CN103958822B - 选择性解除的密封系统 - Google Patents

Abstract

一种密封组件，其包括具有密封表面的第一管和与第一管一起送入并从该表面移位的密封元件。密封元件最初的径向尺寸形成第一管的径向最内或最外密封尺寸，以使第一管能够与相对于第一管径向设置的第二管密封。包括可触发以便重新配置密封元件的径向尺寸的机制。当密封元件的径向尺寸已经被重新配置以便使第一管的密封表面能够接收第二密封元件时，第一管的密封表面可操作地形成第一管的径向最内或最外密封尺寸。还公开了一种密封管的方法。

Description

选择性解除的密封系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年12月1日提交的美国申请No.13/308760的优先权，该申请的全部内容在此引入作为参考。

背景技术

在井下钻进和完井工业中，到处都需要使用密封。通常，密封设置在径向在内设置的管的外表面上。然而，所谓的倒密封件(inverted seals)在用于砾石充填作业时获得了有益效果，因为它们能够利用光滑外径(OD)转换工具。这些光滑OD转换工具与现有转换工具相比具有若干优势，其包括台肩和结合在台肩上的密封元件，所述密封元件在工具和相邻工具送入和拉出期间可以粘到其它部件上。然而，倒密封件在砾石充填作业期间经常被损坏，因而在移除转换工具之后的生产期间变得不可靠。因此，工业上总是较好地接受总的来说是密封技术特别来说是倒密封技术的进步。

发明内容

一种密封组件，包括：具有密封表面的第一管；与第一管一起下入并从所述密封表面移位的密封元件，密封元件最初的径向尺寸形成第一管的径向最内或最外密封尺寸，以便使第一管能够与第二管密封，所述第二管相对于第一管径向设置；和可触发以便重新配置密封元件的径向尺寸的机制，当密封元件的径向尺寸已经被重新配置以便使第一管的密封表面接收第二密封元件时，第一管的密封表面可操作地形成第一管的径向最内或最外密封尺寸。

一种选择性密封管的方法，包括：使第一管的密封元件与第二管密封；执行井下作业；通过改变密封元件的径向尺寸使密封元件失去作用，使得密封元件不再能够与第二管密封；拉出第二管；和送入其上具有第二密封元件的第三管，所述第二密封元件可操作地布置成密封第一管的表面。

附图说明

下面的描述无论如何都不应认为是限制。请参阅附图，同样的元件的附图标记相同：

图1是具有被接合在两个管之间的密封元件的组件的四分之一截面图；

图2是图1组件的四分之一截面图，其中密封元件失效或失去作用而不再密封管；

图3是包括被接合两个管之间的密封元件的组件的四分之一截面图；

图4是图1组件的四分之一截面图，其中套筒的轴向运动使密封元件失效或失去作用而不再密封管；

图5是包括能接合在两个管之间的密封元件的组件的四分之一截面图；

图6是图5组件的四分之一截面图，其中密封元件的轴向运动使密封元件失效或失去作用而不再在两个管之间密封；

图7是包括能接合在两个管之间的密封元件的组件的四分之一截面图；

图8是图7组件的四分之一截面图，其中活塞的轴向运动使密封元件失效或失去作用而不再在两个管之间密封；

图9是包括能接合在两个管之间的密封元件的组件的四分之一截面图；和

图10是图9组件的四分之一截面图，其中支撑件的移除使密封元件失效或失去作用而不再在两个管之间密封。

具体实施方式

在此参照附图以示例而非限制的方式详细描述了所披露的设备和方法的一个或多个实施例。

现在参照图1和图2的实施例，所显示的选择性解除或失去作用的密封组件10具有密封元件12。密封元件12设置有第一管14，用于形成与第二管16的密封接合。第一管14位于第二管16径向外部，或者第二管位于第一管径向外部。在一个实施例中，密封元件12是倒密封件，第一管14是外管柱的一部分，第二管16是被容纳在第一管14内的转换工具，用于执行压裂和/或砾石充填作业。当然，第一管14和第二管16也可以是不同地布置和用于其它用途的其它管。

