CN103184844B - 用于控制线路的金属－金属密封布置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制线路的金属－金属密封布置及其使用方法。完井系统包括：井口，用于使用在完井中的、安装到井口的控制线路组件以及管悬挂器。控制线路组件包括柱体、主壳体组件、通道以及金属－金属密封。裂口锁定环对通道提供确定的锁定。控制线路进入管悬挂器并且经由井口离开。在井口上的该布置提供足够的高度和空隙以允许安装多个控制线路。

Description

用于控制线路的金属－金属密封布置及其使用方法

技术领域

本发明涉及油田完井系统，并且特别涉及具有用于安装在表面井口上的控制线路的金属－金属密封布置的井口完井系统。

背景技术

对于许多表面和水下的油井和气井，一系列的管件、配件、阀以及量器使用在井口上以控制流并且实现完井。采油(气)树(Christmas tree)或生产树通常附接到井口和管件，配件、阀以及量器典型地按特定路线通向且连接到树。一个或多个穿透器或杆可安装在采气树中以接合安装在井口内的构件，诸如管悬挂器。穿透器可为水平的、竖直的或呈其它的角度，并且允许井下控制线路(诸如电气的和/或液压的)按特定路线通过树和管悬挂器侧壁且按特定路线向下通到在井口下方的构件。

水下水平树管悬挂器通常利用用于依靠完井管的重量来启用装置密封机构的控制线路的密封布置。尽管如此，在常规的表面井口应用上，没有足够的空间可用于大多数完井以结合该密封布置。

完井现在使用渐增数量的井下控制线路，其中，一些操作员现在请求高达十一个单独的控制线路。如上面所解释的，使多个控制线路通过井口离开的常规方法通常要求控制线路以连续的方式穿过管悬挂器并且然后通过井口本体离开。尽管如此，很大数量的控制线路使得该常规的离开布置在井口上部碗状区域中可用的受限的空间内复杂且难以完成。在当前可用的受限的空间中安装多个控制线路很困难且是劳动密集的，其中，控制线路经常在难应付的方向上弯曲，其中，一些控制线路必须物理跨越其它的控制线路。因此控制线路经常受损。因此，在该特殊的完井布置中剩下很小的空间来关于控制线路提供“多余的(spare)”长度。此外，如果在通过井口的控制线路终止阶段期间遇到任何问题，则可能必须拔出完井，这是涉及到重大的钻塔停工时间的昂贵且耗时的行动。

存在对于允许在井处有用于多个井下控制线路的足够间隙的技术的需要。

发明内容

在本发明的实施例中，完井包括井口、控制线路组件以及管悬挂器。井口可具有带有孔的大体上圆柱形的本体。控制线路组件可包括柱体和主壳体组件，其具有在一端处带有螺栓分布模式(pattern)的凸缘，以用于经由螺栓安装到井口本体。控制线路组件还可包括通道和金属－金属密封。通道可为在柱体内的管道或杆，其在外端处具有入口且在另一端处延伸到井口孔中。裂口锁定环对通道提供确定的锁定。多个控制线路组件可安装到井口。本文所描述的完井还可用在生产套管悬挂器中，以使控制线路一直延伸到通过生产环。

管悬挂器可具有形成在悬挂器的侧壁中的多个竖直的通道，悬挂器与在井内以及在管悬挂器下方的井构件(诸如阀或仪器装置)连通。此外，多个径向通道在一端处与竖直的通道连通，并且与管悬挂器的外表面沿径向连通。管悬挂器可处于井口的孔内并且定向成使得在管悬挂器中的径向通道与各个控制线路组件的各个通道对齐。

在控制线路组件的井口上的该布置有利地提供了足够的高度和空隙以允许安装进入到管悬挂器中且从井口离开的多个控制线路。

本发明提供了若干附加的优点。本发明通过将出口点向下移动到主井口本体有利地克服了弯曲和在可用的受限空间中安装多个控制线路的问题，并且以最小的高度增加在管悬挂器本体上形成了多个控制线路入口点。多个控制线路可容纳在围绕管悬挂器的“单一区域(single band)”中并且井口本体因此最小化了任何高度的影响。此外，已知最小化了在敞口井周围的工作(其可能会涉及在悬挂的BOP组下面工作)，则通过本发明改进了针对人员的安全性。从操作安全性的立场，在使管悬挂器处于井口中之后，可立即有利地实现液压控制线路连通，而不需要破坏BOP组，且因此维持完整的井控制。此外，当在管悬挂器本体上的配合杆密封表面低于管悬挂器本体的主外径时，密封表面在通过BOP组的管悬挂器安装操作期间受保护而不受损伤。本发明还降低了控制线路损伤的风险并且降低了与拔出完井相关的成本和停工时间的风险。此外，本发明提供了金属－金属密封，其特别适于紧急的和高压/高温的应用，其是防擅改(tamper)的且在控制线路终止过程期间减少钻塔停工时间。此外，一旦放置了管悬挂器，本发明就提供与井下液压线路的立即连通。控制线路组件还可根据所需的井下控制线路的数量的需要改装到现有井口上。与比得上的第三方出口阀布置相比较，本发明还提供了更低的成本。

