CN103732851A - 具有补偿机构的环状屏障 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种待在井管结构和井下井眼的内壁之间的环空中膨胀以在井眼的第一区域和第二区域之间提供区域隔离的环状屏障，该环状屏障包括：作为所述井管结构的一部分安装的管状部件，该管状部件具有纵向轴线；围绕该管状部件并限定出与该管状部件的内部流体连通的空间的可膨胀套筒，所述可膨胀套筒的每一端与该管状部件相连接；和用于使流体进入所述空间以膨胀该可膨胀套筒的开孔，其中该环状屏障还包括布置在位于该可膨胀套筒和该管状部件之间的空间中的补偿机构，该补偿机构具有腔室，布置在该腔室中的活塞将该腔室分成第一腔室部和第二腔室部，该第一腔室部与所述空间流体连通，且该第二腔室部包含气体。

Description

具有补偿机构的环状屏障

技术领域

本发明涉及待在井管结构和井下井眼的内壁之间的环空中膨胀以在井眼的第一区域和第二区域之间提供区域隔离的环状屏障。本发明还涉及一种井系统以及一种用于保持环状屏障内的压力的方法。

背景技术

在井筒中，环状屏障用于不同的目的，诸如用于提供对内管结构与外管结构之间的流动或内管结构与井眼内壁之间的流动的隔离/屏障。环状屏障作为井管结构的一部分安装。环状屏障具有由环形可膨胀套筒包围的内壁。该可膨胀套筒通常由弹性体材料制成，但也可由金属制成。套筒在其端部紧固到环状屏障的内壁。

为了密封在内管结构和外管结构之间或者井管结构和井眼之间的区域，使用第二环状屏障。第一环状屏障在待密封区域的一侧膨胀，第二环状屏障在该区域的另一侧膨胀，由此该区域被密封。

在膨胀时，环状屏障会受到来自外部的连续压力或周期性高压，所述压力或者呈在井环境中液压的形式，或者呈地层压力的形式。在一些情况下，这样的压力会导致环状屏障坍塌/塌陷/毁灭，这对环状屏障要密封的区域可能带来严重后果，因为由于坍塌会造成密封性能丧失。当可膨胀套筒通过例如加压流体膨胀时会出现类似的问题。如果流体从套筒泄漏，则背压会逐渐消逝，并且套筒自身会因此坍塌。

环状屏障的可膨胀套筒承受坍塌压力的能力因此受到很多可变因素的影响，这些因素诸如材料强度、壁厚、暴露在坍塌压力下的表面积、温度、井筒流体等。

在某些井环境中目前通过可膨胀套筒实现的坍塌等级不足以用于所有的井应用场合。因此，期望增加坍塌等级以能够在所有的井中使用环状屏障，特别是在生产和消耗期间暴露于高生产压差的井中。坍塌等级可通过增加壁厚或者材料强度来增加；然而，这将增加膨胀压力，如所提到的，这是不期望的。

发明内容

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种改进的环状屏障，其中环状屏障的坍塌等级增加以承受所要暴露于其中的井下环境。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过一种要在井管结构和井下井眼的内壁之间的环空中膨胀以在井眼的第一区域和第二区域之间提供区域隔离的环状屏障，该环状屏障包括：

–作为所述井管结构的一部分安装的管状部件，该管状部件具有纵向轴线；

-围绕该管状部件并限定出与该管状部件的内部流体连通的空间的可膨胀套筒，所述可膨胀套筒的每一端与该管状部件相连接；和

-用于使流体进入所述空间以膨胀该可膨胀套筒的开孔，其中该环状屏障还包括补偿机构，该补偿机构具有腔室，布置在该腔室中的活塞将该腔室分成第一腔室部和第二腔室部，该第一腔室部与所述空间流体连通，且该第二腔室部包含气体。