组件10设置有用于使密封元件12选择性地从其与管14和16中的一个或两个的密封接合中解除的机制。下面将参照图3-图10描述所述机制的各种实施例，但是应当注意的是，该机制通常定义为指任何属性、装置、组件、系统、参数、工具等等，或上述的组合，其能够使密封元件12选择性地使密封元件12的密封能力解除、失效或失去作用(这些术语在此可以互换使用)。由于该机制可以采用各种形式，在此通常称作该机制被“触发”，不过也可以互换地使用其它术语来表示正在执行与用于解除密封的机制有关的某种动作，所述其它术语例如：致动、激活、发射、展开、启动等等。

图1和图2示意性示出了正在解除的密封元件12。最初，密封元件12从管14径向延伸一距离x1，使得密封元件12的径向尺寸有效地限定管14的径向最内尺寸或径向最外尺寸，为便于描述，其共同被称为“径向密封尺寸”。也就是说，在某些实施例中，径向密封尺寸为内径或外径。当密封元件12形成径向密封尺寸时，例如密封元件12从管14径向突出时，密封元件12被布置成形成与管16的密封接合，如图1所示。由于所述机制被触发(同样，各种实施例将在下文中参照图3-图10进行更详细地描述)，密封元件12的径向尺寸发生变化，即从管14的表面18移动距离x2。因而，在触发该机制后，表面18(或管14的某些其它表面)就限定了用于管14的径向密封尺寸，即径向最内(或最外)尺寸。例如，表面18可以形成为密封孔，所述密封孔用于接收在管16(例如转换工具)被拉出之后被送入到隔离管柱上的传统类型的密封元件。例如，距离x2可以大于或等于零。在某些实施例中，密封元件12或其部分可以径向延伸超过管14某一较小或轻微的程度，不过不能与管16接合，表面18用于重新密封管14。

如上所述，用于使用组件10和在此描述的其它部件的一个潜在实施例是在砾石充填作业期间用倒密封件密封住转换工具。在每个所要求区域的作业完成、不再需要转换工具之后，可以将转换工具从孔拉出，倒密封件解除或失去作用，如上文示意性所述。在失去作用或解除之后，倒密封件不再形成外管柱的径向密封尺寸，即不再形成外管柱的最内直径。因而，倒密封件在径向尺寸上发生变化，例如，径向移动，使得一典型的隔离组件可以与生产油管一起送入，并密封到外管柱中的密封孔或类似物内。这避免了倒密封件的缺点，即，所述倒密封件在砾石充填作业期间常常被损坏，随后固有地不可靠。当然，在任何所需的系统中，可以使包括非倒密封的密封件的其它密封元件类似地失去作用，不过，对于当前所述的组件来说，多区完井和单区完井是首选。

图3和图4显示了一个实施例，其中，分别显示了位于接合状态和解除状态之间的组件20。组件20在基本构思上类似于组件10，即，具有一密封元件22，所述密封元件22布置成用于选择性解除第一管24与第二管26之间的密封接合。类似于组件10，管24可以位于管26的径向外部，或管26可以位于管24的径向外部。管24和管26可以分别是外管柱和转换工具等。沿着管柱24的长度可以包括组件20中的多个组件，以便例如执行多区压裂作业。

在组件20中，例如，密封元件22由一外壳保持，所述外壳包括一组环28a和28b。环28a和28b二者都被固定或锁定到管24上。例如，在图3和图4的实施例中，螺纹连接部30和连接件32被用于分别将环28a和环28b固定到管24上，不过本领域普通技术人员也可以想到其它连接装置。

