JPH0233837B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高圧油田で使用する30000psi（2100
Kg／cm²）までの範囲の圧力に耐え得るウエルヘツ
ド装置をシールするためのシールリング及びその
シール組立体に関する。さらに詳しくは、
30000psi（2100Kg／cm²）までの範囲の圧力に耐え
得るウエルヘツド装置をシールするためのシール
装置に関する。

深い井戸を掘つてそこから流体を産出する場合
に生じる主な問題は、これらの井戸の形態に起因
する高圧の問題である。最近の深いガス井は、最
高30000psi（2100Kg／cm²）の坑底圧で操作される
ことが知られている。20000psi（1400Kg／cm²）を
越える圧力に関して、ウエルヘツドのシール設計
を行なう場合、質的に異る一連の技術上の問題が
ある。すなわち漏出を最小に抑えるというシール
本体の問題に加えて、坑底圧が高いことや腐食性
のガスの存在によつて、高圧シールはより困難と
なる。産出装置は深い場所で使用され、装置自体
が複雑であるために、超高圧下で使用するこれら
装置を設計する場合、実際に産出操作をする前に
定位置に設置してテストができるようにする必要
がある。つまり、取りはずしが迅速かつ安価にで
きる段階で、設置位置が不適正であることを検出
して、修正しておく必要がある。

従来のものでは、ベルビルのシール装置がよく
知られているが、これは通常の圧力で使用する場
合には十分なシール効果を有する。しかし、通常
の圧力においても、圧力変動すなわち圧力の逆転
がある場合、ベルビルのシールでは一般に弾性に
欠けるため、低圧シールにおいて損失を生じる。
従つて、動作圧と向きが逆のテスト圧に対して、
ベルビルのシールを適用できない。

ケーシングハンガを設置する場合、一担このケ
ーシングハンガを坑内に設置すると、通常このケ
ーシングハンガに掛止されたケーシングストリン
グの重さによつてシールされる。このケーシング
ハンガ上にヘツドを設置した時点で、このケーシ
ングハンガとヘツドの間の中間シールが完全であ
るかどうか検査する必要がある。ほとんどの先行
技術においては、設計上動作圧側以外の方向から
圧力テストをすることができないものである。一
方向性の金属シールにテスト圧を加えると、マン
ドレルおよびボアが損傷を受けることがたびたび
ある。これは、ベルビルのシールがその表面にめ
り込むことによつて、圧力変動がある場合には、
シール効果がなくなるためである。低圧（設定
圧）シールおよび高圧（動作圧）シールを行なう
ために、従来技術においては、主となる金属シー
ルに加えて、複合弾性材／金属シールや一連のシ
エブロン弾性材パツキンを採用している。前記金
属シール間には、シール用のテスト圧が加えられ
る。しかし、サワーガスに使用する場合や高圧お
よび最高350〓（177℃）の高温下で使用する場合
には、このような弾性材シールの使用は著しく制
限され、一時的なテストシールとしてしか適用で
きない。

従来技術についていうと、円錐台形のテーパシ
ール用には軟金属がよく使われている。例えば、
エイチ・シー・スリフト（Ｈ・Ｃ・Thrift）によ
る米国特許第1323660号には、ケーシング上に適
合させたスリーブより成るウエルキヤツプ装置が
開示されている。このスリーブはくさび形のスリ
ツプによつて、ケーシングに押し付けられ、その
内面にはのこ刃状に円弧状の刃が形成され、ケー
シングの壁面と係合する。くさび形のスリツプと
スリーブ底部のフレアー状のカラーとの間には鉛
等の非常に軟かい金属製の円錐台形のリングが数
本配設される。急に吹き出しが起ると、ケーシン
グ圧によつて、円錐形のリングがスリツプとカラ
ーの間に押し付けられる。リングは軟金属ででき
ているので平坦にすることができる。従つて、ケ
ーシングとスリーブの間に密接係合ジヨイントを
形成することができる。しかし、鉛には靭性、延
性および弾性がない。従つて周辺部の応力および
伸びが大きい場合にはそれを支持できず、さら
に、圧力が減少しても元の形状に戻らない。鉛の
シールリングと内外面の間隔が零に近い場合、鉛
のシールリングは加圧によつて生じるフープ応力
を乱す。半径方向の面にそつて高いシール圧を加
えるためには、フープ応力はシールリングを半径
方向に弾性的に膨張させ得る大きさでなくてはな
らない。

ホイーラ（Wheeler）の米国特許第2090956号
においては、非金属のポーラス材で形成した円錐
台形のパツキングが採用してある。これらのパツ
キンリングは、類似した形状のアダプタリングの
間に、縦方向に圧縮されている。このアダプタリ
ングの傾斜面の間で、軟かいパツキンリングは、
平坦にされると共に内外のシール面によつて半径
方向に押圧される。

レイン（Layne）の米国特許第2120982号には、
同心のケーシングストリングの内側内径と接触す
る鉛スリーブを使用した坑底パツカーが開示され
ている。別の実施例においては、鉛で形成した結
合用の円錐台形のくさびリングを使用している。
このリングは、ライナーおよびケーシングを螺合
して、組立て圧を加えた場合に圧縮され、内外の
直径面間のシール接触が向上する。しかし、ライ
ナーとケーシングの間にはギヤツプがあるため、
鉛のくさびリングは外側にフレアー状にして、シ
ールすることがでできるようにする必要がある。
これらのくさびリングはリツプシール型の作用を
し、方向性のない確かなシールが形成される。

ラインの米国特許第2135583号には、組み合せ
パツカーが開示されている。このパツカーは軟か
い鉛シールを使用し、フアブリツクすなわち第２
の軟金属パツキンをバツクアツプして、信頼性を
向上させている。このパツキンは、バイプストリ
ング重さによつてセツトされ、円錐台形に圧縮さ
れる。

