密封设备及其使用方法与流程
本发明涉及一种密封设备及其使用方法，并且在特定方面，涉及一种呈环形的分段式密封设备，所述分段式密封设备可操作以在塌缩状况和扩展状况之间移动。本发明还涉及被构造成形成密封的扩展和塌缩设备。本发明还涉及结合密封设备及其使用方法的工具和装置。本发明的优选实施方案涉及结合所述密封设备及其使用方法的油田设备(包括但不限于井下设备和井口设备)。
背景技术：
在机械工程的许多领域中，尤其是在碳氢化合物勘探和生产领域中，众所周知要提供流动屏障和密封元件，所述流动屏障和密封元件可以采用柱塞和封隔器形式。
井下工具的典型密封元件是一体式环状弹性体元件，其尺寸设定成具有适合于将工具送入的外径。在展开期间，密封元件被压缩以径向向外扩展而与周围表面接触，并且密封元件被设计成对抗密封元件的相对侧上的相应上环状区域和下环状区域之间的压力差而密封。众所周知要提供定位在封隔器或密封元件与其致动滑动构件之间的防挤压环，所述防挤压环通常由分开的或分段的金属环形成。在封隔器或密封元件的展开期间，抗挤压环的各段移动到径向扩展状况。在扩展期间和在径向扩展状况下，由于段需要占据较大的环状体积，因此在各段之间形成有空间。这些空间会产生挤压间隙，这可能会导致封隔器或密封件故障而无法充分发挥作用状况。
wo2017/109506、wo2017/109508、wo2017/109509和wo2018/087553描述了扩展和塌缩设备的布置，所述布置在其扩展状况下形成实心环并用于广泛的应用中，包括作为相邻密封元件的抗挤压环的有效性能。
技术实现要素：
本发明的权利要求和目的之一是提供一种消除或减轻先前提出的密封设备和方法的缺点的密封设备及其使用方法。
本发明的权利要求和目的之一是提供一种消除或减轻先前提出的扩展或塌缩设备和方法的缺点的扩展或塌缩设备及其使用方法。
本发明的目标和目的之一是提供一种消除或减轻现有技术油田设备的缺点的结合密封设备的油田设备，所述油田设备包括井下设备或井口设备。
本发明的目标和目的之一是提供一种消除或减轻现有技术油田设备的缺点的结合扩展或塌缩设备的油田设备，所述油田设备包括井下设备或井口设备。
通过阅读以下描述，本发明的其他目标和目的将变得显而易见。
根据本发明的第一方面，提供了一种密封设备，所述密封设备包括：密封组件，所述密封组件包括组装在一起以围绕纵轴形成环结构的多个元件；
其中所述环结构可操作以通过所述多个元件的移动而在扩展状况和塌缩状况之间移动；
并且其中所述多个元件可操作以通过沿着相应的接触表面相对于彼此滑动而在扩展状况和塌缩状况之间移动；
并且其中所述多个元件中的每一个是复合元件，所述复合元件包括基底和设置在所述元件的表面的一部分上的至少一个密封构件。
优选地，所述至少一个密封构件被构造成在使用中保形、变形或压缩。所述至少一个密封构件可以由柔顺材料、可压缩材料或弹性材料形成。
所述至少一个密封构件优选地限定元件的外表面的一部分。
所述至少一个密封构件可以由塑料、橡胶或弹性体材料形成，所述材料可以包括橡胶化塑料。所述至少一个密封构件可以完全由柔顺材料、可压缩材料或弹性材料形成。所述至少一个密封构件中的每一个可以是由柔顺材料、可压缩材料或弹性材料形成的一体式密封构件。
所述至少一个密封构件可以由诸如氢化丁腈橡胶(hnbr)的丁腈橡胶形成。替代地或另外，至少一个密封构件可以由含氟弹性体、含氟聚合物或含氟橡胶形成，其可以是例如fkm或fpm，诸如由dupontperformanceelastomers制造或获得其许可并指定以注册商标
本发明的实施方案可以包括由硬度大于诸如hnbr的橡胶的硬度的材料形成的密封元件，并且可以例如包括四氟乙烯的合成含氟聚合物(诸如聚四氟乙烯(ptfe))、聚芳醚酮(诸如聚醚醚酮(peek))、或具有适当硬度特性同时保留材料所需的柔顺性、可压缩性或弹性的热塑性塑料。
基底可以由刚性和/或硬度比密封构件的材料更大的材料形成。基底可以由金属或金属合金或复合材料形成。优选地，基底由钢形成。
基底可以限定用于一个或多个密封元件的底架或托架。所述至少一个密封构件可以与所述基底粘合、粘结或以其他方式接合或一体化。优选地，所述至少一个密封构件粘结到基底。
可选地，基底和/或密封构件通过三维印刷工艺形成。可选地，基底和/或密封构件通过注射成型工艺形成。替代地或另外，基底和/或密封构件通过铸造工艺形成。替代地或另外，基底和/或密封构件是通过从较大体积或主体的材料机加工而形成。
环结构优选地可操作以在扩展状况和塌缩状况之间移动，以在使用中呈现给表面。环结构可以操作以扩展或塌缩至密封直径，在使用时所述多个元件在该密封直径下呈现给所述表面。所述密封直径可以是环结构的扩展直径，并且可以是环结构的外径。替代地，密封直径可以是环结构的塌缩直径，并且可以是环结构的内径。
所述表面可以是圆柱形表面，密封设备被构造成在使用中与所述圆柱形表面形成密封。所述表面可以是管、工具或井眼的内表面。所述表面可以是物体的外表面，所述物体包括但不限于管、芯轴、杆、钻杆、电缆或钢丝绳。
通过沿着相应的接触表面相对于彼此滑动而使多个元件在扩展状况和塌缩状况之间移动，所述元件可以展开至密封直径，其中在展开期间引入到元件中的应力或应变可忽略不计。
密封设备可以限定一个或多个抗挤压环和/或支撑环。密封设备可以限定一个或多个另外的扩展和塌缩环结构，所述环结构可以用作用于另外的密封组件的抗挤压环和/或支撑环。
密封设备可以限定第一和第二另外的扩展和塌缩环结构，所述环结构可以设置在另外的密封组件的相对的轴向侧上。
