用于井筒中导管的现场可调、无密封且易碎的井下压力控制和隔离装置以及子组件的制作方法

用于井筒中导管的现场可调、无密封且易碎的井下压力控制和隔离装置以及子组件
1.

背景技术：
和现有技术
2.现有技术的易碎密封件系统已经具有了易碎圆盘，易碎盘插入到成列安装在井筒管中的子组件内部。这些子组件不能现场调节，需要拆卸和重新组装精密(易碎)部分和密封件，以改变密封件的压力响应特性。例如，需要新的圆盘来替换之前的圆盘，这将涉及拆开子组件、移除易碎圆圆盘以及若干个o形圈和其他密封件，然后用具有不同断裂和压力控制特性的新圆盘重新组装该子组件。在没有引入台架测试设备或受控车间环境的情况下，这种在现场进行的拆卸和重新组装会增加密封失效的风险，这是不可取的，并且有时还不被钻井的所有者所允许。
3.现有技术的具有易碎圆盘密封件的成列压力控制系统通常也由多个主体件接合在一起的子组件形成，并且包括密封件以确保组件内流路的完整性。这些密封件暴露在井筒流体环境中，因此在某些情况下，如果井筒流体环境破坏了密封件，则需要更换密封件和子组件，因而这些子组件不适合长期放置(无论密封或破开)在井筒的管柱中。
4.本领域中现有技术的系统的一些示例例如有：
5.美国专利申请15/829,696，提供了一种圆盘状密封件承载的子组件；以及
6.美国专利申请us5924696，提供了一种圆盘承载的子组件。
7.us9593542公开了一种由具有分离段的剪切环保持到位的破裂圆盘，所述环的分离段保持破裂圆盘在管柱的导管中不发生滑动。当对破裂圆盘的凸侧施加足够的压力时，剪切环分离段破裂，使得圆盘滑动并与管道的狭窄段发生碰撞，从而在圆盘上施加向内的径向压力，导致圆盘爆裂(ncs油田服务公司)。该剪切环不可现场调节，并且系统未提供活塞或接合环特征。
8.本发明的装置和子组件克服了现有技术的某些不足，因此是一种改进。


技术实现要素：

9.本发明提供了一种现场可调的井下装置，通过选择性地将井筒和相关联的管的一部分与井筒和相关联管的另一部分分隔，控制井筒和井筒内相关联管的区域内部的压力，具有以下特征中的一些或全部：
10.1.具有连接器件的管主体使得该主体能够与相关联的井筒管成列连接；
11.2.能够在装置主体的内孔中滑动移动的空心活塞，活塞与内孔内表面之间具有动态密封件；活塞具有定位器件可以延伸进或附接到的特征(突缘、孔、凹槽)；
12.3.保持活塞到位直到活塞一侧的压力超过阈值压力的活塞定位器件(定位器件可以是与装置主体和活塞均接合的一个或多个剪切销)，其中当定位器件被释放并在由装置的内孔形成的圆柱体中滑动时，活塞可移动；
13.4.具有带突缘的圆形边缘的易破裂圆顶圆盘，所述圆盘的突缘设置并密封到活塞的一侧，边缘内的圆盘主体暴露于装置主体的内孔中，将内孔划分并分隔成两个容积，每个容积与连接到装置一侧或另一侧的井筒管内导管流体连通；圆盘在圆盘的每一侧承受由连
接到装置的该(相应)侧的井筒管中的流体施加的流体压力；
14.5.圆顶圆盘在自身主体上具有弱化部，其位于以下两者之间：圆盘主体凹圆顶表面边缘与突缘内表面的连接处；以及周向槽，其周长大约等于设置在凸圆顶表面的边缘与突缘外表面相交的位置附近的突缘部的内径；
