CN102741497A - 套管外封隔器 - Google Patents

Abstract

一种用于使用套管外封隔器(ECP)为钻孔区域灌注水泥的方法和仪器。该方法包括用掉落到座位中的球体密封ECP的基座，然后对套管加压从而通过单向阀对弹性封隔器套筒充气。当达到通过套管和弹性套筒的设计压力下降时，封隔器上部的灌浆阀打开，从而限制套筒充气压力并提供单向阀，水泥浆通过单向阀，从而准许对套管和钻孔之间的环状空间进行灌浆。

Description

套管外封隔器

相关申请和交叉参考

本PCT申请要求两个澳大利亚临时申请的权益，两者都在2009年11月19日提交，并且分别赋予申请号2009905659和2009905660。这两个澳大利亚临时专利申请的公开以引用的方式包括在此。

技术领域

本发明大体涉及烃类井或水井成井领域，并且更具体地涉及用于制造充气式封隔器，并且通过水泥灌浆封隔器上方的环状空间密封套管的基座，而不破坏具有水泥浆的下层钻孔的方法和设备。

背景技术

在钻孔中安装套管的传统过程是首先打钻钻孔、在其中安装套管，并且将套管用水泥固定到位。因此，钻孔能够通过打钻较小尺寸的孔延伸超过套管底部，这通常发生在开采区。灌注水泥过程通常涉及泵送水泥通过套管并且从套管的底部流出，并且向上进入套管和钻孔之间的环形空间。通过泵送钻井泥浆或者水进入套管顶部，水泥向下移动并且从套管流出。水泥顶替塞(cement displacement plug)通常用于在套管中分离水和水泥。有时，浮鞋(单向阀)连到套管的底部，以便避免当水泥在环状空间凝固时保持套管内压力的需要。

一种替代方法是将钻孔打钻到最终直径和深度，然后用套管柱中附着的或者连到其末端的外部封隔器开动套管进入钻孔。在套管外封隔器基座的端口(port)关闭，并且对套管加压从而固定封隔器。然后，灌注水泥端口在封隔器上方打开，水泥被泵送通过套管端口并且进入环状空间，从而将套管用水泥固定到位。在灌注水泥过程的最后，顶替塞顺着套管下去，并且水泥从套管中移动流出并进入环状空间。然后灌注水泥端口关闭。然后，套管中没有水泥，而在钻孔内的环状空间被灌注水泥。然后，正常过程是开动钻柱和钻头退回套管中，从而钻穿封隔器中保留的任何水泥，钻穿水泥顶替塞和底部端口，从而清理封隔器下方的钻孔。在现有套管外封隔器中，底部端口通常由掉入套管的球体阻塞。通过旋转、抬起或者放低套管或者通过将不同的尺寸的球体或箭状物放入套管从而移动滑动密封环，致动灌注水泥端口。

发明内容

根据这里所述的各种实施例的套管外封隔器有时被称为“ECP(External Casing Packer)”。然而ECP的操作比现有封隔器系统简单。也比现用的其他封隔器装置更简单且更加有经济效益。

根据本发明的套管外封隔器连到套管的外部圆柱表面，套管在ECP上方有时在下方延伸。止回阀安装在ECP的基座中，在放低套管进入钻孔期间其准许流体从钻孔进入套管，但是防止液体从套管反向流下进入钻孔。以其最简单的形式，止回阀是在ECP的基座形成或者安装的端口，并且其由从表面落入套管的球体密封。在ECP的基座中，球体以普通方式就座于端口中。这种系统使得能够流入和流出套管，直到球体落下。可以使用替代的止回阀设备，例如钢丝绳可回收塞，或者例如浮鞋的单向阀。

一旦致动ECP的基座中的单向阀，那么对套管加压，从而使ECP的弹性套筒充气。通过使用位于套管和ECP套筒之间的止回充气阀系统，实现套筒的充气。随着套管中的压力上升，对ECP的弹性套筒充气从而膨胀并啮合钻孔的环形壁。在套管中预设压力下，致动ECP的心轴内构建的易裂灌浆阀，从而打开并且随后允许水泥浆混合物泵送通过灌浆阀到位于ECP上方的环状空间的部分。灌浆阀经构造用作爆裂片或者剪切片和止回阀的组合。随着套筒充气过程期间灌浆阀中的爆裂片或者剪切片的开裂，套管内部压力下降，以至不再通过止回充气阀对ECP套筒充气，因为ECP套筒中的压力超过套管中的压力。因此灌浆阀的裂开和打开起到安全阀的作用，从而防止橡胶套筒的过度充气。因此，套管加压到的预定压力与这样的点有关(在该点处易裂灌浆阀片裂开)，并且与在弹性套筒中需要维持的压力有关。

