纤维增强密封元件制造技术

公开了一种用于制造用于在旋转钻井系统中使用的旋转控制设备的密封元件的方法。所述密封元件具有孔部、基部区域和鼻形区域。所述方法包括：提供用于所述密封元件的模具，所述密封元件用于所述旋转控制设备；将第一浓度下的纤维添加到含有聚氨酯的第一液态弹性体材料；将具有第一浓度的纤维的所述第一液态弹性体材料放入所述模具；将第二浓度下的纤维添加到含有聚氨酯的第二液态弹性体材料；将具有第二浓度的纤维的所述第二液态弹性体材料放入所述模具；加热所述模具中的所述纤维和所述液态弹性体；以及形成具有孔部、具有第一浓度的纤维的基部区域和具有第二浓度的纤维的鼻形区域的密封元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开一般涉及用于在旋转钻井系统中使用的旋转控制设备(RCD)的密封元件，且尤其涉及用于RCD的纤维增强密封元件。
技术介绍
在钻井期间，钻地钻头通常安装在钻柱的下端，并旋转以通过旋转钻柱来形成井眼。在该过程中，不稳定的压力和不受控制的流(被称为地层“反冲”压力涌动)可源自于井储层，这可能会导致灾难性井喷。因为地层反冲是不可预测的，并且将另外导致灾难，所以在大多数现今所钻的井上需要被称为防喷器(“Β0Ρ”)的流控制设备。BOP通常冗余地层叠安装，并且用于密封、控制和监测油气井。一种常见类型的BOP是环形防喷器。环形BOP被构造来密封钻柱与井眼环隙之间的环形空间。环形BOP通常是环面形状，并被构造来在各种钻柱尺寸周围进行密封，或替代地在非圆柱物体(诸如多边形的方钻杆驱动器)周围进行密封。由通过较大直径的连接器连接的钻杆形成的钻柱可螺纹通过环形Β0Ρ。环形BOP不被设计成固定的，同时当其在钻井期间旋转时保持在钻柱周围的密封，因为使钻柱旋转通过环形BOP将使其快速磨损，这导致防喷器无法密封所述井。在一些钻井操作中，位于BOP叠层的顶部上的旋转控制设备(RCD)在控制压力和欠平衡钻井下被用来在钻井操作的高压区域与低压区域之间介接。在这种类型的钻井期间，在远高于大气的压力下保持井眼，这产生如何在不损失井压和流体的情况下使钻杆进入井内的问题。所述RCD在井眼与钻杆之间形成密封，使得钻柱可在不损失井压的情况下垂直并旋转地移动。允许分隔高压区域与低压区域的RCD中的关键组件是RCD密封元件。RCD密封元件由核心和弹性体组成。核心被模制到弹性体的上游端，并用于将元件紧固到RCD。核心可被制成许多形状和尺寸，并且由许多材料制造。例如，RCD核心可由钢制成，并被称为罩(cage)。RCD密封元件还可被称为密封橡胶。使具有不同直径的钻柱通过RCD密封元件的中心。当前RCD密封元件被制造，使得RCD密封元件的内直径小于通过其的钻柱的任何部分的最小外直径。当钻柱的各个部分纵向移动通过密封橡胶的内部时，持续保持密封。RCD密封元件在粗糙且不规则的表面(诸如，在钻柱上形成的那些表面)周围进行密封，并且经历其中强度和耐磨性是非常重要的特性的工况。然而，RCD密封元件通常具有短暂的寿命，尤其当它们用于具有高的井眼压力的井中时。由井的高压区域施加在元件主体的外部上的负载导致元件变形，并压靠在钻杆上。高摩擦负载是由于钻杆在元件相对于钻杆变形时通过所述元件被剥离而造成。井内的高压可加速RCD密封元件故障。RCD密封元件故障的常见模式包括侧壁漏气、密封元件主体的内部区域的垂直和水平破裂和脱落(也被称为“啃伤(nibbing) ”)。在旋转控制设备(RCD)的常规的先前技术密封元件在遭遇严酷的加载条件时由于较差的抗撕裂性而容易分裂或经历脱落。进一步地，随着时间推移，密封元件可被磨损，并且可能无法实质上变形以提供在钻柱周围的密封。因此，密封元件必须被更换，这在钻井操作期间可能会导致可对钻井人员而言是昂贵的停工时间。【附图说明】在附图和以下描述中阐述了本公开的一个或多个实施方案的细节。图1是旋转控制设备的横截面视图。图2是在图1的旋转控制设备中的旋转控制设备密封元件的横截面视图。图3是将在旋转控制设备密封元件中使用的纤维增强弹性体的示意图。图4是包括纤维增强弹性体的旋转控制设备密封元件的横截面视图。图5是包括具有不同纤维浓度的纤维增强弹性体的旋转控制设备密封元件的横截面视图。【具体实施方式】在本公开的旋转控制设备(RCD)密封元件中，主体包括大多数RCD设备，并且是负责在螺纹通过RCD的钻杆与RCD下方的井眼的内部之间形成密封的组件。用于制造弹性体的材料包括聚氨酯、天然橡胶、丁腈橡胶和丁基橡胶。