專利名稱：耐損傷的套管掛密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及井口密封件，且具體而言涉及耐損傷的套管掛密封件。
背景技術(shù)：
在井口形成期間，鉆井操作常常導(dǎo)致插入井眼中的井套管元件在從鉆井切換到采油前損傷。具體而言，套管掛和高壓井口罩會(huì)由于在從諸如數(shù)千分之一英尺深的較小劃痕到多達(dá)0.1’’深的較大劃痕的范圍內(nèi)的劃痕和鑿槽而受損。為了密封井眼，密封件必須由可擠出并填充劃痕和鑿槽的適應(yīng)性材料構(gòu)成。當(dāng)前，使用由彈性體密封元件組成的密封件來(lái)密封套管元件之間的井眼環(huán)狀空間。遺憾的是，彈性體密封元件并不滿足當(dāng)前對(duì)鉆井和采油的需求。例如，許多密封件在密封件經(jīng)受極冷、極熱和/或兩極端之間的循環(huán)的條件下使用。在這些狀況下，彈性體密封件在密封件的期望現(xiàn)場(chǎng)壽命結(jié)束前疲勞和失效。當(dāng)前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)允許90天的密封件現(xiàn)場(chǎng)壽命。然而，行業(yè)希望有一種可使井的預(yù)期壽命持續(xù)大約20年的密封件。此外，井的壽命周期可包括井的起動(dòng)和關(guān)停、井元件的壓力測(cè)試等。這些壽命周期活動(dòng)增加了彈性體密封件面臨的極端應(yīng)力和溫度循環(huán)的數(shù)量。壽命周期活動(dòng)導(dǎo)致彈性體密封件在井口密封系統(tǒng)的20年期望現(xiàn)場(chǎng)壽命要求之前很久就疲勞和失效。因此，需要可在20年的預(yù)期壽命周期內(nèi)耐受井的極端溫度、極端溫度循環(huán)和不同壽命周期操作的井口密封件。此外，彈性體密封元件可能經(jīng)歷爆發(fā)性減壓。當(dāng)彈性體密封元件周圍的高壓迫使彈性體密封件吸收來(lái)自周圍環(huán)境的氣體時(shí)，發(fā)生爆發(fā)性減壓。當(dāng)彈性體密封元件周圍的壓力下降時(shí)，在較高壓力下被吸收到彈性體密封元件中的氣體快速地逸出彈性體密封元件。氣體的快速逸出導(dǎo)致彈性體密封元件的撕裂和破壞。因此，需要在高壓加載和卸載循環(huán)期間不會(huì)由于爆發(fā)性減壓而失效的井口密封件。許多井口密封件使用借助于干涉密封件來(lái)密封井口部件之間的環(huán)狀空間的元件。干涉密封件使用寬度略大于待密封的環(huán)形空間的密封部件。干涉密封件迫使密封部件進(jìn)入密封區(qū)域中，以防止流體或其它材料通過(guò)。由于這些干涉密封件大于待密封的環(huán)形空間，所以干涉密封件的使用常常導(dǎo)致待密封的環(huán)形空間和干涉密封件本身受損。這妨礙了井的鉆進(jìn)和運(yùn)行并引起密封件提前失效。因此，需要不會(huì)在插入和激勵(lì)期間損傷井口套管元件的井口密封件。許多用于密封井口套管元件之間的環(huán)狀空間的井口密封組件不可取回。一旦就位并被激勵(lì)，便不能移除密封件。其位于井口中直到密封件失效。這在密封件可與送入工具等發(fā)生干涉的情況下會(huì)妨礙井的鉆進(jìn)和運(yùn)行。此外，在緊急狀況期間，不能取回標(biāo)準(zhǔn)密封件；因此，一旦密封件用于緊急狀況，它便必須保留在井眼中。這阻礙了后續(xù)更好密封件的使用或其它設(shè)備或工具通過(guò)該空間。因此，需要可取回的井口密封件。

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)提供了密封組件及其使用方法的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，大體上解決或回避了這些和其它問(wèn)題，并且大體上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，一種用于在具有共同軸線的內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件之間的環(huán)狀空間內(nèi)密封的密封組件包括具有人字形幾何形狀的第一防擠出密封環(huán)和具有人字形幾何形狀的第二防擠出密封環(huán)。第二防擠出密封環(huán)與第一防擠出密封環(huán)共軸并位于其軸向下方。該密封組件還包括具有人字形幾何形狀的第一適應(yīng)性密封環(huán)。第一適應(yīng)性密封環(huán)與第一防擠出密封環(huán)和第二防擠出密封環(huán)共軸并介于二者之間。第一和第二防擠出密封環(huán)中的至少一者構(gòu)造成在承受軸向力時(shí)與內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件中的至少一者徑向接合。第一適應(yīng)性密封環(huán)構(gòu)造成在承受軸向力時(shí)與內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件中的至少一者徑向接合。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種用于在具有共同軸線的內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件之間的環(huán)狀空間內(nèi)密封的密封組件包括密封件疊層和上激活環(huán)。上激活環(huán)與密封件疊層共軸并位于其軸向上方。上激活環(huán)具有不同于密封件疊層的鄰近表面的、與軸線形成角度的下配合面。該密封組件還包括與密封件疊層共軸并位于其軸向下方的下激活環(huán)。下激活環(huán)具有不同于密封件疊層的鄰近表面的、與軸線形成角度的上配合面。密封件疊層的元件之間的配合面與軸線成相等角度。這些元件沿配合面的長(zhǎng)度接觸。在軸向負(fù)載下，上、下激活環(huán)配合面與鄰近的密封件疊層配合面之間的接觸導(dǎo)致密封件疊層的徑向擴(kuò)展。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，一種用于在具有共同軸線的內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件之間的環(huán)狀空間內(nèi)密封的密封組件包括具有內(nèi)徑的第一密封件疊層。第一密封件疊層具有在被激勵(lì)時(shí)密封至外環(huán)形部件的受損表面的適應(yīng)性密封元件。該密封組件還包括與第一密封件疊層共軸的第二密封件疊層。第二密封件疊層具有比第一密封件疊層的內(nèi)徑更小的外徑。此外，第二密封件疊層具有在被激勵(lì)時(shí)密封至內(nèi)環(huán)形部件的受損表面的適應(yīng)性密封元件。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，一種用于在具有共同軸線的內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件之間的環(huán)狀空間內(nèi)密封的方法包括提供密封環(huán)，以及將鎖定環(huán)聯(lián)接到該密封環(huán)。該方法接下來(lái)利用環(huán)工具使激勵(lì)環(huán)沿第一方向軸向移動(dòng)以向鎖定環(huán)施加軸向力，該軸向力繼而作用在密封環(huán)上，以使密封環(huán)徑向變形而與環(huán)形部件密封接合。該方法通過(guò)繼續(xù)鎖定環(huán)沿第一方向的軸向移動(dòng)而使鎖定環(huán)徑向變形成與環(huán)形部件鎖定接合而結(jié)束。


為了實(shí)現(xiàn)并可更具體地理解本發(fā)明的特征、優(yōu)點(diǎn)和目的以及其它將變得顯而易見(jiàn)的方式，可參考在附圖中示出的本發(fā)明的實(shí)施例來(lái)對(duì)以上簡(jiǎn)要概括的發(fā)明進(jìn)行更具體的描述，附圖形成本說(shuō)明書的一部分。但要指出的是，附圖僅示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，因此不應(yīng)認(rèn)為限制了本發(fā)明的范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可容許其它等效的實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的密封組件的剖視圖。圖2是圖1的密封組件的詳圖。圖3是圖1的經(jīng)激勵(lì)的密封組件的剖視圖。圖4A是圖1的示例性密封環(huán)的詳圖。圖4B是圖1的經(jīng)激勵(lì)的示例性密封環(huán)的詳圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的密封組件的剖視圖。
