CN103321602A - 具有正弦密封轮廓的井口组件和用于组装其的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外管状井口部件和组装包括其的海底井口的方法，该外管状井口部件具有形成在外管状井口部件的孔眼中的锯齿，锯齿的轴向位置变化。多个周向地延伸的锯齿形成在井口部件的密封轮廓中。各锯齿在孔眼的圆周周围轴向地改变位置，以便当密封部件接合各锯齿时，锯齿使环形密封件的表面变形以从密封轮廓的上端至密封轮廓的下端在各锯齿处形成周向密封带，各锯齿的上部使环形密封件在同一个锯齿的下部之前的表面变形，使得相邻锯齿之间的流体从锯齿的较高轴向位置流向锯齿的较低轴向位置以限制液压锁定。
Description
技术领域
本发明总体上涉及海底井口，且具体涉及用于海底井口和配置在海底井口中的相关海底设备的金属密封系统以及用于组装其的方法。
背景技术
在烃生产井中，井口罩位于井的上端处。井口罩是具有延伸穿过其的轴向孔眼的大型管状部件。套管将延伸到井内并将用水泥固定在适当位置。位于套管上端上的套管悬挂器将座置在井口罩内。套管悬挂器的外部通过提供用于接纳环形空间密封件的凹窝的环形间隙与井口罩的孔眼隔开。诸如井口罩和套管悬挂器的同心部件内的环形空间可暴露于需要与井口罩和/或采油树内隔离的井下高压。一种隔离方式涉及将密封件安置在环形空间内以形成在井下压力与通往井口罩的环境压力之间的压力屏障。
存在许多类型的环形空间密封件，包括橡胶密封件、与金属结合的橡胶密封件、和金属-金属密封件。一种投入使用的金属-金属密封件具有U形，其具有通过环形间隙彼此分开的内壁和外壁或支腿。具有平滑内径和外径的赋能环被迫压到该间隙中，以迫使支腿分开以与外井口部件的内表面和内井口部件的外部密封接合。
一些环形密封件利用锯齿(wicker)。锯齿可位于内井口部件的外部上、在外井口部件的孔眼中，或两者兼备。密封件的外支腿嵌到外井口部件的锯齿中，而密封件的内支腿嵌到内井口部件的锯齿中。这提供了既将环形空间密封件锁定在适当位置又轴向约束内井口部件并在外井口部件与内井口部件之间形成密封的功能。锁定是用于内井口部件和密封组件在压力或其它力从下方施加时竖直地停留在井口中的适当位置的能力和性能的术语。该力可以是例如环形空间压力积累的结果或由于附接到悬挂器的底部的套管的热生长，或两者的结合。需要充分的锁定能力来确保维持密封件完整性且内井口部件和密封件保持静态。
密封锯齿在外井口部件的孔眼中或联顶接头和内井口部件的颈部中直接加工。环形空间密封件由可充分变形的金属制成以允许其抵接锯齿变形。变形随着锯齿“咬合”入环形空间密封件而发生。为了使密封件变形而不损伤锯齿，环形空间密封件由比用于内、外井口部件的钢材更软的金属制成。锯齿咬合力作为剪切阻力抵抗来自内井口部件的锁定力。锯齿咬合力越高，锁定能力就越高。锯齿咬合力越低，锁定能力就越低。
赋能环被压入内支腿与外支腿之间的密封件中，以使密封件抵接锯齿变形。这使得密封件以从上至下的方式变形，从而随着各锯齿与环形空间密封件接合而在逐渐降低的轴向位置形成连续的密封带。当这些井口组件配置在海底位置中时，流体将先于密封件的安置而充填环形空间密封件配置在其中的环形空间。当密封带形成时，流体可被截留在各锯齿之间。被截留的流体由于其高体积模量而迅速积累压力。该压力积累导致限制在锯齿与环形空间密封件之间的总体接合或“咬合”的液压锁定。锯齿的受限接合降低了环形空间密封件的总体锁定和损伤容限性能。因此，需要有一种改进的密封组件，其减少液压锁定的情形，由此提高环形空间密封件的锁定能力和损伤容限。
发明内容
通过提供一种具有正弦密封轮廓的井口组件和一种组装其的方法的本发明的优选实施例来大体解决或规避这些和其它问题并且大体实现技术优点。
