专利名称：耐损伤的套管挂密封件的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及井口密封件，且具体而言涉及耐损伤的套管挂密封件。
背景技术：
在井口形成期间，钻井操作常常导致插入井眼中的井套管元件在从钻井切换到采油前损伤。具体而言，套管挂和高压井口罩会由于在从诸如数千分之一英尺深的较小划痕到多达0.1’’深的较大划痕的范围内的划痕和凿槽而受损。为了密封井眼，密封件必须由可挤出并填充划痕和凿槽的适应性材料构成。当前，使用由弹性体密封元件组成的密封件来密封套管元件之间的井眼环状空间。遗憾的是，弹性体密封元件并不满足当前对钻井和采油的需求。例如，许多密封件在密封件经受极冷、极热和/或两极端之间的循环的条件下使用。在这些状况下，弹性体密封件在密封件的期望现场寿命结束前疲劳和失效。当前的行业标准允许90天的密封件现场寿命。然而，行业希望有一种可使井的预期寿命持续大约20年的密封件。此外，井的寿命周期可包括井的起动和关停、井元件的压力测试等。这些寿命周期活动增加了弹性体密封件面临的极端应力和温度循环的数量。寿命周期活动导致弹性体密封件在井口密封系统的20年期望现场寿命要求之前很久就疲劳和失效。因此，需要可在20年的预期寿命周期内耐受井的极端温度、极端温度循环和不同寿命周期操作的井口密封件。此外，弹性体密封元件可能经历爆发性减压。当弹性体密封元件周围的高压迫使弹性体密封件吸收来自周围环境的气体时，发生爆发性减压。当弹性体密封元件周围的压力下降时，在较高压力下被吸收到弹性体密封元件中的气体快速地逸出弹性体密封元件。气体的快速逸出导致弹性体密封元件的撕裂和破坏。因此，需要在高压加载和卸载循环期间不会由于爆发性减压而失效的井口密封件。许多井口密封件使用借助于干涉密封件来密封井口部件之间的环状空间的元件。干涉密封件使用宽度略大于待密封的环形空间的密封部件。干涉密封件迫使密封部件进入密封区域中，以防止流体或其它材料通过。由于这些干涉密封件大于待密封的环形空间，所以干涉密封件的使用常常导致待密封的环形空间和干涉密封件本身受损。这妨碍了井的钻进和运行并引起密封件提前失效。因此，需要不会在插入和激励期间损伤井口套管元件的井口密封件。许多用于密封井口套管元件之间的环状空间的井口密封组件不可取回。一旦就位并被激励，便不能移除密封件。其位于井口中直到密封件失效。这在密封件可与送入工具等发生干涉的情况下会妨碍井的钻进和运行。此外，在紧急状况期间，不能取回标准密封件；因此，一旦密封件用于紧急状况，它便必须保留在井眼中。这阻碍了后续更好密封件的使用或其它设备或工具通过该空间。因此，需要可取回的井口密封件。
发明内容
通过提供了密封组件及其使用方法的本发明的优选实施例，大体上解决或回避了这些和其它问题，并且大体上实现了技术优势。根据本发明的一实施例，一种用于在具有共同轴线的内、外共轴布置的环形部件之间的环状空间内密封的密封组件包括具有人字形几何形状的第一防挤出密封环和具有人字形几何形状的第二防挤出密封环。第二防挤出密封环与第一防挤出密封环共轴并位于其轴向下方。该密封组件还包括具有人字形几何形状的第一适应性密封环。第一适应性密封环与第一防挤出密封环和第二防挤出密封环共轴并介于二者之间。第一和第二防挤出密封环中的至少一者构造成在承受轴向力时与内、外共轴布置的环形部件中的至少一者径向接合。第一适应性密封环构造成在承受轴向力时与内、外共轴布置的环形部件中的至少一者径向接合。根据本发明的另一实施例，一种用于在具有共同轴线的内、外共轴布置的环形部件之间的环状空间内密封的密封组件包括密封件叠层和上激活环。上激活环与密封件叠层共轴并位于其轴向上方。上激活环具有不同于密封件叠层的邻近表面的、与轴线形成角度的下配合面。该密封组件还包括与密封件叠层共轴并位于其轴向下方的下激活环。下激活环具有不同于密封件叠层的邻近表面的、与轴线形成角度的上配合面。密封件叠层的元件之间的配合面与轴线成相等角度。这些元件沿配合面的长度接触。在轴向负载下，上、下激活环配合面与邻近的密封件叠层配合面之间的接触导致密封件叠层的径向扩展。根据本发明的又一实施例，一种用于在具有共同轴线的内、外共轴布置的环形部件之间的环状空间内密封的密封组件包括具有内径的第一密封件叠层。第一密封件叠层具有在被激励时密封至外环形部件的受损表面的适应性密封元件。该密封组件还包括与第一密封件叠层共轴的第二密封件叠层。第二密封件叠层具有比第一密封件叠层的内径更小的外径。此外，第二密封件叠层具有在被激励时密封至内环形部件的受损表面的适应性密封元件。在本发明的又一实施例中，一种用于在具有共同轴线的内、外共轴布置的环形部件之间的环状空间内密封的方法包括提供密封环，以及将锁定环联接到该密封环。该方法接下来利用环工具使激励环沿第一方向轴向移动以向锁定环施加轴向力，该轴向力继而作用在密封环上，以使密封环径向变形而与环形部件密封接合。该方法通过继续锁定环沿第一方向的轴向移动而使锁定环径向变形成与环形部件锁定接合而结束。
为了实现并可更具体地理解本发明的特征、优点和目的以及其它将变得显而易见的方式，可参考在附图中示出的本发明的实施例来对以上简要概括的发明进行更具体的描述，附图形成本说明书的一部分。但要指出的是，附图仅示出本发明的优选实施例，因此不应认为限制了本发明的范围，因为本发明可容许其它等效的实施例。图1是根据本发明的一实施例的密封组件的剖视图。图2是图1的密封组件的详图。图3是图1的经激励的密封组件的剖视图。图4A是图1的示例性密封环的详图。图4B是图1的经激励的示例性密封环的详图。图5是根据本发明的一实施例的密封组件的剖视图。