15.6.设置于圆盘一侧的装置内孔内的突缘上的截切件，其朝向释放定位器件时活塞可滑动的方向，其中截切件的形状和位置使得在定位器件释放活塞进行移动后，活塞及其附接的圆盘移动的情况下，突缘内的圆盘表面撞击截切件，从而使圆盘受到冲击而断裂，使装置主体的内孔成为流通管道并结束管的内管道的分隔；截切件是一种圆柱形金属形状，可以与位于或靠近远离截切件撞击圆盘的一端的流体排出口装配在一起，以允许任何因活塞运动而排出的流体通过排放口逸出到装备主体的中心钻孔中而不阻碍活塞的运动；
16.7.通过圆盘一侧的位于活塞和圆盘的突缘之间的至少一个lo-hi密封件，圆盘另一侧的带通气孔的中心座环和螺纹附接到装置内孔的接合环，圆盘保持、密封并附接到活塞；接合环具有内开口，其内径略大于截切件的外径；
17.8.作为替代，装置的主体可以是能够拆开和重新附接的多个部分，由此，一个部分的附接可以将圆盘、lo-hi密封件以及带通气孔的中心座环保持和密封到活塞，而主体组件各部分之间的连接起到了接合环的作用；
18.9.圆盘破裂时，其突缘夹在截切件外表面、内孔的凹入内表面和接合环的径向表面之间，从而防止易破裂圆盘密封件主体的该部分进入形成于管内的井筒的管道；薄壁钢环可以插入到圆盘突缘中，其尺寸允许截切件撞击圆盘主体，除此之外还可以隔离圆盘密封件的陶瓷突缘部分，盘断裂(因被截切件刃撞击)之后捕获并保持陶瓷突缘部分远离管的内孔和管道流道；
19.10.定位器件是无需完全拆卸井下装置即可现场可调的，通过改变定位器件释放活塞之前受力的大小(通过改变安装用来保持活塞与装置主体定位的剪切销的数量或构成，这可以通过主体上的外端口或穿过活塞壁且进入装置主体的内端口完成)；剪切销(举例来说)可以从主体的外表面插入，并向内延伸穿过主体并进入位于活塞径向外表面上的配合孔隙(槽、孔)；如果是从外部插入，活塞可以通过摩擦力插入并机械地密封到主体(例如，销可以略变细以楔入进主体的配合孔中，通过强制就位而变形并密封到主体)；替代地，销可以带螺纹，旋入进主体壁上的配合螺纹以及活塞上的槽或孔隙中；
20.11.在装置的内孔中存在空间或容积以供活塞在被定位器件释放后滑动时可以移动进其中，该空间或容积在截切件外表面之外，因而由活塞远离圆盘的一端、装置内孔、截切件外表面和限制活塞的行程的止动突缘界定；该空隙通过穿过截切件主体的孔而通风，截切件邻近在孔隙和装置内部管道之间连通的孔隙；
21.12.装置的主体可以是单个管部分，或者可以是装配在一起的一个以上部分，在这种情况下，第一部分可以包括壁和带有突缘的孔，用来保持截切件以及由定位器件保持的活塞；第二部分可以形成圆柱体以环绕并保持圆盘、密封件和带通气孔的中心座环在活塞之上到位；这两个部分可以通过两部分的螺接配合部而相互密封附接地组装起来；
22.13.当主体是作为密封元件保持圆盘或多个圆盘的单个部件时，主体的每一端均设置有用于附接到相关联的井筒管件并在其中成列的带螺纹的附接器件；这允许在没有密封件暴露在井筒流体的恶劣环境中的情况下组装装置，这是延长本装置孔内使用寿命超过
具有暴露的密封件(o型环等)的本领域压力控制装置的重要方法，无需昂贵或复杂的气密性螺纹或特殊材料；
23.14.主体的内孔(即其内部通道，活塞装配其中)的内径略大于活塞的外径，而两个部分(主体和活塞)之间的间隙可以利用o型环或相似的密封件密封以避免流体连通；
24.15.装置可以包括背对背的易破裂压力保持圆盘密封件，其中一个或二者均如上构造，但通常其中一个带有如上截切件，一个带有受压易破裂圆盘。
25.本发明还包括本文上述的装置的应用，包括：