连接件32位于套筒36的槽34中，用于使套筒36相对于管24轴向移动。密封元件22由套筒36径向变形(被向外挤压或压缩，取决于管24和管26的相对径向方向)就位。当径向变形时，密封元件22在管24和管26之间形成密封接合。一旦套筒36轴向移动，套筒的变窄部分38与密封元件22对齐，从而使密封元件22能够至少部分地返回到其没有变形的方位。也就是说，密封元件22可以朝着其休止或中立构造径向向外或向内弹回。如图4所示，当与变窄端38对齐时，密封元件22在径向尺寸上发生变化，使之不再形成用于管24的径向密封尺寸。而是，径向密封尺寸由环28a和环28b的表面(或连接于管24的某些其它表面)形成。这样，具有变窄端38的套筒36充当能够被触发以便解除密封元件22的机制。

套筒36具有例如用于接合具有互补轮廓的移位工具以便移动套筒36的轮廓40，不过应当认识到，也可以使用使套筒36移位的任何其它方法。在隔离管柱在密封失去作用之后被送入的实施例中，可以在隔离管柱的前端包括这样的移位工具，通过例如放下(setting down)套筒36上的重量以使移位工具与轮廓40接合、向上拉隔离管柱以使套筒36移位、将隔离管柱送到另一套筒等方式而使一个或多个组件20失去作用。

应当明白，可以对在此所述的任何组件进行修改。例如，在类似于组件20的实施例中，密封元件是可动的而套筒是静止的。也就是说，例如，参照组件20的有附图标记的部件，套筒36可以固定到管24上、锁定到管24上、或与管24一起形成，密封元件22能在套筒中滑动，以便使密封元件22与套筒36的变窄部分38对齐。

在某些实施例中，例如图3-图4所示，部件(例如套筒或密封元件本身)的轴向致动使密封元件失效。在其它实施例中，旋转运动会导致径向改变，例如，所述机制包括或类似于凸轮、四连杆、相机光圈等等。在其它实施例中，通过移除密封元件使密封元件失效。在某些这些实施例中，密封元件可借助于物理手段(例如切削工具、刀片、铣刀、钻等)移除，所述物理手段由液压、机械、重力、电气等致动以便通过切削、剪切等移除密封元件的一部分。在某些实施例中，密封元件(或环，c形环，或设置在其中或与其固定的其它一个或多个构件)能至少部分地塑性变形，一楔子或其它部件可轴向伸入，以便使密封元件径向变形或径向挤压密封元件。在其它实施例中，通过将诸如酸、溶剂等流体定位或输送到密封元件以便降解、分解、溶解、腐蚀、削弱、破坏或其它方式移除密封元件或密封元件的一部分(共同被称为“降解”)，来移除所述密封元件。同样，温度、压力或某些其它井下条件或参数上的变化可以降解、改变密封元件的尺寸，或者以其它方式触发该机制，以便使密封元件失效。鉴于这些实施例，很明显，术语“机制”采用其最广义的含义，所述机制或其部件的范围可以从物理工具，例如铣刀或刀片，到密封元件本身，到密封元件的属性，例如存在适合流体时的可溶性。

例如，在各种其它实施例中，工具、装置、密封元件等的轴向运动可以用于触发所述机制。例如，密封元件可以被包含在一桶状滑动组件上或被结合到桶状滑动组件上，桶状滑动件的互锁卡爪之间的轴向运动使密封元件的径向定位发生变化。例如，美国专利No.7,367,397(Clemens等)中公开了一种桶状滑动组件，该专利的全部内容被引入于此。通过例如将密封元件放置在Clemens等的“滑动本体188”的内表面上，密封元件通过使“环形楔组件196、198”运动到一起和分离而选择性地解除或失效。

在其它实施例中，轴向运动使得轴向预压缩或轴向预伸展或预拉紧的密封元件返回到其休止位置。例如，类似于压缩-变形的封隔器，可以使密封元件在两个部件之间被压缩，例如，通过液压、放下重量(set down weight)等。在另一这样的实施例中，如图5和图6所示，组件42包括可变形本体44，所述可变形本体44上具有密封元件46。通过在两个部件之间轴向压缩/拉伸本体44和/或在停止压缩/拉伸之后使环44返回到其休止或中立位置，可以设定密封元件46的径向尺寸。