在该过程的这个阶段，充气阀关闭，并且ECP的灌浆阀激活并打开，借此水泥浆混合物泵送向下通过套管。水泥浆混合物沿套管流动并推动灌浆阀打开。然后，水泥浆流过灌浆阀并进入套管和钻孔壁之间的环状空间，在ECP上方的环状区域中。当已经沿着套管泵送所需要量的水泥浆时，水泥顶替塞被引入套管的顶部。然后，沿着套管泵送液体，从而对顶替塞向下朝着ECP施力。这继续到顶替塞到达刚好超过灌浆阀的位置，借此停止顶替塞的进一步向下移动，因为在ECP的基座中水泥顶替塞和关闭的止回阀之间形成液压锁。通常不进一步需要对套管加压从而支撑水泥浆，因为灌浆阀是单向止回阀装置，其防止水泥浆从环状空间回流进入套管。灌浆阀也准许在水泥浆泵送过程中断开(break)或中断(interruption)，而水泥浆没有从环状空间回流进入套管中。在灌注水泥施工完成时，钻柱能够与已经在打钻路径中变硬的任何剩余水泥浆一起进入套管，从而钻穿水泥顶替塞和底部止回阀设备。

本发明的各种特征包括灌浆阀，充气阀和能够并入单个弹性层粘结操作中的制造过程。

单向灌浆阀每个都包括倒角阀组件(chamfered valve member)，其优选地是密封片，该密封片位于封隔器套筒上方在ECP心轴中形成的倒角端口中。各阀或者密封组件连到各自的爆裂片或者剪切片。这些片优选地由具有明确定义的剪切破坏应力的易裂材料制成，例如一些塑料、金属或者陶瓷。倒角阀组件连到围绕心轴的弹性灌浆阀套筒。在套管中没有压力的情况下，灌浆阀套筒的弹性性质保持倒角阀组件，并且保证与心轴的倒角座的密封闭合。优选地是，弹性灌浆阀套筒结合(bond)到倒角阀组件的顶部，并且形成围绕心轴设置的一部分可充气的ECP套筒。

充气阀包括位于心轴的可充气弹性套筒侧面上的弹性体材料的阀瓣(flap)。每个充气阀都覆盖在心轴中形成的小端口。因此流体能够在一个方向上流过充气端口，并且向外移动阀瓣，从而对ECP的弹性套筒充气。在流体流终止对ECP套管充气(当灌浆阀片剪切并打开时)，充气端口由各自的阀瓣关闭，其防止封隔器套管放气。充气阀瓣优选地包括部分ECP套管结构，从而简化制造过程。

在对弹性套筒充气从而将封隔器和套管固定在钻孔中的过程中，充气阀和灌浆阀两者都按顺序操作。充气的套筒在钻孔环状空间中提供阻碍，以便在阻碍的套筒上方的环状区域能够填满水泥浆混合物。为此，套管和附连到其的ECP在钻孔中降低到需要的位置。在套管和其中的ECP下降期间，ECP的底部中打开的单向阀使得钻孔下半部中任何液体和空气均衡(equilise)，因为球体还没有在套管中落下。然后，球体沿套管落下，就座于ECP底部的单向阀，由此堵塞所述阀。然后，用液体加压套管，从而经由充气阀对弹性套筒充气。由于套筒被充气并且啮合钻孔的侧壁，所以充气液体的压力增加，借此达到灌浆阀的剪切点并且这些阀门被致动并打开。当灌浆阀突然打开时，由于穿过充气阀的反向压力下降充气阀自动关闭。关闭的充气阀使套筒靠着钻孔壁被加压且压缩。因此，水泥浆混合物能够沿着套管泵送并且从打开的灌浆阀中流出并进入充气的套管上方的环状区域。