26.a.在单孔完井中操作井筒的方法，包括本发明中装置使用的以下步骤：
27.a.将油管柱注入井筒的垂直部中；
28.b.将本发明的装置成列添加到油管柱中；
29.c.将油管柱和其中包括的装置进一步注入井筒中；
30.d.将环形封隔器或密封件装置添加到油管柱和井筒；
31.e.将油管、其中包括的本发明的装置以及封隔器或密封件进一步注入到井筒中；
32.f.启动封隔器或密封件密封管件和井筒之间的环状空间,从而在井筒中期望的深度设置封隔器并形成环状密封件；
33.g.在释放装置的定位器件并导致圆盘冲击装置的截切件使得圆盘破裂并打开管件内部管道的压力下,将流体向本发明的圆盘注入。
34.b.操作井筒使得油管和相关联的设备浮接到倾斜或水平井筒的倾斜下部分中的方法,包括以下步骤:
35.a.将作为本发明装置的单向可移除密封件添加到油管柱底部，并将油管柱注入到井筒中，其中密封件的高压侧(包括的圆盘上活塞的凸侧)朝向井筒底部；
36.b.将油管柱的管道充满低密度流体，例如空气或某种不凝性气体，并且添加作为本发明装置的另一个单向可移除密封件，其高压侧朝向底部孔；
37.c.将油管柱和其中包括的低密度流体以及两个本发明的可移除密封件装置注入到井筒中又一段预定距离，将例如钻井液、水或较重流体等高密度流体添加到油管柱中本发明最高密封件装置之上的油管柱的管道中，提供重力以协助油管向井筒的倾斜或水平部中的注入；
38.d.油管柱在井中位于理想位置，此时操作地面设备向最上层装置施加足够的压力以释放定位器件并通过移动活塞使圆盘密封件断裂，以便圆盘撞击装置的截切件；
39.e.在某些情况下，接着继续在油管道施加足够的压力以释放定位器件并使本发明最底层装置的圆盘密封件断裂；
40.f.因而(通过步骤d或步骤d和e)打开管道以进行进一步操作。
41.c.相似地，装置可以用来隔离油管柱的一部分，以便该部分在注入或其他操作期间可以充满流体，从而防止油管在高压井(称为billit)中坍塌。
42.e.相似地，包括至少一个本发明的装置的双相对圆盘的圆盘密封件可以用来对封隔器的设置进行隔离和压力测试，通过首次施加来自地面设备的压力移除一个圆盘以使得该圆盘破裂，接着测试封隔器，然后通过进一步利用来自地面的压力移除第二个圆盘。
附图说明
43.图1a是带有外部现场可改装剪切销的两部分主体式子组件的纵向剖视图或横截面，已准备好在井中部署。
44.图1b是图1a中子组件的横截面，带有释放的定位器件和撞击截切件的活塞。
45.图1c是图1a中子组件的横截面，带有撞击截切件后被移除的压力控制易碎密封件，并且示出了穿过子组件的开放式管件流路。
46.图1d是图1a中子组件的操作部件的分解图。
47.图2a是双易碎密封件子组件的横截面，一个圆盘密封件可移动以抵靠截切件打开，其中圆盘密封件由固定到主体主要部分任一端的子组件第二部分和第三部分固位。
48.图2b是图2a中子组件的部件的分解图。
49.图3a是带有两个易碎圆盘密封件的无密封子组件的横截面，可移动活塞上带有压力保持的一个圆盘在现场可以接受来自子组件主体内部的调节。
50.图3b是图3a中子组件的部件的分解图。
51.图4a是与图3a中所示相似的无密封子组件的另一个实施例的横截面。
52.图4b是图4a中子组件的分解图。
53.图5示出了接合环(或接合锁定环)主体的俯视图和侧视图两个视图。
