CN102817573B - 具有波纹管型鼻形环的密封件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有波纹管型鼻形环的密封件。在具有膛孔的井口壳体和套管悬挂器之间的一种密封组件，具有用于抵靠着悬挂器进行密封的内部密封支腿和用于抵靠着壳体进行密封的外部密封支腿。延伸部从外部密封支腿向下延伸，并且具有搁靠在形成于鼻形环上的朝上的台肩的朝下的台肩。连接部将密封环连接到鼻形环上，鼻形环的下部部分搁靠在套管悬挂器的朝上的台肩上。波纹管被形成于鼻形环上，以提高锁定能力。波纹管具有朝向悬挂器的外轮廓的内表面，以及在波纹管上的朝向壳体的膛孔的外表面。当波纹管沿轴向塌缩时，其沿径向向外膨胀和沿径向向内收缩到壳体的膛孔和悬挂器的外轮廓中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年3月30日提交的临时申请61/468,979的优先权。
发明领域
本发明大体涉及井口组件，并且具体而言涉及改进对套管悬挂器的锁定的密封鼻形环。
背景技术
在内部井口管状部件和外部井口管状部件之间使用密封件来遏制内部井压力。内部井口部件可为位于井口壳体中的套管悬挂器，并且其支承延伸到井中的套管柱。密封件或封隔在套管悬挂器和井口壳体之间进行密封。备选地，内部井口部件可为油管悬挂器，其支承延伸到井中以便于生产流体的流动的油管柱。油管悬挂器着落在外部井口部件中，外部井口部件可为井口壳体、采油树或油管头。封隔或密封件在油管悬挂器和外部井口部件之间进行密封。
在现有技术中已经采用位于内部井口部件和外部井口部件之间的各种密封件。现有技术密封件包括弹性体环以及部分金属和部分弹性体环。还采用了完全由金属制成以形成金属-金属密封(“MS”)的现有技术密封环。可通过送入工具设定密封件，或可响应于套管柱或油管柱的重量来设定它们。一个类型的现有技术金属-金属密封件具有密封本体，密封本体具有由圆柱形槽口分开的内壁和外壁，从而形成“U形”形状。激励环被推到密封件中的槽口中，以使内壁和外壁变形得分开，而与可在其上形成有锯齿(wicker)的内部井口部件和外部井口部件进行密封性接合。激励环典型地为固体楔形部件。密封件的内壁和外壁的变形会超过密封环的材料的屈服强度，从而造成永久性变形。
在套管或油管和井口之间可出现热增长，特别是对于位于水面而非海底的井口而言。向上流过油管的井流体会加热油管柱且以较低的程度加热周围的套管。温度升高可使油管悬挂器和/或套管悬挂器相对于外部井口部件沿轴向移动微小的量。在加热过渡期间，油管悬挂器和/或套管悬挂器还可由于构件之间的温差和制造构件的材料的不同的热膨胀速率而沿径向移动。如果由于楔定作用而已经设定密封件(其中，激励环的轴向移位引起密封件抵靠在其匹配表面上而沿径向移动)，则在由于压力或热作用而存在沿轴向方向的移动的情况下可减小密封力。在激励环上的轴向力的减小导致密封环的内壁和外壁上的径向向内的力和向外的力减小，这可使密封件泄漏。由于热过渡的原因而在密封件和其匹配表面之间的径向载荷的损失还可使密封件泄漏。用以阻止这个类型的移动的一个方法是通过在密封件上使用锁定C形环，该锁定C形环搁靠在加工于激励环上的穴中。C形环在设定密封件时接合悬挂器，从而将密封件锁定到悬挂器上。另一个方法是使用密封元件本身作为锁定机构。在这些方法中，因此通过密封件提供了锁定。另外，可利用锁定型悬挂器来将套管悬挂器锁定就位。这需要额外的行程来降下锁定型悬挂器。
