CN104169518A - 具有可膨胀管的环状屏障 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环状屏障(1)，该环状屏障用于作为井管状结构(3)的一部分安装，该环状屏障适于在井管状结构和井筒(4)的内壁(41)之间的环空(2)中膨胀。该环状屏障包括：在纵向方向上延伸的管状部件(6)；各具有沿纵向方向在管状部件的外侧延伸的中心轴线(72)的一个或多个可膨胀管(7)；可膨胀套筒形式的密封元件(8)，该密封元件设置在所述一个或多个可膨胀管的外表面上，用于抵靠井筒的侧壁提供密封，可膨胀套筒在所述一个或多个可膨胀管的外侧延伸。此外，本发明还涉及在环空中使环状屏障膨胀的方法并涉及井下系统。

Description

具有可膨胀管的环状屏障

技术领域

本发明涉及一种用于作为井管状结构的一部分安装的环状屏障，该环状屏障适于在井管状结构和井筒的内壁之间的环空中膨胀。此外，本发明涉及在环空中使环状屏障膨胀的方法并涉及一种井下系统。

背景技术

在碳氢化合物生产井中，环状屏障或封隔器经常被用来密封井筒的一个部段，例如地层中的产油层。该部段可以被封闭以避免过量的水从井筒的其它部分流入生产套管。

已知环状屏障通常包括在纵向方向上延伸的管状部件，例如由可膨胀套筒环绕的套管。可膨胀套筒在位于所述套管与井筒的内壁之间的环空中膨胀。在这样的结构中，可膨胀套筒经常布置成与管状部件大致同心，并且所述可膨胀套筒的中心轴线与管状部件的中心轴线重合。因此，可膨胀套筒的中心轴线在管状部件内部延伸。

当设计一个井时，难以设定井筒的确切直径。此外，该直径可以由于地层的成分变化而沿着井筒的延伸长度显著改变。井筒的壁部可以例如在钻探过程中或之后部分地坍塌，或者井中流动的流体可以侵蚀壁，从而影响井筒的直径。

关于现有技术的环状屏障存在若干缺点。已知的环状屏障可被膨胀到外径超过套管外径的最多20-30％。这在井的某些部分可能是足够的，但是，在具有增大的直径的井部段，可能不足以提供套管和井筒壁之间的适当的密封。

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。更具体地，本发明的一个目的是提供一种能围绕井管状结构密封一个较大的环空的改进的环状屏障。

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，即通过一种用于作为井管状结构的一部分安装的环状屏障，该环状屏障适于在井管状结构与井筒的内壁之间的环空中膨胀，该环状屏障包括：