图6是图5的密封组件的详图。图7是图5的经激励的密封组件的剖视图。图8A是图5的示例性密封环的详图。图8B是图5的经激励的示例性密封环的详图。
具体实施例方式现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明，附图示出了本发明的实施例。本发明可以许多不同的形式来实施并且不应被解释为局限于文中陈述的图示实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。同样的标号始终表不同样的兀件，并且主标记(若使用)表不备选实施例中的相似元件。在下文的讨论中，陈述了许多特定细节以提供对本发明的透彻理解。但对本领域技术人员而言将显而易见的是，本发明可在没有此类特定细节的情况下实施。另外，在大部分情况下，与钻井单元操作、材料等有关的细节已被省略，因为不认为此类细节对于获得本发明的完整理解而言是必需的，并认为此类细节在相关领域技术人员的技能范围内。参见图1，未经激励的套管挂密封件100被示出为定位在具有共同轴线的套管挂103和高压井口罩105之间的环状空间101内。套管挂103是井口组件的为下降到井眼中的后续套管柱提供支承的部分。套管挂103具有位于套管挂103的下端处的台肩107以及紧邻套管挂103的上端的搭接件(wicker) 109。类似地，井口罩105具有跨越环状空间101紧邻搭接件109的搭接件111，使得在缺少套管挂密封件100的情况下，搭接件109和搭接件111跨越环状空间101大致彼此面对。套管挂密封件100包括密封件止动环113、密封环组件115、锁定环117和激励环119。密封环组件115在密封件止动环113的台肩121上安装至密封件止动环113。锁定环117可移动地联接到密封件止动环113，使得当套管挂密封件100被激励时锁定环117向密封环组件115施加轴向力(参看图3)。在图示实施例中，密封件止动环113限定环形突起123，并且锁定环117限定对应的突起125，使得在被激励时(在图3中示出)，突起125在激励状态下将在把锁定环117固定至密封件止动环113的干涉配合中移动经过突起123。这种干涉配合可通过锁定环117的重力或通过诸如由激励环119在锁定环117上施加轴向力而发生。本领域技术人员将理解，可借助于保险螺栓等来联接锁定环117和密封件止动环 113。锁定环117包括具有大致U形截面129的环形部件，该环形部件带有锁定环支腿(leg) 143、145和下支腿131。下支腿131延伸经过密封件止动环113的上端并与密封环组件115的顶部接触。激励环119包括具有略大于由锁定环117限定的U形槽的轴向下端的环。如下文更详细描述的，送入工具将向激励环119施加轴向力，从而迫使激励环119轴向进入锁定环117中，提供将锁定环117的锁定环支腿143、145压入邻近的搭接件109和111中的干涉配合。本领域技术人员将理解，激励环119可由送入工具等激励。现在参见图2，示出了图1的套管挂103、套管挂103的台肩107、密封件止动环113、锁定环119的下支腿131和密封环组件115。如图2中所示，密封环组件115包括上基座环133、中心环135和下基座环137。优选地，上基座环133、中心环135和下基座环137由高强度钢等形成。此外，密封环组件115包括多个密封环139和弹簧元件141。弹簧元件141在密封件止动环113的台肩121处安装至密封件止动环113。优选地，弹簧元件141被预加载，使得弹簧元件141在套管挂密封件100被激励后在密封环组件115上施加轴向力。优选地，弹簧元件141由高强度低屈服材料形成。在图示实施例中，弹簧元件141包括Bellville垫圈,但本领域技术人员将理解,可使用其它弹簧元件。下基座环137紧邻弹簧元件141并在其轴向上方安装至密封件止动环113，使得在套管挂密封件100的制造期间预加载到弹簧元件141中的轴向力将传递通过下基座环137。上基座环133在密封环139的轴向上方并紧邻锁定环117的下支腿131安装至密封件止动环113。上基座环133提供用于将轴向能量从锁定环117传递到密封环139的上基部。密封环139包括形成密封件叠层的一系列轴向堆叠的人字环。在截面中，各密封环139具有V形并优选具有一致的厚度。在安置之前，各密封环139从其内径至其外径的径向宽度小于密封凹处(pocket)的径向宽度。在下基座环137开始，密封环139堆叠成使得密封环139的尖端邻近下基座环137或与其接触。密封环139然后以交替的材料层堆叠在下基座环137的轴向上方，使得后一环的尖端插入前一环的凹陷部分中。在图示实施例中，邻近下基座环137的密封环139包括诸如碳钢等的金属。下一个密封环139包括诸如聚四氟乙烯等的热塑性材料。接着热塑性密封环139，另一个金属密封环139堆叠在前一热塑性密封环139的轴向上方。这一直持续到达到特定应用所需的密封环139的数量。在图示实施例中，在下基座环137与中心环135之间使用7个密封环139。本领域技术人员将理解，可使用任何所需数量的密封环139。例如,实施例可包括使用3、5或9个密封环139。中心环135安装至密封件止动环113，轴向介入邻近但背对的密封环139之间。中心环135的下环形表面与中心环135的轴向下方的密封环139的凹陷部分大致一致。类似地，中心环135的上环形表面与中心环135的轴向上方的密封环139的凹陷部分大致一致。