CN102865048A - 利用激励式分立软接口密封元件的环带密封 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用激励式分立软接口密封元件的环带密封。一种用于密封内部井口部件和外部井口部件之间的环带的密封组件包括：具有被槽口分开的内部支腿和外部支腿的激励器环，其由高强度弹性材料形成，并且具有中心轴线；以及由无弹性材料形成的内直径密封环，其位于内部支腿的内侧，以在内部井口部件和激励器之间产生密封。由无弹性材料形成的外直径密封环位于外部支腿的外侧，以在激励器和外部井口部件之间产生密封。密封组件可具有从内直径密封环的内表面至外直径密封环的外表面的初始径向尺寸，该初始径向尺寸适于大于环带的径向宽度，从而导致支腿在插入环带中时朝彼此偏转。
Description
技术领域
本发明大体涉及井口组件，并且具体而言，涉及用于在内部井口部件和外部井口部件之间进行密封的密封组件。
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。内部井口部件可为套管悬挂器，套管悬挂器支承延伸到井中以便生产流体的流动的套管柱。套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、采油树或套管头。封隔件(packoff)(或其它密封组件)密封套管悬挂器和外部井口部件之间的环带。备选地，内部井口部件可为位于井口壳体中且固定到延伸到井中的油管柱上的油管悬挂器。封隔件(或其它密封组件)密封油管悬挂器和井口壳体之间的环带。在另一个备选设计中，内部井口部件可为隔离套筒，例如，其可用来使高压磨蚀性压裂流体与井口的某些部分隔离。封隔件(或其它密封组件)密封隔离套筒和外部井口部件之间的环带。
已经采用了多种具有这种性质的环带密封件。传统的环带密封件包括例如弹性体环以及部分金属和部分弹性体环。现有技术的海底刺入型密封件可利用弹性体材料，弹性体材料被挤压到干涉配合环带中。这些是简单的设计，易于安装，在不被加压时由于它们固有的弹性的原因而随着时间的过去保持合理的恒定载荷，并且软得足以流动且在小缺陷上进行密封。但是这样的材料在温度和流体相容性方面具有有限的使用范围。它们在某些流体环境(诸如在许多井口中出现的那些)中可膨胀和在机械方面退化，并且如果在气体环境中经受压力的迅速降低，它们可经历爆炸式失效。
也采用了完全由金属制成的、用于形成金属—金属密封的现有技术的密封环。为了解决远离接口的内部应力，现有技术的金属密封件由高强度硬材料制成，高强度硬材料在接口处难以进行密封，并且需要产生巨大的载荷来提供任何程度的损伤容忍性。这本身又将对同一表面造成损伤。为了克服这一点，已经使用呈喷涂涂层或电镀镶嵌或熔融镶嵌(诸如铜焊)的形式的涂层来将辅助性的较软的材料结合到金属密封件上。这些涂层往往难以施用、成本高、在材料使用方面效率低下，易于增加被喷涂材料的硬度，并且典型地难以施用足够的厚度来提供在严重缺陷上进行密封所需的材料量。
现有技术的第三个选择对密封设备使用无弹性热塑性材料(诸如聚四氟乙烯或模制石墨)。这些不具有任何固有的弹性，并且因此需要一些辅助性部件，诸如内部弹簧，以提供对变化的环境的弹性响应，这确保密封件在不被加压时随着时间的过去而保持合理的恒定载荷，以及因此确保一直保持密封。由于热塑性材料的强度低的原因，它们一般不可承受在接口处导致显著的塑性流所需的载荷，并且因此往往在受损的表面上不能进行良好的密封。
因此虽然金属材料或无弹性材料允许有较宽的温度范围，在大多数流体环境中不会膨胀或在机械方面退化，并且不会遭受爆炸式的气体解压，但是它们会提出许多其它技术问题，最引人注目的是它们无法在受损表面上进行密封。不能完全监测或控制海底部件的损伤，并且因此由于受损表面而引起的密封失效会在海底运行装备时提出显著的成本风险。
因此，需要一种将保持密封的环带密封件，其可在严重的表面缺陷上进行密封、在较宽的温度范围内操作、在大多数流体环境中不会膨胀或在机械方面退化、不会遭受爆炸式的气体解压且可容易和廉价地制造。
发明内容
考虑到以上内容，本发明的多种实施例有利地提供用以解决现有技术的不足的密封组件。通过从受到相当大的应力的、未得到支承的区域移除无弹性材料且用高强度激励器代替无弹性材料，本申请的多种实施例在其中密封件被高度加载的情形中使用软的无弹性材料。如果需要的话，在完全退火的条件下，备选实施例使用厚的软金属材料，而不需要与基部构件有冶金结合或其它类型的结合。
