CN103216208A - 用于水下应用中的金属密封件的多功能键设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于水下应用中的金属密封件的多功能键设计。具体而言，一种井孔密封组件可包括密封圈、激励圈和用于接合密封圈和激励圈的多功能键。多功能键可具有键主体、引导构件和保持柱。键主体可位于在密封圈的侧壁中的孔口中且引导构件和保持柱可穿过侧壁突伸到激励圈的引导槽和凹部内。在激励圈上的向下的力可造成保持柱剪切掉，而引导构件在引导槽中行进以防止激励圈相对于剪切圈旋转。引导构件也可通过将键沟槽的底部锁定在激励圈中来辅助完全密封件取回。
Description
技术领域
本发明大体而言涉及在插入环形密封件期间使用的键，且具体而言，涉及可用于防止旋转、引导和取回金属密封件的多功能键。
背景技术
环形密封圈（ring）在井孔应用中用于在井孔构件之间的密封。例如，金属密封圈可用于在水下井应用中在套管悬挂器与井口外壳之间进行密封。激励圈可用于设置或激励金属密封圈。当激励圈开始永久地接合密封件，同时激励圈和密封件通过套管下放或者在即将设置密封件但在密封件处于正确位置之前可能会出现问题。
发明内容
在一个实施例中，本发明可用于在水下井口设备中设置金属对金属的密封件，但可应用于需要防旋转、在安装期间的剪切力以及需要取回金属密封件的任何密封设置应用中。在一个实施例中，键可螺纹连接到密封件的侧壁中的孔内且安放于在激励圈中的孔中。在设置期间，安放于在激励圈中的孔中的键的一部分能剪切掉，且能在激励圈中行进。安装于密封件中且从密封件突伸的键的其余部分能通过对激励圈中的键槽起作用而充当防旋转键。键的突伸部分也可通过将键沟(key-way)槽的底部锁定在激励圈中而辅助完全密封件取回。
多功能键可包括柱形部件，其可具有三个区域：螺纹区域、防旋转和取回构件以及能被剪切掉的柱(stud)。可在组装密封件和激励圈之后安装键。键能螺纹连接到在密封件中的螺纹孔内，且键的一部分可安放到激励圈中的盲孔或腔中。柱能接合在激励圈中的腔以防止密封件相对于激励圈移动。当在激励圈上的设置力到达预定值时，柱能被剪切掉。可由柱的材料和形状以及所用键的数量来决定剪切柱所需的力。在剪切掉柱之后，螺纹区域和从密封件的侧壁突伸的引导构件能作用于键沟上以防止密封件相对于激励圈旋转，但仍允许用于密封件设置的轴向移动。突伸引导构件能在密封件取回期间卡住键沟底部。
附图说明
为了实现在其中对本发明的特征、优点和目标以及其它将变得显而易见并且可被更详细地理解的方式，以上简要概述的本发明的更具体的描述，可参考用附图阐述的实施方式而获得，附图构成本说明书的一部分。然而，需要指出的是，附图仅图示了本发明的优选实施例，并且因此不应认为其限制本发明的范围，因为本发明可容许其他同等有效的实施例。
图1为在井孔应用中具有多功能键的系统的示例性实施例的局部截面图。
图2为图1的多功能键的侧视图。
图3为图1的系统的局部截面图，示出了在密封件被激励之后的多功能键。
图4为沿着4-4线所截取的图3的系统的截面图。
具体实施方式
现在将参看附图来在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。但本发明可实施为许多不同形式且不应解释为受限于本文中所陈述的实施例。而是提供这些实施例使得本公开将全面且完整，且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。在所有附图中相同的附图标记指代相似元件，且引号记号(若使用的话)表示在备选实施例中的相似元件。
参看图1，展示了井口外壳100。在图示实施例中，井口外壳100为用于水下井的常规高压外壳。其为位于例如水下井的井上端处的较大管状构件。井口外壳100具有延伸穿过它的轴向孔102。套管悬挂器104坐放于井口外壳100中。套管悬挂器104为固定到套管柱(未图示)的上端的管状管道。套管悬挂器104在其外部具有面向上的肩部106。套管悬挂器104的外壁108平行于孔102的壁但向内间隔开。这导致在套管悬挂器外壁108与孔102之间的环形腔或空隙。
