外井口部件中，该外井口部件可为井口外罩、采油树或管路头。封隔件或密封件在管路悬挂器与外井口部件之间密封。

定位在内井口部件与外井口部件之间的多种密封件已用于现有技术。现有技术的密封件包括合成橡胶圈和部分为金属和合成橡胶的圈。还使用了完全由金属制成以便形成金属/金属密封件(″MS″)的现有技术的密封圈。密封件可由送入工具设置，或它们可响应于套管柱或管路柱的重量来设置。一种类型的现有技术的金属/金属密封件具有密封本体，该本体具有由圆柱形槽口分开的内壁和外壁，从而形成″U″形。上紧圈推入密封件中的槽口中以使内壁和外壁变形分开而与内井口部件和外井口部件成密封接合，其中，内井口部件和外井口部件可具有形成于其上的锯齿(wicker)。上紧圈通常为坚固的楔形部件。密封件内壁和外壁的变形超过密封圈材料的屈服强度，从而发生永久变形。

在密封件设置期间，给予的力可导致密封支腿相对于另一密封支腿向下偏斜。这可将塑性应变引入密封件中，使其在套管悬挂器运动时易受撕裂或剪切。为了解决这个问题，在密封件的下方已采用了将鼻圈连接到密封件上的螺纹连接件。鼻圈具有薄的环形突出部(tab)，其向上突出并接触内密封支腿。当驱动上紧圈进入密封件中时，该突出部将会抵抗给予其的设置力，从而防止因内密封支腿偏斜而诱发塑性应变。

这种相同的突出部还设计成用以在利用插入型或隔离工具对密封件和/或防喷器组(BOPstack)的压力测试期间弯折。在压力测试期间，高达数百万磅的较大的力传递至套管悬挂器的顶部。该力导致套管悬挂器向下偏斜，随其一起伸延的是与其接合的内密封支腿。在这里，突出部将会弯折，从而容许内密封支腿和外密封支腿的独立运动。如果支腿刚性地彼此联接，则密封本体将由于压力测试所产生的较大负载和偏斜而被撕去一半。即使利用弯折突出部，最终在内密封支腿与外密封支腿之间的相对移置也可变得很大而致使密封件将使其自身剪切分开。为了限制这种相对移置，可降低测试压力，可增加各悬挂器位置上的复杂负载机构来代替单个的叠置布置，或在″光滑颈部″布置中可在密封件的套管悬挂器侧上完全舍弃锯齿。这些措施会损害系统的稳健性。

然而，环形突出部可由于泊松效应而过早弯折，其中，泊松效应是指材料沿垂直于所施加压缩的方向膨胀的趋势。在实际应用中，在上紧圈与各密封支腿之间较大的径向过盈导致密封支腿由于泊松效应而向下增长。由于需要较大的径向力来实现对高压的气密性密封，故因密封支腿的增长而最终产生的轴向力也很高且足以导致突出部弯折。突出部这样过早弯折可导致密封本体的歪斜或扭曲安装，以及导致在压力测试期间通常由于过大的悬挂器运动而造成MS型密封件失效的区域中的塑性应变增大。为了处理这种类型的问题，可使用处于第三位置的具有复杂机构的主动悬挂器。然而，这种选择较为昂贵和复杂。

存在对解决上述密封件问题的技术的需求。具体而言，需要通过解决密封支腿中的泊松效应来使密封件更能耐受悬挂器运动增大的技术。以下技术可解决这些问题。

发明内容

密封组件定位在具有开孔的井口外罩与套管悬挂器之间。外罩通常定位在井的上端处并用作外井口部件。套管悬挂器具有用于支承密封组件下部的向上面向的肩部。金属/金属密封组件具有内密封支腿和外密封支腿，其中，内密封支腿具有抵靠套管悬挂器圆柱壁密封的内壁，以及外密封支腿具有抵靠井口外罩开孔密封的外壁表面。密封支腿形成U形凹部(pocket)或槽口。延伸部从外密封支腿向下延伸并连接到具有向下面向的肩部的鼻圈上，其中，向下面向的肩部搁置在套管悬挂器的肩部上以提供用于设置操作的反作用点。

