CN104169519A - 具有柔性连接部的环状屏障 - Google Patents

Abstract

一种用于在套管(3)和井眼(5)之间或套管和环绕的套管之间提供屏障的环状屏障(1)，其包括：-用于形成套管的一部分的管状部件(6)，该管状部件具有轴向延伸长度，-可膨胀金属套筒(7)，该可膨胀金属套筒与管状部件连接并环绕该管状部件和限定出可膨胀空间(13)，以及-与可膨胀空间流体连接的开口(11)，该开口使流体从管状部件内部流向可膨胀空间以使套筒膨胀，其中，所述环状屏障还包括使套筒与管状部件连接的管状金属元件(20，20A)，其在轴向方向上具有延伸长度，具有与管状部件连接的第一端部(21)和与可膨胀套筒连接的第二端部(22)，其中所述第一端部布置成与所述第二端部相比沿着管状部件的轴向延伸长度距离所述开口更近。此外，本发明涉及一种环状屏障系统和一种用于在套管和井眼之间或套管和环绕的套管之间提供屏障的方法。

Description

具有柔性连接部的环状屏障

技术领域

本发明涉及一种用于在套管与井眼之间或套管与环绕的套管之间提供屏障的环状屏障。

背景技术

在井眼中，环状屏障用于不同目的，诸如为了提供用于内部管状结构和外部管状结构之间或内部管状结构和井眼的内壁之间的流动的屏障。环状屏障被安装成作为井管结构的一部分。环状屏障具有被环状的可膨胀套筒环绕的内壁。可膨胀套筒通常由弹性体材料制成，但是也可以由金属制成。套筒在其端部处被紧固至环状屏障的内壁。

为了密封内部管状结构和外部管状结构之间或井管结构和井眼之间的区域，使用第二环状屏障。第一环状屏障在待被密封的区域的一侧上膨胀，并且第二环状屏障在该区域的另一侧上膨胀，由此，该区域被密封。

当膨胀时，环状屏障的可膨胀套筒与环状屏障的管状部件借助于一滑动端和一固定端相连接。然而，已发现滑动端对于所有井下条件都不够紧密。

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，其不具有滑动端或至少具有使可膨胀套筒与所述管连接的改进的滑动端。

将从下文的描述中变得显而易见的上述目的连同许多其它目的、优点和特征通过根据本发明的解决方案来实现，即通过用于在套管和井眼之间或套管和环绕的井眼之间提供屏障的环状屏障来实现，该环状屏障包括：

-用于形成套管的一部分的管状部件，该管状部件具有轴向延伸长度(延伸部，extension)，

-可膨胀金属套筒，该可膨胀金属套筒与管状部件连接并环绕该管状部件和限定出可膨胀空间，以及

-与可膨胀空间流体连接的开口，该开口使流体从管状部件内部流向可膨胀空间，以使所述套筒膨胀，

其中，所述环状屏障还包括使套筒与管状部件连接的管状金属元件，其在轴向方向上具有延伸长度，第一端部与管状部件连接，第二端部与可膨胀套筒连接，以及

其中，所述第一端部布置成与所述第二端部相比沿着管状部件的轴向延伸长度距离所述开口更近。

在某些井下环境中，压力和温度都非常高，这使得很难使用具有弹性可膨胀套筒的封隔器。在本解决方案中，可膨胀套筒由金属制成，并且当这种较刚硬的材料膨胀时，环状屏障的设计已被改变，使得可膨胀金属套筒不会在膨胀过程中开裂，这中开裂将破坏其密封能力。在现有技术解决方案中，可膨胀套筒经由至少一个具有弹性体密封件的滑动端连接至管状部件，其中，与具有弹性体可膨胀套筒的封隔器类似地，其不适于在某些井下使用。

