RU2811642C1

RU2811642C1 - O-ring

Info

Publication number: RU2811642C1
Application number: RU2023131817A
Authority: RU
Inventors: Андрей Олегович Ткачев; Альмир Исмагилович Фатыхов; Владимир Ильич Алимов; Александр Александрович Филиппов; Георгий Ильич Осауленко; Алексей Анатольевич Малышев; Денис Алексеевич Шамаев; Дмитрий Владимирович Шметцер; Георгий Викторович Алексеев; Андрей Вячеславович Зотов; Дмитрий Александрович Черненко; Андрей Алексеевич Чугунов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "РусГазШельф"
Filing date: 2023-12-04
Publication date: 2024-01-15

Abstract

FIELD: sealing.

SUBSTANCE: invention is intended for sealing the annular space when connecting the insulating sleeve of the underwater Xmas tree (hereinafter referred to as the UXT) of gas-condensate production wells with the casing string suspended in the casing head. The product is installed on the seat of the UXT insulating sleeve. The sealing ring contains two metal end support rings with recesses and an elastomeric sealing element between them; outer and inner protrusions are made in the central part of the elastomeric sealing element. The outer protrusion has a platform of width F and height D, which passes through inclined sections into the side parts of the elastomeric sealing element located in metal end support rings. The inner protrusion has a platform of width H and height E, which passes through inclined sections into the side parts of the elastomeric sealing element located in metal end support rings. Moreover, the transition angle G of inclined sections is equal to G = 28-33°, and the ratio of the width to the height of the outer protrusion platform is F/D = 4.6-6.8, the ratio of the width to the height of the inner protrusion platform is H/E = 8.9-18.2.

EFFECT: invention makes it possible to ensure reliable fastening of the sealing ring, increase the tightness of the seal, and also prevent the ring from losing its sealing functions when installed on a seat, for example, on an insulating sleeve of an underwater Xmas tree.

4 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.

Изобретение предназначено для герметизации затрубного пространства при соединении изолирующей втулки подводной фонтанной арматуры (далее – ПФА) газоконденсатных эксплуатационных скважин с подвеской обсадной колонны в колонной головке. Изделие устанавливается на посадочное место изолирующей втулки ПФА.The invention is intended for sealing the annular space when connecting the insulating sleeve of the underwater Xmas tree (hereinafter referred to as the SFA) of gas-condensate production wells with the casing string suspended in the casing head. The product is installed on the seat of the PFA insulating sleeve.

Уровень техники.State of the art.

В технике широко распространены различные уплотнительные средства, не являются они редкостью и в скважинном оборудовании.Various sealing agents are widely used in technology, and they are not uncommon in downhole equipment.

В частности, из уровня техники известно уплотнение с металлическими торцевыми крышками и уплотнительным кольцом. Такое решение относится к металлическому торцевому уплотнению для узла герметизации скважины, предназначенному для герметизации затрубного пространства между двумя трубчатыми элементами, которое обладает улучшенными герметизирующими свойствами в расширенном диапазоне температур. Уплотнение состоит из упругого кольца с металлическими торцевыми крышками на обоих концах. Внутренний диаметр упругого кольца имеет одну или несколько канавок, позволяющих установить одно или несколько уплотнительных колец. Уплотнительные кольца имеют такой размер, чтобы обеспечить повышенную запасаемую энергию внутри упругого кольца (см. US 2003209857 A1, опубл. E21B33/03; F16J15/12, 13.11.2003, 6 л.).In particular, a seal with metal end caps and an O-ring is known from the prior art. This solution relates to a metal mechanical seal for a well sealing unit, designed to seal the annular space between two tubular elements, which has improved sealing properties in an extended temperature range. The seal consists of an elastic ring with metal end caps at both ends. The inner diameter of the elastic ring has one or more grooves that allow the installation of one or more O-rings. The O-rings are sized to provide increased energy storage within the elastic ring (see US 2003209857 A1, publ. E21B33/03; F16J15/12, 11/13/2003, 6 l.).

Недостатком известного аналога является сложность конструктивного выполнения уплотнительного элемента, который выполнен составным и имеет дополнительное уплотнительное кольцо. Кроме того, для этого решения характерна недостаточная надежность крепления уплотнительного кольца.The disadvantage of the known analogue is the complexity of the design of the sealing element, which is made composite and has an additional sealing ring. In addition, this solution is characterized by insufficient reliability of fastening the sealing ring.

