CN103348092A - 具有芯轴底切部及密封增强部件的能够膨胀的封隔器 - Google Patents

Abstract

裸井封隔器利用芯轴膨胀及周围的密封元件，密封元件可根据情况具有膨胀性能，该封隔器的环还具有密封增强性能，环的内部锥形部位与芯轴外部上的底切部相匹配，从而可提高密封性能。当管子修整器行进到环和伸展的平坦指状物之间的过渡区上的锥形部位时，指状物在径向朝外的方向上塑性变形，以推出密封元件。芯轴由于径向膨胀而轴向收缩，从而，指状物下方的芯轴外表面上的环起到支撑件的作用，用于朝密封件支撑住指状物，从而朝裸井推动密封件。也可考虑采用镜像定位，可助于保持相对方向上的压差。另一外部芯轴环伸展到密封件上，以在发生压差载荷期间保持密封件位于该位置上。

Description

具有芯轴底切部及密封增强部件的能够膨胀的封隔器

技术领域

本发明的技术领域涉及能够膨胀的裸井封隔器，尤其是用于膨胀处理的封隔器，可增加密封接触压力，使用外加压差来提高密封力。

背景技术

封隔器安装在管柱上，必须穿过已存在的管件上的窄间隙到达布置封隔器的位置上。在某些情况下，已存在的管件（封隔器必须穿过该管件）的偏移直径和预定尺寸之间的尺寸差异很大，以致很难达到稳定的密封效果。芯轴膨胀时可达到膨胀的管件的边界。能够膨胀的封隔器的一些实例可参照以下专利文献：USP6959759、USP6986390、USP7051805和USP7493945。

一些设计结构在具有井产流体（如水或烃）的情况下依靠元件膨胀来进行密封，例如这些结构的实例可参照下列专利文献：7387158、7478679、7730940、7681653、7552768、7441596、7562704、7661471。在一些这样的设计结构中，刚性和最终的接触压力降低，可通过膨胀引起的外加轴向压缩力来补偿（如USP7552768所示），或之后通过压差补偿（如USP7392841）。通过膨胀进行密封是耗时的过程，这意味着，在完井过程中，如果在执行其他步骤之前必须通过膨胀达到密封条件，那么会消耗大量的附加操作成本。

一些设计结构依靠芯轴轴向收缩来将轴向推力施加给正在径向膨胀的密封件端部，如专利文献USP7431078号所示。

其他设计结构涉及使用封隔器皮碗，其可运行到其他管件中，然后在大井眼中向外弯曲以进行密封。这些设计结构在运行期间可能会被损坏，这样可能会破坏结构的密封性能。如果不抽吸井或如果不对行进到井中的过程中所经过的地层加压，内在设计结构会限制其运行到井眼中或从井眼中移出的速度。

一些设计结构利用管件膨胀与外环相组合，外环相互移动以扩大封隔器在井眼中的范围，如专利文献USP7661473所示。这种设计结构也可选择性地使用膨胀材料44作为密封材料。膨胀增强机构沿密封元件的长度行进，由于使用斜面结构，因而，当在径向上仅有限地增强芯轴的潜在机械膨胀时，可扩大初始尺寸。

美国专利公开20050000697号中描述了一种井底波纹管技术，可让随后的膨胀更灵活。美国专利公开20100314130号中描述了一种技术：使用内部封隔器，将管子修整器驱动到封隔器中以朝井壁膨胀密封件。

本发明所需提供的其他特征之一是，能充分利用芯轴的膨胀力使连接到环上的指状物进行转动。指状物向外弯曲，使密封元件朝井壁运动，从而提高密封接触性。指状物能够独立地弯曲，以将密封件推出以适配于周围井壁，该井壁不一定是圆形的，可以是椭圆形或不规则形状。芯轴的特征在于具有外环，芯轴由于其膨胀而收缩，因而弯曲指状物下方的所述外环升高，进一步朝密封元件支撑指状物，从而可保持密封。环和指状物结构可让流体进入密封元件端部下方，进一步助于朝井壁（该井可以是裸井）推动密封元件。另一环从芯轴外部伸展到密封元件上，以固定住密封元件以免受到由于压差所致的滑动力的影响。也可采用其他选择方案，例如，让环与指状物成镜像定位，以提高密封性，以免受到来自于密封组件上方或下方的压差影响。所述环本身可以是挤制的阻挡件，并可作为密封件能够延伸所述指状物及其基部环的长度的另一种选择。通过阅读优选实施例的描述以及相关附图，本领域的普通技术人员将能更充分理解本发明的各方面，同时也能意识到本发明的整个范围由所附权利要求书决定。

