CN211900542U - 井下封隔器设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于在设备与孔壁或孔衬里管之间的环形部中建立密封的井下封隔器设备，所述设备包括：密封元件，以及端部环。所述密封元件包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体，所述第一轴向端部包括锥形表面，并且所述第二轴向端部包括轴向延伸凸出部分，所述凸出部分朝向所述端部环延伸并接收在所述端部环内。端部环包括限定了通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体，第一轴向部端包括与密封元件的凸出部分互补的凹入部分，所述凹入部分被配置成将凸出部分接收在其中。

Description

井下封隔器设备

技术领域

本公开涉及一种用于在环形部(在诸如位于钻井孔内)中建立密封的井下封隔器设备。

背景技术

井下密封装置(被称为封隔器)广泛用于石油和天然气工业中，以密封井眼中的环形部。在某些情况下，封隔器采取壳体封隔器的形式，由此待密封的环形部位于封隔器和相关联的孔衬里管(bore-lining tubing)之间，例如，壳体或里衬与孔壁之间。在其他情况下，封隔器采取生产封隔器的形式，由此待密封的环形部在封隔器和相关的生产管与孔衬里管之间。

常规的封隔器包括安装在心轴上的弹性环形密封元件，该密封元件可在径向方向上向外膨胀，以接合封隔器所位于的孔壁或孔衬里管，从而密封在封隔器和孔壁或孔衬里管之间限定的环形部。

然而，尽管在井下应用中广泛使用封隔器，但是常规封隔器仍然存在挑战和缺点。

实用新型内容

本公开的第一方面涉及一种用于在设备与孔壁或孔衬里管之间的环形部中建立密封的井下封隔器设备，该设备包括：

密封元件；以及

端部环，

其中，所述密封元件包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体，所述第一轴向端部包括锥形表面并且所述第二轴向端部包括轴向延伸凸出部分，所述凸出部分朝向所述端部环延伸并容纳在所述端部环内，并且

其中，端部环包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体，端部环的第一轴向端部包括凹入部分，该凹入部分与密封元件的凸出部分互补并被配置成将凸出部分接收在其中。

在使用中，该设备可以安装在本体的外表面上，例如心轴、圆管、管道、管、套管等，并且本体可以位于孔内，例如钻井孔、管道、管线等。

密封元件和端部环可以通过其互补的凸出部分和凹入部分而在轴向方向和周向方向两者上重叠。有利地，这可以便于密封元件和端部环之间的牢固接合并且可以便于力通过设备的传递。

密封元件可以被配置成用于在端部环的方向上进行轴向压缩，以引起密封元件的径向膨胀。通过密封元件的端部施加的轴向设定力可导致密封元件被轴向压缩和径向膨胀，使得密封元件的内表面与本体建立密封，而外表面与孔壁或孔衬里管建立密封，从而密封设备与孔壁或孔衬里管之间的环形部。

轴向设定力可以通过任何装置施加，例如经由设定工具。同样，轴向设定力可以是任何力：该力至少具有相对于密封元件大体上轴向或纵向延伸的力分量。该设备可以被配置成使得施加到密封元件的锥形表面的轴向设定力可以被端部环抵抗以引起密封元件的径向膨胀。

端部环的内表面的直径可以小于密封元件的内表面的直径。

如上所述，密封元件的第一轴向端部限定锥形表面。密封元件的第一轴向端部的锥形表面可以向内渐缩，即，该锥形表面可以沿从密封元件的第一轴向端部向第二轴向端部的方向限定逐渐变小直径。

第一轴向端部的锥形表面可以被配置成将施加在密封元件的第一端部表面上的轴向力(例如轴向设定力)转换成轴向力分量和径向力分量。

密封元件可以进一步包括至少一个偏压元件。

至少一个偏压元件可包括弹簧。

至少一个偏压元件可以是环形的。

至少一个偏压元件可以靠近密封元件的第一轴向端部。

至少一个偏压元件可被径向向内偏压，以响应于由锥形表面响应于轴向设定力而提供的径向力分量而向密封元件提供径向向内力。

至少一个偏压元件可以是环形的。

密封元件可以包括多个偏压元件。每个偏压元件可以具有不同的直径。多个偏压元件可以嵌套。

偏压元件可以被密封元件完全或部分地包围，例如，偏压元件可以被封装在密封元件内。

密封元件可包括位于第一轴向端部和第二轴向端部之间的中间部分。中间部分的材料可以是第一材料，并且第一轴向端部的材料可以是第二材料。第一材料可以是硬度小于或等于70的氢化丁腈橡胶(HNBR)。第二材料可以是硬度小于或等于90的HNBR。中间部分和第一轴向端部可以整体形成。

