專利名稱：壓力激勵(lì)式干涉配合密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及油氣井的生產(chǎn)，并且尤其涉及用于在井眼筒管之間使用的密封組件。
背景技術(shù)：
在開采從地層中抽出的烴時(shí)使用的井口典型地包括附連到形成到開采烴的地層中的井眼的上部端上的井口組件。井口組件通常提供用于將生產(chǎn)油管和套管懸吊到井眼中的支承懸掛器。套管襯在井眼中，從而隔開井眼與周圍的地層。油管典型地在套管內(nèi)同心，并且在其中提供用于開采夾帶在地層內(nèi)的烴的管道。井口組件還典型地包括在套管和油管進(jìn)入井眼的地方附近的井口外罩，以及在井口外罩的頂上的采油樹。采油樹通常用來控制和分配從井眼中產(chǎn)生的流體，以及選擇性地對(duì)油管、套管以及/或者在油管和套管之間的環(huán)帶提供流體連通或通路。典型地在井口采油樹內(nèi)提供閥組件，以控制穿過井口的流體流，例如來自井孔的生產(chǎn)流或進(jìn)入和離開井口的循環(huán)流體流。在內(nèi)部井口筒管部件和外部井口筒管部件之間使用密封件來抑制內(nèi)部井壓力。內(nèi) 部井口部件可為油管懸掛器，油管懸掛器支承延伸到井中便于開采流體流動(dòng)的油管柱。油管懸掛器著落在外部井口部件中，外部井口部件可為井口外罩、采油樹或油管頭。封隔裝置或密封件在油管懸掛器和外部井口部件之間進(jìn)行密封。備選地，內(nèi)部井口部件可為固定到采油樹上的隔離套筒。密封件或封隔裝置在隔離套筒和位于井口外罩內(nèi)的套管懸掛器之間進(jìn)行密封。已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中采用了這種性質(zhì)的多種密封件。現(xiàn)有技術(shù)的密封件包括彈性體環(huán)和部分地金屬和彈性體的環(huán)。還采用了完全由金屬制成的現(xiàn)有技術(shù)的密封環(huán)，以形成金屬-金屬密封。可通過送入工具來設(shè)定密封件，或者可響應(yīng)于套管柱或油管柱的重量來設(shè)定它們。一種類型的現(xiàn)有技術(shù)的金屬-金屬密封件具有被圓錐形槽口隔開的內(nèi)部壁和外部壁。將激勵(lì)環(huán)推到槽口中，以使內(nèi)部壁和外部壁變形而分開，以與內(nèi)部井口部件和外部井口部件進(jìn)行密封性接合。內(nèi)部壁和外部壁的變形超過了密封環(huán)的材料的屈服強(qiáng)度，從而使變形成為永久的。因?yàn)閺椥泽w在經(jīng)受升高的運(yùn)行溫度時(shí)可退化，所以包含彈性體材料的密封件必定可具有縮短的壽命。而且，彈性體的材料屬性比彈性較小的材料有更大的變化，從而限制其中可采用彈性體密封件的溫度范圍。彈性體材料在經(jīng)受快速的氣體減壓時(shí)還易于破裂，并且在暴露于某些化學(xué)物質(zhì)時(shí)可膨脹或退化。金屬-金屬密封件還具有缺點(diǎn)，因?yàn)樵谝恍┚?例如那些海底井)中可能難以產(chǎn)生設(shè)定或激勵(lì)密封件所需的力。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開的是一種用于在井眼筒管之間使用的密封組件的實(shí)例。在實(shí)例實(shí)施例中，該密封組件包括部分地由外部密封環(huán)包圍的內(nèi)部密封環(huán)。內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)具有相對(duì)于筒管的軸線傾斜地成型的相對(duì)的表面。外部密封環(huán)的內(nèi)部徑向表面與內(nèi)部密封環(huán)的外部徑向表面成滑動(dòng)接觸。當(dāng)密封組件設(shè)定在筒管之間，并且對(duì)外部密封環(huán)和內(nèi)部密封環(huán)的側(cè)端施加相反的軸向力時(shí)，內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)抵靠著彼此而滑動(dòng)，并且沿徑向被推離彼此。密封組件的內(nèi)半徑接觸內(nèi)部筒管，而密封組件的外半徑接觸外部筒管，并且在密封組件接觸筒管處形成密封表面?？砂ㄔ谕獠棵芊猸h(huán)或內(nèi)部密封環(huán)的側(cè)端中的一個(gè)上施加軸向力的彈簧組件。彈簧組件可為彈性部件，例如貝氏(Belleville)墊圈、成堆疊的貝氏墊圈、波形彈簧墊圈、螺旋彈簧或它們的組合。在實(shí)例實(shí)施例中，內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)可為無彈性的，并且包含諸如石墨、含氟聚合物或它們的組合的物質(zhì)。在實(shí)例實(shí)施例中，可在內(nèi)部環(huán)和外部環(huán)的遠(yuǎn)側(cè)表面上提供側(cè)環(huán)。在 實(shí)例實(shí)施例中，在外部環(huán)的內(nèi)部徑向表面的至少一部分和內(nèi)部環(huán)的外部徑向表面之間設(shè)置中間環(huán)。中間環(huán)可具有大于內(nèi)部環(huán)和外部環(huán)的硬度的硬度。在實(shí)例實(shí)施例中，中間環(huán)是在外部環(huán)的內(nèi)部徑向表面和內(nèi)部環(huán)的外部徑向表面中的各個(gè)上的涂層。