CN103109037A - 用于圆周密封支撑件的可缩回的井下支承组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种楔形元件，该楔形元件形成环结构，该环结构可以使用相邻节段的相对轴向运动而增大直径以用于夹紧。通过附接到面对密封件的节段的宽尺寸部的环节段将相邻密封件进一步与相对运动的相邻节段的边缘分隔开。环节段和与其附接的楔形元件一起移动出来，以使得在密封件的坐封位置上，存在利用环节段抵抗周围管的增强的阻挡。所述环元件在加载到楔形元件之间的分界面位置的压缩载荷下进一步阻挡了密封元件的通道，以使得楔形元件的相对轴向运动不会圈闭一部分密封件并且不会引起密封件的破裂，该破裂可导致通过密封件的泄漏。

Description

用于圆周密封支撑件的可缩回的井下支承组件

技术领域

本发明的领域是用于密封件的井下支承装置，更特别地是可缩回的并且定位在密封件之间的装置，用于防止井流体进入并且保护周围管免受来自于所施加的压力差的增加应力，最特别地涉及形成支撑环的分段式滑动节段和用于邻近密封件的这种环的端部处理，以使得由于滑动节段的相对轴向运动对密封件造成的破坏最小。

背景技术

封隔器用在井下来隔离井孔中的各区段。封隔器的许多样式在使用中取决于应用场合和井状况。常见的设计使用通过下述方式而被轴向压缩的环形密封元件：通过设置重物块；或者通过保持心轴且向下推动坐封套的坐封工具；或者通过阻挡通过封隔器的路径并在活塞组件上形成压力以压缩密封元件的液压机构。当密封元件被轴向压缩时，其径向延伸与周围管成密封关系。为了增强延伸后的元件的抓持力，在密封元件的相对侧上还存在上滑动件组和下滑动件组。这些滑动件一般包括具有外部搭接件的渐缩节段，外部搭接件当在轴向压缩密封元件期间在渐缩表面上向外倾斜时咬合到周围管中。

压缩坐封的密封元件的一个问题是向井上方向或井下方向的挤压。经常地，将抗挤压环放置在密封元件的相对端部上。它们在密封元件被轴向压缩时塑性变形，并且接合周围管以在相对端部处形成阻挡。抗挤压环的问题存在于将封隔器取回时。不管使密封元件轴向延伸和径向收缩的封隔器心轴组件如何延伸，塑性变形的环保持它们变形后的形状。实质上，在密封元件在径向方向和轴向方向上远离支承环缩回之后，支承环仍然可以与周围管接触。当在该条件下将封隔器拉出时，在将封隔器移除时支承环可能刮擦井。刮擦是在密封工具被取回时由于密封工具的移除而减小压力的动作。这种刮擦可能造成地层破坏或者导致井侵入（coming in）以及可能失去对井的控制。还有，封隔器上方的井流体向上移动或者通过工具中的小的旁路。这种状况严重限制了取回速度。另一个问题是支承环在从井孔中取出来的行程中可能被损坏并且造成封隔器挂住，并且在严重的情况下可能不得不将封隔器粉碎以将其移除。

传统的设计是在密封元件上方和下方具有滑动件。这种设计的问题是在使用并且暴露于由封隔器装置作用在心轴上的压差时，如果所述压差在井上方向上，则所施加的压差转移到向井上滑动件的搭接件上，如果压差在井下方向上，则转移到井下滑动件上。这种布置在周围管上形成了添加的应力，该应力来自于由所施加的压差在滑动件上形成的力增量。

另一个问题在于井中的碎屑，诸如位于抗挤压环的顶部上的沙子或碎石，从而封隔器在释放之后难以抽出。

已经证明挤压阻挡件不同于塑性变形的连续易弯环。分段式环设计背后的想法是在节段在渐缩表面上向外倾斜时保持节段的叠置关系。在USP7,290,603中阐述了这种设计。这种设计的问题是希望偏压节段以进行缩回的用过的长复位弹簧是两折的。长弹簧构件是外露的且在插入期间可能被损坏。井中的碎屑可以到达斜表面上或者在长弹簧元件之下并且阻止节段缩回。这种设计还将来自于压差的载荷转移到滑动件中，从而增加周围管壁中的应力。