更具体而言，本申请提供一种用于密封内部井口部件和外部井口部件之间的环带的密封组件，其包括：具有被槽口分开的内部支腿和外部支腿的激励器环，其由高强度弹性材料形成，并且具有中心轴线；由无弹性材料形成的内直径密封环，其位于内部支腿的内侧，以在内部井口部件和激励器之间产生密封；以及由无弹性材料形成的外直径密封环，其位于外部支腿的外侧，以在激励器和外部井口部件之间产生密封。
在某些实施例中，密封组件具有从内直径密封环的内表面至外直径密封环的外表面的初始径向尺寸，该初始径向尺寸适于大于环带的径向宽度，从而导致在插入环带中时支腿朝彼此偏转。这个偏转会在激励器中产生径向载荷，这又在两个密封环中产生接触载荷。
密封组件可进一步包括用于在密封组件被设定时约束各个密封环的轴向尺寸的多个防挤出装置。防挤出装置可包括在内部支腿的内侧且从内部支腿向内突起的环形带、在外部支腿的外侧且从外部支腿向外突起的环形带，以及在各个带中的环形凹部。各个密封环位于凹部中的一个中，并且在密封组件的设定之前从凹部中的该一个沿径向突起。在密封组件的设定之前，各个环形凹部的轴向尺寸大于各个密封环的轴向尺寸。环形带适于在密封环组件被设定时接触内部井口部件和外部井口部件。
在备选实施例中，防挤出装置包括成对的楔形环，楔形环具有匹配的楔形表面，匹配的楔形表面导致楔形环中的一个沿径向向内滑动，而导致另一个沿径向向外滑动。在另一个备选实施例中，防挤出装置包括具有内部楔形环表面的内部楔形环、具有外部楔形环表面的外部楔形环，以及在激励器的基部上的内部楔形表面和外部楔形表面，在密封组件的设定期间，内部楔形表面和外部楔形表面滑动地接合内部楔形环表面和外部楔形环表面，以将楔形环传送远离彼此。
在某些其它实施例中，密封组件进一步包括第二激励器环，第二激励器环具有沿与提到的所述第一激励器环相反的方向朝向的内部支腿和外部支腿。内直径密封环和外直径密封环可由选自由下者组成的组的无弹性材料形成：铅、锡、银、金、钽、原始聚四氟乙烯、填充式聚四氟乙烯或聚醚醚酮或压缩模制石墨。
在其它实施例中，本申请还提供一种井口组件，其包括：具有膛孔和轴线的外部井口部件；内部井口部件，其位于膛孔中，并且在内部井口部件和外部井口部件之间限定环带；具有被槽口分开的内部支腿和外部支腿的激励器环，激励器环由高强度弹性(名义上地金属)材料形成，并且具有中心轴线；由无弹性材料形成的内直径密封环，其位于内部支腿的内侧，以在内部井口部件和激励器之间产生密封；以及由无弹性材料形成的外直径密封环，其位于外部支腿的外侧，以在激励器和外部井口部件之间产生密封，其中，在插入环带中时支腿朝彼此偏转，从而导致密封环沿径向变形。
井口组件可进一步包括用于在设定在环带中时约束各个密封环的轴向尺寸的多个防挤出装置。防挤出装置可包括在内部支腿的内侧且从内部支腿向内突起的环形带、在外部支腿的外侧且从外部支腿向外突起的环形带，以及在各个带中的环形凹部，其中，在密封组件的设定之前，各个密封环位于凹部中的一个中，并且从凹部中的该一个沿径向突起，而且各个环形凹部的轴向尺寸均大于各个密封环的轴向尺寸。
本申请的其它实施例提供一种用于密封内部井口部件和外部井口部件之间的环带的设备，密封组件包括：具有被槽口分开的内部支腿和外部支腿的第一激励器环，其由高强度弹性(名义上地金属)材料形成，并且具有中心轴线；第二激励器环，其具有沿与第一激励器环相反的方向朝向的内部支腿和外部支腿；由无弹性材料形成的内直径密封环，其位于各个内部支腿的内侧，以在内部井口部件和激励器之间产生密封；由无弹性材料形成的外直径密封环，其位于各个外部支腿的外侧，以在激励器和外部井口部件之间产生密封；以及用于在密封组件被设定时约束各个密封环的轴向尺寸的多个防挤出装置。
在这种设备的一个实施例中，当沿轴向方向施加力以在环带中设定设备时，内部密封环向内移动而紧靠着内部井口部件，并且外部密封环向外移动而紧靠着外部井口部件。防挤出装置可包括具有内部楔形环表面的内部楔形环、具有外部楔形环表面的外部楔形环，以及在各个激励器的基部上的内部楔形表面和外部楔形表面，在设备的设定期间，内部楔形表面和外部楔形表面滑动地接合内部楔形环表面和外部楔形环表面，以将楔形环传送远离彼此。