リトルジヨンの米国特許第3347319号は、大径
のケーシングをつるす方法および装置に関する。
３角形の断面を有する内部つり下げリングは、ケ
ーシングの大きいストリング内部に溶接される。
一般に円錐台形をしたテー状の外部つり下げリン
グは、短かいケーシングの外部に固定される。こ
の発明において、金属相互のシールに関する２つ
の主な目的は、突起を形成して後続のケーシング
をつるすことと、ケーシングを補強して外方向に
かかる圧力によるケーシングの損傷をなくすこと
である。この場合、シール機能を行なわせるもの
とは思われないしまた、達成されてもいないと思
われる。

コーターの米国特許第3436084号には、弾性の
パツカー部材を有するパツカーが開示されてい
る。これらのパツカー部材は、加圧下で弾性材の
変形をなくすためのものである。この変形可能な
パツキン部材の周縁にそつて配設された一連の円
弧状の部材は、離間した垂直のカツトによつて形
成される。これらの円弧状の部材は、係合垂直端
面上に成形された金属または硬質プラスチツク製
の面板を有し、この面板を介して補強用のスライ
ドピンが連結され、パツキン部材自体が外側に付
勢されている場合、加圧下でこのツキン部材が縦
方向に変形を防ぐ。

ハインズ等の米国特許第3797864号には、ウエ
ルケーシングハンガが示されている。このハンガ
は変形可能なシールを有し、このシールを圧縮し
た場合に、このシールはケーシングハンガ本体お
よび別の本体の対向する円筒壁と係合してシール
される。このシールは円筒状の弾性体と、弾性部
材のコーナーに設けられた金属スカートすなわち
エンドリングとの複合体である。このエンドリン
グは辺縁リツプを有し、このリツプが相対して変
形し、円筒壁と係合して金属同士のシールが行な
われる。このように金属リングは主に弾性部材に
対する押し出し防止装置として作用する。

マーチンの米国特許第3902743号は、分割リン
グ台座を有する取りはずし可能な支持シヨルダ装
置に関する。この装置は掘削操作時にケーシング
ヘツドの上部出入口からの大型の坑底装置の操作
を容易にするためのものである。このシヨルダ装
置の延出部において、分割リング台座は基本的に
円形の台座面となつており、ケーシングハンガや
ヘツド内の他の装置を適宜しつかりと支持するこ
とができる。この位置で、台座は円錐台形のテー
パ状の台座面となつており、シール機能を持たな
い。

この発明は従来技術における問題点や欠陥を克
服する。特に圧力を両方向から加えることができ
るので、動作圧に対して反対方向からシールをテ
ストすることができる。この発明の別の利点は、
次の詳細な説明によつて明らかにされるだろう。

管状ハンガー内において、金属シールリングが
支持リングとマンドレルシヨルダの間に装着さ
れ、30000psi（2100Kg／cm²）までの高圧に対して
軸方向どちらの方向に対してもシールできる。好
ましい実施例においては、上下のシールは、チユ
ービングハンガー、ケーシングハンガーすなわち
マンドレルと、チユービングヘツドすなわちケー
シングヘツドとの間の環状部に装着される。下側
のシールに加えられる組立圧すなわち設定圧は、
シールリング上部に配設される支持リングを介し
て伝えられる。チユービングすなわちケーシング
の重さによつて得られる。予め組み立てた位置に
おいてシールリングの軸方向（縦方向のテーパ）
の支持面と、シールリングの垂直（半径方向）シ
ール面とのなす角は28゜である。組み立てた状態
において、シールリングの支持面はチユービング
ハンガーおよび支持リングの係合面に従つて変形
し、この角度は30゜となる。

予圧または動作圧をシール組立体に加えると、
これらの圧力はそれぞれのシールリングに作用し
て押し出し圧を加える。このシール面に加わる押
し出し圧は半径方向（内側および外側の双方）に
作用する。支持面に対して垂直な反力によつて半
径方向の分圧を生じる。この分圧によつて、内側
支持面と外側支持面にほぼ等しい接触圧を生じる
このようにして、環状部は上下からの圧力に対し
て十分にシールされる。従つて、動作圧に対して
反対方向に、動作圧に相当するテスト圧を加える
ことによつて、産出操作を始める前にシール装置
全体をテストすることができる。

次にこの発明の一実施例を図面に基づいて説明
する。第１図はこの発明の代表的な実施例を示す
図である。ウエルヘツドすなわちチユービングヘ
ツド１０はチユービングハンガー２０を支持して
いる。そのチユービングハンガー２０はチユービ
ングヘツドアダプタ３０および固定螺子２１によ
つて定位置に支持されている。チユービングヘツ
ド１０とチユービングハンガー２０はシール組立
体４０によつて坑底圧に対してシールされ、チユ
ービングハンガー２０とチユービングヘツドアダ
プタ３０はシール組立体５０によつて坑底圧に対
してシールされる。金属ガスケツトシール１２
は、チユービングヘツド１０およびチユービング
ヘツドアダプタ３０のそれぞれの対向面２４，２
６に形成された環状溝１８，２２の壁面１４，１
６と係合してシールが行なわれる。チユービング
ヘツド１０の周にそつて形成された孔３２にチユ
ービングヘツドアダプタボルト２８が通され、チ
ユービングヘツドアダプタ３０の図中３４で示し
た位置を螺合される。第１図に示すように、この
発明は、ここで参照する油田用装置とその用法と
いう1980−81年の複合カタログの4909ページに記
載された単一のストリングコンプリーシヨン
（String Completion）におけるこの発明の使用
方法に関するが、前記カタログの4910ページに記
載された多数を並行させたストリングコンプリー
シヨンにも適用できる。チユービングヘツド１０
（ウエルヘツド）は別のウエルヘツド（ケーシン
グヘツド）上に載置され、このケーシングヘツド
内には、前記参照カタログに示された一連のパイ
プ（ケーシング）がシールされた状態で支持され
る。また、前記パイプ（ケーシング）に連結され
た第１図に示したチユービングパイプ２５は坑
井、例えば産出累層内に延出する。