密封组件110坐放于在套管悬挂器外壁108与孔壁102之间的腔中。密封组件110可完全由金属部件制成。密封组件110可包括环形基座圈，例如密封主体112。密封组件110还可包括密封构件114，密封构件114可为从密封主体112突伸的腿。密封构件114可通过基座在底部连接到密封主体且在顶部开放。密封构件114的内径可与密封主体112的外径在径向向外间隔开，从而导致在它们之间有环形空隙116。密封构件114和密封主体112可被迫分开，使得每一个将抵靠相邻表面进行密封。如本领域技术人员将意识到地，可使用其它类型的密封构件，包括：(例如)具有两个腿(未图示)的U形密封件，其中每个腿可为密封表面；和H密封件，其中可采用四个密封表面。在一些实施例中，密封构件114和密封主体112可被迫抵靠平行的脊和凹槽，也已知为锯齿形(未图示)以提高密封性能。
键支承孔口118可为穿过密封主体112的孔口，例如螺纹孔。在一个实施例中，键支承孔口118可从密封组件110的轴线垂直地向外延伸。多个键支承孔口118可绕密封组件110的圆周间隔开。例如，四个键支承孔口118可绕密封组件110均匀地间隔开。备选地，两个、五个或任意数目的键支承孔口可绕密封组件110均匀地间隔开或不均匀地间隔开。
参看图1和图2，键120为多功能键，其可连接到密封组件110。键120可包括键主体122，键主体122可插入于键支承孔口118中且由键支承孔口118来保持。键120的键轴线124可垂直于键120所连接的密封主体112的侧壁。在一个实施例中，键主体122可为柱形主体，其在其外径上具有螺纹126。螺纹126可接合在键支承孔口118中的相对应螺纹，使得键120能螺纹接合键支承孔口118且由键支承孔口118来保持。可使用其它技术来将键120连接到密封组件110，包括(例如)焊接、环氧树脂或压配。工具插口(未图示)可位于键120的端部126上。工具插口可例如为：槽，其能由螺丝刀接合；六角形，其可由六角键接合；或者便于用工具或用手使键120旋转的任何其它类型的特征。
引导构件128可从与端部126相对的键120的面突伸。引导构件128可具有柱形形状、正方形的形状或任何其它形状。在一个实施例中，引导构件128具有小于键主体122宽度的宽度，从而允许引导构件在键主体122之前穿过键支承孔口118。在一个实施例中，引导构件128可具有侧壁130，侧壁130能平行于键轴线124。侧壁130的轴向长度可比引导构件128的直径或宽度相对更短。剪切面132可为与键120相对的、引导构件128的端部。
保持柱134可在剪切面132处从引导构件128突伸。保持柱134可与引导构件128一体地形成或者可附连到引导构件128。在一个实施例中，保持柱134可具有绕键轴线124旋转的大体上柱形形状。保持柱134可具有柱形柱侧壁136和柱端面138。柱侧壁136的外径可约等于引导构件128的外径，且随着其靠近剪切面132能以锥形140向内渐缩。如在图2中最佳地示出的，锥形140在靠近剪切面132处具有更小的外径。剪切面132的一部分可为暴露的，因为锥形140的窄部具有小于引导构件128外径的外径。在引导构件128为非圆形的实施例中，锥形140仍可具有小于引导构件128的截面积的截面积，从而暴露剪切面132的一部分。在一个实施例中，保持柱134的轮廓匹配引导构件128的轮廓，且因此剪切面132并不暴露。在一个实施例中，并非具有锥形，而是凹槽或切割(未图示)可在剪切面132处位于柱侧壁136的外径中。
保持柱134能响应于剪切力的预定量而从引导构件128剪切掉。在一个实施例中，剪切面132限定了键120的最弱部分使得剪切力将造成保持柱134在剪切面132处从引导构件128剪切掉。在具有锥形140的实施例中，在剪切面132处的更小截面能有助于使得该位置为弱点，即使保持柱134与引导构件128由相同材料一体地形成的情况下。能选定在剪切面132处的截面积以确定将保持柱134从引导构件128剪切掉的力水平。而且，被选定用于键120和其部件中的任何部件的材料可根据在给定截面积所需的剪切力来进行选择。在保持柱134在剪切面132处粘附到引导构件128上的实施例中，能选定粘合剂以响应于特定力水平进行剪切。
