CN103429841A - 密封组件 - Google Patents

Abstract

一种用于在管状体周围进行密封的压力限制装置，所述压力限制装置包括致动器组件和密封组件，所述致动器组件能操作成与所述密封组件接合，从而防止所述密封组件相对于所述致动器组件发生显著的旋转，并且迫使所述密封组件与安装在所述压力限制装置中的管状体密封接合，所述密封组件包括管状密封套筒，所述密封套筒具有由非弹性体聚合物制成的径向向内部分以及由弹性体制成的径向向外部分。

Description

密封组件

本发明涉及一种在钻井过程中绕钻管进行密封的方法和设备。

地下钻探通常涉及使来自表面或者在位于管状钻柱远端处的下钻电机上的钻头旋转。地下钻探涉及将流体通过该钻头向下泵送到管状钻柱的内部，并且使该流体经由孔/管状体之间的钻探空间（通常称为环状部）连续地流回到表面。钻柱包括多段首尾相连的管状接头，这些接头的各自的外径取决于钻孔的几何形状以及它们对井眼中动压的影响。

利用通常为容积式泵的泥浆泵将泥浆沿钻柱向下泵送，泥浆泵的输出端通过歧管与钻柱相连。对于海底井眼而言，称为提升器的管体从钻台延伸到井眼的顶部，井眼的顶部处于海平面下，位于海床上。所述管体为钻柱和来自井眼的流体提供连续的通路。实际上，提升器使井眼从海床延伸到钻塔，因而环状部还包括位于钻柱的外径与提升器之间的环状空间。

在通过使钻头从表面旋转来进行钻探的情况下，利用旋转台或使用安装在钻管顶部的地上电机（称为顶部驱动），来使整个钻柱和钻头旋转。也能与钻柱无关地、借助钻探流体动力驱动的井下电机来使钻头转动，所述井下电机与钻柱集成为一体并且位于钻头的正上方。根据诸如切割器的设计和构形之类的方面，钻头的种类有多种，并且它们的构形设计也各异，而且基于正在钻探的形成物类型来选择钻头。

随着钻探的进行，为了使钻得更深，必须将新的管段连接到当前的钻柱。传统上，这涉及完全切断流体流通，因此随着必须停止顶部驱动而能够将管道连接到位。

位于钻管每段的端部处的大径部被称为钻具接头。在连接过程中，这些区域提供低应力区域，钻塔管道钳或铁钻工能够被放置在该区域处，以夹紧管道并施加力矩，从而进行连接或断开连接。

传统上，井眼处于大气压力下，从而系统不存在表面施加压力或者其它压力。钻管自由旋转，而在表面处无需在钻管上施加或作用任何密封件，这是因为在标准的操作中，无需转移返回的流体流也无需在系统上施加压力。

钻头钻通穿过多层地下形成物，直到到达其期望目标处，即岩石处，这些岩石在给定温度和给定压力下含有碳氢化合物。这些碳氢化合物容纳在岩石的孔隙空间（即，空隙空间）内，并能够含有水、油和气体成分，这被称为储层。在来自以上的岩石层的过大加载力的作用下，这些储层流体以已知或未知的压力（称为孔隙压力）被限制和捕获在孔隙空间内。这些储层流体的无序流入在现有技术中是公知的，并被称为成形涌流或激流。

利用被称为BOP的防喷器来密封和控制井眼中的成形涌流在现有技术中是公知的，并且这些防喷器是用于陆基钻塔和离岸钻塔上的强制压力安全设备。尽管陆基和海下BOP通常固定至位于井眼顶部的井栏上，但是离岸钻塔上的BOP通常安装在钻台下方，所述钻台集成在位于海床上的提升器内。

在“环形BOP”中，元件绕钻柱进行密封，从而封闭了环状部，并且阻止流体从井眼流出。这些元件通常包括大的柔性环状橡胶或弹性体填料单元，所述大的柔性环状橡胶或弹性体填料单元构造成在被致动时绕各种不同的钻柱尺寸进行密封，并且被设计成在钻柱旋转过程中不被致动，否则密封元件会因致动而被快速磨损。使用加压的液压流体和活塞组件来提供闭合密封件所需的闭合压力。这些在现有技术中也是公知的。

如在常规欠平衡钻探方法的现有技术中的那样，压控钻探和/或欠平衡钻探利用附加的专门设备，这些专门设备被开发用来在所有时间都使井保持封闭，这是因为在这些情形中井栏处的压力不是大气压力。

然而，本发明旨在用于具有这样的井的操作系统中，即，该井使钻探流体在封闭回路系统内循环。该封闭回路是由旋转压力限制装置（RPCD）产生的，该旋转压力限制装置在所有时刻都在工作面处绕钻管形成压力密封。该装置可以是旋转控制头（RCD或RCH）、旋转防喷器（RBOP）或钻探压力控制器（PCWD）。RPCD设计成允许钻柱及其工具接头以往复/下钻或旋转的方式通过，并且引导来自环状部的返回钻探流体转到返回流动线路。

随着钻探过程的进行，并在RPCD闭合的情况下，在井中产生背压。钻柱通过RPCD的密封元件被下钻或旋转，该密封元件将环状部与外部大气隔离开，同时维持绕钻柱进行的压力密封。RPCD是标准设备，并且许多设计能够购买到或者能够容易由市场上的现有设计进行改型并且在现有技术中是已公知的。

欠平衡钻井（UBD）使得在钻探和起钻过程中混合的钻探流体和储层流体能流到表面，因而在RPCD的压力密封件下方存在含有碳氢化合物、固体和钻探流体的加压环状体。压控钻探（MPD）利用钻探过程中作用在环状体上的背压以提供必要的当量流体静压，从而防止形成的涌流进入到井眼中。这两种方法都导致在RPCD的密封件下方形成含有钻探流体、和/或固体、和/或形成的流体的加压环状体。在任一情况下，密封元件都位于RPCD的外壳内，所述密封元件与钻管直接接触，并为安全钻探提供所需的环状隔离和压力完善性。