還在本文中公開了一種井口組件。在實(shí)例實(shí)施例中，井口組件由下者組成外部筒管、插入外部筒管內(nèi)的內(nèi)部筒管、限定在內(nèi)部筒管和外部筒管之間的環(huán)形空間、在環(huán)形空間中且在與內(nèi)部筒管或外部筒管中的至少一個(gè)聯(lián)接的軸向支承件之間的密封組件。密封組件包括內(nèi)部密封環(huán)，內(nèi)部密封環(huán)具有與內(nèi)部筒管的外部徑向表面的一部分成選擇性接觸的內(nèi)部徑向表面。密封組件還包括以相對(duì)于井口組件的軸線傾斜的角度成型的外部徑向表面，以及外部密封環(huán)，該外部密封環(huán)具有與外部筒管的內(nèi)部徑向表面的一部分成選擇性接觸的外部徑向表面，以及以相對(duì)于井口組件的軸線傾斜的角度成型的內(nèi)部徑向表面。外部密封環(huán)的內(nèi)部徑向表面的輪廓對(duì)應(yīng)于內(nèi)部密封環(huán)的外部徑向表面，使得當(dāng)內(nèi)部筒管插入到外部筒管中，并且通過支承件對(duì)密封組件施加軸向力時(shí)，內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)滑動(dòng)到相應(yīng)的位置上。內(nèi)部環(huán)和外部環(huán)的滑動(dòng)動(dòng)作在內(nèi)部環(huán)的內(nèi)半徑和內(nèi)部筒管的外半徑的一部分之間以及在外部環(huán)的外半徑和外部筒管的內(nèi)半徑的一部分之間形成密封接口。在實(shí)例實(shí)施例中，支承件的至少一個(gè)是彈性部件。在實(shí)例實(shí)施例中，井口組件進(jìn)一步包括形成于內(nèi)部筒管的外半徑中的凹槽，其中，密封組件設(shè)置在凹槽中，并且凹槽的上部邊緣和下部邊緣包括用于密封組件的支承件。在實(shí)例實(shí)施例中，內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)各自包含順應(yīng)性材料，使得當(dāng)對(duì)內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)的遠(yuǎn)端施加軸向力時(shí)，內(nèi)部密封環(huán)的內(nèi)半徑沿徑向向內(nèi)凸出，以與內(nèi)部筒管形成密封接口，并且外部密封環(huán)的外半徑沿徑向向外凸出，以與外部筒管形成密封接口。在實(shí)例實(shí)施例中，內(nèi)部筒管和外部筒管是井眼套管和生產(chǎn)油管。還包括一種密封井眼筒管之間的環(huán)形空間的方法。在實(shí)例實(shí)施例中，該方法包括提供密封組件，該密封組件包括內(nèi)部密封環(huán)，其具有相對(duì)于井眼筒管的軸線傾斜地成型的外部徑向表面；以及外部密封環(huán)，其具有相對(duì)于井眼筒管的軸線傾斜地成型且與內(nèi)部密封環(huán)的外部徑向表面成滑動(dòng)接觸的內(nèi)部徑向表面。在井眼筒管之間設(shè)定密封組件，并且通過對(duì)密封組件相對(duì)的側(cè)端施加軸向載荷來保持密封組件的軸向長度。施加的軸向載荷使內(nèi)部密封環(huán)上的內(nèi)部徑向表面和外部密封環(huán)的外部徑向表面中的至少一個(gè)凸出，以在密封組件和筒管中的至少一個(gè)之間形成密封表面。在實(shí)例實(shí)施例中，在筒管之間設(shè)置密封組件之前，密封組件寬度超過井眼筒管之間的空間的寬度，并且在筒管設(shè)定就位時(shí)，內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)沿相反的方向沿著內(nèi)部徑向輪廓和外部徑向輪廓沿軸向滑動(dòng)指定距離。在實(shí)例實(shí)施例中，指定距離由對(duì)密封組件施加軸向載荷所處的位置限定。在實(shí)例實(shí)施例中，內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)包含無彈性的物質(zhì)，無彈性的物質(zhì)可為石墨、含氟聚合物或它們的組合。在實(shí)例實(shí)施例中，井眼筒管是內(nèi)部井眼筒管和外部井眼筒管，并且在內(nèi)部井眼筒管的外部徑向表面上形成凹槽，以及其中，在凹槽中提供密封組件。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的、用于井眼筒管的未受激勵(lì)的密封件的實(shí)例實(shí)施例的側(cè)面局部截面圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的、呈受激勵(lì)的構(gòu)造的圖I的密封件的實(shí)例實(shí)施例的側(cè)視截面圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的、具有呈組裝好的構(gòu)造的密封件的井口組件的實(shí)例實(shí)施例的側(cè)視截面圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的、具有呈組裝好的構(gòu)造的密封件的井口組件的備選實(shí)施例的 側(cè)視截面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖在下文中更加全面地描述本公開的設(shè)備和方法，在附圖中顯示了實(shí)施例。