封隔器套管和心轴之间的密封系统包括封隔器套管，其在心轴一个末端直接结合到封隔器。在封隔器的另一个末端，存在密封件，其沿着心轴外表面轴向移动并且容纳封隔器套管的缩短，因为充气期间其径向地向外膨胀。在大多数封隔器中，这在套筒和心轴之间采取滑动弹性液压密封的形式。这种液压密封需要坚固的外罩容纳其。在本发明的优选实施例中，滑动液压密封由弹性密封套筒代替，套筒一端在低于封隔器扣环的位置结合到封隔器套筒，并且另一端结合到封隔器心轴。因此，随着对封隔器套筒充气并且其在纵向上缩短，密封套筒纵向压缩，但是维持其到心轴的密封。密封套筒被充气压力压在心轴上，并且通过封隔器扣环防止从封隔器套筒撕开，封隔器扣环维持外径并限制密封。在一个实施例中，封隔器密封套筒由开孔中间层加固，其偏离封隔器轴放置，从而允许密封套筒尺寸的纵向变化，并且从而通过防止过度的局部应变加强弹性套筒抗扯裂。

结合的套筒系统用于在封隔器套筒加固部分和封隔器扣环之间传递负载。在其中套筒用软线或者非延展性低的绑带加固的封隔器中，该加固承受拉伸负载。由封隔器扣环保持抵抗膨胀的拉伸负载。封隔器扣环上的负载力包括垂直于扣环的分量，其通过作为环箍加固操作的封隔器扣环束缚。也存在轴向分量，其趋向于使封隔器扣环轴向远离封隔器套筒的充气部分滑动。因此，扣环趋向于在包含在弹性套筒中的封隔器套筒加固部分上方推动。通过将接触封隔器扣环的硬质或者刚性套筒结合到弹性套筒(该弹性套筒又依次结合到加固物)，剪力在封隔器扣环和加固部之间经由刚性套筒和弹性材料传输。刚性套筒可以有利地以纵向切开的形式制成，从而准许易于安装和结合到下层弹性材料，而减轻精密公差制造问题。因此，套筒系统制作成本低并且迅速并入封隔器结构。

因此，按照本设计，封隔器的总体设计能够包括一个或多个特征，其通过固化并结合(或者不具体地结合在一起)的弹性材料层容易地并入封隔器的制造中。弹性材料可以来源于自然的或者合成的来源，并且通常在包括压力和热量的过程中结合在一起。众所周知天然橡胶系统作为硫化过程。因此能够在弹性材料层之间和弹性材料和心轴(尤其是钢)之间通过使用恰当的金属表面制备获得非常强的结合。

根据本发明的一个实施例，公开了使用充气式封隔器系统对钻孔进行水泥灌浆的方法。该方法包括将连有套管外封隔器的套管放置在钻孔中的一个位置，用于对位于套管外封隔器上方的一部分钻孔环状空间进行水泥灌浆。还包括对套管外封隔器可充气的弹性套筒的充气，其通过用充气流体对套管加压阻塞钻孔的环状空间，这打开套管外封隔器中的单向充气阀并对可充气套筒充气到预定压力。通过在套管外封隔器和环状空间之间放置的减压阀确定预定压力，该减压阀在预定压力打开，然后变为单向灌浆阀。液化水泥浆混合物经由打开的单向灌浆阀泵送通过套管，灌浆阀位于一部分被充气的可充气套筒上方的套管外封隔器中。灌浆阀使用连到封隔器的弹性组件偏置到关闭位置，由此当水泥浆混合物的压力在套管中降低时，弹性组件使得灌浆阀关闭并防止水泥浆混合物从环状空间回流进套管中。

根据本发明的另一个实施例，公开了在钻孔的环状空间中设置套管外封隔器从而在其中固定套管的方法。该方法包括密封封隔器的基座，并且通过使加压的流体通过单向充气阀进入可充气套筒，对封隔器加压从而对围绕一部分封隔器心轴的可充气弹性套筒充气。通过使用封隔器中的减压阀限制可充气套筒的充气压力，当到达设计的压力降时，减压阀释放封隔器中的压力到套管外部。减压阀用作单向阀，从而准许水泥浆材料通过其流到钻孔的环状空间。关闭减压阀，从而防止水泥浆材料从环状空间回流到封隔器中。

根据本发明的再另一个实施例，公开了使用充气式封隔器系统对钻孔进行水泥灌浆的方法。该方法包括将连有膨胀式封隔器系统的套管降低进入钻孔中。用流体加压套管，以便所加压的流体进入封隔器系统中一个或多个单向充气阀，从而对套筒充气并阻塞钻孔的环状空间。增加套管中的流体压力，直到一个或多个单向易裂的灌浆阀裂开，从而允许加压的流体进入封隔器系统上方的钻孔环状空间，由此套管的压力下降并且单向充气阀关闭并维持套筒在钻孔环状空间中充气。水泥浆沿着套管泵送并通过裂开的单向灌浆阀，并进入位于封隔器系统上方的钻孔环状空间的部分中。