Из уровня техники известно кольцевое уплотнение, включающее корпус, сердечник и металлические колпачки, расположенные на внешних поверхностях и корпуса, которые уменьшают, минимизируют или блокируют диффузию газа в кольцевое уплотнение, также металлические колпачки обеспечивают сопротивление экструзии кольцевого уплотнения. Металлические колпачки изготовлены из металла, такого как сталь, титан, никелевый сплав. На внешней поверхности корпуса сформирован выступ с первой внешней поверхностью для контакта с внешним корпусом, на первой внешней поверхности и/или второй внешней поверхности сформированы одна или более канавок (см. WO 2017114647 A1, опубл. 06.07.2017, F16J15/16, 19 л.).In the prior art, an O-ring is known that includes a body, a core, and metal caps located on the outer surfaces of the O-ring that reduce, minimize, or block the diffusion of gas into the O-ring, and the metal caps provide extrusion resistance to the O-ring. Metal caps are made of metal such as steel, titanium, nickel alloy. A protrusion is formed on the outer surface of the body with a first outer surface for contact with the outer body, one or more grooves are formed on the first outer surface and/or the second outer surface (see WO 2017114647 A1, published 07/06/2017, F16J15/16, 19 l .).

Из уровня техники также известно уплотнительное кольцо, содержащее кольцевой корпус, выполненный из гидрогенизированного нитрилбутадиенового каучука, или нитрильного каучука, или CAMLAST™, или DUROCAM™, или Elast-O-Lion®101, или Elast-O-Lion® 985, или их комбинации, металлические торцевые уплотнения, состоящие из металлических колец, расположенных на торцевых поверхностях кольцевого корпуса. Каждое металлическое торцевое уплотнение включает в себя фаски, определяющие первый выступ с внешней поверхностью для контакта с внешним кольцевым корпусом и второй выступ с внутренней поверхностью для контакта с внутренним кольцевым корпусом (см. WO 2010083132 A1, опубл. 22.07.2010, E21B33/03; E21B33/12; F16J15/10; F16J15/12, 33 л.).Also known from the prior art is an O-ring containing an annular body made of hydrogenated nitrile butadiene rubber, or nitrile rubber, or CAMLAST™, or DUROCAM™, or Elast-O-Lion® 101, or Elast-O-Lion® 985, or their combinations, metal mechanical seals, consisting of metal rings located on the end surfaces of the annular housing. Each metal face seal includes chamfers defining a first lip with an outer surface for contact with the outer annular housing and a second lip with an inner surface for contact with the inner annular housing (see WO 2010083132 A1, published 07/22/2010, E21B33/03; E21B33/12; F16J15/10; F16J15/12, 33 l.).

Кроме того, из уровня техники известно комбинированное уплотнение из металла и эластомера, содержащее нижнее и верхнее металлические кольца. Эластомерное уплотнительное кольцо расположено между указанными металлическими кольцами и имеет толщину, большую, чем каждое из указанных металлических колец. Нижнее и верхнее металлические кольца имеют кольцеобразную основу и пару гибких выступов проходящих от основы в сторону эластомерного уплотнительного кольца. При этом эластомерное уплотнительное кольцо включает часть, расположенную между гибкими выступами каждого из металлических колец. В результате, осевое усилие рабочего давления, прилагаемое к металлическим кольцам, приводит к сжатию эластомерного уплотнительного кольца. Гибкие выступы металлических колец на большей части своей длины имеют толщину, увеличивающуюся от эластомерного уплотнительного кольца, и переходящую в сужающуюся толщину в направлении основы (см. US 4521040 A, опубл. 04.06.1982, E21B33/043, F16J15/32, 6 л.).In addition, a combined metal and elastomer seal is known from the prior art, comprising lower and upper metal rings. The elastomeric sealing ring is located between said metal rings and has a thickness greater than each of said metal rings. The lower and upper metal rings have an annular base and a pair of flexible projections extending from the base towards the elastomeric O-ring. In this case, the elastomeric sealing ring includes a part located between the flexible projections of each of the metal rings. As a result, the axial force of the operating pressure applied to the metal rings causes compression of the elastomeric sealing ring. The flexible protrusions of the metal rings over most of their length have a thickness that increases from the elastomeric sealing ring, and becomes tapering in thickness towards the base (see US 4521040 A, publ. 06/04/1982, E21B33/043, F16J15/32, 6 l. ).

Указанные уплотнительные кольца обеспечивают возможность герметизации соединения между конструктивными элементами скважинного оборудования, однако при эксплуатации таких колец был выявлен ряд недостатков связанных с особенностями их работы в уплотняемых соединениях. Так было установлено, что в ряде случаев для различных типоразмеров кольца герметичность соединения оказывалась недостаточной и происходила утечка герметизируемой жидкой среды.These sealing rings provide the ability to seal the connection between structural elements of downhole equipment, however, during the operation of such rings, a number of disadvantages were identified related to the peculiarities of their operation in sealed joints. Thus, it was established that in a number of cases for various standard sizes of the ring, the tightness of the connection was insufficient and leakage of the sealed liquid medium occurred.