但是，本公開的這個(gè)主題可體現(xiàn)為許多不同的形式，并且不應(yīng)理解為限于本文闡述的示出的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例，使得本公開將為詳盡和完整的，并且這些實(shí)施例將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員全面地傳達(dá)本發(fā)明的范圍。相同標(biāo)號(hào)在所有圖中指示相同元件。為了方便參照附圖，使用方向用語僅用于進(jìn)行參照和例示。例如，使用諸如“上部”、“下部”、“上方”、“下方”等的方向用語來示出有關(guān)位置。要理解，本公開的主題不限于所顯示和描述的結(jié)構(gòu)、操作、確切材料或?qū)嵤├拇_切細(xì)節(jié)，因?yàn)楦牧己偷刃Х桨笇?duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。在附圖和說明書中，已經(jīng)公開了本公開的說明性實(shí)施例，并且盡管采用了特定用語，但是僅在一般的和描述性的意義上使用它們，而不用于限制目的。因此，本公開因而僅由所附權(quán)利要求的范圍限定。圖I示出了在內(nèi)部筒管12和外部筒管14之間的且在側(cè)視截面圖中顯示的密封組件10的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例。在圖I的實(shí)例中，筒管12相應(yīng)地可為用于筒管或隔離套筒的懸掛器，而筒管14可為用于筒管或采油樹的懸掛器。筒管12、14可包括在井口組件內(nèi)，并且還可設(shè)置在井眼內(nèi)。圖I的密封組件10的構(gòu)造處于未受激勵(lì)的狀態(tài)，并且因而不會(huì)在相應(yīng)的筒管12、14之間提供密封功能。在實(shí)例實(shí)施例中，圖I示出了組裝井口組件的步驟，其中相應(yīng)的內(nèi)部筒管12和外部筒管14不在它們的組裝好的位置上。如所顯示的那樣，在外部筒管14的一部分附近，以及在外部筒管14的內(nèi)半徑16自臺(tái)肩18沿徑向向外延伸以在它們之間限定擴(kuò)大的環(huán)形空間的情況下，密封組件10設(shè)置在沿著筒管12、14的軸線Ax的位置處。顯示了在這樣的情況下形成的圖I的臺(tái)肩18，即外部筒管14的半徑突然改變，以及然后沿徑向向內(nèi)傾斜，并且過渡到比內(nèi)半徑16更接近軸線Ax的內(nèi)半徑19。在實(shí)例實(shí)施例中，以及為了參照的目的，內(nèi)半徑19在臺(tái)肩18的下方。仍然參照?qǐng)DI，顯示了內(nèi)部筒管12的外半徑20具有沿著其長度和其整個(gè)周緣的一部分形成的凹槽22。密封組件10正是在凹槽22內(nèi)得到支承。顯示了密封組件10具有設(shè)定在凹槽22內(nèi)的內(nèi)部密封環(huán)24，使得內(nèi)部密封環(huán)24的內(nèi)半徑26沿著凹槽22的內(nèi)表面而擱靠。可選地，在內(nèi)部密封環(huán)24和凹槽22的內(nèi)表面之間可存在輕微的干涉配合。內(nèi)部環(huán)24的側(cè)表面28自內(nèi)半徑26沿徑向向外突出，并且在內(nèi)部密封環(huán)24的外半徑處終止。密封環(huán)24具有外部徑向表面30，外部徑向表面30成型成沿著這樣的平面延伸，即，當(dāng)在橫截面中觀察時(shí)，該平面大體相對(duì)于軸線Ax傾斜。更具體而言，受外部徑向表面30的輪廓影響的密封環(huán)24的徑向厚度在側(cè)表面28附近增大。在圖I的實(shí)施例中，外部徑向表面30與內(nèi)半徑26相交，并且傾斜地且沿徑向向上地延伸到過渡部31。外部徑向表面30的其余部分(直到側(cè)表面28)沿著大體平行于軸線Ax的平面延伸。顯示了外部密封環(huán)32包圍內(nèi)部密封環(huán)24的大部分。外部密封環(huán)32包括內(nèi)部徑向表面34，內(nèi)部徑向表面34具有對(duì)應(yīng)于內(nèi)部密封環(huán)24的外部徑向表面30的輪廓的輪廓。因而，當(dāng)設(shè)置成圖I的構(gòu)造時(shí)，內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32可沿著表面30、34相對(duì)于彼此沿軸向方向滑動(dòng)。存在這樣的實(shí)例實(shí)施例，即，在內(nèi)部環(huán)的內(nèi)半徑26和內(nèi)部環(huán)的外部徑 向表面30的交接部處的角度為至少22°。類似地，存在這樣的實(shí)例實(shí)施例，即，在外部環(huán)的外部徑向表面38和外部環(huán)的內(nèi)部徑向表面34的交接部處的角度為至少22°。外部密封環(huán)32包括顯示為在很大程度上垂直于軸線Ax且在內(nèi)部密封環(huán)24的側(cè)表面28的遠(yuǎn)處的側(cè)表面36。