通过具有使套筒与管状部件相连接的管状金属元件——其中管状金属元件的第一端部与管状部件相连接，第二端部与可膨胀套筒相连接——所述套筒可以膨胀而不显著变薄。这是由于管状金属元件是可挠曲的，从而为套筒提供附加的挠曲能力。如果套筒只是在其端部弯曲，该弯曲会伸直，这会在所述套筒和所述管状部件之间的连接部中产生非常高的应力，导致与管状部件的连接部中产生开裂并因此导致环状屏障泄漏。通过具有被紧固的管状金属元件使得第一端部与第二端部相比布置成沿管状部件的轴向延伸长度距离所述开口更近，该元件旨在使管状金属元件与管状部件之间的角度在环状屏障膨胀期间保持在最小值。

在一个实施例中，所述套筒可以由金属制成。

此外，管状金属元件可以被制成单独的元件。

此外，所述第一端部可以连接至管状部件，所述第二端部可以连接至可膨胀套筒。

管状金属元件可以在环状屏障未膨胀状态下不具有弯曲部。

此外，管状元件的第一端部可被焊接至管状部件和/或管状元件的第二端部可被焊接至套筒。

在一个实施例中，管状元件的第一端部可被焊接至管状部件以使焊接连接部面向所述空间。

此外，管状元件可在所述第一端部和第二端部之间具有不与套筒和管状部件连接的中间部。

所述中间部可以不与套筒和管状部件连接。

通过具有不与套筒和管状部件连接的中间部，该中间部可以自由移动并因此弯曲或挤压在一起。

此外，管状元件的中间部可以是与套筒和管状部件分离的。

此外，该中间部可以是波纹状的。

此外，该中间部可以沿轴向延伸长度是波纹状的。

此外，该波纹状的中间部可包括一系列平行的脊和沟，并且可以沿轴向延伸长度在每个脊和每个沟之间布置一距离。

在套筒的膨胀过程中，所述波纹状的中间部沿轴向延伸长度被压缩。由此，每个脊和每个沟之间的距离减小，从而减小了波纹状的中间部的长度。

在一个实施例中，该中间部可沿轴向延伸长度具有长度，并且该中间部可以沿轴向延伸长度比套筒更具压缩性，使得中间部的长度随着套筒膨胀而减小。

此外，该中间部可包括面向管状部件的第一表面和面向套筒的第二表面，其中至少一个表面包括周向凹槽。

此外，所述第二表面可包括从第二表面向下延伸到中间部内的多个周向凹槽。

当套筒膨胀时，所述第二端部被沿轴向延伸长度朝着开口向上拉，因此中间部由于第二表面中的周向凹槽而开始沿径向延伸长度远离管状部件弯曲，从而导致中间部的长度减小。

此外，管状元件可以在环状屏障的未膨胀状态下具有初始长度，在环状屏障的膨胀状态下具有膨胀长度，所述膨胀长度沿轴向延伸长度比初始长度短。

此外，管状元件可以由比可膨胀套筒的材料更具柔性的材料制成。

在本发明的一个实施例中，中间部可沿轴向延伸长度具有第一弹性模量，并且套筒可沿轴向延伸长度具有第二弹性模量，所述第一弹性模量比所述第二弹性模量低。

此外，所述第一弹性模量可以比所述第二弹性模量低10％，优选低25％，更优选低40％。

此外，管状元件的第一端部可被焊接至管状部件和/或管状元件的第二端部可被焊接至套筒。

此外，套筒可具有两个端部，每个端部借助于管状元件与管状部件相连接。

此外，套筒可包括与管状部件连接的第一端。

环状屏障还可包括使套筒的第二端部与管状部件相连接的第二管状元件，该第二管状元件在轴向方向上具有延伸长度，以及具有与管状部件连接的第一端部和与第二套筒端部连接的第二端部，第一端部布置成与第二端部相比沿着管状部件的轴向延伸长度距离所述开口更近。