多个元件可以各自基于以轴线为中心的环的名义楔形段，其中每个名义楔形段相对于环的径向方向倾斜。
环结构可以围绕纵轴取向在一个平面中。环结构可以操作以通过在借助轴向力致动时移动多个元件而在扩展状况和塌缩状况之间移动。环结构的平面可以垂直于纵轴。环结构及其取向平面可以操作以在扩展和/或塌缩期间在设备上移动。平面的移动在环结构的扩展和/或塌缩期间可以是轴向滑动移动。
多个元件可以操作以通过在环结构的平面中(可选地在与和环结构同心的圆相切的方向上)相对于彼此滑动，而在扩展状况和塌缩状况之间移动。所述元件可以被构造成在它们的扩展径向位置和塌缩径向位置之间沿与被描述为围绕纵轴并且与纵轴同心的圆相切的路径移动。
优选地，环结构的每个元件包括分别与第一相邻元件和第二相邻元件对接的第一接触表面和第二接触表面。
第一接触表面和/或第二接触表面可以与被描述为围绕纵轴并且与纵轴同心的圆相切地取向。第一接触表面和第二接触表面优选地是不平行的。第一接触表面和第二接触表面可以在朝向环结构的内表面的方向上朝向彼此会聚(并且因此可以在远离环结构的内表面的方向上远离彼此发散)。
优选地，至少一些元件设置有用于与相邻的密封元件互锁的互锁轮廓。优选地，互锁轮廓形成在第一接触表面和/或第二接触表面中。优选地，元件被构造成与相邻元件的接触表面互锁。这种互锁可以防止或限制组装的相邻元件在环结构的周向和/或径向方向上的分离，同时实现相邻元件的相对滑动移动。
优选地，经组装以形成环结构的元件中的至少一些元件并且更优选地所有元件彼此相同，并且各自包括互锁轮廓，所述互锁轮廓被构造成与另一元件上的对应的互锁轮廓互锁。所述互锁轮廓可以包括至少一个凹部(诸如凹槽)以及至少一个突起(诸如舌部或销)，所述突起被构造成接纳在凹槽中。互锁轮廓可以包括至少一个燕尾凹部和燕尾突起。
元件的第一接触表面和第二接触表面可以取向在第一平面和第二平面上，所述第一平面和第二平面可以在第一相交线和第二相交线处与环的内表面相交，使得在纵轴和相交线之间限定假想圆柱体的扇形区。扇形区的中心角可以为45度或更小。这种构造对应于组装在一起以形成环结构的八个或更多个元件。
优选地，扇形区的中心角为30度或更小，这对应于组装在一起以形成环的十二个或更多个元件。更优选地，扇形区的中心角在10度至20度的范围内，这对应于组装在一起以形成环的十八至三十六个元件。在特别优选的实施方案中，该扇形区的中心角是15度，这对应于组装在一起以形成环结构的二十四个元件。
优选地，在第一接触表面和第二接触表面之间描述的角度对应于扇形区的中心角。因此，优选地，在第一接触表面和第二接触表面之间描述的角度在10度到20度的范围中，并且在特别优选的实施方案中，在第一接触表面和第二接触表面之间描述的角度是15度，这对应于组装在一起以形成环结构的二十四个元件。
在一些实施方案中，所述设备被操作以在其扩展状况下提供密封，并且在其他实施方案中，所述设备被操作以在其塌缩状况下提供密封。优选地，形成环结构的元件在设备的工况下相互支撑。在所述设备的工况处于其扩展状况的情况下(即，当所述设备在其扩展状况下操作时)，环结构优选地在其扩展状况下是基本上实心的环结构，并且元件可以完全相互支撑。
在所述设备的工况处于其塌缩状况的情况下(即，当所述设备在其塌缩状况下操作时)，环结构优选地在其塌缩状况下是基本上实心的环结构，并且元件可以完全相互支撑。
基底可以限定元件的外轴向表面、侧壁或侧部中的一者或两者。基底可以包括与至少一个密封构件配合的至少一个形成物。所述至少一个形成物可以是在基底的表面上的凹部。所述凹部可以限定接纳至少一个密封构件的至少一部分的体积。凹部可以是袋状物，其可以铣削在基底的表面中。
凹部可以至少部分地形成在基底的外表面上，该外表面在使用中呈现给密封组件外部的密封表面。因此，凹部可以限定用于在基底的外表面处至少部分地容纳密封构件的体积，这可以使密封构件在使用中能够呈现给密封组件外部的密封表面。密封组件的外部表面可以例如是圆柱体或钻孔的内表面。
凹部可以至少部分地形成在基底的内表面上，该内表面在使用中呈现给密封组件内部的密封表面。因此，凹部可以限定用于在基底的内表面处至少部分地容纳密封构件的体积，这可以使密封构件在使用中能够呈现给密封组件内部的密封表面。密封组件的内部表面可以例如是密封组件组装在上面的管、圆柱体或芯轴的外表面，或者是设备的圆锥形或其他楔形表面。内部表面可以是设备的致动轮廓。
凹部可以至少部分地形成在基底的第一接触表面或第二接触表面中的一者或两者上，所述接触表面可以呈现给环结构中的相邻元件。因此，凹部可以限定用于在元件的第一接触表面和/或第二接触表面处至少部分地容纳密封构件的体积，这可以使密封构件能够呈现给相邻的元件。
在一个实施方案中，凹部围绕基底的外表面、基底的内表面以及基底的第一接触表面或第二接触表面中的两个或更多个可以是连续的。因此，凹部可以限定用于至少部分地容纳围绕基底的外表面、基底的内表面以及基底的第一接触表面或第二接触表面中的两个或更多个是连续的密封构件的体积。
在优选的实施方案中，凹部围绕基底的外表面、基底的内表面以及基底的第一接触表面或第二接触表面是连续的。因此，凹部可以限定用于至少部分地容纳围绕基底的外表面、基底的内表面以及基底的第一接触表面或第二接触表面是连续的密封构件的体积。
密封构件可以在基底的外表面上形成为第一宽度和/或第一体积，该外表面在使用中呈现给密封组件外部的密封表面。密封构件可以在基底的内表面上形成为第二宽度和/或第二体积，该内表面在使用中呈现给密封组件内部的密封表面。第二宽度可以小于第一宽度。因此，在外表面上呈现给外部表面(其可能具有未知状况、圆度和/或平滑度)的密封材料的体积可能比呈现给内部表面(其可能具有已知状况、圆度和/或平滑度)的密封材料的体积大。
