CN105683492A - 具有支承构件的可膨胀密封件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于井部件的密封凹槽中的井密封组件。所述密封组件包括驻留于所述密封凹槽中的可膨胀弹性体密封件。所述可膨胀弹性体密封件当与指定流体接触时响应性地扩张。提供支承构件，所述支承构件驻留于所述密封凹槽中、轴向地位于所述可膨胀弹性体密封件与所述密封凹槽的轴向端壁之间。所述支承环包括波浪部，所述波浪部在被轴向地压缩时，使所述支承构件扩张。

Description

具有支承构件的可膨胀密封件

技术领域

本公开涉及采用可膨胀密封件的井工具。

背景技术

井中的井下条件存在众多密封挑战。例如，井中的密封件必须经常长时间地暴露于高压和高温。在这样的条件下，常用的弹性体密封件容易挤出到位于承载密封件的部件与密封件所抵靠的表面之间的间隙中，并且最终失效。已开发出复杂的支承环设计，以通过桥接上述间隙并且支撑挤出物以抵抗挤出来解决这个问题。然而，这种支承环设计仅在密封件被加压时才有效。而且，在插管或插口的情况下(其中一个井部件被密封在另一井部件的孔中)，会使用多个密封件并因而使用多个支承环。为使多个密封件容纳在小空间中，使用O形环或V形密封件。然而，这些密封件的有效性取决于被封住表面的清洁度和表面光洁度。

附图说明

图1是合并有管柱的井的示意性侧视图。

图2是合并有密封组件的两个井部件的示例的侧向截面图。

图3A和图3B是示例井部件的详细视图，其示出了在密封件膨胀之前和密封件膨胀之后密封组件的端部。

图4是示例支承构件的立体图，其示出了波浪部。

各图中，相同的参考符号表示相同的元件。

具体实施方式

首先参照图1，井包括基本圆柱形井筒10，该基本圆柱形井筒从位于地面12的井口22向下延伸到大地中，进入一个或多个所关注地下区域14(示出一个)。地下区域14可以对应于井所进入的单个地层、地层的一部分或超过一个地层，并且给定井可以进入一个或超过一个地下区域14。在某些例子中，地下区域所在的地层含烃(诸如石油和/或天然气沉积物)，并且井用于生产烃类和/或用于协助从另一个井生产烃类(例如，作为注入井或观测井)。然而，本文的概念实际上适于任何类型的井。从井口22延伸到地下区域14的井筒10的一部分衬有管段(称为套管16)。

所示井为竖直井，基本从地面12竖直延伸到地下区域14。然而，本文的概念适于井的许多其它不同配置，包括水平井、倾斜井或其它偏斜井以及多分支井。

管柱18示为已从地面12降低到井筒10中。管柱18为端对端联接在一起的一系列接合管段和/或连续(即，未接合)油管，并且包括一个或多个井工具(例如所示出的一个井工具20)。管柱18具有内部中心孔，该内部中心孔使得能够在井口22与井下位置(例如，地下区域14和/或其它位置)之间进行流体连通。在其它情况下，管柱18可以被布置成使得其不会从地面12延伸出来，而是取决于进入井中的线，诸如钢丝、电缆、易缆和/或其它线。

本文的概念适用于密封布置，该密封布置在多种不同的情况下可以用于在井中在井部件之间进行密封。例如，可以在井工具20中使用密封布置。在某些情况下，井工具20为内管道部件嵌套在外管道部件中的类型，其中本文所述的密封布置被配置成在管道之间进行密封。然而，密封布置不必限于同一工具或装置的密封部件。例如，在某些情况下，井工具20为封隔式工具(例如，封隔器、桥塞、压裂塞和/或其它)，该封隔式工具具有密封布置，该密封布置被配置成将工具20密封到套管16的内表面、衬套或井中的其它部件，以密封管柱18周围的环形区。在另一示例中，可以将管柱18在井中以两个部分放置，其中井上部件具有接纳到井部件的对应孔中的插口或插管。在这种情况下，密封布置被配置成密封到其它部件的孔，并且因此在两个管道之间进行密封。在另一示例中，送入工具或致动工具可以用于操作井工具20或井中的另一部件。在这种情况下，送入工具或致动工具具有接纳到正致动的工具或装置的对应孔中的插管或插口，并且密封布置被配置成在插管/插口与孔之间进行密封。存在其它示例并且其在本文的概念范围内。

参照图2，示出两个井部件30、32的半侧向截面图。在本示例中，井部件30、32为两个细长管道(例如，井工具、封隔器和套管的管道、插管和孔或其它)，彼此同心地嵌套。内管道(部件32)包括密封凹槽24，该密封凹槽的大小被确定为接纳细长可膨胀弹性体密封件26和支承构件28。密封凹槽24、可膨胀密封件26和支承构件28中的每一者均为环形或环状以环绕管状井部件30、32。在井部件30、32之间形成环形间隙34。虽然本文结合管状井部件进行描述，但相同的概念可以适用于非圆柱形、平坦或其它形状。因此，密封件26、支承构件28和其它方面不必是环形的。