所需要的是一种抗挤压系统，其在坐封好之后防止井流体和碎屑进入，同时还将在使用时由压力差形成的力最小，防止对周围管的进一步加压。还向防止井流体在密封件之间侵入的阻挡件提供一种改进的用于完整圆周挤压阻挡的缩回系统。该阻挡元件可以具有外部搭接件并且起到了滑动件以及阻挡件的功能。这些元件还可以使得环节段安装到它们的宽尺寸部，在所述宽尺寸部中，所述环节段横跨这些元件在轴向方向上相对运动以改变直径的区域。在抓持位置中，密封件被进一步隔离以免暴露于可以破坏密封件的进行相对运动的节段中。在结合相关附图阅读了下面的优选实施例的描述之后，本发明的这些特征以及其他特征对于本领域技术人员将会变得更显而易见，同时可以意识到的是，本发明的全部范围在所附权利要求的文字记载范围和等同范围内。

发明内容

封隔器的特征在于分隔开的密封元件以及在它们之间的挤压阻挡件。当将封隔器坐封好时，保护挤压阻挡件免受井中的碎屑侵入。所述阻挡件使用由楔形节段制成的一个或多个环提供了完全圆周挤压保护，所述节段在它们的边缘处具有锁槽并且以交替的方式组装以便于当心轴部件运动朝向彼此或远离彼此时直径能够增大或减小。这些节段具有孔，心轴凸出部穿过所述孔延伸以迫使这些节段进入较小的直径以用于移除。在可相对运动的心轴部件上设置呈机加工的平坦部形式的用于节段的行程止挡。

在一个变型中，楔形节段形成环结构，该环结构利用相邻节段的相对轴向运动可以增大直径以用于夹紧。通过附接到面对密封件的节段的宽尺寸部的环节段而将相邻密封件进一步与相对运动的相邻节段的边缘分隔开。环节段和与环节段相附接的楔形元件一起移出，以使得在密封件的坐封位置中，存在利用环节段抵靠周围管的增强阻挡。所述环元件在加载到楔形元件之间的分界面位置的压缩载荷下进一步阻挡了密封件的通道，以使得它们的相对轴向运动不会圈闭密封件的一部分并且不会引起密封件的破裂，该破裂可导致通过密封件的泄漏。