圖6是圖5的密封組件的詳圖。圖7是圖5的經(jīng)激勵(lì)的密封組件的剖視圖。圖8A是圖5的示例性密封環(huán)的詳圖。圖8B是圖5的經(jīng)激勵(lì)的示例性密封環(huán)的詳圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將在下文中參照附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明可以許多不同的形式來(lái)實(shí)施并且不應(yīng)被解釋為局限于文中陳述的圖示實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例，使得本公開(kāi)將是透徹和完整的，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的范圍。同樣的標(biāo)號(hào)始終表不同樣的兀件，并且主標(biāo)記(若使用)表不備選實(shí)施例中的相似元件。在下文的討論中，陳述了許多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明可在沒(méi)有此類特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。另外，在大部分情況下，與鉆井單元操作、材料等有關(guān)的細(xì)節(jié)已被省略，因?yàn)椴徽J(rèn)為此類細(xì)節(jié)對(duì)于獲得本發(fā)明的完整理解而言是必需的，并認(rèn)為此類細(xì)節(jié)在相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員的技能范圍內(nèi)。參見(jiàn)圖1，未經(jīng)激勵(lì)的套管掛密封件100被示出為定位在具有共同軸線的套管掛103和高壓井口罩105之間的環(huán)狀空間101內(nèi)。套管掛103是井口組件的為下降到井眼中的后續(xù)套管柱提供支承的部分。套管掛103具有位于套管掛103的下端處的臺(tái)肩107以及緊鄰套管掛103的上端的搭接件(wicker) 109。類似地，井口罩105具有跨越環(huán)狀空間101緊鄰搭接件109的搭接件111，使得在缺少套管掛密封件100的情況下，搭接件109和搭接件111跨越環(huán)狀空間101大致彼此面對(duì)。套管掛密封件100包括密封件止動(dòng)環(huán)113、密封環(huán)組件115、鎖定環(huán)117和激勵(lì)環(huán)119。密封環(huán)組件115在密封件止動(dòng)環(huán)113的臺(tái)肩121上安裝至密封件止動(dòng)環(huán)113。鎖定環(huán)117可移動(dòng)地聯(lián)接到密封件止動(dòng)環(huán)113，使得當(dāng)套管掛密封件100被激勵(lì)時(shí)鎖定環(huán)117向密封環(huán)組件115施加軸向力(參看圖3)。在圖示實(shí)施例中，密封件止動(dòng)環(huán)113限定環(huán)形突起123，并且鎖定環(huán)117限定對(duì)應(yīng)的突起125，使得在被激勵(lì)時(shí)(在圖3中示出)，突起125在激勵(lì)狀態(tài)下將在把鎖定環(huán)117固定至密封件止動(dòng)環(huán)113的干涉配合中移動(dòng)經(jīng)過(guò)突起123。這種干涉配合可通過(guò)鎖定環(huán)117的重力或通過(guò)諸如由激勵(lì)環(huán)119在鎖定環(huán)117上施加軸向力而發(fā)生。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可借助于保險(xiǎn)螺栓等來(lái)聯(lián)接鎖定環(huán)117和密封件止動(dòng)環(huán) 113。鎖定環(huán)117包括具有大致U形截面129的環(huán)形部件，該環(huán)形部件帶有鎖定環(huán)支腿(leg) 143、145和下支腿131。下支腿131延伸經(jīng)過(guò)密封件止動(dòng)環(huán)113的上端并與密封環(huán)組件115的頂部接觸。激勵(lì)環(huán)119包括具有略大于由鎖定環(huán)117限定的U形槽的軸向下端的環(huán)。如下文更詳細(xì)描述的，送入工具將向激勵(lì)環(huán)119施加軸向力，從而迫使激勵(lì)環(huán)119軸向進(jìn)入鎖定環(huán)117中，提供將鎖定環(huán)117的鎖定環(huán)支腿143、145壓入鄰近的搭接件109和111中的干涉配合。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，激勵(lì)環(huán)119可由送入工具等激勵(lì)?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖2，示出了圖1的套管掛103、套管掛103的臺(tái)肩107、密封件止動(dòng)環(huán)113、鎖定環(huán)119的下支腿131和密封環(huán)組件115。如圖2中所示，密封環(huán)組件115包括上基座環(huán)133、中心環(huán)135和下基座環(huán)137。優(yōu)選地，上基座環(huán)133、中心環(huán)135和下基座環(huán)137由高強(qiáng)度鋼等形成。此外，密封環(huán)組件115包括多個(gè)密封環(huán)139和彈簧元件141。彈簧元件141在密封件止動(dòng)環(huán)113的臺(tái)肩121處安裝至密封件止動(dòng)環(huán)113。優(yōu)選地，彈簧元件141被預(yù)加載，使得彈簧元件141在套管掛密封件100被激勵(lì)后在密封環(huán)組件115上施加軸向力。優(yōu)選地，彈簧元件141由高強(qiáng)度低屈服材料形成。在圖示實(shí)施例中，彈簧元件141包括Bellville墊圈,但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,可使用其它彈簧元件。下基座環(huán)137緊鄰彈簧元件141并在其軸向上方安裝至密封件止動(dòng)環(huán)113，使得在套管掛密封件100的制造期間預(yù)加載到彈簧元件141中的軸向力將傳遞通過(guò)下基座環(huán)137。上基座環(huán)133在密封環(huán)139的軸向上方并緊鄰鎖定環(huán)117的下支腿131安裝至密封件止動(dòng)環(huán)113。上基座環(huán)133提供用于將軸向能量從鎖定環(huán)117傳遞到密封環(huán)139的上基部。密封環(huán)139包括形成密封件疊層的一系列軸向堆疊的人字環(huán)。在截面中，各密封環(huán)139具有V形并優(yōu)選具有一致的厚度。在安置之前，各密封環(huán)139從其內(nèi)徑至其外徑的徑向?qū)挾刃∮诿芊獍继?pocket)的徑向?qū)挾取Ｔ谙禄h(huán)137開(kāi)始，密封環(huán)139堆疊成使得密封環(huán)139的尖端鄰近下基座環(huán)137或與其接觸。密封環(huán)139然后以交替的材料層堆疊在下基座環(huán)137的軸向上方，使得后一環(huán)的尖端插入前一環(huán)的凹陷部分中。在圖示實(shí)施例中，鄰近下基座環(huán)137的密封環(huán)139包括諸如碳鋼等的金屬。下一個(gè)密封環(huán)139包括諸如聚四氟乙烯等的熱塑性材料。接著熱塑性密封環(huán)139，另一個(gè)金屬密封環(huán)139堆疊在前一熱塑性密封環(huán)139的軸向上方。這一直持續(xù)到達(dá)到特定應(yīng)用所需的密封環(huán)139的數(shù)量。在圖示實(shí)施例中，在下基座環(huán)137與中心環(huán)135之間使用7個(gè)密封環(huán)139。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用任何所需數(shù)量的密封環(huán)139。例如,實(shí)施例可包括使用3、5或9個(gè)密封環(huán)139。中心環(huán)135安裝至密封件止動(dòng)環(huán)113，軸向介入鄰近但背對(duì)的密封環(huán)139之間。中心環(huán)135的下環(huán)形表面與中心環(huán)135的軸向下方的密封環(huán)139的凹陷部分大致一致。類似地，中心環(huán)135的上環(huán)形表面與中心環(huán)135的軸向上方的密封環(huán)139的凹陷部分大致一致。密封環(huán)139然后以交替的材料層堆疊在中心環(huán)135的軸向上方，使得前一環(huán)的尖端插入后一環(huán)的凹陷部分中。