CN103874824A - 用于环形屏障的密封材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形屏障，该环形屏障用于在井下井眼或井下套管中的第一区域和第二区域之间提供区域隔离，该环形屏障包括管状部件和由金属制成的围绕所述管状部件的可膨胀元件，该环形屏障具有周长、纵向延伸长度和外表面，并且还包括具有密封材料的环形密封件，所述密封材料围绕环形屏障的外表面延伸并具有一束绳线，其中至少一根绳线包含石墨和/或碳。

Description

用于环形屏障的密封材料

技术领域

本发明涉及一种用于在井下井眼或井下套管中的第一区域和第二区域之间提供区域隔离的环形屏障。本发明还涉及一种井下系统和一种方法。

背景技术

井下环形屏障或封隔器通常包括外部密封材料如弹性周向环，从而改进所述环形屏障在膨胀以抵接套管或井眼的内壁时的密封能力。

当使环形屏障或封隔器膨胀时，密封材料相应地膨胀，从而密封能力降低。此外，该弹性材料的密封能力在承受井下恶劣环境如高温和高压及不同种类的酸时降低。

环形屏障可以在许多年内为完井的一部分而不膨胀，而弹性密封件连续承受恶劣环境并随时间分解和因而劣化。这意味着，当所述环形屏障最终膨胀时，弹性材料可能已失去密封能力。

发明内容

本发明的一个目的是完全地或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更具体地，本发明的一个目的是为环形屏障提供改进的环形密封件，其能够在约10至20年时间内承受井下恶劣环境如高温、高压和酸。

将从下文的描述中变得显而易见的上述目的连同数个其他目的、优点和特征通过根据本发明的解决方案来实现，即通过用于在井下井眼或井下套管中的第一区域和第二区域之间提供区域隔离的环形屏障来实现，所述环形屏障包括管状部件和由金属制成的围绕所述管状部件的可膨胀元件，所述环形屏障具有周长（周面）、纵向延伸长度和外表面，并且还包括具有密封材料的环形密封件，该密封材料围绕环形屏障的外表面延伸并具有一束绳线，其中至少一根绳线包含石墨和/或碳。

在一个实施例中，可膨胀元件可以是围绕管状部件的可膨胀套筒并可以与管状部件相连接。

此外，可膨胀元件可以是围绕所述管状部件延伸的一个或多个可膨胀管。

此外，所述绳线可包含至少30%的石墨和/或碳、优选至少50%的石墨和/或碳、更优选至少75%的石墨和/或碳、甚至更优选至少90%的石墨和/或碳。

此外，每根绳线可包含石墨和/或碳。

在一个实施例中，密封材料可以覆盖小于60%的所述外表面、优选小于40%的所述外表面、更优选小于30%的所述外表面。

另外，环形密封件可围绕环形屏障的外表面延伸。

此外，环形密封件的截面形状可以大致是三角形、方形、五边形、六边形或具有更多侧边的形状。

此外，密封材料可围绕环形屏障的外表面缠绕x圈，其中x>1.0。

x可以在1.0和2.0之间、优选在1.1和1.7之间、更优选在1.2和1.5之间。

另外，环形密封件可以具有细长的形状和两个端部。

在一个实施例中，当从纵向延伸长度看时，所述端部可以交叠。

此外，环形密封件可围绕外表面按圈并排布置。

此外，所述圈可围绕所述外表面并排布置，而各圈之间没有任何材料。

此外，环形屏障可包括数个环形密封件。

另外，所述交叠部分可以在环形屏障的周长的至少10%上、优选周长的至少15%上、更优选周长的至少30%上、甚至更优选周长的至少40%上延伸。

此外，所述绳线可彼此抵接。

此外，束和/或绳线可涂覆有选自由金属、聚合物、聚四氟乙烯和橡胶或者它们的组合所组成的组的第二材料。

另外，绳线可以围绕彼此扭绞、编织或可形成纱线。

此外，绳线可以包围一芯部。

本发明还涉及一种上述的环形屏障，其中，用于作为井管结构的一部分安装的管状部件具有纵向轴线，并且围绕该管状部件的可膨胀套筒限定出与管状部件的内部流体连通的空间，可膨胀套筒的每一端与管状部件连接，其中所述环形屏障还包括用于使流体进入空间以使套管膨胀的开孔。

