具有外部密封的环状屏障的制作方法
【专利摘要】本发明涉及待在介于井管状结构和井下井筒的内壁之间的环隙中膨胀的环状屏障，该环状屏障包括：用于安装作为所述井管状结构的一部分的管状部件，该管状部件具有纵向轴线；环绕所述管状部件且具有外表面的可膨胀套筒，该可膨胀套筒的各端部借助连接部件紧固至所述管状部件；在所述可膨胀套筒或所述连接部件中的孔，其中第一连接件和第二连接件紧固在所述可膨胀套筒的外表面上；以及借助所述第一和第二连接件紧固至所述可膨胀套筒的具有开口的安全套筒，该安全套筒和所述可膨胀套筒限定出与所述环隙流体连通的空间。
【专利说明】具有外部密封的环状屏障
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种待在含有井流体并且设置在井管状结构和井下井筒的内壁之间的环隙中膨胀的环状屏障，该环状屏障包括:用于安装作为所述井管状结构的一部分的管状部件，该管状部件具有纵向轴线；环绕所述管状部件且具有外表面的可膨胀套筒，该可膨胀套筒的各端部借助连接部件紧固至所述管状部件；在所述管状部件或所述连接部件中的孔。
【背景技术】
[0002]出于不同目的在井眼中使用环状屏障，诸如为了提供用于内部管状结构和外部管状结构之间或内部管状结构和井筒的内壁之间的流动的屏障。环状屏障被安装作为井管状结构的一部分。环状屏障具有被环状的可膨胀套筒环绕的内壁。可膨胀套筒通常由弹性体材料制成，但是也可以由金属制成。套筒在其端部处被紧固至环状屏障的内壁。
[0003]第二环状屏障用于密封内部管状结构和外部管状结构之间或井管状结构和井筒之间的区域。第一环状屏障在待被密封的区域的一侧上膨胀，并且第二环状屏障在该区域的另一侧上膨胀。因此，该整个区域被密封。
[0004]井的压力包络线由在井构造内部使用的管和井装置等的爆破额定值控制。在一些情况下，可以通过增大井中的压力来使环状屏障的可膨胀套筒膨胀，这是使套筒膨胀的最具成本效益的方式。井的爆破额定值限定为可以施加至井用于套筒的膨胀的最大压力，并且希望使套筒膨胀所要求的膨胀压力降至最小以将井在所述膨胀压力中的暴露降至最低程度。
[0005]膨胀时，环状屏障可能经受环隙内的持续的压差或者周期性地高压。屏障的一个目的是克服这种压差并阻止通过屏障的泄漏。
[0006]环状屏障的膨胀套筒的承受这种压差并密封井眼(或外部管道)的能力因此受到许多变量诸如材料强度、壁厚度、暴露至破坏压力的表面面积、温度、井流体等等的影响。
[0007]在某些井环境中通过膨胀套筒来对抗环隙内部的压差来密封的能力对于一些井应用来说是不足的。因此，希望增强对抗环隙内的压差进行密封的能力以能够在所有的井——特别是在生产和消耗期间经历高水位下降压力的井中使用环状屏障。可以通过增加壁厚度或者材料强度或者通过改变安装在膨胀套筒上的外部弹性体的类型来提高密封能力。然而，这会增大膨胀压力，而这正如已经提到的并不是期望的。
[0008]因此希望提供一种增强膨胀套筒的密封能力的解决方案。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是完全地或部分地克服现有技术的上述缺点和缺陷。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的具有已膨胀套筒的增强的环形密封能力的环状屏障。
[0010]上述目的以及多个其它目的、优点和特征通过下述描述将变得显而易见，并由根据本发明的解决方案来实现，即提供一种待在含有井流体并且设置在井管状结构和井下井筒的内壁之间的环隙中膨胀的环状屏障，该环状屏障包括:
[0011]-用于安装作为所述井管状结构的一部分的管状部件，该管状部件具有纵向轴线，
[0012]-环绕所述管状部件且具有外表面的可膨胀套筒，该可膨胀套筒的各端部借助连接部件紧固至所述管状部件，
[0013]-在所述管状部件或所述连接部件中的孔，和
[0014]-安全套筒，该安全套筒具有用于将该安全套筒紧固在所述可膨胀套筒的外表面上的第一连接件和第二连接件以及与该安全套筒相关联的开口，该安全套筒和所述可膨胀套筒限定出通过所述开口与所述环隙流体连通的空间，