细长可膨胀弹性体密封件26由可膨胀弹性体制成，该可膨胀弹性体一旦与指定流体(例如，石油、水和/或其它)接触便可膨胀或扩张。值得注意的是，可膨胀弹性体在所有方向上均匀地膨胀，除非受到限制。因此，在其中环形可膨胀弹性体密封件26位于密封凹槽24中的示例中，密封件26平行于井部件30、32的中心线径向向外地膨胀，并且在凹槽24内轴向地膨胀。密封件26为细长的，因为它的轴向尺寸比它的径向尺寸长，但可以提供密封件26的其它配置。在某些情况下，选择密封件26的径向尺寸以便为部件30提供间隙，从而允许插入密封件26(和部件32)并且从部件30收回该密封件。

将支承构件28提供在密封件26的每一端，轴向地位于密封件26与密封凹槽24的相对轴向端部之间。在其它情况下，仅提供一个支承构件28。支承构件28为制作成波形弹簧的波形支承构件，或者类似地配置成波形弹簧，其中在支承构件28周围分布着一个或多个轴向波浪部36。在某些情况下，这些波浪部可以均匀分布在支承构件28周围，(例如)如图4所示，图4示出了彼此以90°分布的四个波浪部36。虽然示为平滑弯曲的正弦波状波浪部36，但这些波浪部也可以呈更陡峭的形状和/或另一形状。支承构件28由具有平行侧壁表面的薄的平坦材料制成，并且波浪部36被配置成使得当构件28被朝着平坦状态轴向地压缩时，这些波浪部使得支承构件28周向、并且相应地径向向外地扩张。在某些情况下，支承构件28的大小可以被确定为在呈未扩张(未轴向地压缩)自由状态与部件30轻微接触或为部件30提供间隙。这样一种配置允许支承构件28轴向地滑动穿过部件30而没有很大阻力或没有任何阻力，从而允许部件32插入和收回到部件30。可以选择波浪部36的数量和幅值A以使得当支承构件28被压缩时，该支承构件桥接间隙34并且抵靠和压在部件30上。可以选择波浪部36的数量和这些波浪部的幅值A以提供针对部件30的接触压力，从而提供防止可膨胀密封件26通过间隙34挤出的充分的支承程度。在某些情况下，支承构件28在其被定向成朝向密封件26的内径上设置有倒角38，以有助于构件28在密封件26上扩张和居中。

支承构件28可由多种不同材料制成。在某些情况下，构件28可由与可膨胀密封金26的弹性体相比具有较高硬度和/或屈服强度的材料制成，以有助于支承构件28提供有效支承。在某些情况下，材料可以基于其在井下高温下保持完好的能力进行选择。用于支承构件的一些示例材料包括金属、聚合物、复合物和/或其它材料或材料混合物。

在其中部件30、32驻留于井中并且支承构件28和密封件26驻留于密封凹槽24中的操作中，可膨胀密封件26与指定流体接触。密封件26通过膨胀成与部件30接触并且密封到部件30来作出响应。在某些情况下，由密封件26形成的密封为气密。图3A为与密封凹槽24的轴向端部有关的详细视图，其示出了膨胀之前的可膨胀弹性体密封件26和未扩张的支承设备28。当可膨胀弹性体密封件26与指定流体接触时，该可膨胀弹性体密封件径向地且轴向地膨胀和扩张。在轴向地扩张时，可膨胀弹性体密封件26使支承构件28压在密封凹槽24的轴向端壁上。支承构件28的波浪部轴向地压缩，并且导致支承构件28径向地扩张成与部件30抵靠接触，如图3B所示。随后，当密封件26开始保持压差时，通过使低压侧向支承构件28压在部件30上来支撑密封件26以抵抗通过34挤出。通过提供两个支承构件28，可以使压差反向并且相对的支承构件28将支撑密封件26以抵抗通过间隙34挤出。

值得注意的是，通过使用可膨胀弹性体密封件26，无需严格控制密封在部件30上的表面的表面光洁度，因为与非膨胀密封件相比，可膨胀密封件26提供有助于密封更粗糙表面的接触压力。在插管或插口的情况下，无需为部件30提供抛光孔接收器。而且，与常规的O形环或V形密封件相比，密封件26可以提供更多的表面积进行密封。在某些情况下，由于膨胀而获得的更大的表面积和/或接触压力将允许可膨胀密封件26密封，即使受损也不例外。由于密封件26膨胀成与流体接触，因此，无需压差来实现密封或将支承构件28致动成支撑密封件26。膨胀还有助于将部件32插入部件30中，因为密封件26一直到接触指定流体之前都无需与部件30接触。一旦密封，密封件26即阻止从部件30收回部件32。在某些情况下，由于支承构件28的简单性，与其它更为复杂的支承设备和V形密封件相比，制造成本可能更小。