在一个实施例中，可膨胀套筒可以由金属制成。

在另一实施例中，所述开孔可布置在所述管状部件中。

在又一实施例中，环形屏障可以是布置成抵靠井管结构的内表面密封的封隔器。

上述环形屏障还可在所述外表面和环形密封件之间包括粘合剂。

本发明还涉及一种井下环形密封件，其包括：

-具有至少一根包括石墨和/或碳的绳线的密封材料。

另外，本发明涉及一种井下系统，其包括井管结构和至少一个上述的环形屏障，其中，所述环形屏障包括作为井管结构的一部分安装的管状结构。

上述井下系统还可具有包括隔离装置的工具，该隔离装置隔离位于管状部件内部的、开孔外部的被隔离部分，从而为内部的被隔离部分及空间加压，以使所述可膨胀套筒膨胀。

所述工具还可包括泵送装置，所述泵送装置用于从所述管状部件的位于被隔离部分外部的内部泵送流体到被隔离部分中，以使可膨胀套筒膨胀。

另外，本发明涉及一种用于制造上述环形屏障的制造方法，该方法包括以下步骤：

-围绕环形屏障的外表面缠绕密封材料，以形成环形密封件，和

-通过在密封材料和环形屏障的外表面之间提供粘合剂而紧固密封材料。

本发明还涉及一种在套管或井眼中提供环形屏障的实施方法，该方法包括以下步骤：

-将环形屏障插入套管或井眼中，使该环形屏障围绕所述外表面具有x圈密封材料，其中x>1.0，和

-使环形屏障膨胀，使得该环形屏障围绕外表面具有y圈密封材料，其中y<x。

在本实施方法的一个实施例中，x可以是>1.5和y可以是>1.0。

当使环形屏障膨胀时，所缠绕的密封材料自己松开，并因此使松开的密封材料具有y圈。

在另一实施例中，所述环形屏障可以从第一直径膨胀到第二直径，所述第二直径大于所述第一直径。

最后，密封材料可以在环形屏障膨胀之前和之后具有大致相同的长度。

附图说明

下面将参考所附的示意图更详细地说明本发明及其许多优点，其中为了说明的目的，示意图仅示出一些非限制性的实施例，其中：

图1示出根据本发明的处于未膨胀状态下的环形屏障，

图2示出处于膨胀状态下的图1的环形屏障，

图3示出环形屏障的另一实施例，

图4示出环形屏障的又一实施例，

图5示出图4的局部放大视图，其中所述环形屏障未膨胀，

图6示出图4的局部放大视图，其中所述环形屏障已膨胀，

图7a-11b以剖视图和侧视图示出环形密封件的不同实施例，和

图12示出井下系统。

所有附图都是高度示意性的、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和图2示出用于在井眼20中的第一区域2与第二区域3之间提供区域隔离的环形屏障1。环形屏障1也可设置成在井下套管中（例如当将生产套管布置于中间套管之内时）的第一区域2与第二区域3之间提供区域隔离。环形屏障1具有外表面5和从未膨胀的第一直径变成膨胀的第二直径的周长。环形屏障包括数个环形密封件4，每个密封件由具有绳线8的束7的密封材料6制成，其中至少一根绳线包含石墨和/或碳。每根绳线包含至少30%的石墨和/或碳、优选至少50%的石墨和/或碳、更优选至少75%的石墨和/或碳、甚至更优选至少90%的石墨和/或碳。这样，环形屏障的密封件可以在井下承受例如高达650℃的非常高的温度和例如高达450bar的高压。石墨或碳制成的密封件还能够承受热蒸气或其他气体、碱和酸，例如硫磺和氮化物。已知的弹性密封件在它们分解、溶解或断裂之前不能较长时间、如在10至20年的时间跨度上承受这样恶劣的井下条件。

图1的环形屏障包括用于作为井管结构10的一部分安装的管状部件9，该管状部件具有纵向轴线11并作为用于例如生产套管的井管结构10的一部分安装。环形屏障1具有可膨胀元件，其在图1中是围绕管状部件并限定出与管状部件的内部14流体连通的空间13的可膨胀套筒12。可膨胀套筒的每个端部15、16在连接部件17中与管状部件相连接，管状部件具有用于使流体进入空间13从而使套管膨胀的开孔18。一个端部15与管状部件9可滑动地连接，在连接部件17的沟槽21中布置有密封件19，另一端部16与所述管状部件9固定地连接。下面，环形屏障将作为具有刚描述的可膨胀套筒和管件的环形屏障进行描述，但环形屏障也可以是布置在第一管件22和第二管件23之间的封隔器，如图3所示，其中突出部24将环形密封件4压靠在第二管件23的内表面25上。