根据本发明的一个实施例，公开了一种井口组件。该井口组件包括外管状井口部件，其带有具有轴线的孔眼和沿该孔眼的内径表面延伸一定轴向距离的密封表面。锯齿形成在该密封表面中，锯齿沿轴向波动(undulating)的路径包围孔眼。该井口组件还包括位于外管状井口部件中的内管状部件，以及位于内管状井口部件与外管状井口部件之间的密封元件。该密封元件可被迫压抵接在锯齿上以形成密封界面。
根据本发明的另一实施例，公开了一种井口组件。该井口组件包括外管状井口部件，其带有具有轴线的孔眼和沿该孔眼的内径表面延伸一定轴向距离的密封表面。锯齿形成在该密封表面中并沿轴向波动的路径包围孔眼。局部锯齿也形成在该密封表面中。各局部锯齿沿孔眼圆周的一部分延伸并跟随轴向波动的路径。该井口组件还包括位于外管状井口部件中的内管状部件，以及位于内管状井口部件与外管状井口部件之间的密封元件。该密封元件可被迫压抵接在锯齿上以形成密封界面。
根据本发明的又一实施例，公开了一种形成井口组件的方法。该方法提供具有孔眼、轴线和外管状井口部件的内表面的外管状井口部件，该内表面具有包围孔眼并在孔眼的圆周周围轴向地改变位置的锯齿。该方法将内管状井口部件插入外管状井口部件中并将环形密封件插入在外管状井口部件与内管状井口部件之间的环形空间中。该方法将密封件迫压抵接在锯齿上使得锯齿使密封件变形并在环形空间中形成屏障。
优选实施例的一个优点在于其提供了可以以降低的液压锁定风险与多个独立的密封表面密封的井口组件。这可通过提供用于滞留在锯齿之间的流体在井口组件的安置期间从锯齿区域移出的流动路径来实现。此外，所公开的实施例通过密封件提供了提高的锁定能力，由此限制密封至高压罩或井口的套管悬挂器向上移动的情形。再者，所公开的实施例提供了具有当将井口组件安装在海底位置时对井口损伤的提高的容限的井口组件。
附图说明
为了获得并可更详细地理解使本发明的特征、优点和目的以及其它将变得显而易见的方式，可参考在附图中示出的本发明的实施例来对以上简要概括的发明进行更具体的描述，附图形成该说明书的一部分。然而，应注意到，附图仅示出本发明的优选实施例且因此不被认为限制了本发明的范围，因为本发明可允许其它等效的实施例。
图1是根据本发明一个实施例的海底井口的高压罩的剖视图。
图2是根据本发明一个实施例的图1的高压罩的多个锯齿的扩大剖视图。
图2A是根据本发明一个实施例的图2的高压罩的多个锯齿的一部分的扩大视图。
图3是根据本发明一个实施例的具有配置在其中的海底井口组件的另外的构件的、图1的高压罩的剖视图。
图4是图3的井口组件的一部分的示意性剖视图，示出了根据本发明一个实施例的位于高压罩与套管悬挂器之间的未赋能或未安置位置的密封组件。
图5是图4的井口组件的一部分的示意性剖视图，示出了根据本发明一个实施例的位于高压罩与套管悬挂器之间的赋能或安置位置的密封组件。
图6是图2的多个锯齿的一部分的示意图，示出了在根据本发明一个实施例的图4和图5的密封组件的赋能期间的流体移动。
具体实施方式
现将在下文中参考示出了本发明的实施例的附图更充分地描述本发明。然而，本发明可以以多种不同形式来实施并且不应该被解释为受限于本文中陈述的所示实施例。相反，提供这些实施例以使得本公开全面和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同附图标记始终表示相同元件。
在以下说明中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域技术人员而言将显然的是，可以在没有此类特定细节的情况下实施本发明。另外，在大多数情况下，已省略与井口安放、结构、操作等有关的细节，因为此类细节并不认为是获得对本发明的完整理解所必需的并且被认为在相关领域技术人员的技能内。如文中所用，诸如“上方”和“下方”等术语用于说明如图所示的本发明的构件的相对位置且并非意在将所公开的实施例限制于竖直或水平取向。