チユービングヘツド１０の内部には端ぐり３６
が形成してあるが、この端ぐり３６には下向きの
テーパ状に加工した円錐台形の上面を有するシヨ
ルダ３８が形成してある。このシヨルダ３８は、
チユービングハンガー２０に形成した上向きのテ
ーパ状に加工した環状の円錐台形の下面を有する
シヨルダ４２と支持係合する。前記両シヨルダ３
８，４２の支持係合によつて、チユービングハン
ガー２０はチユービングパイプ２５を井戸内に支
持できる。また、この両シヨルダ３８，４２によ
つて、チユービングハンガー２０が最終的にチユ
ービングヘツド１０内へ進入する距離を制限す
る。

チユービングヘツド１０の円錐台形のシヨルダ
３８の下方には、小径部すなわちシール用の端ぐ
り４４が形成してある。この端ぐり４４には、下
向きのテーパ状に加工した円錐台形の上面を有す
るシヨルダ４６が形成してあり、これに、シール
組立体４０が支持される。チユービングハンガー
２０に形成した円錐台形の下面を有するシヨルダ
４２は、テーパ状に加工した環状の円錐台形の下
面を有する動作シヨルダ４８を有する。この動作
シヨルダ４８の外径５２は、チユービングヘツド
１０の端ぐり４４に対して抜差できる大きさであ
る。チユービングハンガー２０の外径にそつて、
シール組立体４０の下方には、リテナーリング９
４が配設してある。このリテナリング９４によつ
て、チユービングハンガー２０を着脱する場合
の、シール組立体４０の下方への移動が制限され
る。

チユービングヘツドアダプタ３０には、小径部
すなわちシール用の端ぐり５４が形成してある。
この端ぐり５４の直径は、チユービングハンガー
２０の動作シヨルダ４８の外径５２とほぼ同じて
ある。第１図の組立体によれば、チユービングハ
ンガ２０には、下向きのテーパ状に加工した円錐
台形の上面を有するシヨルダ５８が形成してあ
り、このシヨルダ５８に対して固定螺子２１が適
合される。チユービングハンガー２０のシヨルダ
５８の上方には、環状面６２が形成してあり、チ
ユービングヘツド１０に形成した端ぐり３６と対
向する。

端ぐり５４には、上向きのテーパ状に加工した
環状の円錐台形の下面を有するシヨルダ６６が形
成してあり、これがシール組立体５０と係合す
る。。チユービングハンガー２０は、面６２の上
方に小径のシール部すなわち支持面６８を有する
と共に、面６２内に小径部を有する。支持面６８
は平滑に仕上げてある。例えば、RMS54又はそ
の他の研削方法によつて研削される。支持面６８
には、下向きのテーパ状に加工した円錐台形の上
面を有するシヨルダ７０が形成してあり、これが
シール組立体５０と係合する。従つて、シール組
立体５０は、チユービングヘツドアダプタ３０の
端ぐり５４内において、チユービングハンガー２
０の支持面６８と、チユービングヘツドアダプタ
３０およびチユービングハンガー２０のシヨルダ
６６，７０内に配設される。

チユービングヘツドアダプタ３０は小径部７２
を有し、この小径部の直径は、端ぐり５４の内径
より小さい。上方から、すなわち坑底圧の方向に
テストをする必要がある場合、小径部７２の上端
７６とシール組立体５０の上部の間に可塑性のテ
ストパツキンすなわちシユブロン（Cheron）テ
ストパツキン７４を、小径部７２の上端７６とシ
ール組立体５０の上部との間に配設することがで
きる。

この組立体において、チユービングハンガー２
０とチユービングヘツド１０の間に環状部８０が
形成される。チユービングハンガー２０およびチ
ユービングパイプ２５の下部には、チユービング
ヘツド１０とチユービングパイプ２５とで環状部
８２が形成される。シール組立体５０の上部、例
えばテストパツキン７４と上部支持リング１１０
との間には、小さい環状部８４が形成される。チ
ユービングハンガー２０に形成された流路８８お
よびチユービングハンガー２０の上端のテストパ
ツキン７４を介して、坑底圧が伝わり、シール組
立体４０の下方の環状部８２を圧縮し、環状部８
４を圧縮する。シール組立体４０，５０の機能の
ひとつは、環状部８０に坑底圧を伝えないように
することである。

この発明の主な目的のうちのひとつは、シール
組立体４０，５０を軸方向上下いずれかの加圧に
よつてもシールテスト可能に構成することであ
る。チユービングヘツドアダプタ３０の半径方向
には上部テストポート９０と下部テストポート９
２が形成され、この両者によつて、それぞれシー
ル組立体５０および４０にテスト圧が加えられ
る。シール組立体５０上部チユービングヘツドア
ダプタ３０内の小径部７２内に配設されたテスト
パツキン７４によつて、上部テストポート９０を
介して、上部からシール組立体５０にテスト圧が
加えられる。これによつてシール組立体５０の圧
力テストを行なうことができる。下部テストポー
ト９２によつてテスト圧を加えて、シール組立体
４０，５０を同時にテストすることができる。こ
の発明のシール組立体は両方向にシール能力があ
るため、テスト圧は設定圧（上部テストポート９
０を介してシール組立体５０に加えられるような
圧力）と同じ方向から加える必要はなく、ひとつ
の下部テストポート９２によつて両方のシール組
立体５０，４０にテスト圧を加えることができる
（これによつて、設定圧と反対方向に圧力をけて
シール組立体５０をテストすることができる）。

