密封組件的制作方法
【專利摘要】一種用于在管狀體周圍進(jìn)行密封的壓力限制裝置，所述壓力限制裝置包括致動(dòng)器組件和密封組件，所述致動(dòng)器組件能操作成與所述密封組件接合，從而防止所述密封組件相對(duì)于所述致動(dòng)器組件發(fā)生顯著的旋轉(zhuǎn)，并且迫使所述密封組件與安裝在所述壓力限制裝置中的管狀體密封接合，所述密封組件包括管狀密封套筒，所述密封套筒具有由非彈性體聚合物制成的徑向向內(nèi)部分以及由彈性體制成的徑向向外部分。
【專利說明】密封組件
[0001]本發(fā)明涉及一種在鉆井過程中繞鉆管進(jìn)行密封的方法和設(shè)備。
[0002]地下鉆探通常涉及使來自表面或者在位于管狀鉆柱遠(yuǎn)端處的下鉆電機(jī)上的鉆頭旋轉(zhuǎn)。地下鉆探涉及將流體通過該鉆頭向下泵送到管狀鉆柱的內(nèi)部，并且使該流體經(jīng)由孔/管狀體之間的鉆探空間(通常稱為環(huán)狀部)連續(xù)地流回到表面。鉆柱包括多段首尾相連的管狀接頭，這些接頭的各自的外徑取決于鉆孔的幾何形狀以及它們對(duì)井眼中動(dòng)壓的影響。
[0003]利用通常為容積式泵的泥漿泵將泥漿沿鉆柱向下泵送，泥漿泵的輸出端通過歧管與鉆柱相連。對(duì)于海底井眼而言，稱為提升器的管體從鉆臺(tái)延伸到井眼的頂部，井眼的頂部處于海平面下，位于海床上。所述管體為鉆柱和來自井眼的流體提供連續(xù)的通路。實(shí)際上，提升器使井眼從海床延伸到鉆塔，因而環(huán)狀部還包括位于鉆柱的外徑與提升器之間的環(huán)狀空間。
[0004]在通過使鉆頭從表面旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行鉆探的情況下，利用旋轉(zhuǎn)臺(tái)或使用安裝在鉆管頂部的地上電機(jī)(稱為頂部驅(qū)動(dòng))，來使整個(gè)鉆柱和鉆頭旋轉(zhuǎn)。也能與鉆柱無關(guān)地、借助鉆探流體動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的井下電機(jī)來使鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，所述井下電機(jī)與鉆柱集成為一體并且位于鉆頭的正上方。根據(jù)諸如切割器的設(shè)計(jì)和構(gòu)形之類的方面，鉆頭的種類有多種，并且它們的構(gòu)形設(shè)計(jì)也各異，而且基于正在鉆探的形成物類型來選擇鉆頭。
[0005]隨著鉆探的進(jìn)行，為了使鉆得更深，必須將新的管段連接到當(dāng)前的鉆柱。傳統(tǒng)上，這涉及完全切斷流體流通，因此隨著必須停止頂部驅(qū)動(dòng)而能夠?qū)⒐艿肋B接到位。
[0006]位于鉆管每段的端部處的大徑部被稱為鉆具接頭。在連接過程中，這些區(qū)域提供低應(yīng)力區(qū)域，鉆塔管道鉗或鐵鉆工能夠被放置在該區(qū)域處，以夾緊管道并施加力矩，從而進(jìn)行連接或斷開連接。
[0007]傳統(tǒng)上，井眼處于大氣壓力下，從而系統(tǒng)不存在表面施加壓力或者其它壓力。鉆管自由旋轉(zhuǎn)，而在表面處無需在鉆管上施加或作用任何密封件，這是因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)的操作中，無需轉(zhuǎn)移返回的流體流也無需在系統(tǒng)上施加壓力。
[0008]鉆頭鉆通穿過多層地下形成物，直到到達(dá)其期望目標(biāo)處，即巖石處，這些巖石在給定溫度和給定壓力下含有碳?xì)浠衔?。這些碳?xì)浠衔锶菁{在巖石的孔隙空間(即，空隙空間)內(nèi)，并能夠含有水、油和氣體成分，這被稱為儲(chǔ)層。在來自以上的巖石層的過大加載力的作用下，這些儲(chǔ)層流體以已知或未知的壓力(稱為孔隙壓力)被限制和捕獲在孔隙空間內(nèi)。這些儲(chǔ)層流體的無序流入在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，并被稱為成形涌流或激流。
[0009]利用被稱為BOP的防噴器來密封和控制井眼中的成形涌流在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，并且這些防噴器是用于陸基鉆塔和離岸鉆塔上的強(qiáng)制壓力安全設(shè)備。盡管陸基和海下BOP通常固定至位于井眼頂部的井欄上，但是離岸鉆塔上的BOP通常安裝在鉆臺(tái)下方，所述鉆臺(tái)集成在位于海床上的提升器內(nèi)。
[0010]在“環(huán)形Β0Ρ”中，元件繞鉆柱進(jìn)行密封，從而封閉了環(huán)狀部，并且阻止流體從井眼流出。這些元件通常包括大的柔性環(huán)狀橡膠或彈性體填料單元，所述大的柔性環(huán)狀橡膠或彈性體填料單元構(gòu)造成在被致動(dòng)時(shí)繞各種不同的鉆柱尺寸進(jìn)行密封，并且被設(shè)計(jì)成在鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中不被致動(dòng)，否則密封元件會(huì)因致動(dòng)而被快速磨損。使用加壓的液壓流體和活塞組件來提供閉合密封件所需的閉合壓力。這些在現(xiàn)有技術(shù)中也是公知的。
[0011]如在常規(guī)欠平衡鉆探方法的現(xiàn)有技術(shù)中的那樣，壓控鉆探和/或欠平衡鉆探利用附加的專門設(shè)備，這些專門設(shè)備被開發(fā)用來在所有時(shí)間都使井保持封閉，這是因?yàn)樵谶@些情形中井欄處的壓力不是大氣壓力。
[0012]然而，本發(fā)明旨在用于具有這樣的井的操作系統(tǒng)中，S卩，該井使鉆探流體在封閉回路系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。該封閉回路是由旋轉(zhuǎn)壓力限制裝置(RPCD)產(chǎn)生的，該旋轉(zhuǎn)壓力限制裝置在所有時(shí)刻都在工作面處繞鉆管形成壓力密封。該裝置可以是旋轉(zhuǎn)控制頭(RCD或RCH)、旋轉(zhuǎn)防噴器(RBOP)或鉆探壓力控制器(PCWD)。RPCD設(shè)計(jì)成允許鉆柱及其工具接頭以往復(fù)/下鉆或旋轉(zhuǎn)的方式通過，并且引導(dǎo)來自環(huán)狀部的返回鉆探流體轉(zhuǎn)到返回流動(dòng)線路。
[0013]隨著鉆探過程的進(jìn)行，并在RP⑶閉合的情況下，在井中產(chǎn)生背壓。鉆柱通過RP⑶的密封元件被下鉆或旋轉(zhuǎn)，該密封元件將環(huán)狀部與外部大氣隔離開，同時(shí)維持繞鉆柱進(jìn)行的壓力密封。RPCD是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，并且許多設(shè)計(jì)能夠購買到或者能夠容易由市場上的現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行改型并且在現(xiàn)有技術(shù)中是已公知的。
[0014]欠平衡鉆井(UBD)使得在鉆探和起鉆過程中混合的鉆探流體和儲(chǔ)層流體能流到表面，因而在RPCD的壓力密封件下方存在含有碳?xì)浠衔?、固體和鉆探流體的加壓環(huán)狀體。壓控鉆探(MPD)利用鉆探過程中作用在環(huán)狀體上的背壓以提供必要的當(dāng)量流體靜壓，從而防止形成的涌流進(jìn)入到井眼中。這兩種方法都導(dǎo)致在RPCD的密封件下方形成含有鉆探流體、和/或固體、和/或形成的流體的加壓環(huán)狀體。在任一情況下，密封元件都位于RPCD的外殼內(nèi)，所述密封元件與鉆管直接接觸，并為安全鉆探提供所需的環(huán)狀隔離和壓力完善性。