在圖示實(shí)施例中，鄰近中心環(huán)135的密封環(huán)139包括諸如碳鋼等的金屬。下一個(gè)密封環(huán)139包括諸如聚四氟乙烯等的熱塑性材料。接著熱塑性密封環(huán)139，另一個(gè)金屬密封環(huán)139堆疊在前一熱塑性密封環(huán)139的軸向上方。這一直持續(xù)到達(dá)到特定應(yīng)用所需的密封環(huán)139的數(shù)量。在圖示實(shí)施例中，在中心環(huán)135與上基座環(huán)133之間使用7個(gè)密封環(huán)139。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用任何所需數(shù)量的密封環(huán)139。例如，實(shí)施例可包括使用3、5或9個(gè)密封環(huán)139。類似地,可在中心環(huán)135上方和下方使用不同數(shù)量的密封環(huán)139。例如，實(shí)施例可包括使用位于中心環(huán)135上方的3個(gè)密封環(huán)139和位于中心環(huán)135下方的5個(gè)密封件139。相反,實(shí)施例可包括使用位于中心環(huán)135上方的5個(gè)密封環(huán)139和位于中心環(huán)135下方的3個(gè)密封件139。上基座環(huán)133的下環(huán)形表面與鄰近上基座環(huán)133的密封環(huán)139的尖端大致一致并鄰靠該尖端。這樣，密封環(huán)139由上基座環(huán)133、中心環(huán)135和下基座環(huán)137束縛。在被激勵(lì)時(shí)，如下文更詳細(xì)所述的，施加在上基座環(huán)133和下基座環(huán)137上的軸向力將導(dǎo)致密封環(huán)139徑向向內(nèi)和向外展開(kāi)(flair)而與密封件止動(dòng)環(huán)113和高壓罩105緊密密封接觸。外徑邊緣抵靠著高壓罩105密封。內(nèi)徑邊緣抵靠著止動(dòng)環(huán)113密封。這樣，使用了兩個(gè)單獨(dú)的密封環(huán)139疊層，一個(gè)疊層中密封環(huán)139的尖端軸向向上，一個(gè)疊層中密封環(huán)139的尖端軸向向下。這允許套管掛密封件100有效地雙向密封。不論是在套管掛密封件100的上方還是下方施加壓力，環(huán)狀空間101都將被密封。基于熱塑性環(huán)和金屬環(huán)的不同特性來(lái)選擇密封環(huán)139的材料。優(yōu)選地，熱塑性環(huán)和金屬環(huán)兩者都必須在被激勵(lì)時(shí)徑向展開(kāi)。此外，熱塑性環(huán)不應(yīng)過(guò)快地?cái)D出。理想而言，金屬密封環(huán)將在熱塑性環(huán)擠出前徑向展開(kāi)，由此容納熱塑性環(huán)的流動(dòng)。接著金屬密封環(huán)的展開(kāi)，熱塑性密封環(huán)將擠出到高壓罩105中的任何磨損或劃痕中。優(yōu)選實(shí)施例使用填充有15%碳的PTFE用于熱塑性密封環(huán)，以及具有40ksi或更小屈服強(qiáng)度的碳鋼金屬密封環(huán)。熱塑性密封環(huán)的備選實(shí)施例可使用PEEK，或包括不同量的碳纖維、納米管、石墨顆粒等。在仍然其它實(shí)施例中，熱塑性密封環(huán)可用包括銅、錫、銅錫合金等的軟金屬環(huán)代替。這些材料提供從-20華氏度至350華氏度的套管掛密封件100的有效工作溫度范圍。密封環(huán)139的適當(dāng)材料歷經(jīng)由井運(yùn)行導(dǎo)致的任何方式的壓力或溫度循環(huán)而為套管掛密封件100給出20年的有效壽命?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖3，激勵(lì)環(huán)119具有經(jīng)激勵(lì)的套管掛密封件100。這里，套管掛送入工具(未示出)已迫使激勵(lì)環(huán)119進(jìn)入由鎖定環(huán)117限定的槽中。最初，由套管掛送入工具施加至激勵(lì)環(huán)119的軸向力迫使激勵(lì)環(huán)119抵靠鎖定環(huán)117。作為響應(yīng)，鎖定環(huán)117的突起125擠過(guò)密封件止動(dòng)環(huán)113的突起123。軸向力還迫使鎖定環(huán)117的下支腿131抵靠上基座環(huán)133，從而壓縮密封環(huán)組件115。在圖示實(shí)施例中，密封環(huán)組件115的壓縮導(dǎo)致密封環(huán)139徑向展開(kāi)。如圖4A中所示，這由于各密封環(huán)臂139相對(duì)于鄰近密封環(huán)臂139的不同角度而發(fā)生。在圖4A中，上基座環(huán)133、中心環(huán)135和鄰近密封環(huán)139的下基座環(huán)137的表面全部與豎直軸線151形成角度a。密封環(huán)139的臂的鄰近表面代之與豎直軸線151形成不同角度P、9、
(P和O。當(dāng)密封組件115被壓縮時(shí)，不同角度使密封環(huán)139的臂徑向向外展開(kāi)而不是朝豎
直軸線151展開(kāi)。通過(guò)使用有限元分析來(lái)確定各密封環(huán)139的角度，以便基于被密封部件的特定幾何形狀和在各個(gè)密封環(huán)中使用的材料來(lái)產(chǎn)生與被密封部件的所需接觸。在一些情
形中，a可大于@、0、(|)和O，而在其它情形中，a既可大于又可小于角度P、0、(p和
O組。在備選實(shí)施例中，各密封環(huán)139的各臂不具有與鄰近密封環(huán)139的臂不同的角度。在這些情形中，上基座環(huán)133、中心環(huán)135和下基座環(huán)137在與鄰近的密封環(huán)139的接觸點(diǎn)處具有不同角度，如下文參照?qǐng)D8更詳細(xì)描述的。在壓縮下，上基座環(huán)133、中心環(huán)135和下基座環(huán)139的不同角度導(dǎo)致密封環(huán)139展開(kāi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，各密封環(huán)139的角度可選擇成使得各個(gè)密封環(huán)139的密封效果隨著環(huán)狀空間101內(nèi)的流體或氣體壓力增加而增加。如上所述，密封組件115包括密封環(huán)139的密封件疊層。密封件疊層具有位于優(yōu)選由熱塑性材料組成的適應(yīng)性密封環(huán)139’’的軸向上方和下方的優(yōu)選由金屬組成的防擠出密封環(huán)139’。如圖4B中所示，在被激勵(lì)時(shí)，密封環(huán)139徑向展開(kāi)。展開(kāi)的防擠出密封環(huán)139’與高壓罩105和密封件止動(dòng)環(huán)113接合，從而在上部防擠出密封環(huán)139’與下部防擠出密封環(huán)139’之間形成截留體積(trapped volume)。該截留體積抑制了適應(yīng)性密封環(huán)139’’的任何變形。密封環(huán)組件115上的軸向壓力使適應(yīng)性密封環(huán)139’ ’變形，從而導(dǎo)致適應(yīng)性密封環(huán)139’ ’流動(dòng)而與高壓罩105和密封件止動(dòng)環(huán)113密封接合。這樣，適應(yīng)性密封環(huán)139’ ’將在待由套管掛密封件100密封的區(qū)域內(nèi)填充高壓罩105的任何受損區(qū)域140。在一些實(shí)施例中，位于適應(yīng)性密封環(huán)139’’上方和下方的防擠出密封環(huán)139’中的至少一個(gè)將密封至高壓罩105和密封件止動(dòng)環(huán)113。在這些實(shí)施例中，可針對(duì)特定目的來(lái)選擇各密封環(huán)139。例如，第一防擠出環(huán)139’可密封至高壓罩105和密封件止動(dòng)環(huán)113，適應(yīng)性密封環(huán)139’’可填充高壓罩105的受損區(qū)域140，并且第二防擠出密封環(huán)139’可以不密封至高壓罩105或密封件止動(dòng)環(huán)113，同時(shí)仍抑制適應(yīng)性密封環(huán)139’ ’的變形。接著密封環(huán)組件115的壓縮和展開(kāi)繼續(xù)向激勵(lì)環(huán)119施加軸向力迫使激勵(lì)環(huán)119進(jìn)入由鎖定環(huán)117限定的槽中。如圖3中所示，這迫使鎖定環(huán)支腿143、145徑向進(jìn)入套管掛103和高壓罩105的搭接件109、111中。鎖定環(huán)支腿143、145然后變形進(jìn)入搭接件109、111中，從而限制鎖定環(huán)117的軸向移動(dòng)。