端部环可包括位于第一轴向端部和第二轴向端部之间的凹槽部分。

凹槽部分可包括单个凹槽。可替代地，凹槽部分可以包括多个凹槽。一个或多个凹槽可以是周向的。一个或多个凹槽可以位于凹槽部分的径向外表面中。

一个或多个凹槽可具有均匀轮廓。一个或多个凹槽可具有直线轮廓。凹槽可以具有相同配置。可替代地，一个或多个凹槽可以具有不同配置。凹槽部分可以包括三个凹槽。凹槽部分的多个凹槽可以轴向间隔开。

端部环可包括位于第一轴向端部和第二轴向端部之间的倒角部分。倒角部分可以位于端部环的第二轴向端部和凹槽部分之间。

倒角部分的径向外表面可具有线性变化的直径。倒角部分的径向外表面的直径可以沿从端部环的第二轴向端部朝向第一轴向端部的方向限定逐渐变大直径。

倒角部分的径向内表面可具有线性变化的直径。倒角部分的径向内表面的直径可以沿从第二轴向端部朝向第一轴向端部的方向限定逐渐变小直径。

倒角部分的径向内表面的直径可以在比倒角部分的径向外表面的直径变化所在的轴向范围更小的轴向范围上变化。

倒角部分的径向内表面的直径的变化可以小于倒角部分的径向外表面的直径的变化。

在第二方面，提供了根据第一方面的密封元件。

密封元件可以包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体。第一轴向端部可包括锥形表面。第二轴向端部可包括轴向延伸凸出部分，该凸出部分朝向端部环延伸并接收在端部环内。

密封元件的第一轴向端部的锥形表面可以向内渐缩，即，该锥形表面可以沿从密封元件的第一轴向端部朝向第二轴向端部的方向限定逐渐变小直径。

第一轴向端部的锥形表面可以被配置成将施加在密封元件的第一端部表面上的轴向力(例如轴向压缩力)转换成轴向力分量和径向力分量。

密封元件可以进一步包括至少一个偏压元件。

至少一个偏压元件可包括弹簧。

至少一个偏压元件可以是环形的。

至少一个偏压元件可以考靠近密封元件的第一轴向端部。

至少一个偏压元件可被径向向内偏压以响应于由锥形表面响应于轴向设定力而提供的径向力分量而向密封元件提供径向向内力。

至少一个偏压元件可以是环形的。

密封元件可包括多个偏压元件。每个偏压元件可以具有不同的直径。多个偏压元件可以嵌套。

偏压元件可以被密封元件完全或部分地包围，例如，偏压元件可以被封装在密封元件内。

密封元件可包括位于第一轴向端部和第二轴向端部之间的中间部分。中间部分的材料可以是第一材料，并且第一轴向端部的材料可以是第二材料。第一材料可以是硬度小于或等于70的氢化丁腈橡胶(HNBR)。第二材料可以是硬度小于或等于90的HNBR。中间部分和第一轴向端部可以整体形成。

在第三方面，提供了根据第一方面的端部环。

端部环可包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体。端部环的第一轴向端部可以包括凹入部分，该凹入部分被配置成接收密封元件的互补凸出部分。

端部环可包括位于第一轴向端部和第二轴向端部之间的凹槽部分。

凹槽部分可包括单个凹槽。可替代地，凹槽部分可以包括多个凹槽。一个或多个凹槽可以是周向的。一个或多个凹槽可以位于凹槽部分的径向外表面中。

一个或多个凹槽可具有均匀轮廓。一个或多个凹槽可具有直线轮廓。凹槽可以具有相同配置。可替代地，一个或多个凹槽可以具有不同配置。凹槽部分可以包括三个凹槽。凹槽部分的多个凹槽可以轴向间隔开。

