CN104334821A - 提高井管形件的密封的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
在多个方面，本发明提供了一种在井筒中使用的井隔离装置。该装置可以包括：可径向膨胀的密封元件，该密封元件设置成与井筒管形件的内壁接合；可径向膨胀的膨胀圆锥件，该圆锥件与密封元件成伸缩关系，膨胀圆锥件设置成使得密封元件膨胀；以及模锻件，该模锻件设置成与膨胀圆锥件伸缩接合和使得该膨胀圆锥件膨胀。本发明特征的上述实例是相当广义的概括，以便更好地理解下面的详细说明和可以清楚对本领域的贡献。
Description
发明人：K·施奈德米勒、T·E·拉格兰奇、B·瓦斯
本发明的背景技术
1.技术领域
本发明涉及用于隔离井筒中的一个或多个选定区域的装置和方法。
2.背景技术
在石油和天然气行业中，井钻入地下烃储层中。套管柱再延伸至井中，且该套管柱用水泥粘结就位。然后，套管柱能够穿孔，且井完成至储层。生产管柱可以同心地布置在套管柱中。在钻井、完成和生产阶段中，操作人员需要进行多种修补工作，对井、套管柱和生产管柱进行修理和维护。例如，可能意外或故意在管形部件中产生孔。也可选择，操作人员可能发现隔离某些区域将很有利。不管特殊用途如何，都需要将某些井下组件(例如衬垫补片)置于管形部件内，再将井下组件锚固和密封在管形部件内。
已经有多种装置试图来产生用于这些井下组件的密封和锚固。例如，美国专利No.3948321(标题为“LINER AND REINFORCINGSWAGE FOR CONDUIT IN A WELLBORE AND METHOD ANDAPPARATUS FOR SETTING SAME”，授予Owen等)公开了一种用于使用模锻装置和设置工具来将衬垫安置在导管内的方法和装置。Owen等公开了将衬垫锚固和密封在井筒中。
尽管普通的井筒密封装置通常已经很充分，但是很可能产生这样的情况，其中，这种普通的密封装置不能高效地使用。例如，井管形件的内径可能使得普通密封装置的插入复杂。在多个方面，本发明解决了现有技术的这些和其它缺陷。
发明内容
在多个方面，本发明提供了一种在井筒中使用的井隔离装置。该装置可以包括：可径向膨胀的膨胀密封元件，该膨胀密封元件设置成与井筒管形件的内壁接合；可径向膨胀的圆锥件，该圆锥件与密封元件成伸缩关系，膨胀圆锥件设置成使得密封元件膨胀；以及模锻件，该模锻件设置成与膨胀圆锥件伸缩接合和使得该膨胀圆锥件膨胀。
上面已经相当广义地概括了本发明的特征实例，以便可以更好地理解下面的本发明详细说明，并有助于本领域技术人员可以理解。当然，还有后面将介绍的本发明附加特征，这些附加特征将形成附加权利要求的主题。
附图说明
为了详细理解本发明，下面将结合附图详细介绍优选实施例，附图中，相同元件给出相同标号，且附图中：
图1是当定位在井筒中时本发明装置的一个实施例的示意剖视图，该井筒形成于地下岩层；
图2A-C表示了在多个安装阶段的本发明井隔离器的一个实施例；以及
图3A-C表示了用于部署图2A-C的井隔离器的本发明井隔离系统的一个实施例。
具体实施方式
本发明涉及用于锚固一个或多个井下工具和/或隔离井筒的一部分的装置和方法。本发明容易有不同形式的实施例。图中表示了本发明的特殊实施例，并将详细说明，且应当知道，本说明书应当认为是本发明原理的示例说明，而并不是将本发明限制为这里所示和所述的内容。
下面参考图1，图中表示了井，该井有形成于地下岩层12中的井筒10。井可以水平、多边形、细长孔、单孔或地热的。井筒10包括套管14，该套管14可以水泥粘接就位。在地面上，井头部16和相关设备定位在井筒10上面。已经知道，生产流体例如石油和天然气沿井筒10向上流向地面。在一些情况下，在井筒10中的区域18可能需要隔离，以防止井筒流体(例如侵入生产区域的钻井液、形成的液体(例如水))进入井筒10，和/或使得井筒管形件稳定。这种不合适的流体流或管形件不稳定性可能由于不连续部分20(例如人造孔、腐蚀等)而产生。在一些情况下，将修补工具送至区域18可能由于一个或多个减小直径部分22而变复杂，该减小直径部分22限制了能够传送至区域18的工具的外径。
