纖維增強(qiáng)密封元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開一般涉及用于在旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)中使用的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備(RCD)的密封元件，且尤其涉及用于RCD的纖維增強(qiáng)密封元件。
【背景技術(shù)】
[0002]在鉆井期間，鉆地鉆頭通常安裝在鉆柱的下端，并旋轉(zhuǎn)以通過旋轉(zhuǎn)鉆柱來形成井眼。在該過程中，不穩(wěn)定的壓力和不受控制的流(被稱為地層“反沖”壓力涌動(dòng))可源自于井儲(chǔ)層，這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性井噴。因?yàn)榈貙臃礇_是不可預(yù)測(cè)的，并且將另外導(dǎo)致災(zāi)難，所以在大多數(shù)現(xiàn)今所鉆的井上需要被稱為防噴器(“Β0Ρ”)的流控制設(shè)備。BOP通常冗余地層疊安裝，并且用于密封、控制和監(jiān)測(cè)油氣井。
[0003]一種常見類型的BOP是環(huán)形防噴器。環(huán)形BOP被構(gòu)造來密封鉆柱與井眼環(huán)隙之間的環(huán)形空間。環(huán)形BOP通常是環(huán)面形狀，并被構(gòu)造來在各種鉆柱尺寸周圍進(jìn)行密封，或替代地在非圓柱物體(諸如多邊形的方鉆桿驅(qū)動(dòng)器)周圍進(jìn)行密封。由通過較大直徑的連接器連接的鉆桿形成的鉆柱可螺紋通過環(huán)形Β0Ρ。環(huán)形BOP不被設(shè)計(jì)成固定的，同時(shí)當(dāng)其在鉆井期間旋轉(zhuǎn)時(shí)保持在鉆柱周圍的密封，因?yàn)槭广@柱旋轉(zhuǎn)通過環(huán)形BOP將使其快速磨損，這導(dǎo)致防噴器無法密封所述井。
[0004]在一些鉆井操作中，位于BOP疊層的頂部上的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備(RCD)在控制壓力和欠平衡鉆井下被用來在鉆井操作的高壓區(qū)域與低壓區(qū)域之間介接。在這種類型的鉆井期間，在遠(yuǎn)高于大氣的壓力下保持井眼，這產(chǎn)生如何在不損失井壓和流體的情況下使鉆桿進(jìn)入井內(nèi)的問題。所述RCD在井眼與鉆桿之間形成密封，使得鉆柱可在不損失井壓的情況下垂直并旋轉(zhuǎn)地移動(dòng)。
[0005]允許分隔高壓區(qū)域與低壓區(qū)域的RCD中的關(guān)鍵組件是RCD密封元件。RCD密封元件由核心和彈性體組成。核心被模制到彈性體的上游端，并用于將元件緊固到RCD。核心可被制成許多形狀和尺寸，并且由許多材料制造。例如，RCD核心可由鋼制成，并被稱為罩(cage)。RCD密封元件還可被稱為密封橡膠。
[0006]使具有不同直徑的鉆柱通過RCD密封元件的中心。當(dāng)前RCD密封元件被制造，使得RCD密封元件的內(nèi)直徑小于通過其的鉆柱的任何部分的最小外直徑。當(dāng)鉆柱的各個(gè)部分縱向移動(dòng)通過密封橡膠的內(nèi)部時(shí)，持續(xù)保持密封。
[0007]RCD密封元件在粗糙且不規(guī)則的表面(諸如，在鉆柱上形成的那些表面)周圍進(jìn)行密封，并且經(jīng)歷其中強(qiáng)度和耐磨性是非常重要的特性的工況。然而，RCD密封元件通常具有短暫的壽命，尤其當(dāng)它們用于具有高的井眼壓力的井中時(shí)。由井的高壓區(qū)域施加在元件主體的外部上的負(fù)載導(dǎo)致元件變形，并壓靠在鉆桿上。高摩擦負(fù)載是由于鉆桿在元件相對(duì)于鉆桿變形時(shí)通過所述元件被剝離而造成。井內(nèi)的高壓可加速RCD密封元件故障。RCD密封元件故障的常見模式包括側(cè)壁漏氣、密封元件主體的內(nèi)部區(qū)域的垂直和水平破裂和脫落(也被稱為“啃傷(nibbing) ”)。
[0008]在旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備(RCD)的常規(guī)的先前技術(shù)密封元件在遭遇嚴(yán)酷的加載條件時(shí)由于較差的抗撕裂性而容易分裂或經(jīng)歷脫落。進(jìn)一步地，隨著時(shí)間推移，密封元件可被磨損，并且可能無法實(shí)質(zhì)上變形以提供在鉆柱周圍的密封。因此，密封元件必須被更換，這在鉆井操作期間可能會(huì)導(dǎo)致可對(duì)鉆井人員而言是昂貴的停工時(shí)間。
【附圖說明】