[0015]其中，所述安全套筒具有设置在所述的两个连接件之间的中间部件，所述开口设置成比该中间部件更靠近所述连接件中的一者，使得所述空间和与所述连接件中的一者对置的所述环隙之间能够通过所述开口流体连通。
[0016]在本发明的一实施例中，与所述空间流体连通的环隙可以远离所述安全套筒延伸。
[0017]此外，所述安全套筒的沿着所述管状部件的纵向轴线的延伸长度可以比所述可膨胀套筒沿着该管状部件的纵向轴线的延伸长度的30%短、优选地比该可膨胀套筒的延伸长度的20%短、更优选地比该可膨胀套筒的延伸长度的10%短。
[0018]另外，所述安全套筒可以具有沿着所述管状部件的纵向轴线的轴向长度，该轴向长度比所述可膨胀套筒的沿着所述管状部件的纵向轴线的长度的50%短，沿着所述管状部件的纵向轴线的该轴向长度比所述可膨胀套筒的沿着该管状部件的纵向轴线的长度的30%、优选地比该可膨胀套筒的沿着该管状部件的纵向轴线的长度的20%、更优选的比该可膨胀套筒的沿着该管状部件的纵向轴线的长度的15%短。
[0019]另外，所述环状屏障可以包括多个安全套筒。
[0020]在一实施例中，所述安全套筒可以包括套筒部件，该套筒部件借助至少一个所述第二连接件紧固至所述可膨胀套筒并且可具有比所述可膨胀套筒的厚度小的厚度。
[0021]所述安全套筒可以是环形的并且沿着其整个圆周紧固至各连接件。
[0022]所述安全套筒可以由金属或聚合物(诸如，弹性体材料、硅树脂，或天然橡胶或合成橡胶)制成。
[0023]另外，所述安全套筒可由具有比所述可膨胀套筒的弹性模量低的弹性模量的材料制成。
[0024]另外，可在所述安全套筒的外表面上设置有密封部件。
[0025]此外，所述安全套筒可以包括凹部。
[0026]另外，在所述凹部中可以设置有密封部件。
[0027]在一个实施例中，所述开口可以设置在所述连接件中的一者和所述凹部之间。
[0028]另外，所述开口可以设置在所述连接件中的一者和所述可膨胀套筒之间。
[0029]另外，所述开口可以设置成在所述连接件中的一者中、沿着所述管状部件的纵向轴线的凹槽。
[0030]此外，所述安全套筒可以包括借助至少一个所述连接件紧固至所述可膨胀套筒的套筒部件，并且所述开口可以设置在所述连接件中的一者和该套筒部件之间。
[0031]此外，所述安全套筒可以包括借助至少一个所述连接件紧固至所述可膨胀套筒的套筒部件以及设置在该套筒部件与所述可膨胀套筒之间并且至少部分地环绕该可膨胀套筒的片状件。
[0032]在一实施例中，所述片状件可以沿着所述可膨胀套筒在所述连接件的一者和该可膨胀套筒之间进一步延伸。
[0033]另外，所述片状件可以部分地环绕所述可膨胀套筒，在所述连接件和该可膨胀套筒之间提供一通道，该通道为所述开口。
[0034]另外，所述安全套筒可以在距离所述凹部一距离处连接至所述可膨胀套筒。
[0035]另外，在所述空间内、在所述安全套筒的开口处可以设置有间隔件。
[0036]此外，在所述开口中可以设置有单向阀。
[0037]在一实施例中，所述凹部在沿着所述管状部件的纵向轴线的截面中可以具有方形形状、三角形形状或不规则四边形形状。
[0038]另外，所述密封部件可以具有与所述凹部的截面形状相应的截面形状。
[0039]所述密封部件在沿着所述管状部件的纵向轴线的截面中可以具有方形形状、三角形形状或不规则四边形形状。
[0040]另外，所述第一连接件和第二连接件可以是连接环。
[0041]在一个实施例中，所述连接环可以焊接、胶粘、螺栓连接或铆接至所述可膨胀套筒的外表面。
[0042]另外，所述环状屏障可以包括多个连接环和多个设置在所述连接环之间的安全套筒。
[0043]此外，所述环状屏障可以具有第一端部和第二端部，并且在定位成离该第一端部最近的第一安全套筒中的开口可设置成相对于该第一安全套筒的中间部件与所述第二端部相比更靠近该第一端部，在定位成离所述第二端部最近的第二安全套筒中的开口可设置成相对于该第二安全套筒的中间部件与所述第一端部相比更靠近所述第二端部。
[0044]此外，所述连接件可以包括用于沿着所述纵向轴线锚固所述环状屏障的突出元件。