图1示出了海底井口组件11的高压罩13的局部剖视图。海底井口组件11可以是可配置在海底环境中以从海底位置钻探和生产流体的任何合适的井口组件。在图示的实施例中，高压罩13提供在防喷器(未示出)与配置在高压罩13中的井套管(未示出)之间的压力容器界面。高压罩13可包括以下中的一个或多个：在井口连接器界面处的双密封轮廓、防喷器隔离测试工具密封区域、下入工具凸轮轮廓、和一个或多个悬挂器密封轮廓15。密封轮廓15可形成在高压罩13的孔眼17中。孔眼17和高压罩具有共同轴线19。本领域技术人员将认识到，一个或多个套管悬挂器和相关的套管柱以及一个或多个管道悬挂器和相关的管柱可配置在高压罩13内。在一些实施例中，锁定衬套或锁定悬挂器可配置在高压罩13内，以提供用于系统的另外的耐压能力。本领域技术人员还将认识到，可为预期配置在高压罩13内的每个悬挂器或衬套在孔眼17中形成单独的密封轮廓15。本领域技术人员将会理解的是，诸如海底采油树等其它设备可包括如本文中所述的密封轮廓15。
图2示出了高压罩13的密封轮廓15的详图。密封轮廓15可由多个锯齿21构成。如图2中所示，锯齿21是形成在高压罩13的孔眼17中的凹槽。参照图2A，各锯齿21可具有三角形截面轮廓，其具有峰部23、上侧面25、和下侧面27。在一个实施例中，相邻锯齿21的峰部23以距离29分离。在一个实施例中，距离29可为一英寸的大约八分之一。本领域技术人员将会理解的是，距离29可针对高压罩13所投入使用的具体应用而按需变化。例如，距离29可按需增大或减小以提高或降低井口组件11的锁定能力和损伤容限性能。相邻锯齿21的上侧面25和下侧面27在谷部31处接合。本领域技术人员将认识到，谷部31可以以等于距离29的距离隔开并可针对高压罩13的具体应用而按需变化。各锯齿21可具有从峰部23至谷部31的深度33。在图示的实施例中，深度33对于高压罩13的任何给定轴向截面而言是均匀的。类似地，距离29对于高压罩13的任何给定截面而言可以是均匀的。在一个实施例中，利用计算机数控机床或凸轮驱动的手动机器在高压罩13的孔眼17中加工锯齿21。在其它实施例中，高压罩13可铸造有锯齿21。本领域技术人员将会理解的是，可使用任何合适的方法来形成锯齿21。
各峰部23包围孔眼17，使得峰部23的踪迹可从周向位置、围绕孔眼17以返回踪迹开始的周向位置。例如，各峰部23可在孔眼17的圆周周围形成连续的线，使得踪迹在与其开始的相同的轴向高度和径向位置处开始和结束。类似地，各锯齿21的上侧面25、下侧面27、和谷部31的踪迹可从周向位置、围绕孔眼17以在踪迹开始的位置返回该周向位置。各锯齿21的峰部23可如图2中所示在孔眼17的圆周周围轴向地变化。例如，如果位置22被指定为多个锯齿21中最上部的锯齿21的基线高度，则位置24、28和30可全部具有与位置22不同的轴向位置。在此例中，在位置22开始的最上部的锯齿21的踪迹在孔眼17周围将是连续的并返回位置22。如图所示，最上部的锯齿21的一些位置可轴向地高于位置22定位。例如，位置28和30具有比位置22高的在孔眼17中的轴向位置。类似地，最上部的锯齿21的一些位置可轴向地低于位置22定位。例如，位置24具有比位置22低的在孔眼17中的轴向位置。再者，一些位置可定位在与位置22相同的轴向高度处。例如，位置26具有与位置22相等的轴向高度。在图示的实施例中，峰部23具有轴向地高于位置22和轴向地低于位置22的多个位置，同时维持包围孔眼17的连续线。