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高温完井塞
技术领域
本发明涉及一种用于封闭圆柱形通道的不可移除的、无旋转安装的、无磨损的、金属对金属的完井塞(completion plug)。
背景技术
经常需要暂时地、半永久地，或是在本发明的情况下永久性地封闭管状元件中的开口。即，在阀不是必需以及不是所希望时封闭开口。当通过连接于管道或是导管的配件使热帽进入管道或是导管时，就出现了应用完井塞的一个实例。在用于石油、化工、炼油和其它类似的工业的典型带压开孔应用中，通常采用法兰盘形式的配件被焊接在具有带压的流动气体或液体的管道的外部。随后，阀门被固定于法兰盘，并且带压开孔机被固定于阀门。通过使用专用设备，能够在管道壁上钻孔，而气体或液体继续流动通过管道。这提供通向管道内部的通道，例如在进行维修时，用来插入设备以暂时阻塞通过管道的流体。在维修完成后，设备被移除，而提供与管道内部的流通的开口需要被封闭。在某些情况下，如上所述，封闭以这样的方式进行：通过到达管道内部的配件可在日后再次获得通道。在目前的情况下，提供了永久性地关闭开口的完井塞。另外，大多数已知的完井塞使用合成橡胶，例如橡胶或者塑料，以实现防漏的密封。与此相反，本发明提供了耐热的，金属对金属的密封。
对于涉及完井塞的背景信息，可以参照以下已经公布的美国专利。
 

专利号发明人标题428,422SkinnerCasing Head1,810,621ParksValve Mechanism2,085,119Penick et al.Seal Off Tool2,134,311Minor et al.Method and Apparatus For Suspending andSealing Well Casings2,771,096Ver NooyFluid Tight Closure2,988,111Ver NooyFluid Tight Closure3,074,591RaverPressure Closure3,155,116Ver NooyApparatus For Closing Side Openings IntoPipelines3,289,765HynesMethod and Apparatus For Completing Wells3,405,763Pitts et al.Well Completion Apparatus and Method3,766,947OsburnFluid Tight Closure4,058,142RankinPipeline Fitting4,144,909HarrisonApparatus For Closing Side Openings IntoPipelines4,326,587Gauthier etal.Casing Hanger and Stabilizer Apparatus andMethod4,387,740VanzantCam-Flange4,466,550SullivanClosure For A Cylindrical Opening HavingImproved Venting Means4,609,209RailsPrecise Alignment Adapter Flange4,693,278Wilson et al.Safety Closure Member4,749,047TaylorAnnular Wellhead Seal4,886,121Demny et al.Universal Flexbowl Wellhead and WellCompletion Method5,114,158LePacking Assembly For Oilfield Equipment andMethod5,209,521OsborneExpanding Load Shoulder5,327,965Stephan et al.Wellhead Completion System5,450,765StoverApparatus For Providing Signal CommunicationBetween The Interior and Exterior OfA Pipeline5,456,320BakerCasing Seal and Spool For Use In FracturingWells5,490,565BakerCasing Seal and Spool For Use In FracturingWells5,975,142WilsonRemovable Closure System5,984,008Lang et alInstallable Load Shoulder For Use In A WellheadToSupport ATubing Hanger6,116,285WilsonRemovable Threaded Plug6,286,553MorganRemovable Closure System
