专利名称：密封座及用于密封孔的方法
技术领域：
本发明涉及特别设计的密封座(seal holder),其可以与任何罩(cap) —起使用以可移除地密封管状井组件(tubular well assembly)的孔。这样的罩可以是被设置在圣诞树型物(Xmas tree)的套管(spool)上的树型罩(tree cap)。本发明还涉及对管状井组件的孔的可移除密封以及用于密封孔的方法。
背景技术：
在诸如油井和天然气井的地下井的领域中，已知有多种方法用于对管状井组件的孔例如圣诞树型物的孔进行密封。例如，对于水下井来说已知的是，在圣诞树型套管(Xmas tree spool)的顶部上设置树型罩。树型罩包括被插入到圣诞树型物的孔中的托架 (stinger)。在某些情况下,圣诞树型套管包括生产孔(production bore)和更小的环形孔。此外，某些圣诞树型物用于注入井，以将流体注入到井孔中。树型罩然后可以包括两个托架，其中的一个插入到这些孔中的每一个孔中。还已知用设有锁定器件的其它孔障碍装置例如插塞来封闭孔。第EP0687801号欧洲专利申请描述了具有金属对金属密封的金属线插塞，该金属线插塞被设置成锁定在具有内部锁定凹槽的孔中。插塞具有被设置成与孔的锁定凹槽相接合的锁定键(4)。当轴向可移动的扩张器套筒(3)被轴向移动时，其提供锁定键的径向运动。扩张器套筒和锁定键设有不同倾斜度的滑动面，依赖于所接合的倾斜面提供相对于扩张器套筒轴向移动距离的不同径向移动距离。为了将托架或罩锁定在合适的位置，已知设置径向可移动的爪(dog)，该爪可以与孔中的内部锁定轮廓相接合。为了径向地移动爪，已知沿着其内面滑动锁定套筒。锁定套筒通常具有倾斜面，当套筒被向下移动时该倾斜面径向向外移动爪。然而，为了向下移动这样的锁定套筒，通常使用工具，该工具应当在移动套筒前被固定到井装置。这将防止在向下推动锁定套筒时该工具向上移动。锁定套筒的运动通常通过运转工具(running tool)中的液压活塞提供，或者通过由ROV致动设备提供线性运动而提供。在涉及密封孔的已知技术中，密封座一般被提供用于保持密封器件有效地密封孔。当然，有效的密封通过该密封器件结合其他部件来实现，该其他部件中的某些是如在上文中所描述的部件。在现有技术中，通常在密封孔的领域中，已知密封座用于承载密封元件以形成最终密封。然而，已发现该现有技术中的焦点不在密封承载件上，密封承载件仅仅是以普通且已知的方式借助于其承载的密封元件来起作用以形成密封。而是，焦点总是在不同部件的组合的结构特征上，以形成有效的覆盖。例如，GB2456191A公开了一种水下井生产树型物(subsea well production tree)，其具有环形腔、通信道(communication gallery)以及树型罩。环形腔位于上端处，围绕生产孔和环形孔的上端。通信道位于环形孔和环形腔之间。树型罩具有生产孔心轴和环形密封构件。生产孔心轴从树型罩的上部分向下延伸到生产孔。密封构件从树型罩的上部分向下延伸到环形腔。密封的方法包括使树型罩落在树型物上、将生产孔心轴插入到生产孔中以及将密封构件插入到环形腔中，以在通信道和环形腔之间形成密封。再次地，在GB2456191A中，该发明的焦点不在任何密封承载件/座的任何特定配置上。而是，焦点在多个部件诸如环形腔、通信道、生产心轴和密封构件的组合上。其主要是产生有效密封的这种组合，且不存在与具有增强密封作用的固有适应性的任何密封座/承载件相关的教导。根据US5992526A，已知一种用在树型罩中的密封座。该密封座包括将孔密封的两个穿刺构件(stab member)。穿刺构件具有抵着孔密封的密封元件。US2009/0151958A1描述了一种用在井中的临时密封元件，其包括抵着压力侧成凸形的可压碎密封元件US5685372也描述了一种用在井中的可压碎插塞，其中该插塞具有凸状的形式。因此，在存在的现有技术中，不存在与下述密封座本身有关的教导，即该密封座借助于其适应性来增强对管状井组件的孔的密封作用。因此，需要设计一种借助于其结构来有效地增强对管状井元件的孔密封的密封座。发明目的
