CN103975123B - 具有自致动装置的环状屏障 - 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的环状屏障(1)，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(6)，所述管状部件具有纵向轴线；包围该管状部件并具有外表面的可膨胀套筒，该可膨胀套筒的每个端部借助于连接部(12)被紧固至管状部件；管状部件和可膨胀套筒之间的环状屏障空间(13)；管状部件或连接部中的用于让流体进入环状屏障空间以膨胀套筒的孔口；和布置在所述孔口中的具有打开和关闭位置的自致动装置(14)。此外，本发明涉及包含多个根据本发明的环状屏障的井下系统。

Description

具有自致动装置的环状屏障

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的环状屏障。此外，本发明涉及一种井下系统。

背景技术

在井筒中，环状屏障用于不同的目的，诸如用于提供对环空内来自环状屏障上面和下面的流动的隔离/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金属材料制成，但也可由弹性体材料制成。套筒在其端部紧固到环状屏障的内壁上。

为了在环空内创建区域，可以使用第二和后续环状屏障。第一环状屏障在待密封区域的一侧膨胀，第二和后续环状屏障膨胀。由此，创建多个区域并相互密封。

井的压力包络线由在井构造内部使用的管状件和井装置等的爆破/破裂额定值控制。在一些情况下，通过增大井的管状结构中的压力来使环状屏障的可膨胀套筒膨胀，这是使套筒膨胀的最具成本效益的方式。

当通过从内部对管状结构加压来膨胀环状屏障的可膨胀套筒时，多个环状障碍同时膨胀。然而，如果一个可膨胀套筒破裂或发生渗漏，流体被允许进入环空，那么管状结构中的压力下降，并且环状屏障停止进一步膨胀。然后，在能继续膨胀其余环状屏障之前，操作员必须隔离可膨胀套筒中具有裂口的环状屏障。

可膨胀套筒可能由于多个原因破裂或渗漏，例如，由于材料中的缺陷，制造过程中的损坏，部署过程中的刮擦或磨损等。

发明内容

本发明的目的是完全或部分地克服现有技术的上述缺点和不足。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的环状屏障系统，其中当膨胀时，在一个环状屏障的膨胀过程中产生的破裂或渗漏不会影响其他环状屏障的膨胀。

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，即通过一种待在井管结构与井下井眼内壁之间的环空中膨胀的环状屏障，该环状屏障包括：

-用于安装作为所述井管结构的一部分的管状部件，所述管状部件具有纵向轴线，

-围绕该管状部件并具有外表面的可膨胀套筒，该可膨胀套筒的每个端部借助于连接部紧固到管状部件，

-所述管状部件和所述可膨胀套筒之间的环状屏障空间，

-所述管状部件或连接部中的用于让流体进入所述空间以膨胀所述套筒的孔口，以及

-具有打开和关闭位置的布置在孔口中的自致动装置。

所述自致动装置可包括具有出口开口和入口开口的壳体、关闭构件和布置成将自致动装置推入打开位置中的弹性构件，从而使得能进入所述空间的流体能够通过入口开口流入和通过出口开口流出到所述空间内。