54.图6示出了活塞的两个剖面图，一个用于外部安装的定位器件15a，另一个是通过壁15b中的端口或切口安装在内部的定位器件的活塞的剖面图。
55.图7示出了管状截切件的剖面图，其带有通风孔和锋利的撞击边缘15a，并且带有内部开口。
56.图8示出了剪切销的两种变体，可用作活塞和子组件主体之间的定位器件。
具体实施方式
57.在包括管件的井筒中，通常期望的是将井筒的压力驱动流体流路的一部分隔离在由包括的管件形成的导管部分中，以允许在该流路的压力控制部分中完成工作。本文提供的子组件和包括的易碎装置实现这些时密封件最少地暴露于井的流体环境中，并且为打开管道所需的压差提供了现场可调的变化性，其中管道的打开是通过将易碎密封装置从安装有或包括了子组件的流路中移除。
58.为了方便读者参考，提供了以下附图中参考号的图例：
[0059][0060][0061]
本发明提供了一种现场可调的井下装置，通过选择性地将井筒和相关联的管的一部分与井筒和相关联管的另一部分分隔，控制井筒和井筒内相关联管的区域内部的压力，具有以下特征中的一些或全部：
[0062]
具有连接器件的管主体使得该主体能够与相关联的井筒管成列连接；
[0063]
1.能够在装置主体的内孔中滑动移动的空心活塞，活塞与内钻孔内表面之间具有动态密封件；活塞具有定位器件可以延伸进或附接到的特征(突缘、孔、凹槽)；
[0064]
2.保持活塞到位直到活塞一侧的压力超过阈值压力的活塞定位器件(定位器件可以是与装置主体和活塞均接合的一个或多个剪切销)，其中当定位器件被释放时，活塞可在由装置的内孔形成的圆柱体中滑动移动；
[0065]
3.具有带突缘的圆形边缘的易破裂圆顶圆盘，圆盘的突缘设置并密封到活塞的一侧，边缘内的圆盘主体暴露于装置主体的内孔中，将内孔划分并分隔成两个容积，每个容积与连接到装置一侧或另一侧的井筒管内导管流体连通；圆盘在圆盘的每一侧承受由连接到装置的该(相应)侧的井筒管中的流体施加的流体压力；
[0066]
4.圆顶圆盘在自身主体上具有弱化部，其位于以下两者之间：圆盘主体凹圆顶表面边缘与突缘内表面的连接处；以及周向槽，其周长大约等于设置在凸圆顶表面的边缘与突缘外表面相交的位置附近的突缘部的内径；
[0067]
5.设置于圆盘一侧的装置内钻孔内的突缘上的截切件，其朝向释放定位器件时活塞可滑动的方向，其中截切件的形状和位置使得定位器件释放活塞进行移动后，活塞及其附接的圆盘移动的情况下，突缘内的圆盘表面撞击截切件，从而使圆盘受到冲击而断裂，使装置主体的内钻孔成为流通管道并结束管的内管道的分隔；截切件是一种圆柱形金属形状，可以与位于或靠近远离截切件撞击圆盘的一端的流体排出口装配在一起，以允许任何因活塞运动而排出的流体通过排放口逸出到装备主体的中心钻孔中而不阻碍活塞的运动；
[0068]
6.通过圆盘一侧的位于活塞和圆盘突缘之间的至少一个lo-hi密封件，以及圆盘另一侧的带通气孔的中心座环和螺纹附接到装置内钻孔的结合环，圆盘保持、密封并附接到活塞；接合环具有内开口，其内径略大于截切件的外径；
[0069]
7.作为替代，装置的主体可以是能够拆开和重新附接的多个部分，由此，一个部分的附接可以将圆盘、lo-hi密封件以及带通气孔的中心座环保持和密封到活塞，而主体组件各部分之间的连接起到了接合环的作用；
[0070]
