專利名稱：縱向可移動(dòng)鉆桿件的密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壽命長的、通常為管形的橡膠或彈性密封件，具有一種緊靠可通過密封件縱向移動(dòng)的管件或鉆桿件密封的結(jié)構(gòu)，例如用于石油、天然氣、煤層甲烷、水或地?zé)峋械男D(zhuǎn)控制頭的密封膠皮密封件、旋轉(zhuǎn)爆裂防制件、分流器/防制件等。
在鉆井業(yè)中，密封件用于各種場合，包括旋轉(zhuǎn)爆裂防制件、承杯、管道和凱氏方鉆桿擦拭器、抽油桿導(dǎo)引件、套管保護(hù)件、密封箱橡皮、用于卷曲管套件的密封膠皮、輕制動(dòng)密封膠皮、以及用于旋轉(zhuǎn)控制頭或分流器/防制件的密封膠皮。例如密封膠皮用于旋轉(zhuǎn)控制頭中以繞一鉆具的鉆桿粗糙或不規(guī)則的外徑密封。密封膠皮目前制成密封膠皮的內(nèi)徑比任一種鉆桿件的最小外徑還要小很多(通常約1英寸)。當(dāng)部件縱向通過密封膠皮內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，可以連續(xù)產(chǎn)生密封。密封膠皮是自動(dòng)的，因?yàn)楫?dāng)在井的環(huán)形體中以及在旋轉(zhuǎn)控制頭的杯體中產(chǎn)生壓力時(shí)，壓力的分力抵壓在密封膠皮的外表面或輪廓上并將密封膠皮壓在鉆桿的外表面上，從而補(bǔ)充已存在于密封膠皮中的彈性伸展配合力。結(jié)果當(dāng)井孔壓力增大時(shí)產(chǎn)生一增大可密封性的有效的機(jī)械密封。
密封膠皮繞例如鉆管、鉆桿接頭、凱氏方鉆桿的粗糙和不規(guī)則外表面密封，并在耐磨強(qiáng)度和抗磨損性為重要標(biāo)志的鉆井工況下工作。在將密封膠皮用于旋轉(zhuǎn)控制頭中時(shí)，旋轉(zhuǎn)控制頭的縱向位置固定，因?yàn)槊芊饽z皮安裝在軸承組件上，使得密封膠皮與凱氏方鉆桿或鉆桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)但防止密封膠皮縱向移動(dòng)。這樣，包括較大直徑的頭對(duì)頭的連接區(qū)和較大直徑桿的鉆桿相對(duì)移動(dòng)作用在密封膠皮上并使密封膠皮內(nèi)表面磨損。
密封膠皮上的磨損經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)使密封膠皮變薄從而使密封膠皮失效。這種磨損在當(dāng)鉆桿更長地伸入密封膠皮時(shí)變嚴(yán)重和增強(qiáng)，例如當(dāng)鉆桿“進(jìn)”入或離開井時(shí)。在此行業(yè)中迫切需要密封膠皮有較長的磨損期。壽命較長的密封膠皮的優(yōu)點(diǎn)不僅是安全，而且在于費(fèi)用上，因?yàn)殚L壽命密封膠皮會(huì)減少密封膠皮必須更換的次數(shù)，否則會(huì)浪費(fèi)成本和花費(fèi)時(shí)間。
通常可知橡膠制品的機(jī)械特性會(huì)通過加入對(duì)芳族聚酰胺有纖維組織的短纖維(漿)以及對(duì)芳族聚酰胺浸漬短切纖維(DCF)而增強(qiáng)，例如在管、V帶和輪胎中。佐治亞洲Conyers的Akzo Nobel纖維公司就是這樣的增強(qiáng)制品的一個(gè)制造商，出售商標(biāo)為Twaron的產(chǎn)品。相似的產(chǎn)品可以從另一個(gè)制造商的商標(biāo)為Kevlar的產(chǎn)品中獲得。Twaron是Akzo的有機(jī)人造高性能對(duì)芳族聚酰胺纖維。其化學(xué)標(biāo)志是聚合(類-次苯基對(duì)酞酸)。
Twaron纖維已用于傳動(dòng)帶，其中短纖維增強(qiáng)橡膠位于簾布層下，短纖維垂直于傳遞能量的表面。在纖維方向中橡膠增強(qiáng)的硬度使傳動(dòng)帶具有較低的磨擦系數(shù)，工作時(shí)噪音級(jí)較低、循環(huán)壓縮過程中較低的熱量積累以及較高的傳動(dòng)能力。Twaron纖維還用于制造管件如汽車加熱器管，用連續(xù)的絲線結(jié)構(gòu)編織(對(duì)芳族聚酰胺)而加固。對(duì)芳族聚酰胺漿還用于有格柵的高壓管的內(nèi)襯里以提供一襯里增強(qiáng)的生強(qiáng)度以及一改進(jìn)的產(chǎn)品穩(wěn)定性、連接保持和較好的抗疲勞性。