附图说明

图1是心轴部件的透视图，所述心轴部件相对运动以在缩回位置与伸出位置之间驱动支承系统的各节段；

图2是应用到具有多个密封件的封隔器中的权利要求1的支承系统的部分剖视图，其中该支承系统位于密封件之间；

图3是使用两个分段环支承系统的替代性实施例，其显示为位于密封件之间并且处于插入位置的两个滑动件；

图4是图3显示为处于坐封位置中的视图；

图5示出了相反定向的相邻节段之间的边缘分界面；

图6是在滑动壳与滑动楔形环之间使用用于挤压阻挡件的分段环的一个替代性实施例，滑动楔形环显示为处于插入位置（没有示出滑动壳）；

图7是图6在楔形滑动环的坐封位置中支承环节段抵靠滑动壳的视图；

图8是图7在坐封位置中但从滑动壳看过去的平面视图，示出了楔形节段如何使支承环节段旋转以用于坐封位置；

图9是图6中的视图的一种替代方式，并且显示为处于插入位置，其中支承环节段不能相对于楔形节段枢转，它们利用间隔开的紧固件附接到楔形节段；

图10是图9处于坐封位置中的视图，示出了支承环节段与楔形环节段一起移出；

图11是沿着图9的线11-11的视图；以及

图12是沿着图10的线12-12的视图。

具体实施方式

图1图示了支承系统的各元件，如下面所解释的，其可以以多种应用和构造用于井下。虽然给定的井下工具将具有用来完成其预定目的的许多其他部件，但是本发明的支承系统的操作的主要部件是可相对运动的部件10和12，它们是具有贯通通路16的心轴组件14的一部分。部件10具有完整圆周的外部环18，其中径向推动分段表面20被渐缩的平坦部22中断。下部套筒24延伸超出环18并且具有多个径向凸出部26，这些径向凸出部的横截面优选是矩形的，尽管可以使用其他形状。这些凸出部的间距使得它们与渐缩节段30上的孔28对齐（line up），所述渐缩节段30使得它们的鼻部32指向相同方向。在节段30之间的是渐缩节段34，所述渐缩节段34使得它们的鼻部36指向与鼻部32相反的方向。优选地，鼻部32和36具有圆形轮廓，以使得当在图2中看到的封隔器应用中达到坐封位置时，不会对优选地布置在圆周环42的相对侧上的密封元件38和40造成破坏，在图5中的端视图上示出了圆周环的一部分以显示出节段30和34在它们相对于彼此轴向滑动时在它们的边缘上可如何紧固，这导致在部件10和12相对于彼此轴向运动时直径在相反方向上变化。球44延伸到相邻节段边缘的凹窝中。可以想到其他保持装置落入本发明的范围内，所述其他保持装置诸如是带鸠尾榫的L形边缘，其允许在保持总体环42形状的同时在抵接边缘上相对轴向滑动。

如图1中所示，节段12优选地与节段10相同并且以镜像定向。节段12具有用于抵靠节段34的径向推动表面48，从而在径向表面20推动与节段34相反定向的节段30时沿相反方向推动这些节段34。径向表面48被渐缩的平坦部50中断。当将部件10和12被推动到一起时，鼻部32骑跨在平坦部50上方，具有诸如大约0.015英寸的最小间隙，如在示出了一个替代性实施例的图4中最佳地看出的。类似的鼻部36以类似间隙骑跨在平坦部22上。最小间隙的原因是要在坐封位置中锁闭用于诸如密封件40的挤压路线。正如在图2中最佳地看出的，在节段30的顶部54与散置有鼻部36的相邻密封件38之间存在一系列轴向间隙52，并且在鼻部32与密封件40之间的相对端部处存在相同的模式。但是，在鼻部与相邻密封件之间在轴向上没有用于挤压的空间，因为在鼻部之间的相反定向的节段的顶部（诸如54）通过在一侧上抵靠环18或者在另一侧上抵靠环56而锁闭了任何挤压间隙。鼻部32或36在坐封位置上分别以最小间隙叠置在平坦部50和22上方、抵靠周围管（未示出），以使得密封件38或40的挤压间隙也有效地不存在，若存在的话也是那么小。结果，可以在图2的坐封位置上为彼此面对的密封件38和40的端部获得完整360度的挤压保护。在图3中较佳地看到的外端部58和60抵接在衬套62和64上，该衬套62和64在由如箭头66和68示意性地示出的坐封工具施加动作时彼此更接近。本领域的技术人员将会意识到的是，为了清楚起见，略去了其他的部件，诸如在坐封工具66，68坐封和自动释放之后保持坐封位置的本体锁定环。为了防止在坐封时挤压越过端部58和60，对衬套62相对于衬套64的轴向运动的量有限制。图3和4中示出的实施例示出了支承系统的模块化特征，并且使用具有相对的节段70和72的两个环。相对于图2中示出的仅仅使用一个支承环时的两个部件10和12，具有三个间隔开的心轴部件。而是，在图3中，存在间隔开的并且响应于用于坐封的坐封工具66，68的操作相对于彼此可相对运动的心轴部件74、76和78，并且利用使这些部件彼此远离地延伸的已知移除工具使它们在相反方向上运动以用于移除。密封件80就位于部件74上，密封件82就位于部件78上。环70在部件74和76之间，环72在部件76和78之间。当衬套84接触顶部接头86时，一个行程止挡起作用，如通过将图3和4对比所看出的。在另一端部处，衬套88伸入用作第二行程止挡的未看到的部件中。如在图1和2的实施例中一样地，单个环70或72的操作是相同的。例如，对于坐封，肩部90和94分别将相反定向的节段92和96推向彼此。节段92和96还可以选择地用作滑动件，如果它们在它们各自的外表面上具有搭接件（wicker）98和100。对于释放，释放工具（未示出）将部件76和78拉开，这导致节段92中的孔104中的径向延伸的凸部102在这些节段上拉动以使节段92相对于相反定向的节段96移动，以使得环72的直径被主动地拉下到较小的尺寸，从而可实现从周围管（未示出）的移除。本领域技术人员将会看出环72和70的工作原理相同，并且该系统是模块化的，可以根据需要容纳许多环。任何环的外表面上的搭接件是用于完成象滑动件一样的双重职能的选择。甚至在给定的环内，一些部件可以具有搭接件，而其他部件没有。注意到的是，在图1中的实施例中，使用了由节段30和34构成的单个环，节段30和34均具有用于径向延伸构件26或106的孔，以使得节段可以被拉开以用于释放。在图3和4的模块化设计中，仅环72中的节段92显示为具有穿过孔的径向延伸构件以施加用于释放的力，但是本发明设想构成环的所有楔形节段可以具有孔，通过这些孔将相反定向的节段拉到较小的直径以用于移除。