如图1中可见，对于一个环形密封件4而言，环形密封件的密封材料围绕环形屏障的外表面延伸。环形密封件具有细长的形状和两个端部27、28，并且所述端部交叠，使得环形密封件4的一个端部27布置成与另一端部28相对。密封材料围绕环形屏障的外表面缠绕x圈，其中x>1.0。如果端部27、28面向彼此，则x是1.0，如果环形密封件4的一个端部27布置成与另一端部28相对并且至少部分围绕外表面地位于两层中，则x>1.0。在图1中，环形屏障位于其未膨胀位置，并且x在1.0和2.0之间、优选在1.1和1.7之间、更优选1.2和1.5之间。当环形屏障处于其未膨胀状态时，交叠部分在环形屏障的周长的至少10%上、优选在周长的至少15%上、更优选在周长的至少30%上、甚至更优选在周长的至少40%上延伸。交叠的程度取决于环形屏障的外径在膨胀过程中增加多少，因而取决于周长在膨胀前和膨胀后的差异。

当使环形屏障1膨胀时，套筒12压靠在井眼20的内表面26上，如图2所示，因而将环形密封件压靠在内表面26上，并由此将环形密封件挤压在套筒和内表面之间。当套筒膨胀时，密封材料松开，使得环形密封件4的端部27、28（在图1中示出）不再交叠，如图2所示。

为了在环形屏障经井向下插入的过程中将密封材料保持在适当位置，环形屏障还在所述外表面和环形密封件的密封材料之间包括粘合剂。与最内端相对地布置的交叠端部也可以被粘附到另一端。膨胀之后，所述环形密封件不再需要被粘附到所述外表面，因为其被挤压在套管和内表面26之间。在图1和图2中，密封材料覆盖小于40%的外表面，而在图4中，密封材料优选覆盖小于30%的外表面，并且更优选小于20%的外表面。

在图4中，环形密封件4布置于通过第一连接器38和第二连接器39紧固到可膨胀套筒12上的外部安全套筒37中。在图4中，环形屏障示出为处于其膨胀状态，并且图5示出了环形屏障的一个外部安全套筒37的放大视图，环形屏障处于其未膨胀状态。在环形屏障的外表面上、即在外部安全套筒37的外表面上布置有五个环形密封件。在环形屏障的未膨胀状态下，环形密封件4的端部27、28交叠，如图5所示。外部套筒具有将环形密封件4紧密地保持在一起的梯形截面形状。在图6中，环形屏障已膨胀，并且环形密封件4已松开，这意味着环形密封件的端部不再交叠。在图6中，来自一个隔离区域的流体已进入外部安全套筒37中的开口30并将环形密封件甚至进一步地压靠在井眼20的内表面26上。

如图1-6中可见，环形密封件的截面形状为大致方形，但在另一实施例中，也可具有其它形状，如三角形、五边形、六边形或具有更多侧边的形状。

在图7a-11b中示出环形密封件的不同实施例。在图7a、8a、9a、10a和11a中示出环形密封件的截面，图7b、8b、9b、10b和图11b从侧面示出环形密封件。在图7a和7b中，绳线8的束7借助于另一材料40缠绕或编织在一起而形成纱线，其中，四根绳线沿纱线的纵向延伸长度直线地放置，使得它们基本上不弯曲。在图8a中，束7中编织的绳线8本身形成纱线状图案，如图8a和8b中所示。在图9a和9b中，成束的绳线8借助于另一材料40缠绕或编织在一起而形成纱线图案41，并且绳线形成芯部42。在图10a和10b中，成束的绳线8绕另一材料制成的芯部42缠绕或编织。在图11a和11b中，成束的绳线8扭绞形成螺旋图案43，并且各绳线相互抵接。

