CN1093235C - 密封组件 - Google Patents
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Abstract
用于密封一个生产套管(130)和管(140)之间的环形空间的一个密封组件。该密封组件包括具有圆形，卵形或椭圆形横截面的初级密封元件(205)，以及与初级密封元件(205)接合，具有凸状横截面(222)的次级密封元件(202)。
Description
技术领域
本发明涉及密封组件。另一方面，本发明涉及用于环形空间中或用作T形密封的密封组件。再一方面，本发明涉及用于地下井的密封组件。另一方面，本发明涉及用于油井和气井的填充和生产操作的密封组件。另一方面，本发明涉及用于油井和气井的填充和生产操作的多组分密封组件。另一方面，本发明涉及用于油井和气井的填充和生产操作的多组份密封组件，其中密封组件包括密封和支撑元件。
背景技术
密封系统已成为了碳氢化合物井的填充和生产操作的关键因素。传统的井底填充运用在管柱端的填充器和密封组件来分离管/套管环形通路与所产生的碳氢化合物。由于油气生产的温度和压力升高，所以产生了另一种适合于这种情况的填充结构，它可用于填充或作为填充器的替代物。这另一种填充结构运用抛光孔插座(“PBR”)试运行作为套管柱生产的一个整体部分。
碳氢化合物井的填充和生产密封组件由初级V形密封元件控制。由于它们的自身因素的决定。V形密封元件只能提供单向密封。因此，为了提供对井口和井底压力的密封，通常需要运用一对或多对180°相向的V形密封元件。
在现有技术中有许多提供一种改进的密封组件的构想。
美国专利No.4,473,231，1984年9月25日授于Tilton et al，它揭示了用于地下井的一种动态密封元件。这种动态密封元件包括V形初级弹性密封元件，和V形密封元件两侧的一个支撑元件。
1983年9月27日授于Allison的美国专利No.4,406,469，揭示了一系列背对背V形密封元件。支撑元件置于这一系列密封元件两侧。
1988年9月21日公布的英国专利申请No.GB.2,202,283A，揭示了一种具有5个环形密封元件的密封组套，每个最外面的元件是一个金属隔离环，并且有两个V形密封元件放在当中，并用一个编织的金属网孔元件来消除对密封元件的挤压。
尽管有多种现有技术的密封组件，但是仍需要一种改进的密封组件。
另外还需要一种改进的环形密封组件的技术。
在填充和生产碳氢化合物井的技术中，还需要一种改进的环形密封组件。
在填充和生产碳氢化物井的技术中，另外还需要一种双向环形密封组件。
一旦阅完本说明书，包括权利要求及其附图，技术中技能的这些和其它需要将是明显的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的密封组件。
本发明的另一目的是提供一种改进的环形密封组件。
本发明的另一目的是提供一种双向环形密封组件。
参看完本专利说明书，包括权利要求和附图，技术中的技能的这些和其它目的将变得明显、
根据本发明的一个实施例，它提供了一种在地下井中密封生产套管和生产管之间的环形空间的密封组件。该组件通常包括放在管顶上的顶隔环和底隔环，并且在它们之间形成了一个环形密封孔或密封环形通道。该密封环形通道开口连通环形空间并且与抛光孔插座上的抛光表面相邻。该组件还包括一个位于密封环形通道的环形初级密封元件，该密封元件具有一种横截面形状。初级密封元件最好具有一个圆形，卵形或椭圆形横截面。该组件进一步包括两个位于孔中并且接合初级密封元件的凸状部分的环形次级元件。
根据本发明的另一实施例，它提供了一个用来密封内外管之间环形空间的密封组件，该密封组件通常包括一个置于环形空间中的一个环形初级密封元件，密封元件具有一个凸状顶部和凸状底部的横截面形状，最好，初级密封元件具有一个圆形，卵形或椭圆形横截面。该组件还包括置于环形空间并且接合初级密封元件的凸状部分的一个环形次级元件。
根据本发明的另一实施例，它提供了用于密封第一衬底和第二衬底之间通道的一个密封组件。密封组件通常包括一个置于所述通道中的一个初级密封元件，该初级密封元件的横截面为凸状顶部和凸状底部。该初级密封元件最好具有一种圆形，卵形或椭圆形横截面。密封组件进一步包括一个置于通道中并且与初级密封元件的凸状部分接合的次级元件。
附图说明
图1是现有技术的井孔填充结构100的剖面图，示出了生产管140，生产套管130，环形通道115位于管140和套管130之间，以及密封组件110。
图2是本发明的一个实施例的剖面图，示出了井孔填充结构200，包括生产管140，生产套管130，环形通道115位于管140和套管130之间，以及本发明的密封组件210。