Twaron纖維還用于輪胎中。在胎圈區(qū)，芳族聚酰胺短纖維比高級(jí)別的高的表面區(qū)炭黑具有較少的混合問題。通過高各向異性以及導(dǎo)致延長胎圈復(fù)合物壽命并在胎圈鋼絲和胎圈復(fù)合物之間保持粘結(jié)的加強(qiáng)動(dòng)態(tài)模量而提供。當(dāng)短纖維用于一輪胎胎紋復(fù)合物時(shí)，優(yōu)點(diǎn)包括輪胎的低滾動(dòng)阻力、較好的排水性、磨損更均勻且噪音更低。
在《橡膠世界》1994年6月刊發(fā)表的題為“短對(duì)芳族聚酰胺纖維加強(qiáng)物”的文章中，Akzo Nobel纖維公司的van der Pol和de Vos公開了對(duì)芳族聚酰胺漿或DCF可以對(duì)橡膠密封件和油井襯墊提供特定的優(yōu)點(diǎn)，包括在高溫下具有較好的機(jī)械特性、低蠕變、高耐磨性以及低溶劑膨脹性。Van der Pol和de Vos指出短纖維對(duì)橡膠提供了耐磨性并建議在例如V帶、膠鞋、密封件、滾子、油箱墊、墊圈、汽車管、傳送帶、氣動(dòng)輪胎、礦井和堤壩以及屋頂?shù)谋Ｗo(hù)物中使用Akzo公司的Twaron纖維。此文章在此做為參考。
盡管具有涉及橡膠增強(qiáng)特性的一般知識(shí)，但在用于鉆井件的密封件和擦拭件中仍有長期存在的問題。由于鉆桿或鉆井件相對(duì)于橡膠密封件或擦拭件運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生磨損。在從井中鉆取或生產(chǎn)石油或天然氣時(shí)，在所有橡膠密封件或擦拭件承受一部件例如鉆桿、凱氏方鉆桿、管道或用于密封、擦拭、制動(dòng)和/或封裝井液體的桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的所有鉆井或生產(chǎn)場合又都有磨損。這就迫切需要橡膠密封件或擦拭件能抵抗磨損并能比以前具有更長的工作壽命。
本發(fā)明提供了一種密封件或擦拭件，具有增強(qiáng)的抗磨特性和/或提供密封件或擦拭件較長壽命的形狀。短纖維可以混入橡膠或彈性材料中以改進(jìn)包括耐磨、抗拉強(qiáng)度和摩擦系數(shù)的特性。
一方面，本發(fā)明提供了一種密封膠皮，具有新的和改進(jìn)的各種橡膠的混合物以及位于密封膠皮端部和喉部的減少磨損的纖維。在本發(fā)明一個(gè)方面，在硬化以前短纖維混入橡膠或彈性體中以減小磨損并增長密封膠皮壽命。最好短纖維在端部徑向定位，這樣纖維末端暴露給一磨損表面從而抵抗磨損。在本發(fā)明另一實(shí)施例中，長纖維最好用在密封膠皮和喉部以增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度，從而密封膠皮可以承受井孔環(huán)形體中的高壓。這可以減少密封膠皮爆裂的可能從而增長密封膠皮的壽命。
在本發(fā)明另一方面，提供了一種密封膠皮，具有一內(nèi)部，包括一凸彎件，用于在一環(huán)形部和一向內(nèi)的錐部之間的過渡區(qū)。凸彎件通過起在壓力狀況和密封在密封膠皮中的鉆井或生產(chǎn)件之間的加強(qiáng)隔離件的作用而防止在高壓下爆裂。當(dāng)在環(huán)形件中產(chǎn)生壓力時(shí)，凸彎件壓入與鉆井或生產(chǎn)部件配合。凸彎件還提供一厚的磨損區(qū)用于在與端部伸展配合前容裝部件并使之居中。


圖1是使用本發(fā)明密封膠皮的一旋轉(zhuǎn)爆裂防制件的一立體示意圖；圖2是部分為剖視圖的本發(fā)明密封膠皮的一側(cè)視圖；圖3是本發(fā)明密封膠皮的一俯視圖；圖4是具有本發(fā)明第二實(shí)施例纖維的密封膠皮的一剖視圖；而圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例所做的密封膠皮試驗(yàn)性能的一圖表。
本發(fā)明提供了一種橡膠或彈性合成物，包括用于密封件、擦拭器等的纖維，以下通常稱為密封件或密封膠皮。本發(fā)明進(jìn)而提供了一種密封膠皮的壽命延長的結(jié)構(gòu)。術(shù)語“橡膠”或“多個(gè)橡膠”包括由自然或人造橡膠或彈性體制成的部件，而且此術(shù)語的這層意思貫穿本發(fā)明。
參照附圖尤其是圖1，整體示出一旋轉(zhuǎn)控制頭H。這種旋轉(zhuǎn)控制頭包括一杯形外殼10，外殼10包括一底部安裝法蘭10a和一分流出口10b。杯形外殼10有一通常如10c所示的孔，適于容裝一軸承組件和兩個(gè)密封膠皮，此組合體通常表示成一軸承和密封膠皮組件12。軸承和密封膠皮組件12由一合適的夾緊機(jī)構(gòu)14安裝在孔10c中。通常夾緊機(jī)構(gòu)14包括由一樞軸14c鉸接在一起的相對(duì)的半圓形夾緊臂14a和14b。夾緊臂14a和14b包圍杯形外殼10的上邊緣10d以及軸承和密封膠皮組件12的外軸承殼12a并與它們配合。