已描述了多个实施方案。然而，应当理解，可以作出各种修改。因此，其它实施方案也在随附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于细长井部件的密封凹槽中的井密封组件，其包括：

驻留于所述密封凹槽中的可膨胀弹性体密封件，所述可膨胀弹性体密封件当与指定流体接触时响应性地扩张；以及

驻留于所述密封凹槽中且轴向地位于所述可膨胀弹性体密封件与所述密封凹槽的轴向端壁之间的支承构件，所述支承构件包括波浪部，所述波浪部在被轴向地压缩时，使所述支承构件扩张。

2.如权利要求1所述的井密封组件，其中所述支承构件包括多个均匀分布在所述支承构件周围的轴向波浪部。

3.如权利要求1所述的井密封组件，其中所述支承构件包括波形弹簧。

4.如权利要求1所述的井密封组件，其中所述可膨胀弹性体密封件在与所述指定流体接触时轴向地膨胀并且轴向地压缩所述支承构件。

5.如权利要求1所述的井密封组件，其中所述井部件包括第一管件，并且所述密封凹槽呈环状以环绕所述第一管件，并且所述井部件的所述第一管件可插入指定第二管件中；并且

其中所述可膨胀弹性体密封件呈环状以环绕所述第一管件，并且能够膨胀以抵靠和密封在所述第二管件上。

6.如权利要求5所述的井密封组件，其中所述支承构件呈环状以环绕所述第一管件，并且在被轴向地压缩时径向地扩张以压在所述第二管件上。

7.如权利要求1所述的井密封组件，其包括第二支承构件，所述第二支承构件驻留于所述密封凹槽中、轴向地位于所述可膨胀弹性体密封件与所述密封凹槽的相对轴向端壁之间。

8.如权利要求1所述的井密封组件，其中所述支承构件包括倒角，所述倒角被定向成朝向所述可膨胀弹性体密封件。

9.如权利要求8所述的井密封组件，其中所述支承构件包括平行的相对轴向侧壁。

10.如权利要求1所述的井密封组件，其中所述支承构件与所述可膨胀弹性体密封件相比是较硬的不同材料。

11.一种方法，其包括：

响应于与指定流体接触而使可膨胀弹性体密封件在细长井部件的密封凹槽中扩张；以及

利用所述可膨胀弹性体密封件来轴向地压缩所述密封凹槽中的支承构件的波浪部，从而使所述支承构件向外扩张。

12.如权利要求11所述的方法，其中轴向地压缩所述支承构件的波浪部包括轴向地压缩所述支承构件的多个轴向波浪部，所述多个波浪部均匀分布在所述支承构件周围。

13.如权利要求11所述的方法，其中轴向地压缩所述支承构件的波浪部包括轴向地压缩所述密封件与所述密封凹槽的轴向端壁之间的所述波浪部。

14.如权利要求11所述的方法，其包括利用所述可膨胀弹性体密封件密封在第二井部件的表面上；以及

利用所述支承构件支撑所述可膨胀弹性体密封件以抵抗通过所述第一所提及井部件与所述第二井部件之间的间隙挤出。

15.如权利要求11所述的方法，其包括利用所述可膨胀弹性体密封件轴向地压缩所述密封凹槽中的第二支承构件的波浪部，从而使所述第二支承构件向外扩张。

16.如权利要求15所述的方法，其包括利用所述可膨胀弹性体密封件来密封在第二井部件的表面上；以及

利用所述第一所提及支承构件与所述第二支承构件来支撑所述可膨胀弹性体密封件以抵抗通过所述第一所提及井部件与所述第二井部件之间的间隙挤出。

17.一种用于井中的井装置，其包括：

所述井装置的密封凹槽中的可膨胀密封件，所述可膨胀密封件当与流体接触时响应性地膨胀；以及

所述密封凹槽中的波形支承环，所述波形支承环当由所述可膨胀密封件轴向地压缩时响应性地向外扩张。

18.如权利要求17所述的井装置，其中所述波形支承环包括多个均匀分布在所述环周围的轴向波浪部。

19.如权利要求17所述的井装置，其中所述波形支承环包括被定向成朝向所述可膨胀密封件的倒角。

20.如权利要求17所述的井装置，其包括第二波形支承环，所述第二波形支承环位于与所述可膨胀密封件相对的所述密封凹槽中并且当由所述膨胀密封件轴向地压缩时响应性地向外扩张。