端部环可包括位于第一轴向端部和第二轴向端部之间的倒角部分。倒角部分可以位于端部环的第二轴向端部和凹槽部分之间。

倒角部分的径向外表面可具有线性变化的直径。倒角部分的径向外表面的直径可以沿从端部环的第二轴向端部朝向第一轴向端部的方向限定逐渐变大直径。

倒角部分的径向内表面可具有线性变化的直径。倒角部分的径向内表面的直径可以沿从第二轴向端部朝向第一轴向端部的方向限定逐渐变小直径。

倒角部分的径向内表面的直径可以在比倒角部分的径向外表面的直径变化所在的轴向范围更小的轴向范围上变化。

倒角部分的径向内表面的直径的变化可以小于倒角部分的径向外表面的直径的变化。

在第四方面，提供了一种用于井下封隔器设备的零件套件，其包括密封元件和端部环。密封元件可以包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体。第一轴向端部可包括锥形表面。第二轴向端部可包括轴向延伸凸出部分，该凸出部分朝向端部环延伸并接收在端部环内。端部环包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体。端部环的第一轴向端部包括凹入部分，该凹入部分与密封元件的凸出部分互补并且被配置成将凸出部分接收在其中。

在第五方面，提供了一种井下封隔器设备，该设备用于在该设备与孔壁或孔衬里管之间的环形部中建立密封。该设备可以包括密封元件。该设备可以包括端部环。密封元件可以包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体。密封元件的第一轴向端部可包括锥形表面。密封元件的第二轴向端部可包括轴向延伸凸出部分，该凸出部分朝向端部环延伸并接收在端部环内。端部环包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向的环形本体端部。端部环的第一轴向端部包括凹入部分，该凹入部分与密封元件的凸出部分互补并且被配置成将凸出部分接收在其中。

应当理解的是，以上根据本公开的任何方面定义的特征或以下关于任何具体示例性定义的特征可以与在任何其他方面或示例中的任何其他定义的特征单独地或组合地被利用。

附图说明

现在将参考附图，仅以举例的方式描述本公开的这些和其他方面，附图中：

图1是井下封隔器设备的轴向截面图；

图2是图1的井下封隔器设备上的凹槽的细节图；以及

图3是图1的井下封隔器设备的端部立面图。

具体实施方式

首先参考附图的图1和图2，示出了用于在钻井孔的环形部中建立密封的井下封隔器设备10。

设备10被配置用于定位在本体(未示出)上并且可以从第一收入配置(其中设备10限定径向缩回配置)和第二活动配置(其中设备10限定了径向延伸配置)进行重新配置，以用于定位在形成于设备与孔壁或孔衬里管之间的环形空间内。

如图1所示，设备10包括密封元件12和端部环14。设备10具有轴线16，并且设备10包括沿轴线16延伸的通孔18。通孔18延伸穿过密封元件12和端部环14二者。端部环14的内表面62的直径小于密封元件12的内表面58的直径。

密封元件12包括具有第一轴向端部20和第二轴向端部22的环形本体。第一轴向端部20限定锥形表面64。锥形表面64相对于密封元件10的轴线16径向向内渐缩。第一轴向端部20被配置成接收轴向压缩力。锥形表面64将轴向压缩力转换成轴向分量和径向分量。

密封元件12包括靠近第一轴向端部20的偏压组件28。密封元件径向向内偏压，以响应于施加到锥形表面64的轴向压缩力的径向分量而向密封元件12提供径向向内力。偏压组件28设置成圆形形状。偏压组件28靠近密封元件12的外表面50。偏压组件28包括具有不同直径的两个偏压元件52、54。每个偏压元件52、54均是弹簧。小直径偏压元件52放置在由大直径偏压元件54形成的环形孔口中。小直径偏压元件52在大直径偏压元件54内同心。每个偏压元件52、54围绕偏置轴线螺旋地形成，偏置轴线以圆形形状延伸。偏压组件28被密封元件12部分地包围。

密封元件12的位于第一轴向端部20和第二轴向端部22之间的中间部分的材料是硬度为70的氢化丁腈橡胶(HNBR)，并且第一轴向端部20的材料是硬度为90的HNBR。中间部分和第一轴向端部20整体形成。

