CN102852482A - 混合密封件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种混合密封件。当处于下入位置时，套管悬挂器密封组件下降到在套管悬挂器与井口罩之间的袋中。密封组件具有金属对金属上密封环以及弹性体和金属下密封环，弹性体和金属下密封环由上密封环承载并且在上密封环的下方。上密封环和下密封环可从下入位置移动到坐封位置，从而通过施加向下的力在套管悬挂器的侧壁与井口罩之间密封。将下密封环移动到坐封位置所要求的向下的力小于将上密封环移动到坐封位置所要求的向下的力。在下密封环已经置于袋中之后施加到上密封环的向下的力传递到下密封环，以导致下密封环在上密封环移动到坐封位置之前移动到坐封位置。

Description

混合密封件

技术领域

本公开大体涉及水下井口密封件，尤其地涉及混合密封件，其具有金属对金属主要密封部分和充当应急密封的次要部分。

背景技术

在水下井的形成期间，包括井口罩的井口组件位于在海床上的井眼的上端。随着井钻的更深，钻柱行进通过井口罩。一个或者多个套管柱下降通过井口罩，各套管柱利用置于(land)井口罩的井眼中的套管悬挂器支承。封隔件或者套管悬挂器密封件坐封(set)在套管悬挂器的侧表面与井眼的侧壁之间的密封袋中。套管悬挂器密封件为优选的金属对金属密封件，其当在套管悬挂器上和在井眼的侧壁上的密封表面处于良好状态时密封最佳。

在安装套管悬挂器密封件之前，井口钻探作业可导致对井口罩井眼的侧壁的损坏。尤其地，套管柱和高压井口罩可由于刮擦和凿痕而损坏，刮擦和凿痕的范围从诸如千分之几深的较小的刮擦到多达0.1″深的大的刮擦。为了密封已经损坏的套管悬挂器环面，可有必要使密封件由柔性材料组成，柔性材料可挤压并且填充刮擦和凿痕。如果期望的金属对金属密封件不能够适当地密封，则通常移除金属对金属密封件并且利用应急密封件代替。通常，由弹性体密封元件组成的应急密封件用于密封套管悬挂器环面。应急密封件还可具有与弹性体元件组合的金属密封元件。

取回没能满足压力测试的主要金属对金属密封件是耗时的任务。作业者必须从其坐封状态释放主要密封件并且利用钻杆柱取回它。作业者然后必须利用送入工具将应急密封下放在钻杆柱。在深水中，将钻杆柱从钻探平台下钻到水下井口罩的花费是昂贵的。

发明内容

本文中公开的密封组件设计成在水下井口组件的内管部件与外管部件之间密封。密封组件包括主要密封环和次要密封环。主要和次要密封环通过施加激励力从下入位置激励到坐封位置。将次要密封环移动到坐封位置所要求的激励力小于将主要密封件移动到坐封位置所要求的激励力。在密封组件已经置于内部件与外部件之间之后，施加到主要密封环的激励力传递到次要密封环，以导致次要密封环在主要密封环移动到坐封位置之前移动到坐封位置。

在优选实施例中，主要密封环具有内环形腿和外环形腿，其通过环形槽口彼此分开。带有比槽口更大的厚度的激励环承载在下入位置中，其中激励环的端接合槽口的入口端。供应到激励环的激励力，在次要密封环已经放置之后，初始地通过主要密封环传递到次要密封环，从而导致次要密封环移动到坐封位置。施加到激励环的持续的力，在次要密封环处于坐封位置之后，将激励环推动到槽口内，以将主要密封环移动到坐封位置。

环形通道可位于主要密封环的内侧表面。比主要密封环的金属更软的金属镶嵌物位于通道内。主要密封环具有环形传力腿，其在这些通道下方朝下延伸。传力腿具有下端，其将坐封力传递到次要密封环。

次要密封环优选地具有下部，当次要密封环移动到坐封位置时，其为内管部件和外管部件提供密封接合。环形颈部从下部沿着传力腿的侧表面向上突出。在传力腿的侧表面与颈部的侧表面之间的联接装置将次要密封环固连到主要密封环。供应到主要密封环的向下的力优选地不行进通过联接装置。