在使用中，将RCD密封元件保持在RCD内部，并且钻杆在其进入RCD时刺穿RCD密封元件，从而形成能够将井眼的高压区域与钻台的大气压力区域分隔的界面密封。当钻杆进入RCD密封元件，并且使RCD密封元件的内直径变形以配合钻杆的较大直径时，形成界面密封。当附接时，穿透RCD密封元件的钻杆能够进行垂直运动和旋转运动。当将钻杆的新部段添加到钻柱时，RCD密封元件还能够扩展以配合钻具接头。本公开还涉及一种通过将纤维增强材料引入弹性体而改进弹性RCD元件主体的材料性质的方法。在弹性体原材料的制备期间，可添加纤维使得成品元件的性能特性被更改。已使用增强弹性体来模制的元件可具有改进的强度、抗撕裂性和磨损性，同时仍展现出良好的伸长性。用于形成本专利技术的RCD密封元件的弹性体含有聚氨酯。橡胶和聚氨酯具有不一样的材料性质。天然橡胶具有优良的弹性记忆，其在被压缩或伸展之后将恢复到原来的形状。与橡胶相比，聚氨酯具有低得多的记忆。压缩形变是对记忆的衡量。在一种实施方式中，本文描述的聚氨酯具有约62%的压缩形变，而橡胶化合物可具有6%或更低的压缩形变。与橡胶不同，聚氨酯受温度影响。聚氨酯在水的存在下降解，同时在油的存在下保持强大，橡胶则相反。模制工艺在橡胶与浇铸聚氨酯之间存在显著的不同；将橡胶注入具有高压和高温的模具中，而将浇铸聚氨酯简单地倒入模具中，并在炉中加热。因为模制工艺不同，所以用于添加增强纤维的技术也不同。与橡胶模制不同，因为在高压下不填充模具，所以在填充模具之前，可将纤维连接到空的模具的内部，并且水平地、垂直地、径向地或以任何期望的组合定向。在含有聚氨酯的弹性体中的增强纤维的浓度和放置可被小心控制，因此允许元件的一些区域具有更多的增强材料，而其它区域被给予非常少的增强材料或不给予增强材料。对先前技术的RCD的能力的主要限制是其可操作的井压的量，其中当前的RCD密封元件的能力作为主要的限制因素。本公开的RCD的优点是提供可在比当前RCD密封元件更高压下进行操作的RCD密封元件。通常，RCD密封元件的寿命是短暂的，这在钻井操作期间可导致频繁的元件更换。众所周知，钻机时间可能是非常昂贵的，尤其当在深水中执行钻井操作时。典型的深水曰常钻机成本的范围可在一天$400，000与$900，000之间。如果RCD密封元件可持续用于钻探完整的井孔部段，那么用于元件更换的大约两个小时的钻机时间相当于节省$33，000至$75，000的钻机停止时间。使用根据本公开的具有提高寿命和耐久性的元件来提高元件寿命将降低成本。将通过完成操作所需的更少元件来实现成本节省，以及在更昂贵的钻机停止时间方面的节省。提高元件寿命还将导致用于钻机的非生产性时间的减少，因为每当更换元件时，必须关闭钻机。参考图1，RCD 100的一种实施方式包括RCD密封元件105 (在本领域中有时也称为“密封元件”或“密封橡胶”)。RCD密封元件105用作维持大气上方与井眼下方之间的恒定障壁的被动密封。RCD密封元件105的内部表面106密封钻柱110。钻柱110从钻机(未示出)延伸通过密封元件105并进入井眼(未示出)。钻柱通常包括通过位于钻杆两端上的螺纹连接件连接的多个钻杆。虽然螺纹连接件可与钻杆的外直径齐平，但是它们通常具有更宽的外直径。例如，如在图1中示出，钻柱110由与钻具接头115接合在一起的螺纹接头103的长管柱形成。钻具接头115具有大于钻杆103的外直径111的外直径116。当钻柱纵向移动通过井眼本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造用于在旋转钻井系统中使用的旋转控制设备的密封元件的方法，所述密封元件具有孔部、基部区域和鼻形区域，所述方法包括：提供用于所述密封元件的模具，所述密封元件用于所述旋转控制设备；将第一浓度下的纤维添加到含有聚氨酯的第一液态弹性体材料；将具有第一浓度的纤维的所述第一液态弹性体材料放入所述模具；将第二浓度下的纤维添加到含有聚氨酯的第二液态弹性体材料；将具有第二浓度的纤维的所述第二液态弹性体材料放入所述模具；加热所述模具中的所述纤维和所述液态弹性体；形成具有孔部、具有第一浓度的纤维的基部区域和具有第二浓度的纤维的鼻形区域的密封元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：M·H·威金斯，C·A·格蕾丝，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US