密封环139然后以交替的材料层堆叠在中心环135的轴向上方，使得前一环的尖端插入后一环的凹陷部分中。在图示实施例中，邻近中心环135的密封环139包括诸如碳钢等的金属。下一个密封环139包括诸如聚四氟乙烯等的热塑性材料。接着热塑性密封环139，另一个金属密封环139堆叠在前一热塑性密封环139的轴向上方。这一直持续到达到特定应用所需的密封环139的数量。在图示实施例中，在中心环135与上基座环133之间使用7个密封环139。本领域技术人员将理解，可使用任何所需数量的密封环139。例如，实施例可包括使用3、5或9个密封环139。类似地,可在中心环135上方和下方使用不同数量的密封环139。例如，实施例可包括使用位于中心环135上方的3个密封环139和位于中心环135下方的5个密封件139。相反,实施例可包括使用位于中心环135上方的5个密封环139和位于中心环135下方的3个密封件139。上基座环133的下环形表面与邻近上基座环133的密封环139的尖端大致一致并邻靠该尖端。这样，密封环139由上基座环133、中心环135和下基座环137束缚。在被激励时，如下文更详细所述的，施加在上基座环133和下基座环137上的轴向力将导致密封环139径向向内和向外展开(flair)而与密封件止动环113和高压罩105紧密密封接触。外径边缘抵靠着高压罩105密封。内径边缘抵靠着止动环113密封。这样，使用了两个单独的密封环139叠层，一个叠层中密封环139的尖端轴向向上，一个叠层中密封环139的尖端轴向向下。这允许套管挂密封件100有效地双向密封。不论是在套管挂密封件100的上方还是下方施加压力，环状空间101都将被密封。基于热塑性环和金属环的不同特性来选择密封环139的材料。优选地，热塑性环和金属环两者都必须在被激励时径向展开。此外，热塑性环不应过快地挤出。理想而言，金属密封环将在热塑性环挤出前径向展开，由此容纳热塑性环的流动。接着金属密封环的展开，热塑性密封环将挤出到高压罩105中的任何磨损或划痕中。优选实施例使用填充有15%碳的PTFE用于热塑性密封环，以及具有40ksi或更小屈服强度的碳钢金属密封环。热塑性密封环的备选实施例可使用PEEK，或包括不同量的碳纤维、纳米管、石墨颗粒等。在仍然其它实施例中，热塑性密封环可用包括铜、锡、铜锡合金等的软金属环代替。这些材料提供从-20华氏度至350华氏度的套管挂密封件100的有效工作温度范围。密封环139的适当材料历经由井运行导致的任何方式的压力或温度循环而为套管挂密封件100给出20年的有效寿命。现在参见图3，激励环119具有经激励的套管挂密封件100。这里，套管挂送入工具(未示出)已迫使激励环119进入由锁定环117限定的槽中。最初，由套管挂送入工具施加至激励环119的轴向力迫使激励环119抵靠锁定环117。作为响应，锁定环117的突起125挤过密封件止动环113的突起123。轴向力还迫使锁定环117的下支腿131抵靠上基座环133，从而压缩密封环组件115。在图示实施例中，密封环组件115的压缩导致密封环139径向展开。如图4A中所示，这由于各密封环臂139相对于邻近密封环臂139的不同角度而发生。在图4A中，上基座环133、中心环135和邻近密封环139的下基座环137的表面全部与竖直轴线151形成角度a。密封环139的臂的邻近表面代之与竖直轴线151形成不同角度P、9、
(P和O。当密封组件115被压缩时，不同角度使密封环139的臂径向向外展开而不是朝竖
直轴线151展开。通过使用有限元分析来确定各密封环139的角度，以便基于被密封部件的特定几何形状和在各个密封环中使用的材料来产生与被密封部件的所需接触。在一些情
形中，a可大于@、0、(|)和O，而在其它情形中，a既可大于又可小于角度P、0、(p和
O组。在备选实施例中，各密封环139的各臂不具有与邻近密封环139的臂不同的角度。在这些情形中，上基座环133、中心环135和下基座环137在与邻近的密封环139的接触点处具有不同角度，如下文参照图8更详细描述的。在压缩下，上基座环133、中心环135和下基座环139的不同角度导致密封环139展开。本领域技术人员将理解，各密封环139的角度可选择成使得各个密封环139的密封效果随着环状空间101内的流体或气体压力增加而增加。如上所述，密封组件115包括密封环139的密封件叠层。密封件叠层具有位于优选由热塑性材料组成的适应性密封环139’’的轴向上方和下方的优选由金属组成的防挤出密封环139’。如图4B中所示，在被激励时，密封环139径向展开。展开的防挤出密封环139’与高压罩105和密封件止动环113接合，从而在上部防挤出密封环139’与下部防挤出密封环139’之间形成截留体积(trapped volume)。该截留体积抑制了适应性密封环139’’的任何变形。密封环组件115上的轴向压力使适应性密封环139’ ’变形，从而导致适应性密封环139’ ’流动而与高压罩105和密封件止动环113密封接合。这样，适应性密封环139’ ’将在待由套管挂密封件100密封的区域内填充高压罩105的任何受损区域140。在一些实施例中，位于适应性密封环139’’上方和下方的防挤出密封环139’中的至少一个将密封至高压罩105和密封件止动环113。在这些实施例中，可针对特定目的来选择各密封环139。