发明内容
本发明提供一种封闭元件，通常指完井塞。具有本发明特征类型的完井塞提供用于封闭圆柱形开口或者通道的装置。在本发明的典型应用中，完井塞用于通过法兰元件封闭通道，该法兰元件就是具有一体式、径向延伸的法兰部分的管状元件，此法兰部分易于适应其它结构的或者管状装置的连接。在本发明中使用的法兰元件具有内侧端部和外侧端部，其具有通道，由邻接于内侧端部的具有第一内径的圆柱形表面、直径略有增加的中间圆柱形表面以及内径增加的第三圆柱形表面限定，其中第三圆柱形表面与法兰外侧端部相连。在第三圆柱形表面中形成的是内径增加的环形沟槽(groove)，其中第三圆柱形表面与法兰外侧端部相连，或者至少是邻接的。
本发明的完井塞由三个基本元件组成，即塞体、在塞体的安装过程中使用的完井工具以及插入件，其中插入件被单独制造但永久性地固定于完井工具。塞体是具有内侧端部和外侧端部的圆柱形元件。在塞体的相邻于内侧端部的圆柱形表面上是密封表面。在优选示出的布置中，密封表面包括外径略有增加的环形凸缘(bead)。当完井塞被安装在法兰内的合适位置时，这些环形凸缘与法兰的内部圆柱形中间表面接触。
在塞体的邻接于外侧端部的外部圆柱形表面上形成的是环形槽(slot)，在其中容纳有闭锁环。制造闭锁环使其具有轻微的径向扩展特性，因此它必须从外部被压缩，以被限制在塞体的外部环形槽内。
塞体进一步由同心的、一体的、短尺寸的中心杆(central post)所限定，其中，中心杆在其外表面上具有环形的凹槽。
塞体通过完井工具被放到法兰配件圆柱形开口内的合适位置中，其中完井工具包括内径被确定为可以容纳塞体的中心杆的管状部。完井工具还包括外部环形边缘(lip)部，其具有比塞体外端部处的塞体外径稍微大一点的内径。
管状插入件容纳在完井工具的管状开口内，并且可伸缩地固定于完井工具。插入件具有邻接于其外端部的内表面，其滑动地容纳塞中心杆。保持球(retention ball)被向内延伸到塞体中心杆的环形凹槽中的插入件保持，使得插入件，并且从而使得完井工具本身可拆卸地固定于塞体。
完井工具可伸缩地固定于插入件，以用于将塞体插入到法兰配件的圆柱形通道中。当固定于塞体时，完井工具边缘部分环绕被压缩在塞体外部环形槽内的闭锁环。
通过将完井塞的组件、完井工具以及插入件移动到法兰配件通道中，完井塞被安装。插入件环形边缘部与法兰配件的上端接合，限制插入件相对于法兰配件的进一步向下移动。然而，插入件上额外的向下的力推动塞体向下通过完井工具边缘部分。这允许闭锁环向外延展，并且进入到形成在法兰配件中的内部环形沟槽中。随着闭锁环部分位于法兰配件的内部环形沟槽中，并且部分位于塞体的外部环形槽中，塞体被闭锁在法兰配件的适当位置中。塞体环形密封表面随后与法兰配件通道的中间圆柱形表面以金属对金属的方式接触，提供防漏的、耐热的金属对金属密封，由此封闭流经法兰配件通道的流体。
在塞体被推入到适当位置中以使闭锁环向外延伸到法兰配件的环形沟槽中之后，施加到插入件的力的方向被翻转，从而插入件相对于现在被闭锁在法兰配件的适当位置中的塞体向上移动。插入件的向上位移带着完井工具，从而只有塞体保持在法兰配件通道中。此后，作为安全措施，可在法兰配件的上端固定法兰盖。
此处公开的完井塞被称为“高温”完井塞。选择这个题目是由于其暗示了该塞的一个重要特性，即它是不依赖于弹性材料的金属对金属的密封。没有弹性材料使得完井塞对于高温应用特别有用，但绝不限于这种应用，并且能够用于封闭流动而无需考虑流体的温度。
参照附图，从以下对优选实施例和权利要求的详细说明中，能够对本发明有更好的理解。
附图说明
图1是在管道封堵中使用的组件的正视截面图。组件包括具有圆柱形通道的法兰配件。装置的下部固定于法兰配件，通过此装置可到达管道以执行封堵操作。可延伸的轴的下端固定于用于封闭通过法兰配件的通道的高温完井塞组件。本发明涉及这种高温完井塞组件；
图2是结合本发明的原则的完井塞组件的外视图；
图3是沿着图2中的线3-3截取的完井塞组件的截面图；
图4是完井工具和插入件的外视图，其中完井工具和插入件用于将完井塞安装到圆柱形开口内，例如如图1中所示的法兰配件的通道；
图5是沿着图4中的线5-5截取的图4中完井塞安装工具和插入件的截面图；以及
图6显示了法兰配件，示出了切掉部分，通过在圆柱形通道内安装本发明的完井塞，从而以金属对金属的关系可密闭地封闭通道。通过排除对弹性或者其它非金属元件的使用(这些元件一旦有火或者遭遇高温就会失效)，这种金属对金属关系提供了法兰配件的高温封闭。
具体实施方式
可以理解的是，下面将要描述的本发明在其应用中并不仅限于附图中显示的部件构造和设置的细节。本发明能够具有其他实施例，并且能够以不同的方式实施或实现。此处使用的措辞和术语仅用于说明，而不用于限制。