图3是图2的密封组套203的一个放大图，它显示了初级密封元件205，次级密封元件202，和支撑元件218。
图4是密封组套203的宽椭圆实施例的一个视图，示出了一个宽椭圆初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。
图5是密封组套203的长椭圆实施例的一个视图，它示出了一个长椭圆初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。
图6是密封组套203的一个细长的椭圆实施例的一个视图，示出了一个细长的椭圆初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。
图7A，7B和7C示出了本发明的次级密封元件202的合适形状的任意的例子。
图8是密封组套203的另一种形状的视图，示出了宽椭圆初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。
图9是密封组套203的另一种形状的一个视图，示出了一个长椭圆初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。
图10是测试设备400的一个简图，它包括一个抛光的孔压力容器402和一个中心定位的往复心轴423，该心轴带有两个密封组套427和429，并包含它们之间的高压力区405。
具体实施方式
在描述本发明之前，首先参照图1，它图示了现有技术的V形密封组套。
图1是一个现有技术的井孔填充结构100的横截面图，它示出了生产管140，生产套管130，管140与套管130之间的环形通道115，以及密封组件110。密封组件110与生产管140的端部相连，并且包括一系列V形密封元件105；如图所示，这些V形密封元件被设置在位于管140和套管130之间的环形通道115的密封环形通道120中。两个或更多相邻的密封元件105形成了密封组套。隔离环118把密封元件组套105彼此分开。管140的上密封环形通道隔环141和下密封环形通道隔环142有助于限制密封元件105。套管130包括一个抛光孔插座区域135，该区域具有抛光表面135A，沿着该表面密封元件105可以移动。
在这种抛光孔插座(“PBR”)中，密封组件110可沿着抛光表面135A轴向移动。抛光表面135A的光滑表面保证了与密封组件110的紧密接合，因此，使得所产生的流体与环形通道115隔绝开来。
参照图2，它示出了本发明的一个实施例。除使用本发明的密封组件外，图2与图1相类似。在下列描述中，术语“上”“下”“顶”“底”等用于区分密封组件的不同面。不过，本技术了解到这些术语并不仅限制本发明于垂直定位。的确，在任何方向的定位都可能使用本发明。
图2为本发明一个实施例的横截面图，它示出了井孔填充结构200，包括生产管140，生产套管130以及位于管140和套管130之间的环形通道115，以及本发明密封组件210。密封组件210与生产管140的端部相连。密封组件210包括一系列具有圆形截面的初级密封组件205，被波浪形次级密封组件202限制，如图所示，次级密封组件202位于套管130及管140之间的环形道道115中的密封环形通道处。如实施例所示，一系列密封组套203由密封元件205与次级密封元件202相邻接而成。支撑元件218把密封组套彼此隔开。管140的密封环形通道上隔环141及密封环形通道下隔环142帮助限制密封环形通道120中的密封元件202，205及218。套管130包括沿密封元件203移动的抛光孔插座区135。
在该抛光孔插座(“PBR”)中，密封组件210可沿着抛光表面135A轴向移动。抛光表面135A的光滑表面保证了与密封组件210的紧密接合，因此，使得所产生的流体与环形通道115隔绝开来并且不需要传统填充器。
参照图3，它图示了图2的密封填充器203的一个放大的横截面图，并示出了初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。线250是管140和PBR 135之间的中心线(即，径向中点)。
初级密封元件205包括顶面215和底面225，顶面215接合顶部次级密封元件202，底面225接合底部次级密封元件202。本发明在实践中，只要面215和225各自都包括至少一个置于通过中心线250用以分别和次级密封元件的顶和底接合的凸状部分，初级密封元件205的横截面可以是任何形状。中心线250可以设置为环形向四周延伸，并且中心定位在密封组件110和PBR 135之间的环形空间。