例如，第一防挤出环139’可密封至高压罩105和密封件止动环113，适应性密封环139’’可填充高压罩105的受损区域140，并且第二防挤出密封环139’可以不密封至高压罩105或密封件止动环113，同时仍抑制适应性密封环139’ ’的变形。接着密封环组件115的压缩和展开继续向激励环119施加轴向力迫使激励环119进入由锁定环117限定的槽中。如图3中所示，这迫使锁定环支腿143、145径向进入套管挂103和高压罩105的搭接件109、111中。锁定环支腿143、145然后变形进入搭接件109、111中，从而限制锁定环117的轴向移动。锁定环117的轴向移动的限制维持了密封环组件115的压缩，从而帮助维持密封环139的展开和环状空间101的有效密封。在图示实施例中，弹簧元件141被预加载使得弹簧元件141在密封环组件115上施加轴向力。在套管挂密封件100的操作使用期间，套管挂密封件100将经历热膨胀和收缩。套管挂密封件100的热膨胀和收缩将导致锁定环117轴向滑移，从而减轻密封组件115上的轴向力。预加载的弹簧元件141将在密封组件115上施加轴向力，以在锁定环117的轴向滑移事件期间维持密封环139的展开。这样，套管挂密封件100维持环状空间101的有效密封。来自激励环119的轴向压力还迫使密封件止动环113与套管挂103干涉配合。在被激励时，密封件止动环113沿内径表面127以干涉配合的方式与套管挂103接合。在一些实施例中，通过用诸如银的软金属涂覆内径表面127来增强在密封件止动环113与套管挂103之间形成的金属对金属密封，软金属将变形到套管挂103的表面中的任何磨损或划痕中。在其它实施例中，利用具有接近0.007的极低摩擦系数的分散涂料涂覆内径表面127，从而允许在套管挂密封件100的安放和激励期间更紧的干涉配合。在必须移除套管挂密封件100的情形中，送入工具固定至激励环119并施加向上的轴向力。该向上的轴向力使激励环119从由锁定环117限定的槽退出。作为响应，锁定环支腿143、145从它们在搭接件109、111上的变形位置退出，从而解除对锁定环117的锁定。一旦锁定环117从其锁定位置被移除，轴向力便不再维持密封组件115的压缩，从而释放由密封环139维持的密封而解除对环状空间101的密封。然后，送入工具可从环状空间101取回套管挂密封件100而不对套管挂103或高压罩105造成损伤。现在参见图5，未经激励的套管挂密封件200被示出为定位在套管挂203与高压井口罩205之间的环状空间201内。套管挂203是井口组件的为下降到井眼中的后续套管柱提供支承的部分。套管挂203具有位于套管挂203的下端的台肩207，以及紧邻套管挂203的上端的搭接件209。类似地，井口罩205具有跨越环状空间201紧邻搭接件209的搭接件211，使得在缺少套管挂密封件200的情况下，搭接件209和搭接件211跨越环状空间201大致彼此面对。套管挂密封件200包括密封件止动环213、内密封环组件215、外密封环组件216、锁定环217、联接环218和激励环219。密封件止动环213限定由圆柱形部件214分隔的内台肩221和外台肩222。内密封环组件215在密封件止动环213的台肩221上安装至密封件止动环213。外密封环组件216在密封件止动环213的台肩222上安装至密封件止动环213。锁定环217可移动地联接到密封件止动环213，使得当套管挂密封件200被激励时锁定环217向内密封环组件215和外密封环组件216施加轴向力(参看图7)。锁定环217包括具有大致U形截面229的环形部件，该环形部件带有锁定环支腿243,245和下支腿231，下支腿231延伸经过密封件止动环213的圆柱形部件214的上端并与外密封环组件216的顶部接触。联接环218包括具有比下支腿231的直径更小的直径的环。在图示实施例中，联接环218的外径表面紧邻多个螺栓槽230并在内密封组件215的轴向上方邻靠圆柱形部件214的内径。联接环218由多个螺栓232联接到锁定环217的下支腿231。螺栓槽230包括紧邻圆柱形部件214的上端位于圆柱形部件214中的多个槽。螺栓槽230具有一定尺寸和形状，使得锁定环217和联接环218可相对于圆柱形部件214轴向移动，由此压缩内密封组件215和外密封组件216。激励环219包括具有略大于由锁定环217限定的槽的轴向下端的环。如下文更详细描述的，送入工具将向激励环219施加轴向力，从而迫使激励环219轴向进入锁定环217中而提供将把锁定环217的锁定环支腿243、245压到邻近的搭接件209和211中的干涉配合。本领域技术人员将理解，激励环219可由送入工具等激励。现在参见图6，示出了图5的密封件止动环213、锁定环217的下支腿231、联接环218、螺栓槽230、螺栓232以及内密封环组件215和外密封环组件216。如图6中所示，内密封环组件215包括上基座环233、中心环235和下基座环237。此外，内密封环组件215包括多个密封环239和弹簧元件241。类似地，外密封环组件216包括上基座环234、中心环236、下基座环238、多个密封环240和弹簧元件242。优选地，内上基座环233和外上基座环234、内中心环235和外中心环236以及内下基座环237和外下基座环238由高强度钢等形成。此外，内弹簧元件241和外弹簧元件242优选由具有低屈服的高强度材料形成。内下基座环237和外下基座环238在台肩221、222处安装至密封件止动环213。