[0015]在離岸使用MPD或UBD操作時(shí)，復(fù)雜性會(huì)增加，而且特別是在水越深時(shí)，這些操作也變得越困難。從海床到鉆探平臺(tái)的提升器段成為井眼的延伸部，而被稱為海底BOP的井控制BOP位于海底上。在這些情況下的形成的壓力有可能極高，并且這些極端的欠平衡情形是期望的，這是因?yàn)樵谔嵘飨到y(tǒng)中存在形成的涌流時(shí)會(huì)帶來高風(fēng)險(xiǎn)。因此，離岸的MPD操作對(duì)于降低這些風(fēng)險(xiǎn)并且提高鉆探平臺(tái)的總體安全性變得更加重要。針對(duì)MPD的提升器密封方案可增強(qiáng)對(duì)提升器的壓力控制，并可通過排出/控制歧管安全地轉(zhuǎn)移所形成的涌流(如果發(fā)生涌流)。
[0016]存在一些當(dāng)前使用的提升器密封系統(tǒng)，但當(dāng)前使用的許多提升器存在缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致裝配成本高、配置時(shí)間長，而且運(yùn)行故障時(shí)進(jìn)行更換也要占用過長的非生產(chǎn)時(shí)間。也存在一些這樣的系統(tǒng)，其要求取下提升器的上段(例如滑配接頭)，這是因?yàn)檫@些部件不能承受MPD操作帶來的升高的壓力。安裝呈RCD、RBOP或PCWD形式的提升器密封組件，并且繼續(xù)使暴露的鉆柱與組件接合并向下延伸到提升器中的操作。對(duì)傳統(tǒng)的鉆探而言，從MPD類型的操作到非MH)類型的操作的轉(zhuǎn)換需要大量的時(shí)間來移除組件并安裝提升器上段。從一種操作恢復(fù)到另一種操作要花費(fèi)大量的成本。
[0017]存在另外的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能通過一個(gè)提升器組件來實(shí)現(xiàn)Mro操作和非Mro操作。盡管這些系統(tǒng)在降低提升器的裝配和拆卸操作的復(fù)雜性方面有所改進(jìn)，但是它們在工程設(shè)計(jì)和密封機(jī)構(gòu)方面仍有缺陷。
[0018]典型的RPCD包括彈性體或橡膠填料/密封元件以及軸承組件，該軸承組件允許密封元件隨著鉆柱旋轉(zhuǎn)。在鉆進(jìn)過程中，在鉆柱與密封元件之間不存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，僅僅是軸承組件呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的并且在US7699109、US7926560和US6129152中有詳細(xì)的描述。
[0019]設(shè)置有傳統(tǒng)的RPCD設(shè)計(jì)的壓力密封件是利用主動(dòng)和/或被動(dòng)方法來實(shí)現(xiàn)的。
[0020]被動(dòng)密封是通過在下方從井眼向密封元件的暴露于環(huán)狀部的下部施加壓力而實(shí)現(xiàn)的，這可使密封件向內(nèi)壓靠鉆管的外表面。被動(dòng)密封件在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，并且在美國專利7040394中被描述。
[0021]主動(dòng)密封件通常通過利用液壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、回路和囊(bladder)來實(shí)現(xiàn)的。液壓回路向RPCD提供流體，并且利用回路內(nèi)的高壓液壓泵向主動(dòng)密封裝置提供能量。用于致動(dòng)囊的壓力腔室優(yōu)選地被限定在旋轉(zhuǎn)的密封組件內(nèi)，并且旋轉(zhuǎn)的密封組件包括囊和軸承。旋轉(zhuǎn)的密封組件通常借助遠(yuǎn)程控制并由單個(gè)圓柱形鎖定活塞執(zhí)行而以液壓的方式固定在RP⑶外殼內(nèi)。主動(dòng)密封件現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，并且例如在專利號(hào)為US7380590和US7040394中被公開。
[0022]在密封元件失效或者需要更換的情況下，將密封組件松開，并且借助鉆臺(tái)絞車線路和/或工具接頭的組合通過利用鉆柱向上起鉆，而將旋轉(zhuǎn)的密封組件抬離RPCD，這樣就可更換軸承和/或元件。這一過程效率很低，而且耗費(fèi)時(shí)間，并需要操作人員下到鉆探平臺(tái)下方以手動(dòng)地松開旋轉(zhuǎn)頭中的密封組件和軸承。后來的設(shè)計(jì)(例如在W02011/093714中公開的)允許在內(nèi)部收回提升器，從而RPCD上方的提升器設(shè)備無需被移除。
[0023]因此重要的是對(duì)密封元件進(jìn)行配置和設(shè)計(jì)，使其能利用材料繞鉆管提供壓力密封，所述材料能承受RP⑶下方的嚴(yán)酷環(huán)境，并承受由以旋轉(zhuǎn)和/或豎直運(yùn)動(dòng)穿過所述元件的鉆管體以及較大直徑的工具接頭的軸向力引起的磨損和損壞。
[0024]RP⑶密封元件是固體的，其通常包括致密的柔性材料，例如彈性體，并且通常是位于外殼內(nèi)的單一元件構(gòu)造或雙重元件構(gòu)造。這樣使用的材料并不耐用，從而導(dǎo)致高的摩擦系數(shù)和低的抗磨損性。在提高密封組件的耐久性和壽命方面面臨著持續(xù)增長的挑戰(zhàn)。在美國專利4361185中更加詳細(xì)地描述了這樣的設(shè)計(jì)。
[0025]鉆管旋轉(zhuǎn)以及豎直運(yùn)動(dòng)對(duì)密封元件造成磨損，并且工具接頭以及較大OD管體的通過造成密封元件發(fā)生多次膨脹和收縮。更換需要停止鉆探操作，從而降低了井的性能，并且密封組件的更換頻率隨著井眼壓力、溫度、流體成分以及鉆進(jìn)過程中的下鉆/旋轉(zhuǎn)頻率而變化。因此，密封元件的壽命延長將會(huì)導(dǎo)致更加有效的操作并且增加鉆探平臺(tái)上的生產(chǎn)時(shí)間。元件設(shè)計(jì)中采用的彈性體材料的磨損/摩擦系數(shù)太高，從而極大地影響了它們的運(yùn)行壽命。在密封元件配置和設(shè)計(jì)中使用的材料成分/復(fù)合物方面，幾乎無技術(shù)進(jìn)步。
[0026]在SIEMWIS的RCD元件的另一更新近的設(shè)計(jì)中，在連續(xù)的密封元件組中采用了新的復(fù)合和熱塑性/彈性體材料。在管狀體-彈性體界面之間注入另外的浮動(dòng)液體油脂密封件，該密封件被稱為動(dòng)壓膜或浮動(dòng)油脂密封件，從而繞鉆管或管狀體提供潤滑和有效密封。結(jié)合油脂的井壓產(chǎn)生密封，同時(shí)潤滑元件，并且通過其構(gòu)造中的每個(gè)連續(xù)的元件組逐步降低井壓，而實(shí)現(xiàn)這一功能。該設(shè)計(jì)優(yōu)于當(dāng)前元件設(shè)計(jì)，因?yàn)槠鋵⒈粍?dòng)密封操作壽命在起鉆時(shí)延長了約10倍，而在旋轉(zhuǎn)時(shí)延長了約3至4倍。能夠詳細(xì)地參考專利申請W02009/017418AUW02008/133523A1 和 W02007/008085A1 來了解元件設(shè)計(jì)和密封機(jī)構(gòu)。