一鉆具件如凱氏方鉆桿(Kelly)15伸過軸承和密封膠皮組件12。應(yīng)理解本發(fā)明的密封膠皮可以用于涉及石油、天然氣、包括甲烷、水和地?zé)豳Y源的鉆井和生產(chǎn)操作。實(shí)例包括鉆桿件，例如鉆桿長度、卷曲套管、刀具和其它可以伸過軸承和密封膠皮組件12伸入井中向下打眼的管件。軸承和密封膠皮組件12為了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)安裝了一下密封膠皮16a和一上密封膠皮，上密封膠皮未示出但包含在一可轉(zhuǎn)動(dòng)的筒12b中?？赊D(zhuǎn)動(dòng)的筒12b連在一內(nèi)軸承殼(未示出)中，這在雙密封膠皮轉(zhuǎn)動(dòng)控制頭技術(shù)中是公知的。轉(zhuǎn)動(dòng)控制頭可從阿肯色州Fort Smith的威廉姆斯刀具公司中獲得，而7000和7100型是此應(yīng)用的典型。一上密封膠皮(未示出)和下密封膠皮16a為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而安裝，容裝伸過密封膠皮如16a的凱氏方鉆桿15或其它鉆井件。
盡管此描述是針對(duì)如圖1至4中所示的密封膠皮16的特定組成和結(jié)構(gòu)，但應(yīng)理解本發(fā)明的原理適用于鉆井件的其它類型的可旋轉(zhuǎn)和不可旋轉(zhuǎn)的密封件，應(yīng)用包括承杯、抽油桿導(dǎo)引件、套管保護(hù)件、密封箱膠皮、用于卷曲管套件的密封膠皮、制動(dòng)密封膠皮以及管道和凱氏方鉆桿擦拭器。
通常，在本領(lǐng)域中有許多公知的密封膠皮結(jié)構(gòu)。密封膠皮16是一種伸展-配合/自動(dòng)密封膠皮的一改進(jìn)型，其中繞鉆井件15密封的內(nèi)徑小于鉆井件15的外徑，這樣密封膠皮16的底部或頂端伸展以繞并靠在鉆井件15上緊配合。環(huán)形體中的井孔壓力將力施加在密封膠皮16上，從而在密封膠皮16的內(nèi)表面和鉆井件15的外表面之間自動(dòng)形成一機(jī)械密封。
密封膠皮失效是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生一種不安全的狀況，尤其是當(dāng)鉆井時(shí)如果在井孔中出現(xiàn)一種不希望存在的壓力波動(dòng)或“反沖”或酸性氣體時(shí)更是如此。將鉆井件15從井中連續(xù)抽出和重新插入會(huì)使密封膠皮16嚴(yán)重磨損。因?yàn)槟p一個(gè)嚴(yán)重的問題，通常要求鉆井操作者至少每24小時(shí)對(duì)密封膠皮16的狀況目視檢查一次。本發(fā)明的密封膠皮16設(shè)計(jì)成同現(xiàn)有的密封膠皮相比可以提供超強(qiáng)耐磨同時(shí)在一較寬的井壓力范圍內(nèi)保持較好的密封特性。
參見圖2和3，示出了本發(fā)明的密封膠皮16。密封膠皮16包括一通常為倒置圓錐的橡膠件20，其組成在下面詳細(xì)描述。橡膠件20具有一通常為倒置圓錐的外部構(gòu)形并且包括一通常為圓柱形外部20a和一通常為圓錐形的外部20b。橡膠件20在一底環(huán)邊緣20c和一頂環(huán)邊緣20d處終止。在制造過程中，一金屬環(huán)21插在頂環(huán)邊緣20d附近以容裝一系列線密封膠皮16的圓周在圓周方向間隔開的螺栓22，用于在軸承和密封膠皮組件12中安裝密封膠皮16。密封膠皮16可以通常限定成具有在此用字母T表示做為一喉部的上段和在此用字母N表示做為一端部的下段。
密封膠皮16的內(nèi)部包括一系列用于容納鉆井件15的表面區(qū)。一圓柱形表面20e與一凸彎件20f相連，而凸彎件20f又與一內(nèi)凹面部20g相連。內(nèi)凹面部20g與一向內(nèi)的錐形內(nèi)表面部20h相連，錐形內(nèi)表面部20h與一圓柱形內(nèi)部20i相連，圓柱形內(nèi)部20g最終終止在一內(nèi)圓角部分20j處。凸彎部20f的曲率半徑基本大于凹彎部20g。圓柱形內(nèi)部20i的內(nèi)直徑小于各種鉆井件15的最小直徑。
這樣，圓柱形內(nèi)部20i必須伸展以容納穿過密封膠皮16孔的鉆井件15。此伸展配合提供了一種繞鉆井件16的緊密的機(jī)械密封防止在鉆井件15的外表面和圓柱形內(nèi)部20i之間泄漏。如果鉆井件15旋轉(zhuǎn)，則密封膠皮16隨之旋轉(zhuǎn)。如果在井孔的環(huán)形體中產(chǎn)生壓力，氣流從分流出器導(dǎo)出以控制壓力。井孔環(huán)形體中的壓力向外部20a和20b施加力，使圓柱形內(nèi)部20i更緊密地壓靠在鉆井件15上。