第２図を参照して、シール組立体５０を詳しく
説明すると、これはチユービングヘツド１０をチ
ユービングヘツドアダプタ３０に締着する前の状
態における、シール組立体５０の拡大図である。
シール組立体４０はシール組立体５０と設計およ
び機能を同じくするもの（取り付けの向きだけが
異る）であり、第２図に示したシール組立体５０
の機能および構造に関する詳細な説明は、シール
組立体４０にそのまま類推適用できるので、シー
ル組立体４０に関する詳細な説明は省略する。

シール組立体５０はシールリング１００および
上記支持リング１１０を有する。前記のように、
チユービングハンガー２０に形成した下向きのテ
ーパ状に加工した円錐台形の上面を有するシヨル
ダ７０上に、シール組立体５０が配設される。シ
ール組立体５０は、チユービングヘツドアダプタ
３０の端ぐり５４およびチユービングハンガー２
０の支持面６８内に配設される。シールリング１
００はチユービングハンガー２０に形成された円
錐台形のシヨルダ７０上に載置され、上部支持リ
ング１１０は、チユービングヘツドアダプタ３０
に形成した上向きのテーパに加工した円錐台形の
下面を有するシヨルダ６６と係合する。

シールリング１００の動作について詳細に説明
するために、シールリング１００の４面を次のよ
うに定める。すなわち、上側支持面１０２、下側
支持面１０４、内側シール面１０６、外側シール
面１０８である。上側支持面１０２は上部支持リ
ング１１０と係合し、下側支持面１０４はチユー
ビングハンガー２０に形成した円錐台形のシヨル
ダ７０と係合する。内側シール面１０６はチユー
ビングハンガー２０の支持面６８と係合し、外側
シール面１０８はチユービングヘツドアダプタ３
０の端ぐり５４の面と係合する。

第２図に示すように、シールリング１００の断
面形状は通常平行四辺形である。シールリング１
００の断面において、上側支持面１０２と内側シ
ール面１０６、および下側支持面１０４と外側シ
ール面１０８とがなす角度Ａは、締着前において
は28゜にするのがよい。上側支持面１０２と外側
シール面１０８の交点と、下側支持面１０８と内
側シール面１０６の交点を結ぶ対角線と、前記支
持面１０２とシール面１０８の交点を通り外側シ
ール面１０８に垂直な線とがなす角をＢとする。
締着前においては、角度Ｂは17゜ないし20゜にする
のがい。円錐台形のシヨルダ７０のテーパ面と、
支持面６８とのなす角度は150゜にするのが好まし
い。

上部支持リング１１０は円錐台形の下面１１２
を有し、シールリング１００の円錐台形の上側支
持面１０２と協働する。上部支持リング１１０は
円錐台形の上面１１４を有し、チユービングヘツ
ドアダプタ３０に形成した円錐台形の下面を有す
るシヨルダ６６と協働係合する。

チユービングヘツドアダプタ３０をチユービン
グヘツド１０に組み付けると、円錐台形のシヨル
ダ６６によつて、上部支持リング１１０に対して
押し付け圧が加わり、シールリング１００の上側
支持面１０２に対して垂直に設定圧が加えられ
る。この垂直圧（矢印で示す）によつて、ハンガ
ー２０のシヨルダ７０からシールリング１００の
下側支持面１０４に向つて垂直に反力（矢印で示
す）を生じる。上部支持リング１１０およびシヨ
ルダ７０に作用して、シールリング１００の上側
支持面１０２および下側支持面１０４にそれぞれ
垂直に加わる力は、半径方向の外側および内側に
向う分力（矢印で示す）を有する。このため、内
側シール面１０６からチユービングハンガー２０
の支持面６８に対して加えられる圧力と、外側シ
ール面１０８からチユービングヘツドアダプタ３
０の端ぐり５４の壁面に加えられる圧力はほぼ等
しくなる。

逆に、シール組立体５０を設定した後に、下部
テストポート９２を介して下側支持面１０４にテ
スト圧を加えると、下側支持面１０４に垂直な押
し付け圧を生じ、さらに、上部支持リング１１０
によつて、上側支持面１０２に垂直な反力が加わ
る。これらの力に起因する上側支持面１０２およ
び下側支持面１０４に垂直に加わる力の半径方向
の成分は、ほぼ等しく配分され、チユービングハ
ンガー２０の支持面６８およびチユービングヘツ
ドアダプタ３０の端ぐり５４の壁面に対する接触
圧を高める。従つて、シールリング１００は、上
方または下方から作用を受けて、２方向に作用
し、内側シール面１０６および外側シール面１０
８に対し、ほぼ等しい圧力を加える。環状部８４
に坑底圧が加えられたり、上部テストポート９０
からテスト圧を加えたりすると、シールリング１
００は軸にそつて上方から下のシヨルダ７０に押
し付けられる。

従来の金属シールリングは、非常に薄いワツシ
ヤ型の円錐台形のリングである。第２図に示した
好ましい実施例においては、シールリング１００
の厚さを調節する角度Ｂは、従来のシールリング
に比べてかなり大きくしてある。従来のワツシヤ
型すなわちベルビル（Beleville）のシールリン
グは、設定圧や動作圧を加えると、軸方向に平坦
になる。また、従来のシールリングでは、テーパ
状の支持リングは使用されない。一般に平坦な圧
力伝達面の間に挾着すると、このような薄いシー
ルリングの内径は減少し、外径は増大する。この
ため、ハンガーや本体を変形させ、ベルビルのワ
ツシヤは半径方向のシール面にそつて変形させら
れる。このような変形を受けると、圧力変動を加
えて最高圧が増減する場合に、低圧シールにおい
て損失を生じる。