并不需要把面215和225的凸状部分中心定位在中心线250上，只要一部分凸状部分通过中心线250即可。在图示的实施例中，初级密封元件205的横截面是圆形的，这提供了与次级密封元件202接合的带有凸状部分216和226的面215和225。
只要面215和225的形状包括至少一个设置在中心线250上以与顶部和底部次级密封元件接合的凸状部分，面215和225可以是任何适合的形状。当然，中心线250围绕着填充结构200环状地延伸。
面215和225并不必须是同一形状，用于面215和225的合适形状的实例包括曲线的，波状的，以及正弦形状，同样可以是部分圆，卵形或椭圆。
初级密封元件205可以是任何适合的形状，只要它的形状跨越了管140和套管135之间的空间就可以了，至少在压缩作用下是这样；但最好是在没有压力的情况下，面215和225包括至少一个置于中心线250上用以和次级密封元件接合的凸状部分。适合作为初级密封元件205的横截面的非限制性实例包括圆形，卵形或椭圆形。
次级密封元件202包括与初级密封元件205接合的面212。次级密封元件202可以是任何适合的形状，只要该形状包括至少一个与初级密封元件205接合，置于中心线250上的凸状部分。另外，次级密封元件202应该跨越管140和PBR 135之间的环形空间115，至少在压缩作用下是这样，但最好当没有压力时也是这样。
次级密封元件202的面212可以是包括凹面，凸面，平面，或它们的随意组合的任意一种形状。面212最好包括与初级密封元件205的凸状部分216或226接合的一个凸状部分222。面212的合适形状的例子包括曲线，波状，和正弦形状，同样也可以是部分圆形，卵形或椭圆形。面212最好具有波浪形状。在图示的实施例中，面212包括凸状部分222和凹状部分223。除了图3所示之外，次级密封元件202的其它适合的横截面的非限制性实例包括圆形，卵形和椭圆形。
参照图4-6，8和9，其中参考标号如上所述，它图示了初级密封元件205的合适的横截面的非限制性实例。
图4是密封组套203的一个宽椭圆实施例的一个视图，它示出了一个宽椭圆初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。
图5是密封组套203的一个长椭圆实施例的一个视图，它示出了一个长椭圆初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。
图6是密封组套203的一个细长椭圆实施例的一个视图，它示出了一个细长的椭圆初级密封元件205，次级密封元件202以及支撑元件218。
图8是密封组套203的另一个形状的一个视图，它示出了一个宽椭圆初级密封元件205，次级密封元件202和支撑元件218。
图9是密封组套203的另一个形状的一个视图，它示出了一个长椭圆初级密封元件205，次级密封元件202以及支撑元件218。
除了图3-6所示的次级密封元件202的横截面以外，图7A，7B和7C还示出了次级密封元件202的合适形状的非限制性实例。
因为对本发明来说，支撑元件218的形状并非决定性因素，它可以运用任何适宜的形状。
可以理解，初级密封元件205，次级密封元件202以及支撑元件218可以用任何适合于周围环境的合适的材料制成，在此环境中，将使用密封设备。类似材料包括金属，弹性，热塑性材料以及热固性材料，它们将保证适宜的化学和机械性能。这种合适材料的非限制性实例包括四氟乙烯/丙烯(“TFE/P”)，聚醚酮醚(“PEEK：)聚四氟乙烯(”PTFE“)。
所采用的检测设备和操作步骤通常在以下文件有所描述；OTCNo.7333，“在高温高压下影响井下环境中动态密封的因素”，P.I.Abrams et al，第25次海湾技术会议，1993年5月3-6日685-693页；以及“在酸性气体环境下获得动态密封性能”，P.I.Abrams et al.，SPE生产工程，1990年8月，在217-220页，在这儿结合两者作为参考。
该检测设备是一种动态密封组套检查装置，其操作极限是250℃(482°F)，103MPa(15,000psi)，适合于包括含有硫化氢混合物在内的气/液检测流体范围内的密封行为的实时监测。
图10是检测设备400的简图，它包括一个抛光孔压力通道402和一个中心定位往复心轴423，此心轴具有两个组套位置427和429，在它们之间包含有高压区域405。两个组套位置在心轴423相对的两端被指定为“西组套”427和“东组套”429。