Дальнейший анализ причин таких утечек показал, что в ряде случаев при установке кольца на посадочную поверхность, в частности на поверхность втулки подводной фонтанной арматуры, наблюдается некорректное положение кольца относительно его заданного положения. Кроме того, наблюдались следы эластомерного материала на внутренних поверхностях металлических колец в уплотнении. Также в ряде случаев были выявлены и нарушения работоспособности кольца, связанные с его нагружением рабочим давлением. В частности, в некоторых случаях наблюдались следы эластомерного материала на внешних поверхностях металлических колец, а также потеря уплотнительной способности.Further analysis of the causes of such leaks showed that in a number of cases, when installing the ring on the seating surface, in particular on the surface of the bushing of the underwater Christmas tree, an incorrect position of the ring relative to its specified position is observed. In addition, traces of elastomeric material were observed on the inner surfaces of the metal rings in the seal. Also, in a number of cases, malfunctions of the ring associated with its loading with operating pressure were identified. In particular, in some cases traces of elastomeric material were observed on the outer surfaces of the metal rings, as well as loss of sealing ability.

Все вышеуказанные явления являются нежелательными для уплотнительных колец, поскольку при их проявлении происходит потеря герметизирующих свойств уплотнительного кольца, а кроме того, не обеспечивается надежное крепление кольца на посадочной поверхности.All of the above phenomena are undesirable for sealing rings, since when they occur, the sealing properties of the sealing ring are lost, and in addition, reliable fastening of the ring to the seating surface is not ensured.

Раскрытие сущности изобретения.Disclosure of the invention.

Технической задачей является устранение вышеуказанных недостатков известных решений. В частности, задачей является обеспечение надежного крепления уплотнительного кольца и повышение его герметичности при высоком давлении.The technical challenge is to eliminate the above disadvantages of known solutions. In particular, the task is to ensure reliable fastening of the O-ring and increase its tightness at high pressure.

Технический результат изобретения заключается в исключении перекоса уплотнительного кольца и вытягивания его эластомерного материала при установке кольца на посадочное место, например, на изолирующую втулку фонтанной арматуры, а также в исключении недостаточного поджатия кольца к уплотняемой поверхности, в частности, к поверхности обсадной колонны, и затекания эластомерного материала в зазор между металлическим кольцом и уплотняемой поверхностью. В результате исключаются потери кольцом уплотнительных функций при его установке на посадочное место и достигается повышение герметичности уплотнительного кольца в условиях действия высоких давлений, а также обеспечивается надежное крепление уплотнительного кольца вследствие отсутствия его перекоса при установке.The technical result of the invention is to eliminate the distortion of the sealing ring and the pulling out of its elastomeric material when installing the ring on a seat, for example, on the insulating sleeve of a Christmas tree, as well as to eliminate insufficient compression of the ring to the sealing surface, in particular, to the surface of the casing, and leakage elastomeric material into the gap between the metal ring and the sealing surface. As a result, the loss of the sealing functions by the ring is eliminated when it is installed on the seat and an increase in the tightness of the sealing ring under conditions of high pressure is achieved, as well as reliable fastening of the sealing ring is ensured due to the absence of its distortion during installation.

Технический результат достигается тем, что уплотнительное кольцо, содержит два металлических торцевых опорных кольца и эластомерный уплотнительный элемент между ними, содержащий центральную часть и две боковые части, проходящие от центральной части вдоль оси уплотнительного кольца, каждое металлическое торцевое опорное кольцо содержит выемку на одном из его боковых краев, в которую помещена выступающая боковая часть эластомерного уплотнительного элемента, и имеет разнотолщинный П-образный профиль с уменьшением толщины профиля в сторону центральной части эластомерного уплотнительного элемента, в центральной части эластомерного уплотнительного элемента выполнены наружный и внутренний выступы, при этом диаметр наружного выступа превышает наружный диаметр каждого из металлических торцевых опорных колец, а диаметр внутреннего выступа меньше внутреннего диаметра каждого из металлических торцевых опорных колец, наружный выступ имеет площадку шириной F и высотой D, переходящую посредством наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах, внутренний выступ имеет площадку шириной H и высотой E, переходящую посредством наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах, причем угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и равен G = 28÷33°, а отношение ширины к высоте площадки наружного выступа F/D = 4,6÷6,8, отношение ширины к высоте площадки внутреннего выступа H/E = 8,9÷18,2.The technical result is achieved in that the sealing ring contains two metal end support rings and an elastomeric sealing element between them, containing a central part and two side parts extending from the central part along the axis of the seal ring, each metal end support ring contains a recess on one of its side edges, into which the protruding side part of the elastomeric sealing element is placed, and has a U-shaped profile of different thicknesses with a decrease in the thickness of the profile towards the central part of the elastomeric sealing element; in the central part of the elastomeric sealing element, outer and inner protrusions are made, and the diameter of the outer protrusion exceeds the outer diameter of each of the metal end support rings, and the diameter of the inner protrusion is less than the inner diameter of each of the metal end support rings, the outer protrusion has a platform of width F and height D, passing through inclined sections into the side parts of the elastomeric sealing element located in the metal end support rings , the inner protrusion has a platform of width H and height E, which passes through inclined sections into the side parts of the elastomeric sealing element located in metal end support rings, and the transition angle G of the inclined sections is the same for the outer and inner protrusions of the elastomeric sealing element and is equal to G = 28 ÷33°, and the ratio of the width to the height of the outer protrusion platform F/D = 4.6÷6.8, the ratio of the width to the height of the inner protrusion platform H/E = 8.9÷18.2.