所述气体可以是氮气、氖气、氩气、氪气或氙气。

在一个实施例中，该补偿机构可布置在可膨胀套筒和管状部件之间的空间中。

通过在所述空间内设置补偿机构，来自第二腔室的气体的任何泄漏将导致气体积聚在由可膨胀套筒限定的所述空间内。通过保持任何泄漏的气体，所述气体将仍具有膨胀能力并因此平衡在所述空间中的压力以保持可膨胀套筒处于密封位置并确保环状屏障的密封能力。

在另一个实施例中，补偿机构可作为将可膨胀套筒与管状部件相连接的连接部的一部分布置。

另外，环状屏障可包括附加连接部，其中在该附加连接部中布置有第二补偿机构。

并且，补偿机构的腔室可以是环形的并围绕该管状部件。

补偿机构可具有若干腔室，所述腔室中布置有活塞。

所述多个腔室可沿管状部件的圆周间隔开。

另外，套筒的一端可固定地紧固到该管状部件，且另一端可滑动地紧固到该管状部件，并且含有气体的第二腔室部可布置成离该套筒的固定的连接端最近。

此外，第二腔室部可包括阀，该阀可从管状部件的内部接近，允许第二腔室部重新填充有气体。

而且，该活塞可包括用于将第二腔室部与该第一腔室部密封隔开的密封装置。

环状屏障还可包括环空压力补偿器，该环空压力补偿器包括缸，活塞布置在该缸中，该缸的第一端与环空流体连通，该缸的第二端与由可膨胀套筒限定的所述空间流体连通。

在一个实施例中，环空压力补偿器可集成在所述连接部之一中或者布置成与可膨胀套筒的壁相联接。

因此，由可膨胀套筒限定的空间内的压力可至少基本等于环空内的压力以保持该可膨胀套筒处于密封位置。

环状屏障还可包括将环空与由可膨胀套筒限定的空间流体连接的止回阀。

在一个实施例中，止回阀可集成在所述连接部之一中或在可膨胀套筒的壁中。

环状屏障还可包括结合止回阀的定向三通阀，该定向三通阀适用于控制从环空和从管状部件的内部进入所述空间的流体流。

此外，定向三通阀可集成在所述连接部中的一个中。

另外，定向三通阀的第一入口可与环空流体连通，定向三通阀的第二入口可与管状部件的内部流体连通，出口可与由可膨胀套筒限定的空间流体连通。

本发明还涉及一种包括井管结构和上面描述的环状屏障的井系统。

根据本发明的井系统还可具有一种工具，该工具包括隔离装置，该隔离装置在该开孔外侧隔离出所述管状部件的内部的一隔离部段，以对该内部的隔离部段加压并因此给所述空间加压来膨胀该可膨胀套筒。

该工具可进一步包括泵装置，用于泵送来自位于该隔离部段外侧的所述管状部件内部的流体并进入该隔离部段来膨胀该可膨胀套筒。

最后，本发明涉及一种用于保持上述的环状屏障内的压力的方法，包括以下步骤：

-膨胀该可膨胀套筒直至该可膨胀套筒抵靠该井眼的内壁起密封作用，和

-当井眼中的温度下降或升高时通过移动所述活塞和使该第二腔室部中的气体膨胀或收缩来平衡所述空间中的压力。

附图说明

下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其优点，所述示意图处于示例目的仅是出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了带有补偿机构的环状屏障在其未膨胀状态的截面图；