检测设备进一步包括温控411，气体输入线408，液体输入线409，以及压力和混合控制器/阀416。传感器监测温度，压力(在每个密封组套的两侧)以及在心轴运动中产生的力，传感器输出被实时局部地显示并使用借助计算机的记录系统连续记录下来。
在检测过程中，检测介质液体和/或气体被输入至位于密封组套检测位置427和429之间的高压区域405。检测压力通过增压泵和一个隔离室提供给检测介质。泄漏通过在区域431和区域432中累积起来的压力测定。电动机控制422用来控制驱动容器402中的往复心轴423的往复电机425。如图10所示，法兰418把往复电机425连接到测力仪430。
检测条件通常如下：
在区域405中的温度达到200℃(392°F)，压力达到103MPa(15,000psi)时，密封组套在检测容器中的心轴上往复运动。密封组套连续往复达到6，300个周期(可看作是10年的等价寿命)或直到密封组套失效，不论那个先发生。检测环境通常是一种甲烷气体/水的混合物。
为了直观比较传统V形密封组套与本发明的设计，在所有检测中都使用同样的材料，这些材料如下：
初级密封元件：Aflas合成橡胶(TEP/P，或四氟乙烯/丙烯)。
次级密封元件：12％的玻璃增强型PTFE(聚四氟乙烯，也即众所周知的Teflon)。
支撑元件：碳纤维增强型PEEK(聚醚酮醚)。上述装置指的是ATP组套(Aflas，Teflon，PEEK)。
(Aflas是旭玻璃公司(Asahi Glass Company)的商标，Teflon是杜邦公司(Dupont company)的商标)。
在检测程序中，两个ATP组套的泄漏率的直接比较是在200℃(392°F)和103MPa(15,000psi)条件下进行的。对于传统的V形ATP密封组套，以及对于应用次级密封元件的一个平支撑元件的本发明的一个ATP O形环组套，泄漏是作为密封运动速度的函数测量的。
另外还需要测定200℃(392°F)以及103MPa(15,000psi)下“曲面”ATP O形环组套和一个“波面”ATP O形环组套在甲烷/水混合物中的性能。波面ATP O形密封组套在完成了8,500个往复周期后没有失效和泄漏，而一般的ATP V形密封组套在5,000个周期后就失效了。
表1列出了上述实例的结果，下面显示了作为密封运动速度函数的密封泄漏。表1清晰地表明：ATP O形密封组套的泄漏率比传统的ATPV形密封组套的泄漏率通常低大约10倍。另外，在O形环组套中，“波面”次级密封元件密封情况比“曲面”次级密封元件的密封情况好，而“曲面”次级密封元件的密封情况比“平面”次级密封元件好。
表1
在200℃/15,000psi水/甲烷，对应不同密封速度观察到的泄漏率
| 周期 | 速度(in/min) | ATP V形(in3/minSTP) | ATP O形环平面次级密封元件(in3/minSTP) | ATP O形环曲面次级密封元件(in3/min STP) | ATP O形环曲面次级密封元件(in3/min STP) |
| 3500个 | 3.5 | 1到2 | 0到0.5 | ||
| 4000个 | 0 | 0 | 0 | ||
| 1.2 | 4到8 | 0到1 | |||
| 3.4 | 8到15 | 1到4 | 0到0.5 | ||
| 6.8 | 20到30 | 4到8 | |||
| 6000个 | 0 | 0 | 0 | ||
| 1.2 | 10到20 | 2到4 | |||
| 3.4 | 70到100 | 3到6 | |||
| 6.8 | 50到100 | 1到3 |
对本发明图示实施例进行详细描述以后，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，利用本技术的一些改进，各种其它实施例也将明显并能很容易地做出。因此，附属权利要求的范围并不仅限于前面提到的实例和说明书，而且包括存在于本发明中的所有专利性新颖性的特征，包括所有利用本发明从属的技术中的改进作为等价物的特征。
Claims (18)
1.一种用于地下井的密封组件，包括：
(a)一种具有内侧抛光面的中空生产套管；
(b)一个设置在套管内的生产管，在管和套管之间形成了一个环形空间；
(c)设置在管上的顶部和底部隔环，并且在它们之间形成了开口进入环形空间及邻近抛光表面的一个密封环形通道；
(d)设置在密封孔中的一个环形初级密封元件，它具有带一个顶部和底部的横截面，其中，顶部和底部都是带有一个凸状部分的曲面，该凸状部分通过密封环形通道的一个径向中点，其中初级密封元件对管和套管之间的环形空间进行密封；