本申请的又一个实施例提供一种用于密封内部井口部件和外部井口部件之间的环带的方法，该方法包括以下步骤：(a)将激励器定位在环带内，激励器环具有被槽口分开的内部支腿和外部支腿，激励器环由高强度弹性(名义上地金属)材料形成，并且具有中心轴线；(b)利用由无弹性材料形成的内直径密封环在内部井口部件和激励器之间产生密封，内直径密封环位于内部支腿的内侧；以及(c)利用由无弹性材料形成的外直径密封环在激励器和外部井口部件之间产生密封，外直径密封环位于外部支腿的外侧。
步骤(b)和(c)可进一步包括对激励器施加足够的力，以使激励器的支腿通过弹性变形而朝彼此偏转，以及导致内直径密封环和外直径密封环有塑性变形。可通过施加流体压力来进一步协助步骤(b)和(c)，流体压力会导致激励器扩张，从而导致激励器的支腿远离彼此而偏转，从而导致内直径密封环和外直径密封环有进一步的塑性变形。该方法还可进一步包括利用防挤出装置来限制内直径密封环和外直径密封环的轴向扩张的步骤。限制内直径密封环和外直径密封环的轴向扩张的步骤可由在内部支腿的内侧且从内部支腿向内突起的环形带以及在外部支腿的外侧且从外部支腿向外突起的环形带执行，其中，在各个带中形成环形凹部，以及其中，在密封组件的设定之前，各个密封环位于凹部中的一个中，并且从凹部中的该一个沿径向突起，而且各个环形凹部的轴向尺寸均大于各个密封环的轴向尺寸。
附图说明
为了可更详细地理解本发明的特征和优点及其它将变得显而易见的方式，可通过参照本发明的实施例来得到上面简要地概述的本发明的更加特别的描述，在附图中示出了实施例，附图形成本说明书的一部分。但是，要注意到，附图仅示出了本发明的多种实施例，并且因此不应理解为限制本发明的范围，因为本发明也可包括其它有效的实施例
图1是提供环带密封件的井口组件的部分的截面图；
图2是根据本发明的实施例的密封组件的一部分的截面图；
图3是图2的密封组件的截面图；
图4是根据本发明的备选实施例的密封组件的一部分的截面图；以及
图5是图4的密封组件的截面图。
图6是图4的密封组件的额外的截面图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图来更加全面地描述本发明，附图示出了本发明的实施例。但是，本发明可体现为不同的形式，并且不应理解为限于本文阐述的示出的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，而且将对本领域技术人员全面地传达本发明的范围。相同标号在图中指示相同元件。点撇符号(如果使用了的话)在备选实施例中指示类似的元件。
图1示出了例如包括密封组件21的井口组件10的部分，密封组件21可为根据本申请的任何实施例的密封组件。井口组件10可包括固定在井眼(未显示)的上部端处且同轴地包围内部管道14的外部管道12。外部管道12可为例如高压井口壳体或套管悬挂器。内部管道14可为例如套管悬挂器、套管、油管悬挂器、生产油管或隔离套筒。
内部管道14通过向下台肩30，从在井口组件10内高处的具有较大的外直径26的上部区域过渡到在井口组件10低处的具有较小的外直径28的下部区域。外部管道通过向上台肩36，从在井口组件内高处的具有较大的内直径32的上部区域过渡到在井口组件10内低处的具有较小的内直径34的下部区域。
在外部管道12的相应的内表面16和内部管道14的外直径表面18之间的间隔开的距离相应地形成环带20。在环带20内的是密封组件21。密封组件21是环形形状的。在环形形状的组件21的中心的开口的直径大小设置成使得密封组件21的内直径密封表面22与内部管道14的外直径表面18接触。环形形状的组件21的外直径大小设置成使得密封组件21的外直径密封表面24与外部管道12的内表面16接触。在图2-图6中显示了密封组件21的实施例。
现在转到图2，在一个实施例中，密封组件可包括激励器38。激励器38显示为产生向上的内部槽口或凹槽39的单个“U形”截面形状的环。内部凹槽39会导致激励器38具有由内部凹槽39的形状限定的外部支腿41和内部支腿43。激励器38包括在激励器38的外表面42上的外部周向凹部40以及在激励器38的内表面46上的内部周向凹部44。外部周向凹部40容纳外直径密封环48，而内部周向凹部44则容纳内直径密封环50。显示了密封环48、50具有实心的正方形横截面，但是它们可具有其它备选的横截面，诸如长方形、半圆形、圆形、椭圆形或其它可运用的形状。密封环48、50可挤制、加工完成、由线材压缩形成且在端部处连结，或者通过其它已知的方法制造而成。