本领域技术人员将意识到的是，还可以起到滑动件组件功能的支承组件的优选位置在密封元件之间。当以这种方式工作时，来自于井压力的任何附加力不会在被环元件上的搭接件抓持的位置处将应力添加到周围管上。该优选的设计通过节段中的孔向相对的节段提供了主动施加的力，以使它们相对于彼此运动到直径较小的位置。节段鼻部运动所朝向的倾斜平坦部的使用在密封元件附近形成非常小的间隙，该密封元件位于相反定向的节段的平坦端部之间，所述相反定向的节段就位抵靠在径向表面上。结果，在360度的范围内没有用于挤压密封材料的空间，或者存在具有底切部的节段鼻部阵列，所述底切部平行于心轴部分上的渐缩的平坦部延伸以呈现出非常小的间隙，该间隙具有保持密封材料免于挤出的作用。该鼻部制成或加工成圆形形状，以使得即使它们抵接密封元件的端部，也不会对密封元件产生破坏或任何撕裂。

虽然支承组件的优选的设置是在密封元件之间，但是可以使用其他布置，诸如将支承组件放在密封元件的一个端部或两个端部上并且放在暴露于井压力和流体中的位置中。构成用于这些位置中的支承组件的一个或多个环中的节段还可以装备有搭接件，并且象为相邻密封元件提供抗圆周挤压保护以及该工具的锚定件的支承组件一样执行双重功能。还能想到的是，在坐封后承受井压力时需要支承件或保护部件免受挤压的其他工具也落入本发明的范围内。

在具有多个变型的替代性实施例中，目标在于当表面54运动远离密封件38时要将图2中诸如密封件38与诸如在坐封位置中打开的凹口52隔离开。当节段34运动远离密封件40时在密封件40附近出现相同的状态，只是密封件40附近的间隙与密封件38附近的间隙52在圆周方向上偏置。图6-8提出了一种分段式环200，其在图1中示出的推动表面20和48附近的位置处具有各个元件，诸如202和204。每个节段202和204在图6中所示的端部处通过埋头孔208中的紧固件206附接到图2中的诸如楔形滑动节段30上。每个楔形节段30具有顶表面210和相邻的下表面212。每个环节段202和204通过紧固件206紧固到表面212。环节段202和204的顶表面214和216优选地与滑动楔形节段30的顶表面210平齐。每个节段202和204可以优选地绕着紧固件206枢转。枢转动作可以在楔形节段30和36相对于彼此沿着诸如边缘鸠尾榫220轴向运动时产生。当由楔形节段30和36构成的环的直径增大时，环节段202和204上的内表面218呈现抵靠在相邻楔形节段30的表面222上。紧固件206提供一些转动运动，并且内表面218与表面222之间的接触点相对于楔形元件30和36的直径改变而滑动。