此外，该自致动装置可包括至少一个可突出元件，以当关闭构件在装置的关闭位置时锁定关闭构件，防止关闭构件返回到打开位置。

此外，弹性构件可以是弹簧，例如螺旋弹簧。

此外，弹性构件可以是弹性体元件或橡胶元件。

在一个实施例中，当流过该装置的流体的流率超过预定流率时，自致动装置可以关闭。

在另一实施例中，当流过该装置的流体的压力下降至低于预定水平时，自致动装置可以关闭。

在又一实施例中，当预定体积的流体流经该自致动装置时，自致动装置可以关闭。

此外，弹性构件可以布置在出口开口和关闭构件之间。

在一个实施例中，自致动装置可具有关闭构件的位置的指示。

此外，连接部中的至少一个可以相对于所述管状部件滑动。

此外，连接部中的至少一个可以与所述管状部件固定地相连接。

在一个实施例中，所述装置可以是阀。

此外，该自致动装置可以是阀，诸如过流止回阀、在高于预定流率的流率下关闭的机械阀、切断阀或压差切断阀。

所述关闭构件可包括穿透阀的壳体中的隔板的杆或轴，杆可以结束在一个端部构件中，弹性构件可以布置在隔板和端部构件之间。

在一个实施例中，自致动装置还可包括布置在所述空间中的压力传感器，以当流体的压力下降到低于预定水平时关闭该阀的出口开口。

此外，上述环状屏障还可包括布置在可膨胀套筒的外表面上的传感器。

在一个实施例中，传感器可以是一个声音检测传感器。

此外，该传感器可以与自致动装置无线地相连接。

此外，该自致动装置可包括具有补偿活塞的第二孔。

弹性构件可以布置成迫使关闭构件朝向或远离自致动装置的打开位置中的所述出口开口，从而使得可以进入该空间的流体能够通过入口开口流入和通过出口开口流出到空间内。

此外，可突出的元件可以接合关闭构件或壳体中的凹槽以锁定关闭构件。

此外，可突出的元件可接合隔板的端面以锁定关闭构件。

此外，本发明涉及包含多个根据本发明的环状屏障的井下系统。

所述系统还可包括用于确定所述装置在环状屏障膨胀后的位置的检测工具。

在一个实施例中，该工具可包括压力传感器。

在另一实施例中，工具可包括电容测量单元。

在又一实施例中，该工具可包括一驱动单元，如井下牵引器。

根据本发明的井下系统还可包括具有布置在两个环状屏障之间的阀部的井管结构，以便让含烃流体进入井管结构。

最后，该工具可包括用于替换环状屏障中的装置的替换装置。

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示出了一些非限制性的实施例，其中

图1示出了作为井管结构的一部分的环状屏障，以环状屏障的膨胀状态示出，

图2示出了图1的环状屏障，以未膨胀状态示出，

图3a示出了自致动装置的立体视图，

图3b示出了图3a的装置在关闭位置的剖视图，

图3c示出了图3a的装置在打开位置的剖视图，

图4a示出了该装置的另一实施例在打开位置的剖视图，

图4b示出了图4a的装置在关闭位置的剖视图，

图5a示出了该装置的另一实施例在打开位置的剖视图，

图5b示出了图5a的装置在关闭位置的剖视图，

图6示出了具有多个环状屏障的井下系统，

图7a示出了自致动装置的另一实施例，其处于打开位置，和

图7b示出了图7a的自致动装置，其处于关闭位置。

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示出了在位于井管结构3和井下井眼5的内壁4之间的环空2中膨胀的环状屏障1。环状屏障1包括已经借助于螺纹连接部19安装作为井管结构3的一部分的管状部件6。环状屏障1包括围绕管状部件6并具有外表面8的可膨胀套筒7，在环状屏障1的膨胀状态下，所述外表面抵靠井眼5的内壁4。可膨胀套筒7的每个端部9、10借助于连接部12紧固在管状部件6上。可膨胀套筒7包围管状部件6，在其之间形成环状屏障空间13。孔口11布置在管状部件6中，流体通过该孔口进入空间13以膨胀套筒7，因而提供井管结构3与井眼5之间的环形隔离。当膨胀所述可膨胀套筒7时，通过来自井的顶部的流体对井管结构3加压，因此加压流体被迫进入所述空间以膨胀所述可膨胀套筒7。

一个连接部12或两个连接部12可相对于管状部件6滑动，而另一个可以与管状部件6固定地连接。环状屏障1——而不是另一种封隔器30——也可以布置成在两个管状结构之间、例如中间套管18和生产套管3之间提供密封。

此外，环状屏障1包括布置在孔口11中并具有打开和关闭位置的自致动装置14。当在打开位置时，流体被允许进入空间13，当在关闭位置时，流体不能再经过该装置进入所述空间。通过具有自致动装置14，如果在环状屏障1的膨胀过程中可膨胀套筒7发生破裂，环状屏障1的管状部件6的孔口11可以关闭。当可膨胀套筒7破裂时，环状屏障1的空间13内部的压力下降到环空中的压力，因此使更多流体进入空间13。当这些实质变化发生时，该装置在预定水平关闭，不会有更多流体进入环状屏障1的空间13。在此，井管结构3的加压可以继续膨胀其余环状屏障1的可膨胀套筒7。