图2示出了图1中的环状屏障在其膨胀状态；

图3示出了图1中的环状屏障在其膨胀状态，同时该补偿机构已经平衡了与图2有关的压力；

图4示出了在竖直井中的环状屏障的另一实施例的截面图；

图5示出了环状屏障的又一个实施例的截面图；

图6示出了环状屏障和井系统的又一个实施例的截面图；

图7示出了环状屏障的又一个实施例的连接部的截面图；

图8示出了补偿机构的截面图；

图9示出了包括环空压力补偿器的环状屏障的一个实施例的截面图；

图10示出了包括止回阀的环状屏障的一个实施例的截面图；

图11示出了包括定向三通阀的环状屏障的一个实施例的截面图；和

图12示出了如图11所示的定向三通阀的一个实施例的截面图。

所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。

具体实施方式

图1示出了待在井管结构3和井下井眼5的内壁4之间的环空（环形空间）2中膨胀以在井眼5的第一区域8和第二区域12之间提供区域隔离的环状屏障1。管结构3可以是生产套管。环状屏障1包括作为井管结构3的一部分安装的管状部件6。管状部件6具有与井管结构3的纵向轴线同轴的纵向轴线14。环状屏障1包括可膨胀套筒7，该可膨胀套筒7包围该管状部件6且限定出与该管状部件6的内部23流体连通的空间13。可膨胀套筒7的每端9、10与该管状部件6相连接，一端固定地紧固到该管状部件并且另一端可滑动地紧固到该管状部件。

环状屏障1具有用于使流体进入所述空间以膨胀该可膨胀套筒的开孔11，该开孔11如此布置在管状部件6中，使得流体直接进入该空间。在另一个实施例中，该开孔可布置成使得流体从该管状部件的内部通过连接部15引入所述空间，该连接部15将可膨胀套筒7紧固到该管状部件。阀诸如单向阀也可设置在该开孔中，并且当该开孔位于该连接部中时，也可以使用双通阀或三通阀。可膨胀套筒通常通过从井口对井管结构3施加压力来膨胀，并且用这种方式每次使若干个环状屏障膨胀。

环状屏障还包括具有腔室17的补偿机构16，布置在该腔室内的活塞18将该腔室17分成第一腔室部19和第二腔室部20。第一腔室部19通过开口21与所述空间13流体连通，且该第二腔室部20包括气体例如氮气。这种气体也可以是氖气、氩气、氪气或氙气。该补偿机构16布置在位于该可膨胀套筒7和管状部件6之间的空间13中。

在图2中，环状屏障1已经通过对管状部件的内部施加压力而膨胀，并且流体现在流入该开孔以对该空间13施加压力来膨胀该可膨胀套筒7。当环空中的温度下降时，该空间中的压力可同样下降并因此地层压力和环空中的压力产生压力下降。因此，温度下降可能会导致可膨胀套筒局部坍塌，削弱其强度，并且使其坍塌的压力也称为坍塌压力也有所减小。为了避免这种压力下降并因此避免坍塌压力减小，补偿机构的活塞18向开口移动，如图3所示，这是由于第一腔室部19内部的压力具有与该空间13内的压力相同的减小的压力。第二腔室部20内的气体膨胀以平衡该第一腔室部和第二腔室部之间的压力差。用这种方式，补偿机构使流体向外流入所述空间内以平衡所述压力，直至其达到与温度下降前相同的水平。

当井眼内的压力升高时，由于第二腔室部中的气体收缩，所述活塞被迫移动以减小第二腔室部20、20B以平衡所述空间内的压力。

在图4中，环状屏障1布置在井的竖直部段中。第二腔室部20布置成离该可膨胀套筒7的固定连接端最近。通过在空间13中设置补偿机构且将第二腔室部20布置成离该可膨胀套筒的固定连接端最近，补偿机构16中气体40的任何泄漏将导致气体40在所述空间13的顶部积聚。通过将气体布置在顶部，气体将仍具有膨胀的能力并因此在环空中的流体温度下降期间平衡所述压力。

环状屏障1还可布置在井的水平段中，并且在这种情况下，气体将积聚在可膨胀套筒下面离井眼壁4最近，并且将以与图4中相同的方式具有膨胀的能力并因此平衡所述压力。

在图5中，补偿机构作为将可膨胀套筒7与管状部件6相连接的固定连接部24的一部分布置。这是由于这样的事实，即将可膨胀套筒与管状部件可滑动连接的可滑动连接部25在膨胀过程中移动并因此相对管状部件中的该开孔移动——如果开孔布置成与连接部相关联，因此，容许膨胀流体进入通过该连接部。该开孔的位置因此是任选的。