如图2中显示的那样，当激励器38没有定位在环带20(图3)内时，外部周向凹部40的轴向高度大于外直径密封环48的轴向高度，而内部周向凹部44的轴向高度则大于内直径密封环50的轴向高度。当密封组件21位于环带20内时，在密封环48、50的宽度如图3中显示的那样被压缩时，这允许密封环48、50有空间来在高度上扩张。密封环48、50不固定或结合到激励器38上。这避免了复杂或成本高的结合过程，允许容易地更换密封环48、50，并且允许密封环48、50更容易地流到缺陷中。
激励器38具有在外部周向凹部40的上方和下方从激励器38的外表面42向外凸出的周向带或突起52。周向带或突起54在内部周向凹部44的上方和下方从激励器38的内表面46向内凸出。突起52、54分别具有周向端表面56、58。环形凹部40、44分别位于带52、54中的各个内。
如图3中显示的那样，当激励器38位于环带20内时，外部密封环48与外部管道12的内表面16和激励器38成密封性接合。内部密封环50与内部管道14的外直径表面18和激励器38成密封性接合。激励器38定位在内部管道14的向下台肩30的上方，以及定位在外部管道12的向上台肩36的下方。在备选实施例中，台肩30可为向上，而台肩36则可为向下。在另外的其它备选实施例中，台肩30、36两者可均朝上或朝下。激励器38的内部凹槽39对容纳在环带20内的井流体的压力开放。在图3的实施例中，压力侧在环带20的较高的端部处，并且因此内部凹槽39朝上开放。在备选实施例中，压力侧可在环带20的下部端处，在这种情况下，凹槽39将朝下开放。固持环60位于激励器38的下方，以限制激励器38在环带20内的向下移动。
密封组件21可在外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18之间有干涉的情况下安装在环带20内。在这种情况下，从端表面56到端表面58测得的激励器38的初始径向尺寸大于外部管道12的内表面16和激励器38、内部管道14的外直径表面18之间的距离。类似地，从内直径密封环50的内表面55到外直径密封环48的外表面57的初始径向尺寸大于外部管道12的内表面16和激励器38、内部管道14的外直径表面18之间的环带的径向宽度。因此激励器38的支腿41、43在插入环带20内时将不得不朝彼此向内偏转。激励器38的支腿41、43的这个向内偏转会产生向外的径向弹性载荷。这将导致密封环48、50分别在外部管道12的内表面16和激励器38之间、在内部管道14的外直径表面18和激励器38之间被压缩。
压缩力会导致密封环48、50塑性地或永久地变形，从而导致它们填充凹部40和44，以及密封和填充外部管道12和内部管道14中的任何缺陷。密封环48、50的变形局限在凹部40、44的内部，凹部40、44用作防挤出手段。突起52和54的端表面56、58将分别接触外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18，以将向外的径向力限制在密封环48、50上。激励器38的弹性变形和密封环48、50的塑性变形的组合会在各个密封接口处产生恒定的弹性接触压力，该接触压力不会随时间或载荷历史或温度而减小，并且会在低压下以及还可能在高压下产生密封。
备选地，可通过环带20内的流体压力来产生激励器38的沿径向向外的弹性载荷。在这个实施例中，环带20和凹槽39内的流体压力将作用在凹槽39的内表面上(凹槽39对容纳在环带20内的流体的压力开放)，从而在支腿41、43上施加径向力。以与上面论述的相同的方式，这将导致密封环48、50分别在外部管道12的内表面16和激励器38之间以及在内部管道14的外直径表面18和激励器38之间被压缩。
压缩会导致密封环48、50塑性或永久地变形，从而导致它们填充凹部40和44。密封环48、50的变形局限于凹部40、44的内部，凹部40、44用作防挤出手段。突起52和54的端表面56、58将分别接触外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18，以将向外的径向力限制在密封环48、50上。激励器38的弹性变形和密封环48、50的塑性变形的组合会在各个密封接口处产生恒定的弹性接触压力。在这种情况下，压降可导致激励器38的弹性载荷降低。另一个备选实施例是在激励器38上结合干涉配合和流体压力载荷两者。在这个实施例中，激励器38和密封环48、50仍然将在流体压力完全失去的情况下保持密封，但是激励器38的弹性力可被环带20和凹槽39内的流体压力放大。