外部密封環(huán)32還包括顯示為在內(nèi)部環(huán)24的內(nèi)半徑26的遠(yuǎn)處且基本對(duì)準(zhǔn)軸線Ax的外部徑向表面38。而且在這個(gè)構(gòu)造中，密封組件10的橫截面的厚度或?qū)挾却笥诎疾?2的深度，使得外部徑向表面38在內(nèi)半徑19的上方接觸臺(tái)肩18。類似于內(nèi)部密封環(huán)24上的過渡部31，顯示了設(shè)置在外部密封件32的內(nèi)部徑向表面34上的過渡部40，并且過渡部40限定表面34從傾斜地成角度的表面變成在很大程度上平行于軸線Ax的表面所處的位置。由于過渡部31、40，內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32中的各個(gè)從而近似結(jié)合有長方形區(qū)段的三角形區(qū)段。但是，存在這樣的實(shí)施例，即，其中內(nèi)部密封環(huán)24或外部密封環(huán)32兩者都不包括過渡部，并且從而具有基本三角形的橫截面構(gòu)造。在圖I的密封組件10的實(shí)施例中示出了可選的中間環(huán)42，并且顯示了可選的中間環(huán)42設(shè)置在內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32之間的接觸表面上。在一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，中間環(huán)42是同軸地插入內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32之間的獨(dú)立的部件。可選地，內(nèi)部密封環(huán)24或外部密封環(huán)32中的一個(gè)或兩者可具有施用在它們的相應(yīng)的內(nèi)部徑向表面26和外部徑向表面34(其組成中間環(huán)42)上的涂層。用于內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32的實(shí)例材料包括柔韌的材料。還存在這樣的實(shí)施例，即，其中環(huán)24、32由無彈性的材料形成，從而避免現(xiàn)有技術(shù)的由于長期暴露于高溫而引起的退化的問題。用于內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32的具體的材料實(shí)例包括石墨、壓模石墨、含氟聚合物，包括聚四氟乙烯和其它氟碳固體。顯示了分別在內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32的側(cè)表面28、36上設(shè)置可選的側(cè)環(huán)44、46。側(cè)環(huán)44、46(也叫做抗擠出環(huán))可支承密封環(huán)24、32的側(cè)端，以及防止密封環(huán)24、32的材料在經(jīng)受軸向載荷或徑向載荷時(shí)被擠出。側(cè)環(huán)44、46的實(shí)例材料包括聚合物熱塑性塑料，例如聚醚醚酮；但是可隨具體應(yīng)用而改變。在圖I的實(shí)例實(shí)施例中顯示了彈簧組件48，而且彈簧組件48設(shè)定在與側(cè)環(huán)44的與內(nèi)部環(huán)側(cè)表面28的邊界相對(duì)的側(cè)環(huán)44的側(cè)部上。在圖I的實(shí)例中，可為任何彈性部件的彈簧組件48由處于放松狀態(tài)或未彎曲狀態(tài)的一系列成堆疊的貝氏墊圈50組成。另外，側(cè)環(huán)46被夾在凹槽22的下部端和外部密封環(huán)的側(cè)表面36之間的。因?yàn)閮?nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32可沿著它們的徑向表面30、34相對(duì)于彼此滑動(dòng)，所以在相對(duì)的側(cè)表面28、36之間的距離的軸向長度(或高度)可在內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32在彼此上滑動(dòng)時(shí)改變。在圖I的未受激勵(lì)的構(gòu)造中，在側(cè)表面28、36之間的距離使得彈簧組件48可處于放松狀態(tài)，從而比在未放松狀態(tài)中占用更多空間?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2，內(nèi)部筒管12和密封組件10已經(jīng)沿軸向移動(dòng)，使得內(nèi)半徑19在外部密封環(huán)32的外部徑向表面38附近。因?yàn)橥獠客补?4的內(nèi)半徑19現(xiàn)在占用了圖I的外部密封件32的一部分所占用的空間，所以通過如圖2中顯示的那樣對(duì)構(gòu)件進(jìn)行重新構(gòu)造，夕卜部密封環(huán)32沿徑向向內(nèi)被推動(dòng)，這進(jìn)而產(chǎn)生軸向合力，以沿遠(yuǎn)離下部密封環(huán)的側(cè)表面36且朝向彈簧組件48的方向推動(dòng)內(nèi)部密封環(huán)24。圖2的凹槽22的尺寸使得內(nèi)部密封環(huán)32的軸向移動(dòng)使彈簧組件48受壓收縮，從而又產(chǎn)生彈簧力Fs，彈簧力Fs傳遞通過側(cè)環(huán)44，并且傳遞到內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32中。