附图说明

图1是剖面图，其示出根据本公开构造并且在下入位置中示出的密封组件和井口罩内的套管悬挂器的一部分。

图2是图1的密封组件的下密封环的下部的放大视图。

图3是剖面图，其示出根据本公开构造并且在下入位置中示出的密封组件的备选实施例和井口罩内的套管悬挂器的一部分。

具体实施方式

参考图1，井口罩11是位于在海床上的上端处的管部件。井口罩11具有带有侧壁13的井眼。套管悬挂器15下降到井口罩11内并且置于台肩(未示出)上。套管柱(未示出)附接到套管悬挂器15的下端。套管结合在井中。套管悬挂器15具有外侧壁17，其从井眼侧壁13径向向内间隔开。外侧壁17可具有中心锥形部分17a，其向下渐缩到具有较小直径的柱形部分17b。较大直径的柱形部分17c从锥形部分17b向上延伸。井眼侧壁13为在井口罩11的该部分的典型柱形。密封袋19由在外侧壁17与井眼侧壁13之间的环形空间限定。密封袋19具有由位于套管悬挂器15的外部的面朝上的台肩21限定的下端。密封袋19在锥形部分17a下方的套管悬挂器15的下部17b具有比在锥形部分17a上方的上部17c中更小的径向宽度。

在该示例中，井口罩11具有位于井眼侧壁13上的锯齿23组。额外地，套管悬挂器15可具有与锯齿23直接横跨间隔开的在柱形部分17c上的锯齿组25。锯齿23和25包括围绕它们各自的表面延伸的小周向凹槽。通常，当从截面观察时，锯齿23和25将具有锯齿形。

密封组件27示出为在下入位置中在坐封之前下降到密封袋19内。密封组件27具有上密封环29和下密封环31。在该实施例中，上密封环29是主要密封环，并且下密封环31是辅助密封环。上密封环29具有当处于坐封位置时密封接合锯齿23和25的上部33。上部33具有内腿35和外腿37，两者都是由环形槽口39彼此分开的环形、柱形部件。在该示例中，若干环形通道41形成于外腿37的外径上。通道41彼此轴向分开，并且位于垂直于井眼侧壁13的轴线的平面中。软金属合金的镶嵌物43位于通道41的每一个内。在优选实施例中，镶嵌物43包括锡和铟的合金。当处于坐封位置时，镶嵌物43将嵌入锯齿23内以增强密封。镶嵌物43的材料比典型地由钢合金形成的密封环29的材料更软。

激励环45用来将上密封环29移动到坐封位置。激励环45由送入工具(未示出)接合，以在已经结合套管悬挂器15之后将密封组件27下降到密封袋19内。送入工具还将施加向下的力到激励环45和上密封环29以对下密封环31激励。在较高水平处使向下的力持续将然后对上密封环29激励。激励环45具有大于槽口39的径向尺度的径向厚度。在下入位置，激励环45的下端位于邻接两腿35、37的上端的槽口39的上端或者入口处。当坐封下密封环31时，激励环45保持与腿35、37的上端接合。当坐封密封环29时，激励环45将延伸到槽口39内相当距离，从而迫使内腿35向内且外腿37向外。内腿35和外腿37的径向变形超过上密封环29的材料的屈服强度。激励环45通过止动环47固连到密封组件27，止动环47具有接合在外腿37的上延伸部49上的螺纹的匹配螺纹。

上密封环29具有传力腿51，其从上部33向下延伸。传力腿51在内腿35与外腿37的联接部下方延伸并且在该示例中与外腿37对准。传力腿51的外径与外腿37的外径近似相同。传力腿51的内径与外腿37的内径近似相同。传力腿51的厚度因此比从内腿35的内径到外腿37的外径所测得的密封上部33的径向尺寸小很多。径向厚度的差异导致在上密封环29的上部33的下端处的面朝下的台肩53。传力腿51用来坐封下密封环31。

下密封环31具有下部55，其至少部分为弹性体/热塑材料并且径向向内且向外变形以在套管悬挂器15与井口罩11之间密封。下部55，在图2中更好地示出，在其下端具有鼻57。鼻57具有置于面朝上的台肩21上的面朝下的台肩58(图1)。竖直柱形隔离壁59从与井眼侧壁13同心的鼻57向上延伸。竖直隔离壁59位于在鼻57的内径与外径之间的等距离处。下密封环设备61具有位于竖直隔离壁59的内径与外径两者上的密封环。上密封环设备63位于下密封环设备61上方，并且具有在隔离壁59的内径和外径两者上的密封环。各密封环设备61、63由V形金属环65和V形弹性体/热塑材料环67组成。金属环65和弹性体/热塑材料环67彼此交替并且在彼此之上层叠。数目可变化，并且在该示例中，各设备61、63包括在隔离壁59的内径上的三个金属环65和两个弹性体/热塑材料环67，并且在隔离壁59的外径上的数目相同。在该示例中，下密封环设备61的环65、67面朝下，并且上密封环设备63的环65、67面朝上。水平隔离环或隔离件69将下密封环设备61与上密封环设备63分开。水平隔离件69具有在上侧和下侧上的凹入V形凹部。金属下端环71位于下密封环设备61的下端处。金属上端环73位于上密封环设备63的上端处。各端环71、73在一端是平坦的并且在另一端是V形的。平坦垫圈或者隔离件75可位于上端环73的上方。当足够大小的向下的力施加到隔离件75时，密封环设备61、63相对于隔离壁59轴向移动并且径向向外和向内偏置以在隔离壁59、套管柱15和井口罩11之间密封。