[0027]本發(fā)明的目的在于提供一種用于RPCD的密封組件，相對(duì)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)而言，該密封組件的壽命被增長。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于在管狀體周圍進(jìn)行密封的壓力限制裝置，所述壓力限制裝置包括致動(dòng)器組件和密封組件，所述致動(dòng)器組件能操作成與所述密封組件接合，從而防止所述密封組件相對(duì)于所述致動(dòng)器組件發(fā)生顯著的旋轉(zhuǎn)，并且迫使所述密封組件與安裝在所述壓力限制裝置中的管狀體密封接合，所述密封組件包括管狀密封套筒，所述密封套筒具有由非彈性體聚合物制成的徑向向內(nèi)部分以及由彈性體制成的徑向向外部分。
[0029]本發(fā)明提供一種具有非彈性體密封件的動(dòng)態(tài)/主動(dòng)的密封機(jī)構(gòu)，所述密封件對(duì)穿過密封元件的任何管狀OD進(jìn)行密封，并且是一種主動(dòng)的無軸承密封組件(即，在設(shè)計(jì)中無軸承組件)。由于所述密封套的所述徑向向內(nèi)部分采用非彈性體聚合物，因此可以改善所述密封組件的抗磨損性能，并且可以降低所述密封組件與所述管狀體之間的摩擦力。
[0030]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述致動(dòng)器組件包括環(huán)狀填料單元和致動(dòng)器，所述致動(dòng)器能操作成減小所述環(huán)狀填料單元的內(nèi)徑。
[0031]在此情況下，有利的是，所述密封套筒在使用中大體上定位在所述環(huán)狀填料單元的中央，從而所述環(huán)狀填料單元包圍所述密封套筒的至少一部分。
[0032]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述致動(dòng)器包括活塞，通過向所述壓力限制裝置供應(yīng)加壓流體，能夠使該活塞大體上平行于所述壓力限制裝置的縱向軸線運(yùn)動(dòng)。
[0033]所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分由以下之一制成:聚四氟乙烯(PTFE)或Teflon?、PTFE基的聚合物、超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)。
[0034]所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分含有添加劑或填充劑。這些添加劑或填充劑可以包括玻璃纖維、二硫化鑰、二硫化鎢和石墨中的至少一種。通過使用這樣的添加劑或填充劑，可以提高所述密封套筒的抗磨損和/或熱傳導(dǎo)性。
[0035]所述密封套的所述徑向向外部分由以下之一制成:聚安酯；以及氫化丁腈橡膠。
[0036]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分包括多個(gè)孔。在此情況下，所述密封套筒的所述徑向向外部分的多個(gè)部分延伸入所述徑向向內(nèi)部分的那些孔中。
[0037]通過使所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分采用工程設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)(例如，采用交叉線、蜂窩或網(wǎng)格模式)，所述密封套筒可以具有必要的柔性以及將滿足所述工具接頭和鉆管體的外徑區(qū)域無損傷地通過而產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變比所需的強(qiáng)度。
[0038]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述壓力限制裝置還包括第二致動(dòng)器組件和第二密封組件，所述第二致動(dòng)器組件能操作成與所述第二密封組件接合，從而防止所述第二密封組件相對(duì)于所述第二致動(dòng)器組件發(fā)生顯著的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且迫使所述第二密封組件與安裝在所述壓力限制裝置中的管狀體密封接合，所述第二密封組件還包括管狀密封套筒，該管狀密封套筒具有非彈性體聚合物制成的徑向向內(nèi)部分以及由彈性體制成的徑向向外部分。在此情況下，所述壓力限制裝置還可包括用于將潤滑流體引導(dǎo)至所述管狀體周圍的、位于所述第一密封組件和所述第二密封組件之間的區(qū)域的裝置。
[0039]本發(fā)明因此能采用簡單的、廉價(jià)的流體(諸如但不限于鉆探流體)來潤滑本發(fā)明的所述管狀體和密封面之間的接觸區(qū)域。
[0040]所述壓力限制裝置可以是防噴器。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種限制井眼中的壓力的方法，管狀體延伸到所述井眼中，所述方法包括:繞所述管狀體安裝壓力限制裝置，所述壓力限制裝置包括致動(dòng)器組件和密封組件，所述密封組件包括管狀密封套筒，該密封套筒具有由非彈性體聚合物制成的徑向向內(nèi)部分以及由彈性體制成的徑向向外部分，其中，所述方法包括操作所述致動(dòng)器組件使其與所述密封組件接合，從而防止所述密封組件相對(duì)于所述致動(dòng)器組件發(fā)生顯著的旋轉(zhuǎn)，并且迫使所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分與所述管狀體密封接合。
[0042]操作所述致動(dòng)器組件的步驟可包括向所述壓力限制裝置供應(yīng)加壓流體。
[0043]該方法還可包括通過改變向所述致動(dòng)器組件供應(yīng)的流體的壓力而改變由所述密封套筒施加在所述管狀體上的力。
[0044]本發(fā)明因而提供一種用于通過調(diào)節(jié)主動(dòng)/動(dòng)態(tài)密封件的液壓壓力來改變密封元件-管狀體界面接觸區(qū)域的方法。
[0045]有利的是，本發(fā)明提供過必要的環(huán)形間隙，使得在不施加向密封機(jī)構(gòu)供給能量的液壓回路壓力時(shí)，管狀體或鉆管工具接頭能漂移。換言之，當(dāng)不將致動(dòng)器組件操作成迫使密封組件與管狀體接合時(shí)，密封套筒將松弛/收回，以允許鉆管工具接頭通過，而不在工具接頭與密封套筒之間發(fā)生任何接觸。與較大的管狀輪廓形可以有極小的接觸，也可以沒有接觸，但是，在不致動(dòng)密封組件的情況下，接觸壓力會(huì)較小，從而不會(huì)帶來損壞。
[0046]本發(fā)明可以需要/可以不需要小的液體/流體膜來實(shí)現(xiàn)有效的壓力密封和潤滑。非彈性體聚合物將產(chǎn)生足夠小的摩擦因子，因此可能需要/可能不需要浮動(dòng)流體密封或動(dòng)壓密封。
[0047]以下將參照附圖僅通過示例來描述本發(fā)明的實(shí)施方式:
[0048]圖1為根據(jù)本發(fā)明的通過旋轉(zhuǎn)壓力限制裝置(RP⑶)的外殼和致動(dòng)部的縱向截面圖；
[0049]圖2為通過根據(jù)本發(fā)明的RP⑶(包括密封組件)的縱向截面圖；
[0050]圖3為圖1和圖2所示的RP⑶的側(cè)視立體圖；
[0051]圖4為通過圖1所示的RP⑶的截面的標(biāo)記有X的部分的細(xì)節(jié)圖；
[0052]圖5為圖1中的標(biāo)記有Y的部分的細(xì)節(jié)圖；
[0053]圖6為通過圖2所示的密封組件的截面的立體圖；
[0054]圖7示出了作用在圖1、圖2和圖3所示的RPCD的各種不同部件上的力的示意圖；
[0055]圖8示出了圖2和圖6所示的密封組件中采用的聚合物密封元件的實(shí)施例，該圖包括:a)立體圖；b)側(cè)視圖；以及c)縱向截面圖。
