纵向可移动钻杆件的密封件的制作方法

专利名称：纵向可移动钻杆件的密封件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种寿命长的、通常为管形的橡胶或弹性密封件，具有一种紧靠可通过密封件纵向移动的管件或钻杆件密封的结构，例如用于石油、天然气、煤层甲烷、水或地热井中的旋转控制头的密封胶皮密封件、旋转爆裂防制件、分流器/防制件等。
在钻井业中，密封件用于各种场合，包括旋转爆裂防制件、承杯、管道和凯氏方钻杆擦拭器、抽油杆导引件、套管保护件、密封箱橡皮、用于卷曲管套件的密封胶皮、轻制动密封胶皮、以及用于旋转控制头或分流器/防制件的密封胶皮。例如密封胶皮用于旋转控制头中以绕一钻具的钻杆粗糙或不规则的外径密封。密封胶皮目前制成密封胶皮的内径比任一种钻杆件的最小外径还要小很多(通常约1英寸)。当部件纵向通过密封胶皮内部移动时，可以连续产生密封。密封胶皮是自动的，因为当在井的环形体中以及在旋转控制头的杯体中产生压力时，压力的分力抵压在密封胶皮的外表面或轮廓上并将密封胶皮压在钻杆的外表面上，从而补充已存在于密封胶皮中的弹性伸展配合力。结果当井孔压力增大时产生一增大可密封性的有效的机械密封。
密封胶皮绕例如钻管、钻杆接头、凯氏方钻杆的粗糙和不规则外表面密封，并在耐磨强度和抗磨损性为重要标志的钻井工况下工作。在将密封胶皮用于旋转控制头中时，旋转控制头的纵向位置固定，因为密封胶皮安装在轴承组件上，使得密封胶皮与凯氏方钻杆或钻杆一起转动但防止密封胶皮纵向移动。这样，包括较大直径的头对头的连接区和较大直径杆的钻杆相对移动作用在密封胶皮上并使密封胶皮内表面磨损。
密封胶皮上的磨损经过一段时间后会使密封胶皮变薄从而使密封胶皮失效。这种磨损在当钻杆更长地伸入密封胶皮时变严重和增强，例如当钻杆“进”入或离开井时。在此行业中迫切需要密封胶皮有较长的磨损期。寿命较长的密封胶皮的优点不仅是安全，而且在于费用上，因为长寿命密封胶皮会减少密封胶皮必须更换的次数，否则会浪费成本和花费时间。
通常可知橡胶制品的机械特性会通过加入对芳族聚酰胺有纤维组织的短纤维(浆)以及对芳族聚酰胺浸渍短切纤维(DCF)而增强，例如在管、V带和轮胎中。佐治亚洲Conyers的Akzo Nobel纤维公司就是这样的增强制品的一个制造商，出售商标为Twaron的产品。相似的产品可以从另一个制造商的商标为Kevlar的产品中获得。Twaron是Akzo的有机人造高性能对芳族聚酰胺纤维。其化学标志是聚合(类-次苯基对酞酸)。
Twaron纤维已用于传动带，其中短纤维增强橡胶位于帘布层下，短纤维垂直于传递能量的表面。在纤维方向中橡胶增强的硬度使传动带具有较低的磨擦系数，工作时噪音级较低、循环压缩过程中较低的热量积累以及较高的传动能力。Twaron纤维还用于制造管件如汽车加热器管，用连续的丝线结构编织(对芳族聚酰胺)而加固。对芳族聚酰胺浆还用于有格栅的高压管的内衬里以提供一衬里增强的生强度以及一改进的产品稳定性、连接保持和较好的抗疲劳性。
Twaron纤维还用于轮胎中。在胎圈区，芳族聚酰胺短纤维比高级别的高的表面区炭黑具有较少的混合问题。通过高各向异性以及导致延长胎圈复合物寿命并在胎圈钢丝和胎圈复合物之间保持粘结的加强动态模量而提供。当短纤维用于一轮胎胎纹复合物时，优点包括轮胎的低滚动阻力、较好的排水性、磨损更均匀且噪音更低。