关于本发明的再一个实施例，公开了用于对钻孔环状空间灌浆的充气式封隔器系统。该封隔器系统包括形成封隔器系统的主体的心轴，其中心轴适合于连到套管，并且心轴在其中为各灌浆阀形成一个或多个端口并且为各充气阀形成一个或多个端口。在心轴的底部部分中形成座位，其中该座位适合于由通过套管落下的球阻塞。围绕心轴并且围绕充气阀端口形成弹性套筒。在充气阀端口上方且灌浆阀端口下方围绕心轴在弹性套筒顶部形成锚固密封件。沿着心轴在弹性套筒的底部形成滑动密封件。提供一个或多个单向充气阀，其中每个单向充气阀位于一个充气阀端口的上方，并且每个单向充气阀适合于允许充气流体穿过充气阀端口并且进入弹性套筒，而在相反方向上不允许。提供一个或多个单向灌浆阀，其中每个单向灌浆阀位于一个灌浆阀端口的上方，并且每个单向灌浆阀适合于允许水泥浆穿过灌浆阀端口并且进入钻孔环状空间，而在相反方向上不允许。每个单向灌浆阀用易裂组件形成，其响应于预设充气流体压力裂开，由此当弹性套筒充气到预设流体压力时，易裂组件裂开从而使得单向灌浆阀进行操作。然后单向充气阀关闭，从而允许弹性套筒维持预设的充气流体压力。

附图说明

从如附图所示的本发明的优选及其他实施例的下列和更具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，其中，附图中类似的参考标号通常指同一部件、功能或元件，并且其中：

图1A-1F示意地示出用于在钻孔中安装套管外封隔器的步骤的顺序；

图2是根据本发明的实施例示出套管外封隔器的横截面视图；

图3是根据本发明的实施例示出在关闭情况下的灌浆阀的横截面视图；

图4是图3的灌浆阀在打开情况下的横截面视图；

图5示出根据本发明实施例在打开情况下有充气阀的封隔器的上端四分之一纵剖面图；和

图6示出根据本发明实施例封隔器的下滑动端和密封套结构的四分之一纵剖面图。

具体实施方式

图1A示出封闭套管2的套管外封隔器，其已经降低进入钻孔1。如图所示，ECP上方的套管2的部分延伸到表面，并且可选地，ECP下方的套管部分3穿孔。封隔器的主体使用金属心轴5构造。ECP包括可充气的加固弹性套筒4，其环绕心轴5。在套管封隔器的上端的灌浆阀被示为标号6。止回阀的封隔器座8位于心轴5的下部部分，并且通常是混凝土材料的圆锥体。充气阀7适合用于对弹性套筒4充气，从而阻碍或者说阻塞钻孔1的环状空间。

图1B示出连到套管2顶端的灌注水泥系统。灌注水泥系统包括其中包含水泥顶替塞的顶部套管部件10。还包括灌浆阀11和充气阀13，两者连接到顶部套管部件10。一旦套管2位于钻孔1中的需要位置，那么球体16落下通过套管2并与阀座8接触，从而密封封隔器的底端。然后通过泵送流体经由端口14和阀门13进入套管2的顶部部件10，对ECP的弹性套筒4充气。套管2的加压使得封隔器心轴5中的单向充气阀7的阀瓣打开，并准许所加压的流体进入心轴5和封隔器套筒4之间的空间，由此使得弹性套筒4充气并膨胀与钻孔1接触。

图1C示出完全膨胀并接触钻孔1的壁的ECP的弹性套筒4。最终，通过膨胀的弹性套筒4的流体压力差超过设计的阈值，因此激活易裂(frangible)灌浆阀6打开并最初允许流体从套管2流入套管2和钻孔1之间的环状空间。如上所述，当灌浆阀6打开时，套管2中的压力下降并关闭充气阀。

图1D示出水泥浆17经由灌浆阀13的端口14泵送进入套管顶部部件10的过程。水泥浆17向下通过套管2并从打开的灌浆阀6中流出，从而装满环形空间在封隔器的上方且套管2和钻孔1之间的部分。水泥浆17也向下流过ECP的心轴5，到球体16和关闭的阀座8。