附图中图示的元件以下列数字标出：
10 管道           70 圆柱形表面
12 环             72 中心杆部分
14 环             74 环形凹槽
16 下封闭部       76 沟槽
18 上封闭部       78 外环形密封表面
20 底部开口       80 环形凸缘表面
22 管状延伸部     82 环状凹槽
24 封闭盖         84 中心杆基部
26 圆柱形开口     86 中心杆顶部
28 底部圆柱形开口 88 环形沟槽
30 法兰配件       90 管状部
32 穿过法兰               30 的通道92内径
34 管道10的露出端         94 帽部
36 管道10的露出端         96 盖部
38 完井塞组件             98 下环形边缘
40 法兰30的顶面           100 管状部90的上部
42 阀底法兰               102 螺纹开口
44 阀                     104 弹簧柱塞
46 顶部阀法兰             106 内端
48 底部法兰               108 外表面
50 液压缸                 110 第一环形槽口
52 垂直通道               112 第二环形槽口
54 阀封闭元件             114 内螺纹
56 手轮                   116 内径
58 活塞杆                 118 径向开口
60 塞体                   120 球体
62 完井塞                 122 闭锁环
64 插入件                 124 内环形密封表面
66 下端部                 126 法兰30中的内沟槽
68 上端部                 128 外螺纹
130 内径增加部分
在描述本发明的完井塞组件的细节之前，将参照图1解释完井塞使用的典型环境。该图示出了管道或管线10以及固定于其上的封闭系统的一部分，其中为了维修或者保养的目的，管道内流通的流体可以被该部分暂时中断。焊于管道10的外部的是环(collar)12和14。当环在管道周围被焊到适当位置之后，通过将下封闭部16和上封闭部18焊接于环而形成封闭壳体。下封闭部16具有底部开口20，开口20容纳管状延伸部22，管状延伸部22容纳封闭盖24。上封闭部18具有上圆柱形开口26，其中法兰配件30的底部圆柱形开口28焊接于圆柱形开口26。
此处列举的所有元件都彼此焊接，以形成围绕一定长度的管道10的封闭壳体。法兰配件30具有通道32，工具可以通过其中，用于在管道10位于封闭壳体内的部分上操作。借助于圆锯(未示出)，一定长度的管道10被切掉并且被移除，并留下露出端34和36。装置(未示出)能够通过通道32被插入到法兰配件30中，以去掉管道10端部34和36的盖，并且由此封闭流体流动。在维修或保养完成之后，将用于去掉管道端部的盖的机构移除，并且随后形成封闭壳体的永久性封闭。特别的是，为了完成暂时中断管道10中流体流动的任务，法兰配件30中的通道32必须被封闭。借助于由标号38指出的完井塞组件，本发明在这里提供一种实现通道32永久高温封闭的系统。
在描述完井塞38和法兰配件30的细节之前，进一步参照图1，其中示出了系统，通过此系统完井塞组件38能够被安装到法兰配件30中。固定于法兰配件30的顶面40的是阀底法兰42，其是由标号44指出的阀的下部。阀44具有顶部法兰46，其容纳液压缸50的底部法兰48。阀44中具有垂直通道52，其内径等于或大于法兰配件30中的通道32。阀44中的开口52可以通过阀封闭元件54封闭，阀封闭元件54通过手轮56移进并移出封闭位置。阀44使得将工具移进或移出形成在管道10周围的密封壳体成为可能，以执行一些操作，例如切断管道以留下露出端34和36，以及插入到封闭壳体设备(未示出)中，据此流过管道10的流体被完全的封闭。如上所述，在封闭壳体内完成所有需要的操作之后，需要封闭法兰配件30中的通道32，并且这是完井塞组件38的功能。
这里示出了从液压缸50延伸的活塞杆58，其连接于活塞(未示出)，通过该活塞杆，完井塞38被移动到适当位置中以封闭法兰配件30的通道32。
下面参照图2至图5，描述为本发明的精髓的完井塞组件。图2是完井塞组件38的外视图，而图3是截面图。完井塞组件基本上由三个基本金属部件构成。分别是塞体60、完井塞62以及插入件64。塞体60具有下端66和上端68。塞体具有圆柱形外表面70并且进一步包括一体的、直立的中心杆部72，从而留有环形凹槽74。形成在塞体的外圆柱形表面70中的是环形外沟槽76。
