CN101548063A - 可膨胀的封隔器结构 - Google Patents

Abstract

一种可膨胀的封隔器结构。一种在井中形成环状屏障的方法，该方法包括以下步骤：将加强材料嵌入可膨胀密封材料中以形成密封组件；以及通过使所述密封材料与井产流体接触而使所述密封材料膨胀。一种构造井封隔器的方法，包括以下步骤：将加强材料嵌入可膨胀的密封材料中以形成密封组件；以及随后将所述密封组件安装在基管上。一种可膨胀的封隔器结构，包括密封组件，所述密封组件包括可膨胀的密封材料，在所述密封材料中嵌入有加强材料，所述密封材料为圆筒形并设置在相对于所述加强材料的外部和内部，所述密封材料可随着与井中的井产流体的接触而膨胀。

Description

可膨胀的封隔器结构

技术领域

本发明主要涉及与地下井相关的、所使用的装备和所执行的操作，并且在这里所描述的实施例中特别地提供一种可膨胀的封隔器(packer)结构。

背景技术

在井封隔器中使用可膨胀的密封材料的多种益处是众所周知的。例如，典型的可膨胀的密封材料能够适应不规则的井表面(如被侵蚀或受损的套管，或者无套管的井眼等)，并且能够径向地向外膨胀而不需使用复杂且可能易于发生故障的井下机械。

现有的构造可膨胀的井封隔器的方法通常包括将可膨胀的材料模制(mold)或者结合在管状的基管(base pipe)上。不同构造的基管用于不同的情况，例如需要不同的拉伸强度、不同的螺纹连接、不同的材料等情况。

然而，这些现有的构造可膨胀的井封隔器的方法需要对很多不同的构造进行制造、储存、适当地分配等。这增加了为产业提供合适的封隔器的成本，并且降低了使用可膨胀的封隔器的便利性。

由此可见，需要对现有技术的可膨胀的封隔器结构进行改进。

发明内容

在实施本发明的原理中，提供一种可膨胀的封隔器结构以解决现有技术中的至少一个问题。在下文所描述的一个示例中，包括可膨胀密封材料的密封组件可用于多种不同的基管构造，由此不再需要为每一种不同的基管构造制造和储存单独的封隔器结构。在下文描述的另一个示例中，密封组件包括嵌入在可膨胀的密封材料中的加强材料，由此提供了适合于安装在基管上的刚性更高的密封组件。

在本发明的一个方案中，提供了一种在地下井中形成环状屏障的方法。所述方法包括以下步骤：将加强材料嵌入可膨胀的密封材料中以由此形成密封组件；以及通过使所述密封材料与井中的井产流体(well fluid)接触而使所述密封材料膨胀。

在本发明的另一个方案中，提供了一种构造井封隔器的方法，所述方法包括以下步骤：将加强材料嵌入到可膨胀的密封材料中以由此形成密封组件；以及随后将所述密封组件安装在基管上。

在本发明的又一个方案中，提供了一种可膨胀的封隔器结构，所述可膨胀的封隔器结构包括密封组件，所述密封组件包括可膨胀的密封材料，在所述密封材料中嵌入有加强材料。所述密封材料为圆筒形，并且所述密封材料设置在相对于所述加强材料的外部和内部。所述密封材料可随着与井产流体的接触而膨胀。

通过对下文中本发明的示范性实施例的详细描述以及附图的详细考量，本发明的上述及其他的特征、优点、益处和目的对本领域技术人员而言将变得明显。在不同附图中类似的构件使用相同的附图标记表示。

附图说明

图1为体现本发明原理的井系统的部分的示意性剖视图；

图2为体现本发明原理的可膨胀的封隔器结构的放大比例的示意性剖视图；以及

图3至图7为用于图2的封隔器结构中的多种构造技术的进一步放大比例的示意性剖视图。

具体实施方式

应该理解的是，这里描述的本发明的多种实施例可以应用于多种方向，例如倾斜、倒转、水平、竖直等，以及可以应用于多种构造，其均不脱离本发明的原理。所描述的实施例仅作为本发明的原理的有效应用的示例，本发明并不受限于这些实施例的任何具体细节。

在以下对本发明示范性实施例的描述中，例如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等方向术语的使用是为了便于参照附图。一般而言，“上方”、“上部”、“向上”以及类似的术语表示沿着井眼朝向地面的方向，而“下方”、“下部”、“向下”以及类似的术语表示沿着井眼远离地面的方向。