一方、この発明の２方向性のシールリング１０
０は加圧シールである。この場合、起り得るすべ
ての塑性変形は、シールリング設定時に起るよう
に設計されている。従つて、シールリング１００
自体は、十分に封じ込ませて、接触圧を生じさせ
る必要がある。また、使用される材料の降伏応力
は、作用圧力のどちらの方向からかけられても作
用圧力の全範囲にわたつてそれ以上の塑性変形が
生じないような降伏応力を選定する必要がある。

圧力に変動がある場合の超高圧シールや低圧が
続く場合のシール、および２方向性のシールを行
なうのに必要な因子は次の３つである。(i)シール
リング１００の厚さ。(ii)シールリング１００の円
錐台形の支持面のテーパ角。(iii)シールリング１０
０、上部支持リング１１０およびシヨルダ６６，
７０，４８，４６の各支持面またはシール面と相
互作用をする材料の相対降伏強度。

シールリング１００の厚さは角Ｂによつて調節
される。厚さは加えられる動作圧およびその動作
圧によつて生じる接触応力の関数である。設定圧
（動作圧の加減には無関係）に起因するフープ応
力は、シールリング材の降伏強度より大きくしな
くてはならないが、リングが破損するに至る最終
強度よりも小さくしておく必要があり、また係合
部材内で損傷を受ける応力より小さくしておく必
要がある。シヨルダ６６，７０および４６，４８
は、シールするのに必要な正しい圧力を付与し得
る大きさである（この圧力は一般にチユービング
の重さより小さく、固定螺子を使用して適当な大
きさに調節できる）。設定圧は反対方向から加え
られる圧力より大きくする必要がある。また、こ
の設定圧は高いので、設定時にすべての塑性変形
が行なわれる。チユービングヘツド１０内のシヨ
ルダ４６に支持された上部支持リング１１０の弾
性および塑性変形によつて、シールリング１００
に加えられ得る予圧の総量が制限される。

この発明の好ましい実施例で採用している幾可
学的形状は、設定（第３図）後には、約30゜のテ
ーパ角（角Ａ）をなす。直径４〜８インチ（10〜
20cm）で、断面が最高1/2インチ（1.3cm）のシー
ルリング１００においては、角Ａによつて軸方向
の動作圧から半径方向の正しい分圧を生じる。こ
れによつて、全シール面（半径方向）に圧力が加
えられるが、その圧力はシールリング１００の降
伏強度限界より大きく、マンドレルすなわちチユ
ービングヘツド面の降伏強度限界より小さい。

この発明の好ましい実施例において、シールリ
ング１００は焼鈍した316ステンレスで形成され、
降伏強度は30000〜35000psi（2100〜2450Kg／cm²）
である。上部支持リング１１０は合金または炭素
鋼で形成され、約50000psi（3500Kg／cm²）の降伏
強度を有する。チユービングヘツド１０、チユー
ビングハンガーおよびチユービングヘツドアダプ
タ３０用の材料は、サワーガスに使用したり、高
圧のもとで使用する場合、ブリネル硬度210〜
235、降伏強度約75000psi（5250Kg／cm²）である。
シール材は軟かくて降伏し易く、支持面４９，６
８およびシヨルダ４８，７０におけるいかなる不
整にも順応し、しかも加えられた圧力に耐え得る
強いものでなくてはならない。この発明のシール
リング１００に使用した316ステンレスでは、動
作圧30000psi（2100Kg／cm³）が降伏強度の限界で
ある。従つて、井戸内のシールリング１００は塑
性変形し、（このシールリングより硬い）上部支
持リング面またはシヨルダ面に従つて変形する。
この場合、シールリング１００は十分な弾性を保
つているので、さらに圧力が加わつてもそれ以上
塑性変形することはなく、支持リングやシヨルダ
ーに永久損傷を与えることもない。さらに設定圧
に対して反対方向から圧力を加えると、半径方向
の圧力成分を生じ、その状態においてさえシール
の接触が不十分になることはない。これは、シー
ルリングに対して支持リングとシヨルダとが対称
な結合構造をとるからである。シールリング材、
すなわち316ステンレスは、十分な弾性複元力を
有し、予め圧力を加えた形状に戻ることができる
ので、ボアを傷づけずにシール組立体を取りはず
すことができる。チユービングハンガー２０は定
位置に何年間も保持されるべきものであるが、必
要であれば相手のシール面を損傷することなく取
りはずし得ることが必要とされる。

従つて、シールリング１００用の材料は、上部
支持リング１１０、ヘツドおよびチユーピングハ
ンガーの熱膨張率とほぼ等しい熱膨張率を有する
材料であつて、動作温度が上昇した場合、シール
組立体内の過圧または環状のギヤツプを避けるこ
とができるものでなくてはならない。シールリン
グ１００は非常に高いフープ応力を受けるため、
高弾性材で形成する必要がある。また、この材料
は超高圧のもとで、シールの接触を保ち得るもの
でなくてはならない。下部テストポート９２から
テスト圧が加えられると、チユービングヘツド１
０は、環状部８０内に保たれた圧力のもとで半径
方向の外側に向つて（従つて外側シール面１０８
から離れる方向）膨張し、同時に、チユービング
ハンガー２０は半径方向の内側に向つて（従つて
内側シール面１０６から離れる方向）圧縮され
る。シールリング１００はこのような動作に従動
し、シール面１０６，１０８にそつてシールの接
触を保つことができる。鉛のような弾性に乏し
く、可塑性の高い材料は、軸方向のみの圧力には
耐性を有するが、半径方向の膨張を受ける際に必
要な引張り強度および延性がない。圧力変動およ
びシール組立体４０，５０の取りはずしの際に、
ボアが損傷を受けてはならないため、シールリン
グ１００用の材料には高い弾性も要求される。