在离岸使用MPD或UBD操作时，复杂性会增加，而且特别是在水越深时，这些操作也变得越困难。从海床到钻探平台的提升器段成为井眼的延伸部，而被称为海底BOP的井控制BOP位于海底上。在这些情况下的形成的压力有可能极高，并且这些极端的欠平衡情形是期望的，这是因为在提升器系统中存在形成的涌流时会带来高风险。因此，离岸的MPD操作对于降低这些风险并且提高钻探平台的总体安全性变得更加重要。针对MPD的提升器密封方案可增强对提升器的压力控制，并可通过排出/控制歧管安全地转移所形成的涌流（如果发生涌流）。

存在一些当前使用的提升器密封系统，但当前使用的许多提升器存在缺点，这些缺点导致装配成本高、配置时间长，而且运行故障时进行更换也要占用过长的非生产时间。也存在一些这样的系统，其要求取下提升器的上段（例如滑配接头），这是因为这些部件不能承受MPD操作带来的升高的压力。安装呈RCD、RBOP或PCWD形式的提升器密封组件，并且继续使暴露的钻柱与组件接合并向下延伸到提升器中的操作。对传统的钻探而言，从MPD类型的操作到非MPD类型的操作的转换需要大量的时间来移除组件并安装提升器上段。从一种操作恢复到另一种操作要花费大量的成本。

存在另外的系统，这些系统能通过一个提升器组件来实现MPD操作和非MPD操作。尽管这些系统在降低提升器的装配和拆卸操作的复杂性方面有所改进，但是它们在工程设计和密封机构方面仍有缺陷。

典型的RPCD包括弹性体或橡胶填料/密封元件以及轴承组件，该轴承组件允许密封元件随着钻柱旋转。在钻进过程中，在钻柱与密封元件之间不存在旋转运动，仅仅是轴承组件呈现出旋转运动。这些在现有技术中是公知的并且在US7699109、US7926560和US6129152中有详细的描述。

设置有传统的RPCD设计的压力密封件是利用主动和/或被动方法来实现的。

被动密封是通过在下方从井眼向密封元件的暴露于环状部的下部施加压力而实现的，这可使密封件向内压靠钻管的外表面。被动密封件在现有技术中是公知的，并且在美国专利7040394中被描述。

主动密封件通常通过利用液压网络系统、回路和囊（bladder）来实现的。液压回路向RPCD提供流体，并且利用回路内的高压液压泵向主动密封装置提供能量。用于致动囊的压力腔室优选地被限定在旋转的密封组件内，并且旋转的密封组件包括囊和轴承。旋转的密封组件通常借助远程控制并由单个圆柱形锁定活塞执行而以液压的方式固定在RPCD外壳内。主动密封件现有技术中是公知的，并且例如在专利号为US7380590和US7040394中被公开。

在密封元件失效或者需要更换的情况下，将密封组件松开，并且借助钻台绞车线路和/或工具接头的组合通过利用钻柱向上起钻，而将旋转的密封组件抬离RPCD，这样就可更换轴承和/或元件。这一过程效率很低，而且耗费时间，并需要操作人员下到钻探平台下方以手动地松开旋转头中的密封组件和轴承。后来的设计（例如在WO2011/093714中公开的）允许在内部收回提升器，从而RPCD上方的提升器设备无需被移除。

因此重要的是对密封元件进行配置和设计，使其能利用材料绕钻管提供压力密封，所述材料能承受RPCD下方的严酷环境，并承受由以旋转和/或竖直运动穿过所述元件的钻管体以及较大直径的工具接头的轴向力引起的磨损和损坏。

RPCD密封元件是固体的，其通常包括致密的柔性材料，例如弹性体，并且通常是位于外壳内的单一元件构造或双重元件构造。这样使用的材料并不耐用，从而导致高的摩擦系数和低的抗磨损性。在提高密封组件的耐久性和寿命方面面临着持续增长的挑战。在美国专利4361185中更加详细地描述了这样的设计。

钻管旋转以及竖直运动对密封元件造成磨损，并且工具接头以及较大OD管体的通过造成密封元件发生多次膨胀和收缩。更换需要停止钻探操作，从而降低了井的性能，并且密封组件的更换频率随着井眼压力、温度、流体成分以及钻进过程中的下钻/旋转频率而变化。因此，密封元件的寿命延长将会导致更加有效的操作并且增加钻探平台上的生产时间。元件设计中采用的弹性体材料的磨损/摩擦系数太高，从而极大地影响了它们的运行寿命。在密封元件配置和设计中使用的材料成分/复合物方面，几乎无技术进步。

在SIEMWIS的RCD元件的另一更新近的设计中，在连续的密封元件组中采用了新的复合和热塑性/弹性体材料。在管状体-弹性体界面之间注入另外的浮动液体油脂密封件，该密封件被称为动压膜或浮动油脂密封件，从而绕钻管或管状体提供润滑和有效密封。结合油脂的井压产生密封，同时润滑元件，并且通过其构造中的每个连续的元件组逐步降低井压，而实现这一功能。该设计优于当前元件设计，因为其将被动密封操作寿命在起钻时延长了约10倍，而在旋转时延长了约3至4倍。能够详细地参考专利申请WO2009/017418A1、WO2008/133523A1和WO2007/008085A1来了解元件设计和密封机构。

本发明的目的在于提供一种用于RPCD的密封组件，相对于现有设计而言，该密封组件的寿命被增长。

根据本发明的第一方面，提供一种用于在管状体周围进行密封的压力限制装置，所述压力限制装置包括致动器组件和密封组件，所述致动器组件能操作成与所述密封组件接合，从而防止所述密封组件相对于所述致动器组件发生显著的旋转，并且迫使所述密封组件与安装在所述压力限制装置中的管状体密封接合，所述密封组件包括管状密封套筒，所述密封套筒具有由非弹性体聚合物制成的径向向内部分以及由弹性体制成的径向向外部分。

本发明提供一种具有非弹性体密封件的动态/主动的密封机构，所述密封件对穿过密封元件的任何管状OD进行密封，并且是一种主动的无轴承密封组件（即，在设计中无轴承组件）。由于所述密封套的所述径向向内部分采用非弹性体聚合物，因此可以改善所述密封组件的抗磨损性能，并且可以降低所述密封组件与所述管状体之间的摩擦力。