Технический результат также достигается тем, что эластомерный уплотнительный элемент выполнен из гидрированного бутадиен-нитрильного каучука. Каждое из металлических торцевых опорных колец выполнено из никель-хромового сплава. Металлические торцевые опорные кольца выполнены с возможностью взаимодействия с посадочным местом изолирующей втулки подводной фонтанной арматуры.The technical result is also achieved by the fact that the elastomeric sealing element is made of hydrogenated nitrile butadiene rubber. Each of the metal end support rings is made of nickel-chromium alloy. The metal end support rings are designed to interact with the seat of the insulating sleeve of the underwater Christmas tree.

Достижение технического результата в изобретении обуславливается тем, что параметры кольца должны быть определены исходя из особенностей поведения эластомерного материала при трении относительно посадочной и уплотняемой поверхностей, а также при нагружении его рабочим давлением. Проведенный анализ причин возникновения недостатков известных решений послужил основанием для ограничения параметрических характеристик применяемых уплотнений, в том числе и применяемых на скважинном оборудовании.Achieving a technical result in the invention is determined by the fact that the parameters of the ring must be determined based on the behavior of the elastomeric material during friction relative to the seating and sealing surfaces, as well as when loaded with operating pressure. The analysis of the reasons for the shortcomings of known solutions served as the basis for limiting the parametric characteristics of the seals used, including those used on downhole equipment.

В частности, для посадки уплотнительного кольца на посадочную поверхность, в том числе на изолирующую втулку фонтанной арматуры размеры, определяющие отношение ширины к высоте площадки внутреннего выступа эластомерного уплотнительного элемента необходимо выдерживать в соотношении H/E = 8,9÷18,2, при угле перехода G наклонных участков внутреннего выступа равном 28÷33°. Это обусловлено тем, что при недостаточной высоте площадки Е к её ширине H уплотнительное кольцо слабо прижимается к изолирующей втулке подводной фонтанной арматуры, что приводит к перекосу уплотнительного кольца во время его установки в подвеску обсадной колонны. Из-за перекоса теряется симметричность нагружения, что при рабочих условиях приводит к потере герметичности уплотнительного кольца. При избыточной высоте площадки Е к её ширине H внутреннего выступа посадка уплотнительного кольца на втулку фонтанной арматуры сопровождается вытягиванием резины против хода посадки. При затруднительной посадке уплотнительного кольца с вытягиванием эластомера (резины) нарушается его симметрия. В связи с чем при установке уплотнительного кольца в подвеску обсадной колонны это также может привести к перекосу и ухудшению его герметичности.In particular, to fit the sealing ring onto the seating surface, including the insulating sleeve of the Christmas tree, the dimensions that determine the ratio of the width to the height of the area of the internal protrusion of the elastomeric sealing element must be maintained in the ratio H/E = 8.9÷18.2, at an angle transition G of inclined sections of the internal protrusion equal to 28÷33°. This is due to the fact that if the height of the platform E is insufficient to its width H, the sealing ring is weakly pressed against the insulating sleeve of the underwater Christmas tree, which leads to the distortion of the sealing ring during its installation in the casing hanger. Due to the misalignment, the symmetry of the loading is lost, which, under operating conditions, leads to a loss of tightness of the sealing ring. If the height of the platform E is excessive compared to its width H of the internal protrusion, the landing of the sealing ring on the bushing of the Xmas tree is accompanied by the rubber being pulled out against the landing direction. If the sealing ring is difficult to fit and the elastomer (rubber) is pulled out, its symmetry is disrupted. Therefore, when installing an O-ring into the casing hanger, this can also lead to misalignment and deterioration of its tightness.

Размеры, касающиеся наружного выступа эластомерного уплотнительного элемента, который соприкасается с уплотняемой поверхностью, в частности с подвеской обсадной колонны, ограничены в диапазоне ширины F площадки к её высоте D, в соотношении F/D равном 4,6÷6,8, при угле перехода G наклонных участков наружного выступа равном 28÷33°. Это обусловлено тем, что при меньших размерах указанной пропорции количество резины оказывается недостаточным, чтобы при рабочих условиях обеспечить необходимое напряжение в поджатом к уплотняемой поверхности наружном выступе, и тем самым обеспечить способность эластомерного уплотнительного элемента с таким выступом выдерживать рабочие давления уплотняемой среды, в том числе и давления характерные для работы скважинного оборудования. В результате обеспечивается герметичность уплотнительного кольца.The dimensions relating to the outer protrusion of the elastomeric sealing element, which is in contact with the surface to be sealed, in particular with the casing suspension, are limited in the range of the platform width F to its height D, in the F/D ratio equal to 4.6÷6.8, at the transition angle G inclined sections of the outer protrusion equal to 28÷33°. This is due to the fact that with smaller sizes of the specified proportion, the amount of rubber turns out to be insufficient to, under operating conditions, provide the necessary stress in the outer protrusion pressed against the surface being sealed, and thereby ensure the ability of an elastomeric sealing element with such a protrusion to withstand the operating pressures of the sealed medium, including and pressures characteristic of the operation of downhole equipment. As a result, the sealing ring is sealed.

