CN103225486A - 双金属密封系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双金属密封系统。井口密封组件具有主密封件和次密封件，各密封件在内井口部件和外井口部件之间形成金属对金属密封。主金属密封环具有由槽道分开的内壁和外壁。次金属密封件位于密封环下方，并且具有底部，其接触悬挂器的面向上方的肩部。主赋能件施加向下力于主密封件上，从而导致位于主赋能环下方的次赋能环对次密封件赋能。一旦次密封件被赋能，从而停止主密封件和次赋能环的向下移动，则主赋能环对主密封件赋能。

Description

双金属密封系统

相关申请数据

本申请是于2010年10月26日申请的美国专利申请序列号No.12/912,487的部分继续，该申请通过引用而全部并入。

技术领域

本发明大致涉及井口组件，并且具体涉及全金属次密封组件，其在主密封组件被赋能(energize)之前被主密封组件赋能。

背景技术

在烃生产井中，经常必须在两个井孔部件之间形成密封。例如，井口壳体可位于井的上端处。井口壳体为具有延伸通过其的轴向孔的较大的管状部件。套管(casing)将延伸入井内并且将粘接在适当的位置。在套管的上端上的套管悬挂器将到达在井口壳体内。必须在套管悬挂器与井口壳体之间形成密封。套管悬挂器的外部通过提供用于容纳环状密封件的环形间隙而与井口壳体的孔隔开。

存在许多类型的环状密封件，包括橡胶、与金属结合的橡胶、和金属对金属(全金属)。使用中的一种金属对金属密封件具有U形，其具有通过环形间隙与彼此分开的内壁或内腿和外壁或外腿。可具有平滑的内径和外径的赋能环可被压入该间隙内，以迫使腿分开以与孔并且与套管悬挂器的外表相接合。

因为全金属密封件可比弹性密封件耐受更高的压力和温度，所以它们可以是有用的。金属密封件需要赋能环轴向地移动以对密封件赋能。使用赋能环的需求使得难以利用全金属次密封件以密封主密封件正在密封的相同环形间隙。

发明内容

在一个实施例中，公开了具有全金属次密封件的密封组件。密封组件可具有次赋能环，其可对次密封件赋能，在相同的环形间隙中但是与主密封件隔开。次赋能环可为主密封组件的构件。次赋能环可在主密封件被赋能前对次密封件赋能。在次密封件为H-密封件的实施例中，次赋能环可将H-密封件分开地楔入例如悬挂器和壳体中，从而形成密封。本设计容许将弹簧力(势能)建立在密封件自身内。本设计还可容许压力赋能。

附图说明

图1是具有全金属次密封件的密封组件的实施例的截面图。

图2是图1的次密封件赋能环和全金属次密封件的放大截面图。

图3是主密封件和赋能环的放大截面图。

具体实施方式

参考图1，本发明的实施例示出包括高压井口壳体100的井口组件的部分。在本示例中，壳体100位于井的上端处，并且用作井口组件的外部井口部件。壳体100具有位于其中的孔102。在本示例中，内部井口部件为套管悬挂器104，其在图1中部分示出在孔102内。备选地，井口壳体100可为不同的井孔部件，例如管套筒(tubing spool)或采油树。套管悬挂器104可为不同的井孔部件，例如管悬挂器、塞、安全阀或其他装置。套管悬挂器104具有外部环形凹口(recess)，其径向地与孔102向内隔开，以限定密封腔106。面向上方的肩部108可限定密封腔102的下端。锯齿(wicker)110可位于井口孔102的部分上，并且锯齿112可位于密封腔106的柱形壁的部分上。在本示例中，各组锯齿110、112的外形示出为在孔102和密封腔106上的连续的外形。然而，锯齿110、112可构造成其他布局。某些实施例可具有平滑的密封表面(未示出)，而不是锯齿。