在一个实施方式中，所述致动器组件包括环状填料单元和致动器，所述致动器能操作成减小所述环状填料单元的内径。

在此情况下，有利的是，所述密封套筒在使用中大体上定位在所述环状填料单元的中央，从而所述环状填料单元包围所述密封套筒的至少一部分。

在一个实施方式中，所述致动器包括活塞，通过向所述压力限制装置供应加压流体，能够使该活塞大体上平行于所述压力限制装置的纵向轴线运动。

所述密封套筒的所述径向向内部分由以下之一制成：聚四氟乙烯（PTFE）或Teflon^TM、PTFE基的聚合物、超高分子量的聚乙烯（UHMWPE）。

所述密封套筒的所述径向向内部分含有添加剂或填充剂。这些添加剂或填充剂可以包括玻璃纤维、二硫化钼、二硫化钨和石墨中的至少一种。通过使用这样的添加剂或填充剂，可以提高所述密封套筒的抗磨损和/或热传导性。

所述密封套的所述径向向外部分由以下之一制成：聚安酯；以及氢化丁腈橡胶。

在一个实施方式中，所述密封套筒的所述径向向内部分包括多个孔。在此情况下，所述密封套筒的所述径向向外部分的多个部分延伸入所述径向向内部分的那些孔中。

通过使所述密封套筒的所述径向向内部分采用工程设计和结构（例如，采用交叉线、蜂窝或网格模式），所述密封套筒可以具有必要的柔性以及将满足所述工具接头和钻管体的外径区域无损伤地通过而产生的应力-应变比所需的强度。

在一个实施方式中，所述压力限制装置还包括第二致动器组件和第二密封组件，所述第二致动器组件能操作成与所述第二密封组件接合，从而防止所述第二密封组件相对于所述第二致动器组件发生显著的转动，并且迫使所述第二密封组件与安装在所述压力限制装置中的管状体密封接合，所述第二密封组件还包括管状密封套筒，该管状密封套筒具有非弹性体聚合物制成的径向向内部分以及由弹性体制成的径向向外部分。在此情况下，所述压力限制装置还可包括用于将润滑流体引导至所述管状体周围的、位于所述第一密封组件和所述第二密封组件之间的区域的装置。

本发明因此能采用简单的、廉价的流体（诸如但不限于钻探流体）来润滑本发明的所述管状体和密封面之间的接触区域。

所述压力限制装置可以是防喷器。

根据本发明的第二方面，提供一种限制井眼中的压力的方法，管状体延伸到所述井眼中，所述方法包括：绕所述管状体安装压力限制装置，所述压力限制装置包括致动器组件和密封组件，所述密封组件包括管状密封套筒，该密封套筒具有由非弹性体聚合物制成的径向向内部分以及由弹性体制成的径向向外部分，其中，所述方法包括操作所述致动器组件使其与所述密封组件接合，从而防止所述密封组件相对于所述致动器组件发生显著的旋转，并且迫使所述密封套筒的所述径向向内部分与所述管状体密封接合。

操作所述致动器组件的步骤可包括向所述压力限制装置供应加压流体。

该方法还可包括通过改变向所述致动器组件供应的流体的压力而改变由所述密封套筒施加在所述管状体上的力。

本发明因而提供一种用于通过调节主动/动态密封件的液压压力来改变密封元件-管状体界面接触区域的方法。

有利的是，本发明提供过必要的环形间隙，使得在不施加向密封机构供给能量的液压回路压力时，管状体或钻管工具接头能漂移。换言之，当不将致动器组件操作成迫使密封组件与管状体接合时，密封套筒将松弛/收回，以允许钻管工具接头通过，而不在工具接头与密封套筒之间发生任何接触。与较大的管状轮廓形可以有极小的接触，也可以没有接触，但是，在不致动密封组件的情况下，接触压力会较小，从而不会带来损坏。

本发明可以需要/可以不需要小的液体/流体膜来实现有效的压力密封和润滑。非弹性体聚合物将产生足够小的摩擦因子，因此可能需要/可能不需要浮动流体密封或动压密封。

以下将参照附图仅通过示例来描述本发明的实施方式：

图1为根据本发明的通过旋转压力限制装置（RPCD）的外壳和致动部的纵向截面图；

图2为通过根据本发明的RPCD（包括密封组件）的纵向截面图；

图3为图1和图2所示的RPCD的侧视立体图；

图4为通过图1所示的RPCD的截面的标记有X的部分的细节图；

图5为图1中的标记有Y的部分的细节图；

图6为通过图2所示的密封组件的截面的立体图；

图7示出了作用在图1、图2和图3所示的RPCD的各种不同部件上的力的示意图；

图8示出了图2和图6所示的密封组件中采用的聚合物密封元件的实施例，该图包括：a）立体图；b）侧视图；以及c）纵向截面图。

现在参照图1，其示出了RPCD10，在本实施例中，该RPCD10包括三个压力限制装置12a、12b、12c的堆叠件。在本实施例中，每个压力限制装置都是环形BOP，其内部工作部件基于US2,609,836中阐述的原始Shaffer环形BOP设计。然而，应理解的是，本发明不限于这种BOP的内部工作部件，因而可应用于BOP的任何其他设计或者实际上应用于压力限制装置的其它构造。还应理解的是，在本实施例中，堆叠件中的每个BOP12a、12b、12c大体上是彼此相同的，从而为了清楚起见，下文中采用的附图标记在附图中仅示出为与RCPD10中的最上面的BOP12a相关。但是，BOP12a、12b、12c都包括相同的部件。当然，BOP12a、12b、12c的构造并不一定都是相同的，而且RCPD10可包括三个以上或三个以下的BOP。

应理解的是，根据本发明的RPCD10可用来绕任何液体和/或气体携带井眼内的管状体进行密封，并且可安装在任何的海底BOP提升器构造内或者安装在陆基BOP内，以进行安装、船上或陆上操作。