图1示范性地示出了体现本发明原理的井系统10。在井系统10中，管柱12(例如生产管柱(production tubing string)、尾管(liner string)等)已安装在井眼14中。井眼14可以完全或部分地加装套管(如图1的上部所示的套管柱16的情形)，以及/或井眼可以完全或部分地不加装套管(如图1的下部所示)。

在管柱12与套管柱16之间借助可膨胀的封隔器18形成环状屏障。在管柱12与无套管的井眼14之间借助另一个可膨胀的封隔器20形成另一个环状屏障。

然而，应该清楚理解的是，封隔器18、20仅为实际应用了本发明原理的两个具体示例。在不脱离本发明原理的情况下可以构造其他类型的封隔器并可形成其他类型的环状屏障。

例如，可以与管、衬套(liner)、套管挂(casing hanger)相结合地形成环状屏障，封隔器可以包括也可以不包括用以固定管柱、桥塞或者可包含环状屏障的其他类型的塞等的锚固装置。因此，本发明在任何方式下均不受限于这里所描述的井系统10的细节。

封隔器18、20中的每一个均包括带有可膨胀的密封材料的密封组件，所述可膨胀的密封材料在与适合的井产流体接触时膨胀。这里使用的术语“膨胀”和类似的术语(例如“可膨胀”)表示密封材料的体积的增大。通常，这种体积的增大是由于井产流体的分子组分结合入密封材料本身中而产生的，但如需要的话，也可以使用其他的膨胀机理或技术。

当密封材料在井系统10中膨胀时，密封材料径向地向外扩张为与套管柱16的内表面接触(在封隔器18的情况中)，或者与井眼14的内表面接触(在封隔器20的情况中)。注意，尽管密封材料可以由于膨胀而导致扩张，但膨胀与扩张并不相同。

例如，在常规的封隔器中，通过纵向压缩密封构件或者通过为密封构件充气(inflating)，均可以使密封构件径向地向外扩张。在这些情况之中的任一种情况下，密封构件发生扩张，但制造密封构件的密封材料的体积却没有任何增加。

可以利用多种技术使可膨胀的密封材料与适合的井产流体接触，以导致密封材料膨胀。当封隔器18、20安装在井中时，井产流体可能已经存在于井中，在这种情况下，封隔器的密封组件优选地包括用以延迟密封材料膨胀的特性(例如吸收延迟覆层(absorption delaying coating)或膜、膨胀延迟材料组分等)。

可选地，在封隔器18、20设于井中之后，导致密封材料膨胀的井产流体可以经过井循环流动到上述封隔器。作为另一可选方案，导致密封材料膨胀的井产流体可以从围绕井眼的结构中产生并进入井眼14。因此应领会的是，根据本发明的原理可以使用任何方法致使封隔器18、20的密封材料膨胀。

导致密封材料膨胀的井产流体可以是水和/或烃类流体。例如，从围绕井眼14的结构中产生的水或烃类流体可致使密封材料膨胀。

对于本领域技术人员而言，多种密封材料公知地在与水和/或烃类流体接触时发生膨胀，因此这里不列出这些材料的详细列表。可膨胀的密封材料的部分列表可在美国第3385367号和第7059415号专利、以及美国第2004-0020662号已公开的申请中找到，在此将上述专利/专利申请的全部公开内容通过援引结合到本发明。然而，应当理解的是，根据本发明的原理，可以使用与任何类型的井产流体接触时发生膨胀的任何密封材料。

现在另外参照图2，其示范性地示出了体现本发明原理的可膨胀的封隔器结构30。封隔器结构30可以用作井系统10中的封隔器18或封隔器20。根据本发明的原理，封隔器结构30还可以用于任何其他类型的封隔器并且可以用在任何其他类型的井系统中。

封隔器结构30包括密封组件32和基管34。基管34可以由任何类型的材料制成，可以具有任何长度或厚度，可以具有任何类型的端部连接，可以是径向能扩张的，等等。因此，封隔器结构30的许多优点之一是可以使用带有给定的密封组件32的多种基管。

例如，基管34的长度可以为井场(wellsite)处已有的常规生产油管、挠性管(coiled tubing)或衬套的长度。在这种情况下，仅需将密封组件32安装在管或衬套上以形成封隔器结构30。

在此方式下，不需要制造、储存并分配针对不同的井场施工的多种封隔器结构。仅需制造密封组件32以适合不同的井场施工。

当然，也可事先分别为每一种施工制造完整的封隔器结构30，再将其运输到相应的井场。然而，即使在这种情况下也不需要储存每种单独的封隔器结构。而是，在了解了具体施工之后，可以使密封组件32与适合的基管34匹配。