При увеличении отношения ширины и высоты F/D внешнего выступа выше указанного диапазона, усилия, создаваемого подвеской обсадной колонны, недостаточно, чтобы продавить данный объем резинового уплотнения до положения, показанного на фигуре 4. В этом случае не обеспечивается надавливание уплотняемой поверхности подвески обсадной колонны на металлические торцевые опорные кольца, которые ограничивают движение эластомерного уплотнительного элемента. В результате, это приводит к образованию зазора, между подвеской обсадной колонны и металлическими частями уплотнительного кольца. Далее, при давлении среды в рабочих условиях эксплуатации эластомерный уплотнительный элемент имеет возможность «затечь» в этот зазор, что ослабит его давление на подвеску обсадной колонны и приведет к потере герметичности узла.When the width and height ratio F/D of the outer lip increases above the specified range, the force created by the casing hanger is not enough to push a given volume of rubber seal to the position shown in figure 4. In this case, the sealing surface of the casing hanger is not pressed onto metal end support rings that limit the movement of the elastomeric sealing element. As a result, this leads to the formation of a gap between the casing hanger and the metal parts of the sealing ring. Further, under environmental pressure under operating conditions, the elastomeric sealing element has the ability to “flow” into this gap, which will weaken its pressure on the casing string suspension and lead to loss of tightness of the assembly.

При этом следует отметить, что угол перехода G наклонных участков внутреннего и наружного выступов определяет геометрию выступов и тем самым оказывает прямое влияние на вышеуказанный характер поведения эластомерного материала в совокупности с представленными диапазонами высоты и ширины каждого из выступов. Таким образом, для исключения перекоса кольца и вытягивания эластомерного материала при установке кольца, а также исключения недостаточного поджатия к уплотняемой поверхности и затекания эластомерного материала в зазор между металлическим кольцом и уплотняемой поверхностью необходимо наличие всех вышеуказанных соотношений наружного и внутреннего выступов, равно как и диапазона параметров угла перехода G.It should be noted that the transition angle G of the inclined sections of the inner and outer projections determines the geometry of the projections and thereby has a direct impact on the above-mentioned behavior of the elastomeric material in conjunction with the presented ranges of height and width of each of the projections. Thus, to avoid distortion of the ring and elongation of the elastomeric material when installing the ring, as well as to avoid insufficient compression to the sealing surface and flow of elastomeric material into the gap between the metal ring and the sealing surface, it is necessary to have all the above ratios of the outer and inner protrusions, as well as the range of parameters transition angle G.

Таким образом, указанные пропорции размеров площадок внутреннего и наружного выступов при угле перехода G наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах, обеспечивает исключение перекоса кольца и вытягивание эластомерного материала при установке кольца, а также исключение недостаточного поджатия кольца к уплотняемой поверхности и затекания эластомерного материала в зазор между металлическим кольцом и уплотняемой поверхностью. В результате исключаются потери кольцом уплотнительных функций при его установке на посадочное место, в том числе на изолирующей втулке подводной фонтанной арматуры и повышается герметичность уплотнительного кольца при наличии высоких давлений. Также обеспечивается надежное крепление уплотнительного кольца вследствие отсутствия перекоса при установке.Thus, the specified proportions of the sizes of the areas of the internal and external protrusions at the transition angle G of the inclined sections into the side parts of the elastomeric sealing element located in the metal end support rings ensure the elimination of ring distortion and elongation of the elastomeric material when installing the ring, as well as the elimination of insufficient compression of the ring to sealing surface and flow of elastomeric material into the gap between the metal ring and the sealing surface. As a result, the loss of the sealing functions of the ring is eliminated when it is installed on the seat, including on the insulating sleeve of the underwater Xmas tree, and the tightness of the sealing ring is increased in the presence of high pressures. Reliable fastening of the sealing ring is also ensured due to the absence of distortion during installation.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами.The claimed invention is illustrated by the following figures.