每个BOP12a、12b、12c都包括外壳14，该外壳被分为第一部分14a和第二部分14b，所述第一部分14a和第二部分14b利用多个紧固件16而紧固在一起。尽管可采用传统的螺栓和螺母连接方式，但是在本实施例中，采用的是大的半圆头螺钉或螺栓。如图3最佳示出的那样，每个外壳部分14a、14b的外表面通常都是圆柱形的。然而，第一外壳部分14a设有肩部14c，该肩部大体上垂直于BOP12a、12b、12c的纵向轴线A而在大外径部和小外径部之间延伸，该大外径部位于小外径部与外壳14的第二部分14b之间。外壳14的第二部分14b的外径与外壳14的第一部分14a的大外径部的外径近似相等。

在外壳14中设有多个大体上呈圆柱形的紧固件接纳通道（“螺栓孔”），在本发明的本实施方式中，这些紧固件接纳通道大体上平行于BOP12a的纵向轴线A延伸，从肩部14c开始，通过外壳14的第一部分14a的大外径部，延伸到外壳14的第二部分14b的外壁28内。优选的是，每个螺栓孔的位于外壳14的第二部分14b内的部分都具有螺纹，这样，通过将螺栓16穿过这些螺栓孔中的每个螺栓孔，使每个螺栓16的螺纹杆部与螺栓孔内具有螺纹的部分接合且螺栓16的头部与肩部14c接合，从而可将外壳14的两个部分14a和14b固定在一起。

为了确保外壳14基本上不渗透流体，在本发明的优选实施方式中，在外壳14的第一部分14a和第二部分14b之间设置有密封装置。该密封装置可包括O形环或类似物，所述O形环或类似物位于外壳14的两个部分14a、14b的、大体上垂直于BOP12a的纵向轴线延伸的相邻端面之间。这意味着，在旋紧螺栓16的情况下，该密封装置压紧在外壳14的两个部分14a、14b之间。这有可能导致密封装置的损坏。这样，在图1和图2所示的实施例中，该密封装置包括密封环32，该密封环与外壳14的内表面接合，从而在第一部分14a和第二部分14b之间延伸。通过将密封装置布置在该位置，在旋紧螺栓16时，该密封装置将不受到来自螺栓16的载荷。

除了螺栓孔之外，还设有其他的通道（流体流动通道），这些通道大体上平行于BOP12a的纵向轴线A而延伸通过外壳14的第一部分14a的大外径部和外壳14的第二部分14b的外壁28中的一者或全部。这些通道形成为用于将诸如润滑剂或钻探泥浆清除流体之类的流体引导至外壳14内的选定位置的管道。图1和图2示出了这样一种流体流动通道44，该通道44的位于第一外壳部分14a的大外径部内的上端通过另一个斜向延伸的通道46连接至外壳14的位于环状填料元件18之上的内部。为了在外壳14内容纳流体流动通道44和螺栓孔，同时使BOP12a的外径最小，将流体流动通道散布在螺栓孔之间。在本发明的该实施方式中，流体流动通道和螺栓孔绕外壳14排列为大致圆形阵列，其中每个通道和螺栓孔的纵向轴线距RPCD10的纵向轴线大致相等的距离。

在图中所示的实施例中，具有45个如上所述延伸穿过外壳14的纵向通道，其中有30个螺栓孔，15个流体流动通道44。这些通道布置成始终有两个紧邻的螺栓孔，每对螺栓孔由一个液体通道44分隔开。这最佳地在图3中示出。

在本发明的另一实施方式中，具有48个纵向通道，其中有36个螺栓孔和12个流体流动通道，同样，这些通道以RPCD10的纵向轴线A为中心大致布置成圆形阵列。在该实施方式中，优选的是，在相邻的流体流动通道之间具有三个螺栓孔。尽管在附图所示的本发明的实施方式中，螺栓孔和流体流动通道44的纵向轴线绕外壳14大致均匀地间隔开，但是这不是必须的。期望的是，绕每个螺栓孔都提供更多的空间，以例如容纳设置在螺栓孔内的紧固件的头部和/或以提供足够的空间来使用工具以旋紧紧固件。此外，还可能期望的是增大每个螺栓孔相对于流体流动通道44的直径，以便容纳较大直径的螺栓。

环状填料元件18被收纳在外壳14的第一部分14a内，液压致动活塞20被收纳在外壳14的第二部分14b内。在外壳14的第一部分14a和第二部分14b内分别设有圆形的轴向端口22、24，外壳14的第一部分14a包括加大的圆柱形孔26，该圆柱形孔26包括曲形凸轮表面，优选为半圆形凸轮表面，该凸轮表面从端口22处延伸到外壳14的第二部分14b。

外壳14的第二部分14b包括大致呈圆柱形外壁28以及与其大致同轴的圆柱形内壁30，该外壁和内壁通过基部31相连。活塞20位于外壁28与内壁30之间的环状空间内，密封装置（诸如一个或多个O形环）设置在活塞20与外壁28与内壁30中的每一个之间，这样，活塞20将该环形空间分为两个腔室，并基本上防止了活塞20周围的流体从一个腔室泄露到另一个腔室。

在本实施例中，活塞20具有大体圆柱状主体20a，该主体与内壁30接合，或者十分靠近该内壁30，但是与外壁28间隔开。在活塞20的最下端（离填料元件18最远的端部）处设有在外壁28和内壁30之间延伸的密封部20b，从而在密封部20b与外壁28和内壁30两者之间都设有密封装置。密封环32也与活塞20的最上端（最靠近填料元件18的端部）密封接合。从而在外壁28、内壁30、基部31与活塞20的密封部20b之间形成第一流体防渗腔室34，并且在外壁28、密封装置32和活塞20的密封部20b与主体20a之间形成第二流体防渗腔室36。

活塞20能够在静止位置与活动位置之间运动，在所述静止位置，第一腔室34的容积最小，在所述活动位置，活塞20的最上端延伸到外壳14的第一部分14a内。

第一控制通道（未示出）设置成穿过外壳14的第二部分14b，从而将第一腔室34与外壳14的外部连通，并且第二控制通道（未示出）设置成穿过外壳14的第二部分14b，从而将第二腔室36与外壳14的外部连通。通过穿过第一通道供应加压流体，可使活塞20朝向填料元件18运动到活动位置，并且通过穿过第二通道供应加压流体，可使活塞20远离填料元件18运动到静止位置。有利的是，这些控制通道中的每一个控制通道的至少大部分是上述流体流动通道中的一个流体流动通道。