图7和图8中显示了利用密封元件的压缩/拉伸的另一种这样的实施例，即组件48。组件48包括密封元件50。依照图7的实施例，密封元件50最初在管52的一部分或一部件与活塞54之间被轴向压缩，以迫使密封元件50轴向压缩和径向膨胀。活塞54可以采用例如环的形式。活塞54最初通过一释放部件保持就位，所述释放部件显示为剪切螺钉或剪切销56的形式，但是其也可以采用其它形式，例如套爪指、剪切环等等。活塞54设置在一对腔室58和60之间。在一个实施例中，腔室60处于大气压或某一较低压力下。因而，在将腔室58加压至一预定量时，释放部件将释放活塞54，例如，螺钉56将剪切，从而使活塞54轴向运动，并使前述被压缩的密封元件50返回到其休止位置。在一相关实施例中，可以去除剪切螺钉，并通过在腔室60中保持高压而压缩密封元件50，以及通过放出腔室60中的压力而释放密封元件。当然，也可以采用以其它方式压缩或拉伸密封元件的其它机制。

组件62是图9和图10中所示的另一个实施例。在组件62的实施例中，包括密封元件64和管66，所述密封元件64可径向压缩或膨胀和/或具有弹性部件68。例如，弹性部件68可以是c形环或其它弹性或类弹簧部件，其在径向变形后自然地弹起、扣合或以其它方式返回至其中立位置。在该实施例中，密封元件64最初被支撑部件70支撑。在某些实施例中，包括次密封元件72，用于将支撑部件70密封到管66上。支撑部件70可以以任何希望的方式被移除，以便使密封元件64和/或弹性部件68能够使定位密封元件64径向复位，以便使密封部件64失效或解除。

在一个实施例中，支撑部件70为易破碎或可破裂材料，例如钢化玻璃，其被力撞击、冲压、夯锤、或以其它方式冲击或碰到而粉碎或破裂支撑部件。利用诸如液压、气动、管柱重量等手段可以将例如活塞、销、杆、指状物、长钉等驱动到支撑部件68中。同样，较大的压缩力可以逐步地施加到较大的表面区域上，以压裂或粉碎支撑部件68。

在另一个实施例中，支撑部件70由可控电解金属材料或可以通过暴露于预定流体而被降解、溶解、分解、腐蚀、削弱等(共同被称为“降解”)的其它材料制成。合适材料以及其制造方法的例子在美国专利公开No.2011/0135953(Xu等)中给出，该专利公开全部内容以引用的方式并入于此。合适的材料也可以从贝克休斯公司(Baker Hughes Incorporated)的名为中获得。其它材料包括镁、铝等，这些材料通过暴露于酸等而可被移除。支撑部件70可以至少部分地中空、穿孔、削弱等，以帮助其移除。

当然，上述实施例的元件的任何组合或其替换、等同、类比也都在本发明的范围之内。这样，某机制的触发可用于重新配置密封元件的径向尺寸，以便选择性地使其密封性能失效或失去作用。进一步地，包括密封元件的管可以包括密封孔或其它表面，例如图1中的表面18，用于从另外的管接收新的密封元件，使得可以执行需要隔离的另外的作业，例如生产。

虽然已经参照一个或多个示例性实施例描述了本发明，本领域技术人员应当明白，在没有背离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，也可以利用等效物来代替其元件。另外，在没有解除本发明的实质范围的情况下，可以进行许多改进，以使具体情形或材料适应本发明的教导。所以，意图为，本发明不局限于作为用于执行本发明的最佳方式所公开的特定实施例，而是，本发明将包括落入权利要求书的范围之内的所有实施例。而且，在附图和说明书中已经披露了本发明的示例性实施例，虽然可能采用了特定术语，但是，除非另有说明，这些术语仅仅是用于一般、描述性意义，并不用于限制，因而本发明的范围不局限于此。此外，术语第一、第二等等的使用不表示任何次序或重要程度，而是用来将元件彼此区分。此外，术语一、一个等的使用不表示量上的限定，而是表示至少存在一个所述零件。