沿與彈簧力Fs相反的方向從側(cè)環(huán)46中產(chǎn)生逆向彈簧力P s。在這些反向的軸向力在密封環(huán)24、32上施加壓縮力時(shí)，從而產(chǎn)生在內(nèi)部密封環(huán)24的內(nèi)半徑26和凹槽22的內(nèi)部徑向壁之間產(chǎn)生接觸的徑向凸出部。類似地，在外部密封環(huán)32的外部徑向表面38上產(chǎn)生徑向凸出部，從而促使外部密封環(huán)32與外部筒管14的內(nèi)半徑19接觸。施加到密封組件10中的彈簧力Fs(F' s)會(huì)產(chǎn)生足夠的密封作用，以防止跨過密封組件10的軸線有低壓差時(shí)有跨過密封組件10的泄漏。在外部密封環(huán)32和外 部筒管之間限定密封表面52 ;并且在內(nèi)部密封環(huán)24和間隙22的內(nèi)部徑向壁之間形成密封表面S。仍然參照?qǐng)D2，在外部筒管14的內(nèi)半徑19和內(nèi)部筒管12的外半徑20之間顯示了間隙53。在間隙53內(nèi)，流體壓力可傳遞到密封組件10上，并且產(chǎn)生以大體軸向定向顯示的且從側(cè)環(huán)46指向側(cè)表面36的合力FP，從而促使外部密封環(huán)32抵靠內(nèi)部密封環(huán)24。在其中內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32為大體柔韌的元件的實(shí)例實(shí)施例中，內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32能夠沿軸向相對(duì)于彼此滑動(dòng)。力Fp會(huì)產(chǎn)生顯示為從外部密封環(huán)34指向外部筒管14沿徑向向外且從內(nèi)部密封環(huán)24的內(nèi)部徑向表面26指向內(nèi)部筒管12沿徑向向內(nèi)的合力FK。因而，由于從井眼(未顯示)傳遞到間隙53的壓力的增大，密封力會(huì)隨增大的井眼壓力而增大。類似地，在彈簧組件48附近的區(qū)域中的壓力超過間隙53中的壓力的情況下，在內(nèi)部密封環(huán)24的側(cè)表面28上施加的合力Fp也可產(chǎn)生合力FK，F(xiàn)e會(huì)提高密封組件10的壓力密封的幅度?？蛇x地，凹槽22的下部端可為沿著連接件55安裝到內(nèi)部筒管12上的支承環(huán)54。連接件55可為螺紋連接、焊縫、按壓配合或干涉配合，或其它附連手段。在將密封組件10安裝在筒管12、14之間的實(shí)例中，在添加支承環(huán)54之前，將密封組件10的構(gòu)件設(shè)定到內(nèi)部筒管12上。更具體而言，密封組件10的構(gòu)件可按以下順序滑動(dòng)到內(nèi)部筒管12上(I)彈簧組件48，⑵側(cè)環(huán)44，(3)內(nèi)部密封環(huán)24，(4)中間環(huán)42 (在使中間環(huán)42與密封環(huán)24、32分開的實(shí)施例中)，(5)外部密封環(huán)32、側(cè)環(huán)46。當(dāng)將密封組件10的構(gòu)件放在內(nèi)部筒管12上時(shí)，然后可安裝支承環(huán)54，從而沿軸向支承密封組件10。在可選的實(shí)施例中，當(dāng)彈簧組件48是螺旋彈簧時(shí)，可包括剛度較高的環(huán)(未顯示)，以分配彈簧載荷。在密封組件10和支承環(huán)54就位的情況下，內(nèi)部筒管12可插入外部筒管14內(nèi)。在一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，在圖3中的側(cè)視截面圖中顯示了用于井口組件56中的密封組件10。在這個(gè)實(shí)例中，井口組件56包括安裝在井口外罩60上的采油樹58，以及其中，內(nèi)部筒管12A是油管懸掛器，并且具有從其下部端垂下的油管柱62。因而，在形成于油管懸掛器12的一部分的外周邊上的外部徑向槽口中提供密封組件10。在可選的實(shí)施例中，在圖2A中的側(cè)面透視圖中顯示了彈簧組件48A。在這個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，彈簧組件48A是波形墊圈，波形墊圈如圖2A中示出的那樣可為單個(gè)部件，或者可由成堆疊的單獨(dú)的波形墊圈組成，以及與密封組件10組合起來設(shè)定。使用本文公開的成型的內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)的優(yōu)點(diǎn)之一是這兩個(gè)部件之間有低摩擦，從而提供可快速且容易地形成的組件。此外，環(huán)的無彈性的材料允許環(huán)容易地相對(duì)于彼此移動(dòng)，并且從而進(jìn)一步最大程度地提高內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32的相對(duì)軸向移動(dòng)產(chǎn)生的徑向載荷。由無彈性的材料形成的環(huán)不會(huì)像隨著時(shí)間的過去以及在升高的溫度處可高度受壓收縮的其它部件那樣聚結(jié)。