[0045]所述环状屏障还可以包括具有设置在所述可膨胀套筒的外表面上的突出元件的锚固部段。
[0046]另外，所述突出元件可以是钉、倒钩或类似的突出部，或周向尖峰突出部。
[0047]另外，所述密封部件可以自所述可膨胀套筒在径向上延伸超出所述环。
[0048]所述可膨胀套筒可以具有延伸至比未膨胀的套筒的直径大至少10%、优选地大至少15%、更优选地大至少30%的直径的能力。
[0049]在一个实施例中，所述可膨胀套筒可以具有比该可膨胀套筒的长度薄的壁厚，该壁厚优选地小于该可膨胀套筒的长度的25%、更优选地小于该可膨胀套筒的长度的15%、甚至更优选地小于该可膨胀套筒的长度的10%。
[0050]在另一实施例中，所述可膨胀套筒可以沿着外缘和/或长度具有不同的厚度。
[0051]另外，至少一个所述连接部件可以相对于所述环状屏障的管状部件是可滑动的。
[0052]在一个实施例中，至少一个密封部件，诸如O形环，可以设置在所述可滑动的连接部件和所述管状部件之间。
[0053]另外，至少一个所述连接部件可以固定地紧固至所述管状部件。[0054]此外，所述连接部件两者都可以固定地紧固至所述管状部件。
[0055]另外，多个密封部件可以设置在一个凹部中。
[0056]所述安全套筒的沿着纵向轴线的延伸长度可比所述可膨胀套筒的沿着该纵向轴线的延伸长度短。
[0057]另外，所述安全套筒的延伸长度可以比所述可膨胀套筒的延伸长度的30%、优选地可膨胀套筒的延伸长度的20%、更优选地可膨胀套筒的延伸长度的10%短。
[0058]本发明还涉及一种包括井管状结构和至少一个根据本发明的环状屏障的井下系统。
[0059]在所述系统的一个实施例中，多个环状屏障可以定位成沿着所述井管状结构彼此
相距一距离。
[0060]在另一实施例中，所述系统还可以包括膨胀装置，该膨胀装置可以含有爆炸物、增压流体或水泥或它们的组合。
[0061]另外，本发明涉及一种密封保持方法，包括步骤:
[0062]-将根据本发明的环状屏障插入具有井压力的井筒中，
[0063]-通过将增压流体注入到孔中使可膨胀套筒膨胀，以及
[0064]-使安全套筒膨胀以在所述井压力变得高于预定压力时迫使密封部件与所述井筒的壁密封接触。
【专利附图】
【附图说明】
[0065]下面将参考示意性附图详细描述本发明及其许多优点，所述附图出于说明目的示出一些非限制性实施例，其中:
[0066]图1是处于未膨胀状态的环状屏障的截面图，
[0067]图2是图1的环状屏障处于膨胀状态的截面图，
[0068]图3A示出环状屏障的另一实施例的截面图，
[0069]图3B示出图3A的放大视图，
[0070]图4A示出处于未膨胀状态的安全套筒的截面图，
[0071]图4B示出图4A的安全套筒处于膨胀状态，
[0072]图5示出环状屏障的另一实施例的截面图，
[0073]图6-11示出处于未膨胀状态的安全套筒的其他实施例的截面图，
[0074]图12示出环状屏障的另一实施例的截面图，
[0075]图13示出安全套筒的一个实施例的截面图，
[0076]图14示出安全套筒的另一实施例的截面图，
[0077]图15示出安全套筒的又一实施例的截面图，
[0078]图16A示出安全套筒的又一实施例的截面图，
[0079]图16B示出沿着图16A中的A-A的截面图，
[0080]图17示出安全套筒的又一实施例的截面图，
[0081]图18不出具有锚固部段的环状屏障的截面图,和
[0082]图19示出具有组合的锚固件和连接环的环状屏障的截面图。
[0083]所有附图都是高度示意性的且未必按比例，它们仅示出为了阐明本发明所必需的那些部分，其它部分省略或仅予以暗示。
【具体实施方式】
[0084]图1示出待在介于井管状结构3与井筒5的内壁4之间的环隙2内膨胀的环状屏障I。环状屏障膨胀一如图2中所示一用以隔离井下生产区域。环状屏障利用高达6000PSI的压力膨胀。当环状屏障已膨胀时，其可能暴露至环隙内的持续的压差或者周期性高压下，环状屏障因此需要克服这种压差并且阻止通过屏障的泄漏。