鎖定環(huán)117的軸向移動(dòng)的限制維持了密封環(huán)組件115的壓縮，從而幫助維持密封環(huán)139的展開(kāi)和環(huán)狀空間101的有效密封。在圖示實(shí)施例中，彈簧元件141被預(yù)加載使得彈簧元件141在密封環(huán)組件115上施加軸向力。在套管掛密封件100的操作使用期間，套管掛密封件100將經(jīng)歷熱膨脹和收縮。套管掛密封件100的熱膨脹和收縮將導(dǎo)致鎖定環(huán)117軸向滑移，從而減輕密封組件115上的軸向力。預(yù)加載的彈簧元件141將在密封組件115上施加軸向力，以在鎖定環(huán)117的軸向滑移事件期間維持密封環(huán)139的展開(kāi)。這樣，套管掛密封件100維持環(huán)狀空間101的有效密封。來(lái)自激勵(lì)環(huán)119的軸向壓力還迫使密封件止動(dòng)環(huán)113與套管掛103干涉配合。在被激勵(lì)時(shí)，密封件止動(dòng)環(huán)113沿內(nèi)徑表面127以干涉配合的方式與套管掛103接合。在一些實(shí)施例中，通過(guò)用諸如銀的軟金屬涂覆內(nèi)徑表面127來(lái)增強(qiáng)在密封件止動(dòng)環(huán)113與套管掛103之間形成的金屬對(duì)金屬密封，軟金屬將變形到套管掛103的表面中的任何磨損或劃痕中。在其它實(shí)施例中，利用具有接近0.007的極低摩擦系數(shù)的分散涂料涂覆內(nèi)徑表面127，從而允許在套管掛密封件100的安放和激勵(lì)期間更緊的干涉配合。在必須移除套管掛密封件100的情形中，送入工具固定至激勵(lì)環(huán)119并施加向上的軸向力。該向上的軸向力使激勵(lì)環(huán)119從由鎖定環(huán)117限定的槽退出。作為響應(yīng)，鎖定環(huán)支腿143、145從它們?cè)诖罱蛹?09、111上的變形位置退出，從而解除對(duì)鎖定環(huán)117的鎖定。一旦鎖定環(huán)117從其鎖定位置被移除，軸向力便不再維持密封組件115的壓縮，從而釋放由密封環(huán)139維持的密封而解除對(duì)環(huán)狀空間101的密封。然后，送入工具可從環(huán)狀空間101取回套管掛密封件100而不對(duì)套管掛103或高壓罩105造成損傷?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖5，未經(jīng)激勵(lì)的套管掛密封件200被示出為定位在套管掛203與高壓井口罩205之間的環(huán)狀空間201內(nèi)。套管掛203是井口組件的為下降到井眼中的后續(xù)套管柱提供支承的部分。套管掛203具有位于套管掛203的下端的臺(tái)肩207，以及緊鄰套管掛203的上端的搭接件209。類似地，井口罩205具有跨越環(huán)狀空間201緊鄰搭接件209的搭接件211，使得在缺少套管掛密封件200的情況下，搭接件209和搭接件211跨越環(huán)狀空間201大致彼此面對(duì)。套管掛密封件200包括密封件止動(dòng)環(huán)213、內(nèi)密封環(huán)組件215、外密封環(huán)組件216、鎖定環(huán)217、聯(lián)接環(huán)218和激勵(lì)環(huán)219。密封件止動(dòng)環(huán)213限定由圓柱形部件214分隔的內(nèi)臺(tái)肩221和外臺(tái)肩222。內(nèi)密封環(huán)組件215在密封件止動(dòng)環(huán)213的臺(tái)肩221上安裝至密封件止動(dòng)環(huán)213。外密封環(huán)組件216在密封件止動(dòng)環(huán)213的臺(tái)肩222上安裝至密封件止動(dòng)環(huán)213。鎖定環(huán)217可移動(dòng)地聯(lián)接到密封件止動(dòng)環(huán)213，使得當(dāng)套管掛密封件200被激勵(lì)時(shí)鎖定環(huán)217向內(nèi)密封環(huán)組件215和外密封環(huán)組件216施加軸向力(參看圖7)。鎖定環(huán)217包括具有大致U形截面229的環(huán)形部件，該環(huán)形部件帶有鎖定環(huán)支腿243,245和下支腿231，下支腿231延伸經(jīng)過(guò)密封件止動(dòng)環(huán)213的圓柱形部件214的上端并與外密封環(huán)組件216的頂部接觸。聯(lián)接環(huán)218包括具有比下支腿231的直徑更小的直徑的環(huán)。在圖示實(shí)施例中，聯(lián)接環(huán)218的外徑表面緊鄰多個(gè)螺栓槽230并在內(nèi)密封組件215的軸向上方鄰靠圓柱形部件214的內(nèi)徑。聯(lián)接環(huán)218由多個(gè)螺栓232聯(lián)接到鎖定環(huán)217的下支腿231。螺栓槽230包括緊鄰圓柱形部件214的上端位于圓柱形部件214中的多個(gè)槽。螺栓槽230具有一定尺寸和形狀，使得鎖定環(huán)217和聯(lián)接環(huán)218可相對(duì)于圓柱形部件214軸向移動(dòng)，由此壓縮內(nèi)密封組件215和外密封組件216。激勵(lì)環(huán)219包括具有略大于由鎖定環(huán)217限定的槽的軸向下端的環(huán)。如下文更詳細(xì)描述的，送入工具將向激勵(lì)環(huán)219施加軸向力，從而迫使激勵(lì)環(huán)219軸向進(jìn)入鎖定環(huán)217中而提供將把鎖定環(huán)217的鎖定環(huán)支腿243、245壓到鄰近的搭接件209和211中的干涉配合。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，激勵(lì)環(huán)219可由送入工具等激勵(lì)?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖6，示出了圖5的密封件止動(dòng)環(huán)213、鎖定環(huán)217的下支腿231、聯(lián)接環(huán)218、螺栓槽230、螺栓232以及內(nèi)密封環(huán)組件215和外密封環(huán)組件216。如圖6中所示，內(nèi)密封環(huán)組件215包括上基座環(huán)233、中心環(huán)235和下基座環(huán)237。此外，內(nèi)密封環(huán)組件215包括多個(gè)密封環(huán)239和彈簧元件241。類似地，外密封環(huán)組件216包括上基座環(huán)234、中心環(huán)236、下基座環(huán)238、多個(gè)密封環(huán)240和彈簧元件242。優(yōu)選地，內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)234、內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236以及內(nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)238由高強(qiáng)度鋼等形成。此外，內(nèi)彈簧元件241和外彈簧元件242優(yōu)選由具有低屈服的高強(qiáng)度材料形成。內(nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)238在臺(tái)肩221、222處安裝至密封件止動(dòng)環(huán)213。內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)234在緊鄰內(nèi)彈簧元件241和外彈簧元件242且位于其軸向下方的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的軸向上方安裝至密封件止動(dòng)環(huán)113，使得在套管掛密封件200的制造期間預(yù)加載到內(nèi)彈簧元件241和外彈簧元件242中的軸向力將通過(guò)內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)234傳遞。內(nèi)彈簧元件241和外彈簧元件242緊鄰鎖定環(huán)217的下支腿231。在圖示實(shí)施例中，彈簧元件241、242包括軸向彈簧環(huán)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用其它彈簧元件。內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)234提供用于將軸向能從鎖定環(huán)217以及內(nèi)彈簧元件241和外彈簧元件242傳遞到內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的上基部。內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240包括一系列軸向堆疊的人字環(huán)。