密封构件可以包括一个或多个表面形成物，所述一个或多个表面形成物可以被构造成减小扩展和/或塌缩期间元件之间的摩擦。替代地或另外，密封构件可以包括一个或多个表面形成物，所述一个或多个表面形成物可以被构造成有助于在使用中促成密封。
所述表面形成物可以包括一个或多个脊部或凹槽，所述脊部或凹槽可以取向在垂直于环结构的纵轴的平面中。
所述表面形成物可以包括一个或多个脊部或凹槽，所述一个或多个脊部或凹槽可以设置在密封构件和元件的外表面上，并且可以周向取向在环结构上。
表面形成物可以包括一个或多个脊部，所述一个或多个脊部可以从元件的表面竖立或突出，并且可以从基底的表面竖立或突出。
表面形成物可以包括一个或多个脊部或凹槽，所述一个或多个脊部或凹槽可以设置在密封构件和元件的接触表面上。
所述元件可以包括在基底上轴向移位的第一密封构件和第二密封构件。第一密封构件和第二密封构件可以是镜像形状。基底可以是横向不对称的。
环结构可以限定有轮廓的表面，和/或上面可以设置有一个或多个功能形成物，以用于与辅助表面相互作用。元件的外表面可以设置有接合装置，所述接合装置可以由外表面中的一系列凹槽和脊部限定。所述元件可以包括滑动元件，并且所述环结构可以被构造成提供锚固、保持或悬挂功能。
密封设备可以包括被构造成由轴向致动力向环结构的元件施加径向扩展或塌缩力分量的形成物。所述设备可以包括被构造成由轴向致动力向环结构的元件施加径向扩展或塌缩力分量的一对形成物。一个形成物(或多个形成物)可以包括楔或楔形轮廓，并且可以包括锥形楔或楔形轮廓。
元件可以包括侧壁或侧部，所述侧壁或侧部被成形为与所述一个形成物或多个形成物配合，所述一个形成物或多个形成物被构造成向密封元件施加径向扩展或塌缩力分量。所述一个形成物或多个形成物可以限定楔角，并且侧壁或侧部可以限定与楔角相对应的侧部角。楔角可以在15度至75度的范围内。楔角可以选自由30度、45度或60度组成的楔角组。
所述设备可以包括偏置装置，该偏置装置可以被构造成将环结构偏置到其扩展状况或塌缩状况中的一者。所述偏置装置可以包括周向弹簧、卡紧弹簧或螺旋保持环。所述偏置装置可以布置在环结构的外表面周围，以使环结构朝向塌缩状况偏置，或者可以布置在环结构的内表面周围，以使环结构朝向扩展状况偏置。一个或多个元件可以包括诸如凹槽的形成物，以用于接纳偏置装置。优选地，元件中的凹槽组合以在环结构中形成周向凹槽。可以在环结构上设置多个偏置装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种扩展和塌缩设备，所述扩展和塌缩设备包括：
环组件，其包括组装在一起以围绕纵轴形成环结构的多个元件；
其中所述环结构可操作以通过所述多个元件的移动而在扩展状况和塌缩状况之间移动；
并且其中所述多个元件可操作以通过沿着相应的接触表面相对于彼此滑动而在扩展状况和塌缩状况之间移动；
并且其中所述多个元件中的每一个是复合元件，所述复合元件包括基底和设置在所述元件的表面的一部分上的至少一个密封构件。
本发明的前述方面的实施方案可以包括本发明的第一方面或其实施方案的一个或多个特征，反之亦然。
根据本发明的第二方面，提供了一种密封设备，所述密封设备包括：
多个元件，其组装在一起以围绕纵轴形成环结构；
其中所述环结构可操作以在扩展状况和塌缩状况之间移动；
其中在所述扩展状况下，所述多个元件组合以形成具有基本上平滑的外表面的实心密封环结构；
并且其中所述多个元件中的每一个是复合元件，所述复合元件包括基底和设置在所述元件的表面的一部分上的至少一个密封构件。
基本上平滑的表面可以包括第一表面部分，所述第一表面部分被构造成用于与密封组件的外部表面(例如圆柱体或钻孔的内表面)密封。第一表面部分可以包括外圆柱形表面。基本上平滑的表面可以包括第二表面部分，所述第二表面部分被构造成用于与密封组件的内部表面(例如密封组件组装在上面的管、圆柱体或芯轴的外表面，或者设备的圆锥形或其他楔形表面)密封。基本上平滑的表面可以包括第三表面部分，所述第三表面部分也被构造成用于与密封组件的内部表面(例如密封组件组装在上面的管、圆柱体或芯轴的外表面，或者设备的圆锥形或其他楔形表面)密封。第一表面和第二表面可以在轴向上彼此分开。
基本上平滑的外表面可以在平行于环结构的平面的平面中包括平滑的圆形轮廓。基本上平滑的外表面可以是基本上不间断的。优选地，平滑的外表面包括一个或多个平滑的侧表面。基本上平滑的外表面可以包括平滑的径向延伸表面，并且可以包括由环结构在其扩展状况下限定的环状突起的第一侧。平滑表面可以包括由环结构在其扩展状况下限定的环状突起的第一侧和相对的第二侧。因此，环结构的一个或多个侧部或面(其是沿纵向方向呈现的表面)可以具有平滑的表面。
本发明的第二方面的实施方案可以包括本发明的第一方面或其实施方案的一个或多个特征，反之亦然。
根据本发明的第三方面，提供了一种油田工具，所述油田工具包括本发明的第一或第二方面中的任一者的设备。
所述油田工具可以是井下工具。替代地，所述油田工具可以包括井口工具。
所述井下工具可以包括选自由柱塞、封隔器、锚固件、油管悬挂器或井下锁定工具组成的组的井下工具。
所述柱塞可以是桥塞，并且可以是可取回的桥塞。替代地，柱塞可以是永久性柱塞。
根据本发明的第四方面，提供了一种井下柱塞，所述井下柱塞包括本发明的前述方面中的任一方面的设备，以及设置在所述设备的轴向侧上的至少一个另外的扩展和塌缩环结构。