活塞20设置成在其处于静止位置时，不向填料元件18施加任何力，而在其处于活动位置时，将填料元件18推靠在凸轮表面上。填料元件18由通常为聚安酯或者氢化丁腈橡胶的弹性体材料制成，并且可以包括金属嵌件或肋，以有助于维持其结构完整性。活塞20抵靠凸轮表面向填料元件18施力的动作使得填料元件18被挤压，并且使其象括约肌一样收缩，从而减小了该填料元件的中央孔的直径。

在本实施例中，RPCD10包括三个BOP12a、12b、12c，这三个BOP绕单一纵向轴线A同轴地对准。上面的BOP12a的外壳14的第二部分14b与中间的BOP12b的外壳的第一部分一体地形成（从而形成第一组合外壳部38），而且中间的BIP12b的外壳的第二部分与下面的BOP12c的外壳的第一部分一体地形成（从而形成第二组合外壳部40）。每个BOP12a、12b、12c的外壳从而形成沿着RPCD10的纵向轴线A延伸的连续中央通道。在使用时，RPCD10可安装在提升器内，其中通过常规手段将最上面的BOP12a的外壳14的第一部分14a固定至提升器48的上部，并且通过常规手段将最下面的BOP12c的外壳的第二部分14b固定至提升器（未示出）的下部。

应理解的是，外壳部的这一整体构成意味着在组合外壳部38、40的外表面内存在两个肩部，其中第一个肩部大体上垂直于RPCD10的纵向轴线A在上BOP12a、12b的第二部分14b与下BOP12b、12c的第一部分14a的小径部之间延伸，而其中第二个肩部大体上垂直于RPCD10的纵向轴线A在小径部与下BOP12b、12c的第一部分14a的大径部之间延伸。

用于将第一组合外壳部38连接至第二组合外壳部40的螺栓孔从第一组合外壳部38中的第二肩部延伸至中间BOP12b的第二外壳部的外壁内。用于将第二组合外壳部40连接至最下面BOP12c的第二外壳部的螺栓孔从第二组合外壳部40中的第二肩部延伸至最下面BOP12c的第二外壳部的外壁内。螺栓16的头部从而与组合外壳部38和40中的每个组合外壳部上的第二肩部接合。

为了使液压通道44沿着RPCD10的整个长度延伸，而设置液压连接器管道52。最上面BOP12a的外壳14内的每个液压通道44都延伸通到第一组合外壳部38的第一肩部，在该第一肩部处，液压通道44与第一液压连接器管道52结合。第一液压连接器管道52延伸穿过设置在中间BOP12b的外壳的第一部分内的液压通道，在该液压通道处，该第一液压连接器管道52与中间BOP12b的外壳的第二部分中的液压通道相连。液压通道然后在第二组合外壳部40的第一肩部处穿出，在该第一肩部处，液压通道与第二液压连接器管道54结合。第二液压连接器管道54延伸穿过设置在最下面BOP12c的外壳的第一部分内的液压通道，在该液压通道处，该第二液压连接器管道54与最下面BOP12c的外壳的第一部分中的液压通道相连。如图6中最佳所示的，液压通道然后从最下面BOP12c的外壳14的最下方横向表面穿出。

从而，至RPCD10内部的所有外部液压连接都可通过RPCD10的最下方横向表面实现，这样就确保了这些液压连接无需增加RPCD10的外径。

液压连接器管道52借助包括诸如O形环的密封件的托架与外壳14密封，而且一旦BOP堆叠件被组装完成，则这些液压连接器管道52就保持为被约束的状态。为实现这一点，将每根液压连接器管道52插入穿过中间BOP12b的外壳的第一部分中的液体通道，并且使其在第一组合外壳部38中的第一肩部处与最上面BOP12a的外壳14的第二部分14b中的液压通道密封接合。于是第一组合外壳部38可被栓接至第二组合外壳部40。类似地，将每根第二液压连接器管道54插入穿过最下面BOP12c的外壳的第一部分中的液压通道，并且使其在第二组合外壳部40中的第一肩部50处与中间BOP12b的外壳的第二部分中的液压管道密封接合。于是第二组合外壳部40可被栓接至最下面BOP12c的第二外壳部分。

现在参照图2，该图2示出了RPCD10，该RPCD10具有位于其中央通道内的密封组件42。在图6中被详细地示出的该密封组件42包括由三个部分构成的支撑框架60，在本发明的优选实施方式中，这三个部分由钢制成。在密封组件42处于使用状态时，第一部分60a位于最上方，如图2所示该第一部分安装在RPCD10内并且包括具有唇边的环形箍，该唇边从箍的最下端径向向内延伸，并且该唇边与RPCD10的纵向轴线A呈大约45度的角度朝向密封组件的最下端倾斜。该倾斜的唇边在其径向向内的边缘处具有边缘部，该边缘部具有位于大致正交于RPCD10的纵向轴线A的平面内的表面，并且该表面面向支撑框架60的第二部分60b。

第二部分60b位于第一部分60a下方，并且包括截面大致为圆形的管状壁，该管状壁在其最上端和最下端处具有径向向内延伸的唇边。这两个唇边均与RPCD10的纵向轴线A呈约45度的角度远离管状壁倾斜。最上面的唇边因此朝向支撑框架的第一部分60a倾斜，而最下面的唇边朝向支撑框架60的位于最下方的第三部分60c倾斜。位于第二部分60b的最上端和最下端处的这些倾斜唇边在它们的径向向内的边缘处具有边缘部，该边缘部具有位于大致正交于RPCD10的纵向轴线A的平面内的表面，并且该表面分别面向支撑框架60的第一部分60b和支撑框架60的第三部分60c。

支撑框架60的最下面的部分60c也包括横截面大致为圆形的管状壁，该管状壁在其最上端处具有径向向内延伸的唇边。该唇边也与RPCD10的纵向轴线A呈约45度的角度远离管状壁倾斜，并且朝向支撑框架60的第二部分60b倾斜。该倾斜唇边在其径向向内的边缘处也具有边缘部，该边缘部具有位于大致正交于RPCD10的纵向轴线A的平面内的表面，并且该表面面向支撑框架60的第二部分60b。