参考图1，外弹簧部件77可位于与外隔离环75接触的隔离壁59的外侧。类似地，内弹簧部件79可位于内隔离环75上。在该示例中，外弹簧部件77由传力腿51的下端邻接。在该示例中的各弹簧部件77、79包括柱体，柱体具有在其内径和外径上的裂缝，裂缝在内径和外径上彼此交替以允许弹性轴向偏置。在该示例中外弹簧部件77具有比内弹簧部件79更大的轴向尺寸以容纳在隔离壁59的内侧上的密封环设备61、63与在隔离壁59的外侧上的密封环设备61、63之间的不同的坐封行程。

颈部81从内弹簧部件79的上端向上延伸。在该示例中，颈部81为形成为与内弹簧部件79分开的柱形环。颈部81具有上端，其与面朝下的台肩53大致邻接。颈部81沿着传力腿51并且在传力腿51的内径内延伸。颈部81的外径小于传力腿51的内径，从而形成柱形间隙83。竖直隔离壁59在间隙83内向上延伸。

在该示例内包括螺纹紧固件85的联接装置通过在颈部81中的圆形孔向外延伸到在传力腿51的内径中的螺纹容器内。紧固件85延伸通过间隙83并且还通过在竖直隔离壁59中的细长孔口87。紧固件85因此将下密封环31固连到传力腿51。因为细长孔口87，颈部81和传力腿51将能够相对于竖直壁59向下移动。行进通过传力腿51和颈部81的向下的力不行进通过紧固件85，因为颈部81和传力腿51联合向下移动。从颈部81的内径到传力腿51的外径所测得的密封组件27的径向宽度不大于上密封环29的下入径向宽度。从颈部81的内径到传力腿51的外径的径向宽度，在颈部81的上端处测得，在该示例中大于下密封环31的下部55的径向宽度。

在作业中，在套管悬挂器15已经安装在井口罩11内并且套管结合就位后，作业者将安装密封组件27。作业者促动套管悬挂器送入工具(未示出)以将密封组件27下降到密封袋19内。鼻57将置于台肩21上。送入工具施加向下的力到激励环45，其将力传递到上密封环29的内腿和外腿35、37。将内腿35和外腿37移动到坐封位置的力显著大于将下密封环31移动到坐封位置所要求的力。因此，通过激励环45施加的该力将初始地行进通过颈部81和传力腿51通过弹簧部件79、77到下密封环31。一旦向下的力处于足够导致密封环设备61、63的径向变形的水平，则上端环73将开始相对于鼻57和竖直隔离壁59向下移动。向下的移动导致金属环65和弹性体/热塑材料环67偏置并且朝更平坦的位置移动。金属环和弹性体/热塑材料环65、67的边缘将密封地接合套管悬挂器壁17b和井口罩井眼壁13。密封接合还通过在竖直隔离壁59的内径和外径上的环65、67的边缘形成。弹簧部件77和79将在长度上收缩并且维持对下密封环31的偏置。

一旦下密封环31处于坐封位置，则为送入工具所要求的力将增大。处于更大水平的向下的力的持续施加将使激励环45移动到槽口39内。这导致内腿35朝内偏置并且外腿37朝外膨胀，从而对锯齿25和23密封。锯齿23和25不从上密封环29显著向上或者向下延伸。在优选实施例中，下密封环31对套管悬挂器壁17b和井眼壁13的平滑井眼部分密封。上密封环29与锯齿23、25的该接合还充当锁定(lockdown)以将下密封环31维持在坐封位置中。颈部81、弹簧部件77、79和传力腿51的下部邻近套管悬挂器锥形部分17a定位。

当测试压力时，下密封环31帮助防止经过上密封环29的泄漏。如果上密封环29形成良好的金属对金属密封，则下密封环31将没有功能。然而，如果上密封环29由于对密封表面的损坏而没能适当地安置(seat)，则由下密封环31提供的应急密封将协助允许发生良好的压力测试。应当不必取回密封组件27并且返回去利用应急密封。