内上基座环233和外上基座环234在紧邻内弹簧元件241和外弹簧元件242且位于其轴向下方的内密封环239和外密封环240的轴向上方安装至密封件止动环113，使得在套管挂密封件200的制造期间预加载到内弹簧元件241和外弹簧元件242中的轴向力将通过内上基座环233和外上基座环234传递。内弹簧元件241和外弹簧元件242紧邻锁定环217的下支腿231。在图示实施例中，弹簧元件241、242包括轴向弹簧环，但本领域技术人员将理解，可使用其它弹簧元件。内上基座环233和外上基座环234提供用于将轴向能从锁定环217以及内弹簧元件241和外弹簧元件242传递到内密封环239和外密封环240的上基部。内密封环239和外密封环240包括一系列轴向堆叠的人字环。在截面中，各内密封环239和外密封环240具有V形并优选具有一致的厚度。在安置之前，各内密封环239和外密封环240从其内径至其外径的径向宽度小于密封凹处的径向宽度。在内下基座环237和外下基座环238开始，内密封环239和外密封环240堆叠成使得内密封环239和外密封环240的凹陷部分邻近内下基座环237和外下基座环237或与其接触。然后，内密封环239和外密封环240以交替的材料层堆叠在内下基座环237和外下基座环238的轴向上方，使得前一内密封环239和外密封环240的尖端插入后一内密封环239和外密封环240的凹陷部分中。在图示实施例中，邻近内下基座环237和外下基座环238的内密封环239和外密封环240包括诸如碳钢等的金属。接下来的内密封环239和外密封环240包括诸如聚四氟乙烯等的热塑性材料。接着热塑性内密封环239和外密封环240，另一个金属内密封环239和外密封环240堆叠在前一热塑性内密封环239和外密封环240的轴向上方。这一直持续到达到特定应用所需的内密封环239和外密封环240的数量。在图示实施例中，在内下基座环237和外下基座环238与内中心环235和外中心环236之间使用5个内密封环239和外密封环240。本领域技术人员将理解，可使用任何所需数量的内密封环239和外密封环240。例如，实施例可包括使用3、5或9个内密封环239和外密封环240。内中心环235和外中心环236安装至密封件止动环，轴向介入邻近但背对的内密封环239和外密封环240之间。内中心环235和外中心环236的下环形表面与内中心环235和外中心环236的轴向下方的内密封环239和外密封环240的尖端大致一致。类似地，内中心环235和外中心环236的上环形表面与内中心环235和外中心环236的轴向上方的内密封环239和外密封环240的尖端大致一致。然后，内密封环239和外密封环240以交替的材料层堆叠在内下中心环235和外中心环236的轴向上方，使得前一内密封环239和外密封环240的凹陷部分收纳后一内密封环239和外密封环240的尖端。在图示实施例中，邻近内中心环237和外中心环236的内密封环239和外密封环240包括诸如碳钢等的金属。接下来的内密封环239和外密封环240包括诸如聚四氟乙烯等的热塑性材料。接着热塑性内密封环239和外密封环240，另一个金属内密封环239和外密封环240堆叠在前一热塑性内密封环239和外密封环240的轴向上方。这一直持续到达到特定应用所需的内密封环239和外密封环240的数量。在图示实施例中，在内中心环235和外中心环236与内上基座环233和外上基座环234之间使用5个内密封环230和外密封环240。本领域技术人员将理解，可使用任何所需数量的内密封环239和外密封环240，并且可使用不同数量的内密封环230和外密封环240。例如，实施例可包括使用3、5或9个内密封环239和外密封环240。类似地,可在内中心环235和外中心环236的上方和下方使用不同数量的内密封环239和外密封环240。例如，实施例可包括使用位于内中心环235和外中心环236上方的3个内密封环230和外密封环240以及位于内中心环235和外中心环236下方的5个内密封环239和外密封环240。相反,实施例可包括使用位于内中心环235和外中心环236上方的5个内密封环230和外密封环240以及位于内中心环235和外中心环236下方的3个内密封环239和外密封环240。类似地，内密封环239的数量可不同于所使用的外密封环240的数量。内上基座环233和外上基座环234的下环形表面与邻近内上基座环233和外上基座环240的内密封环230和外密封环240的凹陷部分大致一致并邻靠该凹陷部分。这样，内密封环239和外密封环240由内上基座环233和外上基座环234、内中心环235和外中心环236以及内下基座环237和外下基座环238束缚。在被激励时，如下文更详细描述的，施加在内上基座环233和外上基座环234以及内下基座环237和外下基座环238上的轴向力将导致内密封环239和外密封环240径向向内和向外展开而与密封件止动环213的圆柱形部件214、高压罩205和套管挂203紧密密封接触。这样，使用了分开的两个内密封环239和外密封环240叠层，一个叠层中内密封环239和外密封环240的尖端轴向向上，而一个叠层中内密封环239和外密封环240的尖端轴向向下。这允许套管挂密封件200有效地双向密封。不论是在套管挂密封件201的上方还是下方施加压力，环状空间200都将被密封。基于热塑性环和金属环的不同特性来选择内密封环239和外密封环240的材料。优选地，热塑性环和金属环两者都必须在被激励时径向展开。此外，热塑性环不应过快地挤出。理想而言，金属密封环将在热塑性环挤出前径向展开。接着金属环的展开，热塑性环挤出到套管挂203或高压罩205中的任何磨损或划痕中。