在《橡胶世界》1994年6月刊发表的题为“短对芳族聚酰胺纤维加强物”的文章中，Akzo Nobel纤维公司的van der Pol和de Vos公开了对芳族聚酰胺浆或DCF可以对橡胶密封件和油井衬垫提供特定的优点，包括在高温下具有较好的机械特性、低蠕变、高耐磨性以及低溶剂膨胀性。Van der Pol和de Vos指出短纤维对橡胶提供了耐磨性并建议在例如V带、胶鞋、密封件、滚子、油箱垫、垫圈、汽车管、传送带、气动轮胎、矿井和堤坝以及屋顶的保护物中使用Akzo公司的Twaron纤维。此文章在此做为参考。
尽管具有涉及橡胶增强特性的一般知识，但在用于钻井件的密封件和擦拭件中仍有长期存在的问题。由于钻杆或钻井件相对于橡胶密封件或擦拭件运动而产生磨损。在从井中钻取或生产石油或天然气时，在所有橡胶密封件或擦拭件承受一部件例如钻杆、凯氏方钻杆、管道或用于密封、擦拭、制动和/或封装井液体的杆的相对运动的所有钻井或生产场合又都有磨损。这就迫切需要橡胶密封件或擦拭件能抵抗磨损并能比以前具有更长的工作寿命。
本发明提供了一种密封件或擦拭件，具有增强的抗磨特性和/或提供密封件或擦拭件较长寿命的形状。短纤维可以混入橡胶或弹性材料中以改进包括耐磨、抗拉强度和摩擦系数的特性。
一方面，本发明提供了一种密封胶皮，具有新的和改进的各种橡胶的混合物以及位于密封胶皮端部和喉部的减少磨损的纤维。在本发明一个方面，在硬化以前短纤维混入橡胶或弹性体中以减小磨损并增长密封胶皮寿命。最好短纤维在端部径向定位，这样纤维末端暴露给一磨损表面从而抵抗磨损。在本发明另一实施例中，长纤维最好用在密封胶皮和喉部以增强抗拉强度，从而密封胶皮可以承受井孔环形体中的高压。这可以减少密封胶皮爆裂的可能从而增长密封胶皮的寿命。
在本发明另一方面，提供了一种密封胶皮，具有一内部，包括一凸弯件，用于在一环形部和一向内的锥部之间的过渡区。凸弯件通过起在压力状况和密封在密封胶皮中的钻井或生产件之间的加强隔离件的作用而防止在高压下爆裂。当在环形件中产生压力时，凸弯件压入与钻井或生产部件配合。凸弯件还提供一厚的磨损区用于在与端部伸展配合前容装部件并使之居中。


图1是使用本发明密封胶皮的一旋转爆裂防制件的一立体示意图；图2是部分为剖视图的本发明密封胶皮的一侧视图；图3是本发明密封胶皮的一俯视图；图4是具有本发明第二实施例纤维的密封胶皮的一剖视图；而图5是根据本发明第一实施例所做的密封胶皮试验性能的一图表。
本发明提供了一种橡胶或弹性合成物，包括用于密封件、擦拭器等的纤维，以下通常称为密封件或密封胶皮。本发明进而提供了一种密封胶皮的寿命延长的结构。术语“橡胶”或“多个橡胶”包括由自然或人造橡胶或弹性体制成的部件，而且此术语的这层意思贯穿本发明。
参照附图尤其是图1，整体示出一旋转控制头H。这种旋转控制头包括一杯形外壳10，外壳10包括一底部安装法兰10a和一分流出口10b。杯形外壳10有一通常如10c所示的孔，适于容装一轴承组件和两个密封胶皮，此组合体通常表示成一轴承和密封胶皮组件12。轴承和密封胶皮组件12由一合适的夹紧机构14安装在孔10c中。通常夹紧机构14包括由一枢轴14c铰接在一起的相对的半圆形夹紧臂14a和14b。夹紧臂14a和14b包围杯形外壳10的上边缘10d以及轴承和密封胶皮组件12的外轴承壳12a并与它们配合。