本发明旨在通过提供被特别地构造的密封座来满足至今未由现有技术教导的以上需要，该密封座借助于其特别地配置的结构在管状井组件的孔上形成有效的可移除密封方面发挥重要的作用。本发明的另一个目的是通过应用本发明的密封座来提供对管状井组件的孔密封的方法，在该方法中，密封座借助于其特别地配置的结构来增强有效地密封孔的作用。此外，本发明公开了仍然未在现有技术中公开的某些有利特征。在包括权利要求的整个说明书中，词语“旋转致动器”、“锁定器件”、“致动套筒”、“密封座”、“密封装置”应以各术语的最宽泛的意义来解释，并包括以其他术语而已知的该领域中全部的相似术语，如对于本领域技术人员来说可能清楚的术语。例如，密封座可以已知为密封承载件。如果在本说明书中有涉及约束/限制的话，则其仅仅是以示例和理解本发明的方式。发明概述根据本发明的第一方面，提供一种用于保持密封装置的密封座，所述密封装置适合于抵着孔中的面向密封表面(facing seal surface)密封。密封座具有被周边部分环绕的中间部分，周边部分被设置用于承载所述密封装置。根据本发明，中间部分朝着压力侧成凸形，并且适合于在其凸面上受到压力的情况下将径向压力施加在所述周边部分上。根据本发明的第一方面的有利实施方式，中间部分适合于在其凸面上受到压力的情况下弯曲，以将径向压力施加在所述周边部分上。因此，密封座中的适应性增强了对孔的密封作用，其中密封座中的适应性即为在密封座的中间部分中的弯曲，该中间部分呈现出以凸出部分面向压力侧的形式；以及密封座的周边部分，该周边部分承载密封装置。该有利的适应性在对管状井元件的孔例如圣诞树型物的孔进行密封的领域中迄今未知或未被构想。根据本发明的第一方面的另一个有利实施方式，所述周边部分适合于在径向压力施加在所述周边部分上的情况下被沿着所述孔上的所述密封表面推动。根据本发明的第一方面的另一个有利实施方式，所述密封装置适合于在所述周边部分被抵着所述孔上的所述表面推动的情况下，进入所述孔上的所述表面的密封区域，以沿着该密封表面密封所述孔。根据本发明的第一方面的又一个有利实施方式，所述孔在所述密封表面的所述区域中的直径小于所述孔在所述密封表面上方的直径。根据本发明的第一方面的另一个有利实施方式，所述密封装置包括分别为第一密封元件和第二密封元件的一对密封元件。优选地，所述第一密封元件是金属对金属的密封装置，且所述第二密封元件是聚合物密封装置。
根据本发明的第一方面的另外的有利实施方式，所述密封座适合于被应用于对管状井组件的生产孔和/或环形孔或任何孔例如圣诞树型物的孔进行密封。根据本发明的第二方面，提供一种通过应用一设备来密封孔的方法，该设备在其下端处设有保持密封装置的密封座，该方法包括，使所述设备合适地落在所述孔的管状井组件上，所述方法的特征在于此后，通过合适的器件沿着所述孔使所述密封座逐渐地向下移动，使得所述密封座的中间部分将径向压力施加在所述密封座的周边部分上，引起沿着所述孔上的表面对所述孔的密封，其中中间部分是成弧形的且其凸面在所述孔中面向压力暴露侧。根据本发明的第二方面的有利实施方式，所述密封座的凸面在受到压力时稍微变得弯曲，沿着所述孔上的表面推动所述周边部分，并且关于所述周边部分而布置的所述密封装置因此进入所述表面的密封区域，引起沿着该密封表面对所述孔的密封。优选地，在所述密封期间，密封座通过致动套筒的轴向运动而沿着所述孔逐渐地向下移动，所述致动套筒在其下端处可操作地连接到所述密封座，所述轴向运动还驱使锁定器件径向运动，该锁定器件用于将所述设备保持处于所述管状井组件的降落肩部(landing shoulder)上的合适位置中。更优选地，所述致动套筒的轴向运动由旋转致动器引起。附图