在支撑框架60的第一部分与第二部分之间定位有在本发明的该实施方式中包括密封填料元件64的密封套筒以及包括第一密封元件66和第二密封元件68的密封件。密封填料元件64和密封元件66、68一起形成横截面大致为圆形的管件。密封填料元件64形成该管件的径向最外表面，第二密封元件68形成该管件的径向最内表面，而第一密封件元66位于密封填料元件64和第二密封元件68二者之间。密封填料元件64的长度从其径向最内部分向其径向最外部分增加，而密封元件66、68比密封填料元件64的径向最内部分稍短。密封填料元件64的端部从而与支撑框架的第一部分和第二部分的相邻的唇边的倾斜表面接合，密封元件66、68位于在边缘部之间。

在支撑框架60的第二部分和第三部分之间设有大体相同的密封件。

设有四个组装卡具62以将支撑框架连接至密封件，第一组装卡具62a将支撑框架60的第一部分60a连接至最上面的密封件的最上端，第二组装卡具62b将支撑框架60的第二部分60b的最上端连接至最上面的密封件的最下端，第三组装卡具62c将支撑框架60的第二部分60b的最下端连接至最下面的密封件的最上端，第四组装卡具62d将支撑框架60的第三部分60c连接至最下面的密封件的最下端。

在本发明的该实施方式中，每个组装卡具62都是具有C形横截面的环。卡具62的第一部分位于相应的支撑框架60部分的径向最外表面内的周向凹槽中，而卡具62的第二部分位于相应的密封填料元件64的径向最外表面内的周向凹槽中，卡具62因而横跨支撑框架60与密封件之间的结合部。

如图2所示，密封组件42位于RPCD10的中央孔内，其中最上面的密封件与最上面的BOP12a的填料元件18相邻，且最下面的密封件与中间BOP12b的填料元件18相邻，支撑框架60的第一部分与最上面的BOP12a的外壳14的第一部分14a接合，支撑框架60的第二部分与第一组合外壳部38接合，且支撑框架60的第三部分与第二组合外壳部40接合。

当最上面的BOP12a与中间的BOP12b的活塞20运动到活动位置时，填料元件18绕密封填料元件64的径向最外表面被压缩，并与密封填料元件64的该径向最外表面接合。这使得密封件被挤压，并且当在RPCD10中存在诸如钻柱的管状体时，使得每个密封件象括约肌一样压紧在钻柱周围。

随着由活塞20施加在填料元件18上的力增大，密封件与钻柱之间的接触区域（密封区域）也增大。用于每个BOP12a、12b的密封区域从而与第一腔室34内的液压流体的压力成比例。该液压流体的压力也与密封件和钻柱之间产生的接触力成比例，从而施加到活塞20的流体压力能一直增加，直到该接触力大得足以克服由井眼内的加压流体施加的力为止。因此，当如上所述将RPCD10安装在提升机内时，活塞20能够被供应能量，使得密封件与钻柱的接合、填料元件18与密封件的接合以及填料元件18与外壳14的接合能够基本防止流体沿着BOP的外壳14与钻柱之间的环状空间流动。井眼中的流体的压力将在密封组件上施加力，从而趋于将密封件与钻柱分离并且将填料元件18与密封件分离，但是，如果由活塞20施加的径向指向内的力足够大以克服井眼中的流体的压力将在密封组件上施加力，则提升器的环状空间将借助最上面的BOP12a或中间的BOP12b的活塞18向活动位置的运动被封闭。

图7中示意性地示出了在使用时作用在RPCD10内的各种力，以在钻探或起钻过程中在钻柱70周围进行密封。在钻探或起下钻过程中，钻柱70被向下穿过RPCD10下钻或旋转。箭头B示出了该运动，并且由此引起的向下挤压力由图7中的箭头C所示作用在钻柱上。由于第一腔室34中的液压流体压力，而使每个活塞20和填料单元18的组合在密封件上施加径向向内的力E。

井眼中的流体压力在密封组件上产生向上的力F，并且这导致有径向向外的力D作用在密封件上，该力趋向于推动密封组件使其与钻柱70脱离接合。如果腔室34中的液压压力足够高而使得力E大于力D，则如上所述在密封组件与钻柱70之间形成有效的密封。随着钻管工具接头进入密封组件42，钻柱外径的相对增加引起了附加的挤压力C，并增加了作用在密封件上的径向向外的力D。该力必须由填料单元18和活塞20施加在密封件上的力E加以平衡。

上述主动密封方法允许对钻柱上的密封元件的接触压力进行直接控制。密封组件抵靠在钻柱上的接触压力决定了井眼的压力密封性能，但是也同时决定了密封件本身的磨损速度。该接触压力可被选择，以通过针对当时状况维持最优的接触压力而尽可能延长密封件的寿命。因此，例如，如果井眼压力相对较低，则能够降低腔室34中的液压压力，从而降低密封件的磨损，但是，如果井眼压力增大，则能够增加腔室34中的液压压力，从而确保井眼中的流体被容纳在RPCD10内。

在本实施方式中，密封组件42没有延伸到RPCD10中的最下面BOP12c内，因此，当如上所述通过活塞20的运动致动时，最下面BOP的填料元件18就密封在钻柱的周围，而不需要中间密封件。这样，从技术上讲，最下面的BOP12c并不是RPCD10的一部分，这是因为，其并非被设计成用来封闭钻柱周围从而在钻柱旋转的同时提供压力限制。然而，最下面的BOP12c在另外两个BOP12a、12b发生故障或发生泄漏时可用作安全闭合装置。

当密封组件42中的密封元件66、68被磨损时，能从RPCD10取出密封组件42，并用新的密封组件加以更换，而最下面的BOP仍在环状空间内保持压力。还应注意的是，在BOP堆叠件的中央孔中无钻柱或无任何其他部件的情况下，也至少能致动最下面BOP12c内的填料元件18，以完全封闭RPCD10的中央孔。对于其他两个BOP12a、12b而言也是这样，不过在正常使用中，它们无需采取相同的操作，这是因为密封组件42通常位于合适的位置。