[0009]在附圖和以下描述中闡述了本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。
[0010]圖1是旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備的橫截面視圖。
[0011]圖2是在圖1的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備中的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備密封元件的橫截面視圖。
[0012]圖3是將在旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備密封元件中使用的纖維增強(qiáng)彈性體的示意圖。
[0013]圖4是包括纖維增強(qiáng)彈性體的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備密封元件的橫截面視圖。
[0014]圖5是包括具有不同纖維濃度的纖維增強(qiáng)彈性體的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備密封元件的橫截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]在本公開的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備(RCD)密封元件中，主體包括大多數(shù)RCD設(shè)備，并且是負(fù)責(zé)在螺紋通過RCD的鉆桿與RCD下方的井眼的內(nèi)部之間形成密封的組件。用于制造彈性體的材料包括聚氨酯、天然橡膠、丁腈橡膠和丁基橡膠。在使用中，將RCD密封元件保持在RCD內(nèi)部，并且鉆桿在其進(jìn)入RCD時(shí)刺穿RCD密封元件，從而形成能夠?qū)⒕鄣母邏簠^(qū)域與鉆臺(tái)的大氣壓力區(qū)域分隔的界面密封。當(dāng)鉆桿進(jìn)入RCD密封元件，并且使RCD密封元件的內(nèi)直徑變形以配合鉆桿的較大直徑時(shí)，形成界面密封。當(dāng)附接時(shí)，穿透RCD密封元件的鉆桿能夠進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)將鉆桿的新部段添加到鉆柱時(shí)，RCD密封元件還能夠擴(kuò)展以配合鉆具接頭。
[0016]本公開還涉及一種通過將纖維增強(qiáng)材料引入彈性體而改進(jìn)彈性RCD元件主體的材料性質(zhì)的方法。在彈性體原材料的制備期間，可添加纖維使得成品元件的性能特性被更改。已使用增強(qiáng)彈性體來模制的元件可具有改進(jìn)的強(qiáng)度、抗撕裂性和磨損性，同時(shí)仍展現(xiàn)出良好的伸長(zhǎng)性。
[0017]用于形成本發(fā)明的RCD密封元件的彈性體含有聚氨酯。橡膠和聚氨酯具有不一樣的材料性質(zhì)。天然橡膠具有優(yōu)良的彈性記憶，其在被壓縮或伸展之后將恢復(fù)到原來的形狀。與橡膠相比，聚氨酯具有低得多的記憶。壓縮形變是對(duì)記憶的衡量。在一種實(shí)施方式中，本文描述的聚氨酯具有約62%的壓縮形變，而橡膠化合物可具有6%或更低的壓縮形變。與橡膠不同，聚氨酯受溫度影響。聚氨酯在水的存在下降解，同時(shí)在油的存在下保持強(qiáng)大，橡膠則相反。
[0018]模制工藝在橡膠與澆鑄聚氨酯之間存在顯著的不同；將橡膠注入具有高壓和高溫的模具中，而將澆鑄聚氨酯簡(jiǎn)單地倒入模具中，并在爐中加熱。因?yàn)槟Ｖ乒に嚥煌?，所以用于添加增?qiáng)纖維的技術(shù)也不同。與橡膠模制不同，因?yàn)樵诟邏合虏惶畛淠＞?，所以在填充模具之前，可將纖維連接到空的模具的內(nèi)部，并且水平地、垂直地、徑向地或以任何期望的組合定向。在含有聚氨酯的彈性體中的增強(qiáng)纖維的濃度和放置可被小心控制，因此允許元件的一些區(qū)域具有更多的增強(qiáng)材料，而其它區(qū)域被給予非常少的增強(qiáng)材料或不給予增強(qiáng)材料。
[0019]對(duì)先前技術(shù)的RCD的能力的主要限制是其可操作的井壓的量，其中當(dāng)前的RCD密封元件的能力作為主要的限制因素。本公開的RCD的優(yōu)點(diǎn)是提供可在比當(dāng)前RCD密封元件更高壓下進(jìn)行操作的RCD密封元件。