简述以上已经描述了本发明的主要特征，在下文中将参考附图给出示例性实施方式的更加详细且非限制性的描述，在附图中图I是根据本发明的密封座的局部横截面图；图2是被设置在水下圣诞树型物的内孔中的树型罩的横截面图，该圣诞树型物具有应用在其上的根据本发明的密封座；图3是图2中的树型罩的横截面图，该树型罩锁定到圣诞树型物，该圣诞树型物具有应用在其上的根据本发明的密封座；图4是图2和图3中的树型罩的横截面图，该树型罩锁定到圣诞树型物，并显示出被根据本发明的密封座保持在密封位置中的两个密封装置；图5是致动套筒的局部横截面图；图6是适合于将根据本发明的密封座应用在具有生产孔和环形孔的圣诞树型物上的树型罩的横截面图。
在上文的背景下，由此仅仅通过示例的方式并为了理解本发明而不通过任何限制的方式来阐明，根据本发明的密封座已经被提作为可应用在圣诞树型物的生产孔上。对于本领域技术人员来说应理解，根据本发明的密封座可同样地应用于全部其他的孔例如在离岸/水下和岸上区域中的孔，并且在实现本发明的目的方面将同等地起作用。另外，密封座以与根据本发明的详细描述的前部分所描述的方式相同的方式可同样地适用于密封管状井组件的全部类型的生产孔以及环形孔。本发明的详细描述附图I图示了根据本发明的密封座的剖视图。如附图2、3和4所示，密封座117位于树型罩100的下部分处。如在图I中所图示的，密封座117包括被周边部分117b所环绕的中间部分117a。密封装置包括多个密封件，并且关于周边部分117b而布置。密封座117的中间部分117a是弯曲的且凸出部分面向密封座117的压力侧。因此，如随后参考图2到图4所描述的，当受到(在附图2、3和4中图示的)XT孔203中的压力时，中间部分117a将被稍微地弯曲。该弯曲引起周边部分117b被抵着XT孔203的表面推动，从而增强密封装置119、121的密封作用。因此，密封座117借助于中间部分的弧形部分并结合保持密封装置119、121的周边部分117a而在增强密封作用方面发挥重要的作用。优选地，密封装置 包括分别为第一密封元件121和至少第二密封元件119的一对密封元件。然而，本领域技术人员将理解，在密封装置中可以有由密封座的周边部分的外部壁保持的多个密封件。密封座可以由匀质的铬镍铁合金和其他类型的钢制成。通过图2到图6将清楚的是，密封座17如何借助于其新颖的结构并结合罩的其他部件来起作用以增强对孔的密封作用。已经在图2到图6中描述了罩的各种特征，以强调根据本发明的密封座如何与罩的其他部件关联地操作。然而，本领域技术人员应理解，根据本发明的密封座不被限制于其与任何特定类型的罩/设备/树型物一起使用以密封孔。如从下面的描述将清楚的，在罩已经合适地落在树型物的降落肩部205上之后，优选地，旋转致动器111使致动套筒109轴向旋转，以沿着径向方向驱动锁定器件101。密封座117位于致动套筒109的一个端部处，该端部是在孔中比锁定器件101更远的远端。在密封作用期间，锁定器件101将罩保持在合适的位置中。图2示出了树型罩100的横截面，树型罩100具有应用在其上的根据本发明的密封座117。树型罩100落在水下圣诞树型物的树型套管201的孔203中。树型罩100停置在圣诞树型孔(Xmas tree bore) 203的内部的降落肩部205上。树型罩100具有多个锁定爪101，锁定爪101径向可移动到树型套管201的面向内部锁定凹槽207中。爪101的径向运动与致动套筒109的向下运动一起被提供。此外，致动套筒109与旋转致动器111螺纹啮合。就是说，在致动套筒109和旋转致动器111之间的螺纹界面113包括互相啮合的螺纹。当旋转致动器111旋转时，致动套筒109将取决于旋转方向而沿着轴向方向向上或向下移动。在其上部分，旋转致动器111显示出适合于与例如转矩工具或ROV旋转工具(未示出)对接的旋转界面115。为了防止树型罩100由于旋转致动器111的旋转而旋转，销和孔布置(未示出)可以优选地设置在树型套管201的顶部处。从树型罩100延伸到树型套管201中的孔中的销将防止树型罩100的旋转。除了螺纹界面113，其它器件也可以被设置用于将旋转致动器111的旋转运动转变为致动套筒109的轴向运动。该器件可以例如是滚柱丝杆组件(roller screwassembly)。根据本发明的密封座117设置在致动套筒109的下端处。密封座可以借助于螺纹或者借助于横向延伸的锁定销而连接到致动套筒。