利用目前的實(shí)例實(shí)現(xiàn)了另外的簡易性，因?yàn)樵搶?shí)例依賴于井眼壓力的差異來產(chǎn)生在這些高壓事件期間需要的密封力。材料還允許在高溫下運(yùn)行，例如超過400° F，并且還允許在遠(yuǎn)低于-20° F的低溫下運(yùn)行。無彈性的材料可減少由于猛烈的減壓而引起的密封件失效，以及允許環(huán)帶壓力迅速放出，以及還減小由于化學(xué)侵蝕而引起的材料退化或膨脹的風(fēng)險(xiǎn)。密封件可與筒管包括在一起，密封件位于該筒管上，或者可用送入工具來將密封件設(shè)定在筒管上。雖然在實(shí)施例中顯示為在內(nèi)部筒管上的·凹槽中，但是存在這樣的備選實(shí)施例，其中，密封組件10可在同心筒管的相應(yīng)的內(nèi)半徑和外半徑之間，以及在與筒管中的一個(gè)或兩個(gè)聯(lián)接的支承件之間，或者可為設(shè)置在外部筒管中的環(huán)形通道。本文公開的密封組件的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，這個(gè)概念可為由相互作用而用作楔形件的內(nèi)部密封環(huán)24和外部密封環(huán)32以壓力的方式激勵(lì)。因而密封組件在設(shè)定時(shí)可具有低的接口應(yīng)力，因?yàn)閮H需要這個(gè)接口應(yīng)力來在低壓下進(jìn)行密封，從而確?？邕^密封件一直存在壓差。在壓力增大時(shí)，楔形件的作用會(huì)提高接口應(yīng)力，并且繼續(xù)保持密封。低的接口應(yīng)力對(duì)應(yīng)于低的設(shè)定載荷。在標(biāo)準(zhǔn)的大密封件(一個(gè)部件)上，接口應(yīng)力隨施加的壓力的提高低得多(依賴于泊松(Poisson)效應(yīng))——這意味著標(biāo)準(zhǔn)的大密封件在設(shè)定時(shí)需要大得多的接口應(yīng)力，這對(duì)應(yīng)于高得多的設(shè)定載荷?？捎深愃频牟牧现瞥傻娜俗中蚊芊馊M在某種程度上以壓力的方式受到激勵(lì)，但是不易于組裝成雙向構(gòu)造(可從任一方向進(jìn)行密封)，并且大體需要非常好的表面光潔度(本概念所提供的較大的接口應(yīng)力和接觸面積應(yīng)當(dāng)使得更能夠容忍微小的表面缺陷)。在圖4中的側(cè)視截面圖中提供了密封筒管12、14之間的空間的密封組件IOA的備選實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，顯示了側(cè)環(huán)44A具有楔形或三角形的橫截面，側(cè)環(huán)44A的內(nèi)部徑向表面在很大程度上平行于凹槽22的內(nèi)半徑，而上部側(cè)表面則基本垂直于凹槽22的內(nèi)半徑。側(cè)環(huán)44A的外部徑向表面相對(duì)于軸線Ax傾斜，并且自側(cè)環(huán)44A的內(nèi)部徑向表面的下部端延伸到側(cè)環(huán)44A的上部側(cè)表面的外部徑向端。與中間環(huán)44A組合起來的是楔形的側(cè)環(huán)45，該側(cè)環(huán)45具有顯示為抵靠著中間環(huán)44A的傾斜的外部徑向表面而設(shè)定的傾斜的內(nèi)部徑向表面。側(cè)環(huán)45的外部徑向表面基本對(duì)準(zhǔn)軸線Ax，而側(cè)環(huán)45的下部側(cè)表面基本垂直于軸線Ax。在圖4中還顯示，外部密封環(huán)32A的側(cè)表面36A在緊鄰彈簧組件48A的側(cè)環(huán)44A附近，而內(nèi)部環(huán)側(cè)表面28A則緊鄰彈簧組件48A的遠(yuǎn)處的側(cè)環(huán)46A。因而，中間環(huán)42A的在側(cè)環(huán)46A附近的部分自中間環(huán)42A的在側(cè)環(huán)44A附近的部分沿徑向向外突出。在內(nèi)部密封環(huán)24A的內(nèi)部徑向表面上顯示了具有半圓形橫截面的嵌體25。在實(shí)例實(shí)施例中，嵌體25沿著內(nèi)部密封環(huán)24A的內(nèi)部徑向表面的整個(gè)周邊延伸。在實(shí)例實(shí)施例中，嵌體25包含具有比內(nèi)部密封環(huán)24A的硬度值更低的硬度值的材料。嵌體25可為連續(xù)的或分開的。實(shí)例實(shí)施例包括在內(nèi)部密封環(huán)24A上的但沒有嵌體25的凹槽。圖4的外部密封環(huán)32A也包括設(shè)定在其外部徑向表面中的嵌體33。實(shí)例實(shí)施例包括在內(nèi)部密封環(huán)32A上的但沒有嵌體33的凹槽。圖4的側(cè)環(huán)46A也具有三角形的或楔形的橫截面，其中，設(shè)置在內(nèi)部環(huán)側(cè)表面28A附近的側(cè)環(huán)46A的上部側(cè)表面基本垂直于軸線Ax，而面向外部筒管14的側(cè)環(huán)46A的外部徑向表面則基本平行于軸線Ax。側(cè)環(huán)46A的下部側(cè)表面沿傾斜方向自上部側(cè)表面的內(nèi)部端延伸到外部到達(dá)外部徑向表面的下部端。顯示了固持環(huán)62在彈簧組件48A的遠(yuǎn)處的密封組件IOA的側(cè)部上包圍內(nèi)部筒管12。