固持在形成于鼻圈上内部中的凹口内的锁圈将密封件保持到鼻圈上并容许取回。形成在鼻圈上部上的向上面向的肩部接触内密封支腿的下表面。向上面向的肩部在设置操作期间由下表面接触且抵抗在设置操作期间所施加的力以防止内支腿的向下偏斜。尽管较高，但该轴向力不足以在设置期间弯折肩部。

在设置操作期间，肩部还消除了因密封支腿增长而最终产生的轴向力所引起的泊松效应造成的任何弯折。肩部形成了坚固平台，该坚固平台防止密封件的歪斜或扭曲设置且从而防止密封件中的塑性应变。此外，肩部在压力测试期间不会弯折，且在密封件延伸部的下表面与鼻圈向上面向的配合表面之间提供了间隙，该间隙可取决于应用和材料而在0.020英寸至0.050英寸的范围。该间隙在设置操作期间闭合。

有利的是，本发明当与现有技术比较时，减小了在安装期间所诱发的塑性应变。

附图说明

图1为上紧圈锁定到密封件上但未设置的现有技术的密封组件的截面视图；

图2为设置在外井口部件和内井口部件之间的现有技术的密封组件且环形突出部弯折的截面视图；

图3为根据本发明实施例的上紧圈锁定到密封件上但未设置的密封组件的截面视图；

图3A为根据本发明实施例的图3中的密封组件的放大截面视图；

图4为根据本发明实施例的图3中的密封组件的一部分的透视图；

图5为根据本发明实施例的图4中的密封组件的截面视图；

图6为根据本发明实施例的处于设置位置的外井口部件与内井口部件之间的图3中的密封组件的截面视图；

图7为示出密封件中的塑性应变的现有技术的密封组件的截面视图；

图8为根据本发明实施例的示出防止密封件中塑性应变的密封组件的截面视图。

具体实施方式

参看图1，现有技术中的密封组件的一部分示为处在井口外罩10和套管悬挂器18之间，其中，井口外罩10具有锯齿14形成于其上的开孔12，以及套管悬挂器18具有形成在外部上的锯齿20。外罩10通常定位在井的上端处并用作外井口部件10。套管悬挂器18具有用于支承密封组件下部的向上面向的肩部19。金属/金属密封组件具有内密封支腿22，该内密封支腿具有抵靠套管悬挂器18的圆柱壁密封的内壁24。密封圈具有带外壁表面28的外密封支腿26，该外壁表面28抵靠井口外罩开孔12密封。壁表面24，28可为弯曲且光滑的。密封支腿22，26形成U形凹部或槽口30。延伸部32从外支腿26向下延伸并具有螺纹连接件34。延伸部32具有向下面向的肩部36，该肩部36搁置在形成于鼻圈37上的向上面向的肩部38上。螺纹连接件34将密封圈连接到鼻圈37上。鼻圈的下部39搁置在套管悬挂器18的向上面向的肩部19上，以便在设置操作期间提供反作用点。环形突出部40在螺纹连接件34上方的点处从鼻圈37向上突出。环形突出部40接触内密封支腿22的下表面42。

继续参看图1中的现有技术的密封组件，上紧圈41通常通过送入工具或柱重量来向下驱动以迫使其进入槽口30中。上紧圈41使密封本体的内密封支腿22和外密封支腿26抵靠外井口部件10和内井口部件18变形。如前文所述，环形突出部40抑制因设置力造成的内支腿22的偏斜。环形突出部40设计成用以在密封件的压力测试期间弯折。然而，如图2中所示，环形突出部40可由于泊松效应而过早弯折，其中，泊松效应是指材料沿垂直于所施加的压缩的方向膨胀的趋势。上紧圈41与各密封支腿22，26之间的较大径向过盈(interference)导致密封支腿由于该现象而向下增长。由于需要较大的径向力来实现对高气压的气密性密封，故由于密封支腿22，26的增长而最终产生的轴向力也很高且足以导致突出部40弯折。突出部这样过早弯折可导致密封本体的歪斜或扭曲安装以及在凹部区域44中塑性应变增大，在该凹部区域44中，MS型密封件通常因在压力测试期间过大的悬挂器18运动而失效，如图7中所示。