密封环48、50由无弹性软材料形成，并且可为例如诸如铅、锡、银、金或钽的软金属、诸如原始聚四氟乙烯、填充式聚四氟乙烯或聚醚醚酮的无弹性热塑性材料，或其它无弹性惰性材料，诸如压缩模制石墨。密封环48、50可备选地由其它无弹性软材料形成。将选择合适的无弹性软材料，使得密封环48、50将容易地流到外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18上的缺陷中，以及在有任何这种缺陷的表面上产生足够的接触压力，以在经受径向载荷时产生密封。在不存在缺陷的情况下，密封环48、50将只是变形，并且在凹部40、44中向上和向下流动，以填充可用空间，同时在外部管道12的无缺陷内表面16和内部管道14的外直径表面18上产生密封。
激励器38由坚固得足以经受住环带20内的内部流体压力以及在激励器38、外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18之间的干涉配合所产生的任何内部载荷而不会经历显著的塑性变形的材料形成，这可限制可对激励器38施加的或者导致激励器38失效且从而导致密封组件21失效的载荷。因此激励器38必须由强度比用来制造密封环48、50的材料更高或比其更硬的材料制成。优选地，激励器38由钢制成，或者在担心腐蚀的地方由钢或镍基合金制成。
在备选实施例中，如图4中显示的那样，密封组件可包括两个激励器，包括主激励器62和后侧激励器64。激励器62、64显示为单个“U形”截面形状的环。主激励器62具有向上的内部槽口或凹槽66，这导致激励器62具有由内部凹槽66的形状限定的外部支腿68和内部支腿70。后侧激励器64具有向下的内部槽口或凹槽72，这导致激励器64具有由内部凹槽72的形状限定的外部支腿74和内部支腿76。激励器62、64可具有备选形状的横截面。
主内直径密封环78位于主激励器62的支腿70的外部，而主外直径密封环80则位于主激励器62的支腿68的外部。后侧内直径密封环82位于后侧激励器64的支腿76的外部，而后侧外直径密封环84则位于后侧激励器64的支腿74的外部。显示了密封环78、80、82、84具有实心的长方形横截面，但是它们可具有其它备选横截面，诸如正方形、半圆形、圆形、椭圆形或其它可运用的形状。密封环78、80、82、84可挤制、加工完成、由线材压缩形成且在端部处连结，或者通过其它已知的方法制造而成。
内部中间防挤出环86位于主内直径密封环78的下方和后侧内直径密封环82的上方。内部中间防挤出环86的横向部分102在主激励器62和后侧激励器64之间延伸。外部中间防挤出环88位于主外直径密封环80的下方和后侧外直径密封环84的上方。外部中间防挤出环88的横向部分104在主激励器62和后侧激励器64之间延伸。
在图4的实施例中，中间防挤出环86、88大体为具有向上台肩83的楔形形状，台肩83接合主激励器62的向下的楔形表面或台肩85。防挤出环86、88的向下的楔形表面或台肩87接合后侧激励器64的向上台肩89。
主防挤出环90、91位于主密封环78、80的上方，而后侧防挤出环92、93则位于后侧密封环82、84的下方。在图4的实施例中，主防挤出环90、91由具有楔形形状的横截面的成对的环组成。外部主防挤出环90具有基本上水平的上表面和成角度的向下表面94。内部主防挤出环91具有基本上水平的下表面和成角度的向上表面96。外部主防挤出环90的向下表面94接合内部主防挤出环91的向上表面96。内部后侧防挤出环92具有基本上水平的上表面和成角度的向下表面98。外部主防挤出环93具有基本上水平的下表面和成角度的向上表面100。内部后侧防挤出环92的向下表面98接合外部后侧防挤出环93的向上表面100。
在被插入环带中之前，内直径密封环78、82的内直径小于主防挤出环90、91、中间内部防挤出环86和后侧防挤出环92、93的内直径。类似地，外直径密封环80、84的外直径大于主防挤出环90、91、中间外部防挤出环88和后侧防挤出环92、93的外直径。另外，密封环78、80的高度短于主防挤出环90、91和中间防挤出环86、88之间的距离。密封环82、84的高度短于中间防挤出环86、88和后侧防挤出环92、93之间的距离。当密封组件21位于环带20内时，在密封环78、80、82、84的宽度如图5中显示的那样被压缩时，这允许密封环78、80、82、84有空间来在高度上扩张。密封环78、80、82、84不固定或结合到激励器62、64上。这避免了复杂或成本高的结合过程，允许容易地更换密封环78、80、82、84，并且允许密封环78、80、82、84更容易地流到缺陷中。