一钻具件如凯氏方钻杆(Kelly)15伸过轴承和密封胶皮组件12。应理解本发明的密封胶皮可以用于涉及石油、天然气、包括甲烷、水和地热资源的钻井和生产操作。实例包括钻杆件，例如钻杆长度、卷曲套管、刀具和其它可以伸过轴承和密封胶皮组件12伸入井中向下打眼的管件。轴承和密封胶皮组件12为了旋转运动安装了一下密封胶皮16a和一上密封胶皮，上密封胶皮未示出但包含在一可转动的筒12b中。可转动的筒12b连在一内轴承壳(未示出)中，这在双密封胶皮转动控制头技术中是公知的。转动控制头可从阿肯色州Fort Smith的威廉姆斯刀具公司中获得，而7000和7100型是此应用的典型。一上密封胶皮(未示出)和下密封胶皮16a为旋转运动而安装，容装伸过密封胶皮如16a的凯氏方钻杆15或其它钻井件。
尽管此描述是针对如图1至4中所示的密封胶皮16的特定组成和结构，但应理解本发明的原理适用于钻井件的其它类型的可旋转和不可旋转的密封件，应用包括承杯、抽油杆导引件、套管保护件、密封箱胶皮、用于卷曲管套件的密封胶皮、制动密封胶皮以及管道和凯氏方钻杆擦拭器。
通常，在本领域中有许多公知的密封胶皮结构。密封胶皮16是一种伸展-配合/自动密封胶皮的一改进型，其中绕钻井件15密封的内径小于钻井件15的外径，这样密封胶皮16的底部或顶端伸展以绕并靠在钻井件15上紧配合。环形体中的井孔压力将力施加在密封胶皮16上，从而在密封胶皮16的内表面和钻井件15的外表面之间自动形成一机械密封。
密封胶皮失效是一个严重的问题，因为这会产生一种不安全的状况，尤其是当钻井时如果在井孔中出现一种不希望存在的压力波动或“反冲”或酸性气体时更是如此。将钻井件15从井中连续抽出和重新插入会使密封胶皮16严重磨损。因为磨损一个严重的问题，通常要求钻井操作者至少每24小时对密封胶皮16的状况目视检查一次。本发明的密封胶皮16设计成同现有的密封胶皮相比可以提供超强耐磨同时在一较宽的井压力范围内保持较好的密封特性。
参见图2和3，示出了本发明的密封胶皮16。密封胶皮16包括一通常为倒置圆锥的橡胶件20，其组成在下面详细描述。橡胶件20具有一通常为倒置圆锥的外部构形并且包括一通常为圆柱形外部20a和一通常为圆锥形的外部20b。橡胶件20在一底环边缘20c和一顶环边缘20d处终止。在制造过程中，一金属环21插在顶环边缘20d附近以容装一系列线密封胶皮16的圆周在圆周方向间隔开的螺栓22，用于在轴承和密封胶皮组件12中安装密封胶皮16。密封胶皮16可以通常限定成具有在此用字母T表示做为一喉部的上段和在此用字母N表示做为一端部的下段。
密封胶皮16的内部包括一系列用于容纳钻井件15的表面区。一圆柱形表面20e与一凸弯件20f相连，而凸弯件20f又与一内凹面部20g相连。内凹面部20g与一向内的锥形内表面部20h相连，锥形内表面部20h与一圆柱形内部20i相连，圆柱形内部20g最终终止在一内圆角部分20j处。凸弯部20f的曲率半径基本大于凹弯部20g。圆柱形内部20i的内直径小于各种钻井件15的最小直径。
这样，圆柱形内部20i必须伸展以容纳穿过密封胶皮16孔的钻井件15。此伸展配合提供了一种绕钻井件16的紧密的机械密封防止在钻井件15的外表面和圆柱形内部20i之间泄漏。如果钻井件15旋转，则密封胶皮16随之旋转。如果在井孔的环形体中产生压力，气流从分流出器导出以控制压力。井孔环形体中的压力向外部20a和20b施加力，使圆柱形内部20i更紧密地压靠在钻井件15上。
凸弯件20f在高压状态下向密封胶件16提供额外的强度，减小由于爆裂造成密封胶皮16失效的可能性，这种爆裂会划破和撕裂胶皮从而使密封失效。位于密封胶皮的端部N中的内部20i提供了对钻井件或凯氏方钻杆15的密封，但表面20e、20f、20g和20h不提供密封。
