具有挤压连接结构的环状屏障的制作方法

1.本发明涉及一种环状屏障，该环状屏障用于在井下于环空中提供区域隔离，该环空位于金属井管结构与另一金属井管结构或与井孔的壁部之间，该环状屏障具有轴向延伸方向。本发明还涉及一种井下系统和一种用于将环状屏障的可膨胀金属套筒安装至管状金属部件的安装方法。


背景技术：

2.环状屏障安装为套管井的一部分，目的是将生产区域与生产过量水的其他区域隔离开。这些屏障中的一些屏障具有可膨胀金属套筒，该可膨胀金属套筒借助于焊接或压接而紧固至金属井管结构。然而，有时，这样的紧固是不成功的，例如在井孔直径变化非常多的井如冲蚀地段中，其中可膨胀金属套筒可能必须膨胀到比这样的连接能够耐受而不会危及环状屏障的密封能力的程度更大的程度。
3.此外，借助于焊接或压接紧固该可膨胀金属套筒是费时的、不容易完成的、并且是几乎无法原位地/就地完成的。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种改进的环状屏障，该环状屏障更容易安装至金属井管结构和/或能够耐受高水平的膨胀而不会危及环状屏障的密封能力，尤其是在可膨胀金属套筒连接至金属井管结构的位置处。
5.从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过一种环状屏障来实现，该环状屏障用于在井下于环空中提供区域隔离，该环空位于金属井管结构与另一金属井管结构或与井孔的壁部之间，该环状屏障具有轴向延伸方向并且包括：
[0006]-管状金属部件，该管状金属部件具有部件内表面和部件外表面并且构造成能安装为该金属井管结构的一部分；
[0007]-可膨胀金属套筒，该可膨胀金属套筒围绕该管状金属部件，从而在该管状金属部件与该可膨胀金属套筒之间提供可膨胀空间；该可膨胀金属套筒构造成能在井下从第一外径膨胀至第二外径，以便紧贴该金属井管结构或该井孔的壁部，该可膨胀金属套筒具有第一端部部分、第二端部部分和外表面，并且至少所述第一端部部分包括面向所述部件外表面的一个或多个周向凹槽，
[0008]
其中所述管状金属部件相对于所述轴向延伸方向径向向外鼓胀，从而形成至少一个周向突起，该至少一个周向突起接合所述凹槽，从而提供该可膨胀金属套筒至该管状金属部件的连接。
[0009]
在一个方面，该第二端部部分与该管状金属部件可滑动地连接。
[0010]
在另一方面，该第二端部部分借助咬合连接结构与该管状金属部件固定连接。
[0011]
在又一方面，该第二端部部分通过焊接、压接或类似连接方法与该管状金属部件固定连接。
[0012]
此外，该突起可具有突起高度，该突起高度沿该管状金属部件的周向变化。
[0013]
此外，该突起可沿所述轴向延伸方向具有圆形横截面形状。
[0014]
此外，该突起可借助扩张器工具提供。
[0015]
此外，该管状金属部件可在所述部件内表面上包括凹部，该凹部与所述突起相对。
[0016]
此外，该环状屏障可包括布置在所述凹槽中的密封元件。
[0017]
此外，该可膨胀金属套筒可包括多个凹槽，并且所述管状金属部件可包括对应数量的突起。
[0018]
此外，所述凹槽中的一个凹槽可与通道流体连接，该通道用于在该管状金属部件鼓胀入所述凹槽中时测量压力。
[0019]
此外，该可膨胀金属套筒与该管状金属部件的连接可在将该可膨胀金属套筒安装至该管状金属部件期间被验证。
[0020]
此外，该管状金属部件可包括膨胀开口，该膨胀开口用于允许流体进入以便使该可膨胀金属套筒膨胀。
[0021]
此外，该环状屏障可包括阀，该阀布置在该膨胀开口中或者至少与该膨胀开口流体连通，以用于对流体从该管状金属部件/该金属井管结构的内部向该可膨胀空间的流动进行控制。
[0022]
此外，该可膨胀金属套筒的每个端部部分均可包括凹槽，该管状金属部件包括对应数量的突起，并且每个突起均与一个所述凹槽接合。
[0023]
此外，所述可膨胀金属套筒可具有位于所述端部部分之间的中间部分，该中间部分的厚度小于所述端部部分的厚度。
[0024]
此外，该管状金属部件可具有第一厚度和在该突起处的第二厚度，该第二厚度可与该第一厚度基本上相等。
[0025]
此外，该第二厚度可因在该管状金属部件的鼓胀期间出现的一些变薄情况而在该突起处是基本上一致的。
[0026]
此外，本发明涉及一种井下系统，该井下系统包括该环状屏障和金属井管结构，其中该环状屏障的该管状金属部件安装为该金属井管结构的一部分。
[0027]
本发明还涉及一种用于将环状屏障的可膨胀金属套筒安装至管状金属部件的安装方法，该安装方法包括：