在图示的实施例中，锯齿21的峰部23的轴向变化以正弦方式振荡。因此，峰部23的轴向位置在初始位置22的轴向上方和在其轴向下方以相等的幅度变化。类似地，上侧面25、下侧面27和谷部31如上所述地随峰部23在孔眼17的圆周周围轴向变化。以这种方式，各锯齿21相对于在锯齿21的任意周向位置选择的初始位置可具有更高、更低和相等的轴向位置的位置。可选地，锯齿21可跟随大致任何波形的路径，不论该波形是顺次的(sequential)、对称的还是弯曲的。本领域技术人员将理解的是，特定锯齿或多个锯齿21的轴向位置可以以各种不同形状和图案变化，以改变由如以下更详细地描述的密封轮廓15所形成的密封带的高度。
如在图2中所示，密封轮廓15可包括局部锯齿32。局部锯齿32形成在孔眼17中使得锯齿21、32大致占据密封轮廓15的全部高度34。局部锯齿32具有与各锯齿21相似的深度33、间距或高度29以及构成部分、上侧面25、下侧面27、峰部23和谷部31。局部锯齿32仅可部分地形成使得局部锯齿32的踪迹在孔眼17的圆周周围不是连续的。局部锯齿32的高度可以以与锯齿21相似的方式变化，从而形成下文更详细地描述的用于流体流的局部流体通道。在图2的实例中，局部锯齿32均延伸小于孔眼17的圆周的距离并与各相邻的局部锯齿32间隔开。尽管被示出为大致等距，但局部锯齿32可具有变化的长度并以规则或不规则的距离间隔开。
在图3中的侧面剖视图中示出了井口组件35和插入井口组件35的下入工具37的一个实例。下入工具37包括内心轴39，其具有用于与诸如钻杆(未示出)的升起和/或降下装置连接的螺纹上端。在一个实例中从钻探平台(未示出)向下悬垂的钻杆可以用于升起、降下和操作下入工具37。图3的井口组件35包括高压罩13，其也称为外环形井口罩。下入工具37被示出为正在将套管悬挂器41座置在高压罩13内。在将套管悬挂器41座置在高压罩13中之后，环形空间形成在套管悬挂器41和高压罩13的相应部分之间。示出了在高压罩13内共轴并位于套管悬挂器41下方的类似构型的附加悬挂器。附加悬挂器包括桥接悬挂器43和位于桥接悬挂器43下方的另一套管悬挂器45。示出了密封组件47被安置在各悬挂器41、43、45与如下文更详细地描述的高压罩13之间的环形空间中。在各密封组件47的位置，密封轮廓15可形成在高压罩13中。
参照图4，高压罩13是位于诸如海底井的井的上端处的大型管状部件。套管悬挂器41是被固定至套管柱(未示出)的上端的管状管道。套管悬挂器41在其外部上具有面朝上的台肩51。套管悬挂器41的外壁53平行于孔眼17的壁但向内间隔开。这在套管悬挂器外壁53与孔眼17之间形成环形凹窝、间隙或环形空间52。锯齿55位于套管悬挂器41的外壁53上。锯齿55与适于包围套管悬挂器41的外壁53的图2-2A的锯齿21相似。锯齿55可具有相似的正弦轴向位置变化。当配置在高压罩13中时，套管悬挂器41的锯齿55可与高压罩13的锯齿21径向地相邻。
密封组件47座置在套管悬挂器外壁53与孔眼17之间的环形空间52中。密封组件47可完全由金属构件组成。这些构件可包括大体U形的密封部件57。密封部件57具有外壁或支腿59和平行的内壁或支腿61，支腿59、61通过基部在底部连接在一起并在顶部开口。外支腿59的内径与内支腿61的外径径向向外隔开。这在支腿59、61之间形成环形间隙63。内径和外径是彼此平行的平滑柱形表面。类似地，内支腿61的内径和外支腿59的外径是平滑、柱形、平行的表面。
采用赋能环65来迫使支腿59、61彼此径向分开并如图5中所示与锯齿21、55密封接合。当赋能环65将外支腿59和内支腿61迫压抵接在锯齿21、55上时，锯齿55、21分别咬合到密封组件47的内支腿61和外支腿59中。赋能环65具有将摩擦地接合外支腿59的内径的外径。赋能环65具有将摩擦地接合内支腿61的外径的内径。赋能环65的径向厚度大于间隙63的初始径向尺寸。