在所示的实施例中，密封胶皮16外部20a的整个直径为15英寸而圆柱形内部20i的内直径为4.125英寸。整个高度即从顶环边缘20d至底环边缘20c的距离约为10至14英寸。对这样一种尺寸或相似尺寸的密封胶皮，凸弯件20f的半径为0.75英寸。
当钻井件15插入密封胶皮16中时，凸弯件20f起一缓冲器的作用使部件15居中。当较大的钻井件15通过密封胶皮16时，凸弯件20f引进需要容纳这些较大直径的钻井件15面积额外的伸展步骤。
当钻井时，由于旋转控制头的杯形外壳10中的高压，凸弯件20f在密封胶皮的喉区T中提供了额外的胶皮强度和质量(如横截面区所示)，而且在高压钻井或“反冲”压力波动下，凸弯件20f的存在起在喉部T支承在钻管或其它部件上之前限制喉部T行程的作用。这可以减少在压力极度高的情况下密封胶皮16爆裂的趋势。
环形体中的高压提供了一个力试图剪切喉部T。此力将凸弯件20f压在钻井件或凯氏方钻杆15的外表面上，钻井件或凯氏方钻杆15抵抗压力。由于凸弯件20f压在钻井件15上，喉部主要位于压缩状态而不是膨胀。比起张力橡胶更容易抵抗压力。理论上，凸弯件20f的形状还可以改变张力的分布，但无论何时，凸弯件20f可以帮助密封胶皮16抵抗高压力。
密封胶皮16的失效有两个主要原因密封胶皮在端部N的在机械密封区20i磨损或在喉部T爆裂。凸弯件20f可以增强密封胶皮16在喉区T抵御爆裂的抗压性。
本发明的另一方面是向橡胶混合物中加入纤维以分别增强密封胶皮16的端区N和喉区T的耐磨性和抗压性。
用于制造密封胶皮16的各种橡胶包括自然橡胶、腈橡胶、异丁烯橡胶以及乙撑丙烯二胺橡胶。另外，“密封胶皮”包括做为另一种材料的聚氨酯。通常，自然橡胶用于基于水的钻探泥浆中。在表1中给出了一种典型的自然橡胶的组分，其中添加剂以每一百份橡胶中的含量的比例给出(PHR)。
当控制头暴露在基于油的钻探泥浆中时，可知应使用腈类的橡胶成分。典型的腈类橡胶有40％的ACN和如表1所示的添加剂，但应理解这些成分可以变化。
而且，当环境是地热资源时，可知应使用异丁烯类橡胶成分。一种典型的组分是有90％的丁基和10％的乙撑丙烯二胺(EPDM)橡胶以及表1所述的添加剂。
当密封胶皮将暴露在一潜在的化学腐蚀时，可以使用高浓度的EPDM橡胶。一种典型的组分是有约80％的丁基和20％的EPDM以及表1所述的添加剂。
本发明涉及将特定纤维混入橡胶中的方面可用于任何橡胶组分，此组分在表1中示出。通过增加纤维而使特性增强可用于各种类型的可旋转或不可旋转的用于钻井和生产应用中的密封、擦拭器以及密封件中。但本发明的优选实施例是针对特定的应用，即上述用于一旋转控制头或相似装置中的耐磨损、高性能密封胶皮16。
本发明是针对一系列适于增强用做钻井件密封件和擦拭件的各种橡胶组分的耐磨性、抗拉强度以及其它特性的对或偏芳族聚酰胺纤维。对芳族聚酰胺纤维被认为是聚合物(对-苯撑对苯二亚甲基)。对芳族聚酰胺有纤维组织的短纤维(浆)，对芳族聚酰胺浸渍短切的纤维(DCF)，以及对芳族聚酰胺纤维粉可以混入橡胶中以增持定的特性，包括耐磨性和抗拉强度。当使用对芳族聚酰胺纤维粉时，最好加入的重量小于10％，最好重量为3～4％。