附图说明

图1为根据本发明的井口的实施例的透视图；

图2为图1的井口的俯视图；

图3为根据本发明的安装到井口的控制线路组件的实施例的部分截面图；以及

图3A为根据本发明的图3的一部分的放大视图。

具体实施方式

图1示出了具有孔12的大体上圆柱形的井口10的实施例的透视图，井口10可安装在表面或水下的井上。在该实施例中，井口10还具有带有侧壁16的本体或井口本体14。侧壁可具有大体上由在本体14的外表面和上连接件18之间的差限定的径向厚度。尽管上连接件可采取凸缘的形式，并且自井口10的本体14向上延伸，示出的上连接件18具有大体上圆柱形的形状。

继续参考图1且还参考图2，可为多个组件中的一个的控制线路组件24经由螺栓26安装到井口10的本体14。螺栓26穿过在控制线路组件24的安装端上的凸缘28中的螺栓通道(未示出)，并且进一步接合形成在井口10的本体14中的对应的螺栓通道(未示出)。由形成在井口本体14的外表面上的凹口30来容纳控制组件24的凸缘28。凸缘28可为标准的API凸缘或为某一形式的紧凑凸缘设计。密封环29(图3)可位于凸缘28和井口本体14之间以实现密封。在图1和图2的实施例中，控制线路组件24自井口10沿径向向外且水平地延伸。尽管如此，组件24还可相对于水平成角度地向外延伸。控制线路组件24和其它连接件的数量可随完井的要求而变化。控制线路组件24和仪器的信号端口32将在下面进一步解释。

参考图3，以侧视截面图示出了具有控制线路组件24的井口10的一部分。控制线路组件24具有外柱体40，其安装有端盖41以部分地限定液压柱体。具有带有内径的轴向通道43的穿透器或杆42位于柱体40内且在外端46处具有指示器或凹口44。指示器44形成在杆42的圆周外围上，并且指示杆42何时恰当地安装在井口本体14内。指示器44在杆42的突出越过端盖41的一部分上。杆42在外端46处具有控制线路入口48，其可允许连接到控制源，诸如液压供应。水平通道50穿过井口侧壁16以使井口本体14的外表面与孔12连通。水平通道50允许杆42的穿透端52穿过井口侧壁14。在该实施例中，通道43增大到在杆42的穿透端52内的直径54。

继续参考图3，杆42的穿透端52具有在穿透端52处终止的前端装置(nosearrangement)60。前端装置60具有位于水平通道50内的波状轮廓61。杆42的前端装置60与井口10的孔12相对应并且与示出为处于井口10内的管悬挂器64的外表面62相交接(interface)。当靠着管悬挂器64交界面激励时，前端装置60形成了金属－金属密封。在该实施例中，管悬挂器64经由定位在管悬挂器64的下部部分处的键66与控制线路组件24恰当地对齐。键64由至少一个弹簧68向外偏置。在键由形成在井口孔12中的对应的凹口70容纳以前，该键66都缩进。还可利用其它类型的对齐机构。当管悬挂器64恰当地对齐在井口10中时，水平的悬挂器通道72与前端装置60配准以建立与杆42的通道43的连通。环形金属密封件74位于形成在前端装置60处的基座76内，以在由前端装置和水平的悬挂器通道72形成的交界面处进行密封。在该实施例中，水平通道72与竖直的悬挂器通道80相交地连通。竖直的悬挂器通道80还与管悬挂器64的下表面82连通以允许与线路84的连通，线路84可连接到位于竖直的悬挂器通道的下端处的入口86。线路84可用于位于悬挂器64下方的多种类型的构件。

继续参考图3，该实施例中的液压活塞100与杆42形成为一体并且允许杆在由端盖41和自柱体40沿径向向内突出的止挡102限定的距离内沿轴向往复运动。因为需要很大的力来触发前端装置60以及设置在管悬挂器64处的金属－金属密封，可对室104加压以便将分布力输送给活塞100的背面来向前移动活塞，以及因此将杆42向前移动至与管悬挂器64成密封接合。该室由柱体40、端盖41、止挡102以及液压活塞100来限定。还可由外部的源(未示出)在活塞100的前面上对室104加压以引起活塞退回，从而允许取回管悬挂器64。当杆42处于与管悬挂器64完全接合的位置中时，在外端46上的指示器标记44向操作员提供了可见指示：设置好了金属－金属密封。当杆42未处于与管悬挂器64接合的位置中时，在外端46上的指示器标记44将凹进到端盖41内，并因此不可见。