在截面中，各內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240具有V形并優(yōu)選具有一致的厚度。在安置之前，各內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240從其內(nèi)徑至其外徑的徑向?qū)挾刃∮诿芊獍继幍膹较驅(qū)挾?。在?nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)238開(kāi)始，內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240堆疊成使得內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的凹陷部分鄰近內(nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)237或與其接觸。然后，內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240以交替的材料層堆疊在內(nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)238的軸向上方，使得前一內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的尖端插入后一內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的凹陷部分中。在圖示實(shí)施例中，鄰近內(nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)238的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240包括諸如碳鋼等的金屬。接下來(lái)的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240包括諸如聚四氟乙烯等的熱塑性材料。接著熱塑性內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240，另一個(gè)金屬內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240堆疊在前一熱塑性內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的軸向上方。這一直持續(xù)到達(dá)到特定應(yīng)用所需的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的數(shù)量。在圖示實(shí)施例中，在內(nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)238與內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236之間使用5個(gè)內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用任何所需數(shù)量的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240。例如，實(shí)施例可包括使用3、5或9個(gè)內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240。內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236安裝至密封件止動(dòng)環(huán)，軸向介入鄰近但背對(duì)的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240之間。內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236的下環(huán)形表面與內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236的軸向下方的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的尖端大致一致。類似地，內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236的上環(huán)形表面與內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236的軸向上方的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的尖端大致一致。然后，內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240以交替的材料層堆疊在內(nèi)下中心環(huán)235和外中心環(huán)236的軸向上方，使得前一內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的凹陷部分收納后一內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的尖端。在圖示實(shí)施例中，鄰近內(nèi)中心環(huán)237和外中心環(huán)236的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240包括諸如碳鋼等的金屬。接下來(lái)的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240包括諸如聚四氟乙烯等的熱塑性材料。接著熱塑性內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240，另一個(gè)金屬內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240堆疊在前一熱塑性內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的軸向上方。這一直持續(xù)到達(dá)到特定應(yīng)用所需的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的數(shù)量。在圖示實(shí)施例中，在內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236與內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)234之間使用5個(gè)內(nèi)密封環(huán)230和外密封環(huán)240。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用任何所需數(shù)量的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240，并且可使用不同數(shù)量的內(nèi)密封環(huán)230和外密封環(huán)240。例如，實(shí)施例可包括使用3、5或9個(gè)內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240。類似地,可在內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236的上方和下方使用不同數(shù)量的內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240。例如，實(shí)施例可包括使用位于內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236上方的3個(gè)內(nèi)密封環(huán)230和外密封環(huán)240以及位于內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236下方的5個(gè)內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240。相反,實(shí)施例可包括使用位于內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236上方的5個(gè)內(nèi)密封環(huán)230和外密封環(huán)240以及位于內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236下方的3個(gè)內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240。類似地，內(nèi)密封環(huán)239的數(shù)量可不同于所使用的外密封環(huán)240的數(shù)量。