如上所讨论的，在钻探过程中，延伸穿过RPCD10的钻柱可相对于RPCD10旋转，并且例如在起钻或下钻的过程中，或者在钻柱悬置在浮动的钻塔上时由于钻塔随着海洋的浪涌的运动，钻柱也会存在大致平行于RPCD10的纵向轴线A的平移运动。当如上所述推动密封件使其与钻柱接合时，该相对运动会导致在密封件与钻柱之间产生摩擦力并且从而导致密封件的磨损。应选择构造密封元件66、68的材料，以降低由于密封元件66、68与钻柱之间的摩擦力而带来的密封件的磨损和加热效应。

具体地，在一个实施方式中，与钻柱接触的第二密封元件68选用聚合物材料，以提供这样的性能并同时具有机械整体性以提供有效的密封。聚合物密封元件68可由聚四氟乙烯（PTFE）或Teflon^TM、PTFE基聚合物或超高分子量的聚乙烯（UHMWPE）制成。聚合物密封件68中可包含诸如玻璃纤维、二硫化钼和/或二硫化钨的添加剂或填充剂，以降低摩擦系数并且提高密封件的抗磨损性能，从而延长密封组件42的运行寿命。而且，为了促进聚合物密封元件68与钻柱之间的摩擦产生的热远离接触面传导（为了降低密封件的热退化），聚合物密封元件68还可包括导热的填充剂，该填充剂例如为金属纤维或颗粒或石墨纤维或颗粒。

为了使密封件具有必要的弹性以使其在释放了来自相邻BOP12a、12b的填料元件18的压力之后能与钻柱的脱离接合，在该实施例中，还设有另一密封元件，即，第一密封元件66，该第一密封元件66由弹性体材料制成。该弹性体密封件66和密封填料元件64可由聚安酯或氢化丁腈橡胶制成。

尽管弹性体密封元件66和聚合物密封元件68可制成为分离的管件并且可设置成彼此机械接合，但是它们可共同模制成单个部分。在密封件的一个实施方式中，聚合物密封件68包括多个孔（优选为径向延伸的孔），而弹性体密封元件66（可以与弹性体密封填料元件64一起）被铸造或模制到聚合物密封件68上，从而弹性体延伸入并优选地基本充满这些孔。聚合体密封元件68可以具有交叉线形、网格形或蜂窝形结构。

以这样的方式制造密封件66、68会是有利的，其原因有三个。首先，孔的设置会增加聚合物密封元件的柔性，并使得在致动活塞20时，聚合物密封元件68产生充分的弹性变形以与钻柱完全接合，而在活塞20上的压力被解除时，即在密封组件没有被供给能量时，密封元件68也能回弹到其原始形状，从而确保密封组件不接触钻柱或钻管的相邻段之间的工具接头。这些孔还有助于确保弹性体密封元件66与聚合物密封元件之间的可靠连接。最后，这些孔即使被填充有弹性体材料它们也会产生容纳部，在密封组件受力/受压时，这些容纳部能形成用于润滑流体的储器，这样就更有助于减小摩擦力并降低密封组件42的磨损。

用弹性体材料填充孔有助于维持密封体在受压时的结构整体性，即，有助于防止密封件在压力下被损坏。

通过改变弹性体成分和聚合物成分的相对比例，例如，通过增加其中一种成分相对于另一成分的厚度，或通过增加由聚合物密封元件68中的孔所占据的体积比，可改变密封组件中密封件的弹性、屈服强度以及可压缩性。增加密封件的弹性，通过允许较大外径的工具接头（相对于钻管体的外径而言）穿过密封组件而在密封件不被供给能量时也不与密封件接触，使得更加容易地使较大外径的管体运行或穿过密封组件。然而，应理解的是，密封件不能太柔软，否则就不能在不被损坏的情况下承受其在使用中会受到的压力，因此，屈服强度以及可压缩性必须维持在足够的水平。

图7中示出了聚合物密封元件68的一个实施例。在该实施例中，密封元件68大致为具有蜂窝网格壁结构68a的圆柱形管体。如图7c所示，蜂窝网格壁结构中的孔大致垂直于密封元件68的纵向轴线X而从密封元件68的径向向外表面向径向向内表面延伸。密封元件68优选地通过加工聚合物的圆柱形棒而形成。

在密封组件42的该实施方式中，所述两个管状壁设有一列大致平行于RPCD10的纵向轴线A延伸的槽。穿过外壳14设有液压端口（未示出），这些端口将这些槽与外壳14的外部连通，从而在使用过程中，润滑剂可通过这些端口流入密封组件42的位于该密封组件42的两个密封件之间且位于密封组件42的最下方密封件以及RPCD10的最下方密封填料元件18之间的中央孔内。应理解的是，在钻柱被封闭时，通过向这些区域提供润滑油，可有助于进一步降低密封元件66、68/填料元件18与钻柱之间的摩擦力。

在聚合物密封元件68与钻柱之间还可以设置浮动的流体密封件或动压膜，其将有助于围绕钻柱进行更加积极的密封。有可能需要稍微降低由活塞20施加在填料单元18上的力来实现这一点。

润滑剂可以是钻探流体或液压油。

通过图4和图5最佳示出的多个液压致动锁块56来充分防止密封组件42相对于RPCD10运动。在本发明的该实施方式中，设有两组锁块56，上面的一组锁块位于最上面的BOP12a的外壳14的第一部分14a内，下面的一组锁块在第二组合外壳部40内位于中间BOP12b和最下面的BOP12c之间。应理解的是，锁块56无需精确地位于这些位置。而且，在本发明的该实施方式中，每组锁块都包括多个锁块56，如图3最佳示出的那样，所述多个锁块定位在围绕外壳的周面的一列孔内。

在本发明的该实施方式中，每个锁块56都具有非圆形的横截面，并且位于外壳14内的具有相应形状的孔内，该孔大致垂直于RPCD10的纵向轴线A而从外壳14的外部延伸入外壳的中央孔中。从而防止了锁块56在孔内的旋转。在每个锁块56的纵向表面内设有密封装置58，从而在锁块56与外壳14之间提供基本流密密封，同时允许锁块56大致垂直于RPCD10的纵向轴线A在外壳14内滑动。在该实施例中，每个密封装置58都包括弹性体密封环，所述密封环位于围绕锁块56的纵向表面的凹槽内。在本实施例中，也设置有两组这样的两个密封环。