凸彎件20f在高壓狀態(tài)下向密封膠件16提供額外的強(qiáng)度，減小由于爆裂造成密封膠皮16失效的可能性，這種爆裂會(huì)劃破和撕裂膠皮從而使密封失效。位于密封膠皮的端部N中的內(nèi)部20i提供了對(duì)鉆井件或凱氏方鉆桿15的密封，但表面20e、20f、20g和20h不提供密封。
在所示的實(shí)施例中，密封膠皮16外部20a的整個(gè)直徑為15英寸而圓柱形內(nèi)部20i的內(nèi)直徑為4.125英寸。整個(gè)高度即從頂環(huán)邊緣20d至底環(huán)邊緣20c的距離約為10至14英寸。對(duì)這樣一種尺寸或相似尺寸的密封膠皮，凸彎件20f的半徑為0.75英寸。
當(dāng)鉆井件15插入密封膠皮16中時(shí)，凸彎件20f起一緩沖器的作用使部件15居中。當(dāng)較大的鉆井件15通過密封膠皮16時(shí)，凸彎件20f引進(jìn)需要容納這些較大直徑的鉆井件15面積額外的伸展步驟。
當(dāng)鉆井時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)控制頭的杯形外殼10中的高壓，凸彎件20f在密封膠皮的喉區(qū)T中提供了額外的膠皮強(qiáng)度和質(zhì)量(如橫截面區(qū)所示)，而且在高壓鉆井或“反沖”壓力波動(dòng)下，凸彎件20f的存在起在喉部T支承在鉆管或其它部件上之前限制喉部T行程的作用。這可以減少在壓力極度高的情況下密封膠皮16爆裂的趨勢。
環(huán)形體中的高壓提供了一個(gè)力試圖剪切喉部T。此力將凸彎件20f壓在鉆井件或凱氏方鉆桿15的外表面上，鉆井件或凱氏方鉆桿15抵抗壓力。由于凸彎件20f壓在鉆井件15上，喉部主要位于壓縮狀態(tài)而不是膨脹。比起張力橡膠更容易抵抗壓力。理論上，凸彎件20f的形狀還可以改變張力的分布，但無論何時(shí)，凸彎件20f可以幫助密封膠皮16抵抗高壓力。
密封膠皮16的失效有兩個(gè)主要原因密封膠皮在端部N的在機(jī)械密封區(qū)20i磨損或在喉部T爆裂。凸彎件20f可以增強(qiáng)密封膠皮16在喉區(qū)T抵御爆裂的抗壓性。
本發(fā)明的另一方面是向橡膠混合物中加入纖維以分別增強(qiáng)密封膠皮16的端區(qū)N和喉區(qū)T的耐磨性和抗壓性。
用于制造密封膠皮16的各種橡膠包括自然橡膠、腈橡膠、異丁烯橡膠以及乙撐丙烯二胺橡膠。另外，“密封膠皮”包括做為另一種材料的聚氨酯。通常，自然橡膠用于基于水的鉆探泥漿中。在表1中給出了一種典型的自然橡膠的組分，其中添加劑以每一百份橡膠中的含量的比例給出(PHR)。
當(dāng)控制頭暴露在基于油的鉆探泥漿中時(shí)，可知應(yīng)使用腈類的橡膠成分。典型的腈類橡膠有40％的ACN和如表1所示的添加劑，但應(yīng)理解這些成分可以變化。
而且，當(dāng)環(huán)境是地?zé)豳Y源時(shí)，可知應(yīng)使用異丁烯類橡膠成分。一種典型的組分是有90％的丁基和10％的乙撐丙烯二胺(EPDM)橡膠以及表1所述的添加劑。
當(dāng)密封膠皮將暴露在一潛在的化學(xué)腐蝕時(shí)，可以使用高濃度的EPDM橡膠。一種典型的組分是有約80％的丁基和20％的EPDM以及表1所述的添加劑。
本發(fā)明涉及將特定纖維混入橡膠中的方面可用于任何橡膠組分，此組分在表1中示出。通過增加纖維而使特性增強(qiáng)可用于各種類型的可旋轉(zhuǎn)或不可旋轉(zhuǎn)的用于鉆井和生產(chǎn)應(yīng)用中的密封、擦拭器以及密封件中。但本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例是針對(duì)特定的應(yīng)用，即上述用于一旋轉(zhuǎn)控制頭或相似裝置中的耐磨損、高性能密封膠皮16。
本發(fā)明是針對(duì)一系列適于增強(qiáng)用做鉆井件密封件和擦拭件的各種橡膠組分的耐磨性、抗拉強(qiáng)度以及其它特性的對(duì)或偏芳族聚酰胺纖維。對(duì)芳族聚酰胺纖維被認(rèn)為是聚合物(對(duì)-苯撐對(duì)苯二亞甲基)。對(duì)芳族聚酰胺有纖維組織的短纖維(漿)，對(duì)芳族聚酰胺浸漬短切的纖維(DCF)，以及對(duì)芳族聚酰胺纖維粉可以混入橡膠中以增持定的特性，包括耐磨性和抗拉強(qiáng)度。當(dāng)使用對(duì)芳族聚酰胺纖維粉時(shí)，最好加入的重量小于10％，最好重量為3～4％。