在一个实施例中，套筒可以具有第一端和第二端，第一套筒端部连接至管状元件，第二套筒端部连接至管状部件。

本发明还涉及一种环状屏障系统，其包括套管和至少一个如上所述的环状屏障，其中所述管状部件可以形成所述套管的一部分。

所述环状屏障系统还可包括具有形成套管的一部分的管状部件的流入控制部段和所述流入控制部段的管状部件中的用于使流体从环绕的储层流入套管的开口。

此外，可以在所述流入控制部段的开口中布置流入控制阀。

最后，本发明涉及一种用于借助于上述环状屏障在套管和井眼之间或套管和环绕的套管之间提供屏障的方法，该方法包括以下步骤：

-使流体从管状部件内部经由管状部件中的开口流至环状屏障的可膨胀空间，以使环状屏障的可膨胀套筒膨胀，

其中管状元件的第二端部在套筒的膨胀期间被压向管状元件的第一端部，该第一端部布置成与第二端部相比沿着管状部件的轴向延伸长度距离所述开口更近，从而导致管状元件的长度沿轴向延伸长度减小。

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许多优点，所附示意图出于示意目的示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图，

图2示出图1的环状屏障在其膨胀状态下的剖视图，

图3示出另一环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图，

图4示出图3的环状屏障在其膨胀状态下的剖视图，

图5示出又一环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图，

图6示出图5的环状屏障在其膨胀状态下的剖视图，

图7示出具有周向密封元件的再一环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图，

图8示出图7的环状屏障在其膨胀状态下的剖视图，

图9示出环状屏障系统的剖视图，

图10示出具有波纹的又一环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图，

图11示出图10的环状屏障在其膨胀状态下的剖视图，

图12示出仅具有一个管状元件的环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图，和

图13示出图12的环状屏障在其膨胀状态下的剖视图。

所有附图都是高度示意性的且未必按比例绘制，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1所示的环状屏障1用于在井管结构3与井下井眼5的内壁4之间的环空2中膨胀，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，如图2和9所示。管状结构3可以是生产套管或衬管。环状屏障1包括作为井管结构3的一部分通过螺纹连接部40安装的管状部件6。该管状部件6具有沿着与井管结构3的纵向轴线同轴的纵向轴线14的轴向延伸长度。环状屏障1包括环绕管状部件6并限定出与管状部件6的内部15流体连通的空间13的可膨胀金属套筒7。环状屏障1还包括与所述可膨胀空间13流体连接以用于使流体从管状部件6内部流至所述空间以使所述套筒7膨胀的开口11。环状屏障1还包括连接金属套筒7与金属管状部件6的管状金属元件20。管状金属元件20沿管状部件的轴向延伸长度具有延伸长度，并且管状金属元件的第一端部21与管状部件连接，管状元件的第二端部22与可膨胀金属套筒7连接。可以看出，第一端部21布置成与第二端部22相比沿着管状部件6的轴向延伸长度距离开口11更近。可膨胀金属套筒7的每一端9、10经由管状金属元件20与管状部件6连接。

在图1中，环状屏障1包括第一管状金属元件20A和第二管状金属元件20B两者。第一管状金属元件20A使可膨胀金属套筒7的第一端9与管状金属元件20的第二端部22连接，使管状金属元件20的第一端部21与管状部件6连接。第二管状金属元件20B使可膨胀金属套筒的第二端10与第二管状金属元件20B的第二端22连接。此外，第二管状金属元件20B的第一端部21与管状部件6连接。

环状屏障1具有用于使流体进入可膨胀空间13以使所述金属套筒7膨胀的开口11。开口11布置在管状部件6中，使得当管状部件6和套管3被加压时，允许流体直接进入可膨胀空间13，以使环状屏障的可膨胀金属套筒7膨胀。可膨胀金属套筒7通常通过从井的顶部对井管结构3加压而膨胀，这允许若干环状屏障同时膨胀。还可以在孔口中布置阀，例如单向阀。