柱塞可以包括第一和第二另外的扩展和塌缩环结构，所述环结构可以设置在密封组件的相对的轴向侧上。
一个或多个另外的扩展和塌缩环结构可以包括组装在一起以围绕纵轴形成环结构的多个元件，和/或可以操作以通过移动所述多个元件而在扩展状况和塌缩状况之间移动。所述多个密封元件可操作以通过沿着相应的接触表面相对于彼此滑动而在扩展状况和塌缩状况之间移动。所述多个元件可以各自由比形成密封元件的材料更硬的材料形成，并且可以由金属、金属合金或复合材料形成。所述多个元件上面可以设置有一个或多个功能形成物，以用于与辅助表面相互作用。
一个或多个另外的环结构可以具有选自由以下各者组成的功能组的一个或多个功能：使密封组件抗挤压、支撑密封组件、或将设备锚固在管或井眼中。
密封设备可以包括第一和第二另外的扩展和塌缩环结构，所述环结构可以设置在密封组件的相对的轴向侧上。
在井下柱塞包括设置在密封组件的相对轴向侧上的第一和第二另外的扩展和塌缩环结构的情况下，第一另外的扩展和塌缩环结构可以是用于井下柱塞的锚固环结构或滑动组件，而第二另外的扩展和塌缩环结构可以是抗挤压环结构。替代地，第一和第二另外的扩展和塌缩环结构两者都可以是用于井下柱塞的锚固环结构或滑动组件。用于井下柱塞的锚固环结构或滑动组件可以为密封组件提供抗挤压功能。
本发明的第四方面的实施方案可以包括本发明的第一至第三方面或其实施方案的一个或多个特征，反之亦然。
根据本发明的第五方面，提供了一种密封钻孔的方法，所述方法包括：
提供密封组件，所述密封组件包括组装在一起以围绕纵轴形成环结构的多个元件；其中所述多个元件中的每一个是复合元件，所述复合元件包括基底和设置在所述元件的表面的一部分上的至少一个密封构件；
向环结构施加力以通过相对于彼此滑动而移动所述多个元件；从而使所述环结构从塌缩状况移动到扩展状况。
本发明的第五方面的实施方案可以包括本发明的第一至第四方面或其实施方案的一个或多个特征，反之亦然。
根据本发明的第六方面，提供了一种释放钻孔中的密封件的方法，所述方法包括：
提供密封组件，所述密封组件包括组装在一起以围绕纵轴形成环结构的多个元件；其中所述多个元件中的每一个是复合元件，所述复合元件包括基底和设置在所述元件的表面的一部分上的至少一个密封构件；
从环结构释放或减小力以通过相对于彼此滑动而使多个元件从密封状况移动，从而使环结构从扩展状况移动到塌缩状况。
本发明的第六方面的实施方案可以包括本发明的第一至第五方面或其实施方案的一个或多个特征，反之亦然。
根据本发明的第七方面，提供了一种扩展和塌缩设备，所述扩展和塌缩设备包括：
多个元件，其组装在一起以围绕纵轴形成取向在一个平面中的环结构；
其中所述环结构限定内环表面，所述内环表面被构造成呈现给布置在所述环结构内部的物体的表面；
其中所述环结构可操作以通过所述多个元件的移动而在扩展状况和塌缩状况之间移动；
并且其中所述多个元件可操作以通过相对于彼此滑动而在扩展状况和塌缩状况之间移动；
其中所述多个元件中的每一个是复合元件，所述复合元件包括基底和设置在所述元件的表面的一部分上的至少一个密封构件。
所述物体可以是被构造成延伸穿过环结构的辅助物体。
塌缩状况可以是设备的第一状况，而扩展状况可以是设备的第二状况。因此，所述设备通常可以被塌缩，并且可以被致动为扩展的。替代地，扩展状况可以是设备的第一状况，而塌缩状况可以是设备的第二状况。因此，所述设备通常可以被扩展，并且可以被致动为塌缩的。
扩展和塌缩设备可以被构造成与物体的外表面密封，所述物体包括但不限于管、芯轴、杆、钻杆、电缆或钢丝绳。
所述扩展和塌缩设备可以是钢丝作业阀。
一个或多个元件可以包括用于将流体注入到环结构的内部体积中的端口。
本发明的第七方面的实施方案可以包括本发明的第一至第六方面或其实施方案的一个或多个特征，反之亦然。
根据本发明的第八方面，提供了一种在物体上形成密封的方法，所述方法包括：
提供扩展和塌缩设备，所述扩展和塌缩设备包括：
多个元件，其组装在一起以围绕纵轴形成取向在一个平面中的环结构；其中所述多个元件中的每一个是复合元件，所述复合元件包括基底和设置在所述元件的表面的一部分上的至少一个密封构件；
将物体定位在穿过所述环结构限定的钻孔中；
向所述环结构施加或释放力以通过使所述多个元件在所述环结构的所述平面中相对于彼此滑动而使所述多个元件移动，从而使所述环结构从扩展状况移动到塌缩状况。
物体可以选自管、芯轴、杆、钻杆、电缆或钢丝绳。
本发明的第八方面的实施方案可以包括本发明的第一至第七方面或其实施方案的一个或多个特征，反之亦然。
附图说明
现在将仅通过举例的方式，参考附图描述本发明的各种实施方案，其中：
图1a至图1e是根据本发明的第一实施方案的处于塌缩状况的密封设备的视图；
图2a至图2e是图1a至图1e的处于扩展状况的密封设备的视图；
图3a和图3b是图1a至图1e的密封设备的元件的视图；
图4a和图4b是图1a至图1e的密封设备的元件的基底的视图；
图5a至图5d是图1a至图1e的密封设备的密封构件的基底的视图；
图6和图7是从一侧示出的图1a至图1e的设备的元件的几何表示。
图8a和图8b是根据本发明的替代实施方案的处于塌缩状况的密封设备的视图；
图9a和图9b是处于扩展状况的图8a和8b的密封设备的视图；
图10是图8a和图8b的密封设备的元件的等距视图；
图11a和图11b是根据本发明的替代实施方案的应用于井下柱塞的处于塌缩状况的密封设备的视图；
图12是在扩展状况下图11a和图11b的井下柱塞的视图；
图13a和图13b是根据本发明的替代实施方案的应用于井下锁定工具的处于塌缩状况的密封设备的示意图；
