流体联接组件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月7日提交的美国临时专利申请62/516，424的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及诸如旋转接头的流体联接组件，并且将结合延长寿命的旋转密封组件进行具体描述，并且更具体地，结合用于高速地质钻探操作的流体联接中使用的延长寿命的旋转密封组件进行具体描述。

背景技术：

流体联接组件用于工业应用，例如需要将流体源的出口耦合到旋转设备、金属或塑料机械加工、工件夹持、印刷、塑料薄膜制造、造纸、半导体晶片制造的高速钻孔作业以及其他需要将流体介质从固定源(例如泵或容器)转移到旋转元件中的工业过程。通常，这些应用需要较高的介质压力和流速。

在此类应用中使用的流体联接组件输送设备使用的流体介质，以进行钻孔、冷却、加热或致动一个或多个旋转元件。典型的流体介质包括水基液体或浆液、或液压油或冷却油。使用流体联接装置的机器通常包括昂贵的和/或在维修期间难以修理或更换的部件。这些部件通常会遭受腐蚀性环境或损坏。

具体地，在石油和天然气钻井作业中，通常被称为“旋转密封组件”的流体联接组件被用来在冲洗管和旋转的密封壳体之间提供密封装置。一种类型的钻机旋转密封组件利用堆叠的旋转密封件，这些旋转密封件通常由增强的弹性体材料组成，其与冲洗管的外部圆柱形密封面形成动态密封装置。在某些应用中，工作流体是泥浆。在这样的设计中，密封件及其壳体相对于固定的冲洗管旋转，并且密封件顺序地暴露于位于密封件一侧上的高压钻井流体和位于密封件另一侧上的大气压。这种压差使最接近高压的密封件紧紧地紧贴在冲洗管上，从而导致冲洗管和密封件严重磨损。进入旋转密封件之间的滑动界面的泥浆中的砂砾颗粒使磨损加剧。

旋转密封件和冲洗管之间所需的相对较大的间隙会导致密封件最终失效。另外，由于密封件与冲洗管的堆叠关系，一旦第一个密封件失效，堆叠中的下一个密封件就会受到类似的力和磨损，依此类推，直到所有的密封件都被严酷的磨蚀工况消耗掉为止。这样的旋转密封构件在结构上也很复杂，更换费时且难以更换，并且当以90rpm和最高2500psi的速度运行时，它们有限的使用寿命约为200小时或更短。当此类密封组件在5000psi和250rpm下运行时，这种密封件只持续20到30个小时就需要更换。

另一种密封装置是在冲洗管和旋转密封组件之间使用复杂的u形杯环密封组件。但是，这种密封组件的寿命也有限，并且由于磨损而需要大量的更换成本，这导致钻井旋转密封组件的停机时间延长。

还已经建议提供一种附接到旋转联接构件的浮动密封构件以及安装到非旋转联接构件的类似密封构件，以提供用于钻机旋转组件的密封组件。这种密封组件还包括第二密封构件，该第二密封构件由在冲洗管构件的远端和浮动密封构件之间的u形杯密封构件构成。然而，由于u形杯密封件暴露于高压磨蚀性钻井流体，这种接触导致这种流体联接组件的快速磨损和最终失效。

技术实现要素：

在一个方面，本公开描述了一种流体联接组件。流体联接组件包括：可旋转部件；与所述可旋转部件接合的第一密封环，所述第一密封环可旋转地约束到所述可旋转部件；以及不可旋转部件，所述不可旋转部件具有与所述不可旋转部件接合的第二密封环，所述第二密封环邻接所述第一密封环以在第一密封环和第二密封环之间形成滑动密封界面。限定了流体导管，所述流体导管延伸穿过所述可旋转部件、第一密封环、第二密封环和不可旋转部件。在操作期间，通过流体导管提供流体流。所述流体联接组件还包括水力旋流器装置，其具有形成旋流室的主体，所述旋流室具有进料开口、底部开口和顶点开口。沿着所述流体导管在所述流体导管的上游部分和下游部分之间设置有限流器。所述进料开口流体连接到所述流体导管的上游部分，并且所述顶点开口流体连接到所述流体导管的下游部分。所述底部开口流体连接至通道，所述通道具有与所述滑动密封界面相邻的出口。