內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)234的下環(huán)形表面與鄰近內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)240的內(nèi)密封環(huán)230和外密封環(huán)240的凹陷部分大致一致并鄰靠該凹陷部分。這樣，內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240由內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)234、內(nèi)中心環(huán)235和外中心環(huán)236以及內(nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)238束縛。在被激勵(lì)時(shí)，如下文更詳細(xì)描述的，施加在內(nèi)上基座環(huán)233和外上基座環(huán)234以及內(nèi)下基座環(huán)237和外下基座環(huán)238上的軸向力將導(dǎo)致內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240徑向向內(nèi)和向外展開(kāi)而與密封件止動(dòng)環(huán)213的圓柱形部件214、高壓罩205和套管掛203緊密密封接觸。這樣，使用了分開(kāi)的兩個(gè)內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240疊層，一個(gè)疊層中內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的尖端軸向向上，而一個(gè)疊層中內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的尖端軸向向下。這允許套管掛密封件200有效地雙向密封。不論是在套管掛密封件201的上方還是下方施加壓力，環(huán)狀空間200都將被密封?；跓崴苄原h(huán)和金屬環(huán)的不同特性來(lái)選擇內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的材料。優(yōu)選地，熱塑性環(huán)和金屬環(huán)兩者都必須在被激勵(lì)時(shí)徑向展開(kāi)。此外，熱塑性環(huán)不應(yīng)過(guò)快地?cái)D出。理想而言，金屬密封環(huán)將在熱塑性環(huán)擠出前徑向展開(kāi)。接著金屬環(huán)的展開(kāi)，熱塑性環(huán)擠出到套管掛203或高壓罩205中的任何磨損或劃痕中。優(yōu)選實(shí)施例使用填充有15%碳的PTFE用于熱塑性密封環(huán)，以及具有40ksi或更小的屈服強(qiáng)度的碳鋼金屬密封環(huán)。熱塑性密封環(huán)的備選實(shí)施例可使用PEEK或包括不同量的碳纖維、納米管、石墨顆粒等。在仍然其它實(shí)施例中，熱塑性密封環(huán)可用包含銅、錫、銅錫合金等的軟金屬環(huán)代替。這些材料提供從-20華氏度至350華氏度的套管掛密封件200的有效工作溫度范圍。內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的材料的適當(dāng)選擇歷經(jīng)由井運(yùn)行導(dǎo)致的任何方式的壓力或溫度循環(huán)而為套管掛密封件200給出20年的有效壽命。現(xiàn)在參見(jiàn)圖7，激勵(lì)環(huán)219具有經(jīng)激勵(lì)的套管掛密封件200。這里，套管掛送入工具(未示出)已迫使激勵(lì)環(huán)219進(jìn)入由鎖定環(huán)217限定的槽中。最初，施加至激勵(lì)環(huán)219的軸向力通過(guò)經(jīng)激勵(lì)環(huán)219向鎖定環(huán)217施加向下的軸向力而壓縮內(nèi)密封環(huán)組件215和外密封環(huán)組件216。施加至鎖定環(huán)217的向下軸向力還導(dǎo)致聯(lián)接環(huán)218軸向向下移動(dòng)至螺栓232在圓柱形部件214的螺栓槽230中的移動(dòng)所允許的極限。這樣，鎖定環(huán)217壓縮外密封組件216，并且聯(lián)接環(huán)218壓縮內(nèi)密封組件215。在圖示實(shí)施例中，內(nèi)密封環(huán)組件215和外密封環(huán)組件216的壓縮導(dǎo)致內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240徑向展開(kāi)。如圖8A中關(guān)于內(nèi)密封組件215但適用于內(nèi)密封組件215和外密封組件216所舉例說(shuō)明的，鄰近內(nèi)密封環(huán)239的內(nèi)上基座環(huán)233的表面與豎直軸線252形成角度Y。鄰近內(nèi)上基座環(huán)233的內(nèi)密封環(huán)239的臂的表面與豎直軸線252形成角度a。類似地，內(nèi)中心
環(huán)235與豎直軸線252形成不同于內(nèi)密封環(huán)239角度a的角度Cp。內(nèi)中心環(huán)235與豎直
軸線252形成不同于內(nèi)密封環(huán)239臂角度a的角度0。最后，內(nèi)下基座環(huán)237形成不同于內(nèi)密封環(huán)239臂角度a的角度0。在壓縮下，內(nèi)上基座環(huán)233、內(nèi)中心環(huán)235和內(nèi)下基座環(huán)237的不同角度導(dǎo)致內(nèi)密封環(huán)239展開(kāi)。通過(guò)使用有限元分析來(lái)確定上基座環(huán)233的角
度Y、內(nèi)中心環(huán)235的(p和P以及下基座環(huán)237的0，以便基于被密封部件的特定幾何
形狀和各個(gè)密封環(huán)中所使用的材料來(lái)產(chǎn)生與被密封部件的所需接觸。在一些情形中，密封
環(huán)239的角度a可大于0、0、Cp和Y ,而在其它情形中，a既可大于又可小于角度3、
0、(|)和Y組。在備選實(shí)施例中，這由于如上文關(guān)于圖4所述各內(nèi)密封環(huán)臂239和外密封
環(huán)臂240相對(duì)于鄰近的內(nèi)密封環(huán)臂239和外密封環(huán)臂240的不同角度而發(fā)生。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，各內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的角度可選擇成使得各個(gè)內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的密封效果隨著環(huán)狀空間201內(nèi)的流體或氣體壓力增加而增加。如上所述，密封組件215、216包括由密封環(huán)239、240組成的密封件疊層。各密封件疊層具有位于優(yōu)選由熱塑性材料組成的適應(yīng)性密封環(huán)239’ ’的軸向上方和下方的優(yōu)選由金屬組成的防擠出密封環(huán)239’。如圖8B中所示，在被激勵(lì)時(shí)，密封環(huán)239徑向展開(kāi)。展開(kāi)的防擠出密封環(huán)239’與高壓罩205和套管掛203接合，從而在上部防擠出密封環(huán)239’與下部防擠出密封環(huán)239’之間形成截留體積。截留體積抑制了適應(yīng)性密封環(huán)239’’的任何變形。密封環(huán)組件215上的軸向壓力使適應(yīng)性密封環(huán)239’’變形，從而導(dǎo)致適應(yīng)性密封環(huán)239’’流動(dòng)而與套管掛203密封接合。這樣，適應(yīng)性密封環(huán)239’’將在待由套管掛密封件200密封的區(qū)域內(nèi)填充套管掛203的任何受損區(qū)域254。類似地，適應(yīng)性密封環(huán)240’將在待由套管掛密封件200密封的區(qū)域內(nèi)填充高壓罩205的任何受損區(qū)域。在一些實(shí)施例中，位于適應(yīng)性密封環(huán)239’ ’上方和下方的防擠出密封環(huán)239’中的至少一個(gè)將密封至套管掛203。在這些實(shí)施例中，可針對(duì)特定目的來(lái)選擇各密封環(huán)239。例如，第一防擠出密封環(huán)239’可密封至套管掛203，適應(yīng)性密封環(huán)239’’可填充套管掛203的受損區(qū)域254，并且第二防擠出密封環(huán)239’可以不密封至套管掛203，同時(shí)仍抑制適應(yīng)性密封環(huán)239’’的變形。