自致动装置14可以是能够关闭以使流体的流动停止的阀或类似装置。因此，自致动装置实现自致动安全阀的功能。

在图1中，可膨胀套筒7示出处于其膨胀状态，在图2中，相同的环状屏障1示出于其膨胀之前。

因此，当通过其中的流体的流率超过预定的流率时或当通过其中的流体的压力下降到低于预定水平时自致动装置14关闭。在图3a中，示出了包括具有六个出口开口21的壳体20的自致动装置14。在图3b中，示出了图3a的装置14的剖视图，其中入口开口22、关闭构件23和弹性构件24处于其关闭位置。弹性构件24布置在壳体20的孔25中。在图3c中，该装置14示出于其打开位置，其中，弹性构件24压靠关闭构件23，迫使关闭构件23远离出口开口21，使得流体能够通过入口开口22流入，并通过出口开口21进入空间13。当环状屏障插入井中时，自致动装置14处于打开位置，准备好让流体进入空间并使可膨胀套管膨胀。如果套筒发生爆裂或渗漏，使用图3a-c的装置以切断流体进入空间的通道。为了使自致动装置关闭，压力必须克服弹性构件中固有的弹性力。自致动装置包括被保持在未突出位置的可突出的元件33，如图3c所示，直到关闭构件23移动到关闭位置内，其中，可突出的元件33在关闭位置接合凹槽42，因而防止关闭构件23返回到打开位置。如果可膨胀套筒爆裂，自致动装置关闭并通过可突出的元件33锁定，从而防止再次打开和防止来自管状结构内部的加压流体进入环空。在爆裂的事件中，当自致动装置已经关闭了该爆裂的环状屏障时，其他环状屏障的膨胀可以继续。

在图3a中，装置14示出为很容易安装在环状屏障的孔口中的盒的形式。如图3a中可见，壳体20具有用于安装到环状屏障的管状部件的孔口内的外螺纹。

在图4a和4b中，壳体20包括螺纹连接以形成壳体20的两个壳体部20a、20b。第一壳体部20a被拧入第二壳体部20b的孔内，并且为了提供密封的连接，第一壳体部20a包括外围密封件26。壳体20具有面向可膨胀套筒7并因而面向空间13的出口开口21。壳体20的入口开口22面向管状部件6的内部27并因而面向井管结构3的内部。在图4a中，该装置被示出在其打开位置，其中关闭构件23布置在孔28中并由布置在打开和关闭构件23之间的弹性构件24迫使其远离出口开口21。加压流体经入口开口22通过关闭构件23的中心孔29流入，经侧通道29a流出到中心孔29，流经关闭构件23的前端31。流经前端31之后，流体通过出口开口21流出到空间13内。

当空间13中的压力由于可膨胀套筒的泄漏而下降时，流体压力超过弹性构件24的弹性力，并迫使关闭构件23坐靠壳体20中的座部32，从而关闭了管状部件6的内部27与空间13之间的流体连通。关闭构件23的前端31具有外围密封件26，以抵靠孔的内表面紧固，关闭构件在其关闭位置时延伸到孔内。

为了防止装置在处于关闭位置时返回到打开位置，关闭构件23包括具有可在关闭构件23的中心孔29的第二侧通道34中滑动的活塞部35的可突出的元件33。流体从关闭构件23的中心孔内部加压，活塞部35被迫抵靠壳体20的孔28的内表面。当关闭构件23处于其关闭位置时，可突出的元件33与壳体20的孔28的外围凹槽42相对。当与凹槽42相对时，可突出的元件33则能够进入凹槽42，弹性构件24则向入口开口22按压关闭构件23并因而使可突出的元件33与凹槽42保持接合。其结果是，该装置被关闭，而渗漏的环状屏障不再阻止其它环状屏障被膨胀。因为当渗漏发生时，装置的这种关闭几乎瞬间发生，膨胀过程并未减慢。