-在纵向方向上延伸的管状部件，和

-具有沿纵向方向在管状部件的外侧延伸的中心轴线的可膨胀管。

在此，环状屏障可充分膨胀从而比现有技术的环状屏障密封更大的环空。

在本发明的一个实施例中，可膨胀管的中心轴线可以布置在管状部件的外侧。

此外，可膨胀管的中心轴线可以在纵向方向上绕管状部件盘绕。

此外，可膨胀管可以在纵向方向上绕管状部件盘绕。

在一个实施例中，可膨胀管的内部空间可以与管状部件的内部通路流体连通。

此外，处于未膨胀状态的所述可膨胀管的横截面可以是大致椭圆形的。

此外，处于未膨胀状态的所述可膨胀管的横截面的形状可包括多个折痕。

此外，处于膨胀状态的所述可膨胀管的横截面可以是大致圆形的。

在一个实施例中，所述环状屏障可包括沿纵向方向在管状部件的外侧延伸的多个可膨胀管。

根据本发明的环状屏障还可包括设置在所述一个或多个可膨胀管的外表面上用于抵靠井筒的内壁提供密封的密封元件。

此外，密封元件可以是在一个或多个可膨胀管的外侧延伸的可膨胀套筒。

此外，密封元件可以由金属、聚合物、弹性体、橡胶或可膨胀的材料制成。

此外，所述一个或多个可膨胀管可以至少部分地嵌入在密封材料中。

环状屏障还可包括一个或多个密封条带，该密封条带包围所述密封元件或可膨胀套筒以提供附加的密封。

此外，环状屏障可包括布置在所述管状部件的外侧上的用于将所述一个或多个可膨胀管附接至管状部件的连接部分。

在一个实施例中，连接部分可以使所述一个或多个可膨胀管的每一个的一个端部附接至管状部件。

此外，环状屏障可包括第二连接部分，用于使所述一个或多个可膨胀管的每一个的对向端附接至管状部件。

此外，环状屏障可包括用于附接所述一个或多个可膨胀管的相对端的固定连接部分和滑动连接部分。

在环状屏障的一个实施例中，连接部分可包括用于提供所述一个或多个可膨胀管的内部空间与所述管状部件的内部通路之间的流体连通的一个或多个流体通道。

此外，处于膨胀位置的环状屏障的外直径可高达管状部件的外径的150％。

此外，处于膨胀位置的环状屏障的外直径可以是管状部件的外径的140％到150％。

因此，环状屏障能够在具有极大变化的内径的井筒中提供足够的密封。

本发明还涉及在井管状结构与井筒的内壁之间的环空中膨胀如上所述的环状屏障的方法，该方法包括以下步骤：

-通过将流体注入可膨胀管的内部空间来膨胀所述一个或多个可膨胀管，由此可膨胀管的横截面从大致椭圆形状变换成大致圆形的形状。

在一个实施例中，可以通过对管状部件的内部通路加压而将流体注入到内部空间，因此流体被注入到井管状结构中，提供了管状结构的内部通路与可膨胀管的内部空间之间的流体连通。

最后，本发明涉及一种井下系统，包括：

-井管状结构，和

-如上文所述的作为井管状结构的一部分安装的一个或多个环状屏障。

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，所述示意图出于示意目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1a和1b示出环状屏障分别处于未膨胀状态和膨胀状态的纵向剖视图，

图2a示出图1a的环状屏障沿着线2a-2a'截取的剖视图，

图2b示出图1b的环状屏障沿着线2b-2b'截取的剖视图，

图2c示出包括部分嵌入密封元件的可膨胀管的另一个环状屏障的横截面图，

图3a示出环状屏障处于未膨胀状态，其中包括盘绕的管，

图3b示出图3a的环状屏障的纵向剖视图，

图3c示出图3a的环状屏障沿线3c-3c'截取的剖面图，

图4a示出图3a的环状屏障处于膨胀状态，

图4b示出图4a的环状屏障的纵向剖视图，

图5a和5b示出另一个环状屏障分别处于未膨胀状态和膨胀状态的纵向剖视图，包括设置在所述可膨胀管的外表面上的密封元件，

图6a和6b示出另一个环状屏障分别处于未膨胀状态和膨胀状态的纵向剖视图，包括可膨胀套筒形式的密封元件，

图7a和7b示出另一个环状屏障分别处于未膨胀状态和膨胀状态的纵向剖视图，包括再一构型的密封元件，以及

图8示出包括环状屏障的井下系统。

所有附图都是高度示意性的且未必按比例，它们仅示出为了阐明本发明所必需的那些部分，其它部分省略或仅予以暗示。

具体实施方式

图1a和1b示出了在图8所示的井下系统100中用于作为井管状结构3的一部分安装的环状屏障1。环状屏障1包括在纵向方向上延伸的管状部件6和在管状部件6的外侧延伸的多个可膨胀管7，也示于图2a和2b中。可膨胀管7布置成围绕管状部件6的外周，因此各可膨胀管的中心轴线72在管状部件6的外侧沿着环状屏障1的纵向方向延伸。这与背景技术所述的现有技术的环状屏障设计不同，在现有技术中，在纵向方向延伸的管状部件例如套管由包围管状部件的可膨胀套筒环绕。可膨胀管7经由连接部分9附接至管状部件6。连接部分9包括流体通道91以用于提供各可膨胀管的内部空间73与管状部件6的内部通路31之间的流体连通。流体通道91在管状部件6中的孔口61与设置在各可膨胀管7的一端的入口74之间延伸。