[0085]环状屏障I包括用于安装作为井管状结构3的一部分的管状部件6，管状部件6具有纵向轴线。环状屏障I因此作为套管管柱的一部分被组装。环状屏障I包括环绕管状部件6并且具有外表面8的可膨胀套筒7，该可膨胀套筒的各端部9、10借助连接部件12紧固至所述管状部件。环状屏障在可膨胀套筒7或连接部件12中具有孔以用于对介于可膨胀套筒7和管状部件6之间的腔增压以使所述套筒膨胀，使得该套筒挤压井筒5的内壁。安全套筒的第一连接件14和第二连接件15紧固在所述可膨胀套筒的外表面上，安全套筒16具有开口 17和套筒部件25，该套筒部件因此借助所述第一连接件和第二连接件紧固至所述可膨胀套筒。安全套筒16和可膨胀套筒7的外表面8限定出空间13，该空间在可膨胀套筒膨胀时通过与所述连接件中的一者对置(对应)的开口 17与所述环隙流体连通，如图2中箭头所示。
[0086]如在图2中可见，所述环隙内的地层压力Pa已经增大，通过开口 17将流体挤压进来并且挤压到在安全套筒16的套筒部件25下方的空间13中，套筒部件25借此膨胀使得该套筒部件挤压所述井筒的内壁，保持环状屏障I的密封能力。可膨胀套筒7在安全套筒16的膨胀期间不受影响。安全套筒16的套筒部件25的厚度tl小于可膨胀套筒7的厚度t2。
[0087]安全套筒16的套筒部件25是环形的并且沿其整个圆周紧固至各连接件，在安全套筒16和可膨胀套筒7之间形成封闭空间13，因此与空间13的流体连通只能通过开口 17发生。连接件14、15也是环形的并且借助焊接、压配合或类似的紧固方式紧固至所述可膨胀套筒。安全套筒16由具有比可膨胀套筒7的弹性模量小的弹性模量的金属制成。安全套筒16的套筒部件25也可以由聚合物，诸如，弹性体材料、硅树脂，或天然橡胶或合成橡胶(syntactic rubber)制成。
[0088]在图3A和图3B中，密封部件18设置在安全套筒16的套筒部件25的外表面19上。由于套筒部件25在图3B和图4A的截面图中具有梯形形状，所以安全套筒16具有凹部20，并且密封部件18设置在那个凹部20内。密封部件18是环形的并且具有相应的梯形截面形状。当可膨胀套筒7被膨胀时，密封部件18被朝向井筒5挤压，并且如在图4B中可见，在增大的地层压力Pa下流体被挤压通过开口 17并流入到空间13内，从而挤压安全套筒16并且朝向井筒5挤压密封部件18。这样，环状屏障I和井筒壁之间的密封连接得以保持。这由图4B中的箭头标示。
[0089]如图3A所示，安全套筒16的套筒部件25借助小的环圈紧固至连接件14、15。安全套筒16的套筒部件25在该套筒部件的圆周处在距所述凹部一距离处与连接环14、15连接，由此在凹部的两侧介于凹部和连接件之间形成一间隔安全套筒部件26。所述开口设置在所述间隔安全套筒部件中的一者内，使得当至少两个安全套筒设置在一个环状屏障上时，如图3A中所示，离一个连接部件12最近的安全套筒16内的开口定位在离该连接部件12最近的间隔安全套筒部件26中。此外，离第二连接件12最近的安全套筒16的开口定位在离该第二连接部件12最近的间隔安全套筒部件26中。因此，所述开口设置成离所述环隙最近，并且所述地层压力能容易地致动安全套筒16使得在该地层压力增大时密封部件18被朝向井筒壁迫压。在图3A中，一个连接部件固定地紧固至管状部件6，另一个连接部件可滑动地设置在管状部件6上。两个密封部件(诸如O形环)设置在可滑动的连接部件和管状部件之间。
[0090]在图5中，连接件14、15是比图3A中所示的那些环大的环，并且能够限制可膨胀套筒的膨胀从而使得可膨胀套筒7的自由膨胀被阻止。这导致在所述可膨胀套筒中形成周向凹槽，由此强化可膨胀套筒7以在压溃(破坏)前承受更大的压力。
[0091]安全套筒16的套筒部件25是环形的并且可以具有多种不同的截面形状，例如，不具有任何凹部的规则的板形。安全套筒的板形套筒部件25可以具有板形的密封部件，如图6中所示。在图7中，安全套筒16借助于焊接连接件14、15紧固至可膨胀套筒7。安全套筒16具有凹部20，并且在截面方面，安全套筒16的套筒部件25具有三角形或M形的截面，在安全套筒16和可膨胀套筒7的外表面之间具有空间13。安全套筒16具有开口 17，从而使得所述空间与环隙流体连通。