存在对通过以成本有效的方式提供额外的锁定能力来解决上面描述的密封泄漏问题的技术的需要。以下技术可解决这些问题中的一个或多个。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种密封组件位于具有膛孔的井口壳体和套管悬挂器之间。壳体典型地位于井的上部端处且用作外部井口部件。套管悬挂器具有朝上的台肩，以用于支承密封组件的下部部分。金属-金属密封组件具有内部密封支腿和外部密封支腿，内部密封支腿具有抵靠着套管悬挂器的圆柱形壁进行密封的内壁，而外部密封支腿具有抵靠着井口壳体膛孔进行密封的外壁表面。密封支腿形成U形穴或槽口。延伸部从外部密封支腿向下延伸，并且可具有带螺纹连接部。但是，连接部不必是带螺纹的。延伸部具有搁靠在形成于鼻形环的朝上的台肩上的朝下的台肩。连接部将密封环连接到鼻形环上，鼻形环的下部部分搁靠在套管悬挂器的朝上的台肩上，以在设定操作期间提供反作用点。在这个实施例中，多个波纹管形成于鼻形环上，以有利地提高密封组件的锁定能力。波纹管可形成为螺旋形状，并且具有朝向悬挂器的外轮廓的内表面，以及在波纹管上的朝向壳体的膛孔的外表面。各个波纹管可具有形成“V形”或“U形”形状的支腿，在波纹管的外表面之间形成有间隙。类似地，间隙形成于波纹管的内表面之间。当设定密封组件时，波纹管将塌缩，从而随着波纹管向内和向外膨胀到悬挂器的外轮廓和壳体的膛孔中而减小间隙的宽度。
除了现有技术中那些之外，鼻形环上的波纹管提供锁定悬挂器的机构。因而，通过将悬挂器上的向上的力分担在本发明和现有技术的这些机构之间来有利地提高锁定能力。另外，本发明还可有利地节约与必须重新进行行程(re-trip)以便安装锁定悬挂器相关联的时间和金钱。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的密封组件的截面图，其中激励环锁定到密封件上，但是未设定；
图2是根据本发明的一个实施例的、在外部井口部件和内部井口部件之间在设定位置上的图1的密封组件的截面图；
图3是根据本发明的一个实施例的具有波纹管的锁定环的正视图；
图4是根据本发明的一个实施例的具有齿的波纹管的截面图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一个实施例显示了高压井口壳体或外部井口部件10的一部分。在井口壳体10和套管悬挂器或内部井口部件18之间显示了密封组件的一部分，井口壳体10具有膛孔12，膛孔12上形成有锯齿14，而套管悬挂器或内部井口部件18具有在外部部分上形成的锯齿20。在图1中显示了密封组件在未设定位置上。壳体10典型地位于井的上部端处，并且用作外部井口部件10。在这个实施例中，套管悬挂器18具有用于支承密封组件的下部部分21的朝上的台肩19。金属-金属密封组件具有内部密封支腿22，内部密封支腿22具有抵靠着套管悬挂器18的圆柱形壁进行密封的内壁24。密封环25具有外部密封支腿26，外部密封支腿26具有抵靠着井口壳体膛孔12进行密封的外壁表面28。壁表面24、28可为圆柱形的且是平滑的。密封支腿22、26形成U形穴或槽口30。
延伸部32从外部支腿26向下延伸，并且可具有带螺纹连接部34。但是，连接部不必是带螺纹的。延伸部32具有朝下的台肩36，朝下的台肩36搁靠在形成于鼻形环37上的朝上的台肩38上。带螺纹连接部34将密封环25连接到鼻形环37上。鼻形环的下部部分39搁靠在套管悬挂器18的朝上的台肩19上，以在设定操作期间提供反作用点。在这个实施例中，多个波纹管40形成于鼻形环37上，以提高密封组件的锁定能力。波纹管40可形成为螺旋形状。波纹管40具有内表面42，内表面42朝向悬挂器18的外轮廓43。在这个实施例中，外轮廓43具有略微的锥形，但是，外轮廓43也可形成为不具有锥形。波纹管40上的外表面46朝向壳体10的膛孔12。从波纹管40的内表面42到外表面46的波纹管厚度可随着内表面42遵从悬挂器18的外轮廓43的锥形而改变。各个波纹管可具有形成“V形”或“U形”形状的波动部44。间隙48形成于波纹管40的外表面46之间。类似地，间隙50形成于波纹管50的内表面42之间。在设定之前间隙可介于0.010英寸至0.75英寸之间。当设定密封组件时，如图2中显示，波纹管40将塌缩，从而减小间隙48(图1)的宽度，因为波纹管40向内和向外膨胀到悬挂器18的外轮廓43和壳体10的膛孔12中。波纹管40由金属形成。
除了现有技术中的那些之外，鼻形环37上的波纹管40提供了锁定悬挂器18的机构。