第二轴向端部22包括呈环形突起30形式的凸出接口部分。环形突起30的内表面56的直径大于密封元件12的内表面58的直径。环形突起30的外表面60的直径小于密封元件12的外表面50的直径。突起30围绕其周向范围连续形成。在其他实施例中，突起是形成齿形接口的多个周向间隔突起。

端部环14包括具有第一轴向端部32和第二轴向端部34的环形本体。端部环14的第一轴向端部32包括呈环形凹口38形式的凹入接口部分。凹口38的几何形状与密封元件12的突出30的几何形状互补。密封元件12的突出30位于端部环14的凹口38中。端部环14支撑密封元件10。经由施加到锥形表面64上的轴向压缩力以使密封元件12径向膨胀而将密封元件12轴向压靠端部环14，从而密封钻井孔中的环形部。

参照图2，端部环14包括凹槽部分40。凹槽部分40在凹槽部分40的径向外表面44中具有三个周向凹槽42。凹槽42的几何形状是均匀的。每个凹槽42具有相同的形状和尺寸。每个凹槽42的形状和尺寸围绕端部环14的周向范围是恒定的。相邻凹槽42之间的轴向间隔是一致的。

参照图3，端部环14还包括位于端部环14的第二轴向端部34与凹槽部分40之间的倒角部分46。倒角部分46的径向外表面48具有线性变化的直径。倒角部分46的径向内表面62具有线性变化的直径。径向内表面62的直径在比径向外表面48的直径变化所在的轴向范围更小的轴向范围上的变化。

径向内表面62的直径变化小于径向外表面48的直径变化。

Claims (18)

1.一种井下封隔器设备，用于在所述井下封隔器设备与孔壁或孔衬里管之间的环形部中建立密封，其特征在于，所述井下封隔器设备包括：

密封元件，以及

端部环；

其中，所述密封元件包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体，所述第一轴向端部包括锥形表面，并且所述第二轴向端部包括轴向延伸的凸出部分，所述凸出部分朝向所述端部环延伸并接收在所述端部环内；并且

其中，所述端部环包括限定通孔、第一轴向端部和第二轴向端部的环形本体，所述第一轴向端部包括凹入部分，所述凹入部分与所述密封元件的所述凸出部分互补并被配置成将所述凸出部分接收在其中。

2.根据权利要求1所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述端部环包括凹槽部分。

3.根据权利要求2所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述凹槽部分在所述端部环的径向外表面中包括多个周向凹槽。

4.根据权利要求3所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述多个凹槽中的每个凹槽具有与所述多个凹槽中的其他一个或多个凹槽相同的几何形状。

5.根据权利要求3所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述多个凹槽包括三个凹槽。

6.根据权利要求4所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述多个凹槽包括三个凹槽。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的井下封隔器设备，其特征在于，对于所有相邻的凹槽而言，相邻的凹槽之间的轴向距离是相同的。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述端部环包括倒角部分。

9.根据权利要求8所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述倒角部分沿从所述端部环的所述第二轴向端部朝向所述第一轴向端部的方向包括逐渐变大直径。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述密封元件包括靠近所述第一轴向端部的偏压元件。

11.根据权利要求10所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述偏压元件是第一偏压元件，并且其中，所述密封元件还包括围绕所述第一偏压元件设置的第二偏压元件，其中，所述第一偏压元件具有的直径小于所述第二偏压元件的直径。

12.根据权利要求10所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述偏压元件被所述密封元件完全或部分地包围。

13.根据权利要求11所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述第一偏压元件和所述第二偏压元件被所述密封元件完全或部分地包围。

14.根据权利要求1-6中任一项所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述密封元件包括位于所述第一轴向端部与所述第二轴向端部之间的中间部分，其中，所述中间部分由第一材料形成，并且其中，所述第一轴向端部由与所述第一材料不同的第二材料形成。

15.根据权利要求14所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述第一材料是硬度小于或等于70的氢化丁腈橡胶。

16.根据权利要求14所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述第二材料是硬度小于或等于90的氢化丁腈橡胶。

17.根据权利要求14所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述中间部分和所述第一轴向端部整体形成。

18.根据权利要求1-6中任一项所述的井下封隔器设备，其特征在于，所述端部环具有直径小于所述密封元件的内表面的直径的内表面。

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