优选实施例使用填充有15%碳的PTFE用于热塑性密封环，以及具有40ksi或更小的屈服强度的碳钢金属密封环。热塑性密封环的备选实施例可使用PEEK或包括不同量的碳纤维、纳米管、石墨颗粒等。在仍然其它实施例中，热塑性密封环可用包含铜、锡、铜锡合金等的软金属环代替。这些材料提供从-20华氏度至350华氏度的套管挂密封件200的有效工作温度范围。内密封环239和外密封环240的材料的适当选择历经由井运行导致的任何方式的压力或温度循环而为套管挂密封件200给出20年的有效寿命。现在参见图7，激励环219具有经激励的套管挂密封件200。这里，套管挂送入工具(未示出)已迫使激励环219进入由锁定环217限定的槽中。最初，施加至激励环219的轴向力通过经激励环219向锁定环217施加向下的轴向力而压缩内密封环组件215和外密封环组件216。施加至锁定环217的向下轴向力还导致联接环218轴向向下移动至螺栓232在圆柱形部件214的螺栓槽230中的移动所允许的极限。这样，锁定环217压缩外密封组件216，并且联接环218压缩内密封组件215。在图示实施例中，内密封环组件215和外密封环组件216的压缩导致内密封环239和外密封环240径向展开。如图8A中关于内密封组件215但适用于内密封组件215和外密封组件216所举例说明的，邻近内密封环239的内上基座环233的表面与竖直轴线252形成角度Y。邻近内上基座环233的内密封环239的臂的表面与竖直轴线252形成角度a。类似地，内中心
环235与竖直轴线252形成不同于内密封环239角度a的角度Cp。内中心环235与竖直
轴线252形成不同于内密封环239臂角度a的角度0。最后，内下基座环237形成不同于内密封环239臂角度a的角度0。在压缩下，内上基座环233、内中心环235和内下基座环237的不同角度导致内密封环239展开。通过使用有限元分析来确定上基座环233的角
度Y、内中心环235的(p和P以及下基座环237的0，以便基于被密封部件的特定几何
形状和各个密封环中所使用的材料来产生与被密封部件的所需接触。在一些情形中，密封
环239的角度a可大于0、0、Cp和Y ,而在其它情形中，a既可大于又可小于角度3、
0、(|)和Y组。在备选实施例中，这由于如上文关于图4所述各内密封环臂239和外密封
环臂240相对于邻近的内密封环臂239和外密封环臂240的不同角度而发生。本领域技术人员将理解，各内密封环239和外密封环240的角度可选择成使得各个内密封环239和外密封环240的密封效果随着环状空间201内的流体或气体压力增加而增加。如上所述，密封组件215、216包括由密封环239、240组成的密封件叠层。各密封件叠层具有位于优选由热塑性材料组成的适应性密封环239’ ’的轴向上方和下方的优选由金属组成的防挤出密封环239’。如图8B中所示，在被激励时，密封环239径向展开。展开的防挤出密封环239’与高压罩205和套管挂203接合，从而在上部防挤出密封环239’与下部防挤出密封环239’之间形成截留体积。截留体积抑制了适应性密封环239’’的任何变形。密封环组件215上的轴向压力使适应性密封环239’’变形，从而导致适应性密封环239’’流动而与套管挂203密封接合。这样，适应性密封环239’’将在待由套管挂密封件200密封的区域内填充套管挂203的任何受损区域254。类似地，适应性密封环240’将在待由套管挂密封件200密封的区域内填充高压罩205的任何受损区域。在一些实施例中，位于适应性密封环239’ ’上方和下方的防挤出密封环239’中的至少一个将密封至套管挂203。在这些实施例中，可针对特定目的来选择各密封环239。例如，第一防挤出密封环239’可密封至套管挂203，适应性密封环239’’可填充套管挂203的受损区域254，并且第二防挤出密封环239’可以不密封至套管挂203，同时仍抑制适应性密封环239’’的变形。如图7中所示，接着内密封环组件215和外密封环组件216的压缩和展开继续向激励环219施加轴向力迫使激励环219进入由锁定环217限定的槽中，从而迫使锁定环支腿243、245径向进入套管挂203和高压罩205的搭接件209、211中。向激励环219进一步施加轴向力导致锁定环支腿243、245变形到搭接件209、211中，从而限制锁定环217的轴向移动。锁定环217的轴向移动的限制导致内密封环组件215和外密封环组件216的继续压缩，从而有助于维持内密封环239和外密封环240的展开和环状空间201的有效密封。在图示实施例中，内弹簧元件241和外弹簧元件242被预加载，使得内弹簧元件241和外弹簧元件242在内密封环组件215和外密封环组件216上施加轴向力。在套管挂密封件200的操作使用期间，套管挂密封件200将经历热膨胀和收缩。套管挂密封件200的热膨胀和收缩将导致锁定环217轴向滑移，从而减轻内密封组件215和外密封组件216上的轴向力。预加载的内弹簧元件241和外弹簧元件242将在内密封组件215和外密封组件216上施加轴向力，以在锁定环217的轴向滑移事件期间维持内密封环239和外密封环240的展开。这样，套管挂密封件200维持环状空间201的有效密封。在必须移除套管挂密封件200的情形中，送入工具固定至激励环219并施加向上的轴向力。向上的轴向力使激励环219从由锁定环217限定的槽退出。作为响应，锁定环支腿243、245从它们在搭接件209、211上的变形位置退出，从而解除对锁定环217的锁定。