CN102762814A - 密封组件及密封组件的成型方法 - Google Patents

Abstract

一种井下密封组件，该井下密封组件包括中心管（12），该中心管（12）上安装有密封件（16）和环形件（14），其中，所述环形件（14）邻近所述密封件（16）的端部区域设置。所述环形件（14）和所述密封件（16）通过粘结剂（26）粘结在一起。

Description

密封组件及密封组件的成型方法

技术领域

本发明涉及一种密封组件以及密封组件的成型方法，具体地，涉及一种膨胀井下的密封组件，例如一种膨胀的封隔组件。

背景技术

密封装置和密封组件广泛应用于石油和天然气工业。密封组件的一种特定形式是封隔器，该封隔器通常用于密封钻井孔中的环形空间，特别是形成在中心管（例如生产管）和钻井孔的孔壁之间的环形空间。封隔器可用于层间封隔操作，例如，允许定向井维修操作例如激励和压裂测试，以封闭区域而防水等。

目前使用的封隔器具有多种形式，典型地包括密封件，例如环形橡胶密封件，该密封件围绕中心管的外表面布置，其中，所述密封件被驱动或被操作以径向延伸至密封结构。例如，公知的膨胀式封隔器中，一个或多个密封件膨胀以径向延伸。公知的机械式封隔器中，机械装置用于轴向挤压密封件以使其横向膨胀至密封结构。公知的封隔器中的密封件由膨胀材料形成，例如膨胀橡胶，其中，密封件在适当的激活剂的作用下膨胀并延伸以形成密封。典型地，膨胀式封隔器包括膨胀材料，该膨胀材料构成为接触钻井孔中的激活剂时膨胀，例如油或水。

在很多封隔器装置中，密封件设置在轴向间隔的环之间，所述环固定在中心管上。处于多种目的可以设置这些环，例如防止密封件在使用时轴向移动或者受挤压。在一些封隔器装置中，例如在机械式封隔器中，所述环具有作用面，在动作过程中所述密封件被挤压接触所述作用面。此外，所述环可以对所述密封件提供保护，例如在钻井孔中布置所述密封件的过程中。但是，由于在使用过程中受到挤压以及其他条件的影响，密封件的邻近环的端部区域易于磨损或密封失效。这种密封失效表明了其自身的橡胶撕裂，例如沿轴向方向撕裂。这种密封失效以不可预测的程度发生，并经常发生在邻近所述中心管的位置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种井下密封组件，该井下密封组件包括：

中心管；

密封件，该密封件安装在所述中心管上；以及

环形件，该环形件安装在所述中心管上并且邻近所述密封件的端部区域设置，其中，所述环形件与所述密封件通过粘结剂粘结在一起。

在本发明中，所述环形件可以通过粘结剂粘结于所述密封件，以在所述密封件的端部区域向密封件提供一定程度的保护，所述密封件的端部区域被认为易于发生不可预测的失效形式。例如，通过粘结剂将所述环形件和所述密封件粘结在一起可以有助于防止所述密封件的端部区域暴露于周围环境中，否则，周围环境会导致所述密封件一定程度的密封失效。

所述环形件可以构成为轴向保持所述密封件的所述端部区域。例如，所述环形件可以构成为限制所述密封件或者所述密封件的一部分的轴向移动，例如在如坐封力、挤压力、驱动力等力的作用下。所述环形件可以构成为向所述密封件提供保护，例如在所述密封件在井下配置的过程中。

在一种实施方式中，所述密封组件可以包括邻近所述密封件的一个端部区域设置的单个环形件。在其他实施方式中，所述密封组件可以包括至少两个环形件，至少一个环形件邻近所述密封件的一个端部区域设置，至少另一个环形件邻近所述密封件的相对的端部区域设置。在该装置中，所述密封件可以轴向保持在至少两个环形件之间。所述密封件的相对的端部区域可以粘结于各自的环形件。

所述密封件可以任意地安装在所述中心管上。

所述密封件的至少一部分，以及一些实施方式中所述密封件的全部可以固定在所述中心管上。所述密封件的至少一部分，以及一些实施方式中所述密封件的全部可以通过粘结剂粘结于所述中心管。用于将所述环形件和所述密封件粘结在一起的所述粘结剂与用于将所述密封件和所述中心管粘结在一起的所述粘结剂可以是相同的、相似的或不同的。