[0056]現(xiàn)在參照圖1，其示出了 RP⑶10，在本實(shí)施例中，該RP⑶10包括三個(gè)壓力限制裝置12a、12b、12c的堆疊件。在本實(shí)施例中，每個(gè)壓力限制裝置都是環(huán)形Β0Ρ，其內(nèi)部工作部件基于US2，609, 836中闡述的原始Shaffer環(huán)形BOP設(shè)計(jì)。然而，應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限于這種BOP的內(nèi)部工作部件，因而可應(yīng)用于BOP的任何其他設(shè)計(jì)或者實(shí)際上應(yīng)用于壓力限制裝置的其它構(gòu)造。還應(yīng)理解的是，在本實(shí)施例中，堆疊件中的每個(gè)B0P12a、12b、12c大體上是彼此相同的，從而為了清楚起見，下文中采用的附圖標(biāo)記在附圖中僅示出為與RCPDlO中的最上面的B0P12a相關(guān)。但是，B0P12a、12b、12c都包括相同的部件。當(dāng)然，B0P12a、12b、12c的構(gòu)造并不一定都是相同的，而且RCPDlO可包括三個(gè)以上或三個(gè)以下的BOP。
[0057]應(yīng)理解的是，根據(jù)本發(fā)明的RPCDlO可用來繞任何液體和/或氣體攜帶井眼內(nèi)的管狀體進(jìn)行密封，并且可安裝在任何的海底BOP提升器構(gòu)造內(nèi)或者安裝在陸基BOP內(nèi)，以進(jìn)行安裝、船上或陸上操作。
[0058]每個(gè)B0P12a、12b、12c都包括外殼14，該外殼被分為第一部分14a和第二部分14b，所述第一部分14a和第二部分14b利用多個(gè)緊固件16而緊固在一起。盡管可采用傳統(tǒng)的螺栓和螺母連接方式，但是在本實(shí)施例中，采用的是大的半圓頭螺釘或螺栓。如圖3最佳示出的那樣，每個(gè)外殼部分14a、14b的外表面通常都是圓柱形的。然而，第一外殼部分14a設(shè)有肩部14c，該肩部大體上垂直于B0P12a、12b、12c的縱向軸線A而在大外徑部和小外徑部之間延伸，該大外徑部位于小外徑部與外殼14的第二部分14b之間。外殼14的第二部分14b的外徑與外殼14的第一部分14a的大外徑部的外徑近似相等。
[0059]在外殼14中設(shè)有多個(gè)大體上呈圓柱形的緊固件接納通道(“螺栓孔”)，在本發(fā)明的本實(shí)施方式中，這些緊固件接納通道大體上平行于B0P12a的縱向軸線A延伸，從肩部14c開始，通過外殼14的第一部分14a的大外徑部，延伸到外殼14的第二部分14b的外壁28內(nèi)。優(yōu)選的是，每個(gè)螺栓孔的位于外殼14的第二部分14b內(nèi)的部分都具有螺紋，這樣，通過將螺栓16穿過這些螺栓孔中的每個(gè)螺栓孔，使每個(gè)螺栓16的螺紋桿部與螺栓孔內(nèi)具有螺紋的部分接合且螺栓16的頭部與肩部14c接合，從而可將外殼14的兩個(gè)部分14a和14b固定在一起。
[0060]為了確保外殼14基本上不滲透流體，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，在外殼14的第一部分14a和第二部分14b之間設(shè)置有密封裝置。該密封裝置可包括O形環(huán)或類似物，所述O形環(huán)或類似物位于外殼14的兩個(gè)部分14a、14b的、大體上垂直于B0P12a的縱向軸線延伸的相鄰端面之間。這意味著，在旋緊螺栓16的情況下，該密封裝置壓緊在外殼14的兩個(gè)部分14a、14b之間。這有可能導(dǎo)致密封裝置的損壞。這樣，在圖1和圖2所示的實(shí)施例中，該密封裝置包括密封環(huán)32，該密封環(huán)與外殼14的內(nèi)表面接合，從而在第一部分14a和第二部分14b之間延伸。通過將密封裝置布置在該位置，在旋緊螺栓16時(shí)，該密封裝置將不受到來自螺栓16的載荷。
[0061]除了螺栓孔之外，還設(shè)有其他的通道(流體流動(dòng)通道)，這些通道大體上平行于BOP12a的縱向軸線A而延伸通過外殼14的第一部分14a的大外徑部和外殼14的第二部分14b的外壁28中的一者或全部。這些通道形成為用于將諸如潤滑劑或鉆探泥漿清除流體之類的流體引導(dǎo)至外殼14內(nèi)的選定位置的管道。圖1和圖2示出了這樣一種流體流動(dòng)通道44，該通道44的位于第一外殼部分14a的大外徑部內(nèi)的上端通過另一個(gè)斜向延伸的通道46連接至外殼14的位于環(huán)狀填料元件18之上的內(nèi)部。為了在外殼14內(nèi)容納流體流動(dòng)通道44和螺栓孔，同時(shí)使B0P12a的外徑最小，將流體流動(dòng)通道散布在螺栓孔之間。在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，流體流動(dòng)通道和螺栓孔繞外殼14排列為大致圓形陣列，其中每個(gè)通道和螺栓孔的縱向軸線距RPCDlO的縱向軸線大致相等的距離。
[0062]在圖中所示的實(shí)施例中，具有45個(gè)如上所述延伸穿過外殼14的縱向通道,其中有30個(gè)螺栓孔，15個(gè)流體流動(dòng)通道44。這些通道布置成始終有兩個(gè)緊鄰的螺栓孔，每對(duì)螺栓孔由一個(gè)液體通道44分隔開。這最佳地在圖3中示出。
[0063]在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，具有48個(gè)縱向通道，其中有36個(gè)螺栓孔和12個(gè)流體流動(dòng)通道，同樣，這些通道以RP⑶10的縱向軸線A為中心大致布置成圓形陣列。在該實(shí)施方式中，優(yōu)選的是，在相鄰的流體流動(dòng)通道之間具有三個(gè)螺栓孔。盡管在附圖所示的本發(fā)明的實(shí)施方式中，螺栓孔和流體流動(dòng)通道44的縱向軸線繞外殼14大致均勻地間隔開，但是這不是必須的。期望的是，繞每個(gè)螺栓孔都提供更多的空間，以例如容納設(shè)置在螺栓孔內(nèi)的緊固件的頭部和/或以提供足夠的空間來使用工具以旋緊緊固件。此外，還可能期望的是增大每個(gè)螺栓孔相對(duì)于流體流動(dòng)通道44的直徑，以便容納較大直徑的螺栓。
[0064]環(huán)狀填料元件18被收納在外殼14的第一部分14a內(nèi)，液壓致動(dòng)活塞20被收納在外殼14的第二部分14b內(nèi)。在外殼14的第一部分14a和第二部分14b內(nèi)分別設(shè)有圓形的軸向端口 22、24，外殼14的第一部分14a包括加大的圓柱形孔26，該圓柱形孔26包括曲形凸輪表面，優(yōu)選為半圓形凸輪表面，該凸輪表面從端口 22處延伸到外殼14的第二部分14b。
[0065]外殼14的第二部分14b包括大致呈圓柱形外壁28以及與其大致同軸的圓柱形內(nèi)壁30，該外壁和內(nèi)壁通過基部31相連?；钊?0位于外壁28與內(nèi)壁30之間的環(huán)狀空間內(nèi)，密封裝置(諸如一個(gè)或多個(gè)O形環(huán))設(shè)置在活塞20與外壁28與內(nèi)壁30中的每一個(gè)之間，這樣，活塞20將該環(huán)形空間分為兩個(gè)腔室，并基本上防止了活塞20周圍的流體從一個(gè)腔室泄露到另一個(gè)腔室。
[0066]在本實(shí)施例中，活塞20具有大體圓柱狀主體20a，該主體與內(nèi)壁30接合，或者十分靠近該內(nèi)壁30，但是與外壁28間隔開。在活塞20的最下端(離填料元件18最遠(yuǎn)的端部)處設(shè)有在外壁28和內(nèi)壁30之間延伸的密封部20b，從而在密封部20b與外壁28和內(nèi)壁30兩者之間都設(shè)有密封裝置。密封環(huán)32也與活塞20的最上端(最靠近填料元件18的端部)密封接合。從而在外壁28、內(nèi)壁30、基部31與活塞20的密封部20b之間形成第一流體防滲腔室34，并且在外壁28、密封裝置32和活塞20的密封部20b與主體20a之間形成第二流體防滲腔室36。