На фигуре 1 представлено изометрическое изображение уплотнительного кольца (изометрия с вырезанным сектором), на фигуре 2 – уплотнительное кольцо в поперечном разрезе, на фигуре 3 – уплотнительное кольцо, установленное на изолирующую втулку ПФА, на фигуре 4 – уплотнительное кольцо на изолирующей втулке ПФА, установленное в подвеску обсадной колонны, на фигуре 5 – положение уплотнительного кольца при подаче рабочего давления, на фигуре 6 – уплотнительное кольцо в поперечном разрезе с указанием основных размеров.Figure 1 shows an isometric image of the sealing ring (isometry with a cut out sector), figure 2 shows the sealing ring in cross section, figure 3 shows the sealing ring installed on the PFA insulating sleeve, figure 4 shows the sealing ring on the PFA insulating sleeve, installed into the casing string hanger, figure 5 shows the position of the sealing ring when operating pressure is applied, figure 6 shows the sealing ring in a cross section indicating the main dimensions.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Уплотнительное кольцо представляет собой комбинированное изделие, состоящее из двух металлических торцевых опорных колец 2 и эластомерного уплотнительного элемента 1 между ними, содержащий центральную часть 10 и две боковые части 11, проходящие от центральной части вдоль оси уплотнительного кольца, каждое металлическое торцевое опорное кольцо содержит выемку на одном из его боковых краев, в которую помещена выступающая боковая часть эластомерного уплотнительного элемента, и имеет разнотолщинный П-образный профиль с уменьшением толщины профиля в сторону центральной части эластомерного уплотнительного элемента, в центральной части эластомерного уплотнительного элемента выполнены наружный 12 и внутренний 13 выступы.The sealing ring is a combined product consisting of two metal end support rings 2 and an elastomeric sealing element 1 between them, containing a central part 10 and two side parts 11 extending from the central part along the axis of the seal ring, each metal end support ring contains a recess on one of its side edges, in which the protruding side part of the elastomeric sealing element is placed, and has a U-shaped profile of different thicknesses with a decrease in the thickness of the profile towards the central part of the elastomeric sealing element; in the central part of the elastomeric sealing element, outer 12 and inner 13 protrusions are made.

Металлические торцевые опорные кольца 2 применяются для крепления эластомерного уплотнительного элемента 1. Обеспечение фиксации уплотнительного кольца в посадочном месте изолирующей втулки ПФА 3 осуществляется за счет обжатия эластомерного уплотнения. При посадке уплотнительного кольца на изолирующую втулку ПФА происходит поджатие эластомерного уплотнительного элемента с внутренней поверхности 5 уплотнительного кольца. При установке уплотнительного кольца на изолирующую втулку ПФА остается зазор 6 между металлическим торцевым опорным кольцом 2 и резьбовым стопорным кольцом 4. Резьбовое стопорное кольцо служит как направляющая для посадки изолирующей втулки в подвеску обсадной колонны, выполненное в форме конуса 9, а также как упор в подвеску обсадной колонны и как стопор, который удерживает уплотнительное кольцо при извлечении изолирующей втулки ПФА.Metal end support rings 2 are used to fasten the elastomeric sealing element 1. The sealing ring is secured in the seat of the PFA insulating sleeve 3 by compressing the elastomeric seal. When the sealing ring is seated on the PFA insulating sleeve, the elastomeric sealing element is compressed from the inner surface 5 of the sealing ring. When installing the sealing ring on the PFA insulating sleeve, a gap 6 remains between the metal end support ring 2 and the threaded retaining ring 4. The threaded retaining ring serves as a guide for fitting the insulating sleeve into the casing hanger, made in the shape of a cone 9, and also as a stop in the hanger casing and as a stopper that holds the O-ring when removing the PFA insulating sleeve.

После установки уплотнительного кольца на изолирующей втулке ПФА в подвеску обсадной колонны 7 происходит активация эластомерного уплотнительного элемента по внешней стенке 8 уплотнительного кольца. Уплотнительное кольцо растягивается и зазор 6 уменьшается. Работа по уплотнению затрубного пространства происходит за счет растяжения эластомерного уплотнительного элемента 1 внутри уплотнительного кольца.After installing the sealing ring on the PFA insulating sleeve in the casing string hanger 7, the elastomeric sealing element is activated along the outer wall 8 of the sealing ring. The sealing ring stretches and the gap 6 decreases. The work of sealing the annulus occurs due to the stretching of the elastomeric sealing element 1 inside the sealing ring.

На фигуре 5 показаны рабочие условия установленного комбинированного кольца при подаче давления рабочей среды. Стрелками показано движение рабочей среды и давление, которое она создает. В случае подачи давления рабочей среды на металлическое торцевое опорное кольцо 2 уплотнительное кольцо начинает сжиматься и за счет распределения усилия, эластомерный уплотнительный элемент начинает вдавливаться в стенки подвески обсадной колонны еще сильнее, что улучшает герметичные свойства уплотнительного кольца при рабочих условиях.Figure 5 shows the operating conditions of the installed combination ring when the pressure of the working medium is applied. The arrows show the movement of the working medium and the pressure it creates. When pressure from the working medium is applied to the metal end support ring 2, the sealing ring begins to compress and, due to the distribution of force, the elastomeric sealing element begins to be pressed into the walls of the casing suspension even more strongly, which improves the sealing properties of the sealing ring under operating conditions.