本发明的实施例包括径向紧凑的井隔离系统26，该井隔离系统26可以用于在这些情况下提供在井筒管形件(例如套管、衬垫、生产管等)中的穿孔、裂口、腐蚀和/或泄露处的长期隔离/强度。井隔离系统26可以包括隔离器30，该隔离器30由设置工具28来驱动。井隔离系统26可以通过合适的传送装置29(例如电线/金属线、光滑线、管、钻管或盘管)而送入井筒中。
设置工具28可以是产生轴向负载的已知工具。设置工具28可以利用电力、增压流体、能量材料或任意其它已知方法来提供能量。如后面更详细所述，井筒隔离系统26的尺寸可以设置成穿过井下限制部分，但是具有一定范围的径向膨胀，该径向膨胀能够与套管14或其它的井下井管形件的内径接合。另外，井筒隔离系统26可以利用多个膨胀部件来提供逐渐堆垛的密封组件。
下面参考图2A-C，图中更详细地表示了井筒隔离器30的一个实施例，该井筒隔离器30可以用于隔离井的合适部分。图2A表示了当插入孔中时和在设置之前的隔离器30。隔离器30可以包括模锻件32，该模锻件32是不可变形的管形部件，具有：锥形端部34、膨胀圆锥件36，该膨胀圆锥件36是具有锥形端部38的可变形元件；以及密封元件40，该密封元件40是抵靠井筒管形件的内表面接合和密封的可变形元件。膨胀圆锥件36和密封元件40可以有扩口端部，用于接收相邻元件。在一个方面，模锻件32、膨胀圆锥件36和密封元件40可以是串联对齐的管形部件，它们相互可伸缩地接合。可伸缩的意思是一个管滑入相邻管的孔内。
密封元件40可以包括密封部分42，该密封部分42设置成锚固和/或密封抵靠合适的井管形件表面。密封部分42可以包括周向肋、o形环或其它特征，以便提供合适流体密封(例如液体密封或气密)的密封件。密封元件40还可以包括连接器端部44，该连接器端部44的形状设置成接收或与附加元件连接(例如图3A的型面附件90)。
下面参考图2B，模锻件32表示为在轴向驱动至膨胀圆锥件36的扩口端内之后和在密封元件40膨胀之前。因为模锻件32由比膨胀圆锥件36更硬或更刚性的材料来制造，因此膨胀圆锥件36的外表面52从第一直径(图2A中所示)径向向外膨胀至更大的第二直径。
下面参考图2C，模锻件32和膨胀圆锥件36表示为在轴向驱动至密封元件40内之后。因为模锻件32也由比密封元件40更硬或更刚性的材料来制造，因此密封部分42的外表面54也从第一直径(图2B中表示)径向向外膨胀至更大的第二直径。膨胀圆锥件36也可以由比密封元件40更硬或更刚性的材料来形成。
应当知道，密封元件40的膨胀直径大于只通过将模锻件32或膨胀圆锥件36插入密封元件40内而可获得的膨胀直径。也就是，模锻件32和膨胀圆锥件36的组合径向厚度使得密封元件40能够膨胀至与以其它方式可获得的外径相比更大的外径。优选是，模锻件32和膨胀圆锥件36的组合径向厚度只在隔离器30已经穿过图1中所示的减小直径部分22之后才产生。
下面参考图1和3A-C，图中表示了井筒密封系统26的还一方面。井筒隔离系统26可以包括促动器组件60，该促动器组件60使得隔离器30的模锻件32、膨胀圆锥件36和密封元件40之间顺序接合。促动器组件60可以使用设置工具28(图1)来操作。顺序的意思是引起径向膨胀的各接合开始的时间交错。
在一个实施例中，促动器组件60可以包括定时杆62、释放套筒64、上部锁定部件66、下部锁定部件68、压缩套筒70和型面附件72。定时杆62可以是刚性细长元件，它可伸缩地接收于管形释放套筒64中。定时杆62与设置工具28(图1)连接，以使得定时杆62可以向上拉动，或者更通常是，沿与模锻件32的运动相反的方向。释放套筒64可以包括：扩大外径部分74，该扩大外径部分74将上部锁定部件66保持在接合位置；以及更小直径收缩部分76，该更小直径收缩部分76使得上部锁定部件66能够径向退回至脱开位置。