在圖4的實(shí)例實(shí)施例中，固持環(huán)62具有“C”形橫截面，并且定向成使得C形的端部部分面向外部筒管14，以在固持環(huán)62的中間部分和外部筒管14之間限定環(huán)形空間。面向密封組件IOA的支承環(huán)62的側(cè)向側(cè)部的一部分沿著相對(duì)于軸線Ax傾斜的線成型，該線的斜度對(duì)應(yīng)于側(cè)環(huán)46A的下部側(cè)向側(cè)部。支承環(huán)62支承在顯示為安裝在激勵(lì)環(huán)66上面的金屬密封件64上，金屬密封件64和激勵(lì)環(huán)66兩者也在內(nèi)部筒管12和外部筒管14之間的環(huán)形空間中。金屬密封件64具有接觸內(nèi)部筒管12的伸長的內(nèi)部支腿和接觸外部筒管14的伸長的外部支腿。金屬密封件64的中間部分連接內(nèi)部支腿和外 部支腿，并且具有抵靠著支承環(huán)62而設(shè)定的上部側(cè)向側(cè)部。激勵(lì)環(huán)66具有插入到金屬密封件64的內(nèi)部支腿和外部支腿之間的空間中的伸長的中間部分。刮環(huán)68在其下部端上包圍激勵(lì)環(huán)66的外周邊。顯示為以螺紋的方式附連到內(nèi)部筒管12上的固持環(huán)70具有帶有大體平的上表面的楔形橫截面，其中，激勵(lì)環(huán)66和刮環(huán)68支承在固持環(huán)的上表面上。雖然在本發(fā)明的一些形式方面顯示或描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明不受此限制，而是在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下易于有各種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于在井眼筒管之間使用的密封組件，包括 具有相對(duì)于所述筒管的軸線傾斜地成型的外部徑向表面的內(nèi)部密封環(huán)；以及 外部密封環(huán)，其具有內(nèi)部徑向表面，所述內(nèi)部徑向表面相對(duì)于所述筒管的所述軸線傾斜地成型，并且與所述內(nèi)部密封環(huán)的外部徑向表面成滑動(dòng)接觸，使得當(dāng)所述密封組件設(shè)定在所述筒管之間的環(huán)形空間中，以及對(duì)所述外部密封環(huán)和所述內(nèi)部密封環(huán)的側(cè)端施加了相反的軸向力時(shí)，會(huì)在所述密封組件的內(nèi)半徑接觸內(nèi)部筒管處和所述密封組件的外半徑接觸外部筒管處形成密封表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的密封組件，其特征在于，所述密封組件進(jìn)一步包括彈簧組件，以用于在所述外部密封環(huán)或所述內(nèi)部密封環(huán)的所述側(cè)端中的一個(gè)上施加軸向力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的密封組件，其特征在于，所述彈簧組件包括選自由貝氏墊圈、成堆疊的貝氏墊圈、波形彈簧墊圈、螺旋彈簧和它們的組合組成的組的彈性部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的密封組件，其特征在于，所述內(nèi)部密封環(huán)和所述外部密封環(huán)包含無彈性的物質(zhì)，所述無彈性的物質(zhì)包括選自由石墨、含氟聚合物和它們的組合組成的組的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的密封組件，其特征在于，所述密封組件進(jìn)一步包括設(shè)置在所述內(nèi)部環(huán)和所述外部環(huán)的遠(yuǎn)側(cè)表面上的側(cè)環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的密封組件，其特征在于，所述密封組件進(jìn)一步包括設(shè)置在所述外部環(huán)的所述內(nèi)部徑向表面的至少一部分和所述內(nèi)部環(huán)的所述外部徑向表面之間的中間環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的密封組件，其特征在于，所述中間環(huán)具有大于所述內(nèi)部環(huán)和所述外部環(huán)的硬度的硬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的密封組件，其特征在于，所述中間環(huán)包括在所述外部環(huán)的所述內(nèi)部徑向表面和所述內(nèi)部環(huán)的所述外部徑向表面中的各個(gè)上的涂層。