在另一方面，本发明描述了一种用于操作流体联接组件的方法。该方法包括：提供具有旋转部件的组件，所述旋转部件相对于非旋转部件旋转；在所述旋转部件和所述非旋转部件之间形成滑动密封界面；以及通过延伸穿过所述旋转部件和所述非旋转部件之间的流体导管提供流体流。该方法还包括：将水力旋流器流体连通地与所述流体导管流体连接，所述水力旋流器包括与旋流室流体连通的进料开口、底部开口和顶点开口；分流(divert)所述流体流的一部分；以及通过所述进料开口向所述旋流室提供所述流体流的该部分。该方法还包括：将所述旋流室中的所述流体流的所述部分分成从所述旋流室的顶点开口排出的重物料流和从所述旋流室的底部开口排出的轻物料流；以及将所述轻物料流引导至与所述滑动密封界面相邻的区域。

在还另一方面，本发明描述了一种用于流体联接组件的插入件，所述插入件包括凸缘和连接至所述凸缘的主体。所述主体具有大体上圆柱形的形状并且包括穿过所述主体延伸的通孔和与所述凸缘间距开的周向地围绕所述主体延伸的通道。在所述主体中形成多个水力旋流器，多个所述水力旋流器中的每一个包括限定在所述主体中的旋流室，所述旋流室具有进料开口、底部开口和顶点开口。在一个实施方式中，所述进料开口流体连接到进料流道，所述进料流道形成在所述主体中并与形成在所述凸缘的与所述主体部分相对的表面中的入口连通，所述底部开口流体连接到水流道，所述水流道形成在所述主体中并与设置在所述通道内的所述主体的侧面中形成的出口连通，并且所述顶点开口与形成在所述主体的与所述凸缘相对的端面中的重物质排出口流体连通。

附图说明

图1是已知的浮动旋转密封组件的纵向剖视图，以示出各种已知的结构。

图2是根据本公开的使用寿命延长的浮动旋转密封组件的纵向截面图。

图3是图2所示密封组件的放大详细横截面，其包括通过根据本公开的组件的各种物料流的示意图。

图4是根据本公开的包括外部水力旋流器装置的密封组件的替代实施方式的示意图。

图5是第一密封圈的透视图，图6是根据本公开的第一密封圈的一部分的放大细节图。

图7是第二密封圈的透视图，图8是根据本公开的第二密封圈的一部分的放大细节图。

图9是根据本公开的方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及流体联接组件，例如用于水基钻井泥浆旋转密封组件中的密封组件。如本领域技术人员将理解的，本公开内容可适于与传统的旋转接头一起使用，传统的旋转接头通常包括固定构件，有时称为壳体，其具有用于接收流体介质的入口。在示例性的旋转接头中，非旋转密封构件安装在壳体内。旋转构件(有时称为转子)包括旋转密封构件和用于将流体输送到旋转部件的出口。通常通过弹簧、介质压力或其他方法将非旋转密封构件的密封表面偏压成与旋转密封构件的密封表面液密接合，从而能够在接头的旋转部件和非旋转部件之间形成密封。该密封允许流体介质通过接头传输，而在非旋转部分和旋转部分之间没有明显的泄漏。

为了简洁起见，将关于旋转密封组件来描述本公开，但是应当理解，本公开适用于其他流体联接装置，例如与计算机数字控制(cnc)铣床、车床等设备一起使用的旋转接头。图1中示出了旋转密封组件100，以说明该类型的密封组件的主要部件。旋转密封组件100包括堆叠的多个密封环102，每个密封环包括由加强环106围绕的弹性体密封部分104，加强环106可以由钢制成。各密封环102(一个密封环102中旋转并且其他密封环102是固定的)设置在冲洗管108的端部，该冲洗管108是流体导管110的一部分，该流体导管110承载诸如钻井泥浆之类的钻井流体并且分为各种部件和管件。旋转密封组件100将磨蚀性钻井流体从非旋转软管112引导到旋转钻柱114。如图1所示，密封环102堆叠在旋转结构和非旋转结构之间，以提供机械端面密封，从两使磨蚀性钻井流体保持在流体导管110内。

浮动密封引导构件116与冲洗管对准，并且构造成可滑动地且可密封地与冲洗管接合，以控制施加到滑动密封界面上的载荷。销118和弹簧120在轴向上将浮动密封引导构件116以及因此密封环102朝向彼此轴向约束和偏压。防旋转销122将相应的一个密封环102与引导构件116和旋转钻柱114可旋转地接合，以确保一个密封环与钻柱一起旋转，而其他密封环保持旋转固定并与导向构件116接合。