在向橡膠中加入這種纖維時(shí)必須小心以確保纖維粘結(jié)在橡膠或彈性物上并確保纖維在橡膠中最優(yōu)分布。纖維和橡膠之間的物理化學(xué)粘結(jié)可以通過在纖維混入橡膠之前在纖維上施加一粘結(jié)劑層而獲得。包含間苯二酚甲醛-乳膠(RFL)的配方可以用于對(duì)芳族聚酰胺纖維以增強(qiáng)纖維和橡膠之間的粘性。通過適當(dāng)?shù)幕旌稀⑾蚶w維和橡膠的混合物施加足夠的剪切力可以取得合適的分布。纖維分布不適當(dāng)會(huì)使纖維在橡膠制品中結(jié)團(tuán)，產(chǎn)生潛在失效。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，密封膠皮16的整個(gè)纖維組分混有短的、耐磨的增強(qiáng)纖維，長度基本小于10mm并最好約1～3mm。這種高耐磨纖維的一個(gè)來源來自佐治亞州Conyers的Akzo Nobel纖維公司，通過其外地加工制造并以商標(biāo)Twaron出售適當(dāng)?shù)睦w維，這在本發(fā)明背景技術(shù)中介紹過。這些以Twaron牌出售的纖維具有在“5000-5011”范圍中的纖維標(biāo)號(hào)并限定為滾壓纖維并已知通常可以增強(qiáng)纖維制品的耐磨性。對(duì)芳族聚酰胺纖維還可以從Akzo Nobel纖維公司中定量生產(chǎn)的商標(biāo)為TRELL-MB的纖維中獲取，它包含40％的芳族漿(Twaron)，40％的炭墨(半增強(qiáng))和20％的聚合橡膠相容劑。由于短-纖維-橡膠混合物比橡膠硬很多，因此可用來增強(qiáng)和形成一尺寸穩(wěn)定的橡膠。對(duì)芳族聚酰胺可用做一連續(xù)的絲線、短纖維或漿纖維。對(duì)芳族聚酰胺具有很強(qiáng)的晶體結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度、高的分解溫度以及耐高溫和抵抗大多數(shù)有機(jī)溶劑的特性。
長度為1-3mm的短對(duì)芳族聚酰胺纖維在制造過程中混入橡膠組分中，使得纖維方向隨機(jī)分布。纖維加入的重量基本小于10％，最好約2％。一適當(dāng)部分的短纖維通常在密封膠皮16的端區(qū)N中徑向定位。另外，可以觀察到端部N對(duì)鉆井件有較高的潤滑作用，這可能主要由于在端部N中通?？v向定位的纖維部分。徑向定位的目的是將短纖維的末端提供或暴露給通過密封膠皮端部N、尤其是內(nèi)圓柱形磨損部20i區(qū)域移動(dòng)的鉆井件15的磨損作用。在端區(qū)N加入短纖維使密封膠皮16可以保持其可伸展性或伸長以容納通過密封膠皮內(nèi)部移動(dòng)的管件但同時(shí)提供額外的磨損增強(qiáng)能力，從而增加密封膠皮16的壽命。
在另一實(shí)施例中，對(duì)芳族聚酰胺漿或DCF通過砑光生橡膠定位在機(jī)器方向中。此生橡膠從而放置在一模具中以制造密封膠皮16。生橡膠放置在模具中從而使通常保持住定位并通常指向端部N中的徑向。在此方式中，纖維的一大部分定位成纖維末端與鉆井件15接觸，提供抗磨損的表面區(qū)域。通過使橡膠硬化，使橡膠承受熱和壓力經(jīng)過一持定時(shí)間而制成密封膠皮16，這對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員為公知。為此，這里參考了授予Saito等人的美國專利No.s 5,526,859和授予Kumazaki的美國專利No.s 5,498,212。
在如圖4所示的另一實(shí)施例中，密封膠皮的端部N由相同的短切的Twaron纖維制成，長度約1-3mm，而且數(shù)量充足例如重量為2％，以提供通常徑向定位的充足的纖維，對(duì)端部N提供抗磨損性，這是由于徑向纖維末端部分具有耐磨性。在此實(shí)施例中，上喉部T包含在喉區(qū)T中縱向定位的長的Twaron纖維，以提供額外的抗拉強(qiáng)度。此纖維重量小于10％，最好是約2％，尺寸范圍為約3mm以上。由于加入重量為2％的Twaron，可以去除相同量的炭墨。最好在具有內(nèi)表面20f、20g和20h的喉區(qū)T中的纖維具有3-10mm的長度。
當(dāng)在密封膠皮16外表面上生成高壓時(shí)這些較長的纖維提供額外的抗拉強(qiáng)度以抵抗密封膠皮16爆裂的可能。較長的纖維減少了可伸展性，但可伸展性不是喉區(qū)T的一個(gè)基本特征，而抗壓性能才是所需的關(guān)鍵特性。喉區(qū)T通常限定為密封膠皮16的上部1/3至1/2，在喉區(qū)T中利用較長的Twaron纖維與在端區(qū)N中使用短纖維相結(jié)合可以增強(qiáng)耐磨性但仍可以具有可伸展性或伸長率，使生成的密封膠皮16具有較強(qiáng)的抗外壓能力但同時(shí)在與鉆井件15的配合區(qū)具有較長的耐磨性。