发明内容

裸井封隔器利用芯轴膨胀及周围的密封元件，密封元件可根据情况具有膨胀性能，该封隔器的环还具有密封增强性能，环的内部锥形部位与芯轴外部上的底切部相匹配，从而可提高密封性能。当管子修整器行进到环和伸展的平坦指状物之间的过渡区上的锥形部位时，指状物在径向朝外的方向上塑性变形，以推出密封元件。芯轴由于径向膨胀而轴向收缩，从而，指状物下方的芯轴外表面上的环起到支撑件的作用，用于朝密封件支撑住指状物，从而朝裸井推动密封件。也可考虑采用镜像定位，可助于保持相对方向上的压差。另一外部芯轴环伸展到密封件中，以在发生压差载荷期间保持密封件位于其位置上。

附图说明

图1是指状环的透视图，此时指状环在芯轴膨胀之后位于支撑位置上；

图2是封隔器处于运行位置时的截面图；

图3是图2的封隔器在膨胀已经开始之后的截面图；

图4是图3的封隔器在施加压差载荷之前、膨胀结束时的截面图；

图5是图4的封隔器在从上方施加压差时的截面图；

图6示出了镜像布置结构，这种结构可抵抗相对方向上的压差而增强密封力；

图7是处于运行位置时指状环的外部透视图；

图8示出了图2中所示的处于运行位置的封隔器的替换实施例；

图9是图8所示的处于设定位置上的封隔器的视图，此时从下方施加压差；

图10是图6所示结构的替换视图，该图中示出了固定键槽。

具体实施方式

图2示出了一个实施例中的封隔器组件10的元件。芯轴12具有锥形部位14，锥形部位形成芯轴12的外表面上的底切部15。支撑环16是一种在开始位置具有开口环18的组件，开口环可允许组件16在芯轴12上滑动并如图所示那样定位在芯轴12上，可将开口环18封底焊成紧密结合的环形结构并被固定到芯轴12上。可供选择地，支撑环可在芯轴上滑动，然后在锥形部位14处机械变形，从而，指状物在底切部15上齐平。组件16具有交替布置的指状物20和22，如图1最清楚所示。指状物22具有端部元件24，该端部元件横跨间隙26。所述间隙具有圆整的低端28，从而可消除聚集在环18、指状物20和22之间的过渡区中的应力。环18和指状物20、22之间具有锥形过渡区28。在该实施例中，密封元件30在端部32处覆盖指状物20和22。位置34表示密封元件30和芯轴12之间的接合端部。周向环36在底切部15内侧从芯轴12的外表面38伸展。在运行到合适位置上的情况下，周向环36与指状物20和22的下端40分离。芯轴12径向膨胀将使芯轴12纵向收缩，从而使环36位于指状物20和22的端部40下方。在芯轴由于其从内部径向膨胀而轴向收缩的过程中，指状物22的各端部24起初将接触环36。另一环42在底切部15上从所述外表面38延伸直到接触密封件30。环42更多的作用是，通过外加压差将密封件30固定在设定位置上，环42还具有一些益处：阻断密封件30和芯轴12的外表面38之间的流体泄露通道。尽管为了进行说明图中示出了一个环36或42，但是，可增加其他环或甚至采用其他形状或分段式环。