可利用各种其它类型的辅助密封环。例如，除了由竖直隔离壁分开的内密封环组和外密封环组，可采用单一组的V形金属和弹性体/热塑材料环。而且，如在图3中所示，可采用完全不同类型的下密封。套管悬挂器15和井口罩11的数字标识特征与在图1中相同。在图3的实施例中，上密封环89类似于图1中的上密封环29。部分是弹性体的下密封环91固连到上密封环89并且在上密封环89下方。上密封环89具有内腿93和外腿95，其都由金属组成并且由如在第一实施例中的槽口彼此分开。柱形传力腿97从上密封环89向下延伸。在该实施例中，传力腿97也位于上密封环89的外径上。

下密封环91具有金属的上环99和也是金属的鼻环101。柔性环形带103在上环99与鼻环101之间延伸，从而将鼻环101固连到上环99。柔性带103嵌入在弹性体带105的中心部分内并且能够在上环99与鼻环101之间沿轴向距离改变。弹性体带105具有下入径向厚度，其如通过虚线所指示地初始地大于密封袋27的径向厚度。当推动到袋27内时，弹性体带105将变形。在鼻101已经置于台肩21上之后，上环99对弹性体带105的向下的力将朝鼻环101推动上环99，以导致弹性体带105在套管悬挂器表面17b与井眼壁13之间密封。优选地，上环99和鼻环101具有面朝彼此的金属唇107。金属唇107的外部唇将密封并且接合井口罩11的内壁。金属唇107的每一个的内部唇将密封并且接合套管悬挂器外侧壁17b。如在第一实施例中，下密封环91配置在锯齿23、25下方。

颈部109从上环99沿着传力腿97并且在传力腿97的内径内向上突出。在该示例中将颈部109固连到传力腿97的联接装置包括螺纹110。面朝下的台肩111邻接颈部109的上端。传力腿97的下端邻接面朝上的台肩113，台肩113定位成颈部109的外部。从颈部109的内径到传力腿99的外径的径向宽度不大于上密封环89或下密封环91的下入径向宽度。

如在第一实施例中，坐封下密封环91所要求的力小于坐封上密封环89所要求的力。因此，送入工具施加到激励环96的向下的力将导致下密封环91首先坐封。持续施加向下的力，但该力处于更高的水平，将然后迫使内腿93和外腿95分离以坐封上密封环89。优选地，激励环96的向下的力不行进通过螺纹110，而是直接行进到下密封环91，这是因为面朝下的台肩111与颈部109的邻接以及传力腿97与台肩113的邻接。

虽然本公开仅仅示出了两种它的形式，但是对本领域技术人员显而易见，本公开不受限于此，而是它易于做出不脱离其公开的范围的各种改变。

Claims (15)