继续参考图3，一旦靠着管悬挂器64设置了杆42，杆42就可由裂口锁定环106确定地锁定就位，以因此来防止密封损失。裂口锁定环106具有带齿的内轮廓108和渐缩的后部表面110。带齿的内轮廓108锁定地接合形成于杆42的外表面上的对应的配合轮廓112。配合轮廓112也可具有带齿的轮廓。取决于应用，在裂口锁定环106和配合轮廓112上的齿轮廓可具有各不相同的深度。当激励且设置杆42时，裂口锁定环106由液压锁定活塞114保持离开杆42。该液压锁定机构用作安全措施，因为在其中不存在可被擅改或意外触发以重设锁定机构的外部构件。操作员必须将液压供应物理连接到在控制线路组件24上的入口端口(未示出)并且施加压力。一旦靠着管悬挂器64设置好了杆42，压力就从锁定活塞114释放并且裂口锁定环106然后由波状弹簧116驱动直到配合的齿轮廓112上，以将杆42确定地锁定就位。波状弹簧116在一端处定位到裂口锁定环106并且在第二端处定位到与杆42同心的内部壳体118。波状弹簧116在各端处具有平面以接合配合构件面。

继续参考图3，还可在杆42和主壳体组件134以及柔性的金属密封唇135(如在图3A中所示，其密封地接合杆的外表面)之间实现金属－金属密封130。密封唇135与杆42处于干涉接触，其中，该密封布置通过在井口孔12中存在的任何压力来进一步增强。唇135的内表面可具有多个密封带(land)或凸起面，其最初形成干涉密封，并且然后当在井口孔12中的压力增加时渐进地增加密封接触。密封唇135部分地限定了内动态密封137(图3A)。这通过与杆42同心的金属密封环132来实现，金属密封环132密封地接合主壳体组件134以形成外静态密封139(图3A)。在该实施例中，杆42的外表面的杆密封区域136可具有碳化钨涂层，所以杆密封区域136可经受由柔性的金属密封唇135施加的、可在杆42与柔性的唇之间导致磨损的力。杆42与主壳体组件134的金属－金属密封130以及前端装置60与管悬挂器64的金属－金属密封两者可经由在主壳体组件134上的测试端口(未示出)来检验。当配备到(madeup to)主壳体组件134时，外静态密封139利用了金属－金属密封的环形轮廓，其通过密封唇相对于金属密封唇135的弹性变形实现密封。在该实施例中，金属－金属密封组件安装在主壳体本体134中，并且然后内壳体118被旋入，以该过程来激励外静态密封139。杆42然后插入通过内动态密封135，其后是剩余的构件，包括116和106。

在一个示例中，在安装控制线路组件24期间，控制线路组件安装到井口本体14，使得杆42的穿透端52进入形成在井口侧壁16中的水平通道50。为了经由环形金属密封件74激励和设置在前端装置60和先前放置的管悬挂器64之间的金属－金属密封，在活塞100的前面处对室104加压以便向前移动活塞，并且因此向前移动杆42。足够的力由活塞100产生以便推动金属密封件74与管悬挂器64处于密封接合。当由波状弹簧116施加的力驱动裂口锁定环106和锁定活塞114回到最初的未激励位置时，为了退回杆42并且允许取回管悬挂器64，可对室104减压或在活塞100的前面上对其加压以引起活塞退回。当杆42处于与管悬挂器64完全接合的位置中时，在外端46上的指示器标记44给操作员提供了可见指示：在前端装置60处设置好了金属－金属密封。一旦靠着管悬挂器64设置了杆42，该杆就由裂口锁定环106确定地锁定就位，以因此防止在前端装置60处的密封损失。在设置操作期间，由液压锁定活塞114保持裂口锁定环106离开杆42。一旦设置了杆42，便对锁定活塞114减压。波状弹簧116然后推动裂口锁定环106向前移动，并且锁定环的带齿的内轮廓108然后锁定地接合形成在杆42的外表面上的对应的配合轮廓112。当杆被锁定就位时，还可在杆42和主壳体组件134之间实现金属－金属密封130。

本书面描述使用示例公开了本发明，包括最佳模式，并且还使本领域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相结合的方法。这些实施例不意图限制本发明的范围。本发明的能够得到专利保护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示例。如果这样的其它示例具有与权利要求的文字语言不相差别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言没有本质差别的等效的结构元素，则这样的其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种用于表面井口的控制线路组件，包括：

主壳体组件，其具有选择性地安装到所述井口的端部；

在所述主壳体组件中的杆；

在所述杆上的穿透端，其延伸通过在所述井口中的通道；

定位在所述穿透端处的金属密封环，其用于在被激励时密封地接合安装在所述井口内的管悬挂器；

包围所述杆的一部分的锁定环，所述锁定环用以将所述杆锁定就位；以及

由液压流体来驱动的锁定活塞，所述锁定活塞用于与所述锁定环配合接触。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，还包括：