所述密封件的至少一部分可以过盈配合于所述中心管。

所述环形件可以任意地安装在所述中心管上。

所述环形件可以固定在所述中心管上。所述环形件可以通过例如锁紧螺钉、一个或多个螺纹连接、过盈配合、焊接、粘结等或者所述方式的任何适当结合而固定在所述中心管上。

所述环形件可以安装在所述中心管上，以在所述环形件和所述中心管之间限定环形间隙。所述环形间隙可以设置为利于所述环形件容易地安装在所述中心管上。所述环形间隙可以是空的。选择性地，密封装置可以至少部分地填充在所述环形间隙中。所述密封装置可以至少部分地由所述密封件设置。所述密封装置可以有助于防止流体或其他材料移动通过所述环形间隙。所述密封件的一部分在所述环形间隙的整个区域中通过粘结剂粘附于所述环形件。这种布置可以有助于防止在该点的所述密封件的任何分离或密封失效，因此，有助于保持密封完整性。

所述环形件的端面，例如所述环形件的轴向端面可以粘结于所述密封件的相对应的端面。

所述环形件可以限定有接合区，该接合区与限定在所述密封件上的相对应的接合区粘结。每个相对应的接合区可以包括一个或多个接触面。一个或多个所述接触面可以是大致平面、圆柱面、圆锥面、曲面、环形面等，或上述形状的任何适当结合。

在一种实施方式中，每个接合区可以包括单个接触面。在其他实施方式中，每个接合区可以包括多个接触面，例如两个、三个或更多。

每个接合区通常可以包括轴向接触面。该轴向接触面通常可以朝向沿所述中心管的轴向延伸的方向。

每个接合区通常可以包括周向接触面。一个接合面的周向接触面通常可以朝向外，通常远离所述中心管，相对应的接合面的周向接触面通常可以朝向内，通常接近所述中心管。

在一种典型的实施方式中，所述环形件和密封件的所述相对应的接合区包括轴向接触面和周向接触面。

所述环形件可以限定有接触面，该接触面在所述环形件和所述中心管之间限定的分隔间隙中朝向所述中心管的外表面布置。所述密封件的部分可以设置在该分隔间隙中。

所述粘结剂可以包括两个涂层，例如底涂层和表涂层。所述粘结剂可以是水性、溶剂性等粘结剂。所述粘结剂可以包括聚合物、有机化合物、填充物等的一种或多种。该成分可以在例如有机溶剂的催化剂中溶解或分散。

所述粘结剂可以构成为在所述密封组件的制造条件下具有或保持粘性，例如压力条件、温度条件等。所述粘结剂可以构成为在成型条件下具有或保持粘性。所述粘结剂可以构成为在软化条件下具有或保持粘性。所述粘结剂可以构成为在所述密封组件的制造条件下加工处理。

所述密封件可以设置为在非密封结构和密封结构之间重新配置。所述密封件可以设置为在非密封结构和密封结构之间径向延伸或扩张以重新配置。所述密封件可以设置为在非密封结构和密封结构之间通过机械装置、充气装置以及膨胀装置等或上述装置的任何适当结合以重新配置。

在使用中，所述密封组件位于钻井孔中，所述密封件可以设置为在所述中心管和钻井孔的孔壁之间形成密封。所述钻井孔的孔壁可以由开放钻井孔或排孔的孔壁限定。

所述密封件可以包括橡胶、尼龙、金属、金属合金、聚合材料等。

所述密封件可以包括非膨胀材料。

所述密封件可以包括膨胀材料，例如膨胀合成橡胶。所述密封件可以设置为暴露于膨胀活化剂时膨胀以增大体积。所述膨胀活化剂可以包括流体，例如水、碳氢液体或气体等。所述膨胀活化剂可以包括气压、温度、放射性、电激励等。

所述环形件可以包括金属或金属合金。

所述环形件可以包括聚合材料、复合材料等，或所述材料的任何适当结合。

所述中心管可以设置为固定在油管柱上。所述油管柱可以包括开采油管、套管或线性管柱、盘管管柱等。所述中心管可以设置为形成管柱的流体连通的部件。所述中心管可以设置为形成管柱的部件。所述中心管的相对的端部可以在管柱中相互连接，例如通过螺纹连接、焊接连接等。在该装置中，所述中心管可以包括油田管，例如开采管、套管、衬管、短节等。