[0092]在图8中，安全套筒16的套筒部件25在该套筒部件的端部处紧固至连接件14、15并且具有板形的截面，由此在安全套筒16和可膨胀套筒7之间形成空间13。间隔件21紧固至安全套筒16的套筒部件25并且设置在所述空间内、位于套筒部件25的开口处，以确保套筒部件25在可膨胀套筒7膨胀时不会压溃。间隔件21设置成与所述开口相对用以在该开口处保持所述空间，使得井流体能够进入并且使安全套筒16的套筒部件25压靠在井筒的内壁上。
[0093]位于安全套筒16的套筒部件25内的凹部20在沿着所述管状部件的纵向轴线的截面中具有方形、三角形或梯形形状，如图9-11中所示。在图9中，所述凹部是梯形的，并且设置在该凹部中的两个密封部件18具有相应的梯形形状。在图10中，所述凹部具有方形形状，并且设置在该凹部中的密封部件18也具有方形的截面。在图11中，所述凹部具有三角形的截面，并且设置在该凹部中的一个密封部件18 (诸如O形环)具有圆的截面。图9-11中的安全套筒的套筒部件25中的每一个具有开口 17，该开口用于让井流体进入并且使安全套筒16的套筒部件25膨胀，从而使得密封部件18被朝向井筒的壁挤压用以密封地接合所述壁。如图9-11中可见，所述密封部件自可膨胀套筒7在径向上延伸超出所述环，使得当该可膨胀套筒膨胀时所述密封部件密封地接合所述井筒的壁。可在所述开口中设置一单向阀。
[0094]环状屏障I可包括多个安全套筒16，该多个安全套筒包括多个连接环以及多个设置在所述连接环之间的安全套筒套筒部件25，如图12中所示。因此，存在若干连接环和若干安全套筒套筒部件，并且连接环的数量将始终比套筒部件的数量多一个。在所述安全套筒中的开口设置成使得三个开口面向所述环状屏障的第一端部34，并且该安全套筒的其它三个开口面向所述环状屏障的第二端部35。因此，在定位成离所述第一端部最近的第一安全套筒中的开口 17设置成相对于该第一安全套筒的中间部件27与所述第二端部相比更靠近所述第一端部，在定位成离所述第二端部最近的第二安全套筒中的开口设置成相对于该第二安全套筒的中间部件27与所述第一端部相比更靠近所述第二端部。
[0095]在图13中，安全套筒16包括套筒部件25和两个连接件14、15，其中第二连接件15将该套筒部件与可膨胀套筒7连接起来。因此，套筒部件25相对于所述第一连接件自由滑动，由此形成一开口 17，从而使得流体能在所述空间和与第一连接件14对置的环隙之间流动。所述套筒部件具有其中设置有密封部件的凹部，使得当所述环隙中的压力增大时流体经介于套筒部件25和第一连接件14之间的开口 17流动通过所述连接(结构)并且使所述套筒部件和所述密封部件挤压地层壁。
[0096]在图14中，所述开口设置在第一连接件和可膨胀套筒7之间，从而使得允许流体在该第一连接件的下面流动。所述开口可以是凹槽，该凹槽制成为位于所述第一连接件的底部中沿着所述管状部件的纵向轴线的纵向凹槽。
[0097]图15中的安全套筒16制成为一体件，使得第一连接件14和第二连接件15是套筒部件25的一体部分。在这个实施例中，安全套筒可以由一个金属件加工制造以获得提供其中设置有密封部件18的凹部的梯形形状。允许来自环绕所述第一连接件的环隙的流体流到空间13中以挤压在所述安全套筒上并且迫使该套筒挤压地层。因此，所述第一连接件不与或者仅部分地与可膨胀套筒连接，第二连接件15与可膨胀套筒7固定地连接。
[0098]图16A的安全套筒还包括设置在所述套筒部件和所述可膨胀套筒之间并且至少部分地包围可膨胀套筒7的片状件28。该片状件沿着可膨胀套筒在第一连接件14和该可膨胀套筒7之间进一步延伸。该片被挤压在所述第一连接件和所述可膨胀套筒之间。图16B示出图16A的未膨胀的环状屏障的横截面。在图16B中，该片状件部分地包围可膨胀套筒7，形成通道29，该通道是介于所述连接件和所述可膨胀套筒之间的开口 17。
