CN103132942A - 具有波纹管式前端环的密封件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有波纹管式前端环的密封件。一种井口组件(20)，其具有同心的管件和在管件之间的环形空间中的密封组件(26)。密封组件(26)包括具有环形体的上部部分(28)以及前端环密封件，环形体具有U形截面。前端环密封件(30)具有波纹管状的截面，并且在环形空间中提供密封，并且将锁定力施加到管件(22,24)中的一个上。在波纹管中的褶皱(44)的外边缘(45)上提供了金属镶嵌物(46)，并且在褶皱(44)之间设置了可压缩的介质(48)。
Description
技术领域
本发明大体涉及一种井眼组件。更具体地讲，本发明涉及一种用于环形密封件的波纹管形的前端环(nose ring)，其在波纹管的褶皱中具有柔韧的材料，并且在它的外侧褶皱的边缘上具有延展性的金属镶嵌物。
背景技术
密封件典型地插入在内侧井口管状元件和外侧井口管状元件之间以便容纳内部的井压。内侧井口元件通常为用于支撑延伸到井中的或者套管或者管的悬挂器。外侧井口元件通常为井口壳体中的一个，或者当内侧元件为管悬挂器时可为套管悬挂器。已知定位在内侧井口元件和外侧井口元件之间的各种密封件。已知的密封件的示例为弹性体、金属、以及它们的组合和弹性体环。可由运转工具(running tool)来设置密封件，或者它们可响应于套管或管的串的重量而设置。一种类型的金属－金属密封件具有密封体，其中，内壁和外壁由圆柱形的槽口分开，从而形成了“U”形。激励环被推入密封件中的槽口中，以使内壁和外壁变形分开而与内侧井口元件和外侧井口元件密封接合，这可使条状部(wicker)在其上形成。激励环典型地为实心的楔形元件。密封件的内壁和外壁的变形超过了密封环材料的屈服强度，从而使变形永久化。
可能会发生套管或管与井口之间的热生长，特别是对于定位在表面处而非水下的井口。向上流过管的井流体加热管串，并且加热到比围绕的套管更低的程度。温度升高可导致管悬挂器和/或套管悬挂器相对于外侧井口元件沿轴向移动微小的量。在加热瞬变期间，管悬挂器和/或套管悬挂器由于在构件之间的温差和热膨胀的不同的速率还可沿径向移动，构件材料由其构成。如果由于楔作用(其中，激励环的轴向位移引起了密封件相对其配合表面的径向移动)的原因而设置了密封件，那么如果由于压力效应或者热效应在轴向方向上存在移动，则可能会减小密封力。减小在激励环上的轴向力导致减小在密封环的内壁和外壁上的径向向内和向外的力，这可引起密封件泄漏。由于热瞬变引起的在密封件和它的配合表面之间的径向载荷的损失也可引起密封件泄漏。防止这种类型的移动的一种途径为通过在密封件上使用锁定C形环，其搁置在激励环上的机械加工的凹穴中。当设置了密封件时，C形环接合悬挂器，从而将密封件锁定到悬挂器上。另一种途径是使用密封部件本身作为锁定机构。在这些途径中，因此通过密封件来提供锁定。此外，锁定式的悬挂器可用来将套管悬挂器锁定就位。这需要额外的行程来降低锁定式的悬挂器。
发明内容
描述了用于使用在同心的井下管件之间的密封组件的一个示例，该密封组件包括环形的上部部分，其具有：环状外支脚；设置成沿径向在外支脚内侧的环状内支脚，其在内支脚和外支脚之间限定了环形空隙；以及附接到外支脚的下端。该密封组件包括联接到上部部分的下端的前端环组件。前端环组件包括具有波纹管形的截面的环形密封体。密封体具有褶皱，其具有沿着密封体的内周边和外周边的边缘。金属镶嵌物在边缘上，并且可压缩的材料在褶皱之间。当在同心的井下管件之间设置密封组件并且将激励环的端部插入到在内支脚和外支脚之间的环形空隙中时，前端环的密封体将锁定力传递到管件中的一个上，并且边缘沿径向向内和向外延伸成与井下管件密封接触。可选地，可压缩的材料具有分散在介质内的被封装的气体。在一个示例中，玻璃微球体形成了被封装的气体，并且介质由弹性体制成。在一个备选的实施例中，密封体由弹性金属制成。金属镶嵌物可由具有比井下管件更小的屈服强度的金属制成，使得当边缘延伸成与井下管件密封接触并且在井下管件上存在间断时，镶嵌物顺应(conform to)间断以提供密封接触。前端环的密封体可螺纹地联接到上部部分。可选地，密封组件可进一步包括自最下面的褶皱的端部沿轴向向下突出的环状的下部基体，其中，下部基体与套管悬挂器选择性地接触。可以可选地包括安装在上部部分的上端的内表面上的锁定螺母，使得当从管件之间拉出激励环时，密封组件和激励环一起被取回。