Фигура 5 иллюстрирует работу (активацию) уплотнительного кольца как на растяжение, так и на сжатие. Конструкция уплотнительного кольца и свойства эластомерного уплотнения позволяют ему работать комбинированно и показывать хорошую уплотнительную способность в различных условиях нагружения.Figure 5 illustrates the operation (activation) of the sealing ring in both tension and compression. The design of the O-ring and the properties of the elastomeric seal allow it to work in combination and show good sealing ability under various loading conditions.

Материалом металлических торцевых опорных колец может являться коррозионностойкая сталь или никель-хромовый сплав, которые используются для обеспечения прочностных характеристик и устойчивости к различным типам коррозии.The material of the metal end support rings can be corrosion-resistant steel or nickel-chromium alloy, which are used to provide strength characteristics and resistance to various types of corrosion.

Свойствами коррозионностойкий стали или никель-хромового сплава, которые обеспечивают высокие прочностные характеристики, являются устойчивость к точечной и щелевой коррозии, высокая коррозионная усталостная прочность, высокая прочность на разрыв и при растяжении, а также устойчивость к хлорид-ионному коррозионному растрескиванию под напряжением.Properties of corrosion-resistant steel or nickel-chromium alloy that provide high strength characteristics are resistance to pitting and crevice corrosion, high corrosion fatigue strength, high tensile and tensile strength, and resistance to chloride ion stress corrosion cracking.

Материал эластомерной части изделия может представлять собой гидрированный бутадиен-нитрильный каучук – HNBR (твердость 80-90 по Шору). Это термостойкий каучук с высокой стойкостью к воздействию озона, химических веществ, и старению. HNBR обладает наилучшими механическими свойствами, такими как прочность при разрыве, относительное удлинение при разрыве, устойчивость к истиранию, необходимыми для обеспечения уплотнения и сохранения герметичности в течении длительного срока эксплуатации ПФА.The material of the elastomeric part of the product can be hydrogenated nitrile butadiene rubber - HNBR (hardness 80-90 Shore). It is a heat-resistant rubber with high resistance to ozone, chemicals, and aging. HNBR has the best mechanical properties, such as tensile strength, elongation at break, abrasion resistance, necessary to ensure compaction and maintain tightness over a long service life of PFA.

Примеры осуществления уплотнительного кольца.Examples of implementation of the sealing ring.

Пример 1.Example 1.

Уплотнительное кольцо выполнено с габаритными размерами: А = 308 мм; В = 335 мм; С = 50 мм.The sealing ring is made with overall dimensions: A = 308 mm; B = 335 mm; C = 50 mm.

Металлическое торцевое опорное кольцо имеет габаритные размеры: J = 14,5 мм, K = 12,25 мм (с учетом допуска +/- 0,2 мм).The metal end support ring has overall dimensions: J = 14.5 mm, K = 12.25 mm (including tolerance +/- 0.2 mm).

Ширина F площадки наружного выступа к высоте F = 14,0 мм.Width F of the outer protrusion platform to height F = 14.0 mm.

Высота D площадки наружного выступа D = 2,2 мм.Height D of the outer protrusion platform D = 2.2 mm.

Ширина H площадки внутреннего выступа к высоте H = 17,0 мм.Width H of the inner protrusion platform to height H = 17.0 mm.

Высота E площадки внутреннего выступа Е = 1,0 мм.Height E of the inner protrusion platform E = 1.0 mm.

Угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и равен G = 28°.The transition angle G of the inclined sections is the same for the outer and inner projections of the elastomeric sealing element and is equal to G = 28°.

Эластомерная часть уплотнительного кольца в сечении представляет собой изделие прямоугольной формы с поджатыми концами, которые запрессованы в ответные части металлических П-образных колец. Переход из поджатых участков в основное (рабочее) тело эластомера идет при помощи увеличения толщины резины (несимметрично). Угол перехода G одинаков для внутренней и внешней стенки, но площадка перехода и как следствие толщины F и H различны.The cross-section of the elastomeric part of the sealing ring is a rectangular product with pressed ends, which are pressed into the mating parts of the metal U-shaped rings. The transition from the compressed areas to the main (working) body of the elastomer occurs by increasing the thickness of the rubber (asymmetrically). The transition angle G is the same for the inner and outer walls, but the transition area and, as a consequence, the thicknesses F and H are different.

Таким образом, в представленном примере угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и находится в диапазоне G = 28÷33°. Отношение ширины к высоте площадки наружного выступа F/D в примере находится в пределах диапазона 4,6÷6,8, а отношение ширины к высоте площадки внутреннего выступа H/E в пределах диапазона 8,9÷18,2.Thus, in the presented example, the transition angle G of the inclined sections is the same for the outer and inner protrusions of the elastomeric sealing element and is in the range G = 28÷33°. The width-to-height ratio of the outer protrusion platform F/D in the example is within the range of 4.6÷6.8, and the width-to-height ratio of the inner protrusion platform H/E is within the range 8.9÷18.2.