环状屏障1，即管状部件、套筒和管状元件均由金属制成。当使用加压流体使金属套筒膨胀时，所需要的力的大小显著高于使用弹性体套筒时所需的力。当膨胀时，套筒7的长度沿纵向轴线14缩减，在现有技术方案中，至少一端需要关于管状部件滑动以避免可膨胀套筒7显著减薄。具有包含密封件的滑动端产生显著的泄漏风险，这可能会妨碍套筒7膨胀。

通过具有环状屏障1，其中连接至管状部件6的管状金属元件20的第一端部21布置成与连接至金属套筒的一端9的第二端部22相比沿着管状部件的轴向延伸长度距离开口11更近，在管状部件和可膨胀金属套筒7之间提供了柔性连接。因此，提供了柔性的连接部，因为当套筒膨胀时管状元件20弯曲或压缩其自身来补偿可膨胀金属套筒7的轴向缩减。

在一些井的井下，环境非常恶劣，其中压力和温度都非常高并且可能存在酸，这使得很难使用具有弹性体可膨胀套筒的封隔器。在本解决方案中，可膨胀套筒是金属套筒，并且当这种较刚硬的材料膨胀时，环状屏障的设计与已知方案相比必须改变，使得可膨胀金属套筒不会在膨胀过程中开裂，这种开裂将破坏其密封能力。通过具有使套筒与管状部件连接的管状金属元件，套筒可以膨胀而不会显著变薄。这是由于管状金属元件可挠曲，从而为套筒提供所需的挠曲能力。如果套筒仅在其端部弯曲，那么该弯曲会伸直，这会在套筒与管状部件的连接部中产生非常高的应力，导致在屏障的膨胀过程中与管状部件的连接部中产生开裂并因此导致环状屏障泄漏。管状金属元件的刚性使管状金属元件与管状部件之间的角度在它们之间的连接部处保持在最小值，因此连接部不会在膨胀过程中开裂。

在图1中，管状金属元件20包括布置在第一端部21和第二端部22之间的中间部18。中间部18未连接至套筒7和管状部件6。在图2中，环状屏障1的套筒7已膨胀，并且套筒的端部9、10向外移动远离所述管状部件6，以补偿套筒的轴向缩减。

在图3和4中，管状元件20A、20B和管状部件6的连接部布置成与图1和2中的方案相比距离开口11更近。这样，可膨胀金属套筒7可以膨胀到甚至比图1和2的方案中更大的总直径，因为管状金属元件20还通过向外延伸来进行补偿并使套筒与管状部件6连接。

在图5中，中间部18沿轴向延伸长度是波纹状的，因此管状元件20在横截面中可见具有波纹23。在图6中，管状金属元件20的中间部18在可膨胀金属套筒7的膨胀过程中已被压缩。在图5中，管状金属元件20具有初始长度L_i，该初始长度在膨胀过程中减小以适合已膨胀的金属套筒7的较短的长度。膨胀后，管状金属元件20具有比初始长度L_i短的长度L_ex。这样，不需要滑动环状屏障端来补偿套筒在其膨胀状态下的较短的长度。在图5和6中，中间部18沿轴向延伸长度比套筒更具压缩性，这意味着中间部的长度在套筒7膨胀时被缩短。波纹23被压在一起，如图5所示。

中间部18包括面向管状部件6的第一表面30和面向套筒7的第二表面31。在图7中，两个表面30、31均包括周向凹槽32。在图8中，套筒已膨胀，所述凹槽被压在一起，使所述管状元件的长度L_ex比当环状屏障处于未膨胀状态下的长度更短，如图7所示。

如图7所示，环状屏障1具有外表面28和通过管状环元件26与外表面连接的周向密封元件25。当可膨胀套筒7膨胀时，管状环元件26阻碍了金属套筒7的自由膨胀，如图8所示，并且套筒在膨胀过程中形成较小的波纹27，从而加强了套筒，导致环状屏障的抗坍塌级别上升。