9.一種井口組件，包括 外部筒管； 插入所述外部筒管內(nèi)的內(nèi)部筒管； 限定在所述內(nèi)部筒管和所述外部筒管之間的環(huán)形空間； 在所述環(huán)形空間中且在與所述內(nèi)部筒管或所述外部筒管中的至少一個(gè)聯(lián)接的軸向支承件之間的密封組件，所述密封組件包括 內(nèi)部密封環(huán)，其具有與所述內(nèi)部筒管的外部徑向表面的一部分成選擇性接觸的內(nèi)部徑向表面，以及以相對(duì)于所述井口組件的軸線傾斜的角度成型的外部徑向表面； 外部密封環(huán)，其具有與所述外部筒管的內(nèi)部徑向表面的一部分成選擇性接觸的外部徑向表面，以及內(nèi)部徑向表面，其以相對(duì)于所述井口組件的軸線傾斜的角度成型，并且對(duì)應(yīng)于所述內(nèi)部密封環(huán)的所述外部徑向表面，使得當(dāng)所述內(nèi)部筒管插入到所述外部筒管中，并且對(duì)所述密封組件施加軸向力時(shí)，所述內(nèi)部密封環(huán)和所述外部密封環(huán)滑動(dòng)到相應(yīng)的位置上，并且在所述內(nèi)部環(huán)的內(nèi)半徑和所述內(nèi)部筒管的外半徑的一部分之間形成密封接口，以及在所述外部環(huán)的外半徑和所述外部筒管的內(nèi)半徑的一部分之間形成密封接口。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井口組件，其特征在于，所述支承件中的至少一個(gè)包括彈性部件。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井口組件，其特征在于，所述井口組件進(jìn)一步包括形成于所述內(nèi)部筒管的外半徑中的凹槽，其中，所述密封組件設(shè)置在所述凹槽中，并且所述凹槽的上部邊緣和下部邊緣包括用于所述密封組件的支承件。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井口組件，其特征在于，所述內(nèi)部密封環(huán)和所述外部密封環(huán)各自由順應(yīng)性材料構(gòu)成，使得當(dāng)對(duì)所述內(nèi)部密封環(huán)和所述外部密封環(huán)的遠(yuǎn)端施加軸向力時(shí)，所述內(nèi)部密封環(huán)的內(nèi)半徑沿徑向向內(nèi)凸出，以與所述內(nèi)部筒管形成密封接口，并且所述外部密封環(huán)的外半徑沿徑向向外凸出，以與所述外部筒管形成密封接口。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井口組件，其特征在于，所述內(nèi)部筒管和所述外部筒管選自由懸掛器和采油樹組成的組。
14.一種密封井眼筒管之間的環(huán)形空間的方法，包括 (a)提供包括內(nèi)部密封環(huán)和外部密封環(huán)的密封組件，所述內(nèi)部密封環(huán)具有相對(duì)于所述井眼筒管的軸線傾斜地成型的外部徑向表面，而所述外部密封環(huán)具有相對(duì)于所述井眼筒管的所述軸線傾斜地成型且與所述內(nèi)部密封環(huán)的外部徑向表面成滑動(dòng)接觸的內(nèi)部徑向表面； (b)將所述密封組件設(shè)置在所述井眼筒管之間；以及 (c)通過對(duì)所述密封組件的相對(duì)的側(cè)端施加軸向載荷來保持所述密封組件的軸向長度，從而使所述內(nèi)部密封環(huán)上的內(nèi)部徑向表面和所述外部密封環(huán)的外部徑向表面中的至少一個(gè)凸出，以在所述密封組件和所述筒管中的至少一個(gè)之間形成密封表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在步驟(b)之前，沿著所述密封組件的半徑得到的所述密封組件的寬度超過在所述井眼筒管之間的空間的寬度，其中，在步驟(b)期間，所述內(nèi)部密封環(huán)和所述外部密封環(huán)沿相反的方向沿著內(nèi)部徑向輪廓和外部徑向輪廓沿軸向滑動(dòng)指定距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述指定距離由對(duì)所述密封組件施加所述軸向載荷所處的位置限定。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)部密封環(huán)和所述外部密封環(huán)包含無彈性的物質(zhì)，所述無彈性的物質(zhì)包括選自石墨、含氟聚合物和它們的組合組成的組的材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述井眼筒管包括內(nèi)部井眼筒管和外部井眼筒管，并且在所述內(nèi)部井眼筒管的外部徑向表面上形成凹槽，以及其中，在所述凹槽中提供所述密封組件。
全文摘要
本發(fā)明涉及壓力激勵(lì)式干涉配合密封件。一種用于在井眼筒管之間使用的密封組件采用了部分地由外部密封環(huán)包圍的內(nèi)部密封環(huán)。密封環(huán)能夠相對(duì)于彼此沿軸向滑動(dòng)，并且可由柔韌的無彈性的材料制成，例如石墨或含氟聚合物。密封環(huán)沿著成型表面接觸彼此，成型表面角度設(shè)置成使得通過沿軸向?qū)⒚芊猸h(huán)推向彼此會(huì)在密封組件中產(chǎn)生沿徑向向外和向內(nèi)定向的凸出部。凸出的密封環(huán)與井眼筒管的相對(duì)的側(cè)部接觸，以限定密封表面。在密封環(huán)的相對(duì)的側(cè)端處的軸向支承件在筒管之間保持密封。
文檔編號(hào)E21B33/03GK102777147SQ20121016114
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
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