在图示的实施例中，孔眼17在套管悬挂器41和密封组件47的下入、座置和安置期间可充填有流体。由于赋能环65轴向向下移动到间隙63中，使得通过从密封轮廓15的顶部至底部接合锯齿21而形成密封。上锯齿21例如图6的锯齿21A咬合到密封部件57的密封表面中并使其变形以在锯齿21A处形成密封带。当U形密封部件57接合相继的锯齿211-n、551-n时，周向密封带可从密封部件57的上端至密封部件57的下端顺次形成在各锯齿21、55处。U形部件57在锯齿改变方向的转折点67附近接合各锯齿21、55，如图6中所示。赋能环65的持续轴向向下移动使U形密封部件57相继接合各锯齿21、55中的多个，从而使密封部件57变形到谷部31中。当这发生时，滞留在各锯齿21、55的相邻峰部23之间、例如分别地在锯齿212和212的峰部231和峰部232之间的流体如箭头71所示从拐点67流向与拐点67相对的拐点69，在拐点处锯齿21、55改变方向。例如，如在图6中所示，流体可从较高的相对位置26、28和30流向位置24。在一些实施例中，滞留在相邻峰部23之间的流体的一部分流出锯齿21、55。以这种方式，可减小可由U形密封部件57截留在相邻锯齿21、55之间的流体的体积。U形密封部件57与锯齿21、55之间的流体体积的减小增加了在U形密封部件57与锯齿21、55之间的接合，从而使U形密封部件57更多地变形到锯齿21、55中以形成较高的锁定能力并减少密封件安置期间的液压锁定的情形。使锯齿弯曲增加了它们的有效长度和因此它们的总容积。
因此，所公开的实施例提供了许多优点。例如，所公开的实施例提供了可以以降低的液压锁定风险与多个独立的密封表面密封的井口组件。这可通过提供用于滞留在锯齿之间的流体在井口组件的安置期间从锯齿区域移出的流动路径来实现。此外，所公开的实施例通过密封件提供了提高的锁定性能，由此限制了密封至高压罩或井口的套管悬挂器向上移动的情形。再者，所公开的实施例提供了当将井口组件安装在海底位置时具有提高的井口损伤容限的井口组件。
应理解，本发明可采取许多形式和实施例。因此，可在前文中做出若干变型而不脱离本发明的精神或范围。在已参考本发明的某些优选实施例而描述本发明的情况下，应该指出，所公开的实施例在性质上是说明性的而非限制性的，并且可在前面的公开中设想广泛的变型、修改、变更和替代，并且在一些情况下，可在没有其它特征的相应使用的情况下采用本发明的一些特征。基于对优选实施例的前述描述的回顾，本领域技术人员可认为许多此类变型和修改是显然的和理想的。因此，宽泛地并以与本发明的范围相一致的方式来解释所附权利要求是适当的。
Claims (18)
1.一种井口组件(11)，包括：
外管状井口部件(13)，其带有具有轴线(19)的孔眼(17)和沿所述孔眼(17)的内径表面延伸一定轴向距离的密封表面(15)；
在所述密封表面(15)中的锯齿(21)，其沿轴向波动的路径包围所述孔眼(17)；
在所述外管状井口部件(13)中的内管状部件(41)；以及
密封元件(47)，其在所述内管状井口部件(41)与所述外管状井口部件(13)之间并被迫压抵接在所述锯齿(21)上以形成密封界面。
2.根据权利要求1所述的井口组件(11)，其特征在于，每个锯齿(21)的轴向位置正弦地变化。
3.根据权利要求2所述的井口组件(11)，其特征在于，所述多个锯齿中的每一个锯齿都大致平行于相邻的锯齿。
4.根据权利要求1所述的井口组件(11)，其特征在于，所述锯齿(21)与每个相邻的锯齿(21)等距地隔开。