[0067]活塞20能夠在靜止位置與活動(dòng)位置之間運(yùn)動(dòng)，在所述靜止位置，第一腔室34的容積最小，在所述活動(dòng)位置，活塞20的最上端延伸到外殼14的第一部分14a內(nèi)。
[0068]第一控制通道(未示出)設(shè)置成穿過外殼14的第二部分14b，從而將第一腔室34與外殼14的外部連通，并且第二控制通道(未示出)設(shè)置成穿過外殼14的第二部分14b，從而將第二腔室36與外殼14的外部連通。通過穿過第一通道供應(yīng)加壓流體，可使活塞20朝向填料元件18運(yùn)動(dòng)到活動(dòng)位置，并且通過穿過第二通道供應(yīng)加壓流體，可使活塞20遠(yuǎn)離填料元件18運(yùn)動(dòng)到靜止位置。有利的是，這些控制通道中的每一個(gè)控制通道的至少大部分是上述流體流動(dòng)通道中的一個(gè)流體流動(dòng)通道。
[0069]活塞20設(shè)置成在其處于靜止位置時(shí)，不向填料元件18施加任何力，而在其處于活動(dòng)位置時(shí)，將填料元件18推靠在凸輪表面上。填料元件18由通常為聚安酯或者氫化丁腈橡膠的彈性體材料制成，并且可以包括金屬嵌件或肋，以有助于維持其結(jié)構(gòu)完整性?；钊?0抵靠凸輪表面向填料元件18施力的動(dòng)作使得填料元件18被擠壓，并且使其象括約肌一樣收縮，從而減小了該填料元件的中央孔的直徑。
[0070]在本實(shí)施例中，RPCDlO包括三個(gè)B0P12a、12b、12c，這三個(gè)BOP繞單一縱向軸線A同軸地對(duì)準(zhǔn)。上面的B0P12a的外殼14的第二部分14b與中間的B0P12b的外殼的第一部分一體地形成(從而形成第一組合外殼部38)，而且中間的BIP12b的外殼的第二部分與下面的B0P12C的外殼的第一部分一體地形成(從而形成第二組合外殼部40)。每個(gè)B0P12a、12b、12c的外殼從而形成沿著RP⑶10的縱向軸線A延伸的連續(xù)中央通道。在使用時(shí)，RP⑶10可安裝在提升器內(nèi)，其中通過常規(guī)手段將最上面的B0P12a的外殼14的第一部分14a固定至提升器48的上部，并且通過常規(guī)手段將最下面的B0P12C的外殼的第二部分14b固定至提升器(未示出)的下部。
[0071]應(yīng)理解的是，外殼部的這一整體構(gòu)成意味著在組合外殼部38、40的外表面內(nèi)存在兩個(gè)肩部，其中第一個(gè)肩部大體上垂直于RP⑶10的縱向軸線A在上B0P12a、12b的第二部分14b與下B0P12b、12c的第一部分14a的小徑部之間延伸，而其中第二個(gè)肩部大體上垂直于RP⑶10的縱向軸線A在小徑部與下B0P12b、12c的第一部分14a的大徑部之間延伸。
[0072]用于將第一組合外殼部38連接至第二組合外殼部40的螺栓孔從第一組合外殼部38中的第二肩部延伸至中間B0P12b的第二外殼部的外壁內(nèi)。用于將第二組合外殼部40連接至最下面B0P12C的第二外殼部的螺栓孔從第二組合外殼部40中的第二肩部延伸至最下面B0P12C的第二外殼部的外壁內(nèi)。螺栓16的頭部從而與組合外殼部38和40中的每個(gè)組合外殼部上的第二肩部接合。
[0073]為了使液壓通道44沿著RP⑶10的整個(gè)長度延伸，而設(shè)置液壓連接器管道52。最上面B0P12a的外殼14內(nèi)的每個(gè)液壓通道44都延伸通到第一組合外殼部38的第一肩部，在該第一肩部處，液壓通道44與第一液壓連接器管道52結(jié)合。第一液壓連接器管道52延伸穿過設(shè)置在中間B0P12b的外殼的第一部分內(nèi)的液壓通道，在該液壓通道處，該第一液壓連接器管道52與中間B0P12b的外殼的第二部分中的液壓通道相連。液壓通道然后在第二組合外殼部40的第一肩部處穿出，在該第一肩部處，液壓通道與第二液壓連接器管道54結(jié)合。第二液壓連接器管道54延伸穿過設(shè)置在最下面B0P12C的外殼的第一部分內(nèi)的液壓通道，在該液壓通道處，該第二液壓連接器管道54與最下面B0P12C的外殼的第一部分中的液壓通道相連。如圖6中最佳所示的，液壓通道然后從最下面B0P12C的外殼14的最下方橫向表面穿出。
[0074]從而，至RP⑶10內(nèi)部的所有外部液壓連接都可通過RP⑶10的最下方橫向表面實(shí)現(xiàn)，這樣就確保了這些液壓連接無需增加RP⑶10的外徑。
[0075]液壓連接器管道52借助包括諸如O形環(huán)的密封件的托架與外殼14密封，而且一旦BOP堆疊件被組裝完成，則這些液壓連接器管道52就保持為被約束的狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，將每根液壓連接器管道52插入穿過中間B0P12b的外殼的第一部分中的液體通道，并且使其在第一組合外殼部38中的第一肩部處與最上面B0P12a的外殼14的第二部分14b中的液壓通道密封接合。于是第一組合外殼部38可被栓接至第二組合外殼部40。類似地，將每根第二液壓連接器管道54插入穿過最下面B0P12C的外殼的第一部分中的液壓通道，并且使其在第二組合外殼部40中的第一肩部50處與中間B0P12b的外殼的第二部分中的液壓管道密封接合。于是第二組合外殼部40可被栓接至最下面B0P12C的第二外殼部分。
[0076]現(xiàn)在參照圖2，該圖2示出了 RP⑶10，該RP⑶10具有位于其中央通道內(nèi)的密封組件42。在圖6中被詳細(xì)地示出的該密封組件42包括由三個(gè)部分構(gòu)成的支撐框架60，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，這三個(gè)部分由鋼制成。在密封組件42處于使用狀態(tài)時(shí)，第一部分60a位于最上方，如圖2所示該第一部分安裝在RP⑶10內(nèi)并且包括具有唇邊的環(huán)形箍，該唇邊從箍的最下端徑向向內(nèi)延伸，并且該唇邊與RPCDlO的縱向軸線A呈大約45度的角度朝向密封組件的最下端傾斜。該傾斜的唇邊在其徑向向內(nèi)的邊緣處具有邊緣部，該邊緣部具有位于大致正交于RPCDlO的縱向軸線A的平面內(nèi)的表面，并且該表面面向支撐框架60的第二部分60b。
[0077]第二部分60b位于第一部分60a下方，并且包括截面大致為圓形的管狀壁，該管狀壁在其最上端和最下端處具有徑向向內(nèi)延伸的唇邊。這兩個(gè)唇邊均與RP⑶10的縱向軸線A呈約45度的角度遠(yuǎn)離管狀壁傾斜。最上面的唇邊因此朝向支撐框架的第一部分60a傾斜，而最下面的唇邊朝向支撐框架60的位于最下方的第三部分60c傾斜。位于第二部分60b的最上端和最下端處的這些傾斜唇邊在它們的徑向向內(nèi)的邊緣處具有邊緣部，該邊緣部具有位于大致正交于RPCDlO的縱向軸線A的平面內(nèi)的表面，并且該表面分別面向支撐框架60的第一部分60b和支撐框架60的第三部分60c。
[0078]支撐框架60的最下面的部分60c也包括橫截面大致為圓形的管狀壁，該管狀壁在其最上端處具有徑向向內(nèi)延伸的唇邊。該唇邊也與RP⑶10的縱向軸線A呈約45度的角度遠(yuǎn)離管狀壁傾斜，并且朝向支撐框架60的第二部分60b傾斜。該傾斜唇邊在其徑向向內(nèi)的邊緣處也具有邊緣部，該邊緣部具有位于大致正交于RPCDlO的縱向軸線A的平面內(nèi)的表面，并且該表面面向支撐框架60的第二部分60b。