本發(fā)明制造密封膠皮16的方法通常利用公知的技術(shù)制造壓縮模制的密封膠皮。通常，橡膠、自然橡膠、腈橡膠或其它橡膠板為4英尺×4英尺厚約為1/2英寸的部分。這些板切成約6英寸的條并在公知的砑光設(shè)備中砑光或擴(kuò)展。當(dāng)這些板擴(kuò)展時(shí)，生成的砑光的部件一次次的填回并經(jīng)過砑光處理，這樣橡膠以一種公知的方法揉制。在此過程中，所要的纖維加入重量約2％的量。端部N的短纖維以充足的量徑向定位以在下面所述最終產(chǎn)品中增強(qiáng)內(nèi)表面20i的耐磨性。
在大約25或30磅通過砑光處理且纖維已加入并混合在其中后，砑光后的材料于是被切成條并卷成一螺旋形或餅圈形并接著插入一典型的壓縮模具中，此模具在此情況下具有密封膠皮16的構(gòu)形。接著用電熱臺(tái)板施加液壓壓力以將揉制的材料壓成并硬化成密封膠皮16。除了所述的本發(fā)明密封膠皮16的組分和特定結(jié)構(gòu)外，密封膠皮制品的實(shí)際制造和硬化其余過程是本領(lǐng)域公知的。
應(yīng)加入纖維以最大限度地利用其特性，而且纖維應(yīng)定位在一合適的方向中。例如，凸彎件20f在當(dāng)鉆井件15撞入并沿其滑動(dòng)時(shí)承受磨損。纖維最好定位成末端在凸彎件20f內(nèi)表面和在圓柱形內(nèi)部20i內(nèi)表面上暴露。在混合處理過程中通過使用常規(guī)的彈性組合工藝如擠壓、滾壓或上述的砑光而使纖維定位在生橡膠中。這些組合工藝將纖維定位在機(jī)器方向中。此定位可以保持和施加在密封膠皮16中。
砑光的橡膠板具有通?？v向即在機(jī)器方向中定位的纖維。通過在機(jī)器橫向切割成條并將這些條放入一端部N的橫具中，纖維可以在端部N中通常徑向定位，以便纖維30的末端在內(nèi)表面上暴露。這在圖4中示出，其中纖維30的末端在圓柱形內(nèi)部20i的內(nèi)表面暴露，提供一抗磨損的表面。對(duì)喉部T，條可以在具有長纖維32的橡膠的機(jī)器方向中切割并垂直放入模具中，以使長纖維32通?？v向定位于密封膠皮16中或通常平行于外部20a或20b的表面。這些喉部T中的纖維極大增強(qiáng)了橡膠合成物的抗拉強(qiáng)度，使密封膠皮16可以抵抗由高壓在外部20a或20b表面上施加的極大的力。
參見本發(fā)明密封膠皮的第一實(shí)施例，其中全部密封膠皮組分中有重量2％的1-3mm的Twaron滾壓纖維用于增強(qiáng)耐磨損度，路易斯安娜州立大學(xué)的石油工程技術(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室在一個(gè)威廉姆斯刀具公司的7100型旋轉(zhuǎn)控制頭中對(duì)這種密封膠皮進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。7100型研制成延伸和/或平衡水平的鉆井操作至更大的深度和更高的形成芯壓力。7100型經(jīng)過檢測至10,000psi(磅/寸2)并設(shè)計(jì)成當(dāng)管道為靜止時(shí)而且鉆井或密封操作的工作壓力為2,500psi時(shí)工作壓力為5,000psi。由于這些高壓操作，研制了本發(fā)明的密封膠皮。公知的是當(dāng)一鉆桿接頭在高壓下通過一密封膠皮的端部或密封區(qū)N時(shí)、尤其是當(dāng)鉆桿接頭或其它的管件從井中取出時(shí)旋轉(zhuǎn)控制頭經(jīng)歷最嚴(yán)重的工況。
在此試驗(yàn)中，使用了一340,000磅的液壓修井裝置以使一具有一6.625英寸鉆桿接頭的5英寸鉆管在各種井頭壓力下通過一旋轉(zhuǎn)控制頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)。使用的鉆桿接頭在兩個(gè)箱上部具有一18度的錐度并沒有加硬圈或標(biāo)識(shí)環(huán)槽。此實(shí)驗(yàn)是在路易斯安娜州Houma的液壓井控公司中進(jìn)行。