在图2中示出了根据本公开的旋转密封组件200的横截面，其中为简单起见，与图1所示旋转密封组件100相对应的相同或相似结构和特征由先前使用的相同附图标记表示。在旋转密封组件200中，密封环102堆叠在如下文所述的非旋转插入件202下方。该插入件202包括凸缘部分204和主体部分206。凸缘部分204邻接引导构件116的端部，并且沿着流体导管110的中心线轴向地布置在引导构件116和相邻的一个密封环102之间。主体部分206具有形成通孔208的大致圆柱形的形状。主体部分206限定圆柱形壁(该圆柱形壁至少部分地沿着主体部分206的轴向长度)的外径，该圆柱形壁的外径小于流体导管110的相应内径，从而形成间隙210，该间隙从流体导管110的内壁径向向内延伸，该间隙与密封环102之间的滑动密封界面212重叠并且还从主体部分206的圆柱形壁的外径径向向外延伸。在所示实施方式中，间隙210在两个轴向端部上被限定边界，以限定至少与滑环密封界面212重叠的中空圆柱形腔室。一个边界由凸缘部分204的与导向构件116的一端相对的表面限定，第二个边界由下部凸缘214限定，从而将间隙210形成为沿至少包括界面212的轴向长度在圆柱形主体206的外表面周围延伸并延伸到圆柱形主体206的外表面中的流道。

有利地，在圆柱形主体206中形成有一个或多个水力旋流器(hydrocyclone)216，在一个实施方式中，该水力旋流器216对称地围绕通孔208的外围布置。在所示的实施方式中，水力旋流器216与插入件202的主体部分206集成、形成于其中或与之相关联。如图2的横截面所示，每个水力旋流器216包括旋流室218，旋流室218具有相对于流体导管110内的泥浆的流动方向具有用作溢流的底部开口220和用作底流的顶点开口222。来自流体导管110的流体通过切向开口224被提供到旋流室218中，切向开口224形成在主体部分206中，邻近并围绕顶点开口222，并且用作进料开口。流体进入通道228，该通道228通过入口226流体连接到切向开口224，入口226形成在主体部分206或凸缘204的表面中，该表面面对并且位于通过流体导管110的流体流动的路径中。每个水力旋流器可以对应一个以上的入口226，并且从流体入口226到切向开口224的流体通道可以以任何期望的方式形成路径以在旋流室218内产生期望的流体涡旋。底部开口220通过形成在主体部分206中的通道228流体连接到出水口230，出水口230流体通向间隙210。本领域技术人员可以理解，这种水力旋流器可以适用于旋转接头中的类似结构，例如通常与高速加工设备一起使用的旋转接头。

在图2所示的实施方式中，并且与更大尺寸的水力旋流器装置一致，旋流室218被限定在具有底部和顶点的大体锥形的空间内，在操作期间，将来自流体导管110的含水泥浆引入该锥形空间。可以在流体导管110的一部分周围布置水力旋流器阵列。每个水力旋流器216用于将含水泥浆的至少一些砂砾颗粒从其水载体中分离出来，并提供相对干净的水以冷却和润滑滑环，同时将较重的砂砾颗粒重新引入流经流体导管110的泥浆流中。在与高速加工设备一起使用水力旋流器的情况下，水力旋流器可用于从循环的冷却剂或润滑剂中分离出砂砾和其他不需要的颗粒。在图3所示的示意图中示出了水力旋流器的操作的电路表示，其中为了简单起见，相同或相似的特征由与先前使用的相同附图标记表示。

参考图3，并且总体上作为对本公开应用于流体联接组件的说明，流体300的主流在操作期间穿过流体导管110。该流体是含水泥浆，其可以包括悬浮在一般含水载体中的砂砾颗粒和其他物质。流体300的主流的一部分302与剩余流304分离。剩余流304穿过通孔208，与流体导管110的前部和后部相比，通孔208的横截面积较小。因此，通孔208引起流量限制，这在上游端306处产生较高的流体压力而在下游端308处产生较低的流体压力。