在图1中，管状元件20由比可膨胀套筒7的材料更具柔性的材料制成，使得管状金属元件比可膨胀金属套筒更具柔性。通过更具柔性，所述管状元件20向外弯曲以便补偿可膨胀金属套筒7沿轴向延伸长度的较短长度。因此，中间部18可沿轴向延伸长度具有第一弹性模量，套筒7可沿轴向延伸长度具有第二弹性模量，所述第一弹性模量比所述第二弹性模量低。所述第一弹性模量比所述第二弹性模量低10％，优选低25％，更优选低40％。

如在图1至8中可见，管状金属元件20的第一端部21被焊接至管状部件6，如图2中附图标记41所示，管状金属元件20的第二端部22被焊接至金属套筒7，如图2中附图标记42所示。焊接是用于连结两个管状部件的简单方法，它提供了足够紧密的连接。管状金属元件20的第一端部21与金属的管状部件6焊接在一起，并且可膨胀金属套筒随后布置成使得其环绕管状部件6和管状金属元件20，并且管状金属元件20的第二端部与可膨胀金属套筒7焊接在一起。

如所提到的，管状元件20的面向套筒的外表面和第二表面可以具有凹槽，如图10所示。在可膨胀套筒7的膨胀过程中，凹槽减小，并且管状元件20随着可膨胀套筒7的膨胀而向外弯曲。可膨胀套筒还向外移动和缩短长度。然而，套筒具有弯曲的横截面形状，因为它被焊接至管状元件和被管状元件阻止自由膨胀，如图11中所示。

在图12和13中，环状屏障1仅包括一个管状金属元件20。在图12中，环状屏障1处于其未膨胀状态，而在图13中，环状屏障处于其膨胀状态。第一套筒端9连接至管状金属元件20的第二端部22，管状金属元件的第一端部21连接至管状部件。金属套管7的第二端10直接连接至管状部件，这意味着第二套筒端10被在没有任何管状元件的情况下连接到管状部件。因此，可膨胀金属套筒7的一端与管状部件固定地直接连接，另一端通过管状金属元件20与管状部件间接地连接。这样，可以避免用于将套筒7可滑动地紧固至管状部件的可滑动端。

可以在管状部件6的开口中布置阀。该阀可以是单向阀，以使注入所述空间内的流体被截留在空间13中，然后，管状部件和井管结构3，也称为套管，不再被加压以使可膨胀套筒7膨胀。

本发明还涉及一种环状屏障系统100，如图9所示，该系统包括套管和至少一个环状屏障，其中所述管状部件形成套管的一部分。

环状屏障系统100还可包括具有形成套管的一部分的管状部件的流入控制部段120，以及流入控制部段120的管状部件中的开口121，所述开口用于使流体从环绕的储层流入套管。在流入控制部段120的开口中可以布置流入控制阀122。

环状屏障系统100还包括具有隔离装置的工具(未示出)，该隔离装置隔离管状部件内部的与开口对向的一部分，从而向管状部件内部的该被隔离部分加压，并因此向空间13加压，以使套筒7膨胀。该隔离装置可以是可充胀的弹性体元件或金属封隔器。该工具还包括用于从管状部件6的与被隔离部分对向的内部将流体泵送到被隔离部分内以使可膨胀套筒膨胀7的泵装置。环状屏障系统100还可以具有多个环状屏障1。

当环状屏障1的可膨胀套筒7膨胀时，所述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(在图1中示出)并且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7具有壁厚t(在图1中示出)，该壁厚比可膨胀套筒的长度L(在图1中示出)小，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％。

用于使可膨胀套筒膨胀的流体可以是存在于环绕所述工具和/或井管结构3的井眼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，诸如与粘合剂或固化剂混合或反应的粉末或颗粒。所述流体的一部分，诸如固化剂，可以在后续流体被注入到腔室内之前存在于介于所述管状部件与所述可膨胀套筒之间的腔体内。