至少一聚合物密封装置119和至少一金属对金属的密封装置121被设置到密封座117并在附图I中示出。在附图2中示出的密封装置119、121的位置下面，XT孔203显示出构成孔密封表面209的变窄部分。如将从下面的图3到图5的描述中进一步清楚的，当激活套筒109向下移动时，密封装置119、121被移动到密封表面209的区域中。这不能容易地从附图2中看到，但是圣诞树型套管201的内孔203在密封表面209处的孔直径稍微小于在所述密封表面上方的在图2中不出的密封装置119、121的位置处的孔直径。从而，密封装置119、121在其进入密封表面209的区域时被驱动，即被置于密封状态中。树型罩100还包括固定板123、紧急释放套筒125以及紧急释放开口环127。附图3是对应于图2的横截面图。其示出了对XT孔加罩的过程期间的一位置，其 中致动套筒109已经被轴向向下移动第一距离。该图还详细阐述了根据本发明的密封座如何增强对孔的密封作用。致动套筒109的运动已借助于转矩工具(未示出)而被提供，其中该转矩工具通过与旋转界面115的接合使旋转致动器111旋转。可以使用另外的旋转提供器件来代替转矩工具，优选ROV的器件。锁定爪101现在已经被移动到树型套管201的面向内部锁定轮廓207中。此外，金属对金属的密封装置121已经进入圣诞树型孔203的密封表面209的区域中。如将在下面进一步更加详细地描述的，锁定爪101现在已经通过与设置在致动套筒109上的多个凸轮131的滑动接合而被移动。凸轮131已经抵着锁定爪101的大倾斜面IOla滑动。大倾斜面IOla具有相对于轴向和径向方向45度的倾斜度。这确保了锁定爪101在致动套筒109的每次轴向运动时相对大的径向运动。在大倾斜面IOla下面的是垂直面IOlcL在附图4中，致动套筒109已经被向下运动到其最低位置。为聚合物密封装置119和金属对金属的密封装置121的密封装置现在已经被移动到密封表面209的区域中，并且从而位于密封位置中。此外，锁定爪101已经被移动另外的小径向距离，进入到内部锁定轮廓207中。本领域技术人员将领会到，锁定爪101在与其他激活方式相结合的方面也将是合适的，例如致动套筒的液压致动。锁定爪101的径向运动以及致动套筒109的轴向运动分别包括三个阶段。现在这通过参考附图3到图5更加详尽地在下面进行解释，特别是理解这些运动如何促进根据本发明的密封座借助于其新颖的结构来增强对孔的密封。第一阶段包括锁定爪101凭借大倾斜面IOla而实现的大距离径向运动。这在附图3中被图示。在该第一阶段中，只需要极小的力来使锁定爪101径向移动。该第一阶段将树型罩100锁定到树型套管201。这使第二阶段能够发生。在附图4中图示的第二阶段中，致动套筒109到达其最低位置，且密封装置119、121被推进到孔203的密封表面209的区域中。这是根据本发明的密封座117起作用的地方。密封座117的中间部分117a在受到XT孔203中的压力的情况下稍微地弯曲，其中中间部分117a是弯曲的且凸出部分面向密封座117的压力侧。该弯曲引起周边部分117b被抵着XT孔203的表面推动，从而增强周边部分117b所承载的密封装置119、121的密封作用。这就是密封座117是如何借助于中间部分的弧形部分并结合保持密封装置119、121的周边部分117a而在增强密封装置119、121的密封作用方面起重要作用的。密封表面209的区域具有比孔203在密封表面209上方所具有的直径小的直径。在该第二阶段期间，为了能够将密封装置推进到该区域中，锁定爪101将树型罩100保持在其合适的位置，而不管密封装置119、121和树型套管201之间的垂直力。在抵着孔203上的表面推动周边部分117b时，密封装置变成插入到密封表面209的区域中。在随后的第三阶段中，致动套筒109进一步向下运动。在其运动期间，如在图5中所图示的上倾斜致动套筒面109b和下倾斜致动套筒面109c与锁定爪的上小倾斜面和下小倾斜面(未示出)相接合。