当图5的密封组件21定位在环带20内时，主外直径密封环80与外部管道12的内表面16以及与主激励器62成密封性接合。主内直径密封环78与内部管道14的外直径表面18以及与主激励器62成密封性接合。后侧外直径密封环84与外部管道12的内表面16以及与后侧激励器64成密封性接合。后侧内直径密封环82与内部管道14的外直径表面18以及与后侧激励器64成密封性接合。密封组件21定位在内部管道14的向下台肩30的上方和外部管道12的向上台肩36的下方。
如图6中显示的那样，当密封组件21完全设定在环带20内时，后侧防挤出环92、93将受到抑制而无法进一步向下移动。例如，后侧防挤出环92、93可在外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18上着落在台肩106上。在备选实施例中，可改为使用固持环或类似的装置。
通过继续对主防挤出环90、91施加向下的力，内部后侧防挤出环92的向下表面98接合外部后侧防挤出环93的向上表面100，并且沿着该向上表面100滑动。这会导致内部后侧防挤出环92朝外部管道12的内表面16移动且与该内表面16接触，并且会导致外部后侧防挤出环93朝内部管道14的外直径表面18移动且与该外直径表面18接触。然后后侧防挤出环92、93将共同覆盖环带20的全部直径，从而限制后侧密封环82、84的向下扩张。
主防挤出环90、91上的这个向下的力将导致主激励器62朝后侧激励器64移动。这会导致中间防挤出环的向上台肩83接合主激励器62的向下台肩85，并且导致防挤出环86、88的向下台肩87接合后侧激励器64的向上台肩89，从而迫使中间外部防挤出环88朝外部管道12的内表面16移动，以及迫使中间内部防挤出环86朝内部管道14的外直径表面18移动。防挤出环86、88的移动分别可受到或者外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18的限制，或者受到接触防挤出环86、88的横向部分102、104的上表面和下表面的激励器62、64的封闭端的限制。
主防挤出环90、91上的向下的力另外将导致外部主防挤出环90的向下表面94接合内部主防挤出环91的向上表面96且沿着该向上表面96滑动。这将导致内部主防挤出环90朝内部管道14的外直径表面18移动且与该外直径表面18接触，以及导致外部主防挤出环91朝外部管道12的内表面16移动且与该内表面16接触。然后主防挤出环90、91将共同覆盖环带20的全部直径，从而限制主密封环78、80的向上扩张。将使用诸如固持环108的固持机构来保持在主防挤出环上的向下的力。
可在外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18之间有干涉的情况下将密封组件21安装在环带20内。激励器62、64上的压缩会导致主激励器62的支腿68、70和后侧激励器64的支腿74、76向内偏转，从而产生向外的径向弹性载荷。这将导致密封环80、84分别在外部管道12的内表面16和激励器62、64之间被压缩，以及导致密封环78、82分别在内部管道14的外直径表面18和激励器62、64之间被压缩。压缩力会导致密封环78、80、82、84有塑性变形，从而导致它们变形且变得更薄和更高。密封环78、80的高度的增加局限于主防挤出环90、91和中间防挤出环86、88之间的空间。密封环82、84的高度的增加局限于中间防挤出环86、88和后侧防挤出环92、93之间的空间。激励器62、64的弹性变形和密封环78、80、82、84的塑性变形的组合会在各个密封接口处产生恒定的弹性接触压力，该接触压力不会随时间或载荷历史或温度而减小，并且在低压下产生密封以及还可能在高压下产生密封。
备选地，激励器62、64的沿径向向外的弹性载荷可由凹槽66、72内的流体压力产生，流体压力在支腿68、70、74、76上施加向外的力，从而导致支腿68、70、74、76沿径向向外偏转。以与上面论述的相同的方式，这将导致密封环78、80、82、84分别在外部管道12的内表面16和激励器62、64之间以及在内部管道14的外直径表面18和激励器62、64之间被压缩。压缩力会导致密封环78、80、82、84有塑性变形，从而导致它们变形并且变得更薄和更长。密封环78、80的高度的增加局限于主防挤出环90、91和中间防挤出环86、88之间的空间。密封环82、84的高度的增加局限于中间防挤出环86、88和后侧防挤出环92、93之间的空间。激励器62、64的弹性变形和密封环78、80、82、84的塑性变形的组合会在各个密封接口处产生恒定的弹性接触压力。