继续参照图1，激励环60典型地被送入工具(未显示)或柱(未显示)的重量推动向下，以迫使其进入密封环25的槽口30中。激励环60的上部部分62允许与送入工具或柱有螺纹连接。外部螺母64在组装和运行期间将激励环60的组件保持在一起。激励环60使密封环25的内部密封支腿22和外部密封支腿26抵靠着外部井口部件10和内部井口部件18而变形。
在设定操作期间，包括密封环和鼻形环37的密封组件着落在悬挂器18的朝上的台肩19上。密封组件位于悬挂器18和壳体10之间。激励环60被送入工具或柱的重量推动向下。悬挂器18的朝上的台肩19和鼻形环37的朝下的台肩39之间形成的反作用点允许施加在激励环60上的力使激励环移动到密封环25的槽口30中。当激励环60移动到穴30中时，它会使密封环25的内部密封支腿22和外部密封支腿26抵靠着壳体10和悬挂器18而变形。通过激励环60施加的力还使波纹管40的外径沿轴向塌缩和沿径向膨胀。波纹管40的内径沿径向收缩。波纹管40的内表面42接触悬挂器18的外轮廓43，并且波纹管40的外表面46接触壳体10的膛孔12。当完全沿轴向收缩时，从波纹管40的内径到外径的径向距离大于从悬挂器轮廓43到井口壳体膛孔12的径向距离。
膨胀的波纹管40与悬挂器18和壳体10的这个接合为密封组件提供了刚性止动，从而允许完全地设定密封件，如图2中显示的那样。一旦设定，悬挂器18上的任何额外的向上的力都传递到鼻形环37的波纹管40中，从而提高进入悬挂器18的外轮廓43和壳体10的膛孔12的径向力和摩擦，从而对悬挂器18提供更大的锁定能力且防止密封元件25暴露于来自悬挂器18和套管(未显示)的全部力。将鼻形环37设计成具有波纹管40还适应由于悬挂器18上的碎屑而着落得高的情况。接触悬挂器轮廓18和壳体膛孔12的波纹管40的表面不形成密封。
另外，来自鼻形环37的波纹管40的力可足以使悬挂器18的外轮廓43或壳体10的膛孔12变形。在这样的情况下，这将进一步提高锁定能力。
在图3中显示的另一个实施例中，切口或槽口70可沿轴向方向形成于在鼻形环74上形成的波纹管72上。备选地，槽口70可沿倾斜方向形成于鼻形环74上的波纹管72上。这个鼻形环74通过带螺纹连接部76以螺纹的方式连接到密封环26(图1)上。槽口70使得波纹管72的结构不连续。通过促进波纹管72的塌缩和协助波纹管72的热膨胀，槽口70有助于的鼻形环74的锁定功能。
在另一个实施例中，鼻形环37的波纹管40部分可由与悬挂器18和壳体10具有不同的热膨胀系数的材料制成，这允许波纹管40以更大的速率进行热膨胀，从而增加了其锁定能力。
在图4中显示的又一个实施例中，齿80可形成于在鼻形环84上形成的波纹管82上。通过挖入壳体10(图1)的膛孔12和悬挂器10(图1)的外轮廓43中，齿80有助于锁定功能。因而，通过使悬挂器18上的向上的力分担在本发明和现有技术的这些机构之间，锁定能力有利地得到提高。另外，本发明还可节约与必须重新进行行程以便安装锁定悬挂器相关联的时间和金钱。另外，对于本发明，在壳体中不存在对额外的定位凹槽的需要，因而允许在运行期间有较大的失准。
此书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。这些实施例不意图限制本发明的范围。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种具有轴线的井口组件，包括：
具有膛孔(12)的外部井口部件(10)；
位于所述膛孔(12)中的内部井口部件(18)；
密封环(25)，其在所述内部井口部件(18)和所述外部井口部件(10)之间且与所述内部井口部件(18)和所述外部井口部件(10)进行密封性接合，其中所述密封环(25)具有内部环形部件(22)和包围所述内部环形部件(22)的一部分的外部环形部件(26)；