参看图3，本发明的实施例示出了高压井口外罩10的一部分。如现有技术中那样，外罩10定位在井的上端处，且在该实例中用作外井口部件。外罩10具有定位于其中的开孔12。

在该实例中，内井口部件包括套管悬挂器18，套管悬挂器18在图2中部分地示为处在开孔12内。作为备选，井口外罩10可为管路四通(spool)或采油树，且套管悬挂器18作为替代可为管路悬挂器、塞子、安全阀或其它装置。如现有技术中那样，上紧圈41通常由送入工具(未示出)或柱(未示出)的重量向下推动，以迫使上紧圈41进入槽口30中。上紧圈41使密封本体的内密封支腿22和外密封支腿26抵靠内井口部件18和外井口部件10变形。内壁表面24和外壁表面28密封地接合形成在悬挂器18和外罩10上的锯齿轮廓20，14。

本发明就定位在密封件下方的特征而言脱离了现有技术。在该实例中，延伸部从外密封支腿26向下延伸并连接到具有向下面向的肩部53的鼻圈51上，该向下面向的肩部53搁置在套管悬挂器18的肩部19上以提供用于设置操作的反作用点。固持在形成于鼻圈51的上内部中的凹口54内的锁圈52将密封件保持到鼻圈51上且容许取回。锁圈52取代现有技术的螺纹连接件34(图1)。在该实例中，锁圈52为分段式的，其中多个锁圈节段52供送穿过形成在鼻圈51内径中的槽口56(图5)，直到鼻圈51的圆周由节段52填充。为了确保锁圈节段52不落出鼻圈51，如图4和图5中所示，经由槽口56可看到的节段52可通过帽螺钉57紧固到鼻圈51上。节段52完全地围绕鼻圈51的圆周延伸。在一个实施例中，存在十六个节段52。各节段52均为圈的弧形部分。作为备选，锁圈52可由单件形成，该单件在安装期间弯曲以与鼻圈51的圆周一致。

继续参看图3，形成在鼻圈51上部上的向上面向的肩部55接触内密封支腿22的下表面42。肩部55具有大于其所替代的现有技术的突出部40(图1)的面积。向上面向的肩部55在设置操作期间由表面42接触且抵抗在设置操作期间所施加的力以防止内支腿22的向下偏斜。在设置操作期间，肩部55还消除了因泊松效应造成的任何弯折，其中，泊松效应是由于因密封支腿22，26增长而最终产生的轴向力引起的。尽管较高，但该轴向力不足以在设置期间使肩部55弯折。这导致坚固平台防止密封件的歪斜或扭曲设置，且从而防止了密封件中的塑性应变，如图6和图8中所示。此外，不同于现有技术的突出部40(图2)，肩部55在压力测试期间不会弯折。此外，为了适应在设置操作期间与泊松效应相关的密封本体的向下增长，间隙64(图3A)提供在密封件延伸部50的下表面60与鼻圈51的向上面向的配合表面62之间。间隙64可取决于应用和材料而处在0.020英寸至0.05英寸的范围，且将在设置操作期间闭合。

在该实施例中，固持在形成于鼻圈51中的凹口54内的锁圈52还提供在鼻圈51与密封本体之间的设定量的浮动或空间66(图3A)。如前文所述，在压力测试期间，较大的力传递至套管悬挂器18的顶部，这导致套管悬挂器18向下偏斜，随其一起伸延的是内密封支腿22。在这些压力测试期间，鼻圈51与密封本体之间的空间66通过当悬挂器18和内密封支腿22在测试期间向下运动时防止锁圈52与密封件延伸部50相接触来使鼻圈51与密封本体完全脱离。

该布置的最终结果在于，塑性应变当相比于现有技术时在安装处极大地减小。由于鼻圈51的加强，环带密封件现在可有利地耐受悬挂器18的偏斜范围加大、简化系统构架，以及容许较高的测试压力。