作为塞体60的下部而一体形成的是由标号78指出的外环形密封表面。密封表面78优选的是硬化的，以减少磨损。在环形密封表面78的图示的和优选的实施例中，形成有多个环形径向延伸的凸缘表面80。在图示的实施例中，有两个隔开的环形凸缘表面80，然而，只有单个的环形凸缘表面可以被使用，或者两个或更多个可以被使用。图示中的两个隔开的环形凸缘80可以被看作用于完井塞的最佳密封表面。
在塞体60的下端66中形成有环形槽82，其为环形密封表面78提供轻微程度的压缩弹性。当塞容纳在法兰配件30内时，这种构造为塞提供压缩的金属对金属的密封。
塞体60的中心杆72具有较大直径的下基部84，以及外径减少的上顶部86。形成在中心杆顶部86上的是环形沟槽88。
位于在塞体60上的是具有内部管状部90的完井塞62，内部管状部90具有可伸缩地延伸套过塞体中心杆基部84的内径92。径向延伸的帽部94具有向下延伸的盖部96，其在下环形边缘98处终止。管状部90的上部100具有增加的厚度，并且具有相对的螺纹开口102，其每一个均容纳具有内端106的弹簧柱塞104。
插入件64随圆柱形表面108一起是管状的，圆柱形表面108具有第一环形槽口110以及第二环形槽口112。插入件的上部内端具有内螺纹114。
管状插入件64的下部具有内径116，以可伸缩地套过塞体60的中心杆72的顶部86。径向开口118延伸穿过插入件的下管状部的壁，并且容纳球体120，其中球体具有比插入件的下部管状壁的厚度大的直径，从而球体在塞体的顶部86中形成的环形沟槽88内延伸。
在塞体60的外表面70中形成的环形沟槽76内容纳有开口闭锁环122，其被形成以使它具有比沟槽中的外径更大的标准外径，其所处状态如图3所示。因此，闭锁环122处于如图3所示压缩状态，并且通过完井工具的边缘部96以这种压缩状态被保持在沟槽76内。
下面将参照图6，其显示了法兰配件30的横截面透视图，其中塞体60安装于法兰配件30中。如上所述，法兰配件30中具有通道32。通道32的下部形成环形密封表面124，并且具有相对于凸缘30中基部通道32减少的内径。另外，在凸缘通道32内的是直径增加的沟槽126，其在尺寸上的设置基本上与塞体60中的外环形沟槽76相同。
以下将描述如图6所示的将塞体60安装到法兰配件30中以设定位置和状态的方法。如图1所示，使用活塞杆58以将塞体60插入到法兰配件30中，然后在塞体安装完成后，移除完井塞62和插入件64。活塞杆58的下端在128处是外部有螺纹的，并且与插入件64顶端处的内螺纹114螺合，以将活塞杆58和完井塞组件38相互连接。随着组件被向下推入到法兰配件30中，塞体的下端进入到通道32中。组件继续向下移动，直到完井塞62的下环形边缘98接合于法兰配件30的顶面40。盖部96的外径比法兰中通道32的内径大，因此完井塞62进一步的向下移动被终止。然而，随着活塞杆58向下的力增加，插入件64带着塞体60继续向下移动。这通过采用充足的力来实现，从而弹簧柱塞104的内端106充分地回缩以允许插入件64向下通过弹簧柱塞104。随着这个动作发生，塞体相对于完井塞62被向下推动，从而闭锁环122越过插入件的盖部96的下环形边缘98的下端。这允许闭锁环122径向向外延伸，并且进入到法兰配件30中的沟槽126中。沟槽126的深度小于闭锁环122的厚度，从而闭锁环部分延伸到法兰配件30中的沟槽126中，并且部分位于塞体60中的沟槽76内。当如图6所示地安装闭锁环122时，完井塞62和插入件64相对彼此处于图4和图5中所示的位置。在该位置中，通过完井工具管状部90的内径增加部130，球体120被允许径向向外扩展。当发生这种情况时，插入件64和完井塞62能够不受拘束地从塞体60被向上抽出。图1示出了这种状况，其中塞体60被安装在通过法兰配件30的通道内，并且完井塞62以及插入件64能够被自由地向上移除，以穿过阀44。之后可以把将阀44的下部法兰42固定于法兰配件30的螺栓移除。穿过法兰配件30的开口以金属对金属的耐热方式被密封。通常作为安全预防措施，法兰盖或其他封闭元件(未示出)被栓接至法兰配件30的上表面。这样，塞体被插入到法兰配件30中，其中环形密封表面78具有这样的特征：环形凸缘表面80与法兰配件30的内环形密封表面124以金属对金属的方式密封接触。
这里描述的完井塞具有三个重要特点。第一，如上所述，完井塞实现对穿过法兰配件的通道的金属对金属的封闭。第二，塞体60的密封表面78是表面硬化的，以减少磨损。第三，将塞体组装到法兰配件中不需要任何转动，即，没有任何一部分密封操作需要旋拧或者其它旋转动作。
尽管本发明在一定具体程度上已进行描述，但显然，在不背离本公开的精神和范围的前提下，可以对部件的结构和设置的细节做出各种变化。可以理解，本发明不局限于上述的作为示例示出的实施例，而是仅受所附权利要求范围的限制，所附权利要求包括给予每个部件的等同物的全部范围。