第３図には、第１図および第２図の好ましい実
施例の変形が示してある。第３図の部材におい
て、第１図および第２図と共通のものには同一の
参照番号を付した。第３図には変形シールリング
２００が示してある。シールリング２００は上側
支持面２０２、下側支持面２０４、内側シール面
２０６および外側シール面２０８を有する。上側
支持面２０２は上部支持リング１１０と係合し、
下側支持面２０４は、チユービングハンガー２０
の円錐台形のシヨルダ７０の上面と係合する。内
側シール面２０６はチユービングハンガー２０の
支持面６８と係合し、外側シール面２０８はチユ
ービングヘツドアダプタ３０の端ぐり５４の壁面
と係合する。

第３図に示すように、シールリング２００の断
面は、第２図の場合と同様に平行四辺形である。
第３図のシールリング２００を組み立てた状態で
は、支持面２０２とシール面２０６および２０４
と２０８によつて形成される角Ａは30゜であり、
それぞれ、チユービングハンガー２０のシヨルダ
７０および上部支持リング１１０の接触面１１２
との係合角である。前記の如く、シールリング１
００，２００において、下側シール面１０４と外
側シール面１０８、および下側支持面２０４と外
側支持面２０８によつて形成される角は、予圧を
加えた状態では約28゜である。しかし、設定圧を
加えると、シールリング１００，２００内にフー
プ応力が生じ、上部支持リング１１０とチユービ
ングハンガー２０のシヨルダ７０とがなす角30゜
に従つて変形する。

上側支持面２０２と外側シール面２０８の交点
と、下側支持面２０４と内側シール面２０６の交
点とを結ぶ対角線と、前記支持面２０２とシール
面２０８との交点を通り外側シール面２０８に垂
直な線とがなす角をＢとする。この角Ｂは第３図
に示す組立状態では、15゜にするのが好ましい。

好ましい実施例におけるシールリング１００と
シールリング２００の主な違いは、内側シール面
２０６に３角形の断面形状を有する２つ（または
それ以上）の溝２１０，２１２を設け、外側シー
ル面２０８にも２つ（またはそれ以上）の同様の
溝２１４，２１６を形成したことである。溝２１
０，２１２および２１４，２１６によつて、チユ
ービングハンガー２０の支持面６８と内側シール
面２０６の接触量、およびチユービングヘツドア
ダプタ３０の端ぐり５４の壁面と外側シール面２
０８の接触面積をそれぞれ減する。このように、
接触面積が減ると、低圧において塑性変形を生じ
る。また、接触面積が減ると、初期の接触圧は非
常に高くなり、低圧におけるシール能力が高ま
る。圧力が高まると、３角形の溝２１０，２１
２，２１４，２１６の頂点Ｃは圧迫されて拡くな
る。従つて、最大接触圧を設計上の許容範囲内に
押えるのに必要な付加接触面が得られる。