每个锁块56的径向向外端都设有致动杆70，该致动杆延伸到安装在位于外壳14的外表面处的孔内的液压连接器72中。在液压连接器72与外壳14之间以及在液压连接器72与杆60之间设有密封装置，使得液压连接器72和杆70形成活塞和汽缸装置。因此通过向液压连接器72内供应加压流体，而可以将锁块56推入锁定位置，在该锁定位置，锁块56的径向向内端延伸到外壳14的中央孔中。

RDD42降下或下落到PRCD10的最上面端部内，其中最上面的一组锁块56收回到外壳14内（如图1所示），而最下面的一组锁块56处于锁定位置（如图5所示）。RDD42从而处于静止，其中，其最下端与最下面的锁块56接合。一旦RDD42处于该位置，就向最上面的液压连接器72供应液压流体，以将最上面的锁块56推入到锁定位置，在该锁定位置，锁块的径向向内端延伸到外壳14的中央孔中（如图2、图4和图5所示）。RDD42定位成使得，当锁块56处在该锁定位置时，其位于所述两组锁块56之间，且RDD42的端部与每一个锁块56接合。通过这一方式，防止或至少明显地限制RDD42在RPCD10内的纵向运动。

在本实施例中，每个锁块56的径向向内端都设有与RDD42的端部接合的肩部56a，不过这一点并不是必要的。

应理解的是，通过使用能收回到外壳14的壁内的锁块，对RDD42的机械锁定并不影响BOP堆叠件的中央孔的直径。而且，通过将锁块56收回到外壳14的壁内，可避免在没有密封组件的情况下在这些特征上堆积残渣。

除了密封组件42之外，还可采用以上所述的锁块56来将不同的管状部件保持在RPCD10的中央孔内。密封组件42的这样的替换例可以是在其最上端设有旋转控制装置（RCD）机构的制动适配器。在该情况下，为了在收到来自下方的压力的情况下将部件保持在RPCD10内，最上面的锁块56可与设置在部件的径向最外的表面内的肩部或凹槽接合，而不是与部件的最上端接合。这使得安装在管状部件上的RCD机构等定位在RPCD10的最上端，或者，甚至是延伸到RPCD10外部而进入到上提升器部分48内。

在本说明书和权利要求书中使用时，术语“包括”及其变型指的是包括所指定的特征、步骤或整体。这些术语不应被理解为排除其他特征、步骤或部件的存在。

上述说明书或所附权利要求书或附图中公开的特征，无论表述为其具体的形式，还是用于执行所公开的功能的手段、或用于达到所公开的结果的方法或过程来加以表述，都可以适当的方式单独地或将这些特征加以组合来进行利用，以用其各种方式来实现本发明。

Claims (15)

1.一种用于在管状体周围进行密封的压力限制装置，所述压力限制装置包括致动器组件和密封组件，所述致动器组件能操作成与所述密封组件接合，从而防止所述密封组件相对于所述致动器组件发生显著的旋转，并且迫使所述密封组件与安装在所述压力限制装置中的管状体密封接合，所述密封组件包括管状密封套筒，所述密封套筒具有由非弹性体聚合物制成的径向向内部分以及由弹性体制成的径向向外部分。

2.根据权利要求1所述的压力限制装置，其中，所述致动器组件包括环状填料单元和致动器，所述致动器能操作成减小所述环状填料单元的内径。

3.根据权利要求2所述的压力限制装置，其中，所述密封套筒在使用中大体上定位在所述环状填料单元的中央，从而所述环状填料单元包围所述密封套筒的至少一部分。

4.根据权利要求2或3所述的压力限制装置，其中，所述致动器包括活塞，通过向所述压力限制装置供应加压流体，能够使该活塞大体上平行于所述压力限制装置的纵向轴线运动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的压力限制装置，其中，所述密封套筒的所述径向向内部分由以下之一制成：聚四氟乙烯（PTFE）；PTFE基聚合物；以及超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的压力限制装置，其中，所述密封套筒的所述径向向内部分含有添加剂或填充剂。

7.根据权利要求6所述的压力限制装置，其中，所述添加剂或所述填充剂包括玻璃纤维、二硫化钼、二硫化钨和石墨中的至少一种。

8.根据前述权利要求中任一项所述的压力限制装置，其中，所述密封套筒的所述径向向外部分由以下之一制成：聚安酯；以及氢化丁腈橡胶。

9.根据前述权利要求中任一项所述的压力限制装置，其中，所述密封套筒的所述径向向内部分包含多个孔。

10.根据权利要求9所述的压力限制装置，其中，所述密封套筒的所述径向向外部分的多个部分延伸入所述径向向内部分的那些孔中。

11.根据前述权利要求中任一项所述的压力限制装置，所述压力限制装置还包括第二致动器组件和第二密封组件，所述第二致动器组件能操作成与所述第二密封组件接合，从而防止所述第二密封组件相对于所述第二致动器组件发生显著的旋转，并且迫使所述第二密封组件与安装在所述压力限制装置中的管状体密封接合，所述第二密封组件还包括管状密封套筒，该管状密封体筒具有由非弹性体聚合物制成的径向向内部分以及由弹性体制成的径向向外部分。

12.根据权利要求11所述的压力限制装置，所述压力限制装置还包括用于将润滑流体引导至所述管状体周围的、位于所述第一密封组件和所述第二密封组件之间的区域的装置。

13.一种限制井眼中的压力的方法，管状体延伸到所述井眼中，所述方法包括：绕所述管状体安装压力限制装置，所述压力限制装置包括致动器组件和密封组件，所述密封组件包括管状密封套筒，该密封套筒具有由非弹性体聚合物制成的径向向内部分以及由弹性体制成的径向向外部分，其中，所述方法包括操作所述致动器组件使其与所述密封组件接合，从而防止所述密封组件相对于所述密封组件发生显著的旋转，并且迫使所述密封套筒的所述径向向内部分与所述管状体密封接合。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，操作所述致动器组件的步骤包括向所述压力限制装置供应加压流体。

15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括通过改变向所述致动器组件供应的流体的压力而改变由所述密封套筒施加在所述管状体上的力。

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