8.圆盘破裂时，其突缘夹在截切件外表面、内钻孔的凹入内表面和接合环的径向表面之间，以防止易破裂圆盘密封件主体的该部分进入形成于管内的井筒的管道；薄壁钢环可以插入到圆盘的突缘中，其尺寸允许截切件撞击圆盘主体，除此之外还可以隔离圆盘密封件的陶瓷突缘部分，在圆盘断裂(因被截切件刃撞击)之后捕获并保持陶瓷突缘部分远离管的内钻孔和管道流道；
[0071]
9.定位器件是无需完全拆卸井下装置即可现场可调的，通过改变定位器件释放活塞之前受力的大小(通过改变安装用来保持活塞与装置主体定位的剪切销的数量或构成，这可以通过主体上的外端口或穿过活塞壁且进入装置主体的内端口完成)；剪切销(举例来说)可以从主体的外表面插入，向内延伸穿过主体并进入位于活塞径向外表面上的配合孔隙(槽、孔)；如果是从外部插入，活塞可以通过摩擦力插入并机械地密封到主体(例如，销可以略变细以楔入进主体的配合孔中，通过强制就位而变形并密封到主体)；替代地，销可以带螺纹，旋入进主体壁上的配合螺纹以及活塞上的槽或孔隙中；
[0072]
10.在主体的内孔中存在空间或容积以供活塞在被定位器件释放后滑动时可以移动进其中，该空间或容积在截切件外表面之外，因而由活塞远离圆盘的一端、装置内孔、截切件外表面和限制活塞的行程的止动突缘界定；该空隙通过穿过截切件主体的孔而通风，截切件邻近在孔隙和装置内部管道之间连通的孔隙；
[0073]
11.装置的主体可以是单个管部分，或者可以是装配在一起的一个以上部分，在这种情况下，第一部分可以包括壁和带有突缘的钻孔，用来保持截切件以及由定位器件保持的活塞；第二部分可以形成圆柱体以环绕并保持圆盘、密封件和带通气孔的中心座环在活塞之上到位；这两个部分可以通过两部分的螺接配合部而相互密封附接地组装起来；
[0074]
12.当主体是作为密封元件保持圆盘或多个圆盘的单个部件时，主体的每一端均设置有用于附接到相关联的井筒管件并在其中成列的带螺纹的附接器件；这允许在没有密封件暴露在井筒流体的恶劣环境中的情况下组装装置，这是延长本装置孔内使用寿命超过具有暴露的密封件(o型环等)的本领域压力控制装置的重要方法，无需昂贵或复杂的气密性螺纹或特殊材料；
[0075]
13.主体的钻孔(即其内部通道，活塞装配其中)的内径略大于活塞的外径，而两个部分(主体和活塞)之间的间隙可以利用o型环或相似的密封件密封以避免流体连通；
[0076]
14.装置可以包括背对背的易破裂压力保持圆盘密封件，其中一个或二者均如上构造，但通常其中一个带有如上截切件，一个带有受压易破裂圆盘。
[0077]
本发明还包括本文上述的装置的应用，包括：
[0078]
a.在单孔完井中操作井筒的方法，包括本发明中装置使用的以下步骤：
[0079]
h.将油管柱注入井筒的垂直部中；
[0080]
i.将本发明的装置成列添加到油管柱中；
[0081]
j.将油管柱和其中包括的装置进一步注入井筒中；
[0082]
k.将环形封隔器或密封件装置添加到油管柱和井筒；
[0083]
l.将油管、其中包括的本发明的装置以及封隔器或密封件进一步注入到井筒中；
[0084]
m.启动封隔器或密封件密封管件和井筒之间的环状空间,从而在井筒中期望的深度设置封隔器并形成环状密封件；
[0085]
n.在释放装置定位器件并导致圆盘冲击装置的截切件使得圆盘破裂并打开管件内部管道的压力下,将流体向本发明的圆盘注入。
[0086]
b.操作井筒使得油管和相关联的设备浮接到倾斜或水平井筒的倾斜下部分中的方法,包括以下步骤:
[0087]
a.将作为本发明装置的单向可移除密封件添加到油管柱底部，并将油管柱注入到井筒中，其中密封件的高压侧(包括的圆盘上活塞的凸侧)朝向井筒底部；
[0088]
b.将油管柱的管道充满低密度流体，例如空气或某种不凝性气体，并且添加作为本发明装置的另一个单向可移除密封件，其高压侧朝向底部孔；
[0089]
c.将油管柱和其中包括的低密度流体以及两个本发明的可移除密封件装置注入到井筒中又一段预定距离，将例如钻井液、水或较重流体等高密度流体添加到油管柱中本发明最高密封件装置之上的油管柱的管道中，提供重力以协助管向井筒的倾斜或水平部中的注入；
[0090]
d.管柱在井中位于理想位置，此时操作地面设备向最上层装置施加足够的压力以释放定位器件并通过移动活塞使圆盘密封件断裂，以便圆盘撞击装置的截切机；
[0091]
e.在某些情况下，接着继续在油管道施加足够的压力以释放定位器件并使本发明最底层装置的圆盘密封件断裂；
[0092]
f.因而(通过步骤d或步骤d和e)打开管道以进行进一步操作。
[0093]
c.相似地，装置可以用来隔离管柱的一部分，以便该部分在注入或其他操作期间可以充满流体，从而防止管在高压井(称为billit)中坍塌。
[0094]
e.相似地，包括至少一个本发明的装置的双相对圆盘的圆盘密封件可以用来对封隔器的设置进行隔离和压力测试，通过首次施加来自地面设备的压力移除一个圆盘以使得该圆盘破裂，接着测试封隔器，然后通过进一步利用来自地面的压力移除第二个圆盘。
[0095]
作为本发明装置的一个示例，图4a和图4b中设置了现场可调压力子组件1，其包括以下部分：子组件主体6，管状截切件15装配其中且置于其钝端的突缘(需要参考号)上。圆柱形活塞30b装配在截切件的外表面上且部分进入主体6的孔中，直到截切件中的进入端口23与插座45对齐，从而接收剪切销45(与插座相对应的销的第二个剪切销参考号)。lo-hi密封件()的爆破圆盘子组件、圆盘()、中心座环()和接合环55依次组装进子组件主体6中，以便于圆盘子组件()安置其上，并且由距离截切件锋利的撞击边缘()最远的活塞边缘保
持到位。
[0096]
为了调整定位器件的力度或保持力，在本示例中，剪切销、不同剪切特性的剪切销或螺钉可以通过松开接合环55并按照接合环55、中心座环()和圆盘()的顺序移除爆破圆盘子组件()的部件而在现场移除、安装或再安装：，从而借助穿过截切件15和活塞30b内部的组件主体6的孔以及进入端口23直接到达剪切销位置23，调整、更换、移动、放置或替换剪切销。之后，可以重新组装子组件(组装步骤按相反的顺序)。
[0097]
相似地，举例来说，图1a中的现场可调压力子组件1通过操作者从子组件的外表面对剪切销45进行翻新、替换或移除，从而提供了现场可调力度或保持能量(保持的压差，直到预先设计的期望压差施加到可滑动圆盘/活塞2上)。本示例中的活塞30a在自身外周表面上将具有外部特征(此时是周向凹槽()或槽)，剪切销45可以从子组件主体外部插入其中，从而妨碍活塞的活动动作，直到剪切销被剪切。一旦被剪切，第二剪切销导向凹槽可以容纳变形的剪切销材料，以使得活塞的滑动动作不受影响。
[0098]
应当理解的是，圆盘突缘()的内径略大于截切件15切割端()的外径，并且截切件15本应该被圆盘()以如上所述圆盘主体的设计弱化部分所撞击。