返回参看图1，能采用激励圈142来激励环形密封件。在一个实施例中，激励圈142能迫使密封构件114从密封主体112在径向向外且与例如井口外壳100的井孔构件成密封接合。激励圈142可具有上主体144和从上主体144延伸的施力圈146。施力圈146的外径能摩擦地接合密封构件114的内径。施力圈146的内径能摩擦地接合密封主体112的外径。激励圈142的径向厚度可大于空隙116的初始径向尺寸，使得当施力圈146插入于空隙116内时，密封构件114抵靠井口外壳100变形且密封主体112抵靠套管悬挂器104变形。
参看图1、图3和图4，引导槽148可为在上主体144的内径150上的竖直凹槽。一个或多个引导槽148可绕激励圈142间隔开。多个引导槽148可均匀地间隔开或者以不定间距间隔开。引导槽148中的一个或多个可与键支承孔口118中的一个或多个对齐。如在图1和图4中最佳地示出的，引导槽148可具有轴向侧壁152和面向上的肩部154。引导槽148的宽度可大于引导构件128的宽度。引导槽148的轴向长度可等于或大于(1)激励圈142为了设置密封构件110而必须行进的轴向行进距离和(2)引导构件128的直径或高度之和。引导槽148从上主体144的内径到后表面156的径向深度可大于引导构件128的轴向长度，但小于引导构件128和保持柱134的组合轴向长度。
仍参看图1和图4，柱凹部158可为在引导槽148的底部附近位于后表面156中的凹部。如在图4中最佳地示出的，柱凹部158可具有大于保持柱134的宽度的宽度。柱凹部158的径向深度比引导槽148的径向深度更深，且深度足以在键120安装于键支承孔口118中时在保持柱134从引导构件128剪切掉之前容纳保持柱134。柱凹部158可为柱形孔且可具有由保持柱134的下侧所接触的面向上的肩部。
密封组件110和激励圈142能在下入工具(未图示)上运送到下入位置。在图1中最佳地示出下入位置。在下入位置处，引导槽148和键支承孔口118可在周向对齐，如在图4中最佳地示出的。而且，在下入位置中，键支承孔口118和柱凹部158能同心对齐，使得键120能插入于键支承孔口118中以使得引导构件128和保持柱134穿过上主体144突伸，其中保持柱134位于柱凹部158中。在下入位置中，激励圈142保持在密封组件110上方，使得施力圈146并不使密封构件114在径向移位。由于保持柱134位于柱凹部158中，激励圈142不能相对于密封组件110在轴向移动，除非或直到保持柱134从引导构件128剪切掉。在该组件被下入到井孔内时，键122也可将密封组件110保持在激励圈142上，从而防止密封组件110分开并从激励圈142掉落。
如上文所述，从引导构件128剪切保持柱134所需的预定力能通过选定用于键122的特定材料、连接剪切保持柱134的粘合剂或者选定在剪切面132与锥形140之间的点的特定截面宽度进行控制。而且，剪切保持柱134所需的力可受到在特定组件中所用的键122的数量而控制。更大量的键122能用于需要更大剪切力的应用。并不需要填充在特定密封组件110上的所有键支承孔口118。如果需要较低剪切力，则一个或多个键支承孔口118可保留为空的。
在安装期间，密封组件110将坐放在面向上的肩部106上，从而防止密封组件110进一步向下移动。键122能继续防止激励圈142激励密封组件110，直到超过预定力的量，从而从引导构件128剪切保持柱134。操作者可然后增加在下入工具(未图示)上的力直到保持柱134被剪切掉。在它们已经被剪切掉之后，在激励圈142上的继续向下的力能造成激励圈142从下入位置移动到激励位置。在激励位置，施力圈146进入环形空隙116，从而推压密封构件114在径向抵靠例如井口外壳110的密封表面，且也推压密封主体112的密封部抵靠如套管悬挂器104的密封表面。在密封组件110上具有多个密封件(未图示)的实施例中，例如具有多个密封圈的H形密封件或U形密封件，密封圈142可在剪切了保持柱134之后以常规方式激励密封件。如在图3中最佳地示出的，在激励圈142从下入位置移动到激励位置时，现被剪切的保持柱134可保持在柱凹部158中。