视图1E示出灌浆阀13关闭时流体被泵送进入端口12通过充气阀11。这个流体向下推动水泥顶替塞15进入套管2并进入心轴5的顶部，直到水泥顶替塞15在灌浆阀6下面形成密封。在此，在水泥顶替塞15和阀座8中的球体16之间形成一液压锁。

图1F示出使用连到钻柱18的末端的常用钻头19钻穿水泥浆顶替塞15(示出已经钻穿)，以及钻穿套管2其余部分内的水泥浆17、心轴5、和球体16及阀座8。当以所述方式打钻时，封隔器下方的开采区偶联封隔器上方的套管2。

图2示出ECP的结构细节。如上所述，在所示的实施例中，ECP包括由加固弹性套筒4部分覆盖或环绕的心轴5。套筒4由多种材料层构造，从而实行这里所述的功能。弹性套筒4是多层的，并且通常会由自然或合成橡胶构造。在封隔器顶部在外部硬质套筒层23之下，套筒4结合到心轴5，但在套筒4长度的其余部分不结合到心轴5。在封隔器扣环20和21之间，封隔器套筒4可响应于内部压力向外膨胀，从而在钻孔的环状空间中形成密封。封隔器扣环20和21是用高强度钢制造的，并且结合到弹性套筒4，并且由也结合到套筒4的上硬质外套筒和下硬质外套筒22和23束缚。硬质外套筒22和23能够由刚性材料或者金属例如钢构造。示出心轴5在顶部26和底部27具有螺纹连接件，从而准许连到位于封隔器上方和下方的套管部件。在封隔器的下端的加固弹性套筒4和心轴5之间没有结合，允许套筒4的下端随套筒4的充气沿着心轴5向上滑动。认识到，当对加固弹性套筒4充气时，自然趋势是总长度变短。另一个替换例是充气期间弹性套筒4的材料伸展，但是具有套筒4的加固结构，套筒材料的伸展不是优选的。下面更详细地描述套筒4和心轴5之间的密封。心轴5的下端包括锥形阀座8，当球体16沿着套管2向下掉落并且停留在圆锥形座位8上时其形成止回阀。锥形元件8能够由混凝土或者其他适合的材料铸成，从而降低制造成本。也示出如上所述的止回充气阀7和灌浆阀6。下面更详细描述的灌浆阀6由弹性灌浆阀套筒25覆盖。

图3示出在关闭位置的灌浆阀6的细节。如上所述，灌浆阀用心轴5的侧壁中形成的倒角端口30构造。倒角阀组件31位于端口30中，在其优选的实施例中，其是由金属制成的并且连到易裂的剪切片32。剪切片32优选地由具有意义明确的抗剪强度的材料制成，例如塑料、金属或者陶瓷。套筒充气过程期间套管中流体的压力所施加的力足够对套筒完全充气，并且其后不久剪断剪切片32。剪切片32经由示出为螺丝的扣件33连接到阀组件31。弹性灌浆阀套筒25环绕心轴5，并且结合到灌浆阀组件31的外表面，而不是结合到心轴5的图中所示灌浆阀6的右侧的部分。然而，弹性灌浆阀套筒25在灌浆阀6的左侧的位置结合到心轴5。

在操作中，当弹性套筒的充气期间跨灌浆阀6的压力差超过具体的设计值时，易裂爆裂片32的外周边缘经受应力并最终剪断，由此倒角灌浆阀组件31被激活并且从其放置位置移出，从而由此允许流体流过打开的灌浆阀6。如下将述，在通过打开充气阀大弹性套筒的充气期间，达到这样的点，其中弹性套筒在环状空间中完全充气，然后灌浆阀6裂开并打开。这时，套管中的压力突然下降，由此充气阀关闭。为此，灌浆阀6的打开起到用于对弹性套筒充气的安全阀的作用。如图4所示，当对灌浆阀6施加力打开时，弹性灌浆阀套筒25被施加力向外膨胀。在套管由充气套筒固定之后，水泥浆能够沿套管向下泵送。灌浆阀6上液化水泥浆的力使其打开并允许在箭头方向上流动。一旦泵送具体容量的水泥浆混合物通过灌浆阀6并进入钻孔环状空间，那么水泥浆泵送操作停止。然后膨胀的弹性灌浆阀套筒25收缩，该动作用心轴5的倒角端口30将倒角阀组件31和剪切片32的剩余部分返回进入就座状态(seated condition)。一旦由于围绕心轴5的弹性灌浆阀套筒25的收缩灌浆阀6回到其就座状态，那么在倒角灌浆阀组件31和心轴5的倒角端口30之间提供密封。