本文还提供了一个井口组件的示例，该井口组件包括外侧管件、插入在外侧管件内以便限定在管件之间的环形空隙的内侧管件、以及在环形空隙中的密封组件。密封组件包括具有沿轴向突出的褶皱的密封体，褶皱限定了波纹管和在相邻的褶皱之间的边缘，边缘与内侧管件的外表面和外侧管件的内表面处于密封接触。褶皱的上端接合到外侧管件或下侧管件中的一个，并且下端与没有被上端接合的管件中的一个接合。当将密封组件设置在环形空隙中时，锁定力通过密封体在内侧管件和外侧管件之间传输。可压缩的材料可设置在褶皱之间。在一个示例中，可压缩的材料由分散在弹性体介质中的玻璃微球体制成。可包括附接到密封体的上端的上部部分。上部部分可包括与外侧管件相接合的环形外支脚和自外支脚沿径向向内隔开的内支脚, 其具有从外支脚悬垂的下端并且与内侧管件接触。可选地，在密封体上可包括下部基体，其接触内侧管件并且将锁定力从内侧管件传输到密封组件。在一个示例实施例中，在边缘上提供了顺应内侧管件和外侧管件的相应的表面上的间断的金属镶嵌物。
本文还提供了用于使用在同心的内侧井下管件和外侧井下管件之间的密封组件的一个示例，该密封组件包括环形的锁定部分，其具有环状外支脚和设置成沿径向在外支脚内侧的环状内支脚(其限定了在内支脚和外支脚之间的环形空隙)。外支脚的下端附接到外支脚。前端环组件(其由具有褶皱的波纹管状的环形密封体组成，褶皱与相邻的褶皱呈倾斜的角度)联接到锁定部分的下端。在相邻的褶皱之间的交接部处形成边缘，其沿着密封体的内周边和外周边延伸。在边缘上提供了金属镶嵌物，并且在褶皱之间设置了可压缩的材料。可压缩的材料由弹性体基质与分散在基质中的玻璃微球体制成。这样，当密封组件设置在同心的井下管件之间并且激励环的端部插入到在内支脚和外支脚之间的环形空隙时，前端环的密封体将锁定力传递到管件中的一个上，并且边缘沿径向向内以及向外延伸成与井下管件密封接触。密封体可由弹性金属制成。在一个示例实施例中，金属镶嵌物由具有比井下管件更小的屈服强度的金属制成，使得当边缘延伸成与井下管件密封接触并且在井下管件上存在间断时，镶嵌物顺应间断以提供密封接触。前端环的密封体可螺纹地联接到锁定部分，并且可进一步包括从最下面的褶皱的端部沿轴向向下突出的环状的下部基体，其中，下部基体与套管悬挂器选择性地接触。
附图说明
在已经陈述了本发明的一些特征和益处的情况下，当结合附图考虑而继续进行描述时，其它的(特征和益处)将变得显而易见，其中：
图1为根据本发明的在井下管件之间的密封组件的示例实施例的侧视部分截面图。
图2为图1的实施例的细节部分。
图3为根据本发明的处于锁定的构造的图1的密封组件的实施例的截面图。
图4为具有根据本发明的密封组件的实施例的井口组件的侧视部分截面图。
虽然将结合优选的实施例描述本发明，但将要理解，不意图将本发明限制到那样的实施例。相反，意图覆盖可包括在如由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有的备选方案、修改以及等效物。
部件列表
20 井口组件
22 悬挂器
24 壳体
26 密封组件
28 密封元件
30 前端环组件
32 激励环
34 条状部
36 条状部
37 凸耳环
38 前端环体
40 下部基体
41 凸缘
42 上部基体
44 褶皱
45 边缘
46 镶嵌物
47 尖端
48 补偿材料
50 球体
52 基质
54 槽
56 槽
58 变形
59 液体
60 井眼
62 生产树
64 井口壳体
66 套管
68 管。
具体实施方式
现在将参考在其中示出了实施例的附图在下文中更全面地描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可呈许多不同的形式，并且不应解释为局限于本文阐述的说明性的实施例；而是，提供了这些实施例使得本公开将是详尽而完整的，并且将全面地将其范围传达给本领域技术人员。从头至尾，同样的标号指代同样的部件。
还将理解的是，本公开的范围不限于结构、操作、确切的材料或所示出以及描述的实施例的确切的细节，因为对本领域技术人员来说修改和等效物将显而易见。在附图和说明书中已经公开了说明性的实施例，并且，尽管使用了特定的术语，但它们仅以一般和描述性的意义使用，而不是用于限制的目的。因此，本文所描述的改进从而仅由所附的权利要求的范围来限制。