[0028]-将该可膨胀金属套筒围绕该管状金属部件定位；
[0029]-将该扩张器工具对着该可膨胀金属套筒的凹槽定位在该管状金属部件的内部；
[0030]-使该扩张器工具径向向外扩张直至该管状金属部件鼓胀到该凹槽中，从而形成接合该凹槽的突起并且将该可膨胀金属套筒紧固至该管状金属部件。
[0031]
最后，该扩张器工具可径向向外扩张直至该凹槽中的密封元件被压缩。
附图说明
[0032]
下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：
[0033]
图1示出了具有凹槽并且接合了鼓胀的突起的环状屏障的剖视图；
[0034]
图2示出了待在该金属井管结构内膨胀的另一环状屏障的剖视图；
[0035]
图3示出了具有测试通道的又一环状屏障的剖视图；
[0036]
图4示出了在借助扩张器工具将可膨胀金属套筒安装至该管状金属部件期间的环状屏障的局部剖视图；和
[0037]
图5示出了第二端部部分，该第二端部部分借助于咬合连接结构而与该管状金属部件固定连接。
[0038]
所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。
具体实施方式
[0039]
图1示出了环状屏障1，该环状屏障用于在井下于环空2中提供区域隔离，该环空位于金属井管结构3与另一金属井管结构3b(如图2所示)或井孔4的壁部5之间。该环状屏障具有轴向延伸方向l并且包括管状金属部件7，该管状金属部件具有部件内表面18和部件外表面6。该管状金属部件安装为该金属井管结构3的一部分。该环状屏障还包括可膨胀金属套筒8，其围绕该管状金属部件，从而在该管状金属部件与该可膨胀金属套筒之间形成可膨胀空间9。该可膨胀金属套筒8构造成待在井下从第一外径d1膨胀至第二外径d2，以紧贴该井孔的壁部，如通过虚线指示的那样。该可膨胀金属套筒8具有第一端部部分11、第二端部部分12和外表面10。所述端部部分包括面向部件外表面的两个周向凹槽14，该管状金属部件相对于该轴向延伸方向径向向外鼓胀，从而形成两个周向突起15，每个突起与一个凹槽接合并且提供该可膨胀金属套筒至该管状金属部件的机械连接结构，即，将该可膨胀金属套筒与该管状金属部件机械地连接。该管状金属部件包括与每个突起15相对地布置在部件内表面18上的凹部17。
[0040]
可膨胀金属套筒8与管状金属部件7之间的连接因此能通过借助扩张器工具从内部挤压该管状金属部件直至该管状金属部件在鼓胀到凹槽中从而在部件内表面18上形成凹部时形成突起的方式被容易地形成。每个突起15均至少沿该轴向延伸方向具有圆形的横截面形状。
[0041]
通过将管状金属部件的一部分迫压到可膨胀金属套筒的凹槽中，该可膨胀金属套筒以简单的方式被紧固至管状金属部件，这不会改变如在现有技术中与焊接或压接相关地看到的那些材料特性。此外，与焊接相比，紧固更容易再现。此外，与焊接相比，这样的挤压连接能用明显更低的成本来将可膨胀金属套筒安装至管状金属部件，因为这种方案比焊接耗时少。
[0042]
如图1所示，环状屏障1包括在该管状金属部件上的膨胀开口23，用于允许流体进入以便使可膨胀金属套筒8膨胀。该环状屏障还包括阀24，该阀布置在该膨胀开口中或者至少与该膨胀开口流体连通，用于对流体从该管状金属部件/该金属井管结构的内部向该可膨胀空间的流动进行控制。尽管未示出，但该阀还可布置成与可膨胀金属套筒的端部中的一个端部连接。
[0043]
图2示出了环状屏障1，其还包括布置在每个凹槽中的密封元件19，从而使得密封元件19在突起鼓胀到凹槽中时被挤压，进而在可膨胀金属套筒与该金属井管结构之间提供
密封。金属井管结构7具有第一厚度t1和在突起15处的第二厚度t2，该第二厚度与该第一厚度基本上相等。“基本上相等”意味着该第二厚度因在管状金属部件鼓胀期间发生的一些变薄情况而是基本上相等的厚度，即一致的厚度。可膨胀金属套筒8的每个端部部分11、12均包括凹槽14，并且该管状金属部件7包括对应数量的突起15，每个突起均接合一个凹槽。
[0044]
可膨胀金属套筒8具有中间部分25，其从第一端部部分延伸至该第二端部部分，即位于这两个端部部分之间，并且该中间部分的厚度小于这两个端部部分的厚度。
[0045]
在图3中，该可膨胀金属套筒包括三个凹槽14-14a,14b和14c—其中，管状金属部件包括对应数量的突起15-15a,15b和15c。其中一个凹槽与通道22流体连接，用于在将可膨胀金属套筒8安装至该管状金属部件7期间于该管状金属部件向该凹槽中鼓胀时测量压力。以这种方式，可在将可膨胀金属套筒安装至该管状金属部件期间验证可膨胀金属套筒与管状金属部件之间的连接，同时，其他两个凹槽和突起提供可膨胀金属套筒与管状金属部件之间的密封能力，如图4所示。