此外，本发明消除了对昂贵的悬挂器在第三位置上的需要，这将需要其自身的特定MS型密封件和MS备用型密封件。作为替代，单个部分可用于所有三个悬挂器位置。此外，本发明容许在仅可提供无锯齿型密封的位置使用MS型密封件。锯齿型密封件是很优选的，因为其相对于内井口部件和外井口部件最大限度地减小密封支腿轴向运动的能力。

本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。这些实施例并非意图限制本发明的范围。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例处在权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种具有轴线的井口组件，其特征在于：

具有开孔(12)的外井口部件(10)；

适于定位在所述开孔(12)中的内井口部件(18)；

相对的密封表面(14，20)，其位于所述开孔(12)中和所述内井口部件(18)的外部上；

位于所述内井口部件(18)与所述外井口部件(10)之间的密封圈，其具有内环形部件(22)和外接所述内环形部件(22)的一部分的外环形部件(26)，其中所述密封圈包括从所述密封圈的外环形部件(26)下方延伸的向下延伸部(50)；

环形上紧圈(41)，其具有可插入在所述密封圈的内环形部件(22)与外环形部件(26)之间的下端，以便在所述环形上紧圈(41)的下端插入在所述密封圈的内环形部件(22)与外环形部件(26)之间时，将所述密封圈的内环形部件的外壁和外环形部件的外壁沿径向向外推动而与所述内井口部件(18)和所述外井口部件(10)成密封接合；

向下延伸且定位在所述密封圈下方的环形延伸部(51)，所述环形延伸部(51)具有用于抵接在所述内井口部件(18)的部分(19)上的下表面(53)和与所述密封圈的内环形部件(22)相接触的向上面向的肩部(55)，以便当所述环形上紧圈(41)插入在所述密封圈的内环形部件(22)与外环形部件(26)之间时防止所述内环形部件(22)向下偏斜；以及

锁定部件(52)，所述锁定部件(52)具有固持在凹口(54)内的至少一部分，所述凹口(54)形成在所述环形延伸部(51)的上内部中，以便将所述密封圈保持在所述环形延伸部(51)上并容许所述环形延伸部(51)相对于所述密封圈的向下延伸部的轴向运动。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，在设置之前，在所述向下延伸部(50)的下端(60)与所述环形延伸部(51)上的向上面向的肩部(62)之间存在间隙(64)。

3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，在密封设置之后，所述密封圈的环形内部部件(22)刚性地固定到所述内井口部件(18)上。

4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述密封圈的内环形部件(22)和外环形部件(26)形成U形凹部(30)。

5.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述内井口部件(18)包括形成在密封表面上的一组锯齿(20)，其中，所述密封圈的环形内部部件(22)通过所述密封圈的环形内部部件(22)与形成在所述内井口部件(18)的密封表面上的所述一组锯齿(20)的密封接合而刚性地固定到所述内井口部件(18)上。

6.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述内井口部件(18)包括肩部(19)，所述肩部(19)沿径向向外突出以容许所述环形延伸部(51)在所述密封圈下方抵接，所述肩部(19)在设置操作期间提供了反作用点。

7.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述间隙(64)处在0.020英寸至0.050英寸之间。

8.一种用于将内井口部件(18)密封至外井口部件(10)的方法，其特征在于：

使密封组件抵接在所述内井口部件(18)与所述外井口部件(10)之间；所述密封组件具有内支腿(22)和分开的外支腿(26)、位于所述内支腿(22)和所述外支腿(26)之间的槽口(30)，以及从所述密封组件向下延伸以便抵接的向下延伸部(50)；

将上紧圈(41)驱动到所述密封组件的槽口(30)中，以便推动所述密封组件的所述内支腿(22)和所述外支腿(26)而与所述内井口部件(18)和所述外井口部件(10)相接合，

利用向上面向的环形延伸部(51)支承所述密封组件的内支腿(22)，以防止在设置操作期间所述内支腿(22)的弯折；

其中所述方法还包括以下步骤：利用锁定部件(52)将所述环形延伸部(51)固定到所述密封件上，所述锁定部件(52)具有固持在凹口(54)内的至少一部分，所述凹口(54)形成在所述环形延伸部(51)的上内部中以将所述密封组件保持在所述环形延伸部(51)上并容许所述环形延伸部相对于所述密封组件的轴向运动。