在图1中的侧视部分截面图中示出了井口组件20的一个示例实施例。在图1的示例中，示出了井口组件20，其具有同轴地设置在环形壳体24内的环形悬挂器22。悬挂器22可为套管悬挂器或管悬挂器中的一个，其中，壳体24可为高压壳体或套管悬挂器中的一个。密封组件26示出为设置在同心的悬挂器22和壳体24之间的环形空隙内。密封组件26包括在它的上端上的密封元件28。在图1的示例中，密封元件28的一部分为基本上沿轴向方向且邻近壳体24的内表面而延伸的环状外支脚。密封元件28包括有内支脚，其设置成沿径向在外支脚内侧，以便在其中限定空隙。内支脚由从外支脚沿径向向内突出并且然后沿轴向向上突出到内支脚的下端连接到外支脚。
示出了安装在密封元件28的下端以及内支脚下方的前端环组件30。部分同轴地在密封元件28内的为环形激励环32，其具有示出为插入在密封元件28的外支脚和内支脚之间的空隙中的下部的楔形延伸部分。在图1的示例中，示出了分别形成于悬挂器22的外表面和壳体24的内表面上的脊状的条状部34。示出了螺纹地固定到密封元件28的上端的环形的凸耳环(lug ring)37，其从密封元件28沿径向向内延伸。如下面更详细地描述的，通过沿轴向向下推压前端环32，这样它的下端插入到在密封元件28的内支脚和外支脚之间的空隙中，密封可发生在悬挂器22和壳体24之间的环形空隙内。此外，凸耳环37从密封元件28沿径向向内延伸，并且当向上拉动激励环32时，凸耳环与激励环32上的凸缘相干扰。以便还拉动密封元件28。
现在参考图2，以侧视部分截面图并且更详细地示出了图1的实施例的一部分。更具体地讲，图2描绘了前端环组件30包括的波纹管状的前端环体38－连同在(前端环)体38的下端上的下部基体40。在图2的示例中，下部基体40是大体上环状的环形元件并且构造成以便靠在于悬挂器22上提供的凸缘41(图1)上。示出了上部基体42，其安装在前端环体38的上端上，并且也是大体上环状的环形元件。为了附接到密封元件28，上部基体的一部分42A是有螺纹的。在图2的示例中，前端环体38由一系列的褶皱44(示出为大体上布置成关于各个相邻的褶皱44倾斜)组成。在(前端环)体38上限定了边缘45－相邻的褶皱44在此处结合。可选的金属镶嵌物46(其在一个示例中由比悬挂器22和壳体24的金属更软(即具有更低的屈服强度)的金属形成)在边缘45的外表面上。在一个示例实施例中，金属镶嵌物46包括锡铟。在图2的实施例中，为了容纳镶嵌物46，边缘45的中间部分内凹，凹口在边缘45的上端和下端上限定了尖端47，其当(前端环)体38沿轴向压缩时刺入并且紧夹悬挂器22和壳体24。
各个相邻的褶皱44限定了在其中设置有补偿材料38的楔形的空隙。补偿材料38提供了对否则可能会进入在褶皱44之间的空隙的碎片和其它不合乎需要的材料的屏障。在一个示例实施例中，示出了具有分散在基质52内的一系列球体50的补偿材料48。球体50的示例包括封装在承载负荷的壳体(诸如玻璃微球体)内部的可压缩的流体，诸如气体。基质52可包括弹性体材料，诸如泡沫、橡胶、合成物等等。
在图3的示例实施例中，密封组件26呈激励的并且密封的构造。如图所示，激励环32沿轴向插入到密封元件28的支脚内，因此使密封元件28的支脚沿径向彼此分开而突出并且突出成与壳体24以及还与悬挂器22相接触。在典型的安装中，壳体24和悬挂器22中的条状部34、36在密封元件28的内支脚和外支脚上形成了相应的槽54、56。此外，向下推压锁定环32将锁定力传输通过密封元件28并且传到前端环组件30上，以便防止悬挂器22和壳体24的相应的轴向移动。参考回图2，在一个示例实施例中，在前端环体38的上部基体42与下部基体40之间的接触传输来自悬挂器22和壳体24的力。当前端环体38的波纹管部分沿轴向变形时，足够的轴向应力保持在前端环组件30内以便维持在悬挂器22和壳体24之间的锁定力。