一旦锁定环217从其锁定位置被移除，轴向力便不再维持内密封组件215和外密封组件216的压缩，从而释放由内密封环239和外密封环240维持的密封而解除对环状空间201的密封。然后，送入工具可从环状空间201取回套管挂密封件200而不对套管挂203或高压罩205造成损伤。因此，所公开的实施例提供了优于其它套管挂密封件的许多优点。例如，本文公开的实施例提供了在不使用弹性体密封元件的情况下密封受损的套管挂和高压井口罩的套管挂密封件。此外，所公开的实施例提供了能承受从-20华氏度至350华氏度的极端温度范围的具有20年预期寿命的密封件。此外，所公开的实施例不需要干涉配合，而代之将密封件维持在比被密封的环状空间更小的区域内直到套管挂密封件被激励，从而防止对井眼套管和套管挂密封件的另外损伤。最后，所公开的实施例提供了可取回和可更换的套管挂密封件。虽然仅采用本发明的一些形式示出或描述了本发明，但对本领域技术人员而言应当显而易见的是，本发明并不受此限制，而是可在不脱离本发明的范围的情况下容易地做出各种更改。
权利要求
1.一种用于在具有共同轴线的内、外共轴布置的环形部件(103，105)之间的环状空间(101)内密封的密封组件(100)，所述密封组件(100)包括 具有人字形几何形状的第一防挤出密封环(139’)； 具有人字形几何形状的第二防挤出密封环(139’)，所述第二防挤出密封环(139’)与所述第一防挤出密封环(139’)共轴并位于其轴向下方； 具有人字形几何形状的第一适应性密封环(139’’)，所述第一适应性密封环(139’’)与所述第一防挤出密封环(139’)和所述第二防挤出密封环(139’)共轴并介于二者之间； 其中，所述第一和第二防挤出密封环(139’)中的至少一者构造成当承受轴向力时与所述内、外共轴布置的环形部件(103，105)中的至少一者径向接合；并且 所述第一适应性密封环(139’’)构造成当承受轴向力时与所述内、外共轴布置的环形部件(103，105)中的至少一者径向接合。
2.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其特征在于，还包括 与所述第一和第二防挤出密封环(139’)以及所述适应性密封环(139’’)轴向对准的弹黃(141);并且 其中，所述弹簧(141)维持所述第一和第二防挤出密封环(139’)以及所述第一适应性密封环(139’’)上的轴向力，由此维持所述密封环(139’，139’’)与所述内、外环形部件(103,105)之间的径向力。
3.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其特征在于，还包括 具有人字形几何形状的第三防挤出密封环(139’)，所述第三防挤出密封环(139’)与所述第一和第二防挤出密封环(139’)共轴； 具有人字形几何形状的第四防挤出密封环(139’)，所述第四防挤出密封环(139’)与所述第一、第二和第三防挤出密封环(139’)共轴； 具有人字形几何形状的第二适应性密封环(139’’)，所述第二适应性密封环(139’’)与所述第三防挤出密封环(139’)和所述第四防挤出密封环(139’)共轴并介于二者之间；并且 其中，所述第一和第二防挤出密封环(139’)面向第一轴向，并且所述第三和第四防挤出密封环(139’)面向与所述第一轴向相反的第二轴向上，由此在被激励时形成双向密封。
4.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其特征在于，所述第一适应性密封环(139’’)包括具有不大于所述第一和第二防挤出环(139’)的弹性模量的一半的弹性模量的材料。
5.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其特征在于 所述第一和第二防挤出密封环(139’)由从由金属、聚合物、弹性体、陶瓷以及它们的复合物组成的组选择的材料形成；并且 所述第一适应性密封环(139’’)由从由金属、聚合物、弹性体、陶瓷以及它们的复合物组成的组选择的材料形成。
6.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其特征在于，还包括 与所述第一防挤出环(139’)共轴并位于其轴向上方的上激活环(133)，所述上激活环(133)具有不同于所述第一防挤出环(139’)的邻近表面的与所述轴线形成角度的下配合面；与所述第二防挤出环(139’)共轴并位于其轴向下方的下激活环(137)，所述下激活环(137)具有不同于所述第二防挤出环(139’)的邻近表面的与所述轴线形成角度的上配合面； 其中，所述第一防挤出环(139’)与所述第一适应性环(139’’)之间的配合面与所述轴线成相等的角度，从而允许所述第一防挤出环(139’)和所述第一适应性环(139’ ’)沿所述配合面的长度接触； 其中，所述第二防挤出环(139’)与所述第一适应性环(139’’)之间的配合面与所述轴线成相等的角度，从而允许所述第二防挤出环(139’)和所述第一适应性环(139’ ’)沿所述配合面的长度接触；并且 其中，在轴向负载下，所述上、下激活环(133，137)配合面与邻近的防挤出密封环(139’)之间的接触导致所述第一和第二防挤出密封环(139’)以及所述适应性密封环(139’’)的径向扩展。
