[发明专利]软皮金属密封件和制造技术

说明书

技术领域

本发明大体上涉及井口组件，并且更具体而言，涉及用于在变形时改善密封的选择性地软化金属密封外皮表面的局部热处理工艺。

背景技术

密封件在内井口管状构件与外井口管状构件之间用来包含内井压力。内井口构件可以是套管悬挂器，其位于井口外壳中且支撑延伸入井中的套管柱。密封件或封隔件在套管悬挂器与井口外壳之间密封。备选地，内井口构件可以是油管悬挂器，其支撑伸入井中以用于生产流体的流的油管柱。油管悬挂器坐放在外井口构件中，外井口构件可以是井口外壳、采油树或油管头。封隔件或密封件在油管悬挂器与外井口构件之间密封。

现有技术中已经采用位于内井口构件与外井口构件之间的各种密封件。现有技术密封件包括弹性体环和部分金属及弹性体的环。完全由金属制成以用于形成金属对金属密封(MS)的现有技术密封环也已被采用。密封件可由液压促动的下入工具设置，或者它们可响应于套管柱或油管柱的重量而设置。一种类型的现有技术金属对金属密封具有密封主体，其带有由柱形狭槽分开的内壁和外壁，从而形成“U”形。激励环被推入密封件内的狭槽中以使内壁和外壁变形分开成与内井口构件和外井口构件的密封接合，井口构件可具有形成于其上的锯齿。激励环通常为实心楔形构件。密封件的内壁和外壁的变形超出密封环材料的屈服强度，从而产生永久变形。然而，由于构成密封件的金属相对较硬，所以内密封壁和外密封壁的一部分可能不提供可能的最佳密封。然而，由于密封件还必须能够应对其所承受的机械载荷，因此出现困境。

需要一种解决上述密封问题的技术。具体而言，需要一种在不损害密封件的载荷能力的情况下提高密封件的密封能力的技术。下面的技术可以解决这些问题。

发明内容

热处理工艺将被应用到在密封组件中使用的金属对金属密封件的密封表面。热处理降低了在密封表面区域的局部硬度。使用了将热输入以可控速率引导至密封表面的感应加热线圈。通过控制到密封件的密封表面的热输入，可以在上临界转变温度与下临界转变温度之间循环，这导致在密封件的铁素体基体中形成球状碳化物。这种微观结构变化扩展至由整个密封区域确定的有限宽度并且将局限于最大0.500英寸的表面下深度。软化区的宽度将是固定的，但深度将与暴露于峰值温度的时间成正比。该深度将相对于在最终加工时将移除的坯料移除量而变化，并且也根据密封区域中的强度要求而变化。有利的是将密封表面的强度降低至大约25至35K范围内的屈服强度，同时保持基材的50至70K的屈服强度范围。用于本发明的基材可以是具有大约60K的轧制后屈服强度的标准AISI G1030低碳钢。

密封组件定位在具有内孔的井口外壳与套管悬挂器之间。外壳通常定位在井的上端处且充当外井口构件。套管悬挂器具有用于支撑密封组件的下部的面朝上的肩部。金属对金属密封组件具有内密封腿和外密封腿，内密封腿带有抵靠套管悬挂器的柱形壁密封的内壁，外密封腿带有抵靠井口外壳内孔密封的外壁表面。密封表面已通过上文解释的热处理工艺软化。密封腿形成U形凹口(pocket)或狭槽。延伸部从外密封腿向下延伸并连接到具有面朝下的肩部的鼻形环，面朝下的肩部安放在套管悬挂器肩部上以提供用于设置操作的作用点。

固持在形成于鼻形环的上内部中的凹部内的锁环将密封件保持到鼻形环并允许取回。形成于鼻形环的上部上的面朝上的肩部接触内密封腿的下表面。面朝上的肩部在设置操作期间与下表面接触，并且在设置操作期间抵抗所施加的力。

当激励环被推入密封腿的U形狭槽内时，密封腿被向外推动以与内井口构件和外井口构件密封接合。软化的密封表面抵靠井口构件变形。形成于井口构件表面上的锯齿切入密封件的软化密封表面中。这提供了改善的密封。

将用于密封的材料和用于应对机械载荷的材料的硬度分开允许对于均匀强度密封件而言不可能的损伤容限和锁定性能组合。

本发明的优点在于：相比试图通过包覆较低强度材料而实现相同机械属性的设计，可变强度密封件的制造相对简单且成本更低。此外，在不损害机械载荷应对能力的情况下改善了密封。

由于来自压力和热增长的机械载荷要求不断增加，希望由更高强度的材料来加工环形密封件。通过提供相对软的外皮以用于改善的锯齿咬合和损伤容限，同时提供更硬的内壳以应对反复的极端压力和机械载荷，具有贯穿其截面的硬度变化的密封件主体材料解决了这些问题。

附图说明

图1是根据本发明的实施例处于未设置位置的具有软化密封区域的密封组件的剖视图；

图2是根据本发明的实施例处于设置位置的图1的密封组件的放大剖视图；