构成环200的各部件的组件在节段202与204之间具有间隙，使得环200的直径能够增大或减小。这些间隙或开口出现在表面212上方以避免边缘鸠尾榫220在布置有节段36窄端部的地方处在节段30的边缘处退出。该想法是使用表面212来锁闭诸如相邻密封件38的挤压路径。环节段202和204的相邻端部具有偏置的窄凸出部224和226以在插入位置和坐封位置中保持环200的连续性。在图7或8的坐封位置中，这些凸出部在圆周方向上连续叠置。在凸出部224和226上分别存在前渐缩部228和230。这些渐缩部用于在使节段202和204运动更靠近彼此的时候使推进抵靠表面212的任何橡胶移动成不挡道。引起节段202和204绕着它们各自的紧固件连接部枢转运动的表面218将渐缩部228和230之间的间隙保持到最小值。

优选地，节段30或36上的搭接件以让环200在图7或8的坐封位置中接近或接合周围管的方式接合周围管。当图7中的诸如心轴部件10被推动抵靠在图6中看到的顶表面210上并且环200直径增大以接近或接触周围管时，在管壁处几乎没有诸如挤出密封件38的间隙。重要地，当环节段202和204在周围管壁附近的周边处在相邻楔形节段30和36之间的过渡区上叠置时密封件38通向楔形节段30和36的相对运动边缘的通道被阻挡，图1中示出的诸如推动表面20叠置在环200的径向上更内侧的楔形节段30和36的端部。

应该指出的是在图6-8的设计中，图1中示出的斜面22和50是可选的并且可以省略。虽然已经针对楔形节段30和36的环的一侧讨论了这种设计的实施例，但是本领域技术人员将会意识到如果以镜像定向也可以应用于相对于密封件40的相对侧。不同是利用紧固件的固定将会进入节段36的宽部部分，而不是进入象相对端部所描述的并且在图6-8中所示出的节段30的宽部部分。

斜坡234可以在环节段202上定位成与斜坡228相对，以将密封件38的橡胶推出，该密封件已经推进到限定在斜坡228和236之间并且在楔形节段30的表面212上方的空间236中。

图9-12示出了一种稍微不同的设计。存在由节段302和304制成的分段式环300。存在间隔开的紧固件306和308，它们延伸到楔形节段30的顶表面310中。结果，象节段302和304和与每个节段紧固的楔形滑动件30之间一样，不存在相对转动。节段302具有底切部312和相邻的端部节段314，该端部节段314具有正方形或矩形的横截面。节段304具有l形切口316以在环300的直径变化时接纳节段314。表面320和322之间的间隙318在坐封位置中打开，但是该间隙在节段304上的表面324处具有底部。在坐封位置中，环外部尺寸部326接近周围管328或者与周围管328接触，如图12中所示。尽管在外部尺寸部326中存在一些小的间隙324，但是这些间隙由于节段302和304在间隙位置处叠置的特征而具有最小的体积。该特征使节段302与304之间的过渡位置在楔形节段36和边缘鸠尾榫330上方，因为外部尺寸部326到达管壁328导致鸠尾榫区域330与试图在该方向上挤压的密封件38的橡胶或其他材料隔离开。优选地，当环300的直径增大或减小时，节段302和304的端部与相邻节段314保持接触。

作为一个替代性方案，环200或300可以由单件式开口环制成，其中相对的两端具有正如上面所述的细节。使用开口环将消除针对环200描述的枢转特性，但是单件式设计在其他方面具有相同的功能。

上面的描述对优选实施例是说明性的，在不脱离本发明的范围的前提下本领域技术人员可以做出许多修改，本发明的范围由下面的权利要求的文字记载范围和等同范围来确定。

Claims (22)

1.一种用于由壁限定的井孔中的井下工具上的密封件的支承组件，包括：

能相对运动的至少第一心轴部件和第二心轴部件；

安装在至少一个心轴部件上的至少一个密封件；

多个连接起来的楔形节段，所述楔形节段安装到所述心轴部件，并且具有宽端部和在相对端部处的鼻部，所述楔形节段布置成至少一个楔形环形状并且能选择性地相对运动以利用朝向所述壁的径向增大而改变所述楔形环的直径；