在图5a和5b的装置中，关闭构件23包括穿透该装置的壳体中的隔板37的杆36或轴。隔板具有开口38和所述杆延伸穿过的孔39。杆36结束于具有直径比杆的直径更大的端部构件40，并且弹性构件24布置在隔板和端部构件40之间。在图5a中，该装置被示出在其打开位置，其中布置于端部构件40和隔板37之间的弹性构件24，向入口开口22压迫关闭构件23。在打开位置，流体从管状部件6的内部27通过壳体20的入口开口22和通过隔板37中的开口38并进一步流经关闭构件23的前端31和流出出口开口21进入空间13。当通过关闭构件的流率/流动速率超过预定水平时，流体流向出口开口21按压关闭构件23，从而由于前端31被压靠在壳体的座部32上而关闭该装置。

如图5b中可见，其中图5a的装置是关闭的，当关闭构件处于装置的关闭位置时，关闭构件23的杆36包括至少一个可突出的元件33以锁定关闭构件，防止关闭构件返回到打开位置。可突出的元件33接合隔板的端部表面41并且当它们经过隔板的孔时被释放，并且当可突出的元件33突出以延伸到隔板部分的上方时，由于弹性构件24向隔板按压可突出的元件33，可突出的元件33被阻止进入杆36中的凹槽42。可突出的元件33是借助于布置在可突出的元件33之间的杆中的第二弹性构件61被向外推。

在图3b和3c中，该装置具有关闭构件23的位置的指示45。该指示45是关闭构件的突出部45，其在装置打开时从管状部件6的内壁46突出，当装置关闭时，突出部45定位在孔口11内，使其不再从内壁46突出到管状部件6的内部27中。

如图6所示，该装置还包括布置在空间13中以便在流体压力下降到低于预定水平时关闭装置的出口开口的压力传感器47。

环状屏障还可包括用于检测当可膨胀套筒爆破或裂开时由渗漏造成的另一声音模式的地震传感器、声音传感器或其它类型的声学传感器。所述地震传感器、声音传感器62或其它类型的声学传感器可以布置在可膨胀套筒的外表面8上，如图6所示。

在图7a中，自致动装置14布置在环状屏障的管状部件的第一孔63中。关闭构件23布置在所述第一孔63中和壳体的中心部分64之间，弹性构件24的关闭构件23布置成向出口开口21推动关闭构件并因此迫使自致动装置进入其打开位置。在打开位置中，流体流过关闭构件中的通道64、流向出口开口和流入空间13以使套筒膨胀。如果套筒爆裂或泄漏，关闭构件23移动以关闭出口开口，如图7b所示，并且可突出的元件33在关闭构件的面向入口开口22的端部接合凹槽42。当移动到关闭位置时，关闭构件置换流体的体积72(在图7a中示出)和该流体体积进入出口通道65并进入第二孔70，朝向管状结构的内部移动补偿活塞66。补偿活塞66置换对应于由关闭构件在第一孔中置换的体积72的流体的第二体积71。流体的第二体积与空间13通过出口通道69流体连接。图7a中示出的截留体积72因而由在第二孔70中置换相同体积的补偿活塞补偿。

该装置可以是阀，该阀可以是过流止回阀(excess-flow check valve，限流阀)、在高于预定流率的流率下关闭的机械阀、切断阀或压差切断阀。

机械阀向打开位置偏压。其制造成具有通过内部弹性力的预设定以在高于正常的期望流率的预定流率下关闭。该流率也被称为“切断”流率。在正常流率条件下，该装置保持在打开位置，提供最小的流动阻力，即横跨装置的压力差。

如果通过该装置的流率由于可膨胀套筒的裂开、破裂或故障而超过预先设定的“切断”流率，那么装置会自动关闭并使流动停止。

本发明还涉及一种包括多个如图6中所示的环状屏障1的井下系统100。井下系统100还包括具有布置在两个环状屏障之间以使含烃流体进入井管结构3并通过生产套管3向上的阀部50的井管结构3。阀部50具有流入控制阀51和压裂开口或压裂阀(fracturingvalve)52。可以在阀的对面在井管结构3的外表面上的凹部中布置筛网54。在阀的对面，多个滑动或转动的套筒53布置成当井管结构3被加压时关闭所述阀。

