[发明专利]弹性金属-金属密封和方法

说明书

技术领域

概括来说，本发明涉及金属—金属密封，更尤其是涉及一种弹性金属—金属密封，在一个实施例中其安装在井头或BOP上以控制高压、高温、腐蚀性流体。

背景技术

金属—金属密封相比于非金属密封具有工作于更宽范围的温度、流体和压力下的优点。各种材料的非金属密封最好匹配特定范围的温度、流体和压力。操作者和制造商两者并不总是知道井头装置可能运用的工况，这增大了失效风险。

在过去，金属—金属密封通常由软金属制成，软金属变形，形成一次使用的密封件。软金属密封的一个问题在于，只要打开井头装置，就必须更换全部密封件。当使用一次以上时，已变形的材料不可能再次密封。另一个问题在于，这类密封不能总是形成初始密封，从而使打开井头装置并代替该密封件以及其它所有金属密封件成为必要。

为了使用现有技术中的硬质金属—金属密封，通常要求精确的容许误差，这实质上限制了可以密封的压力。此外，容许误差的小变化可能使密封无效。

就使用弹性金属—金属密封而言，它们易受获得初始密封和/或在较宽压力变化下维持密封的问题的困扰。

下列美国专利描述了有关制造金属—金属密封的各种现有技术成果：

1990年3月27日公布的Adamek等的美国专利号4,911,245公开了一种用于在井中利用多个圆周地轴向间隔的金属带密封套管的金属密封件。一镶嵌材料部分地填充在金属带之间的空腔内。金属带足够软，以在密封件被压紧而与套管接触时变形。这些带变形至与镶嵌材料齐平的程度。如果套管后来由于温度改变或拉伸载荷而相对于密封件轴向移动，则镶嵌材料将跨接带面，以维持密封。

1993年11月2日公布的Putch等的美国专利号5,257,792公开了一种用于在内、外同心井头部件之间进行密封的金属井头密封件，其包括具有平端和锥形端的环形金属密封件，所述金属密封件位于内、外部件之间。当内、外部件一起纵向移动以便设定金属密封件时，其中一部件上的施力锥体(forcingcone)接合用于密封的锥形端，一支承台肩接合平端。调节螺母调节锥形端和施力锥体之间的容许误差。

1988年9月20日公布的Bridges的美国专利号4,771,832公开了一种带有金属密封件的井头装置，所述金属密封件收容套管与井头外壳的孔之间的偏差。金属密封组件包括金属密封环和楔形环。密封环具有圆筒形内壁和圆锥形外壁。内、外壁的中心线彼此错开，从而使该环偏心。类似地，楔形环也具有圆锥形内壁和外壁。它的内、外壁彼此错开。这些环可以彼此相对旋转，以及相对于套管旋转，以使得楔形环外壁的轴线与井头外壳孔的轴线重合。密封环的内壁具有突出带，所述突出带由于金属软性而变形，以增强密封。

1965年1月19日公布的Pinkard的美国专利号3,166,345公开了一种改善的密封装置，其包括在位于油管头内的油管悬挂器元件的向上延伸的圆筒颈部与位于油管悬挂器的向上延伸的圆筒颈部上的机罩凸缘的凹坑或插孔之间进行密封的密封环。

1984年6月19日公布的Shinn的美国专利号4,455,040公开了油管头、油管头适配器和通过上、下压力激励密封组件密封环空流体或井下压力的油管悬挂器。密封组件是双向的、压力激励的，并且可以在高达30,000psi的工作压力下操作。各组件由屈服强度约为30,000psi的高弹性和可延展的316不锈钢制成的金属密封环构成，所述金属密封环具有截锥形状，锥体的上、下顶点在预应力状态下围起一个约28度的角。在轴向方向，密封环一端接合支撑环，另一端接合油管悬挂器台肩，两者与竖直(径向)平面成30度斜面。支撑环和油管悬挂器台肩分别由屈服强度为50,000psi和75,000psi的材料制成。施加于密封组件的预加载荷设定为使密封环在塑性上与较硬的环绕表面相一致，并和配合支撑环和油管悬挂器台肩一致，呈现30度的圆锥角。尔后，从任一轴向方向施加的工作压力将沿着相互作用表面的斜面分解成径向分量，这些径向分量进一步增强了沿着内、外密封表面的密封压力。由于这种双向压力增强的缘故，可以通过从位于两密封组件之间的公共测试端口施加测试压力，对两个密封组件进行测试。

1977年11月1日公布的Morrill的美国专利号4,056,272公开了一种油井管悬挂设备，其包括井头和支撑在其上的采油树，井头具有支撑在其中的油管悬挂器，一截头圆锥形金属衬垫提供了悬挂器与井头之间的金属—金属密封，一“X”横截面弹性金属衬垫提供了悬挂器与采油树之间的金属—金属密封。