在图6中，环状屏障包括为可滑动连接部25形式的附加连接部，在附加连接部中布置有第二补偿机构16B。第二补偿机构16B包括腔室17B，布置在该腔室中的活塞18B将腔室17B分成第一腔室部19B和第二腔室部20B。第一腔室部19B通过开口21B与空间13流体连通，第二腔室部20B也包含气体例如氮气。该气体也可以是氖气、氩气、氪气或氙气。补偿机构16B布置在可膨胀套筒7和管状部件6之间的空间13中。

如图1-6中的截面图所见，腔室是环形的并围绕该管状部件。因此，第一腔室部19、19B和第二腔室部20、20B也是环形的，并且在所述腔室17、17B内移动的活塞18、18B是围绕该管状部件6的环形活塞。

在图7中，补偿机构16、16B具有沿管状部件和连接部15的圆周间隔开的多个腔室17、17B。活塞18、18B布置在各腔室17,17B中，将所述腔室分成第一和第二腔室部，如上面提到的。图7是连接部15的截面图，并且通过用若干个腔室代替仅一个环形腔室，连接部变得刚性更好且更结实，因此能够承受井下出现的压差和在下降井管结构以完井时的碰撞。

在图8中，示出了补偿机构的一个实施例。如见到的，活塞18、18B包括密封装置26，例如O型密封圈来将第二腔室部20、20B和第一腔室部19、19B密封隔开。第二腔室部包括阀27，其可从管状部件的内部23接近，以能够在需要的情况下在以后的阶段用气体再填充第二腔室部20、20B。所述阀可以是任一种合适的阀。

上面提到的用于保持环状屏障1内部压力的方法要求膨胀所述可膨胀套筒直至其密封井眼的内壁4，并随后当井眼中的温度下降或升高时，通过移动所述活塞18,18B并使第二腔室部中的气体膨胀或收缩来平衡所述空间内的压力。

在图9示出的实施例中，环状屏障包括环空压力补偿器50。环空压力补偿器50包括由连接部限定的缸51，活塞52可滑动地布置在该缸内。该缸的第一端511与环空流体连通，该缸的第二端512与由可膨胀套筒限定的空间流体连通。环空中的压力作用在第一活塞面521上以沿朝向缸的第二端512的方向推动所述活塞。反过来，所述空间中的压力作用在第二活塞面522上以沿相反的方向推动活塞。因此，如果作用在已膨胀环状屏障的一侧上的、所述空间中的压力和所述环空中的压力之间的压差超过了某一极限值，则朝向缸的第一端或第二端推动所述活塞，以补偿压力之间的差额。活塞可设计成使第一活塞面的面积和第二活塞面的面积基于特定的要求互相调整，以实现适当的补偿。例如，如果需要空间中的超压力，则环空中的压力作用在其上的第一活塞面521的面积可大于第二活塞面522的面积。

在图10示出的实施例中，环状屏障包括允许流体从环空流入由可膨胀套筒限定的空间中的止回阀。如图所示，止回阀安装在可膨胀套筒7中，然而，止回阀也可以集成在连接部24,25之一中。在图10中，仅示出了一个止回阀，然而，环状屏障可包括多个止回阀，允许流体从由环状屏障分隔开的第一区域8和第二区域12流入所述空间。

在图11示出的实施例中，环状屏障包括定向三通阀70，控制从环空以及从管状部件的内部进入所述空间的流体流动。在图12中进一步详细示出的定向三通阀包括：通过在固定连接部中的开孔241与环空流体连通的第一入口71；通过该管状部件中的开孔11与管状部件的内部流体连通的第二入口72；和通过导管242与所述空间13流体连通的出口73。在示出的实施例中，定向三通阀集成在该固定连接部中。然而，本领域技术人员应当想到所述定向三通阀可在不背离本发明的情况下以多种其它方式布置。