当制造密封组件32时，密封组件32优选地包括嵌入可膨胀的密封材料38中的加强材料36。加强材料36优选对密封组件32提供增大的刚性以便于安装在基管34上。

注意，密封材料38优选地既设于相对于加强材料36的外部(以便与井表面，例如套管柱16或井眼14密封地接触)又设于相对于该加强材料的内部(以便与基管34密封地接触)。

封隔器结构30的另一有益特征在于，密封材料38优选地基本在密封组件32的两个相对端部之间的整个长度上与基管34接触。因此，即使密封组件不是模制的或以其他方式结合在基管上，仍可在密封组件32与基管34之间设置增强的密封接触。

加强材料36优选地具有圆柱状套管的形式，并优选由金属制成。然而，根据本发明的原理，加强材料36也可采用其他的形式和材料。

优选地，通过在密封材料中模制加强材料而将加强材料36嵌入到密封材料38中。这种方法提供了方便、一体且经济合算的结构。然而，根据本发明的原理，可以使用其他的将加强材料36嵌入到密封材料38中的方法(例如分段结构)。

可使用端环40将密封组件32固定在基管34上，并且防止密封材料38在该基管与该密封材料贴靠在其上的井表面之间的环状间隙中被挤出。端环40可以在密封组件32安装在基管34上之前或之后附着到该基管。端环40可以采用任何合适的技术(例如焊接、机械紧固、粘结等)附着到基管34。

可以使用多种方法将密封组件32安装在基管34上。例如，可使基管34纵向地插入穿过密封组件32的内部通道42。可选地，在密封组件32中可以设有纵向狭缝(图2中不可见)，以使得基管34能够横向地穿过所述狭缝而安装到内部通道42中。当密封组件32极长和/或基管34具有粗糙或不规则的外表面时，后一种方法更加实用。

当基管安装在密封组件32中时，为了进一步增强密封材料38与基管34的外表面之间的密封接触，可以在这些构件之间使用密封剂。可选地，直至密封材料38在井中膨胀之前，该密封材料可以不与基管34密封地接触。

图3示范性地示出了密封组件32的一个示例的放大比例的剖视图。在此示例中，加强材料36和密封材料38形成为完整的管形，并且该加强材料嵌入该密封材料中。在制造了密封组件32之后，优选地使合适的基管34插入穿过密封组件的内部通道42，以形成封隔器结构30。

图4示范性地示出了密封组件32的另一个示例的剖视图。在此示例中，密封材料38形成为完整的管状，但是加强材料36具有纵向狭缝44，该纵向狭缝44形成为贯穿该加强材料36。

该纵向狭缝44使密封组件32能够通过下文更充分描述的方式而方便地安装在基管34上。此外，如下文更充分描述的，当密封材料38在井中膨胀时，所述狭缝44使密封组件32能够被纵向地再密封。

参照图5，其示范性地示出了在加强材料36中在狭缝44的位置处贯穿密封组件32形成另一个纵向狭缝46之后的图4的密封组件32。密封组件32中的狭缝46可以在任意时刻形成，例如在模制密封材料38时或在模制该密封材料之后，等等。

狭缝46使密封组件32能够如图6所示地打开，从而能够将基管34横向地插入穿过狭缝46并插入到通道42中(沿箭头48指示的方向)。可选地，可使基管34纵向插入穿过通道42(如图3的示例)，并且狭缝46能够使密封组件32根据需要而扩大，以适应在基管外表面上的任何不平整和/或减少密封组件与基管之间的摩擦。

优选地，加强材料36具有弹性并能提供夹持力以将密封组件32固定在基管34上。然而，根据本发明的原理，加强材料36并非必须具有弹性或提供这种夹持力。

图7示出了完整的封隔器结构30，其中基管34安装在密封组件32中。注意狭缝46是闭合的或者至少是充分闭合的，从而当密封材料38在井中膨胀时，该狭缝会被封住并且会防止穿过密封材料38的泄漏。

如需要，可以在狭缝46中使用密封剂和/或粘合剂以增强狭缝46中的密封接触。如需要，还可以在密封组件32与基管34之间使用密封剂和/或粘合剂以增强密封接触和/或将密封组件固定在基管上。或者可选地，还可以使用夹子、缚带或其他附着装置来将密封组件32固定在基管34上。