流体或者井流体指的是任意类型的可存在于油井或气井井下的流体，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。

尽管上面已经结合本发明的优选实施例描述了本发明，但显而易见的是，本领域技术人员在不脱离由下述权利要求限定的本发明的情况下可以设想若干变型。

Claims (15)

1.一种用于在套管(3)和井眼(5)之间或套管和环绕的套管之间提供屏障的环状屏障(1)，所述环状屏障包括：

-用于形成套管的一部分的管状部件(6)，该管状部件具有轴向延伸长度，

-可膨胀金属套筒(7)，该可膨胀金属套筒与所述管状部件连接并环绕该管状部件和限定出可膨胀空间(13)，以及

-与所述可膨胀空间流体连接的开口(11)，该开口使流体从所述管状部件内部流向所述可膨胀空间，以使所述套筒膨胀，

其中，所述环状屏障还包括使所述套筒与所述管状部件连接的管状金属元件(20，20A)，所述管状金属元件沿所述轴向延伸长度具有延伸长度，并且具有与所述管状部件连接的第一端部(21)和与所述可膨胀套筒连接的第二端部(22)，和

其中所述第一端部与所述第二端部相比布置成沿着所述管状部件的轴向延伸长度距离所述开口更近。

2.根据权利要求1所述的环状屏障，其特征在于，所述管状金属元件被制成单独的元件，并且随后所述第一端部连接至所述管状部件，所述第二端部连接至所述可膨胀套筒。

3.根据权利要求2所述的环状屏障，其特征在于，所述管状金属元件在所述环状屏障未膨胀状态下不具有弯曲部。

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，所述管状元件的所述第一端部被焊接至所述管状部件和/或所述管状元件的所述第二端部被焊接至所述套筒。

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，所述管状元件的所述第一端部被焊接至所述管状部件，使得被焊接的连接部面向所述空间。

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，所述管状元件在所述第一端部和所述第二端部之间具有不与所述套筒和所述管状部件连接的中间部(18)。

7.根据权利要求6所述的环状屏障，其特征在于，所述中间部是波纹状的。

8.根据权利要求6或7所述的环状屏障，其特征在于，所述中间部沿所述轴向延伸长度具有长度，并且该中间部沿所述轴向延伸长度比所述套筒更具压缩性，从而导致所述中间部的长度随着所述套筒的膨胀而减小。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述中间部包括面向所述管状部件的第一表面(30)和面向所述套筒的第二表面(31)，其中至少一个所述表面包括周向凹槽(32)。

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，所述管状元件由比所述可膨胀套筒的材料更具柔性的材料制成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其特征在于，所述套筒具有两个端部(9，10)，每个端部都通过管状元件与所述管状部件连接。

12.一种环状屏障系统，该环状屏障系统包括一套管和至少一个根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述管状部件形成所述套管的一部分。

13.根据权利要求12所述的环状屏障系统，还包括具有形成套管的一部分的管状部件的流入控制部段(120)和所述流入控制部段的管状部件中的用于使流体从环绕的储层流入套管的开口(121)。

14.根据权利要求13所述的环状屏障系统，其特征在于，在所述流入控制部段的所述开口中布置有流入控制阀(122)。

15.一种用于借助于根据权利要求1至11中任一项所述的环状屏障在套管和井眼之间或套管和环绕的套管之间提供屏障的方法，该方法包括以下步骤：

-使流体从管状部件内部经由所述管状部件中的开口流至所述环状屏障的可膨胀空间，以使所述环状屏障的可膨胀套筒膨胀，

其中管状元件的第二端部在套筒的膨胀期间被压向所述管状元件的第一端部，所述第一端部布置成与所述第二端部相比沿着所述管状部件的轴向延伸长度距离所述开口更近，从而导致所述管状元件沿轴向延伸长度的长度减小。