(e)第一个和第二个环形次级密封元件设置在密封环形通道中，其中第一个次级密封元件包括一个凸状部分，该凸状部分与初级密封元件顶部的凸状部分接合，并且其中第二个次级密封元件包括一个凸状部分，该凸状部分与初级密封元件底部的凸状部分接合，并且每个次级密封元件把套管和管密封起来。
2.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于：初级密封元件包括一种从一组形状中选出来的横截面，它们包括圆形，卵形或椭圆形横截面。
3.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于：第一个和第二个次级密封元件各与初级密封元件在密封环形通道的径向中点处接合。
4.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于：每个次级元件都包括一个曲面，每个面与初级密封元件的凸状部分之一接合。
5.根据权利要求4所述的密封组件，其特征在于：每个次级密封元件包括一个与初级密封元件的凸状部分接合的波面。
6.根据权利要求4所述的密封组件，其特征在于：每个次级密封元件包括一个与初级密封元件的凸状部分接合的正弦面。
7.根据权利要求4所述的密封元件，其特征在于：所述次级密封元件的曲面包括一个与初级密封元件的凸状部分接合的凸状部分。
8.根据权利要求4所述的密封组件，其特征在于：初级密封元件包括一个从一组形状中选出的横截面形状，它们包括卵形、圆形、和椭圆形。
9.一个密封组件包括：
(a)一个外管；
(b)一个位于外管内的内管，在管与管之间形成了一个环形空间；
(c)设置在环形空间内的一个环形初级密封元件，它具有一个带有顶部和底部的横截面，其中顶部和底部都是曲线形的并带有一个凸状部分，而这些凸状部分位于环形空间的径向中点，并且初级密封元件密封位于外管和内管之间的所述的环形空间；
(d)设置在环形空间中的第一个和第二个环形密封元件，每个次级密封元件具有一个包括一个凸状部分的曲面，该凸状部分与初级密封元件的凸状部分之一接合，其中次级密封元件将位于外管和内管之间的所述的环形空间进行密封。
10.根据权利要求9所述的密封组件，其特征在于：每个次级密封元件的曲面进一步包括一个凹状部分。
11.根据权利要求9所述的密封组件，其特征在于：初级密封元件包括一个从一组形状中选出的横截面，它们包括圆形，卵形和椭圆形横截面。
12.根据权利要求9所述的密封组件，其特征在于：第一个和第二个次级密封元件各与初级密封元件在环形空间的径向中点接合。
13.一个密封组件包括：
(a)一个外管；
(b)一个位于外管中的内管，在外管和内管之间形成一个环形空间；
(c)设置在环形空间中的一个环形初级密封元件，它具有带一个顶部和底部的横截面，其中每个顶部和底部是曲线形的并带有一个凸状部分，该凸状部分在环形空间的径向中点；
(d)一个设置在环形空间中的第一个环形次级密封元件，其中次级密封元件包括一个与初级密封元件的凸状部分之一接合的波面。
14.一个密封组件包括：
(a)一个外管；
(b)一个位于外管中的内管，在外管和内管之间形成一个环形空间；
(c)位于环形空间中的一个环形初级密封元件，它具有带一个顶部和底部的横截面，其中每个顶部和底部是曲线形的并带有一个凸状部分，该凸状部分位于环形空间的径向中点；
(d)一个设置在环形空间中的第一个环形次级密封元件，其中次级密封元件包括一个与初级密封元件的凸状部分之一接合的正弦面。
15.根据权利要求14所述的密封组件，其特征在于：次级密封元件包括一个带一凸状部分的表面，该表面与初级密封元件的凸状部分之一接合。
16.根据权利要求14所述的密封组件，其特征在于：初级密封元件的横截面包括从一组形状中选出的一种横截面，它们包括卵形、圆形或椭圆形。
17.一个密封组件包括：
(a)一个第一衬底；
(b)一个邻近第一衬底的第二衬底，在第一衬底和第二衬底之间形成了一个通道；
(c)一个位于通道中的初级密封元件，它具有一个带有顶部和底部的横截面，其中每个顶部和底部是曲线形的并带有一个凸状部分，该凸状部分位于通道中的中点，并且初级密封元件密封位于第一衬底和第二衬底之间的所述通道；
(d)位于通道中的第一个和第二个次级密封元件，每个元件都有一个凸状部分与初级密封元件的凸状部分接合，其中每个次级密封元件密封位于第一衬底和第二衬底之间的所述通道。
18.根据权利要求17所述的密封组件，其特征在于：初级密封元件包括一种从一组形状中选出的横截面，它们包括圆形，卵形和椭圆形。
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