所述中心管可以设置为安装在管柱的外表面上。例如，所述中心管可以限定为套管，该套管设置为安装在管柱的一部分的外部上。

所述密封件可以包括单个部件。选择性地，所述密封件可以包括多个部件，该多个部件共同限定所述密封件。

所述密封组件可以包括多个密封件。至少两个密封件可以设置为直接相互邻接布置。至少两个密封件可以设置为通过环形件至少部分地分离。

所述环形件可以包括单个部件。选择性地，所述环形件可以包括多个部件。该结构可以使所述密封组件的装配容易。

所述密封组件可以限定为封隔器。

根据本发明的第二方面，提供一种制造密封组件的方法，该方法包括：

在中心管上安装环形件和密封件；以及

使用粘结剂将所述环形件粘结到所述密封件的端部区域。

根据第二方面的所述方法可以适用于制造根据第一方面的密封组件。第一方面的密封组件的各种特性可以通过一种或多种适当的制造步骤提供，所述制造步骤可以形成根据第二方面的方法的非必要特性。

所述方法可以包括向所述环形件和所述密封件中的至少一个涂覆粘结剂。所述粘结剂可以通过涂抹、轻拍、喷射、滚压、静电工艺、浸渍等，或者上述方法的任何适当结合来施加。所述粘结剂可以在所述环形件和所述密封件中的一个或者两者安装在所述中心管上之前或之后涂敷。

在一种实施方式中，所述粘结剂可以涂敷在所述环形件和所述密封件上。

所述粘结剂可以具有一个或多个涂层。例如，所述粘结剂可以包括至少两个涂层。第一涂层可以包括底涂层。

所述方法可以包括处理所述密封件和所述环形件中一者或两者的表面。表面处理可以包括氧化物、表面粗糙等移除。

所述环形件可以固定在所述中心管上，例如通过一个或多个锁紧螺钉、无头螺丝、螺纹连接、过盈配合、粘结剂粘结等。

所述密封件可以固定在所述中心管上。在一种实施方式中，所述密封件可以通过粘结剂粘结于所述中心管，例如与用于粘结所述环形件和所述密封件的粘结剂相同的粘结剂。所述方法可以包括向所述中心管和所述密封件中的至少一个涂覆粘结剂，该粘结剂适用于将所述部件粘结在一起。

所述方法可以包括以所需的形状设置所述密封件并将所述密封件安装在所述中心管上。例如，所述密封件可以以环形的形状形成或设置，并将该密封件安装在所述中心管的外表面上。

所述方法可以包括在所述中心管上直接形成所需形状的所述密封件。例如，所述密封件可以设置有多个部件并随后组装在所述中心管上。所述密封件可以通过围绕所述中心管缠绕密封件材料以限定所述密封件的所需形状来形成。所述密封件可以直接成型在所述中心管上以形成所需形状。

所述密封件可以包括橡胶材料，所述方法可以包括软化所述密封件。软化可以在所需压力和/或温度下在压热器中获得。所述密封件可以在安装在所述中心管之前软化。所述密封件可以在安装在所述中心管之后软化。公知的是软化工序可以使橡胶材料和部件在基本接触时具有一定程度的粘性。但是，本发明通过使用粘结剂为所述密封件和所述环形件之间的粘结提供保证。

所述密封件可以通过同时安装在所述中心管上的支撑装置来支撑。所述支撑装置可以包括套管，例如尼龙套管。所述支撑装置可以设置为在所述密封件的处理步骤中提供支撑，例如软化步骤。所述支撑装置可以是可移除的，例如在密封组件的制造完成后、在所述密封组件使用前等。

所述方法可以包括在所述中心管上安装所述环形件，以在所述环形件和所述中心管之间提供间隙。所述间隙可以设置为使所述环形件易于安装在所述中心管上。所述间隙可以保持为空的。所述方法可以包括将所述密封件的一部分放置在所述间隙中。所述方法可以包括在所述间隙区域中在所述密封件和所述环形件之间提供粘结剂。所述密封件可以形成为适于设置在所述间隙中。所说密封件可以设置为可移动到所述间隙中，例如通过流动。这个可以在软化工序中获得，在该软化工序中，所述密封件可以达到适当程度的粘性，以允许材料流入所述间隙中。