如上所述，图4示出在打开位置的灌浆阀6。示出易裂剪切片32，随着其在ECP的设计充气压力下的断裂，其周边边缘剪切掉。在流体流动期间，包括水泥浆的流动，弹性灌浆阀套筒25定位倒角阀组件31，以便当流体流停止时，倒角阀组件31回到倒角阀端口30的就座状态。通过将弹性灌浆阀套筒25结合到倒角阀组件31的外表面并且在位置34结合到心轴5，达到灌浆阀组件31和阀端口30的对齐。弹性灌浆阀套筒25能够制造为封隔器套筒的延伸的部分，但这不是必需的。

图5示出封隔器套筒4的上区域、充气阀7、扣环21和结合的弹性套筒4。加固弹性套筒4具有多层结构，包括外部弹性材料层40、加固层41(这里为了图解方便示为单层，但能够由嵌入弹性材料中钢丝帘线或者钢带层制成)、和内部弹性材料层42。分层的弹性套筒4在表面积43上方结合到心轴5的外部圆柱形表面。加固套筒4的外部弹性材料层40结合到硬质外套筒23，其在位置44靠在封隔器扣环21上。扣环21具有作用在其上的来自套筒加固层41的负载。这会倾向于向图中右侧轴向移动扣环21。然而，硬质外部套筒23束缚扣环21不向右移动，因为其结合到弹性材料层40，弹性材料层40依次结合加固层41。扣环21内的环向应力包含封隔器扣环21上负载的径向分量。扣环21上的负载的轴向分量经由在位置44的接触面传递到硬质套筒23。扣环21上的轴向负荷通过弹性材料层40中的剪切应力转移回加固层41。接触面44被视为锐角邻接，以便硬质套筒23在来自封隔器扣环21的负载下不脱开。

准许流体膨胀封隔器套筒4的充气阀系统，在位置48处装设于心轴5中的同心凹陷中。尽管示出一个充气阀7，但是应当理解围绕冲模封隔器心轴5形成许多这种阀门。在位置48，在心轴5打钻端口47，从而提供充气流体入口点。通过在位置45在心轴5的外表面上方结合的弹性环形阀瓣46提供充气阀7的移动。在金属扣环21下方，弹性环形阀瓣46的环形末端结合到心轴5，从而维持阀瓣46的环形边缘固定到心轴5。如图所示，在封隔器套筒4的充气期间，对流体充气迫使弹性环形阀瓣46打开。当将封隔器充气流体泵送到指定压力时，灌浆阀裂开并打开，因此套管中的压力下降，由此使得弹性环形阀瓣46关闭各自的端口47。充气阀7由封隔器套筒4和心轴5之间包含的流体压力保持在关闭状态。灌浆过程期间，由对封隔器套筒4充气所施加到关闭的弹性环形阀瓣46内侧上的力大于由沿着套管压低的水泥浆施加在充气阀瓣46的另一侧上的流体力。因此，灌浆过程期间，水泥浆没有迫使挡板阀46打开。另外，水泥浆会进入封隔器套筒4和心轴5之间。

有利地是，以纵向分开(split)的形式制成硬质外套筒23，以便便于封隔器的组装，而最小化硬质外套筒23和弹性材料层40之间直径的精确裕量的需要。在组装期间，硬质分开式套筒23被夹住进入下层弹性材料层40的适当位置，从而准许其之间形成结合。弹性材料结构领域的技术人员应该理解，层的各种结合和分离部分有利于制成ECP。

图6示出充气期间缩短的封隔器套筒4的下端的结构细节。封隔器套筒4的下端包括滑动密封件55、扣环20和外套筒层40。封隔器套筒4在其下端的设置包括内部弹性材料层42、加固层41、外部弹性材料层40、扣环20、和硬质外套筒22，所有这些在结构上类似于上面结合图5中的封隔器的上端所述的。主要差异是，制造内部弹性材料层42，以便其能够在心轴5上方在表面积53的轴向方向上随着充气期间封隔器套筒4的缩短而滑动。不同于大多数具有滑动液压密封形式的封隔器，这里所公开的封隔器利用由弹性材料构成的环形套筒密封件55，其优选地具有类似于套筒4的弹性材料结构。在心轴5中形成的环形外部凹槽54中包括环形套筒密封件55。环形套筒密封件55在表面积58的上方结合到心轴5的外侧，并且在表面积57的上方结合到封隔器内部弹性材料层42的内侧。其他方面，套筒密封件55未被结合，而是在外部凹槽54内在心轴5上自由地轴向滑动。在图中，示出封隔器套筒4处于充气状态，与钻孔1接触。在充气状态，套筒密封件55从其占据外部凹槽54的总长度的初始位置纵向压缩。套筒密封件55被压缩的距离示为尺寸G。图中示出套筒密封件55已经制造有加固层56。这优选是偏置放置的端口编织网，以便其能够轴向压缩。加固网56会结合到弹性材料中并防止套筒密封件55的不均匀应变，否则这会导致套筒密封件55的材料内的扯裂。套筒密封件55由膨胀的套筒4中的流体压力保持靠着凹槽54内的心轴5，并且通过封隔器扣环20的紧密环形束缚防止从套筒4的内部弹性材料42上撕开。