环18的偏移尺寸至少与插入的密封元件30一样大，这样就能保护密封元件30。

与图2相比，图3示出了管子修整器推进而使界定底切部15的锥形部位14逐渐消失时所出现的状态。所出现的状态是，指状物20和22在过渡区28处塑性变形，从而，悬臂式指状物20和22的自由端40远离芯轴12，从而在芯轴12和端部40之间界定暂时的间隙44，这样可达到如下效果：当已经发生塑性变形的端部40正朝井壁48推动形成在密封元件30上的凸出部46时，会让密封元件30弯成拱形。根据裸井（封隔器组件10正在该裸井中膨胀）的形状，一些指状物20或22相对于其他指状物来说移动量较大。在图3中请注意：芯轴由于径向膨胀而纵向收缩，引起环36轴向移动，从而，此时环36正位于指状物20和22下方。位置34表示，在此处，密封件30突然停止接合到芯轴12上。请注意：在膨胀芯轴12的过程中，环18被膨胀或不发生上述效应。

图4示出了膨胀已经结束、不存在外加压差的状态。底切部15被消除。环18的底侧50不再具有图2所示位置上的锥形部位。芯轴12具有收缩配置的环36，其位于指状物20和22下方，在端部40左侧。端部40如悬臂似地向外伸出至接触密封元件30，从而朝裸井井壁48挤压该密封元件。通过比较图7的操作状态和图1的膨胀状态，可以看出，由于膨胀的原因，指状物20和22之间的间隙26扩大。进一步朝密封元件30推动环42，以固定住该密封元件以免所述密封元件响应于外加压差而发生轴向运动，另外也可提高阻挡泄露通道的能力，该泄露通道在密封元件30和芯轴12的外表面38之间开始。此时，在膨胀过程中，指状物20和22已经初步地塑性变形，从而朝密封元件30推动端部40，直到密封元件30紧靠井壁为止，之后，芯轴12使环36升高而使其重新接触此刻已经绕锥形区域28处的轴线弯曲而产生塑性弯曲的指状物20和22。由于膨胀的原因，芯轴12的直径增加，也增加了环36的高度和指状物20或22的厚度，此时，环36、指状物20或22、芯轴12均支撑密封元件30使其接触井壁48。

如图5所示，箭头52表示压差从上方进入间隙26（如图1所示）中，一直到达位置34处，在位置34处密封件停止接合到芯轴12上。实质上，长凹口54形成在密封元件30的端部处，从而，在阻挡来自井上方的压差的过程中，密封元件30的端部可对着来自于井上方的压差（箭头52所示）向上面向封隔器皮碗。请注意：在图2所示的运行位置上，密封元件30收缩到底切部15中，另外，相对于密封元件30至少径向向外伸出的环18也保护密封元件30，因此，在输送封隔器皮碗过程中出现的受损问题通常会被避免。环42防止密封元件30在箭头52所示的载荷下发生偏移。成镜像的组件10'（如图6最清楚所示）的指状物（如附图标记20'或22'所指示）的端部部分40'也在图5中示出。

支撑环18起初是开口的，以使支撑环18装配在芯轴12上，支撑环18具有凹槽19，使凹槽19装配在键21上就可轴向固定支撑环18。可以交换键和凹槽的位置。在存在箭头52所示的压差的情况下，芯轴在井壁48内绕环18膨胀之后，该压差将很可能穿过环到达任何间隙中。

图6示出了成镜像定位的两个组件10和10'。在该视图中，示出这两个组件位于运行位置上，但是，在与图5中的箭头52的方向不同的设定位置上或与箭头52相对方向上，所示的一个端部具有图5所示的密封元件30的形状结构，但是，由于压差方向不同，其定位相反。本质上，带有一个朝向井口的上端尖头与带有一个朝向井底的下端尖头的相对封隔器皮碗的性能相似。尽管示出密封元件30在相对组件的指状物20，22和20'，22'上是连续的且与指状物之间存在间隙，但是，本领域的普通技术人员件能意识到，密封元件30也可以是分段式的，根据情况可让这些段朝所示组件10或10'的端部40或40'伸展，如图8和9更清楚所示。