密封环78、80、82、84由无弹性软材料形成，并且可为例如诸如铅、锡、银、金或钽的软金属、诸如原始聚四氟乙烯、填充式聚四氟乙烯或聚醚醚酮的无弹性热塑性材料，或其它无弹性惰性材料，诸如压缩模制石墨。密封环78、80、82、84可备选地由其它无弹性软材料形成。将选择合适的无弹性软材料，使得密封环78、80、82、84将容易地流到外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18上的缺陷中，以及在有任何这种缺陷的表面上产生足够的接触压力，以在经受径向载荷时产生密封。在不存在缺陷的情况下，密封环78、80、82、84将只是变形，并且向上和向下流动，以填充可用空间，同时在外部管道12的无缺陷内表面16和内部管道14的外直径表面18上产生密封。
激励器62、64由坚固得足以经受住环带20内的内部流体压力以及激励器62、64、外部管道12的内表面16和内部管道14的外直径表面18之间的干涉配合所产生的任何内部载荷而不会经历显著的塑性变形的材料(诸如铜或镍或其合金)形成，这可限制可对激励器62、64施加的或者导致激励器62、64失效且从而导致密封组件21失效的载荷。因此激励器62、64必须由强度比用来制造密封环78、80、82、84的材料更高或比其更硬的材料制成。
在图和说明书中，已经公开了本发明的典型的优选实施例，而且虽然采用了具体用语，但是仅在描述性意义上而不是出于限制目的来使用这些用语。已经特别参照这些示出的实施例来相当详细地描述了本发明。但是，将显而易见的是，如在前述说明书中描绘的那样，可本发明的精神和范围内作出多种改良和改变。例如，虽然主要在着落在经改良的高压井口壳体内的套管悬挂器的语境中进行说明，但是本领域普通技术人员将认识到，可关于经改良的套管内的油管或其它油管容易地采用特征密封组件和方法。
Claims (15)
1. 一种用于密封内部井口部件(14)和外部井口部件(12)之间的环带(20)的密封组件(21)，所述密封组件包括：
具有被槽口(39)分开的内部支腿(43)和外部支腿(41)的激励器环(38)，所述激励器环(38)由高强度弹性材料形成，并且具有中心轴线；
由无弹性材料形成的内直径密封环(50)，其位于所述内部支腿(43) 的内侧，以在所述内部井口部件和所述激励器(38)之间产生密封；以及
由无弹性材料形成的外直径密封环(48)，其位于所述外部支腿(41)的外侧，以在所述激励器(38)和所述外部井口部件(12)之间产生密封。
2. 根据权利要求1所述的密封组件(21)，其特征在于，所述密封组件(21)具有从所述内直径密封环(50)的内表面(55)至所述外直径密封环(48)的外表面(57)的初始径向尺寸，所述初始径向尺寸适于大于所述环带(20)的径向宽度，从而导致所述激励器(38)的所述支腿(41, 43)在插入所述环带(20)中时朝彼此偏转。
3. 根据权利要求1所述的密封组件(21)，其特征在于，所述密封组件(21)进一步包括用于在所述密封组件被设定时约束所述密封环(48, 50)中的各个的轴向尺寸的多个防挤出装置。
4. 根据权利要求3所述的密封组件(21)，其特征在于，所述防挤出装置包括：
在所述内部支腿(43)的内侧且从所述内部支腿(43)向内突起的环形带(54)；
在所述外部支腿(41)的外侧且从所述外部支腿(41)向外突起的环形带(52)；
在所述带(52、54)中的各个中的环形凹部(40, 44)；以及其中
所述密封环(48, 50)中的各个位于所述凹部(40, 44)中的一个中，并且在所述密封组件(21)的设定之前，从所述凹部(40, 44)中的所述一个沿径向突起。
5. 根据权利要求4所述的密封组件(21)，其特征在于，在所述密封组件(21)的设定之前，各个环形凹部(40, 44)的轴向尺寸大于各个密封环(48, 50)的轴向尺寸。
6. 根据权利要求4所述的密封组件(21)，其特征在于，所述环形带(52, 54)适于在所述密封组件(21)被设定时，接触所述内部井口部件(14)和所述外部井口部件(12)。