从所述杆延伸的径向突出部；以及

适于由液压流体来加压的柱体，其中，所述液压流体将分布力施加在所述杆的所述径向突出部上以向前推动所述杆，以便因此对着所述管悬挂器激励在所述穿透端处的所述金属密封环。

3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，还包括形成在所述杆的外端上的凹口，其指示在所述杆的所述穿透端上的金属密封环何时靠着所述管悬挂器设置，所述凹口定位在所述杆上，使得所述凹口可见。

4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，

在设置所述金属密封环期间所述锁定活塞最初维持锁定环离开所述杆的配合轮廓；

所述锁定环具有带齿的内轮廓，以用于锁定地接合所述杆的所述配合轮廓，以便将所述杆锁定就位。

5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述锁定环为裂口锁定环，弹簧位于所述主壳体组件内，并且与所述裂口锁定环相交接，以便在所述锁定活塞被减压后驱动所述锁定环向前而处于与所述杆的所述配合轮廓的配合接合。

6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述穿透端包括波纹管状的结构。

7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，配合轮廓形成在所述杆的外表面上。

8.一种完井系统，包括：

具有本体的井口，该本体带有孔和侧壁，所述井口具有延伸通过所述侧壁的至少一个水平的井口通道；

定位在所述井口的所述孔内的管悬挂器，其具有悬挂器通道；

控制线路组件，包括：

主壳体组件，其具有选择性地安装到所述井口的端部；

在所述主壳体组件中的杆；

在所述杆上的穿透端，其延伸通过在所述井口中的所述井口通道；

由液压流体来驱动的锁定组件，所述锁定组件包括包围所述杆的锁定环以及与所述锁定环配合接触的由液压流体来驱动的锁定活塞，所述锁定环用以将所述杆锁定就位；以及

定位在所述穿透端处的金属密封环，其用于在被激励时密封地接合安装在所述井口内的管悬挂器。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：

从所述杆延伸的径向突出部；以及

适于由液压流体来加压的柱体，其中，所述液压流体将分布力施加在所述杆的所述径向突出部上以向前推动所述杆，以便因此对着所述管悬挂器来激励在所述穿透端处的所述金属密封环。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括形成在所述杆的外端上的凹口，其指示在所述杆的所述穿透端上的金属密封环何时靠着所述管悬挂器设置，所述凹口定位在所述杆上，使得所述凹口可见。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

在设置金属密封环期间所述锁定活塞最初维持锁定环离开所述杆的配合轮廓；

所述锁定环包围所述杆的一部分，所述锁定环具有带齿的内轮廓，以用于锁定地接合所述杆的所述配合轮廓，以便将所述杆锁定就位。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在所述主壳体组件中的所述杆连接到液压源。

13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括与所述杆同心的第二金属密封环，其用于在所述杆和所述主壳体组件之间的密封。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，

至少一个水平的悬挂器通道和至少一个竖直的悬挂器通道相交地连通；

所述水平的悬挂器通道与所述水平的井口通道配准；并且

所述竖直的悬挂器通道与所述管悬挂器的下表面连通。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，还包括：

定位在所述管悬挂器的下部部分处的键；以及

形成在所述井口孔中的用于容纳所述键的凹口；

其中，

所述键由至少一个弹簧向外偏置；并且

当所述至少一个水平的悬挂器通道与所述水平的井口通道对齐时，所述键被所述凹口容纳。

16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述至少一个水平的悬挂器通道具有在所述管悬挂器上的出口点，其定位在所述至少一个竖直的悬挂器通道的管悬挂器入口点之上。

17.一种控制井眼中的装置的方法，包括：

提供控制线路组件，该控制线路组件包括：主壳体组件，其具有选择性地安装到井口的端部；在所述主壳体组件中的杆；在所述杆上的穿透端，其延伸通过在所述井口中的通道；以及定位在所述穿透端处的金属密封环，其用于在被激励时密封地接合安装在所述井口内的管悬挂器；

使所述穿透端的密封端与在所述井口中的控制通道相接触，使得在所述杆中的所述通道与所述控制通道配准并且在所述密封端与所述井口之间限定交界面；

通过维持所述杆上的接触力来密封所述交界面；

对锁止活塞加压以在激励所述金属密封环期间维持包围所述杆的锁定环离开所述杆上的配合轮廓，以及

使控制流体流动通过在所述杆中的所述通道并且流到所述控制通道中。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：

对包围所述杆的柱体加压以向前推动所述杆来激励所述金属密封环。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：

设置第二金属密封环以实现在所述主壳体组件和所述杆之间的密封。