现在可完全领会的是，结合了本发明的原理的封隔器结构30提供了数个超越现有技术的可膨胀的封隔器的改进。例如，不需要针对每一种井场施工而制造、储存及分配不同的封隔器结构。此外，密封材料38中的加强材料36提高了密封组件32的刚性。此外，可以使用多种技术来方便地组装密封组件32和基管34。

当然，本领域技术人员在仔细考量上文描述本发明示范性实施例的基础上，应容易领会到的是，可对上述具体实施例做出多种变型、增添、替换、删除和其他的变化，并且通过本发明的原理可预期这些变化。因此，前述详细说明应被明确地理解为仅作为解释和示例而给出，本发明的精神和范围仅由所附的权利要求书及其等同内容所限定。

Claims (27)

1.一种在地下井中形成环状屏障的方法，所述方法包括以下步骤：

将加强材料嵌入可膨胀的密封材料中以由此形成密封组件的嵌入步骤；以及

通过使所述密封材料与井中的井产流体接触而使所述密封材料膨胀的膨胀步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其中在所述嵌入步骤中的所述加强材料为金属材料。

3.如权利要求1所述的方法，其中在所述嵌入步骤中的所述加强材料呈套筒的形式。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：在将所述密封组件安装在基管上之前形成贯穿所述套筒的纵向狭缝的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：通过使基管纵向地插入穿过所述密封组件的内部通道而将所述密封组件安装在所述基管上的安装步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其中在所述嵌入步骤之后执行所述安装步骤。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：通过使基管横向地插入穿过形成为贯穿所述密封组件的纵向狭缝而将所述密封组件安装在所述基管上的安装步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其中在所述嵌入步骤之后执行所述安装步骤。

9.如权利要求1所述的方法，其中在所述嵌入步骤中，所述密封材料为圆筒形，并且所述密封材料设置在相对于所述加强材料的外部和内部。

10.如权利要求1所述的方法，还包括：将所述密封组件安装在基管上，使所述密封材料在所述密封组件的相对端部之间与所述基管接触的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述膨胀步骤还包括：所述密封材料密封地接触所述密封组件外部的井表面，并且所述密封材料密封地接触所述基管的外表面。

12.一种构造井封隔器的方法，所述方法包括以下步骤：

将加强材料嵌入可膨胀的密封材料中以由此形成密封组件的嵌入步骤；以及

随后将所述密封组件安装在基管上的安装步骤。

13.如权利要求12所述的方法，其中在所述嵌入步骤中的所述加强材料为金属材料。

14.如权利要求12所述的方法，其中在所述嵌入步骤中的所述加强材料呈套筒的形式。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：在将所述密封组件安装在所述基管上之前形成贯穿所述套筒的纵向狭缝的步骤。

16.如权利要求12所述的方法，其中所述安装步骤还包括：使所述基管纵向地插入穿过所述密封组件的内部通道。

17.如权利要求12所述的方法，其中所述安装步骤还包括：使所述基管横向地插入穿过形成为贯穿所述密封组件的纵向狭缝。

18.如权利要求12所述的方法，其中在所述嵌入步骤中，所述密封材料为圆筒形，并且所述密封材料设置在相对于所述加强材料的外部和内部。

19.如权利要求12所述的方法，其中所述安装步骤还包括：使所述密封材料在所述密封组件的相对端部之间与所述基管接触。

20.一种可膨胀的封隔器结构，包括：

密封组件，所述密封组件包括可膨胀的密封材料，在所述密封材料中嵌入有加强材料，所述密封材料为圆筒形，并且所述密封材料设置在相对于所述加强材料的外部和内部，所述密封材料能随着与井中的井产流体的接触而膨胀。

21.如权利要求20所述的封隔器结构，还包括基管，并且其中所述密封材料设置为与所述基管密封地接触。

22.如权利要求21所述的封隔器结构，其中所述密封组件构造成使所述基管能够纵向地插入所述密封组件的内部通道。

23.如权利要求21所述的封隔器结构，其中所述密封组件包括纵向的狭缝，所述狭缝使所述基管能够横向地插入穿过所述狭缝并插入到所述密封组件的内部。

24.如权利要求21所述的封隔器结构，其中所述密封材料基本上沿着所述密封组件的整个长度与所述基管密封地接触。

25.如权利要求20所述的封隔器结构，其中所述加强材料为金属材料。

26.如权利要求20所述的封隔器结构，其中所述加强材料呈套筒的形式。

27.如权利要求26所述的封隔器结构，其中所述套筒具有形成为纵向贯穿所述套筒的狭缝。

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