当密封组件26在图3的设置位置中时，前端环体38的轴向变形容许边缘45沿径向向内以及向外移动成与悬挂器22和壳体24的相应的外表面和内表面接触。利用足够的向内和向外的径向力，边缘45上的较软的金属镶嵌物46变形并且在前端环体38和悬挂器22与壳体24的表面之间形成了密封接触。在悬挂器22或壳体24的密封表面中的一个上可能会存在间断58，诸如刮痕、伤痕或其它的损伤。变形的金属镶嵌物46可填充间断58的空隙，因此确保了在悬挂器22和壳体24之间的环形空间内的密封表面。此外，补偿材料48内的球体50可能会压扁，并且在球体50中的封装的气体将响应于在激励密封组件26的同时遇到的力(以及压力)而压缩。压扁的球体50和气体的压缩容许前端环体38的轴向压缩。因此，如果任何液体59(诸如来自井眼)进入在相邻的褶皱44之间的空隙，补偿材料48就压缩以便补偿液体59的存在，使得当密封组件26被激励时褶皱44的移动不受限制。
图4说明了安装在井眼60之上的井口组件20的一个示例的侧视部分截面图。在图4的示例中，井口组件包括安装在井口壳体64上的生产树(production tree)62。套管66自井口组件20向下悬垂并且悬垂到井眼60中。示出了同心地围绕一串生产管68(其也悬垂到井眼60中)的套管66。在图4的示例中，密封组件26插入在套管悬挂器和高压井口壳体24之间，套管66支承在套管悬挂器上。在一个使用示例中，本文描述的密封组件26可用在其中初始密封已经失效的紧急的情况中。在这样的示例中，在井眼60中的管件中的一个或多个内可能会存在变形，诸如图3的间断58。此外，条状部34、36可能也已经损伤，从而损害了密封件(诸如密封元件28)的密封能力。在该实例中，实施如本文所描述的前端环可提供克服所遇到的密封问题的密封能力。本文所描述的前端环的一个优点是，它可以与标准的密封元件28集成，并且使用安装密封元件28典型地采取的步骤来安装。
因此本文所描述的本发明很好地适用于实现目的并且获得所提到的目标和优点，以及在其中的其它固有的方面。虽然本发明的目前优选的实施例已经为了公开的目的而给出，但在用于实现所期望的结果的过程的细节中存在许多改变。这些和其它类似的修改将很容易地被本领域技术人员想到，并且意图包括在本文所公开的本发明的精神和所附的权利要求的范围内。
Claims (17)
1. 一种用于使用在同心的井下管件(22, 24)之间的密封组件(26)，包括：
环形的上部部分(28)，其包括：环状外支脚；环状内支脚，设置成沿径向在所述外支脚内侧，以便在所述内支脚和外支脚之间限定环形空隙，并且具有附接到所述外支脚的下端；且
其特征在于
前端环组件(30)，联接到所述上部部分(28)的下端，包括具有波纹管形的截面的环形密封体(38)，该环形密封体限定具有沿着所述密封体(38)的内周边和外周边的边缘(45)的褶皱(44)，以及在所述褶皱(44)之间的可压缩的材料(48)，使得当所述密封组件(26)设置在所述同心的井下管件(22, 24)之间并且激励环(32)的端部插入到在所述内支脚和外支脚之间的所述环形空隙中时，所述密封体(38)将锁定力传递到所述管件(22, 24)中的一个上，并且所述边缘(45)沿径向向内和向外延伸成与所述井下管件(22, 24)密封接触。
2. 根据权利要求1所述的密封组件(26)，其特征在于，所述可压缩的材料(48)包括分散在介质(52)内的被封装的气体。
3. 根据权利要求2所述的密封组件(26)，其特征在于，所述被封装的气体包括玻璃微球体(50)，并且所述介质(52)包括弹性体。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的密封组件(26)，其特征在于，所述密封体(38)包括弹性金属。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的密封组件(26)，其特征进一步在于镶嵌物(46)，其包括具有比所述井下管件(22, 24)更小的屈服强度的金属，使得当所述边缘(45)延伸成与所述井下管件(22, 24)密封接触并且在所述井下管件(22, 24)上存在间断(58)时，所述镶嵌物(46)顺应所述间断(58)以便提供所述密封接触。
6. 根据权利要求1至5中的任一项所述的密封组件(26)，其特征在于，所述前端环的所述密封体(38)螺纹地联接到所述上部部分(28)，并且还包括从最下面的褶皱的端部沿轴向向下突出的环状的下部基体(40)，其中，所述下部基体(40)与套管悬挂器(22)选择性地接触。