如图1a所示，可膨胀管7的一端附接至连接部分9。可膨胀管的对向端(图1a中未示出)也可附接至布置于管状部件6的外侧上的连接部分9。这与图1所示的连接部分相似，除了仅在连接部分中的一个中需要流体通道之外。环状屏障1还包括设置在多个可膨胀管7的外表面71上的密封元件8。在图1a中，密封元件8是可膨胀套筒81，其至少一端与管状部件6以密封关系相接合。因此，可膨胀套筒81适于提供管状部件6与井筒4的内壁41之间的密封屏障，因为可膨胀管7在膨胀时朝着井筒4的内壁推可膨胀套筒。在图1a所示的环状屏障中，可膨胀套筒81附接至连接部分9，然而，它也可直接附接至管状部件6或可膨胀管7。密封元件8和/或可膨胀套筒81可以由金属、聚合物、弹性体、橡胶、可膨胀材料等制成。具有由可膨胀材料制成的密封元件可以进一步增加密封元件或可膨胀套筒81的密封效果，因为该材料可以设计成当与特定类型的流体例如水或井筒中存在的其它井流体如注入液体或气体等接触时膨胀。此外，环状屏障1可包括设置于密封元件8或可膨胀套筒81的外侧以用于提供抵靠井筒4的内壁41的附加密封的附加密封条带82。

在图1a中，可膨胀管7示出于未膨胀状态，而图1b示出同一可膨胀管处于膨胀状态。为了膨胀该可膨胀管7，从流体连接至井管状结构3的管状部件6的内部通路31经由连接部分9中的流体通道91向可膨胀管的内部空间73注入流体，如图8所示。流体从井的顶部被加压，因此井管状结构3被加压以能够膨胀该可膨胀管7。在膨胀状态下，可膨胀管7增大环状屏障1的外径D1_e。

图2a和2b分别是图1a和1b所示的环状屏障的剖视图。在图2a中，环状屏障1示出成在膨胀之前的未膨胀状态。可膨胀管7通过连接部分9附接并保持在沿着环状屏障1的轴向延伸方向上，在各可膨胀管7的一端示出的入口74与连接部分中的流体通道连接。如图2a所示，处于未膨胀状态的可膨胀管7的横截面是大致椭圆形的。当可膨胀管7膨胀至膨胀状态时，如图2b所示，可膨胀管的横截面从大致椭圆形变换成大致圆形的形状。因此，环状屏障1的外径D1显著增大，可膨胀套筒81被向外推，如图2b所示。通过在管状部件6的外周的周围提供具有大致椭圆型横截面的多个可膨胀管7，环状屏障1的外径D1可以从较小的直径增大到较大的直径。这是通过借助于流体膨胀该可膨胀管7从而改变可膨胀管7的横截面的形状和/或通过拉伸可膨胀管的材料来完成的。在另一构型(未示出)中，可膨胀管7可在未膨胀状态具有一横截面形状并且包括多个折痕。通过对可膨胀管7加压，折痕变平整，可膨胀管的外部有效直径可以增大。

在图2c中，示出了环状屏障的另一构型的剖视图。在这种构型中，可膨胀管7至少部分地嵌入密封元件8。因此，当可膨胀管被膨胀时，密封元件8膨胀，从而增大了密封元件的外径。因此，密封元件在膨胀过程中从管状部件向外移动。在另一个实施例中，可膨胀管7部分地或完全地嵌入在密封元件8中，密封元件8可仅部分地环绕可膨胀管7，因此密封元件并未布置在可膨胀管与管状部件6之间。

图3a和3b示出了根据本发明的一个实施例的环状屏障的另一构型。该环状屏障1包括在纵向方向上延伸的管状部件6和在管状部件6的外侧延伸的可膨胀管7。可膨胀管7在纵向方向上在管状部件6的周围盘绕。如图3c所示，可膨胀管7经由包括流体通道91的连接部分9附接至管状部件6，该流体通道91用于经由管状部件中的孔口61提供可膨胀管的内部空间73与内部通路31之间的流体连通。可膨胀管的对向端(图3a和3b中未示出)也可以附接至布置于管状部件6的外侧上的连接部分，与图3a、3b和3c所示的连接部分相似，除了仅在连接部分中的一个中需要的流体通道之外。在另一种构型(未示出)中，环状屏障可包括在管状部件周围盘绕的多个平行延伸的可膨胀管。此外，两个连接部分都可具有与该可膨胀管的内部空间73连通的流体通道。