[0079]在支撐框架60的第一部分與第二部分之間定位有在本發(fā)明的該實(shí)施方式中包括密封填料元件64的密封套筒以及包括第一密封元件66和第二密封元件68的密封件。密封填料元件64和密封元件66、68 —起形成橫截面大致為圓形的管件。密封填料元件64形成該管件的徑向最外表面，第二密封元件68形成該管件的徑向最內(nèi)表面，而第一密封件元66位于密封填料元件64和第二密封元件68 二者之間。密封填料元件64的長度從其徑向最內(nèi)部分向其徑向最外部分增加，而密封元件66、68比密封填料元件64的徑向最內(nèi)部分稍短。密封填料元件64的端部從而與支撐框架的第一部分和第二部分的相鄰的唇邊的傾斜表面接合，密封元件66、68位于在邊緣部之間。
[0080]在支撐框架60的第二部分和第三部分之間設(shè)有大體相同的密封件。
[0081]設(shè)有四個(gè)組裝卡具62以將支撐框架連接至密封件，第一組裝卡具62a將支撐框架60的第一部分60a連接至最上面的密封件的最上端，第二組裝卡具62b將支撐框架60的第二部分60b的最上端連接至最上面的密封件的最下端,第三組裝卡具62c將支撐框架60的第二部分60b的最下端連接至最下面的密封件的最上端,第四組裝卡具62d將支撐框架60的第三部分60c連接至最下面的密封件的最下端。
[0082]在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，每個(gè)組裝卡具62都是具有C形橫截面的環(huán)。卡具62的第一部分位于相應(yīng)的支撐框架60部分的徑向最外表面內(nèi)的周向凹槽中，而卡具62的第二部分位于相應(yīng)的密封填料兀件64的徑向最外表面內(nèi)的周向凹槽中，卡具62因而橫跨支撐框架60與密封件之間的結(jié)合部。
[0083]如圖2所示，密封組件42位于RP⑶10的中央孔內(nèi)，其中最上面的密封件與最上面的B0P12a的填料元件18相鄰，且最下面的密封件與中間B0P12b的填料元件18相鄰，支撐框架60的第一部分與最上面的B0P12a的外殼14的第一部分14a接合，支撐框架60的第二部分與第一組合外殼部38接合，且支撐框架60的第三部分與第二組合外殼部40接合。
[0084]當(dāng)最上面的B0P12a與中間的B0P12b的活塞20運(yùn)動(dòng)到活動(dòng)位置時(shí)，填料元件18繞密封填料兀件64的徑向最外表面被壓縮,并與密封填料兀件64的該徑向最外表面接合。這使得密封件被擠壓，并且當(dāng)在RPCDlO中存在諸如鉆柱的管狀體時(shí)，使得每個(gè)密封件象括約肌一樣壓緊在鉆柱周圍。
[0085]隨著由活塞20施加在填料元件18上的力增大，密封件與鉆柱之間的接觸區(qū)域(密封區(qū)域)也增大。用于每個(gè)B0P12a、12b的密封區(qū)域從而與第一腔室34內(nèi)的液壓流體的壓力成比例。該液壓流體的壓力也與密封件和鉆柱之間產(chǎn)生的接觸力成比例，從而施加到活塞20的流體壓力能一直增加，直到該接觸力大得足以克服由井眼內(nèi)的加壓流體施加的力為止。因此，當(dāng)如上所述將RPCDlO安裝在提升機(jī)內(nèi)時(shí)，活塞20能夠被供應(yīng)能量，使得密封件與鉆柱的接合、填料元件18與密封件的接合以及填料元件18與外殼14的接合能夠基本防止流體沿著BOP的外殼14與鉆柱之間的環(huán)狀空間流動(dòng)。井眼中的流體的壓力將在密封組件上施加力，從而趨于將密封件與鉆柱分離并且將填料元件18與密封件分離，但是，如果由活塞20施加的徑向指向內(nèi)的力足夠大以克服井眼中的流體的壓力將在密封組件上施加力，則提升器的環(huán)狀空間將借助最上面的B0P12a或中間的B0P12b的活塞18向活動(dòng)位置的運(yùn)動(dòng)被封閉。
[0086]圖7中示意性地示出了在使用時(shí)作用在RPCDlO內(nèi)的各種力，以在鉆探或起鉆過程中在鉆柱70周圍進(jìn)行密封。在鉆探或起下鉆過程中，鉆柱70被向下穿過RPCDlO下鉆或旋轉(zhuǎn)。箭頭B示出了該運(yùn)動(dòng)，并且由此引起的向下擠壓力由圖7中的箭頭C所示作用在鉆柱上。由于第一腔室34中的液壓流體壓力，而使每個(gè)活塞20和填料單元18的組合在密封件上施加徑向向內(nèi)的力E。
[0087]井眼中的流體壓力在密封組件上產(chǎn)生向上的力F，并且這導(dǎo)致有徑向向外的力D作用在密封件上，該力趨向于推動(dòng)密封組件使其與鉆柱70脫離接合。如果腔室34中的液壓壓力足夠高而使得力E大于力D，則如上所述在密封組件與鉆柱70之間形成有效的密封。隨著鉆管工具接頭進(jìn)入密封組件42，鉆柱外徑的相對(duì)增加引起了附加的擠壓力C，并增加了作用在密封件上的徑向向外的力D。該力必須由填料單元18和活塞20施加在密封件上的力E加以平衡。
[0088]上述主動(dòng)密封方法允許對(duì)鉆柱上的密封元件的接觸壓力進(jìn)行直接控制。密封組件抵靠在鉆柱上的接觸壓力決定了井眼的壓力密封性能，但是也同時(shí)決定了密封件本身的磨損速度。該接觸壓力可被選擇，以通過針對(duì)當(dāng)時(shí)狀況維持最優(yōu)的接觸壓力而盡可能延長密封件的壽命。因此，例如，如果井眼壓力相對(duì)較低，則能夠降低腔室34中的液壓壓力，從而降低密封件的磨損，但是，如果井眼壓力增大，則能夠增加腔室34中的液壓壓力，從而確保井眼中的流體被容納在RP⑶10內(nèi)。
[0089]在本實(shí)施方式中，密封組件42沒有延伸到RP⑶10中的最下面B0P12c內(nèi)，因此，當(dāng)如上所述通過活塞20的運(yùn)動(dòng)致動(dòng)時(shí)，最下面BOP的填料元件18就密封在鉆柱的周圍，而不需要中間密封件。這樣，從技術(shù)上講，最下面的B0P12C并不是RP⑶10的一部分，這是因?yàn)?，其并非被設(shè)計(jì)成用來封閉鉆柱周圍從而在鉆柱旋轉(zhuǎn)的同時(shí)提供壓力限制。然而，最下面的B0P12C在另外兩個(gè)B0P12a、12b發(fā)生故障或發(fā)生泄漏時(shí)可用作安全閉合裝置。
[0090]當(dāng)密封組件42中的密封元件66、68被磨損時(shí)，能從RP⑶10取出密封組件42，并用新的密封組件加以更換，而最下面的BOP仍在環(huán)狀空間內(nèi)保持壓力。還應(yīng)注意的是，在BOP堆疊件的中央孔中無鉆柱或無任何其他部件的情況下，也至少能致動(dòng)最下面B0P12C內(nèi)的填料元件18，以完全封閉RP⑶10的中央孔。對(duì)于其他兩個(gè)B0P12a、12b而言也是這樣，不過在正常使用中，它們無需采取相同的操作，這是因?yàn)槊芊饨M件42通常位于合適的位置。
[0091]如上所討論的，在鉆探過程中，延伸穿過RP⑶10的鉆柱可相對(duì)于RP⑶10旋轉(zhuǎn)，并且例如在起鉆或下鉆的過程中，或者在鉆柱懸置在浮動(dòng)的鉆塔上時(shí)由于鉆塔隨著海洋的浪涌的運(yùn)動(dòng)，鉆柱也會(huì)存在大致平行于RP⑶10的縱向軸線A的平移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)如上所述推動(dòng)密封件使其與鉆柱接合時(shí)，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在密封件與鉆柱之間產(chǎn)生摩擦力并且從而導(dǎo)致密封件的磨損。應(yīng)選擇構(gòu)造密封兀件66、68的材料，以降低由于密封兀件66、68與鉆柱之間的摩擦力而帶來的密封件的磨損和加熱效應(yīng)。