在图7a和9a中，另一材料40可以是选自由金属、聚合物、聚四氟乙烯和橡胶或者它们的组合所组成的组的材料。成束的绳线8可涂覆有选自由金属、聚合物、聚四氟乙烯、弹性材料、硅树脂、天然或合成橡胶或它们的组合所组成的组的第二材料。这样，环形密封件的密封能力显著增加。

图12示出井下系统100，其包括井管结构10和两个环形屏障，所述环形屏障具有作为井管结构10的一部分安装的管状部件9。井下系统100还可具有包括隔离装置的工具，该隔离装置隔离位于管状部件内部14的、与开孔18相对的被隔离部分，从而为内部14的被隔离部分及空间13加压,以使所述可膨胀套筒膨胀。所述工具还可包括泵送装置，所述泵送装置用于从所述管状部件的位于被隔离部分外部的内部泵送流体到被隔离部分中，以使可膨胀套筒膨胀。

当制造环形屏障1时，可膨胀套筒12被紧固在连接部件17中，并且密封材料围绕环形屏障的外表面缠绕以形成环形密封件。通过在密封材料和环形屏障的外表面之间提供粘合剂而将密封材料紧固到所述外表面。然后，环形屏障被插入到套管或井眼内，并且具有围绕所述外表面的x圈密封材料，其中x>1.0，当环形屏障随后膨胀时，环形屏障围绕所述外表面具有y圈密封材料，其中x>y。密封材料围绕环形屏障的外表面延伸，使得当沿着该工具的纵向延伸长度看时所述端部交叠。环形屏障膨胀之前的圈数x通常在3和100之间，这取决于屏障的长度。环形屏障膨胀之后的圈数y最常见的是至少1.0、优选至少1.5。

在环形屏障膨胀之前和之后，各环形密封件的密封材料具有大致相同的长度，这样，绳线不会断裂成数块，而断裂将破坏环形密封件的密封能力。石墨和碳都不是非常可折弯的材料，但当它们被缠绕时，为环形密封件4建立了某种柔性。

当环形密封件的一个端部27与另一端部28交叠时，以及可膨胀套筒12已膨胀时，绳线8可以自身轻微松开，使得一个端部27的绳线位于环形密封件的另一端部28的绳线之间，并且该区段中的环形密封件因而比其它区段中的环形密封件更宽。

环形屏障也可称为封隔器或类似的可膨胀装置。井管结构可以是井或井眼中的生产管道或套管或类似种类的井下管道。环形屏障既可以用在井眼中的内部生产管道与外部管道之间，又可以用在管道与井眼的内壁之间。井可具有若干种管道，本发明的环形屏障可以被安装在所有管道中使用。

可以在开孔18中布置阀，并且该阀可以是能控制流量的任意类型的阀，例如球阀、蝶阀、阻流阀、止回阀或单向阀、隔膜阀、膨胀阀、闸阀、截止阀、刀阀、针型阀、柱塞阀、夹管阀或旋塞阀。所述开孔可布置成与连接部件相对，并且该连接部件可具有与开孔和空间13流体连接的流体通道。

可膨胀套筒可以是具有冷拉拔或热拉拔的管状结构的可膨胀管状金属套筒。

当环形屏障1的可膨胀套筒12膨胀时，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12具有外径并能够膨胀到比未膨胀套筒的直径大至少10%、优选至少15%、更优选至少30%的直径。

此外，可膨胀套筒12可具有比可膨胀套筒的长度小的壁厚，该壁厚优选小于其长度的25%、更优选小于其长度的15%、甚至更优选小于其长度的10%。

环形屏障1的可膨胀套筒12可以由金属、聚合物、弹性材料、硅树脂或者天然或合成橡胶制成。

为了增加套筒12的厚度，可例如通过在外表面上添加焊接材料而在可膨胀套筒上施用附加的材料（未示出）。

在另一实施例中，可通过将一环形部分紧固在套筒上（未示出）来增加套管12的厚度。

在又一实施例中，套管12的厚度增加可通过使用具有变化的厚度的套筒12（未示出）来实现。为了获得具有变化的厚度的套筒，可以使用诸如轧制、挤出或模铸技术。

用于使可膨胀套筒膨胀的流体可以是围绕工具和/或井管结构3的井眼中存在的任何类型的井流体。此外，该流体可以是水泥、气、水、聚合物或双组分的复合物，例如与粘合剂或硬化剂混合或反应的粉末或颗粒。部分流体、例如硬化剂可在将后续的流体注入管状部件与可膨胀套筒之间的腔之前存在于所述腔中。