图14a和图14b是在扩展状况下图13a和图13b的锁定工具的示意图；
图15a至图15d是根据本发明的替代实施方案的应用于钢丝作业阀的处于扩展状况的密封设备的示意图；
图16a至图16d是在塌缩状况下图15a至图15d的锁定工具的示意图；以及
图17a和图17b是图15a至图15d的密封设备的元件的等距视图。
具体实施方式
首先参考图1至图7，将参考根据第一实施方案的密封设备描述本发明的原理。在该实施方案中，整体以10描绘的密封设备包括密封环结构，所述密封环结构被构造成从第一塌缩或未扩展状况(如图1a至图1e所示)扩展至第二扩展状况(如图2a至图2e所示)。为了方便起见，该实施方案和其他实施方案的设备可以被称为“扩展密封设备”，因为其可操作以从正常的塌缩状态移动到扩展状态。然而，所述设备可以同样被称为塌缩密封设备，或者扩展或塌缩密封设备，因为其能够根据操作状态而扩展或塌缩。
密封设备10包括组装在一起以形成环结构11的多个复合元件12。复合元件12限定内环表面，所述内环表面被构造成在使用中由圆柱体的外表面支撑。每个密封元件包括内表面20、外表面21以及第一接触表面22和第二接触表面23。第一接触表面和第二接触表面取向在不平行的平面中，所述平面与以设备的纵轴l-l’为中心的圆相切。所述平面朝向元件的内表面会聚。因此，每个元件通常为楔形，并且楔以周向重叠的方式组装在一起以形成环结构11。在使用中，相邻元件的第一接触表面和第二接触表面是相互支撑的。
当密封环结构扩展到其最佳外径时，第一接触表面和第二接触表面的取向平面与密封环结构的内表面相交，并且相交线与设备的纵轴一起限定圆柱体的扇形区。在这种情况下，环结构由二十四个相同的元件形成，并且中心角θ1为15度。在第一接触表面和第二接触表面的取向平面之间描述的角度与圆柱扇形区的中心角相同，使得元件在结构中旋转对称地布置。
如图3a至图5d所示，复合元件由基底112和设置在元件的表面上的一对密封构件113a、113b(一起为113)形成。密封构件由柔顺材料、可压缩材料或弹性材料形成(在该实施方案中，所述材料为氢化丁腈橡胶(hnbr))，并通过注射成型工艺形成。应当理解，在本发明的替代实施方案中可以使用其他柔顺材料、可压缩材料或弹性材料，并且可以根据使用中要经历的条件来选择该材料。例如，密封构件可以由含氟弹性体、含氟聚合物或含氟橡胶形成，其可以是例如fkm或fpm，诸如由dupontperformanceelastomers制造或获得其许可并指定以注册商标
基底112由刚性和/或硬度比密封构件113的材料更大的材料形成，在该实施方案中，基底112的材料为钢。
密封元件的第一接触表面和第二接触表面中形成有对应的互锁轮廓24，使得相邻的元件可以彼此互锁。在这种情况下，互锁轮廓包括燕尾凹槽25和对应的燕尾舌部26。互锁轮廓阻止环结构中的元件的周向和/或径向分离，但是允许相邻元件之间的相对滑动运动。互锁轮廓还有助于在使用期间元件平滑且均匀地扩展和收缩。应当理解，在本发明的范围内，可以使用互锁轮廓的替代形式，例如包括其他形状和形式的凹部和突起。
所述元件还设置有倾斜的侧壁部分27，这可以在使用中便于设备的展开。所述侧壁部分形成为倒锥形状，其对应于当设备处于其最大负荷状况(通常处于最佳扩展状况)时致动锥形楔轮廓的形状和曲率。
每个元件还设置有一对凹槽28，并且在组装的环结构中，凹槽被对准以提供围绕环延伸的圆形凹槽。每个凹槽容纳一偏置元件(未示出)，例如由smalleysteelringcompanytm以spiroloxtm品牌销售的那种类型的螺旋保持环，或卡紧弹簧。在这种情况下，偏置装置位于元件的外表面周围，以使设备朝向图1a至图1e所示的塌缩状况偏置。尽管在该实施方案中提供了两个用于容纳偏置装置的凹槽，但是在设备的替代实施方案中，单个凹槽或大于2的数目个凹槽可以设置有对应的偏置装置。
该实施方案的设备10被构造为用于通过来自楔形构件的轴向力致动，该楔形构件在这种情况下为具有与环结构11的一侧相对的圆锥形表面的环状环形式。楔角与元件的倾斜的圆锥形侧壁或侧部27的角度相对应。在这种情况下，在圆锥形侧壁或侧部与环的纵轴之间描述的角度为30度，但是可以根据应用选择其他角度。在本发明的替代实施方案中，楔可以用对接肩部代替。
如图6和图7所示，每个元件12是基于以轴线为中心的环的名义楔形段，其中每个名义楔形段相对于环的径向方向倾斜。段的标称外径是在环的最佳扩展状况下(半径显示为r1)。
将第一接触表面22和第二接触表面23视为主要限定表面(即，现在忽略由燕尾舌部和凹槽形成的表面)，元件的表面的取向平面与半径为r3并且和环同心的圆在切点t1、t2处相切。切点之间描述的角度等于段的角度θ1。每个名义楔形段的表面的取向平面在径向平面p上彼此相交，所述径向平面p将位于切点处的径向平面一分为二(即与两者的夹角均为θ1/2)。该相交平面p限定该段的扩展和塌缩路径。
在本实施方案中，通过从楔的主体的尖端处去除材料29来修改名义楔形段，以在环处于如图1a至图1c所示的扩展状况时提供半径为r2的弯曲或弧形内表面20。楔形元件的修改可以被认为是穿过环结构的内钻孔的直径增大了2(r2-r3)，或者是内径的截断。内径从与接触表面相切的名义内径r3到截断内径r2的这种变化具有改变接触表面与从环的中心起的径向平面之间的角度的作用。将角度θ2设为接触表面与径向平面之间描述的角度，所述径向平面限定在环结构的中心点和取向表面在内表面的径向位置处与圆交汇或相交的点之间，θ2根据段的内径被截断的量来改变。对于名义楔形段，接触表面的取向平面与内径为r3的圆相切(即，角度θ2为90度)。对于修改后的元件12，接触表面的取向平面替代地与(增大的)内径为r2的圆相交，并以减小的角度θ2倾斜。