在向橡胶中加入这种纤维时必须小心以确保纤维粘结在橡胶或弹性物上并确保纤维在橡胶中最优分布。纤维和橡胶之间的物理化学粘结可以通过在纤维混入橡胶之前在纤维上施加一粘结剂层而获得。包含间苯二酚甲醛-乳胶(RFL)的配方可以用于对芳族聚酰胺纤维以增强纤维和橡胶之间的粘性。通过适当的混合、向纤维和橡胶的混合物施加足够的剪切力可以取得合适的分布。纤维分布不适当会使纤维在橡胶制品中结团，产生潜在失效。在本发明的一个实施例中，密封胶皮16的整个纤维组分混有短的、耐磨的增强纤维，长度基本小于10mm并最好约1～3mm。这种高耐磨纤维的一个来源来自佐治亚州Conyers的Akzo Nobel纤维公司，通过其外地加工制造并以商标Twaron出售适当的纤维，这在本发明背景技术中介绍过。这些以Twaron牌出售的纤维具有在“5000-5011”范围中的纤维标号并限定为滚压纤维并已知通常可以增强纤维制品的耐磨性。对芳族聚酰胺纤维还可以从Akzo Nobel纤维公司中定量生产的商标为TRELL-MB的纤维中获取，它包含40％的芳族浆(Twaron)，40％的炭墨(半增强)和20％的聚合橡胶相容剂。由于短-纤维-橡胶混合物比橡胶硬很多，因此可用来增强和形成一尺寸稳定的橡胶。对芳族聚酰胺可用做一连续的丝线、短纤维或浆纤维。对芳族聚酰胺具有很强的晶体结构、高强度、高的分解温度以及耐高温和抵抗大多数有机溶剂的特性。
长度为1-3mm的短对芳族聚酰胺纤维在制造过程中混入橡胶组分中，使得纤维方向随机分布。纤维加入的重量基本小于10％，最好约2％。一适当部分的短纤维通常在密封胶皮16的端区N中径向定位。另外，可以观察到端部N对钻井件有较高的润滑作用，这可能主要由于在端部N中通常纵向定位的纤维部分。径向定位的目的是将短纤维的末端提供或暴露给通过密封胶皮端部N、尤其是内圆柱形磨损部20i区域移动的钻井件15的磨损作用。在端区N加入短纤维使密封胶皮16可以保持其可伸展性或伸长以容纳通过密封胶皮内部移动的管件但同时提供额外的磨损增强能力，从而增加密封胶皮16的寿命。
在另一实施例中，对芳族聚酰胺浆或DCF通过砑光生橡胶定位在机器方向中。此生橡胶从而放置在一模具中以制造密封胶皮16。生橡胶放置在模具中从而使通常保持住定位并通常指向端部N中的径向。在此方式中，纤维的一大部分定位成纤维末端与钻井件15接触，提供抗磨损的表面区域。通过使橡胶硬化，使橡胶承受热和压力经过一持定时间而制成密封胶皮16，这对本领域普通技术人员为公知。为此，这里参考了授予Saito等人的美国专利No.s 5,526,859和授予Kumazaki的美国专利No.s 5,498,212。
在如图4所示的另一实施例中，密封胶皮的端部N由相同的短切的Twaron纤维制成，长度约1-3mm，而且数量充足例如重量为2％，以提供通常径向定位的充足的纤维，对端部N提供抗磨损性，这是由于径向纤维末端部分具有耐磨性。在此实施例中，上喉部T包含在喉区T中纵向定位的长的Twaron纤维，以提供额外的抗拉强度。此纤维重量小于10％，最好是约2％，尺寸范围为约3mm以上。由于加入重量为2％的Twaron，可以去除相同量的炭墨。最好在具有内表面20f、20g和20h的喉区T中的纤维具有3-10mm的长度。
当在密封胶皮16外表面上生成高压时这些较长的纤维提供额外的抗拉强度以抵抗密封胶皮16爆裂的可能。较长的纤维减少了可伸展性，但可伸展性不是喉区T的一个基本特征，而抗压性能才是所需的关键特性。喉区T通常限定为密封胶皮16的上部1/3至1/2，在喉区T中利用较长的Twaron纤维与在端区N中使用短纤维相结合可以增强耐磨性但仍可以具有可伸展性或伸长率，使生成的密封胶皮16具有较强的抗外压能力但同时在与钻井件15的配合区具有较长的耐磨性。