在图3a和3b中，可膨胀管7示出于未膨胀状态，而图4a和4b示出了同一可膨胀管处于膨胀状态。如先前所述，可膨胀管7通过经由连接部分9中的流体通道91将流体注入内部空间73来膨胀。此外，在膨胀过程中，可膨胀管7的横截面从大致椭圆形转换成大致圆形的形状，从而使环状屏障的外径D1显著增大。由于可膨胀管7在管状部件6周围盘绕，可膨胀管7的膨胀可能会导致盘绕的可膨胀管的缠绕的相互角度和/或缠绕的圈数改变。此外，可膨胀管7的膨胀具有的效果是，图3b所示的未膨胀的外径D1_u增大至图4b所示的已膨胀的外径D1_e。当外径增大时，如果可膨胀管的长度被保持恒定，则可膨胀管7在纵向方向上的延伸受到影响。因此，可膨胀管7的一端可以附接至一滑动连接部分(未示出)。可替代地，可膨胀管7可以仅在一端附接至管状部件6，如图3a所示。可膨胀管7也可以在两端都附接至管状部件6的固定位置。然而，这需要膨胀管的材料在可膨胀管的纵向方向上能够承受一些拉伸或减薄。

在另一构型中，图3a的环状屏障1还包括设置在所述多个可膨胀管7的外表面71上的密封元件8，如图5a所示。在所示的构型中，密封元件8沿可膨胀管的长度延伸并且设置在可膨胀管7的外表面71的最外部分上，潜在地面对井筒4的内壁41。在另一构型(未示出)中，密封元件8可以在可膨胀管7的部分或全部长度上设置于可膨胀管7的部分或全部外表面71的周围。密封元件8也可以构造成具有至少一个端部与管状部件6以密封关系相接合的可膨胀套筒81，如图6a和6b所示。此外，环状屏障1可包括设置于可膨胀套筒81的外侧的附加的密封条带82。密封元件8或可膨胀套筒81适于在管状部件6与井筒4的内壁41之间提供密封屏障，因为可膨胀管7膨胀并因而朝着井筒4的内壁41推密封元件8或可膨胀套筒81。如上面描述的，可膨胀套筒81可以附接至连接部分9，直接附接至管状部件6或可膨胀管7。

图7a和7b示出了环状屏障1的又一构型，其中可膨胀管7至少部分地嵌入密封元件8。因此，当可膨胀管膨胀时，密封元件8膨胀，因此增大了密封元件的外径，密封元件在膨胀过程中向外移动远离管状部件。

当上述环状屏障1膨胀时，处于膨胀状态的环状屏障的外径D1_e，如图4b中为示例性目的所示，高达管状部件的外径D2的150％，也在图4b中为示例性的目的示出。优选地，环状屏障1的外径D1_e可以膨胀至管状部件6的外径D2的140％至150％。通过这种程度的膨胀，环状屏障1能够在具有很大变化的内径的井筒中提供足够的密封。

图8示出了包括多个环状屏障1的井下系统100。为了说明性目的，井下系统100示出为包括不同构造的环状屏障1。然而，井下系统中包括的环状屏障1可以全部相同、全部不同或它们的组合。井下系统100还包括设置有两个环状屏障102的中间套管101，该环状屏障在介于中间套管101与井筒4的内壁41之间的环空2中膨胀以用于确保井的压力完整性。在中间套管101内，设置有井管状结构3的上部段，另一环状屏障103提供了中间套管101与井管状结构3之间的密封关系。井管状结构3从中间套管101向下延伸到井内。

井下系统100还包括用于使含烃流体进入井管状结构3的内部空间31的多个阀部段105。阀部段105可包含进流控制阀106和/或压裂阀(fracturing valve)107。此外，可以在阀的对面布置筛网108。井管状结构3可以是生产套管或注射套管和/或包括多种其它功能性元件，如滑动套筒、筛网、砾石过滤层等。