井下系统还包括用于确定环状屏障膨胀之后阀的位置的检测工具55。此外，该工具包括压力传感器56和电容测量单元57以感测环状屏障的孔口中的阀周围的流动情况。该压力传感器能够通过产生能够记录阀的周围是否有流动变化的断层摄影来确定所述空间和电容测量单元57内的压力。如果在膨胀结束后阀周围的流动变化和空间中的压力下降，环状屏障的可膨胀套筒正在泄漏而阀并未关闭。因此，该工具可包括用于替换所述阀的替换装置59，例如，取出损坏的阀和用空阀(dummy valve)代替，以使环状屏障1的管状部分6的孔口可靠地关闭。

通过具有该阀的关闭位置的指示，该检测工具还可确认阀已被关闭，并且该环状屏障最有可能由于可膨胀套筒中的开裂而未正确设定。

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管、管道、管结构、衬管、管柱等。

在工具不是完全浸没入套管中的情况下，驱动单元58，诸如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 井下牵引器可具有布置于可突出的臂上的液压驱动轮。

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 (21)

1.一种待在井管结构(3)与井下井眼(5)的内壁(4)之间的环空(2)中膨胀的环状屏障(1)，包括：

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

-包围所述管状部件并具有外表面(8)的可膨胀套筒(7)，该可膨胀套筒的每个端部(9，10)借助于连接部(12)紧固到所述管状部件，

-所述管状部件(6)与所述可膨胀套筒(7)之间的环状屏障空间(13)，

-所述管状部件中或连接部中的用于让流体进入所述环状屏障空间以膨胀所述可膨胀套筒的孔口(11)，以及

-布置在所述孔口中的具有打开和关闭位置的自致动装置(14)，

所述自致动装置包括具有出口开口(21)和入口开口(22)的壳体(20)、关闭构件(23)和布置成将自致动装置推入打开位置中的弹性构件(24)，使得进入所述环状屏障空间的流体能够通过所述入口开口流入和通过所述出口开口流出到所述环状屏障空间内，

其中，所述自致动装置包括至少一个可突出的元件(33)，以当关闭构件在自致动装置的关闭位置时锁定关闭构件，防止关闭构件返回到打开位置。

2.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述弹性构件是弹簧。

3.根据权利要求1或2所述的环状屏障，其中，当流过所述自致动装置的流体的流率超过预定流率时，所述自致动装置关闭。

4.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，当流过该自致动装置的流体的压力下降至低于预定水平时，所述自致动装置关闭。

5.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述自致动装置具有关闭构件的位置的指示(45)。

6.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述自致动装置还包括布置在所述环状屏障空间中的压力传感器(47)，以当流体的压力下降到低于预定水平时关闭该自致动装置的出口开口。

7.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述自致动装置是阀。

8.根据权利要求1所述的环状屏障，还包括布置在可膨胀套筒的外表面上的传感器(62)。

9.根据权利要求8所述的环状屏障，其中，所述传感器是声音检测传感器。

10.根据权利要求8或9所述的环状屏障，其中，所述传感器与自致动装置无线地相连接。

11.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述自致动装置包括具有补偿活塞(66)的孔(70)。

12.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述可突出的元件接合关闭构件或壳体中的凹槽(42)以锁定关闭构件。

13.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述可突出的元件接合隔板(37)的端面(41)以锁定关闭构件。

14.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述弹性构件是弹性体元件。

15.一种井下系统(100)，包括多个根据权利要求1至14中任一项所述的环状屏障。

16.根据权利要求15所述的井下系统，还包括用于确定环状屏障膨胀之后所述自致动装置的位置的检测工具(55)。

17.根据权利要求16所述的井下系统，其中，所述检测工具包括压力传感器(56)。

18.根据权利要求16或17所述的井下系统，其中，所述检测工具包括电容测量单元(57)。

19.根据权利要求16或17所述的井下系统，其中，所述检测工具包括驱动单元(58)。

20.根据权利要求15至17中任一项所述的井下系统，还包括具有布置在两个环状屏障之间的阀部(50)的井管结构以使含烃流体进入所述井管结构。

21.根据权利要求16或17所述的井下系统，其中，所述检测工具包括用于替换环状屏障中的自致动装置的替换装置(59)。