7. 根据权利要求1至4中的任一项所述的密封组件(26)，其特征进一步在于锁定螺母，其安装在所述上部部分(28)的所述上端的内表面上，使得当从所述管件之间拉出所述激励环(32)时，所述密封组件(26)与所述激励环(32)一起被取回。
8. 一种井口组件(20)，包括：
外侧管件(24)；
内侧管件(22)，插入在所述外侧管件(24)内，以便在所述管件(22, 24)之间限定环形空隙；且
其特征在于，
在所述环形空隙中的密封组件(26)，包括：
密封体(38)，具有沿轴向突出的褶皱(44)，褶皱限定了波纹管和在相邻的褶皱(44)之间的边缘(45)，所述边缘(45)与所述内侧管件(22)的外表面和所述外侧管件(24)的内表面处于密封接触，以及接合到所述外侧管件(24)或内侧管件(22)中的一个的上端和与没有被所述上端接合的所述管件中的一个接合的下端，使得当所述密封组件(26)设置在所述环形空隙时，锁定力通过所述密封体(38)在所述内侧管件(22)和外侧管件(24)之间传输。
9. 根据权利要求8所述的井口组件(20)，其特征还在于设置在所述褶皱(44)之间的可压缩的材料(48)。
10. 根据权利要求9所述的井口组件(20)，其特征在于，所述可压缩的材料(48)包括分散在弹性体介质(52)中的玻璃微球体(50)。
11. 根据权利要求8至10中的任一项所述的井口组件(20)，其特征还在于附接到所述密封体(38)的上端的上部部分(28)，所述上部部分(28)包括与所述外侧管件接合的环形外支脚以及自所述外支脚沿径向向内隔开的内支脚，其具有从所述外支脚悬垂的下端并且与所述内侧管件接触。
12. 根据权利要求11所述的井口组件(20)，其特征还在于在所述密封体(38)上的下部基体(40)，其接触所述内侧管件，并且将所述锁定力从所述内侧管件传输到所述密封组件(26)。
13. 根据权利要求8至12中的任一项所述的井口组件(20)，其特征还在于在所述边缘(45)上的金属镶嵌物(46)，其顺应于在所述内侧管件(22)和所述外侧管件(24)的相应的表面上的间断(58)。
14. 一种用于使用在同心的内侧井下管件(22)和外侧井下管件(24)之间的密封组件(26)，包括：
环形锁定部分，包括：环状外支脚；环状内支脚，其设置成沿径向在所述外支脚内侧，以便在所述内支脚和外支脚之间限定环形空隙，并且具有附接到所述外支脚的下端；
其特征在于，
联接到所述锁定部分的下端的前端环组件(30)，包括：
限定褶皱(44)的波纹管状的环形密封体(38)，所述褶皱(44)关于相邻的褶皱(44)倾斜地成角度，
在相邻的褶皱(44)之间的交接部处形成的边缘(45)，其沿着所述密封体(38)的内周边和外周边延伸，以及
在所述褶皱(44)之间的可压缩的材料(48)，其包括弹性体基质(52)与分散在所述基质(52)中的玻璃微球体(50)，使得当所述密封组件(26)设置在所述同心的井下管件(22, 24)之间并且激励环(32)的端部插入到在所述内支脚和外支脚之间的所述环形空隙时，所述前端环(30)的所述密封体(38)将锁定力传递到所述管件(22, 24)中的一个上，并且所述边缘(45)沿径向向内和向外延伸成与所述井下管件(22, 24)密封接触。
15. 根据权利要求14所述的密封组件(26)，其特征在于，所述密封体(38)包括弹性金属。
16. 根据权利要求14或15所述的密封组件(26)，其特征还在于镶嵌物(46)，其包括具有比所述井下管件(22, 24)更小的屈服强度的金属，使得当所述边缘(45)延伸成与所述井下管件(22, 24)密封接触并且在所述井下管件(22, 24)上存在间断(58)时，所述镶嵌物(46)顺应所述间断(58)以便提供所述密封接触。
17. 根据权利要求14至16中的任一项所述的密封组件(26)，其特征在于，所述前端环的所述密封体(38)螺纹地联接到所述锁定部分，并且还包括从最下面的褶皱的端部沿轴向向下突出的环状的下部基体(40)，其中，所述下部基体(40)与套管悬挂器(22)选择性地接触。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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