继续参考图1，金属对金属密封组件114在壳体100和套管悬挂器104之间降下，并且位于密封腔106中。密封组件114可包括由例如钢的金属形成的密封环116。密封环116可具有内壁表面118，其可为用于相靠套管悬挂器104的柱形壁密封的内密封腿120的部分。密封环116可具有外壁表面122，其可为相靠井口壳体孔102密封的外密封腿124的部分。各壁表面118、122可为柱形且平滑，并且可在相靠壳体100的孔102和套管悬挂器104的密封腔106变形时接合锯齿110、112。锯齿110、112可增强夹紧，以帮助防止密封组件在固定之后的轴向移动。

在示例图1中，密封环116为单向，只具有上区段；然而，可使用双向的密封环。密封环116的上区段可具有槽道126。形成槽道126的内表面和外表面可为大致柱形的表面，其当在轴向截面中观察时为大致平行并且各自沿直线。

密封组件延伸部128可为在密封环116下方延伸的柱形体。密封组件延伸部128可与密封环116整体地形成，或者可另外地连接至密封环116。备选地，延伸部128可为支撑部件，或者从密封环116轴向地向下延伸的腿(未示出)。如在图2最好地示出的，联接部，例如密封组件下螺纹130，可位于延伸部128的内径或外径上。在图1示出的实施例中，下螺纹130在延伸部128的内径上。在一个实施例中，平台(land)132从延伸部128的内径或外径的表面突出，并且沟槽134不凹入表面内。

仍然参考图2，密封组件赋能环136可从延伸部128的下端向下延伸。密封组件赋能环136可为具有内表面138和外表面140的环形环。内表面138和外表面140可为直壁，其彼此平行并且平行于密封组件114的轴线，或者它们可具有尖度(taper)，使得它们在鼻部142附近彼此更近，并且当它们逼近延伸部128的下端时，逐渐更远地隔开。赋能环136的鼻部142可为密封组件赋能环136和密封组件114的最低表面，并且可具有圆形的或锥形的外形。

参考图1和图2，次密封组件144可为位于密封组件114下方的密封件。在某些实施例中，次密封组件144为由例如钢制成的全金属密封件。在图1至图2示出的实施例中，密封组件144为H形密封件，但是也可使用其他类型的密封件。密封组件144可为可通过密封组件赋能环136固定或赋能的环形密封件。

参考图2，在一个实施例中，密封组件144可包括基础环146，其可为具有内径和外径和支撑表面148的环形环。支撑表面148可垂直于密封组件144的轴线，使得它在密封组件144处于竖直定向时在轴向方向上面向下方。当被插入密封腔106内时，支撑表面148可到达在肩部108上，并由肩部108支撑。密封组件144的另一端可具有内支撑环150和外支撑环152，它们在轴向方向上延伸以限定位于它们之间的槽道154。当密封组件144处于竖直定向时，槽道154可在面向上方的侧面上敞开。槽道154的径向宽度可小于密封件赋能环136的径向宽度，使得当密封件赋能环136迫使进入槽道154内时，它促使内支撑环150和外支撑环152径向地彼此分开。

内密封腿156可为连接至内支撑环150的环形密封部件。内密封腿156可具有用于相靠井孔部件(例如套管悬挂器104)密封的、在内径上的密封表面158。类似地，外密封腿160可为连接至外支撑环152的环形密封部件，并且可具有用于相靠井孔部件井口壳体100密封的、在外径上的密封表面162。密封腿156、160中的任何一个或两者可具有在它们各自的密封表面158、162上的锯齿164。锯齿164可为在其之间具有沟槽的环形脊(ridge)，其中，脊可被压靠或压入如下表面内，脊与该表面一起形成密封。在一个实施例中，支撑环150、152可连接至密封腿156、160的轴向中点。密封腿156、160的端，例如在锯齿164附近，可由于来自支撑环150、152的径向力而产生弹簧力或预载力。