所述段倾斜的角度θ2与从名义楔形段中去除的材料量有关，但与楔的中心角θ1无关。选择角度θ2以提供适合于制造、稳健性且与塌缩环的期望环状体积以及内径和外径相符的元件尺寸。随着角度θ2接近90度，该元件会形成更浅、更细的楔形轮廓，这可以使环结构的塌缩体积最优化。尽管更浅、更细的楔形轮廓可能具有减小在塌缩状况下的环的内表面处产生的间隙的尺寸和/或使得塌缩状况更紧凑的效应，但是仍存在一些后果。这些后果包括在元件的内表面处引入平坦部段，这在处于扩展或部分扩展状况时表现为在环的内径处的空间。当θ2＝90度时，所有段都与内径完全相切，针对给定的外径和内径的塌缩体积是最有效的，但是环结构的内表面是多边形的，其中每段形成平坦部段。在一些构造中，这些平坦部段可能是不希望的。元件的制造以及元件和组装的环结构的稳健性也可能存在潜在的困难。然而，在许多应用中，在扩展环的内表面的轮廓不关键的情况下，例如，当环结构的内径是浮动的，和/或真实的内径是由致动楔形轮廓而不是由环的内表面限定时，这种折衷可能对设备的操作无害，并且减小的塌缩体积可以使(或接近)90度的倾斜角θ2合理。
在图1至图6的设备中，角度θ2为75度。将θ2放宽到减小的角度会在扩展环的主接触表面上提供平滑的外径和内径轮廓，因为保留一部分内圆弧的代价是稍微增大塌缩体积。应当注意，角度θ2与角度θ1是独立的。在期望环结构具有圆形内表面的情况下，优选的布置可以具有在(90度-2θ1)至90度(包括两个端点在内)范围内的角度θ2，并且特别优选的布置具有在70度至90度的范围内(最优选地在73度至90度的范围内)的角度θ2。通常，为了提供对内径的充分截断以保留内弧的有用部分并为环结构提供平滑的内表面，θ2的最大有用值为(90度-θ1/2)。这在所描述的布置中将是82.5度。
在该应用中，在元件的中心轴线的相对横向侧上的主接触表面22、23被设计成在最佳扩展状况下与内致动表面形成密封，因此有利的是，将密封元件截断至减小的内径，使得在扩展的密封环的两侧形成平滑的圆形内表面，以避免密封元件中的应力不均匀。
基底112限定元件112的外侧壁或侧部。基底包括一对轴向分开的凹部，在凹部上限定用于接纳密封构件113a的至少一部分的体积。凹部呈袋状物形式，铣削在基底的表面中。凹部围绕基底的外表面、基底的内表面以及基底的第一接触表面或第二接触表面是连续的。因此，凹部限定用于容纳围绕基底是连续的密封构件的体积。
密封构件113a、113b的几何形状通常对应于基底112的几何形状。
密封构件在基底的外表面上形成为第一宽度，所述第一宽度在使用中呈现给密封组件外部的密封表面。密封构件在基底的内表面上形成为第二宽度，所述第二宽度在使用中呈现给密封组件内部的密封表面。所述第二宽度小于所述第一宽度，使得在外表面上呈现给外部表面(其可能具有未知状况、圆度和/或平滑度)的密封材料的体积比呈现给内部表面(其可能具有已知状况、圆度和/或平滑度)的密封材料的体积大。
接触表面上的凹部被成形为在第一宽度和第二宽度之间提供过渡部。该过渡部被成形为通过在轴向上将密封构件“提升”到环结构中并从环结构径向向外“提升”而便于在使用中促成密封。
每个密封构件包括脊部或凹槽，所述脊部或凹槽从元件的表面和基底的表面竖立或突出。元件的外表面上的脊部和凹槽有助于在使用中促成密封。接触表面之间的脊部和凹槽有助于减少扩展和/或塌缩期间元件之间的摩擦。
在其他构造中，同样根据本发明的实施方案(并且将如下所述)，形成元件的名义楔形段的几何形状可以改变，其中密封元件的不同横向部分被截断以提供平滑的扩展的内径以形成内部密封表面。实际上，在一些实施方案中，根据材料选择(例如硬度)和密封应用，可能不需要环结构具有圆形内表面。
现在将描述扩展设备的操作。在图1c中最清楚地示出的第一塌缩或未扩展状况下，元件被组装成延伸至第一外径的环结构11。所述元件通过螺旋保持弹簧而被朝向未扩展状况偏置，并且在使用中将通过圆柱体或芯轴的外表面而支撑在螺旋保持弹簧的内表面上。
在使用中，在楔形构件上施加轴向致动力。可以使用本领域中已知的许多合适的装置中的任一者来施加轴向致动力，例如，从定位在基础圆柱体周围的外套筒施加力。该力使楔形构件相对于圆柱体轴向移动，并将轴向力的分量传递到元件的凹入侧壁上。楔的角度将径向力分量传递给元件12，这使元件12沿着其相应的接触表面相对于彼此滑动。
扩展元件的移动与围绕设备的纵轴限定的圆相切。元件的接触表面在扩展之前、扩展期间和扩展之后相互支撑。在继续施加轴向致动力时，元件的径向位置增加，直到元件位于期望的外径向位置处为止。该径向位置可以由楔形构件的受控且有限的轴向位移来限定，或者替代地，可以由其中设置有所述设备的钻孔或管的内表面来确定。
图2a至图2e示出了处于其扩展状况的设备。在如图2b所示的最佳扩展状况下，各个元件的外表面组合以形成完整的圆，其中各个元件之间没有间隙。扩展设备的外表面可以针对特定的直径进行优化，以形成浑圆的扩展环(在制造公差内)，其中在环结构的内表面或外表面上没有间隙。扩展设备的设计还具有以下好处：一定程度的扩展不足或扩展过度(例如，扩展至稍微不同的径向位置)不会引入过大的间隙。
扩展的环结构的内表面，特别是由密封构件在互锁形成物的横向外侧的截断的内接触表面处形成的内圆形表面，在使用中与致动楔形成密封。因此，密封设备在其外表面和其内表面上均进行密封，并且能够密封基础管或芯轴与外表面之间的环状空间。所述设备由复合元件形成有效的混合密封。