阻挡环，所述阻挡环包括能够与所述楔形环一起朝向所述壁运动的至少一个环节段，所述阻挡环在所述壁附近呈现为用于所述密封件的阻挡。

2.根据权利要求1所述的组件，其中：

所述阻挡环包括具有开口部的开口环，所述开口部在所述环朝向所述壁运动时改变尺寸。

3.根据权利要求2所述的组件，其中：

所述阻挡环紧固到至少一个楔形节段，所述开口部布置在至少一个楔形节段的宽端部上方。

4.根据权利要求3所述的组件，其中：

所述阻挡环与至少一个楔形节段的邻近所述开口部的至少一个宽端部相结合而形成360度阻挡。

5.根据权利要求2所述的组件，其中：

所述开口部包括在所述环的直径改变时所述环的彼此叠置的端部。

6.根据权利要求5所述的组件，其中：

所述开口部位于楔形节段的鼻部上方；

所述环在至少一个位置处紧固到至少一个楔形节段的至少一个宽端部上。

7.根据权利要求6所述的组件，其中：

当所述楔形环直径增大时，所述环接合所述壁以在将所述密封件压缩抵靠在所述壁上时对所述密封件起到挤压阻挡的作用。

8.根据权利要求4所述的组件，其中：

当所述楔形环直径增大时，所述环接合所述壁以在将所述密封件压缩抵靠在所述壁上时对所述密封件起到挤压阻挡的作用。

9.根据权利要求1所述的组件，其中：

所述阻挡环包括多个环节段，所述多个环节段在每个环节段的相对端部处与相邻的环节段叠置，其中每个环节段紧固到楔形节段。

10.根据权利要求9所述的组件，其中：

每个环节段在单个位置处紧固到楔形节段的宽端部，以使得当所述阻挡环的直径改变时该环节段能够绕着所述单个位置枢转。

11.根据权利要求9所述的组件，其中：

相邻环节段的端部与楔形节段的宽端部叠置。

12.根据权利要求11所述的组件，其中：

当所述阻挡环改变尺寸时，相邻环节段的端部在沿圆周方向运动朝向彼此或远离彼此的同时在径向方向上彼此叠置。

13.根据权利要求12所述的组件，其中：

每个环节段枢转地紧固到楔形节段的一个宽部分，并且具有一个延伸到另一楔形节段的相邻宽端部的端部。

14.根据权利要求13所述的组件，其中：

所述环节段和位于所述环节段的所述端部下方的所述楔形节段的所述宽部分呈现对所述密封件的挤压的360度阻挡。

15.根据权利要求14所述的组件，其中：

当所述楔形环的直径增大时，所述阻挡环接合所述壁。

16.根据权利要求12所述的组件，其中：

所述端部具有前倾斜表面以使所述密封件的在所述密封件接合所述壁时已经在所述端部之间运动的任何部分远离下面的楔形节段的所述宽端部移动，以便于在所述阻挡环的直径减小时所述端部朝向彼此运动。

17.根据权利要求9所述的组件，其中：

每个环节段在多个位置处紧固至楔形节段的宽端部，以使得所述环节段在所述阻挡环的直径变化时不能绕着所述楔形节段枢转。

18.根据权利要求9所述的组件，其中：

每个环节段的端部延伸超出与环节段相紧固的楔形节段的所述宽端部的相对端部。

19.根据权利要求9所述的组件，其中：

相邻环节段的端部在所述阻挡环改变直径时在圆周方向上彼此叠置，以使得所述阻挡环保持360度连续。

20.根据权利要求19所述的组件，其中：

所述阻挡环在所述楔形环直径增大时与所述壁接触以保持也被压缩抵靠在所述壁上的所述密封件。

21.根据权利要求4所述的组件，其中：

所述楔形环具有搭接件，所述搭接件接合所述壁以支撑所述心轴部件。

22.根据权利要求9所述的组件，其中：

所述楔形环具有搭接件，所述搭接件接合所述壁以支撑所述心轴部件。

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