[0020]通常，RCD密封元件的壽命是短暫的，這在鉆井操作期間可導(dǎo)致頻繁的元件更換。眾所周知，鉆機(jī)時(shí)間可能是非常昂貴的，尤其當(dāng)在深水中執(zhí)行鉆井操作時(shí)。典型的深水曰常鉆機(jī)成本的范圍可在一天$400，000與$900，000之間。如果RCD密封元件可持續(xù)用于鉆探完整的井孔部段，那么用于元件更換的大約兩個(gè)小時(shí)的鉆機(jī)時(shí)間相當(dāng)于節(jié)省$33，000至$75，000的鉆機(jī)停止時(shí)間。使用根據(jù)本公開的具有提高壽命和耐久性的元件來提高元件壽命將降低成本。將通過完成操作所需的更少元件來實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省，以及在更昂貴的鉆機(jī)停止時(shí)間方面的節(jié)省。提高元件壽命還將導(dǎo)致用于鉆機(jī)的非生產(chǎn)性時(shí)間的減少，因?yàn)槊慨?dāng)更換元件時(shí)，必須關(guān)閉鉆機(jī)。
[0021]參考圖1，RCD 100的一種實(shí)施方式包括RCD密封元件105 (在本領(lǐng)域中有時(shí)也稱為“密封元件”或“密封橡膠”)。RCD密封元件105用作維持大氣上方與井眼下方之間的恒定障壁的被動(dòng)密封。RCD密封元件105的內(nèi)部表面106密封鉆柱110。鉆柱110從鉆機(jī)(未示出)延伸通過密封元件105并進(jìn)入井眼(未示出)。
[0022]鉆柱通常包括通過位于鉆桿兩端上的螺紋連接件連接的多個(gè)鉆桿。雖然螺紋連接件可與鉆桿的外直徑齊平，但是它們通常具有更寬的外直徑。例如，如在圖1中示出，鉆柱110由與鉆具接頭115接合在一起的螺紋接頭103的長(zhǎng)管柱形成。鉆具接頭115具有大于鉆桿103的外直徑111的外直徑116。當(dāng)鉆柱縱向移動(dòng)通過井眼和RCD 100時(shí)，RCD密封元件105擠壓在鉆柱110的外表面上，從而密封井眼。具體而言，RCD密封元件105的內(nèi)直徑小于通過(例如，鉆桿、鉆具接頭)的物品的外直徑，以確保密封。
[0023]圖2中示出示例性RCD密封元件105的側(cè)視圖。RCD密封元件105具有基部端120和鼻端130?；慷?20通常附接到延伸通過軸承總成的中心的心軸(未示出)，然而，其還可附接到不包括軸承的密封殼體。經(jīng)由兩組軸承將心軸附接到軸承殼體。隨后使元件螺旋進(jìn)入心軸或用螺栓擰到心軸；這允許元件在鉆井操作期間隨鉆柱旋轉(zhuǎn)。例如，孔121被提供用于一旦元件已被螺紋旋入心軸，則固定螺釘以使元件鎖定到心軸。然而，存在用于將RCD密封元件安裝到RCD的多種其它技術(shù)。本公開不應(yīng)局限于這種類型的核心，而相反地，涵蓋所有類型的核心。
[0024]鼻端130具有小于基部端120的內(nèi)直徑的內(nèi)直徑134，以提供對(duì)鉆柱110的緊密密封?；慷?20的外直徑122可大于鼻端130的外直徑132。類似地，基部端120的內(nèi)直徑124可大于鼻端130的內(nèi)直徑134。
[0025]先前技術(shù)RCD密封元件通常由單個(gè)彈性材料制成，所述彈性材料足夠柔韌以變形來配合并密封不同的直徑。密封元件材料可包括但不限于(例如)天然橡膠、腈、丁基或聚氨酯，并取決于鉆井操作的類型。本公開的RCD密封元件105由聚氨酯基彈性體制成，且足夠柔韌以變形來配合并密封鉆桿110的不同直徑(例如，圖1中示出的直徑111和116)。
[0026]為了更改各種RCD密封元件主體材料的性質(zhì)特性，可使用對(duì)許多種類和尺寸的增強(qiáng)纖維的添加。纖維可包括但不限于棉、聚酯、玻璃纖維和聚乙烯醇(PVA)。纖維可具有不同的纖度和長(zhǎng)度，并且可以纖度和長(zhǎng)度的任何組合來組合。例如，可使用具有均勻長(zhǎng)度和不同纖度的纖維來增強(qiáng)彈性體，或可使用具有不同長(zhǎng)度和均勻纖度的纖維來增強(qiáng)彈性體。長(zhǎng)度和纖度的任何組合是可允許的。在一個(gè)實(shí)施方案中，纖維可具有1/8”至5”的長(zhǎng)度和1200-1800 的纖度。
[0027]如在圖3中示出，增強(qiáng)纖維205可被添加到彈性體原材料210，以形成合成的復(fù)合材料200。該復(fù)合材料200可由均勻分布的纖維和不均勻分布的纖維組成。纖維205可被隨機(jī)定向，或可被非隨機(jī)定向(即，徑向定向、縱向定向或以一些其它角度或角度的組合定向)。
[0028]彈性體材料210內(nèi)的增強(qiáng)纖維205的濃度可被改變，以更改復(fù)合材料210的性質(zhì)，這允許對(duì)元件材料性質(zhì)的定制。例如，如在圖4中示出，可全部使用均勻濃度255的纖維的彈性體來對(duì)RCD密封元件250進(jìn)行模制。任何纖維濃度是可允許的，雖然范圍在1%至20%之間的纖維濃度是優(yōu)選地。將通過添加增強(qiáng)纖維來更改的元件性質(zhì)包