在使用中，一个或多个环状屏障1作为井管状结构3如套管的一部分安装，并下降到井筒4内。当环状屏障1将要膨胀时，例如，当地层的碳氢化合物生产区将被封闭时，通过注入流体从内部对井管状结构3加压。由于环状屏障1的一个或多个可膨胀管7的内部空间73与管状部件6的加压内部空间31流体连通，所述一个或多个可膨胀管被膨胀。

此外，可膨胀管7可以由任何种类的合适的金属制成。

环状屏障1的可膨胀套筒81可以由金属、聚合物、弹性体材料、硅树脂或天然或合成橡胶制成。

用于使可膨胀管7膨胀的流体可以是存在于环绕所述工具和/或井管状结构3的井筒中的任何种类的井流体。此外，所述流体可以是水泥、气体、水、聚合物，或二元混合物/二元化合物，诸如，与粘合剂或硬化剂混合或反应的粉末或颗粒。所述流体的一部分，诸如所述硬化剂，可以在后续流体被注入到介于所述管状部件6和所述可膨胀管7之间的腔室内之前存在于该腔室内。

流体或者井流体指的是任意类型的可存在于井下油井或气井中的流体，诸如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体指的是任意类型的在井、完井或者裸井中存在的气体成分，并且油指的是任意类型的油成分，诸如原油、含油流体等。因此，气体、油以及水流体均可分别包含除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。

套管指的是用在井下的与油或天然气生产有关的任意类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。

尽管已经结合本发明的优选实施例在上面描述了本发明，显而易见的是，本领域技术人员在不超出由下述权利要求限定的本发明的情况下可以想到若干变型。

Claims (12)

1.一种用于作为井管状结构(3)的一部分安装的环状屏障(1)，该环状屏障适于在井管状结构和井筒(4)的内壁(41)之间的环空(2)中膨胀，该环状屏障包括：

-在纵向方向上延伸的管状部件(6)，

-各具有沿纵向方向在管状部件的外侧延伸的中心轴线(72)的一个或多个可膨胀管(7)，和

-设置在所述一个或多个可膨胀管的外表面(71)上用于抵靠井筒的内壁提供密封的、可膨胀套筒(81)形式的密封元件(8)，所述可膨胀套筒(81)在所述一个或多个可膨胀管的外侧上延伸。

2.根据权利要求1所述的环状屏障，其特征在于，所述可膨胀管的中心轴线在纵向方向上盘绕所述管状部件。

3.根据权利要求1或2所述的环状屏障，其特征在于，所述可膨胀管(7)的内部空间(73)与所述管状部件的内部通路(31)流体连通。

4.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述可膨胀管在未膨胀状态的横截面是大致椭圆形的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述可膨胀管在膨胀状态的横截面是大致圆形的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述环状屏障包括沿纵向方向在所述管状部件的外侧上延伸的多个可膨胀管(7)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，还包括布置在所述管状部件(3)的外侧上以用于将所述一个或多个可膨胀管附接至所述管状部件的连接部分(9)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述连接部分包括用于提供所述一个或多个可膨胀管的内部空间与管状部件的内部通路(31)之间的流体连通的一个或多个流体通道(91)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，处于膨胀状态的所述环状屏障的外径(D1_e)高达所述管状部件的外径(D2)的150％。

10.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，处于膨胀状态的所述环状屏障的外径(D1_e)是所述管状部件的外径(D2)的140％至150％。

11.一种使根据权利要求1至10中任一项所述的环状屏障(1)在介于井管状结构(3)与井筒(4)的内壁(41)之间的环空(2)中膨胀的方法，该方法包括以下步骤：

-通过将流体注入可膨胀管(7)的内部空间(73)来膨胀所述一个或多个可膨胀管，由此可膨胀管的横截面从大致椭圆形状变换成大致圆形的形状。

12.一种井下系统(100)，包括：

-井管状结构(3)，和

-作为井管状结构(3)的一部分安装的一个或多个根据权利要求1至10中任一项所述的环状屏障(1)。