锁定爪101然后仅被移动一小距离便进入到锁定轮廓207中，然而因为锁定爪101可能已经与锁定轮廓207的面接触，所以要用非常大的力。该较大力通过上小倾斜面和下小倾斜面(未示出)的非常小的倾斜度来提供。应注意，在上小倾斜面和下小倾斜面的位置中，也可以只使用一个小倾斜面。有利 的倾斜角可以是相对于轴向方向为4度，但是也可以更大或甚至更小。还可以设想如上所述的第二阶段和第三阶段同时发生。也就是说，使锁定爪101移动最后的力-需要距离(last force-requiring distance),并同时将密封装置119、121推动到密封表面209的区域中。如前所述，根据本发明的密封座同样地适用于以与根据本发明的详细描述的前部分所描述的方式相同的方式来密封生产孔以及环形孔，并且密封座不被限制于其与任何特定类型的罩/设备/树型物一起使用。术语“凸(convex) ”在本文中指的是朝着密封座的压力侧突出的形状，并且因此其在受到来自压力侧的压力时将径向力施加到周边部分。从而，例如具有V形横截面的中间部分将落在如在本文中所使用的术语“凸”内。附图6图示了根据本发明的密封座如何密封圣诞树型物的环形孔以及生产孔。根据该实施方式的树型罩100包括用于进入到圣诞树型物中的两个分离孔中的两个托架。图6示出了树型罩100的横截面图，树型罩100适合于进入环形孔(未示出)以及生产孔诸如图2中的孔203。因此，图6中示出的树型罩100具有生产孔托架102以及环形孔托架104。优选地，环形孔托架104通过第二旋转致动器133的旋转运动而进入到环形孔中，该第二旋转致动器133通过螺纹界面135与托架其自身相接合。从而，通过第二旋转致动器133的旋转，环形托架104插入到圣诞树型物的环形孔(未示出)中。这应当在生产孔托架102已经被锁定在孔203即生产孔中之后完成。因为树型罩100其自身借助于以上描述的锁定爪101而锁定到圣诞树型物上，所以环形托架104不需要被锁定在环形孔中。固定板123将两个托架保持成作为一个树型罩结构。环形托架104显示出用于在环形孔中密封的密封装置137。优选地且不通过任何限制的方式，该密封装置137与密封装置119、121非常类似地适合于与根据本发明的密封座(未示出)一起配置，并以同等的有效性起作用。图6中示出的树型罩100具有环形托架定向突出部(annulus stingerorientation nose) 138,其被设置成稍微延伸到环形孔的上部分中，从而使环形托架104与环形孔(未示出)的轴向中心对齐。同时，环形托架定向突出部138将起到用于树型罩100的抗旋转器件的作用。
也可以设想，如本文中所描述的，锁定爪101、致动套筒109以及凸轮131与用于使致动套筒沿着锁定方向移动的另一种器件一起布置。如在本领域中常见的且为本领域技术人员所已知的，该器件可以例如包括液压致动器。对于本领域技术人员来说应充分清楚的是，具有根据本发明的密封座117的罩100可以被释放，以借助于旋转致动器111沿着另一个方向的旋转而将密封 件从相关的孔移除。这引起具有密封座117的致动套筒109的轴向和向上运动。因此，锁定爪101开始径向向内运动，以逐渐地释放罩100。如参考图6所描述的，可能的环形托架104若有的话，则其也将通过该动作被拉出，因为其未被锁定在环形孔中。如果旋转致动器111失效，则如在以前的段落中所描述的，整个释放操作可以通过在罩上安装紧急释放工具并简单地将其向上拉动来实现。本领域技术人员将领会到，密封座117的优势还将通过应对孔密封的其他布置而存在。仅仅为了理解，已经参考示例性实施方式以及一些附图来描述了本发明，且对于本领域技术人员来说应清楚的是，本发明包括已经在上文中所描述的以及在所附权利要求中所要求保护的范围内的全部合理修改。
权利要求
1.一种用于保持密封装置(119、121)的密封座，所述密封装置(119、121)适合于抵着孔(203)中的面向密封表面(209)密封，所述密封座具有被周边部分(117b)环绕的中间部分(117a)，所述周边部分(117b)被设置用于承载所述密封装置(119、121)，其特征在于，所述中间部分(117a)朝着压力侧成凸形，并且适合于在其凸面上受到压力的情况下将径向压力施加在所述周边部分(117b)上。