Claims (19)

1.一种密封组件，包括：

具有第一密封表面的第一管，所述第一管具有径向内尺寸；

具有第二密封表面的第二管，所述第二管具有径向外尺寸；

与第一管一起下入并能选择性径向移位的密封元件，所述密封元件具有轴向尺寸，密封元件具有径向最内尺寸以便与第二管密封；和

可触发以便选择性地重新配置密封元件的径向尺寸而同时保持所述轴向尺寸的特征，其中，密封元件能够选择性地在第一位置和第二位置之间移位，其中在所述第一位置中，密封元件的径向最内尺寸小于第一管的径向内尺寸，在所述第二位置中，密封元件的径向尺寸大于第一管的径向内尺寸。

2.如权利要求1所述的组件，其中，第一管相对于第二管设置在第二管的径向外部，密封元件为倒密封元件。

3.如权利要求1所述的组件，其中，第二管具有在触发所述特征之前能够被密封元件接合的光滑直径。

4.如权利要求3所述的组件，其中，第二管是转换工具。

5.如权利要求1所述的组件，其中，通过触发所述特征来移除密封元件的至少一部分。

6.如权利要求5所述的组件，其中，所述特征包括刀片、铣刀、钻、磨机、或包括上面所列特征中的至少一种的组合。

7.如权利要求5所述的组件，其中，所述特征是密封元件在暴露于流体时降解的属性，并且所述特征在密封元件暴露于所述流体时被触发。

8.如权利要求1所述的组件，其中，所述特征通过轴向运动而被触发。

9.如权利要求8所述的组件，其中，所述特征包括与第一管一起安装的部件，所述部件具有径向变窄部分，所述径向变窄部分用于在与密封元件轴向对齐时将密封元件接收在该径向变窄部分中。

10.如权利要求9所述的组件，其中，所述部件为相对于第一管可滑动地安装的套筒。

11.如权利要求9所述的组件，其中，所述密封元件相对于第一管可滑动地安装。

12.如权利要求8所述的组件，其中，密封元件设置在一可变形本体上，所述可变形本体被轴向压缩和释放，以便改变密封元件的径向尺寸。

13.如权利要求8所述的组件，其中，密封元件被径向挤压。

14.如权利要求1所述的组件，其中，所述特征包括临时支撑件，所述临时支撑件用于在初始将密封元件的径向尺寸设定为第一管的径向最内或最外密封尺寸，触发所述特征包括移除临时支撑件。

15.如权利要求14所述的组件，其中，临时支撑件是易破裂的，触发所述特征包括使临时支撑件破裂。

16.如权利要求14所述的组件，其中，临时支撑件在暴露于流体时能降解，触发所述特征包括使临时支撑件暴露于所述流体。

17.如权利要求14所述的组件，其中，密封元件固定到一弹性元件，所述弹性元件用于在临时支撑件已经被移除之后改变密封元件的径向尺寸。

18.如权利要求5所述的组件，其中，所述特征包括切削工具。

19.一种选择性密封管的方法，包括：

使第一管的密封元件与第二管密封，所述密封元件具有轴向尺寸，所述第一管具有第一密封表面并且具有径向内尺寸；

执行井下作业；

通过选择性地使密封元件在第一位置和第二位置之间移位同时保持所述轴向尺寸使密封元件失去作用，从而使得密封元件不再能够与第二管密封，其中，在所述第一位置中，密封元件的径向最内尺寸小于第一管的径向内尺寸，在所述第二位置中，密封元件的径向尺寸大于第一管的径向内尺寸；和

拉出第二管。