7.根据权利要求6所述的密封组件(100)，其特征在于，所述第一防挤出密封环(139’)、所述第二防挤出环(139’)以及所述适应性环(139’ ’)之间的配合面的角度导致密封压力响应于所述环状空间(101)内增加的压力而增加。
8.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其特征在于，还包括 所述第一防挤出密封环(139’)，其具有与所述轴线形成角度的下配合面，所述角度不同于由邻近的适应性密封环(139’’)的配合面与所述轴线形成的角度； 所述第二防挤出密封环(139’)，其具有与所述轴线形成角度的上配合面，所述角度不同于由邻近的适应性密封环(139’’)的配合面与所述轴线形成的角度；并且 其中，在轴向负载下，所述配合面之间的接触导致所述第一和第二防挤出密封环(139’)以及所述适应性密封环(139’’)的径向扩展。
9.根据权利要求8所述的密封组件(100)，其特征在于，所述第一防挤出密封环(139’)配合面和所述第二防挤出环(139’)表面的所述角度中的至少一个导致密封压力响应于所述环状空间(101)内增加的压力而增加。
10.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其特征在于，还包括 具有人字形几何形状的第三防挤出密封环(239’)，所述第三防挤出密封环(239’)与所述第一和第二防挤出密封环(240’)共轴； 具有人字形几何形状的第四防挤出密封环(239’)，所述第四防挤出密封环(239’)与所述第一、第二和第三防挤出密封环(240’)共轴并位于所述第三防挤出密封环(239’)的轴向下方； 具有人字形几何形状的第二适应性密封环(239’’)，所述适应性密封环(239’’)与所述第三防挤出密封环(239’)和所述第四防挤出密封环(239’)共轴并介于二者之间； 其中，所述第三和第四防挤出密封环(239’)具有比所述第一和第二防挤出密封环(240’)的内径更小的外径； 其中，所述第一和第二防挤出密封环(240’)中的至少一者的外径表面在被激励时密封至所述外环形部件(205)； 其中，所述第一适应性密封环(240’’)的外径表面在被激励时密封至所述外环形部件(205)；其中，所述第三和第四防挤出密封环(239’)中的至少一者的内径表面在被激励时密封至所述内环形部件(203);并且 其中，所述第二适应性密封环(239’’)的内径表面在被激励时密封至所述内环形部件(203)。
11.根据权利要求10所述的密封组件(100)，其特征在于，还包括 密封件止动环(213)，其包括环形部件，所述环形部件限定由与所述轴线共轴的圆柱形部件(214)分隔的内、外环形的面向上的台肩(221，222)； 其中，所述密封件止动环(213)可移除地联接到用于所述密封组件(200)的插入和移除的送入工具； 其中，所述第一和第二防挤出密封环(240’)以及所述第一适应性密封环(240’’)安装至所述密封件止动环(213)的外部面向上的台肩(222);并且 其中，所述第三和第四防挤出密封环(239’)以及所述第二适应性环(239’’)安装至所述密封件止动环(213)的内部面向上的台肩(221)。
12.一种用于在具有共同轴线的内、外共轴布置的环形部件(103，105)之间的环状空间(101)内密封的方法，所述方法包括 (a)提供密封环(139)； (b)将锁定环(117)联接到所述密封环(139)； (c)利用设置工具使激励环(119)沿第一方向轴向移动，以向所述锁定环(117)施加轴向力，所述轴向力继而作用在所述密封环(139)上，以使所述密封环(139)径向变形而与所述环形部件(103，105)密封接合；以及 (d)继续所述锁定环(117)沿所述第一方向的轴向移动，以使所述锁定环(117)径向变形而与所述环形部件(103，105)锁定接合。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括向所述密封环(139)施加轴向力。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括在所述锁定环(117)联接到所述密封环(139)之后且在步骤(c)之前，将所述密封环(139)安放在所述内、外部件(103,105)之间的密封凹处中面向上的表面(121)上。
全文摘要
本发明涉及耐损伤的套管挂密封件。密封组件(100)插入具有共同轴线的内、外共轴布置的环形部件(103，105)之间的环状空间(101)内。密封组件(100)包括具有适应性元件(139'')的密封件叠层(115)，适应性元件(139'')被夹置在容纳该适应性元件(139'')的流动的两个防挤出元件(139')之间。密封组件(100)还包括密封环(139)和联接到该密封环(139)的锁定环(117)。密封组件(100)还包括激励环(119)，该激励环构造成由环工具沿第一方向轴向移动，以向锁定环(117)施加轴向力，该轴向力继而作用在密封环(139)上，以使密封环(139)径向变形而与环形部件(103，105)密封接合。锁定环(117)沿第一方向的继续轴向移动使锁定环(117)径向变形而与环形部件(103，105)锁定接合。
文档编号E21B33/03GK103032042SQ20121037717
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月8日 优先权日2011年10月5日
发明者G.L.加勒, R.C.亨特 申请人:韦特柯格雷公司