如在图4中最佳地示出的，在激励圈142接合密封组件110时，引导构件128可滑动地接合引导槽148，从而甚至在保持柱134剪切之后防止激励圈142相对于密封组件110进行环形旋转。键120，具体而言，键保持器124和引导构件128，在激励圈142向下移动时保持随坐放的密封组件110静止。在引导构件128接触引导槽148的顶表面160之前，引导槽148的轴向高度允许激励圈142完全激励密封组件110。在激励了密封组件110之后，操作者能收回下入工具(未图示)。
为了收回密封组件110，操作者可将下入工具(未图示)连接到激励圈142且然后向上拉激励圈142。在达到足够向上的力以使得施力圈146与环形空隙116脱离后，激励圈142可相对于密封组件110向上移动。在引导槽148中的引导构件128可在收回期间防止激励圈142进行环形旋转。激励圈142可相对于密封组件110向上移动，直到面向上的肩部接触引导构件128。在接触时，力可从激励圈142通过密封键120转移到密封组件110，直到密封组件110被提起且离开其位置。在激励圈142向上移动时，与引导槽148分离的保持柱134也向上移动。在保持柱134上的锥形140能帮助保持柱向上移动而不会卡住引导构件128。
虽然以本发明形式中的仅一些形式示出或描述了本发明，但对于本领域技术人员，显而易见的是，本发明并不受此限制而是在不偏离本发明的范围的情况下易于做出各种变化。
Claims (20)
1. 一种井孔密封组件，所述井孔密封组件包括：
密封圈，其具有轴线；
激励圈，其与所述密封圈同心且可在上位置与下位置之间移动，所述密封圈和所述激励圈具有配合的柱形表面，所述配合的柱形表面在从所述上位置移动到所述下位置时抵靠彼此滑动；
在所述柱形表面的一个上的轴向延伸的凹槽；
在所述凹槽中的凹部，其限定面向上的肩部；
键，其从另一柱形表面延伸且具有保持柱部，所述保持柱部延伸穿过引导槽到所述凹部内，所述键在所述引导槽内和所述凹部的入口处具有弱点，使得在所述激励圈上的向下的力在所述弱点处剪切所述保持柱部以允许所述激励圈相对于所述密封圈向下移动，且所述键的一部分保持在所述引导槽内以在所述激励圈移动到所述下位置时防止所述激励圈和密封圈相对于彼此旋转。
2. 根据权利要求1所述的井孔密封组件，其特征在于，
所述键主体包括在外径上具有螺纹的柱体；
所述引导构件包括柱体，其具有小于所述键主体的外径的外径；以及
在所述多功能键从所述引导构件过渡到所述保持柱的点处，所述保持柱的外径小于所述引导构件的外径。
3. 根据权利要求2所述的井孔密封组件，其特征在于，所述键主体、引导构件和保持柱在剪切所述保持柱之前一体地形成为单个构件。
4. 根据权利要求1所述的井孔密封组件，其特征在于，所述键在所述引导构件与所述保持柱之间包括弱点。
5. 根据权利要求4所述的井孔密封组件，其特征在于，所述键还包括在所述弱点处的锥形表面。
6. 根据权利要求1所述的井孔密封组件，其特征在于，所述引导槽包括在所述激励圈的内径上的轴向凹槽，且所述凹部至少部分地位于所述引导槽内，所述凹部的径向深度大于所述引导槽的径向深度。
7. 根据权利要求1所述的井孔密封组件，其特征在于，所述引导槽在下端具有面向上的肩部；其中，在所述激励圈上的向上的力使得所述激励圈相对于所述密封圈向上移动，直到所述面向上的肩部接触所述引导构件；且其中，继续的向上力从所述面向上的肩部转移到所述引导构件以收回所述密封圈。
8. 根据权利要求1所述的多功能键，其特征在于，所述柱形键主体、所述引导构件和所述保持柱由相同材料一体地形成。
9. 根据权利要求1所述的多功能键，其特征在于，所述凹部的中心点与所述引导槽的中心点重合。
10. 一种密封井孔的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)提供一种组件，所述组件包括：