После изготовления партии уплотнительных колец по вышеуказанным размерам были проведены испытания части колец из партии. В результате испытаний уплотнительные кольца показали устойчивость к рабочим давлениям и необходимый уровень уплотнительной способности. Также на поверхностях металлических колец, а также уплотняемой и посадочных поверхностях не выявлены следы эластомерного материала характерные для затекания такого материала в зазор между ними. Тем самым была подтверждена работоспособность колец по изобретению с достижением при этом указанного технического результата.After manufacturing a batch of sealing rings according to the above dimensions, tests were carried out on part of the rings from the batch. As a result of tests, the sealing rings showed resistance to operating pressures and the required level of sealing ability. Also, on the surfaces of the metal rings, as well as the sealing and seating surfaces, no traces of elastomeric material characteristic of the flow of such material into the gap between them were detected. Thus, the performance of the rings according to the invention was confirmed while achieving the specified technical result.

Пример 2.Example 2.

Уплотнительное кольцо выполнено с габаритными размерами: А = 308 мм; В = 345 мм; С = 52 мм.The sealing ring is made with overall dimensions: A = 308 mm; H = 345 mm; C = 52 mm.

Ширина F площадки наружного выступа к высоте F = 15,0 мм.Width F of the outer protrusion platform to height F = 15.0 mm.

Высота D площадки наружного выступа D = 3,0 мм.Height D of the outer protrusion platform D = 3.0 mm.

Ширина H площадки внутреннего выступа к высоте H = 18,2 мм.Width H of the inner protrusion platform to height H = 18.2 mm.

Высота E площадки внутреннего выступа Е = 1,9 мм.Height E of the inner protrusion platform E = 1.9 mm.

Угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и равен G = 33°.The transition angle G of the inclined sections is the same for the outer and inner protrusions of the elastomeric sealing element and is equal to G = 33°.

Также была изготовлена партия уплотнительных колец по вышеуказанным размерам и были проведены испытания части колец из партии. В результате испытаний уплотнительные кольца также показали устойчивость к рабочим давлениям и необходимый уровень уплотнительной способности.A batch of sealing rings was also manufactured according to the above dimensions, and some of the rings from the batch were tested. As a result of the tests, the sealing rings also showed resistance to operating pressures and the required level of sealing ability.

Таким образом, в результате использования предложенного уплотнительного кольца исключаются его перекосы и вытягивание эластомерного материала при установке кольца на посадочное место, а также исключаются недостаточное поджатие кольца к уплотняемой поверхности и затекание эластомерного материала в зазор между металлическим кольцом и уплотняемой поверхностью. Тем самым исключаются потери кольцом уплотнительных функций, при его установке на посадочное место, и достигается повышение герметичности уплотнительного кольца в условиях действия высоких давлений, а также обеспечивается надежное крепление уплотнительного кольца вследствие отсутствия его перекоса при установке.Thus, as a result of using the proposed sealing ring, its distortions and elongation of the elastomeric material when installing the ring on the seat are eliminated, and insufficient compression of the ring to the sealing surface and the flow of elastomeric material into the gap between the metal ring and the sealing surface are also eliminated. This eliminates the loss of the sealing functions of the ring when it is installed on the seat, and increases the tightness of the sealing ring under conditions of high pressure, and also ensures reliable fastening of the sealing ring due to the absence of its distortion during installation.

Claims

1. A sealing ring containing two metal end support rings and an elastomeric sealing element between them, containing a central part and two side parts extending from the central part along the axis of the sealing ring,

each metal end support ring contains a recess on one of its side edges, into which the protruding side part of the elastomeric sealing element is placed, and has a U-shaped profile of different thicknesses with a decrease in the thickness of the profile towards the central part of the elastomeric sealing element,

in the central part of the elastomeric sealing element there are outer and inner protrusions, wherein the diameter of the outer protrusion exceeds the outer diameter of each of the metal end support rings, and the diameter of the inner protrusion is less than the inner diameter of each of the metal end support rings,

the outer protrusion has a platform of width F and height D, which passes through inclined sections into the side parts of the elastomeric sealing element located in metal end support rings,

the internal protrusion has a platform of width H and height E, which passes through inclined sections into the side parts of the elastomeric sealing element located in metal end support rings,

wherein the transition angle G of the inclined sections is the same for the outer and inner protrusions of the elastomeric sealing element and is equal to G = 28-33°, and

ratio of width to height of the outer protrusion platform F/D = 4.6-6.8, ratio of width to height of the inner protrusion platform H/E = 8.9-18.2.

2. The sealing ring according to claim 1, characterized in that the elastomeric sealing element is made of hydrogenated nitrile butadiene rubber.

3. The sealing ring according to claim 1, characterized in that each of the metal end support rings is made of nickel-chrome material.

4. The sealing ring according to claim 1, characterized in that the metal end support rings are designed to interact with the seat of the insulating sleeve of the underwater Christmas tree.