流体或井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、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。

在工具未被完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来将所述工具完全推进井中的位置。井下牵引器可具有包括轮子的可突出的臂部，其中，所述轮子与所述套管的内表面接触，以用于在套管中向前推进牵引器和工具。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

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，但在不脱离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可设想若干变型对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (23)

1.一种用于在井下井眼（20）或井下套管中的第一区域（2）和第二区域（3）之间提供区域隔离的环形屏障（1），该环形屏障包括管状部件和由金属制成的围绕所述管状部件的可膨胀元件，所述环形屏障具有周长、纵向延伸长度和外表面（5），并且还包括具有密封材料（6）的环形密封件（4），所述密封材料围绕所述环形屏障的外表面延伸并具有绳线（8）的束（7），其中至少一根绳线包括石墨和/或碳。

2.根据权利要求1所述的环形屏障，其特征在于，所述绳线包含至少30%的石墨和/或碳、优选至少50%的石墨和/或碳、更优选至少75%的石墨和/或碳、甚至更优选至少90%的石墨和/或碳。

3.根据权利要求1或2所述的环形屏障，其特征在于，每根绳线都包含石墨和/或碳。

4.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述密封材料围绕所述环形屏障的外表面缠绕x圈，其中x>1.0。

5.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述环形密封件具有细长的形状和两个端部（27，28）。

6.根据权利要求5所述的环形屏障，其特征在于，当沿着纵向延伸长度看时，所述端部交叠。

7.根据权利要求5或6所述的环形屏障，其特征在于，所述环形密封件围绕所述外表面按圈并排布置。

8.根据权利要求6所述的环形屏障，其特征在于，所述交叠的部分在环形屏障的周长的至少10%上、优选周长的至少15%上、更优选周长的至少30%上、甚至更优选周长的至少40%上延伸。

9.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述密封材料可以覆盖小于60%的所述外表面、优选小于40%的所述外表面、更优选小于30%的所述外表面。

10.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述环形密封件的截面形状可以大致是三角形、方形、五边形、六边形或具有更多侧边的形状。

11.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述绳线彼此抵接。

12.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述束和/或绳线涂覆有选自由金属、聚合物、聚四氟乙烯和橡胶或者它们的组合所组成的组的第二材料。

13.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述绳线围绕彼此扭绞、编织或形成纱线。

14.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述绳线包围一芯部。

15.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，

-用于作为井管结构（10）的一部分安装的所述管状部件（9）具有纵向轴线（11），和

-围绕所述管状部件的可膨胀套筒（12）限定出与所述管状部件的内部（14）流体连通的空间（13），所述可膨胀套筒的每个端部（15，16）与所述管状部件相连接，其特征在于，所述环形屏障还包括开孔（18），以用于使流体进入所述空间从而使所述套筒膨胀。

16.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述开孔布置在所述管状部件中。

17.根据前述权利要求中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述环形屏障还在所述外表面和所述环形密封件之间包括粘合剂。

18.一种井下系统，包括井管结构和至少一个根据权利要求1至17中任一项所述的环形屏障，其特征在于，所述环形屏障包括作为井管结构的一部分安装的管状结构。

19.一种用于制造根据权利要求1至17中任一项所述的环形屏障的制造方法，包括以下步骤：

-围绕环形屏障的外表面缠绕密封材料以形成环形密封件，和

-通过在密封材料和环形屏障的外表面之间提供粘合剂来紧固所述密封材料。

20.一种在套管或井眼中提供根据权利要求1至17中任一项所述的环形屏障的实施方法，包括以下步骤：

-将环形屏障插入套管或井眼中，使所述环形屏障围绕所述外表面具有x圈密封材料，其中x>1.0，和

-使所述环形屏障膨胀，使得该环形屏障围绕所述外表面具有y圈密封材料，其中y<x。

21.根据权利要求20所述的实施方法，其特征在于，x>1.5和y>1.0。

22.根据权利要求20或21所述的实施方法，其特征在于，所述环形屏障从第一直径膨胀到第二直径，所述第二直径大于所述第一直径。

23.根据权利要求20或21所述的实施方法，其特征在于，所述密封材料在环形屏障膨胀之前和之后具有大致相同的长度。

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