环形激励环(60)，其具有能够插入所述密封环(25)的所述内部环形部件(22)和所述外部环形部件(26)之间的下部端，使得当所述激励环(60)的所述下部端插入所述密封环(25)的所述内部环形部件(22)和所述外部环形部件(26)之间时，所述密封环(25)的所述内部环形部件(22)和所述外部环形部件(26)的外壁(24，28)被沿径向向外推动而与所述内部井口部件(18)和所述外部井口部件(10)进行密封性接合；以及
在所述密封环(25)的下部端上的波纹管(40)，所述波纹管(40)包括波动部(44)，所述波动部(44)在一点处会合且在所述波动部(44)的相对的端部处形成间隙(48，50)，所述波纹管(40)能够沿轴向收缩，具有沿径向向外膨胀的外表面(46)和沿径向向内收缩的内表面(42)，以分别接合所述外部井口部件(10)和所述内部井口部件(18)，从而进一步地将所述外部井口部件密封锁定到所述内部井口部件上。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：
向下延伸且位于所述密封环(25)下方的环形延伸部(32)，所述环形延伸部(32)具有朝下的下表面(36)；
连接到所述环形延伸部(32)上的环形鼻形环(37)，所述鼻形环(37)具有接触所述环形延伸部(32)的所述下表面(36)的朝上的台肩(38)，并且具有用于着落在所述内部井口部件(18)的一部分上的下表面(39)。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述波纹管(40)以螺旋形状形成于所述鼻形环(37)上。
4.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述鼻形环(37)通过形成于所述环形延伸部(32)和所述鼻形环(37)的向上延伸部之间的带螺纹连接部(34)连接到所述环形延伸部(32)上。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述波纹管(40)中的所述间隙存在于设定之前，当所述波纹管(40)在设定期间塌缩时所述间隙(48，50)减小。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，槽口(30)形成于所述波纹管(40)上，并且从所述波纹管(40)的下部端延伸到上部端，以促进波纹管(40)在设定操作期间的塌缩。
7.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述内部井口部件(18)包括沿径向向外突出的台肩(19)，以允许所述环形鼻形环(37)的所述下表面(39)着落，所述台肩在设定操作期间提供反作用点。
8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，一组齿(80)形成于所述波纹管(40)的内径表面和外径表面中的至少一个上。
9.一种用于将内部井口部件(18)密封到外部井口部件(10)上的方法，包括：
提供密封组件，所述密封组件具有承载在下部端上的波纹管(40)，其中所述波纹管(40)包括波动部(44)，所述波动部(44)在一点处会合且在所述波动部(44)的相对的端部处形成间隙(48，50)；
使所述密封组件着落和设定在所述内部井口部件和外部井口部件(18，10)之间；
响应于设定所述密封组件，使所述波纹管(40)的外表面(46)向外膨胀而接合所述外部井口部件(10)；
使所述波纹管(40)的内表面(42)向内收缩而接合所述内部井口部件(10)，从而使所述波纹管将所述内部井口部件(18)密封锁定到外部井口部件(10)上。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括在所述波纹管(40)的所述内表面(42)和所述外表面(46)中的一个上提供齿(80)，并且驱动所述齿接合所述内部井口部件(18)和所述外部井口部件(10)中的一个。
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