图12示出了具有两个入口71、72和一个出口73的定向三通阀。定向三通阀包括控制流向的止回阀74。流体可以从入口71、72流到出口73，但不能沿相反的方向流动。由此一来，流体可以从环空流入所述空间，但流体绝不会从所述空间流出——这将会减小所述空间中的压力并可能减小所述可膨胀套筒的密封性能。

可膨胀套筒7具有面向所述井眼的壁4的外表面。不同类型的密封件可布置在该外面上以增加可膨胀套筒对于所述井眼壁的密封能力。

如图6中看到的，本发明还涉及一种井系统100，其包括井管结构3和环状屏障1。该井系统100还包括工具29，该工具具有隔离装置30，隔离装置30在该开孔11外侧隔离出所述管状部件的内部23的隔离部段28，以对该内部23的隔离部段28加压并因此给所述空间13加压来膨胀该可膨胀套筒。该隔离结构30可以是可充气弹性体元件或金属封隔器。所述工具还包括泵装置31，用于将来自位于该隔离部段28外侧的该管状部件内部的流体泵入所述隔离部段28来膨胀所述可膨胀套筒7。该井系统还可具有若干环状屏障1。

该工具还可使用挠性管用于膨胀一个环状屏障的可膨胀套筒或同时膨胀两个环状屏障的可膨胀套筒。具有挠性管的工具可对井管结构内的流体加压，而无需将井管结构的一段隔离。然而，所述工具需要沿着井眼更深地堵塞井管结构以用于待操作的两个环状屏障。

在一个实施例中，所述工具包括含有加压流体的储存器，例如当用于膨胀所述可膨胀套筒的流体是水泥、气体或双组份复合物时。该空间13也可预先填充有某种类型的流体，例如硬化剂、水泥或类似物。

环状屏障也可称为封隔器或类似的可膨胀装置。井管结构可以是生产油管或套管，或者在井或井眼中的类似种类的井下管。环状屏障可用在井眼中的内生产油管和外管之间或者用在管和井眼的内壁之间。井可具有若干种管，并且本发明的环状屏障可被安装用于所有的管。

所公开的阀可以为能够控制流量的任何类型的阀，例如球阀、蝶阀、节流阀、止回阀或单向阀、膜片阀、膨胀阀、闸阀、球形阀、刀阀、针阀、活塞阀、夹管阀或旋塞阀。

可膨胀管状金属套筒可以为冷拔或热拔管结构。

当环状屏障1的可膨胀套筒7膨胀时，可膨胀套筒的直径从其初始未膨胀直径膨胀到较大的直径。可膨胀套筒7具有外径D并能够膨胀至比未膨胀的可膨胀套筒的直径大至少10%的较大直径，优选大至少15%的较大直径，更优选大至少30%的较大直径。

此外，可膨胀套筒7具有壁厚t，该壁厚比可膨胀套筒的长度L薄，该厚度优选小于该长度的25%，更优选小于该长度的15%，甚至更优选小于该长度的10%。

环状屏障1的可膨胀套筒7可由金属、聚合物、弹性体材料、硅树脂或天然或合成橡胶制成。

为了增加可膨胀套筒7的厚度，例如通过将焊接材料加到外表面上，可将附加的材料（未示出）施加到可膨胀套筒上。

在另一个实施例中，可膨胀套筒7的厚度通过将环形件紧固到该可膨胀套筒上来增加（未示出）。

在又一个实施例中，可膨胀套筒7的增加厚度通过使用变厚度的套筒（未示出）而变得容易。为了获得变化厚度的可膨胀套筒，可以使用诸如轧制、挤出或压模等技术。

用于使可膨胀套管膨胀的流体可为在工具和/或井管结构3周围存在于井眼内的任何类型的井筒流体。此外，流体可为水泥、气体、水、聚合物或双组分复合物，例如与结合剂或硬化剂混合或反应的粉末或颗粒。在将后来的流体注入管状部件和可膨胀套筒之间的空腔之前，部分流体诸如硬化剂可存在于该空腔内。