5.根据权利要求1所述的井口组件(11)，其特征在于，所述井口组件(11)还在所述内管状部件(41)的外径表面上的密封表面中包括锯齿(55)，所述锯齿(55)沿轴向波动的路径包围所述内管状部件(41)。
6.根据权利要求1所述的井口组件(11)，其特征在于，所述井口组件(11)还在所述密封表面(15)中包括局部锯齿(32)，其中，每一个局部锯齿(32)都沿所述孔眼(17)的圆周的一部分延伸并跟随轴向波动的路径。
7.根据权利要求6所述的井口组件(11)，其特征在于，所述局部锯齿(32)紧邻所述密封表面(15)的轴向端部。
8.根据权利要求6所述的井口组件(11)，其特征在于，所述局部锯齿(32)中的每一个都大致相似。
9.根据权利要求6所述的井口组件(11)，其特征在于，相邻的局部锯齿(32)彼此等距地隔开。
10.一种井口组件(11)，包括：
外管状井口部件(13)，其带有具有轴线(19)的孔眼(17)和沿所述孔眼(17)的内径表面延伸一定轴向距离的密封表面(15)；
在所述密封表面(15)中的锯齿(21)，其沿轴向波动的路径包围所述孔眼(17)；
在所述密封表面(15)中的局部锯齿(32)，其中，每一个局部锯齿(32)都沿所述孔眼(17)的圆周的一部分延伸并跟随轴向波动的路径；
在所述外管状井口部件(13)中的内管状部件(41)；以及
密封元件(47)，其在所述内管状井口部件(41)与所述外管状井口部件(13)之间并被迫压抵接在所述锯齿(21)上以形成密封界面。
11.根据权利要求10所述的井口组件(11)，其特征在于，所述井口组件(11)还在所述内管状部件(41)的外径表面上的密封表面中包括锯齿(55)，所述锯齿(55)沿轴向波动的路径包围所述内管状部件(41)。
12.根据权利要求11所述的井口组件(11)，其特征在于，所述井口组件(11)还在所述内管状部件(41)的外径表面上的密封表面中包括局部锯齿，其中，每一个局部锯齿都沿所述外径表面的一部分延伸并跟随轴向波动的路径。
13.根据权利要求10所述的井口组件(11)，其特征在于，每个锯齿(21)的轴向位置正弦地变化。
14.根据权利要求10所述的井口组件(11)，其特征在于，所述多个锯齿(21)中的每一个锯齿(21)都大致平行于相邻的锯齿(21)。
15.一种形成井口组件(11)的方法，包括：
(a) 提供具有孔眼(17)、轴线(19)和外管状井口部件(13)的内表面的外管状井口部件(13)，所述内表面具有包围所述孔眼(17)并在所述孔眼(17)的圆周周围轴向地改变位置的锯齿(21)；
(b) 将内管状井口(41)部件插入所述外管状井口部件(13)中；
(c) 将环形密封件(47)插入在所述外管状井口部件(13)与所述内管状井口部件(41)之间的环形空间(52)中；以及
(d) 将所述密封件(47)迫压抵接在所述锯齿(21)上，以便所述锯齿(21)使所述密封件(47)变形并在所述环形空间(52)中形成屏障。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括为每一个锯齿(21)提供正弦地变化的轴向位置。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括在所述内管状井口部件(41)的外周上设置锯齿(55)。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括在所述外井口部件(13)上设置局部锯齿，其中，所述局部锯齿沿所述孔眼(17)的圆周的一部分延伸。
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