2.根据权利要求I所述的密封座，其特征在于，所述中间部分适合于在其凸面上受到压力的情况下弯曲，以将径向压力施加在所述周边部分(117b)上。
3.根据权利要求I所述的密封座，其特征在于，所述周边部分(117b)适合于在径向压力施加在所述周边部分(117b)上的情况下被沿着所述孔(203)上的所述密封表面(209)推动。
4.根据权利要求3所述的密封座，其特征在于，所述密封装置(119、121)适合于在所述周边部分(117b)被抵着所述孔上的所述表面(209)推动的情况下，进入所述孔(203)上的所述密封表面(209)的密封区域，以沿着该密封表面(209)密封所述孔。
5.根据权利要求3所述的密封座，其特征在于，所述孔(203)在所述密封表面(209)的所述区域中的直径小于所述孔(203)在所述密封表面(209)上方的直径。
6.根据权利要求I或4中任一项所述的密封座，其特征在于，所述密封装置包括分别为第一密封元件(121)和第二密封元件(119)的一对密封元件。
7.根据权利要求6所述的密封座，其特征在于，所述第一密封元件(121)是金属对金属的密封装置，且所述第二密封元件(119)是聚合物密封装置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的密封座，其特征在于，所述密封座(117)适合于被应用于对管状井组件的生产孔和/或环形孔或任何孔例如圣诞树型物的孔进行密封。
9.一种通过应用一设备来密封孔的方法，所述设备在其下端处设有保持密封装置(119,121)的密封座(117)，所述方法包括，使所述设备合适地落在所述孔的管状井组件上，所述方法的特征在于此后，通过合适的器件沿着所述孔使所述密封座(117)逐渐地向下移动，使得所述密封座的中间部分(117a)将径向压力施加在所述密封座(117)的周边部分(117b)上，引起沿着所述孔上的表面(209)对所述孔的密封，其中所述中间部分(117a)是成弧形的且其凸面在所述孔中面向压力暴露侧。
10.根据权利要求9所述的密封孔的方法，其特征在于，所述密封座(117)的所述凸面在受到压力时稍微变得弯曲，沿着所述孔上的表面(209)推动所述周边部分(117b)，并且关于所述周边部分(117b)而布置的所述密封装置(119、121)因此进入所述表面(209)的密封区域，引起沿着该密封表面(209)对所述孔的密封。
11.根据权利要求8所述的密封孔的方法，其特征在于，在所述密封期间，所述密封座通过致动套筒(109)的轴向运动而沿着所述孔逐渐地向下移动，所述致动套筒(109)在其下端处可操作地连接到所述密封座(117)，所述轴向运动还驱使锁定器件(101)径向运动，所述锁定器件(101)用于将所述设备保持处于所述管状井组件的降落肩部(205)上的合适位置中。
12.根据权利要求11所述的密封孔的方法，其特征在于，所述致动套筒的所述轴向运动由旋转致动器(111)引起。
13.根据权利要求8到12中任一项所述的密封孔的方法，其特征在于，所述孔是管状井组件的任何孔，例如圣诞树型物 的水下孔。
全文摘要
一种用于保持密封装置(119、121)的密封座，所述密封装置(119、121)适合于抵着孔(203)中的面向密封表面(209)密封，所述密封座具有被设置用于承载所述密封装置(119、121)的周边部分(117b)所环绕的中间部分(117a)，其中所述中间部分(117a)朝着受压侧成凸形，并且适合于在其凸面上受到压力的情况下将径向压力施加在所述周边部分(117b)上。本发明还涉及一种通过应用一设备来密封孔的方法，其中该设备在其下端处设有保持密封装置(119、121)的密封座(117)。
文档编号E21B33/128GK102686825SQ201180005155
公开日2012年9月19日 申请日期2011年1月7日 优先权日2010年1月7日
发明者亚尔莫·凯卡赖宁 申请人:阿克海底公司