如圖7中所示，接著內(nèi)密封環(huán)組件215和外密封環(huán)組件216的壓縮和展開(kāi)繼續(xù)向激勵(lì)環(huán)219施加軸向力迫使激勵(lì)環(huán)219進(jìn)入由鎖定環(huán)217限定的槽中，從而迫使鎖定環(huán)支腿243、245徑向進(jìn)入套管掛203和高壓罩205的搭接件209、211中。向激勵(lì)環(huán)219進(jìn)一步施加軸向力導(dǎo)致鎖定環(huán)支腿243、245變形到搭接件209、211中，從而限制鎖定環(huán)217的軸向移動(dòng)。鎖定環(huán)217的軸向移動(dòng)的限制導(dǎo)致內(nèi)密封環(huán)組件215和外密封環(huán)組件216的繼續(xù)壓縮，從而有助于維持內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的展開(kāi)和環(huán)狀空間201的有效密封。在圖示實(shí)施例中，內(nèi)彈簧元件241和外彈簧元件242被預(yù)加載，使得內(nèi)彈簧元件241和外彈簧元件242在內(nèi)密封環(huán)組件215和外密封環(huán)組件216上施加軸向力。在套管掛密封件200的操作使用期間，套管掛密封件200將經(jīng)歷熱膨脹和收縮。套管掛密封件200的熱膨脹和收縮將導(dǎo)致鎖定環(huán)217軸向滑移，從而減輕內(nèi)密封組件215和外密封組件216上的軸向力。預(yù)加載的內(nèi)彈簧元件241和外彈簧元件242將在內(nèi)密封組件215和外密封組件216上施加軸向力，以在鎖定環(huán)217的軸向滑移事件期間維持內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240的展開(kāi)。這樣，套管掛密封件200維持環(huán)狀空間201的有效密封。在必須移除套管掛密封件200的情形中，送入工具固定至激勵(lì)環(huán)219并施加向上的軸向力。向上的軸向力使激勵(lì)環(huán)219從由鎖定環(huán)217限定的槽退出。作為響應(yīng)，鎖定環(huán)支腿243、245從它們?cè)诖罱蛹?09、211上的變形位置退出，從而解除對(duì)鎖定環(huán)217的鎖定。一旦鎖定環(huán)217從其鎖定位置被移除，軸向力便不再維持內(nèi)密封組件215和外密封組件216的壓縮，從而釋放由內(nèi)密封環(huán)239和外密封環(huán)240維持的密封而解除對(duì)環(huán)狀空間201的密封。然后，送入工具可從環(huán)狀空間201取回套管掛密封件200而不對(duì)套管掛203或高壓罩205造成損傷。因此，所公開(kāi)的實(shí)施例提供了優(yōu)于其它套管掛密封件的許多優(yōu)點(diǎn)。例如，本文公開(kāi)的實(shí)施例提供了在不使用彈性體密封元件的情況下密封受損的套管掛和高壓井口罩的套管掛密封件。此外，所公開(kāi)的實(shí)施例提供了能承受從-20華氏度至350華氏度的極端溫度范圍的具有20年預(yù)期壽命的密封件。此外，所公開(kāi)的實(shí)施例不需要干涉配合，而代之將密封件維持在比被密封的環(huán)狀空間更小的區(qū)域內(nèi)直到套管掛密封件被激勵(lì)，從而防止對(duì)井眼套管和套管掛密封件的另外損傷。最后，所公開(kāi)的實(shí)施例提供了可取回和可更換的套管掛密封件。雖然僅采用本發(fā)明的一些形式示出或描述了本發(fā)明，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言應(yīng)當(dāng)顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明并不受此限制，而是可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下容易地做出各種更改。
權(quán)利要求
1.一種用于在具有共同軸線的內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件(103，105)之間的環(huán)狀空間(101)內(nèi)密封的密封組件(100)，所述密封組件(100)包括 具有人字形幾何形狀的第一防擠出密封環(huán)(139’)； 具有人字形幾何形狀的第二防擠出密封環(huán)(139’)，所述第二防擠出密封環(huán)(139’)與所述第一防擠出密封環(huán)(139’)共軸并位于其軸向下方； 具有人字形幾何形狀的第一適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)，所述第一適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)與所述第一防擠出密封環(huán)(139’)和所述第二防擠出密封環(huán)(139’)共軸并介于二者之間； 其中，所述第一和第二防擠出密封環(huán)(139’)中的至少一者構(gòu)造成當(dāng)承受軸向力時(shí)與所述內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件(103，105)中的至少一者徑向接合；并且 所述第一適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)構(gòu)造成當(dāng)承受軸向力時(shí)與所述內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件(103，105)中的至少一者徑向接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封組件(100)，其特征在于，還包括 與所述第一和第二防擠出密封環(huán)(139’)以及所述適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)軸向?qū)?zhǔn)的彈黃(141);并且 其中，所述彈簧(141)維持所述第一和第二防擠出密封環(huán)(139’)以及所述第一適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)上的軸向力，由此維持所述密封環(huán)(139’，139’’)與所述內(nèi)、外環(huán)形部件(103,105)之間的徑向力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封組件(100)，其特征在于，還包括 具有人字形幾何形狀的第三防擠出密封環(huán)(139’)，所述第三防擠出密封環(huán)(139’)與所述第一和第二防擠出密封環(huán)(139’)共軸； 具有人字形幾何形狀的第四防擠出密封環(huán)(139’)，所述第四防擠出密封環(huán)(139’)與所述第一、第二和第三防擠出密封環(huán)(139’)共軸； 具有人字形幾何形狀的第二適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)，所述第二適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)與所述第三防擠出密封環(huán)(139’)和所述第四防擠出密封環(huán)(139’)共軸并介于二者之間；并且 其中，所述第一和第二防擠出密封環(huán)(139’)面向第一軸向，并且所述第三和第四防擠出密封環(huán)(139’)面向與所述第一軸向相反的第二軸向上，由此在被激勵(lì)時(shí)形成雙向密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封組件(100)，其特征在于，所述第一適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)包括具有不大于所述第一和第二防擠出環(huán)(139’)的彈性模量的一半的彈性模量的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封組件(100)，其特征在于 所述第一和第二防擠出密封環(huán)(139’)由從由金屬、聚合物、彈性體、陶瓷以及它們的復(fù)合物組成的組選擇的材料形成；并且 所述第一適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)由從由金屬、聚合物、彈性體、陶瓷以及它們的復(fù)合物組成的組選擇的材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封組件(100)，其特征在于，還包括 與所述第一防擠出環(huán)(139’)共軸并位于其軸向上方的上激活環(huán)(133)，所述上激活環(huán)(133)具有不同于所述第一防擠出環(huán)(139’)的鄰近表面的與所述軸線形成角度的下配合面；與所述第二防擠出環(huán)(139’)共軸并位于其軸向下方的下激活環(huán)(137)，所述下激活環(huán)(137)具有不同于所述第二防擠出環(huán)(139’)的鄰近表面的與所述軸線形成角度的上配合面； 其中，所述第一防擠出環(huán)(139’)與所述第一適應(yīng)性環(huán)(139’’)之間的配合面與所述軸線成相等的角度，從而允許所述第一防擠出環(huán)(139’)和所述第一適應(yīng)性環(huán)(139’ ’)沿所述配合面的長(zhǎng)度接觸； 其中，所述第二防擠出環(huán)(139’)與所述第一適應(yīng)性環(huán)(139’’)之間的配合面與所述軸線成相等的角度，從而允許所述第二防擠出環(huán)(139’)和所述第一適應(yīng)性環(huán)(139’ ’)沿所述配合面的長(zhǎng)度接觸；并且 其中，在軸向負(fù)載下，所述上、下激活環(huán)(133，137)配合面與鄰近的防擠出密封環(huán)(139’)之間的接觸導(dǎo)致所述第一和第二防擠出密封環(huán)(139’)以及所述適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)的徑向擴(kuò)展。