尽管已经参考具体的套管外封隔器和其使用和制造的相关方法公开了本发明的优选及其他实施例，但是应当理解，可以按照设计选择的主题作出细节上的变化，而不偏离由权利要求所限定的本发明的精神和保护范围。

Claims (20)

1.一种使用充气式封隔器系统对套管和钻孔之间的环状空间进行水泥灌浆的方法，其包括：

将连有套管外封隔器的套管放置在钻孔中的一个位置，用于对位于所述套管外封隔器上方的所述钻孔环状空间的一部分进行水泥灌浆；

对所述套管外封隔器的可充气弹性套筒充气，从而通过用充气流体对所述套管加压以阻塞所述钻孔的所述环状空间，这用所述加压充气流体打开所述套管外封隔器中的单向充气阀并对所述可充气套筒充气到预定压力；

通过所述套管外封隔器和所述环状空间之间放置的减压阀确定预定压力，所述减压阀在所述预定压力下打开，然后变为单向灌浆阀；

经由所述打开的单向灌浆阀向下泵送液化水泥浆混合物通过所述套管，所述灌浆阀位于一部分所述充气的可充气套筒上方的所述套管外封隔器中；和

使用连到所述封隔器的弹性组件将所述灌浆阀偏置到关闭位置，由此当所述水泥浆混合物的压力在所述套管中降低时，所述弹性组件使得所述灌浆阀关闭并防止所述水泥浆混合物从所述环状空间回流进所述套管中。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步地包括在给定压力下裂开或者剪开一部分所述灌浆阀，从而打开所述灌浆阀并准许所述套管中的压力下降。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步地包括使用所述套管中的压力下降维持所述套筒充气阀的闭合。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步地包括对所述套管加压从而打开所述单向充气阀并对所述可充气套筒充气，并且使用所述已加压的套管剪断所述灌浆阀的元件，从而当对所述可充气套筒充气时，允许所述灌浆阀打开。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过使用围绕所述封隔器并连到所述灌浆阀的活动部分的弹性套筒组件，由所述弹性组件将所述灌浆阀偏置到关闭状态。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述灌浆阀的弹性套筒制造为所述可充气弹性套筒的部分，由此当所述灌浆阀打开时所述弹性套筒组件径向地向外伸展。

7.根据权利要求5所述的方法，进一步地包括将所述灌浆阀的所述弹性套筒的一部分结合到所述封隔器的心轴，并且将所述灌浆阀的弹性套筒结合到倒角灌浆阀组件，该组件作为所述灌浆阀的所述活动组件。

8.根据权利要求5所述的方法，进一步地包括在一个制造过程期间，形成所述弹性套筒组件作为所述可充气弹性套筒的整体部分。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用弹性材料的套筒作为所述止回充气阀的阀瓣组件，并且将所述弹性材料阀瓣组件套筒的一个环形边缘结合到所述封隔器的心轴，允许所述弹性材料的套筒的另一个环形边缘不受约束用于所述心轴中各端口的升起，从而准许单向流体流。