密封圈，其具有轴线；
激励圈，其与所述密封圈同心且可在上位置与下位置之间移动，所述密封圈和所述激励圈具有配合的柱形表面，所述配合的柱形表面在从所述上位置移动到所述下位置时抵靠彼此滑动；
在柱形表面中的一个上轴向延伸的凹槽；
在所述凹槽中的凹部，其限定面向上的肩部；
键，其从另一柱形表面延伸且具有保持柱部，所述保持柱部延伸穿过所述引导槽到所述凹部内，所述键在所述引导槽内和所述凹部的入口处具有弱点，使得在所述激励圈上的向下力在所述弱点处剪切所述保持柱部以允许所述激励圈相对于所述密封圈的向下移动，且所述键的一部分保持在所述引导槽内，以在所述激励圈移动到所述下位置时防止所述激励圈和密封圈相对于彼此旋转；
(b)将所述组件下放到井孔组件内，直到通过与所述井孔组件接触而阻止所述环形密封圈向下移动；
(c)向所述激励圈上施加增加的向下的力，直到所述保持柱与所述引导构件分离，从而允许所述激励圈相对于所述密封组件向下移动；以及
(d)在分离所述保持柱之后，所述键的一部分保持在所述引导槽中，以便在所述激励圈向下移动时防止所述激励圈和密封圈相对于彼此旋转。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过在所述激励圈上施加向上的力且将所述向上的力从所述激励圈通过所述引导构件转移到所述密封圈来收回所述密封组件。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述引导槽包括面向上的肩部，且其中，所述引导构件接合所述面向上的肩部。
13. 一种井孔密封组件，所述井孔密封组件包括：
环形密封圈，其具有密封圈轴线，所述环形密封圈包括密封构件和侧壁，所述侧壁具有穿过它的孔口，所述孔口垂直于所述轴线；
激励圈，其同心地位于所述密封圈中且具有轴向延伸的细长引导槽，所述轴向延伸的细长引导槽具有后表面；
凹部，其形成于所述引导槽的后表面中，当所述激励圈相对于所述密封圈处于第一位置时，所述凹部和所述引导槽的一部分与所述孔口径向和轴向地对齐；
键，其具有：键主体；引导构件，其从所述键主体延伸；以及保持柱，其从所述引导构件延伸，所述键主体的至少一部分位于所述密封圈的孔口中，其中，所述引导构件的至少一部分从所述侧壁突伸到所述引导槽内，且所述保持柱突伸到所述激励圈的凹部内；以及
所述激励圈可从所述第一位置移动到第二位置，从所述第一位置到所述第二位置的移动造成所述保持柱从所述引导构件剪切掉，而所述引导构件保持在所述引导槽中，以在所述激励圈移动到所述第二位置时防止在所述激励圈与所述密封圈之间的旋转。
14. 根据权利要求13所述的井孔密封组件，其特征在于，
所述键主体包括在外径上具有螺纹的柱体；
所述引导构件包括柱体，其具有比所述键主体的外径更小的外径；以及
在所述多功能键从所述引导构件过渡到所述保持柱的点处，所述保持柱的外径小于所述引导构件的外径。
15. 根据权利要求14所述的井孔密封组件，其特征在于，所述键主体、引导构件和保持柱在剪切所述保持柱之前一体地形成为单个构件。
16. 根据权利要求13所述的井孔密封组件，其特征在于，所述键在所述引导构件与所述保持柱之间包括弱点。
17. 根据权利要求16所述的井孔密封组件，其特征在于，所述键还包括在所述弱点处的锥形表面。
18. 根据权利要求13所述的井孔密封组件，其特征在于，所述引导槽包括在所述激励圈的内径上的轴向凹槽，且所述凹部至少部分地位于所述引导槽内，所述凹部的径向深度大于所述引导槽的径向深度。
19. 根据权利要求13所述的井孔密封组件，其特征在于，所述引导件在下端处具有面向上的肩部；其中，在所述激励圈上的向上的力使得所述激励圈相对于所述密封圈向上移动，直到所述面向上的肩部接触所述引导构件；且其中，继续的向上的力从所述面向上的肩部转移到所述引导构件以收回所述密封圈。
20. 根据权利要求13所述的多功能键，其特征在于，所述柱形键主体、所述引导构件和所述保持柱由相同材料一体地形成。
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