[0092]具體地，在一個(gè)實(shí)施方式中，與鉆柱接觸的第二密封元件68選用聚合物材料，以提供這樣的性能并同時(shí)具有機(jī)械整體性以提供有效的密封。聚合物密封元件68可由聚四氟乙烯(PTFE)或Teflon?、PTFE基聚合物或超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)制成。聚合物密封件68中可包含諸如玻璃纖維、二硫化鑰和/或二硫化鎢的添加劑或填充劑，以降低摩擦系數(shù)并且提高密封件的抗磨損性能，從而延長密封組件42的運(yùn)行壽命。而且，為了促進(jìn)聚合物密封元件68與鉆柱之間的摩擦產(chǎn)生的熱遠(yuǎn)離接觸面?zhèn)鲗?dǎo)(為了降低密封件的熱退化)，聚合物密封元件68還可包括導(dǎo)熱的填充劑，該填充劑例如為金屬纖維或顆粒或石墨纖維或顆粒。
[0093]為了使密封件具有必要的彈性以使其在釋放了來自相鄰B0P12a、12b的填料元件18的壓力之后能與鉆柱的脫離接合，在該實(shí)施例中，還設(shè)有另一密封元件，S卩，第一密封元件66，該第一密封元件66由彈性體材料制成。該彈性體密封件66和密封填料元件64可由聚安酯或氫化丁腈橡膠制成。
[0094]盡管彈性體密封元件66和聚合物密封元件68可制成為分離的管件并且可設(shè)置成彼此機(jī)械接合，但是它們可共同模制成單個(gè)部分。在密封件的一個(gè)實(shí)施方式中，聚合物密封件68包括多個(gè)孔(優(yōu)選為徑向延伸的孔)，而彈性體密封元件66 (可以與彈性體密封填料元件64 —起)被鑄造或模制到聚合物密封件68上，從而彈性體延伸入并優(yōu)選地基本充滿這些孔。聚合體密封元件68可以具有交叉線形、網(wǎng)格形或蜂窩形結(jié)構(gòu)。
[0095]以這樣的方式制造密封件66、68會(huì)是有利的，其原因有三個(gè)。首先，孔的設(shè)置會(huì)增加聚合物密封元件的柔性，并使得在致動(dòng)活塞20時(shí)，聚合物密封元件68產(chǎn)生充分的彈性變形以與鉆柱完全接合，而在活塞20上的壓力被解除時(shí)，即在密封組件沒有被供給能量時(shí)，密封元件68也能回彈到其原始形狀，從而確保密封組件不接觸鉆柱或鉆管的相鄰段之間的工具接頭。這些孔還有助于確保彈性體密封元件66與聚合物密封元件之間的可靠連接。最后，這些孔即使被填充有彈性體材料它們也會(huì)產(chǎn)生容納部，在密封組件受力/受壓時(shí)，這些容納部能形成用于潤滑流體的儲(chǔ)器，這樣就更有助于減小摩擦力并降低密封組件42的磨損。
[0096]用彈性體材料填充孔有助于維持密封體在受壓時(shí)的結(jié)構(gòu)整體性，S卩，有助于防止密封件在壓力下被損壞。
[0097]通過改變彈性體成分和聚合物成分的相對(duì)比例，例如，通過增加其中一種成分相對(duì)于另一成分的厚度，或通過增加由聚合物密封元件68中的孔所占據(jù)的體積比，可改變密封組件中密封件的彈性、屈服強(qiáng)度以及可壓縮性。增加密封件的彈性，通過允許較大外徑的工具接頭(相對(duì)于鉆管體的外徑而言)穿過密封組件而在密封件不被供給能量時(shí)也不與密封件接觸，使得更加容易地使較大外徑的管體運(yùn)行或穿過密封組件。然而，應(yīng)理解的是，密封件不能太柔軟，否則就不能在不被損壞的情況下承受其在使用中會(huì)受到的壓力，因此，屈服強(qiáng)度以及可壓縮性必須維持在足夠的水平。
[0098]圖7中示出了聚合物密封元件68的一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，密封元件68大致為具有蜂窩網(wǎng)格壁結(jié)構(gòu)68a的圓柱形管體。如圖7c所示，蜂窩網(wǎng)格壁結(jié)構(gòu)中的孔大致垂直于密封元件68的縱向軸線X而從密封元件68的徑向向外表面向徑向向內(nèi)表面延伸。密封元件68優(yōu)選地通過加工聚合物的圓柱形棒而形成。[0099]在密封組件42的該實(shí)施方式中，所述兩個(gè)管狀壁設(shè)有一列大致平行于RPCDlO的縱向軸線A延伸的槽。穿過外殼14設(shè)有液壓端口(未示出)，這些端口將這些槽與外殼14的外部連通，從而在使用過程中，潤滑劑可通過這些端口流入密封組件42的位于該密封組件42的兩個(gè)密封件之間且位于密封組件42的最下方密封件以及RPCDlO的最下方密封填料元件18之間的中央孔內(nèi)。應(yīng)理解的是，在鉆柱被封閉時(shí)，通過向這些區(qū)域提供潤滑油，可有助于進(jìn)一步降低密封元件66、68/填料元件18與鉆柱之間的摩擦力。
[0100]在聚合物密封元件68與鉆柱之間還可以設(shè)置浮動(dòng)的流體密封件或動(dòng)壓膜，其將有助于圍繞鉆柱進(jìn)行更加積極的密封。有可能需要稍微降低由活塞20施加在填料單元18上的力來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
[0101 ] 潤滑劑可以是鉆探流體或液壓油。
[0102]通過圖4和圖5最佳示出的多個(gè)液壓致動(dòng)鎖塊56來充分防止密封組件42相對(duì)于RP⑶10運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，設(shè)有兩組鎖塊56，上面的一組鎖塊位于最上面的B0P12a的外殼14的第一部分14a內(nèi)，下面的一組鎖塊在第二組合外殼部40內(nèi)位于中間B0P12b和最下面的B0P12c之間。應(yīng)理解的是，鎖塊56無需精確地位于這些位置。而且，在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，每組鎖塊都包括多個(gè)鎖塊56，如圖3最佳示出的那樣，所述多個(gè)鎖塊定位在圍繞外殼的周面的一列孔內(nèi)。
[0103]在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，每個(gè)鎖塊56都具有非圓形的橫截面,并且位于外殼14內(nèi)的具有相應(yīng)形狀的孔內(nèi)，該孔大致垂直于RPCDlO的縱向軸線A而從外殼14的外部延伸入外殼的中央孔中。從而防止了鎖塊56在孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。在每個(gè)鎖塊56的縱向表面內(nèi)設(shè)有密封裝置58，從而在鎖塊56與外殼14之間提供基本流密密封，同時(shí)允許鎖塊56大致垂直于RPCDlO的縱向軸線A在外殼14內(nèi)滑動(dòng)。在該實(shí)施例中，每個(gè)密封裝置58都包括彈性體密封環(huán)，所述密封環(huán)位于圍繞鎖塊56的縱向表面的凹槽內(nèi)。在本實(shí)施例中，也設(shè)置有兩組這樣的兩個(gè)密封環(huán)。
[0104]每個(gè)鎖塊56的徑向向外端都設(shè)有致動(dòng)桿70，該致動(dòng)桿延伸到安裝在位于外殼14的外表面處的孔內(nèi)的液壓連接器72中。在液壓連接器72與外殼14之間以及在液壓連接器72與桿60之間設(shè)有密封裝置，使得液壓連接器72和桿70形成活塞和汽缸裝置。因此通過向液壓連接器72內(nèi)供應(yīng)加壓流體，而可以將鎖塊56推入鎖定位置，在該鎖定位置，鎖塊56的徑向向內(nèi)端延伸到外殼14的中央孔中。