上游端306和下游端308之间的压力差驱动流体的一部分302通过入口226进入通道228，并进而通过每个相应的进料开口或切线开口224进入每个相应的水力旋流器216的旋流室218。在旋流室中，旋流作用使得至少一些较重的砂砾成分与部分302分离，这些成分收集到较重的泥浆流310中，泥浆流310通过顶点开口222离开旋流室，并重新加入流体的剩余部分304。较轻的化合物和水通过底部开口220离开旋流室，并通过通道228运送至出水口230。

离开水出口230的较轻的化合物和水312聚集在间隙210中，并从主流300置换较重的泥浆，否则该泥浆会占据该空间，并为密封环102的操作提供了更有利的环境。具体的，通过在密封件周围提供水或至少较稀的钻探泥浆，较大的研磨性泥浆颗粒会从密封环之间的滑动界面转移，以减少密封环的磨损并延长其使用寿命。这是通过在原位(insitu)分离水并向密封件提供水来实现的，水还用于冷却和润滑密封环。由于通孔208的限流功能所提供的跨装置的压力差，以将恒定的水或至少较稀的水溶液以正向流动的方式提供到间隙210中。来自流312的多余流体离开下凸缘214周围的间隙210，其尺寸使得水或稀浆312的流动可阻止较重的泥浆进入间隙210。此外，可以理解的是，系统所承受的唯一流体压力是通孔208产生的压力差，而不是操作、系统的压力，因为结构和通道都在设备内部。可以将这种相同的布置应用于其他流体联接组件以润滑密封环从而减少磨损。

在示意图4中示出了替代实施方式，显式了水力旋流器216的外部包装，其中为了简单起见，相似或类似的结构再次由先前使用的相同附图标记表示。在该实施方式中，流体歧管400(该流体歧管400包围密封环102并且还在内部形成通孔208)相对于形成流体导管110的管段402布置在外部。以与以上相对于图3所述的相同的操作原理，通过流体导管110的泥浆流的一部分被分离并提供给水力旋流器216的进料开口或切向开口224，该部分在这里被分成通过顶点开口222导管重新引入主流重泥浆流和通过底部开口220导管提供以冷却和润滑密封环的较轻泥浆或水流。可以理解，在该实施方式中，水力旋流器216的各种导管和结构暴露于测量系统压差(gaugesystempressuredifferential)。

图5和图6分别示出了第一密封环500的透视图和放大的截面图，图6和图7类似地示出了第二密封环502。第一密封环500和第二密封环502有利地包括通过以下方式进一步延长密封环寿命的特征：提供可控的密封材料磨损构造，从而在环之间产生能够比以前磨损程度更大的有用密封。在所示的实施方式中，在每分钟100加仑的流量通过设备时，密封件能够在5000psi的压力和150转/分钟的速度下，在华氏150度的连续温度(最大华氏250度)下使密封面保持2-3个氦灯带(heliumlightband)(0.0000232英寸)的平坦度运行1000小时。

更具体地，第一密封环500包括围绕内环506的外环504。如图所示，外环504可以由不锈钢等金属构造，并且内环506可以由合适的密封材料构造，例如聚合物或基于聚合物的复合材料(例如可从北卡罗来纳州夏洛特的pbiperformanceproducts，inc.(www.celazolepbi.com)购得的商品名为tl-60的材料)，或取决于应用的其他合适材料。外环504包括凹槽508，销(未示出)插入到凹槽508中，以防止环相对于固定部件旋转或使环可旋转地接合至旋转结构。内环506包括具有大致矩形截面的基部510和具有大致梯形截面的密封部512。

密封部512具有环形密封面514，该环形密封面514突出超过基部510并且被两个径向向内和向外延伸的锥形表面围绕。如图6所示，环形密封面514从内锥形表面516径向向外设置，该内锥形表面516以当密封环投入使用时角度产生第一平衡比的适当角度径向向内倾斜。如图6所示，外锥形表面518从环形密封面514径向向外布置并且径向向外倾斜。在所示实施方式中，内锥形表面516的倾斜角为第一密封环500产生约60％的平衡比。此外，内锥形表面516的倾斜角度不同于外锥形表面518的倾斜角度，这产生了不对称的锥形形状，这有助于延长允许的磨损程度。第一环500还包括中央开口520，当将环安装在如上所述的设备中时，该中央开口520形成或围绕流体导管(例如，如图2所示的流体导管110)的一部分。