在此實(shí)驗(yàn)使用一高速數(shù)據(jù)識(shí)別系裝記錄的一典型的數(shù)據(jù)歷程示于圖5。在此歷程中，使用一Triplex水泥泵通過將水引入試驗(yàn)臺(tái)中而使管套壓力首先增至1500psi。壓力由一Swaco自動(dòng)節(jié)流口控制，使得在到達(dá)指定壓力后使水可以從旁路回到吸收箱中。接著鉆管向下通過密封膠皮進(jìn)入模擬的井中。在圖表中示出的第一正管套壓力峰值和輕制動(dòng)液壓壓力峰值相應(yīng)于鉆管通過密封膠皮向下的運(yùn)動(dòng)。接著通過減小液壓活塞頂部的壓力使鉆管向上轉(zhuǎn)并離開模擬井。這相應(yīng)于管套壓力和輕制動(dòng)壓力圖上的第一局部最小值。它還相應(yīng)于輕制動(dòng)裝置的液壓活塞下的液壓提升壓力中的峰值。
在鉆管轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出模擬井四次后，管套的壓力改變了500psi。注意對(duì)所示的試驗(yàn)歷程，鉆管轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出井回次每次的管套壓力為1500psi，2000psi，2500psi，2000psi，1500psi以及1000psi。當(dāng)由刀頭切割出一新斷面時(shí)則模擬出典型的欠平衡的鉆井工況。(一較高濃度的氣體循環(huán)至表面使得在降回所需操作壓力之前管套壓逐漸到達(dá)一峰值)。每次歷程后，會(huì)進(jìn)行一個(gè)50psi的五分鐘靜低壓試驗(yàn)或-5000psi的高壓試驗(yàn)。進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，其中使一隔離閥關(guān)閉以減小系統(tǒng)容積并能檢測出一非常小的泄漏。重復(fù)此歷程九次并且隨后將密封件取出檢查磨損情況。
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中還進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)使管套壓力保持2500psi的恒定值。這樣做是為了檢驗(yàn)當(dāng)在其工作壓力連續(xù)操作時(shí)可以保證密封件的壽命。靜低壓試驗(yàn)象在其它試驗(yàn)中一樣每隔24個(gè)接頭進(jìn)行。當(dāng)在設(shè)定的工作壓力取得合適的試驗(yàn)結(jié)果后，在整個(gè)試驗(yàn)過程中還進(jìn)行使管套壓力保持在3000psi恒定值的試驗(yàn)。這樣做是為了確定期望的高于工作壓力的壓力下磨損率逐步升級(jí)的情況。
試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下
在這些實(shí)驗(yàn)中觀察到的磨損在低壓或高壓下都不會(huì)導(dǎo)致密封能力的損失。密封膠皮的磨損率在2500psi的工作壓力以上明顯加快并且當(dāng)鉆桿接頭向下轉(zhuǎn)時(shí)更嚴(yán)重。盡管在高于2500psi的壓力下用7100型鉆井并不合適，但結(jié)果表明甚至在3000psi也可以取得顯著的密封膠皮壽命。
相信這些試驗(yàn)結(jié)果對(duì)本發(fā)明密封膠皮16的第一實(shí)施例成功之處有一積極的證明，其中短切的纖維的均勻混合物在密封膠皮組分中混合。表2的結(jié)果所示的耐磨損性認(rèn)為很顯著并將提供一些比現(xiàn)有技術(shù)性質(zhì)更好的密封膠皮。
以上描述了本發(fā)明，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言可以明顯進(jìn)行各種工藝、步驟、材料和設(shè)備的改動(dòng)。所有這些變化都包含在權(quán)利要求的范圍和主旨內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于密封一油田部件的密封橡皮，包括一通常為圓柱形的上喉部；一通常為圓錐形的下端部，其中端部具有一內(nèi)部，內(nèi)部包括一向內(nèi)的錐部，一在向內(nèi)的錐部之下的圓柱部；以及一在喉部和端部之間的過渡部，其中過渡部具有一內(nèi)部，包括與喉部相鄰的一凸彎件和在凸彎件和端部向內(nèi)的錐部之間的一凹件。
2.如權(quán)利要求1所述的密封橡皮，其特征在于，使用一種橡膠材料并且纖維混入橡膠材料中，纖維長度小于4mm。
3.如權(quán)利要求2所述的密封橡皮，其特征在于，纖維小于約2％的重量。
4.如權(quán)利要求3所述的密封橡皮，其特征在于，纖維是一種芳族纖維。
5.一種用于石油和天然氣井、水和地?zé)峋械你@井件密封，包括一種橡膠材料，以及混入橡膠材料中的纖維，其特征在于，纖維和橡膠材料經(jīng)過硬化形成一有孔的密封件，密封件可以伸展以容裝縱向插入孔中的油田部件，而且纖維增強(qiáng)密封件的抗磨損性，延長密封件的工作壽命。