[0099]图17的安全套筒也制成一体件，其中所述连接件和所述套筒部件构成一体件。第二连接件15将安全套筒16紧固至可膨胀套筒7的外表面，第一连接件14与该可膨胀套筒一起包封所述开口，借此允许流体在所述空间和与所述第一连接件对置的环隙之间自由地流动。所述套筒部件具有弯曲形状，使得当其挤压地层/岩层时提供固有弹簧力(inherentspring force)。因而,在可膨胀套筒的回弹效应(back-spring effect)的情况下,所述固有弹簧力被释放并且所述套筒部件挤压所述地层以将所述环状屏障密封到所述地层的内表面上。替代地，所述套筒部件和所述两个连接件可以是分开的部件，其中，所述第一和第二连接件紧固至可膨胀套筒7并且弯曲的套筒部件设置在所述连接件之间。
[0100]安全套筒16具有沿着所述管状部件的纵向轴线的延伸长度，该延伸长度比所述可膨胀套筒沿着纵向轴线的延伸长度短。多个安全套筒16被设置成在所述地层压力或压差增大的情况下的安全预防措施，以确保对井筒壁的密封得以保持。为此，多个安全套筒16沿着可膨胀套筒7的纵向轴线设置，使得如果离增大的压力最近的一个套筒不能进一步膨胀并且流体流过那个安全套筒16，则下一个安全套筒16膨胀以密封地接合井筒的壁，所述环状屏障和所述井筒壁之间的密封因而得以保持。所述安全套筒沿着所述管状部件的纵向轴线的延伸长度比所述可膨胀套筒沿着该管状部件的纵向轴线的延伸长度的30%短、优选地比该可膨胀套筒的延伸长度的20%短、更优选地比该可膨胀套筒的延伸长度的10%短。
[0101]在图18中，所述环状屏障包括锚固部段50，该锚固部段是所述可膨胀套筒的设置有突出元件51 (诸如,钉或倒钩或类似突出部)的部分。当膨胀时,所述突出元件穿透地层并沿着所述环状屏障的纵向轴线锚固该环状屏障。突出元件51还可以成形为包围所述可膨胀套筒的环形元件。
[0102]此外，突出元件51作为尖峰周向突出部设置成所述连接件的一部分。所述连接件是环形的并且包围可膨胀套筒并且，当从截面上看去时，终止于两个尖峰位置/周边，如图19所示。
[0103]当环状屏障I的可膨胀套筒7膨胀时，该套筒的直径从它的初始未膨胀直径膨胀至较大直径。可膨胀套筒7具有外部直径D并且能够膨胀至比未膨胀的套筒7的直径大至少10%、优选地大至少15%、更优选地大至少30%的直径。
[0104]此外，可膨胀套筒7具有比该可膨胀套筒的长度小的壁厚t，该壁厚优选地小于所述长度的25%、更优选地小于所述长度的15%、甚至更优选地小于所述长度的10%。
[0105]环状屏障I的可膨胀套筒7由具有35-70%、至少40%、优选地40_50%的伸长率的第一金属制成，连接部件12由具有10-35%、优选地25-35%的伸长率的第二金属制成。连接部件12的金属具有比所述可膨胀套筒的金属的伸长率大至少5个百分点、优选地至少10个百分点的伸长率。所述可膨胀套筒的金属的屈服强度(经软化退火的)是200-400MPa、优选地200-300MPa。所述连接部件的金属的屈服强度(被冷加工的)是500_1000MPa、优选地500-700MPa。因此，所述第一金属比所述第二金属具有更高的柔性。
[0106]所述环状屏障的连接部件12两者可以固定地紧固至所述管状部件并且具有最大的直径方向的膨胀能力，这被认为是有益的，因为其消除了任何移动部分(部件)并且排除了对在这些移动部分(部件)内的昂贵且危险的高压密封的需求。考虑到高温或腐蚀性的井环境(例如,酸、H2S等)这一点尤其重要。
[0107]使环状屏障I具有在套筒7和管状部件6之间的可滑动的连接部件12引起该套筒的膨胀能力相对于不具有任何可滑动的连接部件的环状屏障增加了高达100%。
[0108]所述环状屏障可以被包含在井下系统内一该井下系统包括井管状结构3和多个沿着该井管状结构间隔开的用以隔离生产区域的环状屏障。
[0109]所述环状屏障可以通过借助钻杆(钻管)或借助能沉到所述井管状结构中并且能够隔离该井管状结构的一部分的工具从内部给井管状结构3增压而膨胀。
[0110]在所述工具不能在井管状结构3中向前移动的情况下，所述工具可以包括井下牵引机，诸如 Well Tractor?。