图8示出了组件10"的操作位置，除了密封元件30"在端部40"附近或端部40"处终止以外，组件10"具有如前所述的指状物20"和22"。在该结构中，环18"被密封元件30"覆盖，环18"被密封元件30"全部覆盖，从而环18"起到挤压阻挡层的作用，或至少起到稳定环的作用，可防止密封元件30"轴向偏移。在芯轴12"的膨胀期间，组件10"如前述那样响应。底切部15"被消除，指状物20"和22"在过渡区28"附近塑性弯曲，从而密封元件30"接合井壁48"。在所示的实施例中，在箭头56所示方向上的压差载荷可让组件类似于扩展的封隔器皮碗那样运行。其他组件可作为备用装置在相同方向上对齐；或者，所述其他组件成镜像定位，从而通过相对方向上压差被激活。本领域的普通技术人员也将能意识到，在图6所示的实施例中，在指定方向上可具有一个组件或在同一方向上具有多个组件。

所示出的组件具有较低的保护轮廓，在运行期间，由于密封元件缩回到底切部中，因而，带有伸展的指状物（指状物之间界定间隙）的环结构保护密封元件。当交替布置的指状物覆盖相邻指状物端部时，该间隙在悬臂式端部处被关闭。环和指状物结构上的锥形过渡区可使指状物朝周围的密封元件发生塑性变形，从而紧靠着井壁固定住密封元件。让环定位在指状物下方以朝密封元件支撑指状物端部，这样可加强这种支撑作用。密封增强组件在被安装在密封元件端部上时也可允许井流体到达密封元件端部下侧。这种元件是膨胀元件的情况下，当致动流体（如水或烃）完全包围密封元件端部时，可提高膨胀效果，从而提高密封效果。在膨胀期间，指状物之间的间隙扩大，这样也可促使这种流体暴露出来，从而，不仅提高膨胀效果，而且还增强密封力（该密封力由传送在芯轴和密封元件之间的压力产生），从而可让密封元件具有封隔器皮碗的操作特性，而不会对这种密封件的下侧产生不利影响，例如，压差容许公差小，运行期间以及井中抽吸过程中造成的损害消失。所示的设计结构可迅速地密封，而不必如前述结构那样需要耽搁其他程序来等候膨胀之后才能进行密封。与过去使用的轴向定位弹簧系统不同，可从密封元件下方来增强密封力。膨胀过程和指状环结构可让封隔器皮碗具有类似于环形元件的特性。由于使用底切部，在运行期间可通过指状环组件的环保护密封元件。底切部与所述环和指状物之间的过渡区上的锥形部位相接合，使得指状物发生塑性枢转变形，从而压出密封元件。由于芯轴膨胀而使其轴向收缩，引起支撑环运动到合适位置上，从而可进一步促进这种塑性枢转运动。可以考虑采用成镜像的组件以及密封元件，密封元件终止于指状物端部处，组件可具有支撑件，膨胀期间由于芯轴轴向收缩可让支撑件移动到合适位置上，或者也可根据情况省掉该支撑件。固定装置也可从芯轴伸展到密封元件中，以助于轴向固定并将密封元件和芯轴之间的泄露通道减小到最小。覆盖指状物的密封元件端部不接合到指状物或芯轴上，这样可便于流体流入密封元件下方以增强密封力。密封元件可根据情况膨胀以提高密封性。也可考虑在同一方向上设置多个组件以达到备用目的。输送芯轴的整个管柱不需膨胀，而是仅芯轴充分膨胀以足以达到本发明所需的密封效果。可供选择地，用于输送的管柱的一部分或整个管柱通过能够膨胀的封隔器部分可膨胀到井壁上。因为紧靠井壁的密封元件将覆盖位于密封元件下方的任何管接头，因而在膨胀之后这些管接头仍不需密封。

上面的描述阐释了优选实施例，在不违背本发明的情况下，本领域的普通技术人员可作出许多改进，本发明的范围由下面的权利要求书的字面及等同范围界定。

Claims (20)

1.一种用于地下井眼的封隔器，该井眼由井壁界定，该封隔器包括：

能够膨胀的管状壳体；

密封元件，当所述壳体膨胀时，该密封元件包围所述管状壳体并接合井眼；

至少一个密封力增强装置，其位于所述壳体上对所述密封元件产生作用，该密封力增强装置位于所述密封元件和所述壳体之间，从而可独立于所述壳体的膨胀而朝井壁推动所述密封元件；