本发明制造密封胶皮16的方法通常利用公知的技术制造压缩模制的密封胶皮。通常，橡胶、自然橡胶、腈橡胶或其它橡胶板为4英尺×4英尺厚约为1/2英寸的部分。这些板切成约6英寸的条并在公知的砑光设备中砑光或扩展。当这些板扩展时，生成的砑光的部件一次次的填回并经过砑光处理，这样橡胶以一种公知的方法揉制。在此过程中，所要的纤维加入重量约2％的量。端部N的短纤维以充足的量径向定位以在下面所述最终产品中增强内表面20i的耐磨性。
在大约25或30磅通过砑光处理且纤维已加入并混合在其中后，砑光后的材料于是被切成条并卷成一螺旋形或饼圈形并接着插入一典型的压缩模具中，此模具在此情况下具有密封胶皮16的构形。接着用电热台板施加液压压力以将揉制的材料压成并硬化成密封胶皮16。除了所述的本发明密封胶皮16的组分和特定结构外，密封胶皮制品的实际制造和硬化其余过程是本领域公知的。
应加入纤维以最大限度地利用其特性，而且纤维应定位在一合适的方向中。例如，凸弯件20f在当钻井件15撞入并沿其滑动时承受磨损。纤维最好定位成末端在凸弯件20f内表面和在圆柱形内部20i内表面上暴露。在混合处理过程中通过使用常规的弹性组合工艺如挤压、滚压或上述的砑光而使纤维定位在生橡胶中。这些组合工艺将纤维定位在机器方向中。此定位可以保持和施加在密封胶皮16中。
砑光的橡胶板具有通常纵向即在机器方向中定位的纤维。通过在机器横向切割成条并将这些条放入一端部N的横具中，纤维可以在端部N中通常径向定位，以便纤维30的末端在内表面上暴露。这在图4中示出，其中纤维30的末端在圆柱形内部20i的内表面暴露，提供一抗磨损的表面。对喉部T，条可以在具有长纤维32的橡胶的机器方向中切割并垂直放入模具中，以使长纤维32通常纵向定位于密封胶皮16中或通常平行于外部20a或20b的表面。这些喉部T中的纤维极大增强了橡胶合成物的抗拉强度，使密封胶皮16可以抵抗由高压在外部20a或20b表面上施加的极大的力。
参见本发明密封胶皮的第一实施例，其中全部密封胶皮组分中有重量2％的1-3mm的Twaron滚压纤维用于增强耐磨损度，路易斯安娜州立大学的石油工程技术转换实验室在一个威廉姆斯刀具公司的7100型旋转控制头中对这种密封胶皮进行了实验。7100型研制成延伸和/或平衡水平的钻井操作至更大的深度和更高的形成芯压力。7100型经过检测至10,000psi(磅/寸2)并设计成当管道为静止时而且钻井或密封操作的工作压力为2,500psi时工作压力为5,000psi。由于这些高压操作，研制了本发明的密封胶皮。公知的是当一钻杆接头在高压下通过一密封胶皮的端部或密封区N时、尤其是当钻杆接头或其它的管件从井中取出时旋转控制头经历最严重的工况。
在此试验中，使用了一340,000磅的液压修井装置以使一具有一6.625英寸钻杆接头的5英寸钻管在各种井头压力下通过一旋转控制头往复运动。使用的钻杆接头在两个箱上部具有一18度的锥度并没有加硬圈或标识环槽。此实验是在路易斯安娜州Houma的液压井控公司中进行。
在此实验使用一高速数据识别系装记录的一典型的数据历程示于图5。在此历程中，使用一Triplex水泥泵通过将水引入试验台中而使管套压力首先增至1500psi。压力由一Swaco自动节流口控制，使得在到达指定压力后使水可以从旁路回到吸收箱中。接着钻管向下通过密封胶皮进入模拟的井中。在图表中示出的第一正管套压力峰值和轻制动液压压力峰值相应于钻管通过密封胶皮向下的运动。接着通过减小液压活塞顶部的压力使钻管向上转并离开模拟井。这相应于管套压力和轻制动压力图上的第一局部最小值。它还相应于轻制动装置的液压活塞下的液压提升压力中的峰值。