支撑部件，例如螺纹支撑件166，可连接至次密封组件144，用于将它联接至密封组件114或更具体地联接至密封组件延伸部128。在一个实施例中，螺纹支撑件166可从内密封腿156向上朝着密封组件114延伸。螺纹支撑件166可具有从其延伸的螺纹168。平台170可从螺纹支撑件166的表面向外延伸，使得沟槽172不凹入螺纹支撑件166的表面内。螺纹168可在大小方面设置为与密封组件下螺纹130相接。次密封组件144可旋转至密封组件下螺纹130上，并且然后旋转直至螺纹168轴向向上前进，越过密封组件下螺纹130。一旦螺纹168离开下螺纹130，次密封组件144可沿着密封组件114轴向向上和向下滑动，以使赋能环136可接合槽道154，除此之外，下螺纹130和螺纹168防止次密封组件144从密封组件114脱离，除非并且直到它旋转通过螺纹。在一个实施例中，螺纹168可在密封组件赋能环136进入槽道154之前螺纹地接合并且旋转完全通过密封组件下螺纹130。

再次参考图1，赋能环174可用于首先在密封组件114上施加向下力，而不对密封组件114赋能，以导致密封组件114传递力至密封组件赋能环136，并且因此对次密封组件144赋能。在对次密封组件144赋能之后，在赋能环174上的继续的向下力可导致它对密封组件114赋能。在一个实施例中，如在下面更详细地说明的，赋能环174的鼻部176的外形和在槽道126的口部处的斜面可用于选择性地在密封组件114上施加向下力或赋能力。在另一个实施例中，剪切销(未示出)可用于选择性地施加向下力或赋能力。

环形赋能环174在密封组件114的上侧上接合槽道126。如所示，赋能环174具有轴线A_R，其与井口组件的轴线(未图示)大致平行。赋能环174通过下入工具(running tool)(未示出)而被迫使向下进入槽道126内，该下入工具在安装期间连接至在上赋能环174的内径上的沟槽178。备选地，密封组件114和赋能环174可为降入孔102内的管柱(string)的部分，该管柱的重量迫使赋能环174进入槽道126内。如果需要收回，则沟槽178可通过收回工具(未示出)接合，以从固定位置拉赋能环174。赋能环174可由例如钢的金属形成，赋能环174和外密封腿124的配合表面可以以锁紧尖度形成。

参考图1和图3，赋能环174可具有接合槽126的鼻部176或接合部。赋能环174可具有内表面180和外表面182，用于接合在密封环116中的槽道126的相反的内侧壁。内表面和外表面180、182可为如所示的直表面，或最佳地弯曲表面。

参考图3，在非固定位置示出赋能环180的鼻部176的放大截面图。鼻部176可具有通风孔(vent)184以防止液压锁紧，并且可具有以角度188向下渐缩的第一锥形表面或锥形部186，并且具有第二锥形表面或锥形部190。密封环116的内腿和外腿120、124在它们的上端并且在与槽道126的开口接近处具有锥形的、面向上方的肩部192、194。肩部192、194形成对应表面，当在非固定位置中时，鼻部176的第二锥形表面190放置在该对应表面上。第一和第二锥形表面186、190的尖度形成复合角度，其可变化以在赋能环180进入密封环116的槽道126中时实现延迟。例如，如果更小的尖度提供至第二锥形表面190，使得它更平坦，则将需要更多的力施加至赋能环174，以使鼻部176进入槽道126内，并且因此，与如果第二锥形表面190具有更大的尖度(意味着将需要更小的向下力以对密封组件114赋能)的情况相比，次密封件144(图2)将被以更大的力赋能。第二锥形表面190可在尖度上从提供最大阻力的0度(平坦)变化直到90度。第一锥形表面186可具有在0到30度之间变化的尖度角度188。用于锥形表面186、190两者的角度的各种组合可取决于应用而使用，并且可受次密封组件144(图2)的材料和结构所影响。

通过在力施加至赋能环174(图1和图3)时延迟赋能环鼻部176进入槽道126内，密封环116的腿120、124的固定被延迟，并且向下力传递至密封组件赋能环136。现在参考图2，赋能环136又施加向下力至次密封组件144上，从而促使它朝向肩部108。当次密封组件不再能够相对于套管悬挂器104向下移动时，在密封环116(图1)上的继续的向下力导致密封组件赋能环136进入槽道154。因为密封组件赋能环136的径向厚度可大于槽道154的初始径向尺寸，所以当赋能环136插入槽道154内时，次密封组件144相靠井口壳体100和套管悬挂器104变形。在图1和图2示出的实施例中，内表面138促使内支撑环150朝向套管悬挂器104，从而导致内密封腿156密封地接合套管悬挂器104。类似地，外表面140促使外支撑环朝向井口壳体100，从而导致外密封腿160密封地接合井口壳体100。赋能环136可向下移动，直到它在槽道154中降至最低点。因为螺纹168已经旋转越过密封组件下螺纹130，所以螺纹容许密封组件赋能环136相对于次密封组件144的向下的移动。