流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。

套管是指井下使用的与油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。

在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如Well。井下牵引器可具有位于从该牵引器的工具壳体伸出的臂上的轮子，或者用于在井中向前移动该牵引器的传动带。

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (15)

1.一种待在井管结构(3)和井下井眼(5)的内壁(4)之间的环空(2)中膨胀以在该井眼的第一区域和第二区域之间提供区域隔离的环状屏障(1)，该环状屏障包括：

-作为所述井管结构(3)的一部分安装的管状部件(6)，该管状部件具有纵向轴线；

-环绕该管状部件并限定出与该管状部件的内部流体连通的空间(13)的可膨胀套筒(7)，该可膨胀套筒的每一端(9、10)与所述管状部件相连接;以及

-用于使流体进入所述空间以膨胀该可膨胀套筒的开孔(11)；

其中该环状屏障还包括布置在位于该可膨胀套筒和该管状部件之间的空间中的补偿机构，该补偿机构具有腔室，布置在该腔室中的活塞将该腔室分成第一腔室部和第二腔室部，该第一腔室部与所述空间流体连通，且该第二腔室部包含气体。

2.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，该气体为氮气、氖气、氩气、氪气或氙气。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的环状屏障，其中，该腔室为环形且围绕该管状部件。

4.根据权利要求1或2所述的环状屏障，其中，该补偿机构具有若干个腔室，所述腔室中布置有活塞。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的环状屏障，其中，所述可膨胀套筒的一端固定地紧固到该管状部件，且所述可膨胀套筒的另一端可滑动地紧固到该管状部件，其中含有气体的第二腔室部布置成离该可膨胀套筒的固定的连接端最近。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的环状屏障，其中，该第二腔室部包括阀，所述阀可从该管状部件的内部接近，允许用气体重新填充该第二腔室部。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的环状屏障，其中，该活塞包括用于将该第二腔室部与该第一腔室部密封隔开的密封装置。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的环状屏障，其中，还包括具有缸(51)的环空压力补偿器(50)，在该缸(51)中布置有活塞(52)，该缸的第一端(511)与该环空流体连通，该缸的第二端(512)与由该可膨胀套筒限定的空间流体连通。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的环状屏障，其中，还包括将所述环空与由可膨胀套筒限定的空间流体连接的止回阀(60)。

10.根据权利要求9所述的环状屏障，其中，该止回阀集成在所述连接部之一中或在该可膨胀套筒的壁中。

11.根据权利要求9所述的环状屏障，包括结合所述止回阀的定向三通阀(70)，该定向三通阀适用于控制从该环空和从该管状部件的内部进入所述空间的流体流。

12.一种包括井管结构和根据权利要求1-11中任一项所述的环状屏障的井系统。

13.根据权利要求12所述的井系统，还具有工具(29)，该工具包括隔离装置(30)，该隔离装置在该开孔(11)外侧隔离出所述管状部件的内部(23)的一隔离部段(28)，以对该内部(23)的隔离部段(28)加压并给所述空间(13)加压来膨胀该可膨胀套筒（7）。

14.根据权利要求13所述的井系统，其中，该工具还包括泵装置(31)，用于将来自位于该隔离部段(28)外侧的所述管状部件内部的流体泵入该隔离部段(28)以膨胀该可膨胀套筒。

15.一种用于保持根据权利要求1-10中任一项所述的环状屏障内的压力的方法，包括以下步骤：

-膨胀该可膨胀套筒直至该可膨胀套筒抵靠着该井眼的内壁起密封作用，和

-当井眼中的温度下降或升高时通过移动所述活塞和使该第二腔室部中的气体膨胀或收缩来平衡所述空间中的压力。

Images