密封设备上的致动力的释放或减小导致元件的移动在偏置弹簧的帮助下反向。密封元件沿其相应的接触表面相对于彼此相切地滑动，并且在塌缩之前、塌缩期间和塌缩之后，所述元件的接触表面相互支撑彼此。通过在展开期间使元件上没有应力和应变来促进元件的令人满意的缩回。
本发明的一个特征在于，元件在扩展之前、整个扩展过程中和扩展之后相互支撑，并且在扩展期间或在完全扩展的位置处不会在各个元件之间产生间隙。另外，元件在周向环中的布置以及它们在垂直于纵轴的平面中的移动有助于在扩展的环结构上提供平滑的侧面或侧部。随着元件在环结构的平面中展开，环结构的总宽度不变。这使得能够在轴向上接近其他功能元件处使用该设备。
参考图8a至图10描述本发明的替代实施方案。密封设备210类似于密封设备10，并且将不进行详细描述，但是将从图1至图7和所附描述中理解。密封设备10的各个复合元件212类似于元件12，并且包括内表面和外表面以及第一接触表面和第二接触表面。第一接触表面和第二接触表面取向在不平行的平面中，所述平面与以设备的纵轴为中心的圆相切。元件212还包括对应的互锁轮廓。每个复合元件212在形式和功能上都与元件12类似，并且从前面的描述中将理解复合元件212的操作。然而，复合元件212的不同之处在于，复合元件212的基底轴向延伸，并且每个元件212的外表面设置有由外表面中的一系列凹槽和脊部限定的接合装置，所述接合装置设置在保持环凹槽的两侧。在该实施方案中，滑动元件212是双向的，以提供锚固力，所述锚固力抵抗向上方向和向下方向两者上的移动。
因此，所述设备限定具有密封和锚固/接合功能的密封滑动组件。设备210可以例如在井下封隔器和柱塞应用中使用。
在一个示例性应用中，本发明的设备在可取回的桥塞中实现。可取回的桥塞是一种井下工具，所述井下工具以在使用后能够从井筒中脱开并取回的方式被定位并设定成隔离井筒的一部分。典型的可取回的桥塞包括用于将柱塞锚固在井中的滑动件布置，以及用于形成流体密封的密封元件。无支撑的密封组件因支撑密封件的环规的最大外径与密封元件已扩展到的周围钻孔之间的挤压间隙而可能具有变形和故障倾向。密封设备10可以代替常规柱塞的抗挤压环，和/或密封设备210可以代替常规柱塞的滑动组件，从而提供另外的辅助密封。替代地，密封设备210可以提供组合的密封和锚固功能。
参考图11a至图12描述可取回的桥塞应用的示例。图11a和图11b分别是穿过结合根据本发明的实施方案的设备的示出为处于送入位置的可取回桥塞的透视图和截面图，并且图12是在示出为处于设定位置的图11a和图11b的设备的截面图。
整体以250描绘的柱塞包括壳体组件251，以及用于将柱塞连接到工具串中的上连接器252和下连接器253。壳体组件251在密封和锚固组件257的两侧包括位于芯轴256上的上壳体接头254和下壳体接头255。致动套筒258连接芯轴上的上壳体接头和下壳体接头。所述柱塞通常类似于在申请人的共同未决的wo2017/109506(通过引用并入本文)中描述的柱塞，所述柱塞包括构造在滑动组件260中的元件的扩展环。但是，柱塞250的密封组件的性质不同。柱塞250具有根据本发明的密封设备257，密封设备257包括由组装成环结构的多个复合密封元件形成的密封组件262。所述密封设备类似于密封设备11，并且从前面的描述中将理解所述密封设备。复合密封元件由基底269和设置在基底的表面上的密封构件258、261形成。当通过施加在楔形构件266、268上的轴向致动力来致动时，楔将径向力分量传递至元件，这导致元件沿着它们相应的接触表面相对于彼此滑动。扩展的环结构的内表面，特别是由密封构件在互锁形成物的横向外侧的截断的内接触表面处形成的内圆形表面，在使用中与致动楔形成密封。因此，密封设备在其外表面和其内表面两者上均进行密封，并且能够在图12所示的位置中密封基础管或芯轴与外表面之间的环状空间。
与需要单独的密封和抗挤压装置的常规桥塞相比，本发明的这种应用提供了一种将抗挤压和密封功能组合到单个扩展组件中的手段。
本发明在形成密封和/或填充环状空间方面也具有好处，并且将参考图13a至图14b描述示例性应用，其中将本发明应用于井下锁定工具。典型的锁定工具使用在送入工具上展开的一个或多个径向扩展部件。径向扩展部件在井筒完井中的已知位置处与预先形成的锁定轮廓接合。典型的锁定轮廓和锁定机构包括用于通过锁定工具的径向扩展部件进行机械接合的凹部。通常在轮廓中设置密封钻孔，并且在锁定工具上的密封件被设计成抵靠密封钻孔密封。从下面的描述中将显而易见的是，本发明的本实施方案提供了优于常规锁定机构的好处。
图13a是穿过根据本发明的一个实施方案的锁定工具的纵向示意图。图13b是锁定工具的示意图，并且图14a和图14b是处于设定位置的锁定工具的等效视图。
整体以130描绘的锁定工具包括提供上连接轮廓的上壳体131，以及下壳体132。在送入位置中，上壳体131和下壳体132在轴向分离的位置上组装在芯轴上。上壳体131通过一组剪切螺钉固定在芯轴上。
致动套筒设置在芯轴上，并将上壳体与下壳体连接。致动套筒的下部是圆柱形的，并且致动套筒的下端设置有一对锥形楔轮廓。致动套筒的上部去除了部分圆柱形部段，使得仅致动套筒的围绕套筒周向分开的部分延伸到其上端并与上壳体接合。通过移除致动套筒的部分部段而形成的窗口对应于芯轴的止动指的位置，并且在止动指的端部处容纳径向延伸的形成物。
