用于带凸缘部件中的环形凹槽接口的高压环形垫圈的制作方法

1.本公开涉及石油和天然气井钻探和开采，并且具体地涉及用于诸如井口部件的带凸缘设备中的环形凹槽接口的高压环形垫圈。


背景技术：

2.用于钻探、完成或分配石油类产品的石油和天然气设备经常经历高压和高温环境。井流体由于其极端性质，如高温(例如,1000
°
f)和高压(例如，高达30000psi)而可能对井设备造成不利影响。相关的管道和承压设备需要适当的连接来遏制和控制这些液体。这些连接通常包括带凸缘的接口，该接口使用具有高补充负载的螺栓连接来对承压挤压式垫圈赋能。
附图说明
3.图1是根据本公开的教示的用于井口连接器的压力赋能环形密封件的示例性实施例的横截面侧视图；
4.图2是根据本公开的教示的采用压力赋能环形密封件的快速井口连接器的示例性实施例的透视图；
5.图3是根据本公开的教示的用于井口连接器的压力赋能环形密封件的示例性实施例的透视图；
6.图4是根据本公开的教示的沿着图3中的线4-4的用于井口连接器的压力赋能环形密封件的示例性实施例的横截面视图；
7.图5是根据本公开的教示的用于井口连接器的压力赋能环形密封件的示例性实施例的更详细特写横截面视图；
8.图6为根据本公开的教示的用于限定在连接器与井口设备之间的接口处的镜像环形凹槽的压力赋能环形密封件的示例性实施例的更详细特写横截面视图；以及
9.图7为根据本公开的教示的安装在限定在连接器和井口设备之间的接口处的镜像环形凹槽内的压力赋能环形密封件的示例性实施例的更详细特写横截面视图。
具体实施方式
10.常规的井口连接器通常包括由多个螺栓固定的带凸缘接口。螺栓连接提供高的补充负载，以对在接口处设置于两个带凸缘部件中形成的环形凹槽内的承压挤压式垫圈赋能。通常，需要极端转矩来补充这些高压连接，例如，可能基于实际的螺栓类型和使用的涂层而需要1500英尺-磅的转矩来补充10000psi 11”直径的凸缘连接。此外，为了实现负载均匀性，不能一次将高转矩施加到螺栓上，而必须使用转矩工具依次递增地施加到每个螺栓上。正确补充此高压连接所需的时间过长，可能为30至45分钟，取决于技术人员的数量和用于执行操作的特定方法。由于在井口上完成单个系统需要许多带凸缘的连接器，因此用于完成完整安装所花费的总时间既费时又昂贵，通常每口井需要数万美元。无法利用其它手
段来补充这些高压连接，因为这些连接通常由管制标准控制，例如api 6a和asme/ansi b16.5，其限定机械连接，即，使用用于常规挤压式垫圈的环形凹槽的螺栓和密封机构。
11.参考图1-6所示的各个视图，本文中所描述的独特压力赋能密封件100是可用于与标准高压带凸缘设备102对接的独特密封件100，所述标准高压带凸缘设备例如是用于井口106的井口连接器，其具有限定锥形壁的环形凹槽108(其在两个连接器部件一起安装时大体具有两个锥形侧壁以及平行的顶侧和底侧的梯形形状，其中顶侧大体长于下侧)的两个部件，但该密封件可以在很短的时间内安装，例如，在使用传统垫圈和转矩负载所需时间的10％内。
12.如图3和4中所示，密封件100具有带外径(od)面104和内径(id)面103的环形本体。环形密封件100具有沿着其整个内径面103的环形c形通道300，其具有开放横截面轮廓，所述开放横截面轮廓具有在具有锥形面的基部304处连接的两个杆302和303(在本文中也称为唇缘、腿部或卡爪)。顶部腿部302和底部腿部303大体上水平地延伸到大致相同的竖直线(例如，顶部腿部302和底部腿部303具有大致相同的内径)。