根据本发明的第三方面，提供一种建立井下密封的方法，该方法包括：

提供根据第一方面的密封组件；

在钻井孔中配置所述密封组件；以及

重新配置所述密封件，以在钻井孔的孔壁和所述中心管之间建立密封。

所述方法可以包括在管柱上或作为管柱的一部分上配置所述密封组件。

所述方法可以包括机械地驱使所述密封件重新配置以建立密封。所述方法可以包括促使所述密封件的至少一部分膨胀，以重新配置形成密封。

本发明的其他方面可以涉及使用根据第一方面的密封组件执行的钻井孔的操作，例如层间隔离、油井维修、压裂测试、流量控制操作等，或者钻井孔操作的任何适当的结合。

附图说明

本发明的这些和其他方面现在将仅通过举例的方法，并参考如下附图说明，其中：

图1表示根据本发明的具体实施方式的密封组件；

图2是图1所示的密封组件的局部放大剖视图；

图3是密封组件的放大剖视图，以说明潜在失效形式；

图4至图8表示用于制造图1所示的密封组件的工序的具体步骤。

具体实施方式

图1所示为根据本发明的具体实施方式的密封组件，该密封组件通常由参考数字10表示。密封组件10以封隔器的形式说明，密封组件10包括中心管12和密封件16，该中心管12支撑一对环形件14，密封件16保持在环形件14之间。具体实施方式中所示的中心管12设置为短节的形式并且意图形成油管柱（未图示）的部分，从而配置在油管柱上的钻井孔（未示出）中。

虽然在不同的实施方式中，各种类型的材料可以用于形成密封件，但在本实施方式中，密封件16包括膨胀橡胶材料，该膨胀橡胶材料构成为与活化剂（例如石油或水）接触时膨胀。因此，密封组件10可以被激活而膨胀，以从图1所示的非密封结构扩张到密封结构（未图示），在该密封结构中，密封组件10位于钻井孔中，密封件向外径向延伸，以接合钻井孔的孔壁。

环形件14通过锁紧螺钉18固定在中心管12上，并设置为在所述密封件配置于钻井孔的过程中有助于保护密封件16，环形件14也在所述密封件被驱动以形成密封时有助于防止所述密封件例如由于挤压力而移动。

现在对图2附加地添加参考数字，图2是显示图1的密封组件10的部分的纵向剖视图。如图2所示，每个环形件14（仅显示一个）围绕中心管12安装，环形件14和中心管12之间限定有环形间隙20。密封件16的一部分22设置在环形间隙20中，以有助于防止流体通过该环形间隙20。如以下进一步详细的描述，当密封件16设置在中心管12上时，密封件16软化，使得密封件16的材料设置在环形间隙20中，以限定密封件16的一部分22。

密封件16的内表面24通过粘结剂26粘结于中心管12，例如水性、溶剂性粘结剂。

进一步，每个环形件14通过相同的粘结剂26粘结于密封件16的相对的端部区域。具体地，每个环形件14限定有轴向端面28和圆周面32，轴向端面28粘结于密封件16的相对应的轴向端面30，圆周面32粘结于密封件16的相对应的圆周面34，具体地，密封件16的部分22的相对应的圆周面34。相对应地，在本实施方式所示的密封件16通过粘结剂26全部粘结于中心管12和环形件14。这有助于在密封组件10使用中，防止密封件16的粘结区域暴露于周围环境中，否则会易于发生不可预测的密封失效形式。为了例证的目的，该密封失效在图3中显示，在图3中添加参考数字。

图3是密封组件100的部分的剖视图，密封组件100包括中心管102、密封件104以及一对环形件106（仅显示一个），环形件106设置在密封件104的任一轴向侧部。在该图例中，密封件104的端面108通过轴向延伸的间隙110和形成在环形件14和密封件104之间的周向延伸的间隙112暴露于周围环境中。这将导致在密封件104中形成失效区114，失效区114对密封件100的完整性和有效性产生严重的有害影响。

参考图4至图8现在将描述首先在图1中所示的根据本发明的例证实施方式的制造密封件10的方法。

首先参考图4，中心管12的外表面36涂敷有粘结剂26，例如通过喷涂。虽然说明了粘结剂26的单个涂层，但是可使用多个涂层，一个或多个涂层和先前涂层一样起作用。

进一步，如图5所示，所述粘结剂也可涂敷在每个环形件14的轴向端面28上，如图6所示，所述粘结剂也可涂敷在每个环形件14的圆周面32上，图6是图5的沿着线6-6的剖视图。

如图7所示，一旦所有要求的表面涂敷上粘结剂后，环形件14通过锁紧螺钉18安装并固定在中心管12上。

然后，围绕在端部的环形件14之间的中心管12缠绕一条或多条膨胀橡胶带38形成密封件16。一旦密封件16的大致结构形成，尼龙套管40（图示的虚线）围绕密封件16设置以提供支撑。然后，密封件10在压热器（未显示）中处理以软化成型的密封件16。粘结剂26起作用以确保密封件16粘结到环形件14和中心管12的粘性。软化密封件设置为使得一些材料流入每个环形件14下方，以形成密封件的部分22，如图2所示。