在钻管转入转出模拟井四次后，管套的压力改变了500psi。注意对所示的试验历程，钻管转入转出井回次每次的管套压力为1500psi，2000psi，2500psi，2000psi，1500psi以及1000psi。当由刀头切割出一新断面时则模拟出典型的欠平衡的钻井工况。(一较高浓度的气体循环至表面使得在降回所需操作压力之前管套压逐渐到达一峰值)。每次历程后，会进行一个50psi的五分钟静低压试验或-5000psi的高压试验。进行静压试验，其中使一隔离阀关闭以减小系统容积并能检测出一非常小的泄漏。重复此历程九次并且随后将密封件取出检查磨损情况。
在整个实验过程中还进行一个试验使管套压力保持2500psi的恒定值。这样做是为了检验当在其工作压力连续操作时可以保证密封件的寿命。静低压试验象在其它试验中一样每隔24个接头进行。当在设定的工作压力取得合适的试验结果后，在整个试验过程中还进行使管套压力保持在3000psi恒定值的试验。这样做是为了确定期望的高于工作压力的压力下磨损率逐步升级的情况。
试验结果总结如下
在这些实验中观察到的磨损在低压或高压下都不会导致密封能力的损失。密封胶皮的磨损率在2500psi的工作压力以上明显加快并且当钻杆接头向下转时更严重。尽管在高于2500psi的压力下用7100型钻井并不合适，但结果表明甚至在3000psi也可以取得显著的密封胶皮寿命。
相信这些试验结果对本发明密封胶皮16的第一实施例成功之处有一积极的证明，其中短切的纤维的均匀混合物在密封胶皮组分中混合。表2的结果所示的耐磨损性认为很显著并将提供一些比现有技术性质更好的密封胶皮。
以上描述了本发明，对本领域普通技术人员而言可以明显进行各种工艺、步骤、材料和设备的改动。所有这些变化都包含在权利要求的范围和主旨内。
权利要求
1.一种用于密封一油田部件的密封橡皮，包括一通常为圆柱形的上喉部；一通常为圆锥形的下端部，其中端部具有一内部，内部包括一向内的锥部，一在向内的锥部之下的圆柱部；以及一在喉部和端部之间的过渡部，其中过渡部具有一内部，包括与喉部相邻的一凸弯件和在凸弯件和端部向内的锥部之间的一凹件。
2.如权利要求1所述的密封橡皮，其特征在于，使用一种橡胶材料并且纤维混入橡胶材料中，纤维长度小于4mm。
3.如权利要求2所述的密封橡皮，其特征在于，纤维小于约2％的重量。
4.如权利要求3所述的密封橡皮，其特征在于，纤维是一种芳族纤维。
5.一种用于石油和天然气井、水和地热井中的钻井件密封，包括一种橡胶材料，以及混入橡胶材料中的纤维，其特征在于，纤维和橡胶材料经过硬化形成一有孔的密封件，密封件可以伸展以容装纵向插入孔中的油田部件，而且纤维增强密封件的抗磨损性，延长密封件的工作寿命。
6.如权利要求5所述的密封，其特征在于，纤维是长度在约1至4mm之间的一种浆。
7.如权利要求5所述的密封，其特征在于，纤维是浸渍、短切的纤维。
8.如权利要求5所述的密封，其特征在于，纤维是芳族聚酰胺纤维。
9.一种用于钻井件、具有一端区和一喉区的密封橡皮，包括一种橡胶材料，以及混入橡胶材料中的纤维，其特征在于，纤维和橡胶材料经过硬化形成具有一端区和一喉区有一通常的通孔的密封件，密封件在端区可以伸展以容装从纵向插过孔的钻井件，而且纤维增强密封件的抗磨损性，延长密封件的工作寿命。