所述密封力增强装置至少部分地位于底切部中，所述底切部由所述壳体的外表面形成，其中，所述底切部的膨胀致动所述密封力增强装置。

2.根据权利要求1的封隔器，其中，

所述密封力增强装置的一部分不被密封元件覆盖，在所述壳体膨胀之前，不被密封元件覆盖的所述部分至少径向延伸至所述密封元件那样远的程度。

3.根据权利要求1的封隔器，其中，

所述壳体膨胀之前，所述密封元件局部伸展到所述底切部中。

4.根据权利要求1的封隔器，其中，

借助于所述壳体的膨胀，所述底切部被消除。

5.根据权利要求1的封隔器，其中，

所述至少一个密封力增强装置还包括至少一个悬臂式构件。

6.根据权利要求5的封隔器，其中，

所述悬臂式构件包括多个悬臂式指状物，它们从绕所述壳体安装的环基本上轴向伸展。

7.根据权利要求6的封隔器，其中，

所述指状物之间界定轴向间隙；

所述指状物具有叠置的自由端以关闭所述间隙。

8.根据权利要求6的封隔器，其中，

所述指状物通过锥形过渡区连接到所述环上，从而，所述壳体的膨胀使所述壳体接合所述过渡区，这样就迫使所述指状物绕所述过渡区朝所述密封元件塑性地转动。

9.根据权利要求8的封隔器，其中，

所述锥形过渡区靠近所述底切部的端部。

10.根据权利要求6的封隔器，还包括：

支撑构件，其位于所述壳体和所述密封元件之间，所述支撑构件能够从与所述指状物的自由端间隔一定轴向距离的初始位置移动到位于所述指状物的所述自由端和所述环之间的第二位置。

11.根据权利要求10的封隔器，还包括：

所述壳体径向膨胀致使所述壳体纵向收缩，从而，所述支撑构件朝所述悬臂式构件移动。

12.根据权利要求11的封隔器，还包括：

所述支撑构件位于所述壳体和所述密封元件之间，且能够从与所述指状物的自由端间隔一定轴向距离的初始位置移动到位于所述指状物的所述自由端和所述环之间的第二位置。

13.根据权利要求12的封隔器，还包括：

所述支撑构件包括位于所述壳体外表面上的至少一个连续环或位于所述壳体外表面上的分离的区段。

14.根据权利要求12的封隔器，还包括：

所述密封元件仅固定到所述壳体的某位置上，该位置与所述支撑构件隔开；

通过所述密封力增强装置朝井壁推动所述密封元件的不被固定到所述壳体上的端部，所述密封力增强装置允许加压的井内流体进入所述壳体和所述密封元件之间，从而增强从所述密封力增强装置朝井壁的推进。

15.根据权利要求1的封隔器，其中，

所述壳体还包括至少一个固定构件，该固定构件伸展到所述密封元件中以将所述密封元件轴向固定到所述壳体上。

16.根据权利要求1的封隔器，其中，

所述至少一个密封力增强装置包括相互成镜像布置的相对的密封力增强装置，或包括以相同方向定位的对齐的密封力增强装置。

17.根据权利要求5的封隔器，其中，

所述密封元件具有靠近所述悬臂式构件的自由端的端部。

18.一种用于地下井眼的封隔器，该井眼由井壁界定，该封隔器包括：

管状壳体；

环绕所述管状壳体的密封元件；

至少一个密封力增强装置，其位于所述管状壳体上对所述密封元件产生作用，该密封力增强装置位于所述密封元件和所述壳体之间，从而朝井壁推动所述密封元件；

所述密封力增强装置至少局部位于形成在所述壳体的外表面上的底切部中；

所述至少一个密封力增强装置还包括至少一个悬臂式构件；

所述密封元件具有靠近所述悬臂式构件的自由端的端部；

所述密封元件至少完全覆盖所述密封力增强装置；

所述壳体的膨胀使所述悬臂式构件远离所述管状壳体弯曲以使所述密封元件朝井壁移动，同时留有间隙以让加压的井内流体进入所述壳体和所述悬臂式构件之间，从而提高朝向井壁的密封力。

19.根据权利要求8的封隔器，其中，

通过所述环的膨胀或不通过所述环的膨胀，所述指状物塑性转动。

20.根据权利要求6的封隔器，其中，

所述环被轴向地限制到所述芯轴上。

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