备选地，顶部腿部302可以延伸超出底部腿部303(例如，顶部腿部302具有比底部腿部303更小的内径)。顶部腿部和底部腿部具有的径向长度大约等于或长于环形凹槽的径向宽度。每个腿部302和303的末端具有扩大的末端306或唇缘308(例如，相对于相应的腿部302或303，在平行于密封件100的中心轴线的方向上具有更大的轴向长度)。密封件100的总尺寸包络的高度h与旨在用于挤压式垫圈的带凸缘连接器102的标准环形凹槽至少一样深。密封件100的外径面包括锥形侧310，其旨在与用于挤压式垫圈的标准环形凹槽的锥形壁对接。锥形外径面104的角度可以与环形凹槽的锥形壁的角度一致。c形弹簧312设置于环形密封件100的c形通道300内以提供使环形密封件100能够在较低压力下达到适当密封的赋能负载。c形弹簧312可以具有相等或不同长度的腿部。例如，弹簧的顶部腿部可以比弹簧的底部腿部长，使得弹簧312的形状与环形凹槽的整体梯形横截面包络一致。倒角角部316进一步限定在环形密封件100的外径面处，以提供保持密封件并且防止密封件本体的扭曲/扭转的反应点。
13.独特密封件100可由金属或非金属材料制成，如316不锈钢、软镍铬和聚四氟乙烯(ptfe)。
14.图5是当设置在用于井口106的连接器102的平面接口502处限定的挤压式环形凹槽108内时，叠加在以实线示出的压力赋能形状上的以虚线示出的天然(例如，松弛)形状或轮廓的环形密封件100的横截面视图。当环形密封件100安装在井口部件中的标准环形凹槽108内时，环形密封件100的锥形外径面310与环形凹槽108的锥形壁重合。当带凸缘连接器102与井口106结合一起时，在井口接口的平面表面502上方延伸的密封件100的顶部腿部302和顶部唇缘306将由连接器102的平面表面502向下推入环形凹槽108中，并且接合环形凹槽108的锥形内径侧壁506。类似地，底部腿部303也牢固地按压在环形凹槽108的底部表面内。当连接器704适当地定位或联接到井口106时，顶部腿部302和底部腿部303两者都变为与环形凹槽108的锥形内径壁506完全接合。限定在顶部腿部302与底部腿部303之间的c形通道300在带凸缘连接器102与井口106之间的环形凹槽108内限定压力腔。限定在环形密封件100的外径面处的倒角角部316位于靠近连接器102与井口106之间的接口。
15.图6是用于安装在镜像六边形横截面环形凹槽700中的压力赋能环形密封件600的另一实施例的详细横截面视图，该密封件具有限定在井设备中的对称上部部分和下部部分
(参见图7)。环形密封件600的独特轮廓包括沿着其整个内径面的c形通道601，其具有开放横截面轮廓，所述开放横截面轮廓具有在锥形的基部604处连接的两个杆602和603(在本文中也称为唇缘、腿部或卡爪)。密封件600大体上沿着水平轴线605对称，水平轴线将密封件600的本体平分成上部部分和下部部分。两个腿部602和603大体上水平地延伸到大致相同的竖直线并且大体上对称。顶部腿部和底部腿部具有的径向长度大约等于或长于环形凹槽的径向宽度。每个腿部602和603的末端具有扩大的末端或唇缘606和608。密封件600具有带外径(od)面和内径(id)面的环形本体。密封件600的外径面包括锥形顶侧610和锥形底侧611。c形弹簧612设置于环形密封件600的c形通道601内以提供使环形密封件600能够在较低压力下达到适当密封的赋能负载。倒角角部616进一步限定在外径角部处，在此锥形顶侧610连接到锥形底侧611。