10.一种在钻孔环状空间设置套管外封隔器从而在其中固定套管的方法，其包括：

密封所述封隔器的基座；

通过使加压的流体通过单向充气阀进入所述可充气套筒，对所述封隔器加压从而对围绕一部分封隔器心轴的可充气弹性套筒充气；

通过使用所述封隔器中的减压阀限制所述可充气套筒的充气压力，当达到设计的压力降时，所述减压阀释放所述封隔器中的压力到套管外侧；

使用所述减压阀作为单向阀，从而准许水泥浆材料通过其流到所述钻孔的所述环状空间；和

关闭所述减压阀，从而防止所述水泥浆材料从所述环状空间倒流回所述封隔器中。

11.根据权利要求10所述的方法，借此通过落下球体进入位于所述封隔器的所述基座的座位中，密封所述封隔器的基座。

12.一种使用充气式封隔器系统对钻孔进行水泥灌浆的方法，其包括：

将附连有所述充气式封隔器系统的套管下降进入钻孔中；

用流体加压所述套管，以便所述加压的流体进入所述封隔器系统中一个或多个单向充气阀，从而对套筒充气并阻塞所述钻孔的环状空间；

增加所述套管中的所述流体的压力，直到一个或多个单向易裂灌浆阀裂开，从而允许加压的流体进入所述封隔器系统上方的所述钻孔环状空间，借此所述套管的压力下降并且所述单向充气阀关闭并在所述钻孔环状空间中维持所述套筒的充气；

泵送水泥浆向下通过所述套管并通过所述裂开的单向灌浆阀进入位于所述封隔器系统上方的所述钻孔环状空间的所述部分中。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步地包括将预定体积的所述水泥浆沿着所述套管向下泵送并进入所述钻孔环状空间，然后停止所述水泥浆的所述泵送，借此所述单向灌浆阀关闭并防止所述水泥浆从所述环状空间的倒流回到所述套管中。

14.根据权利要求12所述的方法，进一步地包括在将所述水泥浆沿着所述套管向下泵送之前密封所述封隔器系统的所述基座，从而防止所述水泥浆进入所述封隔器系统下方的所述套管的打孔部分。

15.根据权利要求13所述的方法，进一步地包括在所述预定体积的水泥浆已经沿着所述套管向下泵送之后，迫使塞体向下通过所述套管，从而从所述套管清除至少一部分所述水泥浆并且迫使其通过所述单向阀灌浆阀并进入所述钻孔环状空间。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步地包括对所述水泥浆已经在所述封隔器系统中固定的部分打钻，从而从所述钻孔的底部到所述套管的顶部提供采出流体的流动途径。

17.根据权利要求12所述的方法，进一步地包括围绕所述封隔器系统的心轴主体形成弹性套筒，其中所述套筒的环形顶部紧固到所述心轴并密封到所述心轴，并且随着所述套筒的充气，所述套筒的底部沿着所述心轴可滑动并且密封到所述心轴。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在所述单向灌浆阀上方形成一部分所述弹性套筒，以便所述套筒的弹性使所述单向灌浆阀移动进入在所述心轴中形成的各端口中的关闭位置。

19.根据权利要求17所述的方法，进一步地包括使用围绕所述心轴夹住所述套筒的扣环将所述套筒的顶部紧固到所述心轴，并且通过使用覆盖所述心轴中形成的各端口的弹性挡板形成所述单向充气阀，其中所述挡板在其一端紧固到所述扣环下面的所述心轴。

20.一种用于灌浆钻孔环状空间的充气式封隔器系统，所述封隔器系统包括：

心轴，形成所述封隔器系统的主体，所述心轴适合于连到套管，所述心轴在其中为各灌浆阀形成一个或多个端口，并且为各充气阀形成一个或多个端口；

座位，在所述心轴的底部部分中形成，其中所述座位适合于通过沿套管落下的球体被阻塞；

弹性套筒，围绕所述心轴并且围绕所述充气阀端口形成；

锚固密封件，在所述充气阀端口上方以及所述灌浆阀端口下方围绕所述心轴在所述弹性套筒顶部形成；

滑动密封件，沿着所述心轴在所述弹性套筒的底部形成；

一个或多个单向充气阀，每个所述单向充气阀位于所述一个充气阀端口上方，每个所述单向充气阀适合于允许充气流体穿过所述充气阀端口并且进入所述弹性套筒，而在相反方向上不允许；

一个或多个单向灌浆阀，每个所述单向灌浆阀位于一个所述灌浆阀端口上方，每个所述单向灌浆阀适合于允许水泥浆穿过所述灌浆阀端口并且进入所述钻孔环状空间，而在相反方向上不允许；和

每个所述单向灌浆阀用易裂组件形成，其响应于预设充气流体压力裂开，借此当将所述弹性套筒充气到所述预设流体压力时，所述易裂组件裂开从而启动所述单向灌浆阀操作，并且所述单向充气阀关闭，从而允许所述弹性套筒维持预先设定的充气流体压力。

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