6.如權(quán)利要求5所述的密封，其特征在于，纖維是長度在約1至4mm之間的一種漿。
7.如權(quán)利要求5所述的密封，其特征在于，纖維是浸漬、短切的纖維。
8.如權(quán)利要求5所述的密封，其特征在于，纖維是芳族聚酰胺纖維。
9.一種用于鉆井件、具有一端區(qū)和一喉區(qū)的密封橡皮，包括一種橡膠材料，以及混入橡膠材料中的纖維，其特征在于，纖維和橡膠材料經(jīng)過硬化形成具有一端區(qū)和一喉區(qū)有一通常的通孔的密封件，密封件在端區(qū)可以伸展以容裝從縱向插過孔的鉆井件，而且纖維增強(qiáng)密封件的抗磨損性，延長密封件的工作壽命。
10.如權(quán)利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，纖維在端區(qū)通常徑向定位。
11.如權(quán)利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，纖維在喉區(qū)通常縱向定位。
12.如權(quán)利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，在喉區(qū)和端區(qū)都包含纖維，而且纖維在端區(qū)通常徑向定位而在喉區(qū)通?？v向定位。
13.如權(quán)利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，在端區(qū)的纖維長度小于10mm。
14.如權(quán)利要求13所述的密封橡皮，其特征在于，在喉區(qū)的纖維長度大于約2mm。
15.如權(quán)利要求14所述的密封橡皮，其特征在于，纖維在1％-4％的重量之間。
16.如權(quán)利要求9所述的密封橡皮，其特征在于，纖維是一種芳族聚酰胺纖維。
17.如權(quán)利要求9所述的密封橡皮，進(jìn)一步包括在喉區(qū)和端區(qū)之間的一過渡區(qū)，其特征在于，過渡區(qū)具有一內(nèi)部，包括與喉區(qū)相鄰一凸彎件及在凸彎件與端區(qū)之間的一凹件，所述凸彎件具有比凹件較大的曲率半徑。
18.一種制造鉆井件密封件的方法，包括將纖維加入一橡膠材料中揉制橡膠材料；以及在一模具中硬化橡膠材料以形成具有一孔的密封件，其特征在于，密封件可以伸展以容裝在縱向插入井中的油田部件，而且纖維增強(qiáng)密封件的特性，延長密封件的工作壽命。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，密封件有一內(nèi)表面，而且纖維徑向定位，這樣當(dāng)密封件承受磨損時(shí)，纖維在內(nèi)表面暴露。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，密封件具有一喉部和一端部，纖維在端部徑向定位而在喉部縱向定位。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，喉部的纖維通常比端部的纖維長。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，密封件具有一喉部和一端部，進(jìn)一步包括在硬化步驟之前定位纖維并將橡膠材料放入模具中，以使纖維端部徑向定位。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，纖維在喉部縱向定位。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，密封件是一密封橡皮，具有一喉部，一端部，以及喉部和端之間的一過渡部，其中過渡部具有一與喉部相鄰的凸彎件以及在凸彎件和端部之間的一凹件。
全文摘要
一種用于石油、天然氣以及地?zé)峋拿芊庀鹌?16),具有一內(nèi)表面設(shè)計(jì),包括在密封橡皮(16)的喉區(qū)(T)中的一環(huán)形凸彎部(20f),以在一管件(15)插過密封橡皮(16)的過程中提供對(duì)密封橡皮(16)額外的支撐。在一個(gè)實(shí)施例中密封橡皮(16)的組分具有通過在密封橡皮(16)中均勻混入Twaron
文檔編號(hào)E21B33/08GK1246909SQ98802344
公開日2000年3月8日 申請(qǐng)日期1998年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月6日
發(fā)明者唐·M·漢尼根, 約翰·R·威廉斯 申請(qǐng)人:約翰·R·威廉斯