在次密封件144被赋能后，在鼻部176的第二锥形表面190和面向上方的肩部192之间的表面力可被施加至赋能环174(图3)的力克服，从而启动鼻部176进入槽道126内。在示例实施例中，鼻部176的第一锥形表面186的尖度明显大于第二锥形表面190，以帮助鼻部176进入槽道126内，并且因此使密封环116的腿120、124相靠壳体100和悬挂器104的锯齿110、112变形。一旦腿120、124固定，密封组件114则不可向下轴向地移动，并且因此次密封件144不可被进一步赋能。施加至密封件赋能环136的轴向力的量的控制还可通过改变在第二锥形表面190与面向上方的肩部192的接触表面之间的表面积而调整。在该接触表面处的更大的表面积可辅助延迟鼻部176进入槽道126内。

在图1至图3所示的实施例的操作的示例中，下入工具或管柱(未示出)附连于密封组件114(图1)，并且降入密封腔106内。密封组件114可与赋能环174、密封环116和次密封件144一起预组装，如图1所示地全部连接。下入工具或管柱(未示出)可附连于在赋能环174上的沟槽178。外密封腿124的外壁122将与在井口孔102上的锯齿110接近地隔开。内密封腿120的内壁118将与在密封腔106的柱形壁上的锯齿112接近地隔开。通过利用充分的力向下(例如通过下入工具)推赋能环174，使得在赋能环174的鼻部176处的第二锥形表面190经由面向上方的锥形肩部192传递力，向下通过密封环116至次密封件144，从而对次密封件144赋能。在次密封件144被赋能后，连续的力施加至赋能环174，以克服在鼻部176的第二锥形表面190与密封环116的锥形肩部192之间的表面力，以将鼻部176插入槽道126中。因为鼻部176的第一锥形表面186与第二锥形表面190相比具有明显更大的尖度，并且因此具有更小的阻力，所以通过它们帮助促使鼻部176进入槽道126内。此外，鼻部176与槽道126的接合导致内和外密封腿120、122径向地彼此分开地移动。内密封腿120的内壁118将在密封接合下嵌入锯齿112内，而外密封腿124的外壁122将在密封接合下嵌入锯齿110内。一旦内和外密封腿120、124相靠井口部件100、104的锯齿110、112密封，则次密封件144不可被进一步赋能。

如果由锯齿110、112与内和外密封腿120、124形成的密封由于过度的热生长周期或较高的操作压力而损坏，则次密封件144可维持外井口部件100和内井口部件104之间的密封完整性。

如果从孔102移除密封组件114，则将下入工具连接至在上赋能环174上的螺纹178。如本领域技术人员将理解的，向上的轴向力施加至上赋能环174，从而导致它从槽道126退出。然而，保持部件(未示出)将保持赋能环174连接至密封环116，从而防止两者完全分开。在赋能环174从槽道126退出的情况下，在密封腿120、124和相邻密封表面(例如锯齿110、112)之间存在更小的径向压力。赋能环174的连续的向上移动可导致密封组件114轴向向上移动，因而使密封组件赋能环136从槽道154退出。在赋能环136离开槽道154的情况下，密封腿156与160之间的径向压力下降，以便在次密封组件144上的向上力可使次密封组件144退出。

如在图2最好地示出的，当密封组件144继续向上移动时，螺纹130的最上方螺纹(具体为在密封组件延伸部128上的顶平台132)可接触螺纹168的最下方螺纹(具体为在次密封组件144的螺纹支撑件166上的底平台170)。在某些实施例中，上螺纹和下螺纹作为肩部起作用，并且传递轴向力，而不彼此螺纹地接合。某些实施例可使用备选的接合装置，以在密封组件114与次密封组件144之间传递轴向力。向上的力从而导致次密封组件144从密封腔106退出。