类似于第一密封环500，第二密封环502包括围绕内环526的外环524。如图所示，外环524可以由例如不锈钢等金属构造，并且内环526可以由合适的密封材料构造，例如聚合物或基于聚合物的复合材料，类似于第一密封环的内环或取决于应用的其他合适材料。类似于第一密封环500的外环504，第二密封环502的外环524包括凹槽508，销(未示出)插入到凹槽508中，以防止环相对于固定部件旋转或使环可旋转地接合至旋转结构。内环526包括具有大致矩形截面的基部530和具有大致梯形截面的密封部532。

密封部532具有环形密封面534，该环形密封面514突出超过基部530并且被两个径向向内和向外延伸的锥形表面围绕。如图8所示，环形密封面534从内锥形表面536径向向外设置，该内锥形表面516以当密封环投入使用时产生第二平衡比的适当角度径向向内倾斜。如图8所示，外锥形表面538从环形密封面534径向向外布置并且径向向外倾斜。在所示实施方式中，内锥形表面536的倾斜角为第二密封环502产生约80％的平衡比。此外，与第一密封环500的情况一样，内锥形表面536的倾斜角度不同于第二密封环502中外锥形表面538的倾斜角度，这也产生了不对称的锥形状，这有助于延长密封面的使用寿命。第二密封环502还包括中央开口540，当将环安装在如上所述的设备中时，该中央开口520形成或围绕流体导管(例如，如图2所示的流体导管110)的一部分。

在图9中示出了用于操作旋转密封组件的方法的流程图。该方法可以有利地应用于其他流体联接组件。根据该方法，并且如图9中所公开的，旋转密封组件在步骤602操作。旋转组件的操作包括在步骤604使旋转部件相对于固定部件旋转，在步骤606在所述旋转部件和固定部件之间提供滑动密封，并在步骤608通过延伸通过旋转部件和固定部件的导管提供流体流。在一个实施方式中，在旋转地连接到所述旋转部件的旋转密封环和旋转地连接到非旋转部件的非旋转密封环之间形成所述滑动密封件。此外，在一个实施方式中，特别是在钻井操作中，通过导管提供的流体可以是含水浆，其包括水、砂砾和可选地添加剂。

该方法进一步包括在步骤610设置与经过管道的流体流体连通的水力旋流器，该步骤包括提供具有旋流室的水力旋流器，该旋流室与和流体导管流体连通的进料开口、底部开口和顶点开口流体连通。在操作期间，该方法还包括在步骤612分离通过流体导管的流体流的一部分，并通过进料开口将流体流的该部分提供给水力旋流器。在步骤614，进入旋流室的流体分离成离开顶点开口的重物料流和离开底部开口的轻物料流。在至少穿过水力旋流器的进料开口和顶点开口和/或底部开口的流体导管内产生的压力差下，促使流体进入并通过旋流室。在步骤616，重物料流被送回到流体导管中，以与流体流的剩余部分混合。在步骤618，轻物料流被引导并输送到滑动密封界面附近，以润滑和冷却形成滑动密封界面的密封部件。在步骤620，在轻物料流已经冲洗过滑动密封界面之后，轻物料流也被返回提供到流体导管中。在装置工作期间以及通过流体导管提供流体流时，流体的一部分至少部分地分离成其组成部分的过程将继续。

将意识到，以上描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可以预期的是，本公开的其他实施方式可以在细节上与前述示例不同。对本公开内容或其示例的所有引用旨在参考此时正在讨论的特定示例，并且无意于更一般地暗示对本公开范围的任何限制。关于某些特征的所有区分和贬低的语言旨在指示对那些特征的偏爱，而不是将其完全排除在本公开的范围之外，除非另有说明。具体地，本文描述了本公开的优选实施方式，包括发明人目前用于执行本公开的最佳模式。在阅读了前面的描述之后，这些优选实施方式的变型对于本领域技术人员而言是显而易见的。本发明人期望熟练的技术人员适当地采用这种变化，并且本发明人希望以不同于本文具体描述的方式实施本公开。因此，本公开包括相应的法律所允许，在后附权利要求中描述的主题的所有修改和等价物。此外，所有可能的变型中的上述元素的任意组合都包含在本公开中，除非另有说明或明显有矛盾。

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