锁定工具还包括锁定和密封组件，所述锁定和密封组件整体以140示出、位于下壳体的第一接头和第二接头之间的环状空间中。锁定和密封组件140与设备10类似；组装以形成环结构的各个元件与元件12类似，并且元件的形式和功能从图1至图7和图8及其随附的描述中将理解。特定地，每个复合元件包括具有一对平坦接触表面的基底，该对平坦接触表面相互支撑相邻元件，并且所述接触表面取向在相切平面上。密封元件形成在基底上以密封环状空间的外表面和内表面。
在送入位置中，环结构与外壳体的紧邻外径齐平。在替代构造中，环结构可以相对于外壳体凹入，使得环结构具有减小的外径。密封元件的外径小于环结构在其缩回位置的外径，使得密封元件凹入在工具中。
现在将另外参考图14a和图14b来描述锁定工具的操作。锁定工具130被送入井筒中至完井中的位置，该位置包括锁定轮廓，所述锁定轮廓整体以148表示。锁定和密封组件140被定位成使得其与锁定轮廓中的锁定凹部146对准。锁定和密封组件与锁定轮廓的对准通过在下壳体组件上设置不通过(no-go)轮廓以及在完井上与锁定轮廓相距限定的轴向间距处设置对应的不通过轮廓来确保。
在锁定工具就位且不通过轮廓被接合的情况下，施加在上壳体131上的向下力被传递到致动套筒。下壳体132和芯轴被不通过件挡住，并且剪切螺钉发生剪切变形，从而使得致动套筒能够相对于下壳体向下移动，直到致动套筒的楔形轮廓与环结构140接触为止。如参考先前实施方案所述，楔形轮廓引导轴向力在径向向外的方向上的分量，以将环结构的元件推向径向向外的位置。
参考图13和图14描述的锁定机构的一个优点是，锁定机构设置有集成式密封元件，并且在轴向分离点处不需要密封组件。这使得能够减小工具的长度。集成式密封件在其上下边缘处被环结构的表面包围，这避免了密封件的挤压。
另外，环结构提供了与锁定凹部接合的平滑且不间断的周向表面，从而在垂直于钻孔的纵轴的平面中提供上环状表面和下环状表面。该环状表面是围绕环结构的圆周平滑且不间断的，因此锁与在锁定轮廓中限定的上下肩部完全对接。这与可能仅在装置周围的多个离散的、周向分离的位置处与锁定轮廓接触的常规锁定机构形成了对比。由本发明的该实施方案提供的增加的表面接触使得锁定机构能够支撑被引导通过锁的更大的轴向负荷，因此所述锁可以被评定为具有更高的最大工作压力。替代地，可以在具有减小的尺寸和/或质量的锁中提供等效的压力额定值。
本发明的该实施方案的另一个优点是，密封钻孔(即，完井的与弹性体形成密封的部分)可以凹入锁定轮廓中。在该实施方案中，在锁定凹部146的两侧上的锁定轮廓的内径小于密封钻孔的内径。这种构造的好处在于，密封钻孔被保护免受工具和设备通过锁定轮廓的影响。这避免了对密封钻孔的冲击，该冲击容易损坏密封钻孔，从而降低可靠地形成成功密封的可能性。
在前述实施方案中，描述了本发明的原理对井下锁定机构的好处。在用于连接器(诸如用于管状部件的闩锁连接的所谓“快速连接”机构)中的闩锁布置中可以得到类似的好处。本发明的原理还可以应用于海底连接器，诸如回接连接器。
设备的利用其有效地执行阻塞或密封环状路径中的一者或多者的能力的另外应用是可能的。参考图15a至图17b描述了另一应用，图15a至图17b示出了包括类似于密封设备10的密封设备311的钢丝作业阀310。密封设备311由多个复合元件312形成，每个复合元件包括基底和一对密封构件。密封元件312的几何形状与其他实施方案中描述的原理一致，并且密封元件被组装在一起以形成扩展和塌缩的环结构。密封元件312包括承载一对密封构件313a、313b的基底315。所述元件还包括端口318以在使用中向钢丝绳注入润滑油。
图15a至图15d示出了处于其默认扩展状况的设备，所述设备通过内部偏置弹簧被偏置到该默认扩展状况。所述设备限定钻孔，物体(在这种情况下，钢丝绳314)延伸穿过所述钻孔。通过相对的反向锥形致动楔316a、316b致动设备会引起各个元件相对切向滑动移动到图16a至图16d所示的塌缩状况，在所述塌缩状况下，密封设备的密封构件313a、313b抵靠钢丝绳314形成内密封并且借助致动楔316a、316b形成外密封。
本发明以其各种形式受益于设备的新颖结构和机制。在最佳扩展状况下，扩展密封设备的各个密封元件的外表面组合以形成完整的圆，其中各个元件之间没有间隙，因此可以针对特定直径优化密封设备，以形成浑圆的扩展密封环(在制造公差内)。扩展设备的设计还具有以下好处：一定程度的扩展不足或扩展过度(例如，扩展至稍微不同的径向位置)不会引入过大的间隙。
类似地，对于塌缩密封设备，各个密封元件的外表面组合以形成完整的圆，其中各个元件之间没有间隙，从而形成浑圆的塌缩密封环。塌缩设备的设计还具有以下好处：一定程度的塌缩不足或塌缩过度不会引入过大的间隙，并且仍然能够实现有效密封。
本发明的一个特征在于，元件在扩展之前、整个扩展过程中和扩展之后相互支撑，并且在扩展期间或在完全扩展的位置处不会在各个元件之间产生间隙。另外，密封元件在周向环中的布置以及它们在垂直于纵轴的平面中的移动有助于在扩展的密封设备上提供平滑的侧面或侧部。随着密封元件在环结构的平面中展开，环结构的宽度不变。这使得能够在轴向上接近其他功能元件(诸如滑动组件和抗挤压环)处使用所述设备。
可以在本发明的范围内对上述实施方案进行各种修改，并且本发明扩展到除了本文明确要求保护的特征之外的特征的组合。特定地，本文描述的不同实施方案可以组合使用，并且特定实施方案的特征可以用于除了关于该实施方案具体描述的那些应用之外的应用中。
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