16.图7是当设置在用于井口706的连接器704的接口702处限定的六边形凹槽700内时，叠加在以实线示出的压力赋能形状上的以虚线示出的天然(例如，松弛)形状或轮廓的环形密封件600的详细横截面视图。锥形顶侧610的角度可以与环形凹槽的锥形顶壁710的角度一致，并且锥形底侧611的角度可以与环形凹槽的锥形底壁711的角度一致。当设置在环形凹槽700内时，密封件600和c形弹簧612的向外延伸腿部602和603变得紧密地容纳在凹槽700的壁的界限内。在此实施例中，环形密封件600具有基本上跨越六边形凹槽700的深度或超过该深度的高度。设置在密封件600的c形通道601内的随附的c形(或u形)弹簧612也具有跨越由密封件600的环形本体限定的c形通道601的高度。可以看出，密封件600的环形本体的上半部和下半部基本对称。环形密封本体具有大体上为c形的横截面，具有两个腿部或卡爪602和603，其在腿部的末端处具有突出或放大的唇缘606和608。环形密封本体的外径面以与六边形凹槽的锥形外径壁一致的方式渐缩。倒角角部616进一步限定在密封本体的外径面的中心处。倒角角部616提供保持密封件并且防止密封件的环形本体扭曲/扭转的反应点。
17.与环形凹槽一起使用的传统挤压式垫圈需要高负载以产生适当的密封(归因于密封件与环形凹槽几何形状之间的“挤压”效应)，而新密封件具有与六边形环形凹槽构造类似的配合外径轮廓，使得其能够以非常小的负载(例如1000磅)适当地定位和赋能，与用于这种连接类型的常规挤压式垫圈相比，负载减少了大约90％。由于密封件不是封闭的，而是具有开放的c形构造，所以密封连接的赋能效应作为腔压力的函数放大，并且从而防止压力从压力边界外逸出。
18.由于环形密封件的几何形状可以配合在传统挤压式环形凹槽内，因此无需以昂贵的费用对传统设备进行修改。重要的是，新密封件无需修改即可适用于现有的现场库存。最后，尽管配合连接器可具有与其配合的本体相同的镜像环形凹槽，但采用具有不带环形凹槽的平坦/平面表面的连接器是有利的，因为标准连接器本体可用于与具有不同直径密封凹槽的配合本体对接并且容纳配合本体。
19.本文所述的新环形密封件的一个优点包括其适合与使用用于挤压式垫圈的标准环形凹槽的现有孔口设备对接，使得不需要对传统井口设备进行昂贵的修改。新环形垫圈的另一个优点在于，对于高压井口应用(15000psi)，只需要大约5000磅范围内的低负载，而不是大约120万磅的高负载。此外，由于可以使用具有平面接口轮廓的连接器(其将搁置在环形凹槽面的顶部上并且提供用于赋能密封件的主动止挡)，故新的环形垫圈不会因螺栓
的过度扭转产生预载(来自图中的螺栓的力负载)而受损。这意味着，如果螺栓过紧，则新的环形密封件不可“过度挤压”。又一个优点是螺栓提供用于保持高压的预载的功能与其维持盖压力端负载的功能分离。这意味着，当暴露于压力端负载时，螺栓现在只需要接合井口上的节段，以将连接器本体保持在其配合本体上。新的密封件设计将维持压力并且防止泄漏到大气中。此外，已知螺栓随着时间推移会损失预载，并且通常必须重新上扭矩以在挤压式垫圈上施加足够的负载来维持密封。利用这种新设计，不需要重新对螺栓进行重新上扭矩来维持密封，因为它们不再用于此目的。
20.应注意，环形垫圈的轮廓可以与本文所示的形状不同，并且可以修改为与环形凹槽的形状一致。
21.本发明的认为新颖的特征在下文所附权利要求书中具体阐述。然而，对上述示例性实施例的改型、变型和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且本文描述的用于井口连接器的独特的压力赋能环形密封件因此包括这些改型、变型和变化并且不限于这里描述的特定实施例。