在额外的实施例(未示出)中，井口壳体100可为管套筒或采油树。此外，套管悬挂器104可替代为锁定(lockdown)悬挂器、管悬挂器、塞、安全阀或其他装置。

虽然本发明已经仅仅以它的形式中的一种示出，但是对本领域技术人员应该显而易见的是，本发明并不因此受限，而是容易进行各种改变，而不脱离本发明的范围。例如，密封件可构造用于耐受在两个方向上的压力，如果需要，具有两个赋能环。另外，各赋能环可为柔性的而不是坚硬的。

Claims (20)

1. 一种井口密封组件，包括：

第一密封部件，所述第一密封部件具有内环形壁和外环形壁，以限定在它们之间的槽道；

第一赋能环，其与所述第一密封部件同心，并且能够在上位置和下位置之间移动，所述第一赋能环滑动地接合所述内壁和外壁，以在从所述上位置移动至所述下位置时占据所述槽道；

第二密封部件，其与所述第一密封部件同心，并且位于所述第一密封部件下方；

第二赋能环，其与所述第一和第二密封部件同心，并且位于所述第一和第二密封部件之间，能够在第一和第二位置之间移动，所述第二赋能环和所述第二密封部件具有配合柱形表面，其在从所述第一位置移动至所述第二位置时彼此相对滑动，所述第二密封件赋能环响应于所述第一密封部件的向下移动而从所述第一位置移动至所述第二位置；和

延迟装置，所述延迟装置防止所述第一赋能环移动至所述下位置，直到在所述第二赋能环移动至所述第二位置后。

2. 如权利要求1所述的组件，其特征在于，在所述第一赋能环上的向下力通过所述第一密封部件传递至所述第二赋能环，以导致所述第二赋能环从所述第一位置移动至所述第二位置。

3. 如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一密封部件与第二赋能环由相同材料整体地形成。

4. 如权利要求3所述的组件，其特征在于，所述第一密封部件还包括从第一密封部件表面突出的第一密封螺纹，并且所述第二密封部件包括从第二密封部件表面突出的第二密封螺纹，所述第一密封螺纹和所述第二密封螺纹螺纹地接合并且经过彼此，以便所述第二密封部件可轴向地沿着所述密封组件而滑动地移动。

5. 如权利要求4所述的组件，其特征在于，所述密封部件的向上的移动导致所述第一密封螺纹的上螺纹接合所述第二密封螺纹的下螺纹，以使所述第二密封件退出。

6. 如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述下密封部件具有锯齿。

7. 如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述次密封件为全金属的。

8. 如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述主密封件和次密封件为全金属的。

9. 如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述延迟装置包括在所述第一赋能环上的下端，其具有：

第一锥形表面，所述第一锥形表面具有倾斜于所述环的轴线的角度，并且从所述环的轴线侧向地延伸，以便当所述环插入所述槽道内时，所述锥形表面接触所述壁中的一个的上边缘；

第二锥形表面，其在与所述环的下终端相对的侧面上与所述第一锥形表面相邻，其中，所述第二锥形表面与所述环轴线之间的角度小于所述第一锥形表面与轴线之间的角度；并且

其中，形成于所述第一密封部件的内壁和外壁上的锥形的面向上方的肩部具有区域，其分布施加至所述第一赋能环的力，以便所述赋能环与所述内壁和外壁的滑动接合被延迟，直到所述第二密封件赋能环移动至所述第二位置。

10. 一种用于在井孔部件之间形成密封的方法，所述方法包括：

(a) 提供密封组件，其包括：

第一密封部件，所述第一密封部件具有内环形壁和外环形壁，以限定在它们之间的槽道；

第一赋能环，其与所述第一密封部件同心，并且能够在上位置与下位置之间移动，所述第一赋能环滑动地接合所述内壁和外壁，以在从所述上位置移动至所述下位置时占据所述槽道；

第二密封部件，其与所述第一密封部件同心，并且位于所述第一密封部件下方；和

第二赋能环，其与所述第一和第二密封部件同心，并且位于所述第一和第二密封部件之间，能够在第一和第二位置之间移动，所述第二赋能环和所述第二密封部件具有配合柱形表面，其在从所述第一位置移动至所述第二位置时彼此相对滑动，所述第二密封件赋能环响应于所述第一密封部件的向下移动而从所述第一位置移动至所述第二位置；