[0111]所述工具还可以利用挠性管来使一个环状屏障I或者两个环状屏障I的可膨胀套筒7膨胀。具有挠性管的工具可以对井管状结构3中的流体加压而不必隔离该井管状结构的一部段。然而，针对待操作的两个环状屏障I所述工具可能需要将所述井管状结构沿着井筒往下插得更深。
[0112]所述安全套筒在所述地层压力增大时自动地膨胀。通过将作为所述井管状结构的一部分的环状屏障插进具有井压力的井筒中并且接下来通过将已增压的流体注入到所述环状屏障的孔11中使所述可膨胀套筒膨胀来使已膨胀的安全套筒膨胀。当所述地层压力增大时，所述安全套筒借助井流体膨胀，在所述井压力变得高于预定压力时迫使所述密封部件与井筒的壁密封接触。
[0113]在一个实施例中，所述工具例如在用于使所述套筒膨胀的流体是水泥、气体或二元混合物/化合物时包括容纳增压流体的储存器。
[0114]环状屏障I还可以被称为封隔器或类似的可膨胀装置。所述井管状结构可以是生产管道或套管或井或井筒中相似类型的井下管道。环状屏障I可以用在井筒中的内生产管道和外管道之间或者用在管道和井筒内壁之间。井可以具有若干种管道，并且本发明的环状屏障I可以安装用于所有这些管道。
[0115]阀19可以是能够控制流量的任何种类的阀，诸如，球阀、碟阀、节流阀、止回阀或单向阀、隔膜阀、膨胀阀、闸门阀、球心阀、刀型阀(knife valve)、针阀、活塞阀、夹管阀或旋塞阀。
[0116]可膨胀的管状金属套筒7可以是冷拉或热拉管状结构。
[0117]用于使可膨胀套筒7膨胀的流体可以是存在于环绕所述工具和/或井管状结构3的井筒中的任何种类的井流体，另外，所述流体可以是水泥、气体、水、聚合物，或二元混合物/ 二元化合物，诸如，与粘合剂或固化剂(硬化剂)混合或反应的粉末或颗粒。所述流体的一部分，诸如所述固化剂，可以在后续流体被注入到腔中之前存在于介于所述管状部件和所述可膨胀套筒之间的腔室内。
[0118]尽管已经结合本发明的优选实施例在上面描述了本发明，显而易见的是，本领域技术人员在不超出由下述权利要求限定的本发明的情况下可以想到若干变型。
【权利要求】
1.一种待在含有井流体并且设置在井管状结构(3 )和井下井筒(5 )的内壁(4 )之间的环隙(2)中膨胀的环状屏障(1)，该环状屏障包括: -用于安装作为所述井管状结构(3 )的一部分的管状部件(6 ),该管状部件具有纵向轴线， -环绕所述管状部件且具有外表面(8)的可膨胀套筒(7)，该可膨胀套筒的各端部(9，10)借助连接部件(12)紧固至所述管状部件， -在所述管状部件或所述连接部件中的孔(11)，和 -安全套筒(16)，该安全套筒具有用于将该安全套筒紧固在所述可膨胀套筒的外表面上的第一连接件(14)和第二连接件(15)以及与该安全套筒相关联的开口( 17)，该安全套筒和所述可膨胀套筒限定出通过所述开口与所述环隙流体连通的空间(13)， 其中，所述安全套筒具有设置在所述的两个连接件之间的中间部件(27)，所述开口设置成比该中间部件更靠近所述连接件中的一者，使得所述空间和与所述连接件中的一者对置的所述环隙之间能够通过所述开口流体连通。
2.根据权利要求1所述的环状屏障，其特征在于，所述安全套筒的沿着所述管状部件的纵向轴线的延伸长度比所述可膨胀套筒沿着该管状部件的纵向轴线的延伸长度的30%短、优选地比该可膨胀套筒的延伸长度的20%短、更优选地比该可膨胀套筒的延伸长度的10% 短。
3.根据权利要求1或2所述的环状屏障，其特征在于，所述安全套筒包括套筒部件(25)，该套筒部件借助至少一个所述第二连接件紧固至所述可膨胀套筒并且具有比所述可膨胀套筒的厚度(t2)小的厚度t1)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述安全套筒由具有比所述可膨胀套筒的弹性模量低的弹性模量的材料制成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，在所述安全套筒的外表面(19)上设置有密封部件(18)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述安全套筒包括凹部(20)。