[0105]RDD42降下或下落到PRCDlO的最上面端部內(nèi)，其中最上面的一組鎖塊56收回到外殼14內(nèi)(如圖1所示)，而最下面的一組鎖塊56處于鎖定位置(如圖5所示)。RDD42從而處于靜止，其中，其最下端與最下面的鎖塊56接合。一旦RDD42處于該位置，就向最上面的液壓連接器72供應(yīng)液壓流體，以將最上面的鎖塊56推入到鎖定位置，在該鎖定位置，鎖塊的徑向向內(nèi)端延伸到外殼14的中央孔中(如圖2、圖4和圖5所示)。RDD42定位成使得，當(dāng)鎖塊56處在該鎖定位置時(shí)，其位于所述兩組鎖塊56之間，且RDD42的端部與每一個(gè)鎖塊56接合。通過這一方式，防止或至少明顯地限制RDD42在RP⑶10內(nèi)的縱向運(yùn)動(dòng)。
[0106]在本實(shí)施例中，每個(gè)鎖塊56的徑向向內(nèi)端都設(shè)有與RDD42的端部接合的肩部56a，不過這一點(diǎn)并不是必要的。
[0107]應(yīng)理解的是，通過使用能收回到外殼14的壁內(nèi)的鎖塊，對(duì)RDD42的機(jī)械鎖定并不影響B(tài)OP堆疊件的中央孔的直徑。而且，通過將鎖塊56收回到外殼14的壁內(nèi)，可避免在沒有密封組件的情況下在這些特征上堆積殘?jiān)?br> [0108]除了密封組件42之外，還可采用以上所述的鎖塊56來將不同的管狀部件保持在RPCDlO的中央孔內(nèi)。密封組件42的這樣的替換例可以是在其最上端設(shè)有旋轉(zhuǎn)控制裝置(RCD)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)適配器。在該情況下，為了在收到來自下方的壓力的情況下將部件保持在RPCDlO內(nèi)，最上面的鎖塊56可與設(shè)置在部件的徑向最外的表面內(nèi)的肩部或凹槽接合，而不是與部件的最上端接合。這使得安裝在管狀部件上的RCD機(jī)構(gòu)等定位在RPCDlO的最上端，或者，甚至是延伸到RP⑶10外部而進(jìn)入到上提升器部分48內(nèi)。
[0109]在本說明書和權(quán)利要求書中使用時(shí)，術(shù)語“包括”及其變型指的是包括所指定的特征、步驟或整體。這些術(shù)語不應(yīng)被理解為排除其他特征、步驟或部件的存在。
[0110]上述說明書或所附權(quán)利要求書或附圖中公開的特征，無論表述為其具體的形式，還是用于執(zhí)行所公開的功能的手段、或用于達(dá)到所公開的結(jié)果的方法或過程來加以表述，都可以適當(dāng)?shù)姆绞絾为?dú)地或?qū)⑦@些特征加以組合來進(jìn)行利用，以用其各種方式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在管狀體周圍進(jìn)行密封的壓力限制裝置，所述壓力限制裝置包括致動(dòng)器組件和密封組件，所述致動(dòng)器組件能操作成與所述密封組件接合，從而防止所述密封組件相對(duì)于所述致動(dòng)器組件發(fā)生顯著的旋轉(zhuǎn)，并且迫使所述密封組件與安裝在所述壓力限制裝置中的管狀體密封接合，所述密封組件包括管狀密封套筒，所述密封套筒具有由非彈性體聚合物制成的徑向向內(nèi)部分以及由彈性體制成的徑向向外部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力限制裝置，其中，所述致動(dòng)器組件包括環(huán)狀填料單元和致動(dòng)器，所述致動(dòng)器能操作成減小所述環(huán)狀填料單元的內(nèi)徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力限制裝置，其中，所述密封套筒在使用中大體上定位在所述環(huán)狀填料單元的中央，從而所述環(huán)狀填料單元包圍所述密封套筒的至少一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的壓力限制裝置，其中，所述致動(dòng)器包括活塞，通過向所述壓力限制裝置供應(yīng)加壓流體，能夠使該活塞大體上平行于所述壓力限制裝置的縱向軸線運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓力限制裝置，其中，所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分由以下之一制成:聚四氟乙烯(PTFE) ；PTFE基聚合物；以及超高分子量聚乙烯(UHMWPE) ο
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓力限制裝置，其中，所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分含有添加劑或填充劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓力限制裝置，其中，所述添加劑或所述填充劑包括玻璃纖維、_硫化鑰、_硫化鶴和石墨中的至少一種。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓力限制裝置，其中，所述密封套筒的所述徑向向外部分由以下之一制成:聚安酯；以及氫化丁腈橡膠。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓力限制裝置，其中，所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分包含多個(gè)孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力限制裝置，其中，所述密封套筒的所述徑向向外部分的多個(gè)部分延伸入所述徑向向內(nèi)部分的那些孔中。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓力限制裝置，所述壓力限制裝置還包括第二致動(dòng)器組件和第二密封組件，所述第二致動(dòng)器組件能操作成與所述第二密封組件接合，從而防止所述第二密封組件相對(duì)于所述第二致動(dòng)器組件發(fā)生顯著的旋轉(zhuǎn)，并且迫使所述第二密封組件與安裝在所述壓力限制裝置中的管狀體密封接合，所述第二密封組件還包括管狀密封套筒，該管狀密封體筒具有由非彈性體聚合物制成的徑向向內(nèi)部分以及由彈性體制成的徑向向外部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的壓力限制裝置，所述壓力限制裝置還包括用于將潤滑流體引導(dǎo)至所述管狀體周圍的、位于所述第一密封組件和所述第二密封組件之間的區(qū)域的裝置。
13.一種限制井眼中的壓力的方法，管狀體延伸到所述井眼中，所述方法包括:繞所述管狀體安裝壓力限制裝置，所述壓力限制裝置包括致動(dòng)器組件和密封組件，所述密封組件包括管狀密封套筒，該密封套筒具有由非彈性體聚合物制成的徑向向內(nèi)部分以及由彈性體制成的徑向向外部分，其中，所述方法包括操作所述致動(dòng)器組件使其與所述密封組件接合，從而防止所述密封組件相對(duì)于所述密封組件發(fā)生顯著的旋轉(zhuǎn)，并且迫使所述密封套筒的所述徑向向內(nèi)部分與所述管狀體密封接合。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，操作所述致動(dòng)器組件的步驟包括向所述壓力限制裝置供應(yīng)加壓流體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，所述方法還包括通過改變向所述致動(dòng)器組件供應(yīng)的流體的壓力而改變由所述密封套筒 施加在所述管狀體上的力。
【文檔編號(hào)】E21B33/08GK103429841SQ201180069453
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
【發(fā)明者】C·萊藤伯格, A·J·麥格雷戈 申請人:控制壓力營運(yùn)私人有限公司