应当理解的是，如上描述的实施方式仅作为示例，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对该实施方式作出多种变型。例如，密封组件可以设置有多个密封件，该多个密封件可以相互接触设置，或者部分或全部由另外的环形件分隔。同样，密封组件的多个部件可以最先装配，或者至少一些部件可以部分地装配，然后再涂敷粘结剂。另外，所述密封件可以在安装所述环形件之前形成在中心管上。

Claims (24)

1.一种井下密封组件，该井下密封组件包括：

中心管；

密封件，该密封件安装在所述中心管上；以及

环形件，该环形件安装在所述中心管上并且邻近所述密封件的端部区域设置，其中，所述环形件与所述密封件通过粘结剂粘结在一起。

2.根据权利要求1所述的井下密封组件，其中，所述环形件设置为轴向保持所述密封件的所述端部区域。

3.根据权利要求1或2所述的井下密封组件，该井下密封组件包括至少两个环形件，至少一个环形件邻近所述密封件的一个端部区域设置，至少另一个环形件邻近所述密封件的另一端部区域设置。

4.根据权利要求1、2或3所述的井下密封组件，其中，所述密封件的至少一部分通过粘结剂粘结于所述中心管。

5.根据上述任意一项权利要求所述的井下密封组件，其中，所述环形件安装在所述中心管上，以在所述环形件和所述中心管之间限定环形间隙，其中，所述环形间隙至少部分地填充有所述密封件的一部分。

6.根据权利要求5所述的井下密封组件，其中，所述密封件的一部分在所述环形间隙的整个区域中通过粘结剂粘结于所述环形件。

7.根据上述任意一项权利要求所述的井下密封组件，其中，所述环形件的端面，例如所述环形件的轴向端面，粘结于所述密封件的相对应的端面。

8.根据上述任意一项权利要求所述的井下密封组件，其中，所述环形件限定有接合区，该接合区粘结于在所述密封件上限定的相对应的接合区，其中，每个相对应的接合区包括一个或者多个接触面。

9.根据权利要求8所述的井下密封组件，其中，一个或者多个所述接触面是大致平面、圆柱面、圆锥面、曲面以及环形面中的至少一种。

10.根据上述任意一项权利要求所述的井下密封组件，其中，所述粘结剂构成为在所述密封组件的制造条件下具有或者保持粘性。

11.根据上述任意一项权利要求所述的井下密封组件，其中，所述密封件设置为在非密封结构和密封结构之间重新配置。

12.根据上述权利要求中任意一项所述的井下密封组件，其中，所述密封件通过机械装置、充气装置以及膨胀装置中的至少一种设置为在非密封结构和密封结构之间重新配置。

13.一种制造密封组件的方法，该方法包括：

在中心管上安装环形件和密封件；以及

使用粘结剂将所述环形件粘结到所述密封件的端部区域。

14.根据权利要求13所述的方法，该方法包括向所述环形件和所述密封件中的至少一个涂覆所述粘结剂。

15.根据权利要求13或14所述的方法，该方法包括将所述密封件通过粘结固定到所述中心管上。

16.根据权利要求13、14或15所述的方法，该方法包括在所述中心管上直接形成所需形状的所述密封件。

17.根据权利要求13至16中任意一项所述的方法，该方法包括围绕所述中心管缠绕密封件材料以限定所述密封件的所述所需形状。

18.根据权利要求13至17中任意一项所述的方法，该方法包括软化所述密封件。

19.根据权利要求13至18中任意一项所述的方法，该方法包括在所述中心管上安装所述环形件，以在所述环形件和所述中心管之间提供间隙。

20.根据权利要求19所述的方法，该方法包括将所述密封件的一部分设置在所述间隙中。

21.根据权利要求19或20所述的方法，该方法包括在所述间隙区域中在所述密封件和所述环形件之间提供所述粘结剂。

22.根据权利要求19、20或21所述的方法，其中，促使所述密封件流入所述间隙中。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，使得所述密封件在软化所述密封件的过程中流入所述间隙中。

24.一种建立井下密封的方法，该方法包括：

提供根据权利要求1至12中任意一项所述的密封组件；

在钻井孔中配置所述密封组件；以及

重新配置所述密封件，以在钻井孔的孔壁和所述中心管之间建立密封。

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