7.根据权利要求6所述的环状屏障，其特征在于，在所述凹部中设置有密封部件(18)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述开口设置在所述连接件中的一者和所述凹部之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述开口设置在所述连接件中的一者和所述可膨胀套筒之间。
10.据权利要求9所述的环状屏障，其特征在于，所述开口设置成在所述连接件中的所述一者中、沿着所述管状部件的纵向轴线的凹槽。
11.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述安全套筒包括借助至少一个所述连接件紧固至所述可膨胀套筒的套筒部件(27)，并且所述开口设置在所述连接件中的一者和该套筒部件之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述安全套筒包括借助至少一个所述连接件紧固至所 述可膨胀套筒的套筒部件以及设置在该套筒部件与所述可膨胀套筒之间并且至少部分地包围该可膨胀套筒的片状件(28)。
13.根据权利要求12所述的环状屏障，其特征在于，所述片状件沿着所述可膨胀套筒在所述连接件的一者和该可膨胀套筒之间进一步延伸。
14.根据权利要求12所述的环状屏障，其特征在于，所述片状件部分地包围所述可膨胀套筒，由此在所述连接件和该可膨胀套筒之间形成通道(29)，该通道为所述开口。
15.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，在所述空间中、在所述安全套筒的所述开口处设置有间隔件(21)。
16.根据权利要求4-15中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述凹部的沿着所述管状部件的纵向轴线的截面具有方形形状、三角形形状或梯形形状。
17.根据权利要求16所述的环状屏障，其特征在于，所述密封部件具有与所述凹部的截面形状相应的截面形状。
18.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述第一连接件和第二连接件是连接环。
19.根据权利要求18所述的环状屏障，其特征在于，所述环状屏障包括多个连接环和多个设置在所述连接环之间的安全套筒。
20.根据权利要求19所述的环状屏障，其特征在于，所述环状屏障具有第一端部和第二端部，并且在定位成离该第一端部最近的第一安全套筒中的开口设置成相对于该第一安全套筒的中间部件与所述第二端部相比更靠近该第一端部，在定位成离所述第二端部最近的第二安全套筒中的开口设置成相对于该第二安全套筒的中间部件与所述第一端部相比更靠近所述第二端部。
21.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述连接件包括用于沿着所述纵向轴线锚固所述环状屏障的突出元件(51)。
22.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，该环状屏障还包括具有设置在所述可膨胀套筒的外表面上的突出元件(51)的锚固部段(50)。
23.根据权利要求21或22所述的环状屏障，其特征在于，所述突出元件(51)是钉、倒钩或类似的突出部，或周向尖峰突出部。
24.一种包括井管状结构和至少一个根据权利要求1-23中任一项所述的环状屏障的井下系统。
25.一种密封保持方法，包括步骤: -将根据权利要求1-23中任一项所述的环状屏障插入具有井压力的井筒中， -通过将增压流体注入到孔中使可膨胀套筒膨胀，以及 -使安全套筒膨胀以在所述井压力变得高于预定压力时迫使密封部件与井筒的壁密封接触。
【文档编号】E21B33/127GK103620156SQ201280030870
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月23日
【发明者】J·哈伦德巴克, P·黑泽尔, T·S·安德森 申请人:韦尔泰克有限公司