(b) 使所述密封组件降入井孔内，直到在所述第二密封部件上的面向下方的肩部到达在井孔部件上的面向上方的肩部上；

(c) 施加向下力于所述第一赋能环上，所述向下力通过所述第一密封部件传递至所述第二赋能环，以使所述第二赋能环相对于所述第二密封部件从所述第一位置移动至所述第二位置；并且

(d) 然后继续施加向下力于所述第一赋能环上，以导致所述第一赋能环相对于所述第一密封部件从所述上位置移动至所述下位置。

11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一密封部件与第二赋能环作为密封组件而整体地形成，所述密封组件还包括从密封组件表面突出的密封组件螺纹，并且所述第二密封部件包括从第二密封部件表面突出的第二密封螺纹，所述密封组件螺纹和所述第二密封螺纹螺纹地接合并且经过彼此。

12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括沿着所述密封组件表面而轴向地滑动所述第二密封螺纹。

13. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括通过施加向上的轴向力于所述第一赋能环上而使所述第二密封部件退出的步骤，所述向上力通过所述第一密封部件传递至所述第二赋能环，并且所述密封组件螺纹的上螺纹接合所述第二密封螺纹的下螺纹，以使所述第二密封件退出。

14. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二密封部件密封地接合所述井孔部件和另一个井孔部件。

15. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述主密封件和次密封件为全金属的。

16. 一种井孔密封组件，所述井孔密封组件包括：

第一井孔部件；

第二井孔部件，其同心地位于所述第一井孔部件内，所述第二井孔部件具有环形空间以限定面向上方的肩部；

密封组件，其包括：

    第一密封部件，所述第一密封部件具有内环形壁和外环形壁，以限定在它们之间的槽道；

    第一赋能环，其与所述第一密封部件同心，并且能够在上位置与下位置之间移动，所述第一赋能环滑动地接合所述内壁和外壁，以在从所述上位置移动至所述下位置时占据所述槽道；

    第二密封部件，其与所述第一密封部件同心，并且位于所述第一密封部件下方；

    第二赋能环，其与所述第一和第二密封部件同心，并且位于所述第一和第二密封部件之间，能够在第一和第二位置之间移动，所述第二赋能环和所述第二密封部件具有配合柱形表面，其在从所述第一位置移动至所述第二位置时彼此相对滑动，所述第二密封件赋能环响应于通过所述第一密封部件传递至所述第二赋能环的、在所述第一赋能环上的向下力而从所述第一位置移动至所述第二位置；和

    延迟装置，所述延迟装置防止所述第一赋能环移动至所述下位置，直到在所述第二赋能环移动至所述第二位置后。

17. 如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述第一密封部件与第二赋能环由相同材料整体地形成。

18. 如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述下密封部件具有锯齿。

19. 如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述主密封件和次密封件为全金属的。

20. 如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述延迟装置包括在所述第一赋能环上的下端，其具有：

第一锥形表面，所述第一锥形表面具有倾斜于所述环的轴线的角度，并且从所述环的轴线侧向地延伸，以便当所述环插入所述槽道内时，所述锥形表面接触所述壁中的一个的上边缘；

第二锥形表面，其在与所述环的下终端相对的侧面上与所述第一锥形表面相邻，其中，所述第二锥形表面与所述环轴线之间的角度小于所述第一锥形表面与轴线之间的角度；并且

其中，形成于所述第一密封部件的内壁和外壁上的锥形的面向上方的肩部具有区域，其分布施加至所述第一赋能环的力，以便所述赋能环与所述内壁和外壁的滑动接合被延迟，直到所述第二密封件赋能环移动至所述第二位置。

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