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的密封組件(100)，其特征在于，所述第一防擠出密封環(huán)(139’)、所述第二防擠出環(huán)(139’)以及所述適應(yīng)性環(huán)(139’ ’)之間的配合面的角度導(dǎo)致密封壓力響應(yīng)于所述環(huán)狀空間(101)內(nèi)增加的壓力而增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封組件(100)，其特征在于，還包括 所述第一防擠出密封環(huán)(139’)，其具有與所述軸線形成角度的下配合面，所述角度不同于由鄰近的適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)的配合面與所述軸線形成的角度； 所述第二防擠出密封環(huán)(139’)，其具有與所述軸線形成角度的上配合面，所述角度不同于由鄰近的適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)的配合面與所述軸線形成的角度；并且 其中，在軸向負(fù)載下，所述配合面之間的接觸導(dǎo)致所述第一和第二防擠出密封環(huán)(139’)以及所述適應(yīng)性密封環(huán)(139’’)的徑向擴(kuò)展。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的密封組件(100)，其特征在于，所述第一防擠出密封環(huán)(139’)配合面和所述第二防擠出環(huán)(139’)表面的所述角度中的至少一個(gè)導(dǎo)致密封壓力響應(yīng)于所述環(huán)狀空間(101)內(nèi)增加的壓力而增加。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封組件(100)，其特征在于，還包括 具有人字形幾何形狀的第三防擠出密封環(huán)(239’)，所述第三防擠出密封環(huán)(239’)與所述第一和第二防擠出密封環(huán)(240’)共軸； 具有人字形幾何形狀的第四防擠出密封環(huán)(239’)，所述第四防擠出密封環(huán)(239’)與所述第一、第二和第三防擠出密封環(huán)(240’)共軸并位于所述第三防擠出密封環(huán)(239’)的軸向下方； 具有人字形幾何形狀的第二適應(yīng)性密封環(huán)(239’’)，所述適應(yīng)性密封環(huán)(239’’)與所述第三防擠出密封環(huán)(239’)和所述第四防擠出密封環(huán)(239’)共軸并介于二者之間； 其中，所述第三和第四防擠出密封環(huán)(239’)具有比所述第一和第二防擠出密封環(huán)(240’)的內(nèi)徑更小的外徑； 其中，所述第一和第二防擠出密封環(huán)(240’)中的至少一者的外徑表面在被激勵(lì)時(shí)密封至所述外環(huán)形部件(205)； 其中，所述第一適應(yīng)性密封環(huán)(240’’)的外徑表面在被激勵(lì)時(shí)密封至所述外環(huán)形部件(205)；其中，所述第三和第四防擠出密封環(huán)(239’)中的至少一者的內(nèi)徑表面在被激勵(lì)時(shí)密封至所述內(nèi)環(huán)形部件(203);并且 其中，所述第二適應(yīng)性密封環(huán)(239’’)的內(nèi)徑表面在被激勵(lì)時(shí)密封至所述內(nèi)環(huán)形部件(203)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的密封組件(100)，其特征在于，還包括 密封件止動(dòng)環(huán)(213)，其包括環(huán)形部件，所述環(huán)形部件限定由與所述軸線共軸的圓柱形部件(214)分隔的內(nèi)、外環(huán)形的面向上的臺(tái)肩(221，222)； 其中，所述密封件止動(dòng)環(huán)(213)可移除地聯(lián)接到用于所述密封組件(200)的插入和移除的送入工具； 其中，所述第一和第二防擠出密封環(huán)(240’)以及所述第一適應(yīng)性密封環(huán)(240’’)安裝至所述密封件止動(dòng)環(huán)(213)的外部面向上的臺(tái)肩(222);并且 其中，所述第三和第四防擠出密封環(huán)(239’)以及所述第二適應(yīng)性環(huán)(239’’)安裝至所述密封件止動(dòng)環(huán)(213)的內(nèi)部面向上的臺(tái)肩(221)。
12.一種用于在具有共同軸線的內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件(103，105)之間的環(huán)狀空間(101)內(nèi)密封的方法，所述方法包括 (a)提供密封環(huán)(139)； (b)將鎖定環(huán)(117)聯(lián)接到所述密封環(huán)(139)； (c)利用設(shè)置工具使激勵(lì)環(huán)(119)沿第一方向軸向移動(dòng)，以向所述鎖定環(huán)(117)施加軸向力，所述軸向力繼而作用在所述密封環(huán)(139)上，以使所述密封環(huán)(139)徑向變形而與所述環(huán)形部件(103，105)密封接合；以及 (d)繼續(xù)所述鎖定環(huán)(117)沿所述第一方向的軸向移動(dòng)，以使所述鎖定環(huán)(117)徑向變形而與所述環(huán)形部件(103，105)鎖定接合。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括向所述密封環(huán)(139)施加軸向力。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括在所述鎖定環(huán)(117)聯(lián)接到所述密封環(huán)(139)之后且在步驟(c)之前，將所述密封環(huán)(139)安放在所述內(nèi)、外部件(103,105)之間的密封凹處中面向上的表面(121)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐損傷的套管掛密封件。密封組件(100)插入具有共同軸線的內(nèi)、外共軸布置的環(huán)形部件(103，105)之間的環(huán)狀空間(101)內(nèi)。密封組件(100)包括具有適應(yīng)性元件(139'')的密封件疊層(115)，適應(yīng)性元件(139'')被夾置在容納該適應(yīng)性元件(139'')的流動(dòng)的兩個(gè)防擠出元件(139')之間。密封組件(100)還包括密封環(huán)(139)和聯(lián)接到該密封環(huán)(139)的鎖定環(huán)(117)。密封組件(100)還包括激勵(lì)環(huán)(119)，該激勵(lì)環(huán)構(gòu)造成由環(huán)工具沿第一方向軸向移動(dòng)，以向鎖定環(huán)(117)施加軸向力，該軸向力繼而作用在密封環(huán)(139)上，以使密封環(huán)(139)徑向變形而與環(huán)形部件(103，105)密封接合。鎖定環(huán)(117)沿第一方向的繼續(xù)軸向移動(dòng)使鎖定環(huán)(117)徑向變形而與環(huán)形部件(103，105)鎖定接合。
文檔編號(hào)E21B33/03GK103032042SQ20121037717
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月5日
發(fā)明者G.L.加勒, R.C.亨特 申請(qǐng)人:韋特柯格雷公司