7. 根据权利要求3所述的密封组件(21)，其特征在于，所述防挤出装置包括成对的楔形环(90, 91)，所述楔形环具有匹配的楔形表面(96, 94)，所述匹配的楔形表面(96, 94)导致所述楔形环中的一个沿径向向内滑动，而导致另一个沿径向向外滑动。
8. 根据权利要求3所述的密封组件(21)，其特征在于，所述防挤出装置包括：
具有内部楔形环表面(83)的内部楔形环(88)；
具有外部楔形环表面的外部楔形环(86)；以及
在所述激励器(62)的基部上的内部楔形表面和外部楔形表面(85)，它们在所述密封组件(21)的设定期间，滑动地接合所述内部楔形环表面和所述外部楔形环表面(83)，以将所述楔形环传送远离彼此。
9. 根据权利要求1所述的密封组件(21)，其特征在于，所述内直径密封环(50)和所述外直径密封环(48)由选自由下者组成的组的无弹性材料形成：铅、锡、银、金、钽、原始聚四氟乙烯、填充式聚四氟乙烯、聚醚醚酮、或压缩模制石墨。
10. 根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封组件进一步包括：
第二激励器环(64)，其具有沿与提到的所述第一激励器环相反的方向朝向的内部支腿(76)和外部支腿(74)；
内直径密封环(78, 82)，其位于所述内部支腿中的各个的内侧，以在所述内部井口部件(14)和所述激励器之间产生密封；
外直径密封环(80, 84)，其位于所述外部支腿中的各个的外侧，以在所述激励器和所述外部井口部件(12)之间产生密封；以及
多个防挤出装置(90, 91, 86, 88, 92, 93)，其用于在所述密封组件(21)被设定时，约束所述密封环(78, 82, 80, 84)中的各个的轴向尺寸。
11. 一种用于密封内部井口部件(14)和外部井口部件(12)之间的环带(20)的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将激励器环(38)定位在所述环带(20)内，所述激励器环(38)具有被槽口(39)分开的内部支腿(43)和外部支腿(41)，所述激励器环(38)由弹性材料形成，并且具有中心轴线；
(b)利用由无弹性材料形成的内直径密封环(50)在所述内部井口部件(14)和所述激励器(38)之间产生密封，所述内直径密封环(50)位于所述内部支腿(43)的内侧；以及
(c)利用由无弹性材料形成的外直径密封环(48)在所述激励器(38)和所述外部井口部件(12)之间产生密封，所述外直径密封环(48)位于所述外部支腿(41)的外侧。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(b)和(c)进一步包括对所述激励器(38)施加足够的力，以使所述激励器的所述支腿(41, 43)通过弹性变形而朝彼此偏转，以及导致所述内直径密封环(50)和所述外直径密封环(48)有塑性变形。
13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(b)和(c)进一步包括在压力下在所述槽口(39)内提供流体，以在所述支腿(41、43)上施加径向力，以及导致所述内直径密封环(50)和所述外直径密封环(48)有塑性变形。
14. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括利用防挤出装置来限制所述内直径密封环(50)和所述外直径密封环(48)的轴向扩张的步骤。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，限制所述内直径密封环(50)和所述外直径密封环(48)的轴向扩张的步骤由环形带(54)和环形带(52)执行，所述环形带(54)在所述内部支腿(43)的内侧，并且从所述内部支腿(43)向内突起，而所述环形带(52)在所述外部支腿(41)的外侧，并且从所述外部支腿(41)向外突起，其中，在所述带(52, 54)中的各个中形成环形凹部(40, 44)，以及其中，在所述激励器环(38)的设定之前：所述密封环(48, 50)中的各个位于所述凹部(40, 44)中的一个中，并且从所述凹部(40, 44)中的所述一个沿径向突起；并且各个环形凹部(40, 44)的轴向尺寸均大于各个密封环(48, 50)的轴向尺寸。
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