この発明の好ましい実施例をここに開示した
が、当業者であれば、この発明の精神を逸脱する
ことなく変形できよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のシールを使用した装置の断
面図、第２図はこの発明のシールリングの拡大断
面図、第３図はこの発明の別の実施例の断面図で
ある。 １０……チユービングヘツド、２０……チユー
ビングハンガ、２５……チユービングパイプ、３
０……チユービングヘツドアダプタ、３８，４
２，４６，４８，５８，６６，７０……シヨル
ダ、４０，５０……シール組立体、８０，８２，
８４……環状部、９０……上部テストポート、９
２……下部テストポート、１１０……上部支持リ
ング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内側管状部材の円筒状外壁面と、内側管状部
   材のまわりに同心に配置された外側管状部材の円
   筒状内壁面との間で、一方が他方に向かつて軸方
   向に可動な、互いにほぼ平行で共に勾配のある上
   方及び下方の押圧面によつて上方から囲まれる環
   状空間内に装着される高圧ウエルヘツド用のシー
   ルリングであつて、シールリング本体は弾性と延
   性の高い金属で形成され、その断面が平行四辺形
   で、前記円筒状の外壁面及び内壁面にそれぞれ隣
   接する内側及び外側のシール面と、前記上方及び
   下方の押圧面にそれぞれ隣接する上側及び下側支
   持面とを有し、上側及び下側支持面は非荷重時
   に、隣接する前記押圧面よりは少しきつい勾配を
   有し、かつ断面の半径方向の幅に対する軸方向の
   厚みの比率が高く、このシールリングに上下の押
   圧面によつて軸方向に圧縮荷重がかけられると、
   リング本体は断面を変形し上側及び下側支持面の
   勾配をそれぞれ隣接の押圧面の勾配と一致して互
   いに接触しかつ前記内側及び外側シール面を前記
   内外管状部材の円筒状外壁面及び内壁面にそれぞ
   れシール係合するように接圧を高めて半径方向内
   方及び外方へ押し付け、上下いずれの方向からの
   作動圧力にも適応することを特徴とするシールリ
   ング。 ２ 前記延性金属が316ステンレス鋼を含む特許
   請求の範囲第１項に記載のシールリング。 ３ 前記延性金属が加えられる圧力と同じ程度の
   強さの降伏強さを有する金属を含む特許請求の範
   囲第１項に記載のシールリング。 ４ 前記内側シール面と外側シール面がそれらシ
   ール面と前記内外の円筒状壁面との間の接触応力
   を調節するためにそれぞれのシール面に少なくと
   も１つの環状溝を有する特許請求の範囲第１項に
   記載のシールリング。 ５ 前記外側シール面と前記下側支持面で画成さ
   れた角度が、隣接押圧面の軸方向となす角度が
   30゜であるのに対して、非荷重状態でおよそ28°で
   ある特許請求の範囲第１項に記載のシールリン
   グ。 ６ 高圧ウエルヘツド用のシール組立体であつ
   て、第１の金属製耐圧管状体と、この第１の耐圧
   管状体の内側に同心状に配設されて第１管状体と
   の間で環状空間を形成する第２の金属製耐圧管状
   体と、この環状空間に配設されその断面が平行四
   辺形で、第１管状体の内壁面と第２管状体の外壁
   面にほぼ平行する外側及び内側のシール面と、上
   側及び下側の勾配状の支持面とを有し、また断面
   における半径方向の幅に対する軸方向の厚みの比
   率を高くして、弾性と延性の高い金属で造られた
   シールリングと、前記環状空間内に配設されて前
   記金属製シールリングの一方の支持面に係合する
   第１の勾配押圧面を有する第１の環状支持リング
   と、前記環状空間に隣接配置されて前記金属製シ
   ールリングの他方の支持面に係合する第２の勾配
   押圧面を有する第２の環状支持部材とから成り、
   前記環状支持リングは流体圧を受けると環状支持
   部材との間にシールリングを圧縮するために軸方
   向に可動であり、シールリングの上下の支持面は
   非荷重時には前記支持リング及び支持部材の勾配
   押圧面より2°ほどきつい勾配を有し、シールリン
   グが隣接の支持リングに押圧されると、シールリ
   ングの上下の支持面がそれぞれ前記各押圧面と同
   一面で互いに接触しかつシールリングの内側及び
   外側シール面が前記第１及び第２の耐圧管状体の
   隣接壁面にそれぞれ密封係合するように半径方向
   に加圧されることを特徴とするシール組立体。 ７ 前記シールリングが316ステンレス鋼で作ら
   れている特許請求の範囲第６項に記載のシール組
   立体。 ８ 前記シールリングが加えられる圧力と同じ程
   度の強さの降伏強さを有する金属で作られている
   特許請求の範囲第６項に記載のシール組立体。 ９ 前記内側シール面と外側シール面がそれらシ
   ール面と前記内外の円筒状壁面との間の接触応力
   を調節するためにそれぞれのシール面に少なくと
   も１つの環状溝を有する特許請求の範囲第６項に
   記載のシール組立体。 １０ 前記外側シール面と前記下側支持面で画成
   された角度が、隣接肩面の軸方向となす角度が
   30゜であるのに対して、非荷重状態でおよそ28゜で
   ある特許請求の範囲第６項に記載のシール組立
   体。 １１ 高圧ウエルヘツド用のシール組立体であつ
   て、第１の金属製耐圧管状体と、この第１の耐圧
   管状体の内側に同心状に配設されて第１管状体と
   の間で環状空間を形成する第２の金属製耐圧管状
   体と、この環状空間に配設されその断面が平行四
   辺形でかつ同断面が前記管状体の壁面にほぼ平行
   に隣接する内側及び外側のシール面と、上側及び
   下側の勾配状の支持面とを有し、断面における半
   径方向の幅に対する軸方向の厚みの比率を高くし
   て、弾性と延性の高い金属で造られたシールリン
   グと、前記環状空間内に配設されて前記金属製シ
   ールリングの一方の支持面に係合する第１の勾配
   押圧面を有する環状支持リングと、前記環状空間
   に隣接配置されて前記金属製シールリングの他方
   の支持面に係合する第２の勾配押圧面を有する環
   状支持部材とから成り、前記環状支持リングは前
   記シールリングの降伏強さよりも大きい降伏強さ
   を有する金属材料から作られており、断面が台形
   で、内側及び外側の円筒面と上側及び下側の勾配
   のある荷重伝達面を有し、前記環状支持部材は前
   記耐圧管状体の前記環状空間に面する勾配のある
   シヨルダ面として形成され、このシヨルダ面及び
   前記荷重伝達面が共に軸方向周面に対してほぼ