[0046]
如图4所示，突起15借助于扩张器工具21提供，并且突起具有突起高度h(如图1所示)，该突起高度可沿管状金属部件7的周向变化。扩张器工具21通过使具有增高部/凸肋27的多个径向移动部件26向外突出而扩张，并且当使部件26扩张时，在两个相邻的部件26之间形成小间隙，并且因此对应于这些小间隙而使得突起高度存在略微变化。
[0047]
可膨胀金属套筒8通过借助扩张器工具从金属井管结构内部挤压直至管状金属部件在鼓胀到凹槽中从而在部件内表面18上形成凹部时形成突起而在一个端部被紧固。在另一端部，可膨胀金属套筒可借助图5中所示的咬合连接结构或另一种紧固方式被紧固，或者该另一端部可制造成滑动端部，即能相对于管状金属部件滑动。如图5所示，该可膨胀金属套筒的第一端部具有机械连接结构54的为螺纹131的第一部分54a。可膨胀金属套筒的第一端部借助咬合连接结构114连接至管状金属部件。咬合连接结构114包括切割环121，该切割环包括具有斜面123的外环面122和具有第一切割边缘125的内环面124，该切割边缘构造成切入该管状金属部件的部件外表面中。咬合连接结构114还包括连接环126，该连接环具有机械连接结构54的第二部分54b，该第二部分为螺纹132，螺纹132与该可膨胀金属套筒的螺纹接合从而使得当连接环旋转时，斜面123沿可膨胀金属套筒的锥形表面127滑动，从而将第一切割边缘挤入到部件外表面中并且将可膨胀金属套筒8紧固至管状金属部件7。通过将切割环迫压到管状金属部件的部件外表面中，该可膨胀金属套筒以一种简单的方式被紧固至管状金属部件，该简单的方式不会改变如在现有技术中与焊接或压接相关地看到的那些材料特性。此外，与焊接相比，紧固更容易再现。此外，与焊接相比，这样的咬合连接能以明显更低成本来将可膨胀金属套筒安装至管状金属部件，因为这种方案比焊接耗时少。该咬合连接结构通过如下方式将可膨胀金属套筒紧固至管状金属部件：利用至可膨胀金属套筒的螺纹连接并且旋转连接环，使得咬合件即切割环121被迫压以挤入和/或切割到管状金属部件的部件外表面中。所述咬合连接结构提供了将可膨胀金属套筒安装至管状金属部件的非常简单的方法，并且该连接可就地/原位地即在钻井架或钻井平台上执行。
[0048]
本发明还涉及一种如图1所示的井下系统100，其包括环状屏障1和金属井管结构3，其中，该环状屏障的管状金属部件安装为该金属井管结构的一部分。
[0049]
当将环状屏障1的可膨胀金属套筒8安装至管状金属部件7时，可膨胀金属套筒首先在环状屏障1被定位在井中时、于该环状屏障1的预定位置处被围绕管状金属部件定位。
之后，将扩张器工具21对着可膨胀金属套筒的凹槽14定位在管状金属部件的内部，如图4所示。在图4中，管状金属部件和外围的可膨胀金属套筒布置在工具部件32的固定装置31中，并且扩张器工具通过使部件26径向向外突出直至管状金属部件鼓胀到凹槽中而扩张，从而形成接合凹槽的突起并且将该可膨胀金属套筒紧固至管状金属部件。该扩张器工具可包括具有肋部27的多个径向移动部件26，其径向向外移动以扩张该工具的外径，从而将肋部挤压到管状金属部件中，进而使管状金属部件的该部分变形并形成突起15和凹部17，使得该管状金属部件形成有鼓起的横截面形状。当扩张器工具径向向外扩张时，凹槽中的密封元件被压缩，导致密封元件19中的略微的固有的弹力，从而当压力再次释放时，该密封元件解压缩，从而外扩而填充凹槽与突起之间的小间隙。
[0050]
流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。
[0051]“套管”或“金属井管结构”是指井下使用的与石油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。
[0052]
在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器可具有带轮子的可突伸的臂部，其中，轮子接触套管的内表面，用于在套管内推进该牵引器和该工具前进。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如well [0053]
尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说将是显而易见的。