10.如权利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，纤维在端区通常径向定位。
11.如权利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，纤维在喉区通常纵向定位。
12.如权利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，在喉区和端区都包含纤维，而且纤维在端区通常径向定位而在喉区通常纵向定位。
13.如权利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，在端区的纤维长度小于10mm。
14.如权利要求13所述的密封橡皮，其特征在于，在喉区的纤维长度大于约2mm。
15.如权利要求14所述的密封橡皮，其特征在于，纤维在1％-4％的重量之间。
16.如权利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，纤维是一种芳族聚酰胺纤维。
17.如权利要求9所述的密封橡皮，进一步包括在喉区和端区之间的一过渡区，其特征在于，过渡区具有一内部，包括与喉区相邻一凸弯件及在凸弯件与端区之间的一凹件，所述凸弯件具有比凹件较大的曲率半径。
18.一种制造钻井件密封件的方法，包括将纤维加入一橡胶材料中揉制橡胶材料；以及在一模具中硬化橡胶材料以形成具有一孔的密封件，其特征在于，密封件可以伸展以容装在纵向插入井中的油田部件，而且纤维增强密封件的特性，延长密封件的工作寿命。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，密封件有一内表面，而且纤维径向定位，这样当密封件承受磨损时，纤维在内表面暴露。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，密封件具有一喉部和一端部，纤维在端部径向定位而在喉部纵向定位。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，喉部的纤维通常比端部的纤维长。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，密封件具有一喉部和一端部，进一步包括在硬化步骤之前定位纤维并将橡胶材料放入模具中，以使纤维端部径向定位。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，纤维在喉部纵向定位。
24.如权利要求18所述的方法，其特征在于，密封件是一密封橡皮，具有一喉部，一端部，以及喉部和端之间的一过渡部，其中过渡部具有一与喉部相邻的凸弯件以及在凸弯件和端部之间的一凹件。
全文摘要
一种用于石油、天然气以及地热井的密封橡皮(16),具有一内表面设计,包括在密封橡皮(16)的喉区(T)中的一环形凸弯部(20f),以在一管件(15)插过密封橡皮(16)的过程中提供对密封橡皮(16)额外的支撑。在一个实施例中密封橡皮(16)的组分具有通过在密封橡皮(16)中均匀混入Twaron
文档编号E21B33/08GK1246909SQ98802344
公开日2000年3月8日 申请日期1998年2月4日 优先权日1997年2月6日
发明者唐·M·汉尼根, 约翰·R·威廉斯 申请人:约翰·R·威廉斯