   30゜角度を有することを特徴とするシール組立体。 １２ 前記金属製支持リングはその断面において
   少なくともその半径方向の幅と同程度の軸方向の
   厚みを有する特許請求の範囲第１１項に記載のシ
   ール組立体。 １３ 前記支持リングの材料が少なくとも
   50000psi（3500Kg／cm²）の降伏強さを有する鋼を
   含む特許請求の範囲第１１項に記載のシール組立
   体。 １４ 前記支持リングの荷重伝達面の一方はシー
   ルリングの支持面に係合し、他方は前記耐圧管状
   体の壁面に形成された同じ勾配のシヨルダ面に係
   合される特許請求の範囲第１１項に記載のシール
   組立体。 １５ 前記シヨルダ面が前記支持リングの降伏強
   さよりも大きい降伏強さを有する材料から作られ
   ている特許請求の範囲第１４項に記載のシール組
   立体。 １６ 前記シヨルダ面を含む前記耐圧管状体の材
   料が少なくとも70000psi（4900Kg／cm²）の降伏強
   さを有する鋼を含む特許請求の範囲第１５項に記
   載のシール組立体。 １７ 高圧ウエルヘツド用のシール組立体であつ
   て、上下に分離可能な第１の金属製耐圧管状体
   と、この第１の耐圧管状体の内側に同心状に配設
   されて第１の管状体との間に環状空間を形成する
   第２の金属製耐圧管状体と、前記環状空間に離隔
   して配設された断面が平行四辺形で内側と外側の
   シール面ならびに上側と下側の支持面を有する第
   １及び第２の金属製シールリングと、前記環状空
   間内の上部に配設されて第１のシールリングの上
   側支持面に係合する第１の支持リングと、第１の
   シールリングの下側支持面に係合するように第２
   管状体に設けた上方シヨルダ部と、第２のシール
   リングの上側支持面に係合するように第２管状体
   に設けた下方シヨルダ部と、環状空間内の下部に
   配設されて第２のシールリングの下側支持面に係
   合する第２の支持リングとから成り、前記金属製
   シールリングは弾性と延性が高い材料で形成され
   かつ断面において半径方向の幅に対する軸方向の
   厚みの比率を高くされ、このシールリングに軸方
   向の圧縮荷重がかけられると、その断面が変形し
   その四面がいずれも隣接部材に密封係合し、軸方
   向上下いずれの方向からの流体圧力にも耐えるこ
   とを特徴とするシール組立体。 １８ 前記第１の耐圧管状体が前記上方シヨルダ
   部と下方シヨルダ部との間の前記環状空間に圧力
   試験用流体を送り込むテストポートを有する特許
   請求の範囲第１７項に記載のシール組立体。 １９ 前記第１及び第２の支持リングは断面が台
   形をなし、内側と外側の周壁面ならびに上側と下
   側の勾配のある荷重伝達面を有し、前記シールリ
   ングの前記支持面の１つに係合すべき荷重伝達面
   と外側周壁面とはおよそ30゜の角度をなし、これ
   らの支持リングはシールリングの降伏強さよりも
   大きい降伏強さを有する金属材料から作られてい
   る特許請求の範囲第１７項に記載のシール組立
   体。 ２０ 前記金属製支持リングは少なくともその半
   径方向の幅と同程度の軸方向の厚みを有する特許
   請求の範囲第１９項に記載のシール組立体。 ２１ 前記第１の耐圧管状体は下側のチユービン
   グヘツドと上側のチユービングヘツドアダプタよ
   り成り、前記第１の支持リングはその上側の荷重
   伝達面をこののアダプタに設けられた下向きのシ
   ヨルダに係合する特許請求の範囲第１９項に記載
   のシール組立体。 ２２ 前記第２の支持リングはその下側の荷重伝
   達面を前記チユービングヘツドに設けられた上向
   きのシヨルダに係合する特許請求の範囲第２１項
   に記載のシール組立体。 ２３ 前記シヨルダが前記支持リングの降伏強さ
   よりも大きい降伏強さを有する材料から作られて
   いる特許請求の範囲第２２項に記載のシール組立
   体。 ２４ 前記支持リングの材料が少なくとも
   50000psi（3500Kg／cm²）の降伏強さを有する鋼を
   含む特許請求の範囲第１９項に記載のシール組立
   体。 ２５ 前記シヨルダの材料が少なくとも70000psi
   （4900Kg／cm²）の降伏強さを有する鋼を含む特許
   請求の範囲第２３項に記載のシール組立体。 ２６ 前記シールリングが316ステンレス鋼で作
   られている特許請求の範囲１９項に記載のシール
   組立体。 ２７ 前記シールリングが加えられる圧力と同じ
   程度の強さの降伏強さを有する金属で作られてい
   る特許請求の範囲第１９項に記載のシール組立
   体。 ２８ 前記シールリングの前記内側と外側のシー
   ル面がさらにそれぞれの面内に少なくとも１つの
   環状溝を有する特許請求の範囲１９項に記載のシ
   ール組立体。 ２９ 前記シールリングにおいて、外側のシール
   面と下側の支持面とが無荷重の状態でおよそ28゜
   の角度をなす特許請求の範囲第１９項に記載のシ
   ール組立体。 ３０ 前記シールリングにおいて、上側支持面と
   外側シール面との交点と前記下側支持面と内側シ
   ール面との交点間に引いた第１の線と、前記外側
   シール面と前記上側支持面との交点から引くと共
   に前記外側シール面に対して直角をなす第２の線
   とが成す角度が、シールリングに対して上側およ
   び下側の軸方向の力を加えていない時、17゜から
   20゜の範囲である特許請求の範囲第１９項に記載
   のシール組立体。 ３１ 前記第１の耐圧管状体は下側のチユービン
   グヘツドと、これに締着される上側のチユービン
   グヘツドアダプタより成り、前記第２の耐圧管状
   体は、下端をチユービングパイプに連結されたチ
   ユービングハンガーであり、このチユービングハ
   ンガーは、その上部とチユービングヘツドアダプ
   タとの間に第１の環状空間を形成し、その下部と
   チユービングヘツドとの間に第２の環状空間を形
   成しており、第１及び第２の環状空間内にはそれ
   ぞれ１組のシールリングと支持リングとが第１管
   状体及び第２管状体に設けられた対面シヨルダの
   間に押圧可能に配置され、前記アダプタがチユー
   ビングヘツドに締着されて後、前記環状空間に対
   して高圧ウエルの坑底圧が作用すると、支持リン
   グがシールリングを隣接シヨルダに押し付け、シ
   ールリングが変形されて、支持リングと接面の勾
   配を一致して互いに密接しかつシールリングの内
   側及び外側の円筒形シール面がそれぞれ第２管状
   体及び第１管状体の前記環状空間を囲む環状外周
   面及び環状内周面にほぼ等しい密封接触状態で圧
   接される特許請求の範囲第２９項に記載のシール
   組立体。