1.一种用于在水下井口组件的内管部件和外管部件之间的密封袋中密封的密封组件，包括：

具有轴线的金属对金属主要密封环；

固连到所述主要密封环并且与所述主要密封环轴向间隔的次要密封环；以及

所述主要密封环和次要密封环通过将激励力施加到密封组件而从下入位置激励到坐封位置，这导致所述次要密封环在所述主要密封环移动到所述坐封位置之前移动到所述坐封位置。

2.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述主要密封环包括：

通过具有下入径向宽度的环形槽口而彼此分开的环形内腿和外腿；

具有大于所述下入径向宽度的径向厚度并且承载在下入位置中、其中一端接合所述环形槽口的入口的激励环；以及

其中，所述激励力是施加到所述激励环的轴向引导的力。

3.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，还包括：

在所述主要密封环的内侧表面上的多个环形通道；

由比所述主要密封环的金属更软的金属组成的位于所述通道内的镶嵌物；其中

所述主要密封环具有从所述通道延伸的环形传力腿，所述传力腿具有与所述次要密封环操作接合的端；并且

所述激励力是轴向引导的并且施加到所述主要密封环。

4.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述主要密封环包括：

当所述主要密封环移动到所述坐封位置时，提供与所述内管部件和外管部件的密封接合的上部；

从所述上部向下延伸的环形传力腿，所述传力腿具有与所述次要密封环操作地接合的下端；以及

所述激励力向下引导并且在所述主要密封环移动到所述坐封位置前通过所述传力腿施加，由此导致所述次要密封环首先移动到所述坐封位置。

5.根据权利要求4所述的密封组件，其特征在于，所述次要密封环包括：

当所述次要密封环移动到所述坐封位置时，提供与所述内管部件和外管部件的密封接合的下部；

从所述下部沿着所述传力腿的侧表面向上突出的环形颈部；以及

在所述传力腿的侧表面与所述颈部的侧表面之间用于将所述次要密封环固连到所述主要密封环的联接装置。

6.根据权利要求5所述的密封组件，其特征在于，所述传力腿的端将布置在所述传力腿上的力传递到所述次要密封环的下部，从而旁路所述联接装置。

7.根据权利要求5所述的密封组件，其特征在于，所述颈部和所述传力腿的组合径向宽度不大于在所述下入位置中测得的主要密封环的上部的径向宽度。

8.根据权利要求5所述的密封组件，其特征在于：

所述主要密封环的上部具有在所述上部的下端上的面朝下的台肩；以及

所述颈部具有当所述次要密封环处于所述坐封位置时与所述面朝下的台肩邻接的上端。

9.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于：

所述外管部件包括具有井眼的外井口罩；

所述内管部件包括置于井眼内的套管悬挂器，所述套管悬挂器具有限定所述袋的下端的外部台肩；

所述次要密封环在所述主要密封环的下方承载，并且至少部分为弹性体，并且置于所述套管悬挂器的台肩上；

所述主要密封环和次要密封环通过施加向下的力可从所述下入位置移动到所述坐封位置，将所述次要密封环移动到所述坐封位置所要求的向下的力小于将所述主要密封环移动到所述坐封位置所要求的向下的力；以及

其中，在所述次要密封环已经置于所述台肩上之后施加到所述主要密封环的向下的力传递到所述次要密封环，以导致所述次要密封环在所述主要密封环移动到所述坐封位置之前移动到所述坐封位置。

10.根据权利要求9所述的密封组件，其特征在于，所述主要密封环包括：

通过具有下入径向宽度的环形槽口从彼此分开的环形内腿和外腿；

具有大于所述下入径向宽度的径向厚度并且承载在下入位置中、其中下端接合所述环形槽口的上端的激励环；

其中，在所述次要密封环已经置于所述台肩上之后施加到所述激励环的向下的力初始地通过所述主要密封环传递到所述次要密封环，以导致所述次要密封环移动到所述坐封位置；以及

在所述次要密封环处于所述坐封位置之后施加到所述激励环的额外向下的力将所述激励环移动到所述槽口内，以将所述主要激励环移动到所述坐封位置。

11.根据权利要求9所述的密封组件，其特征在于，所述主要密封环包括：

当所述主要密封环移动到所述坐封位置之后在所述套管悬挂器与所述井口罩之间密封的上部；并且

从所述上部向下延伸的环形传力腿，所述传力腿具有下端，其将施加到所述主要密封环的向下的力传递到所述次要密封环。

12.根据权利要求11所述的密封组件，其特征在于，所述次要密封环包括：

当所述次要密封环移动到所述坐封位置时，提供与所述套管悬挂器和所述井口罩的密封接合的下部；

从所述下部沿着所述传力腿的侧表面向上突出的环形颈部；

在所述传力腿的侧表面与所述颈部的侧表面之间用于在下入期间将所述次要密封环固连到所述主要密封环的联接装置；以及

其中，所述传力腿的下端将布置在所述传力腿上的向下的力传递到所述次要密封环的下部，从而旁路所述联接装置。

13.根据权利要求9所述的密封组件，其特征在于：

所述次要密封环具有弹性体部分和金属部分，使得当处于坐封位置时，所述次要密封环的金属部分和弹性体部分密封地接合所述套管悬挂器的侧壁和所述井眼的侧壁。

14.一种在水下井口组件的内管部件与外管部件之间密封的方法，包括：

(a)提供如下类型的金属对金属主要密封环，即，其响应于相对于所述主要密封环的轴线的轴向引导的主要坐封力，相对于所述主要密封环的轴线，径向向内和向外膨胀；

(b)提供次要密封环，其响应于小于所述主要坐封力的轴向引导的次要坐封力径向向内和向外膨胀；

(c)将所述次要密封环固连到所述主要密封环上以限定密封组件；

(d)将所述密封组件下降在所述内管部件与所述外管部件之间；

(e)将至少等于所述次要坐封力的第一轴向引导的力施加到所述主要密封环，从而导致所述次要密封环径向向内和向外膨胀，以密封接合所述内管部件和所述外管部件；然后

(f)将至少等于所述主要坐封力的第二轴向引导的力施加到所述主要密封环，从而导致所述主要密封环径向向内和向外膨胀，以密封地接合所述内管部件和外管部件。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：

步骤(c)利用联接装置连接所述次要密封环和所述主要密封环；以及

步骤(d)和(e)包括在所述第一轴向引导的力和第二轴向引导的力的任何部分都不行进通过所述联接装置的情况下，将所述第一轴向引导的力和第二轴向引导的力传递到所述次要密封环。

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