锁定部件66、68和压缩套筒70配合，以便将轴向负载从膨胀圆锥件36传递给型面附件72。型面附件72可以通过合适的连接件(例如匹配螺纹78)而与密封元件40连接。在一种结构中，锁定部件66、68可以是夹头或者其它能够径向伸出和缩回的可选锚固装置。上部锁定部件66可以定位成与膨胀圆锥件36中的合适凹口80接合，下部锁定部件68可以定位成与在型面附件72中的凹口82接合。压缩套筒70嵌套在上部和下部锁定部件66、68之间。
在安装的初始阶段中，由模锻件32进入膨胀圆锥件36而引起的轴向负载传递给上部锁定部件66。上部锁定部件66将负载传递给压缩套筒70，该压缩套筒70再使得下部锁定部件68轴向负载。下部锁定部件68将负载传递给型面附件72。这样，由模锻件32引起的轴向负载最初并不施加给密封元件40。
下面将参考图1、3A-C介绍井筒密封系统30的示例操作。井筒密封系统26可以利用传送装置29而定位在井筒10中的选定位置18处。应当知道，未装配的井筒隔离系统26的相对较小截面型面允许穿过孔限制部分22。一旦合适定位，设置工具28由合适的动力源(例如增压流体、电、能量材料等)来驱动，以便将模锻件32驱动至膨胀圆锥件36内。上部锁定部件66通过将由模锻件32引起的轴向负载传递给型面附件72(经过压缩套筒70和下部锁定部件68)而使得膨胀圆锥件36保持静止。当模锻件32滑入膨胀圆锥件36中时，膨胀圆锥件36的直径尺寸增加。
当设置工具28将模锻件32驱动至膨胀圆锥件36内时，设置工具28还向上或沿与模锻件32的方向相反的轴向方向而拉动定时杆62。定时杆62包括在下端88处的肩部86，该肩部能够与释放套筒64的端部89干涉接合。当接合时，定时杆62轴向向上推动释放套筒64。释放套筒64的轴向平移使得扩大外径部分74从上部锁定部件66下面向外滑动。之后很快，收缩部分76在上部锁定部件66下面滑动，并使得上部锁定部件66能够退回至收缩部分76内。这样，膨胀圆锥件36被释放，并自由地滑入密封元件40的密封部分42内。
定时杆62的行程时间选择为使得运行时间足以允许模锻件32基本与膨胀圆锥件36的基本部分伸缩接合。也就是，该速度选择为使得肩部86接触释放套筒64所需的运行时间和收缩部分76在上部锁定部件66下面滑动所需的运行时间足以使得模锻件32能够使膨胀圆锥件36膨胀至功能有效状态。具体地说，模锻件32使得膨胀圆锥件36充分膨胀，这样，与密封部分42的随后接合将使得密封元件40与相邻表面进行合适的密封接合。因此，模锻件32、膨胀圆锥件36和密封元件40从轴向串联对齐的结构转变成主要同心对齐和压紧的结构。
下面参考图3C，模锻件32和膨胀圆锥件36表示处于在密封元件40内的安装位置。密封元件40已经径向向外膨胀成与相邻表面(未示出)密封接合。如图所示，设置工具28将隔离器30轴向压缩成使得模锻件32、膨胀圆锥件36和密封元件40在形成于密封元件和井筒中的相邻表面之间的密封处同心地对齐。
为了完成安装，设置工具28继续向上拉动定时杆62，直到与释放环90接触。释放环90可以是设置成使得下部锁定部件68退回的环形部件。释放环90布置在定时杆62的扩大头部92的仰孔(uphole)中，且形状设置成与下部锁定部件68接合和使其退回。当定时杆62向上运行时，扩大头部92与释放环90接合，并轴向驱动该释放环90至下部锁定部件68内。由释放环90施加的压力使得下部锁定部件68退回，以便与型面附件72脱开。上部锁定部件66已经退回。这时，定时杆62的进一步向上运动使得井隔离器30内部的部件向上升高。在合适时间，设置工具和这些内部元件可以利用传送装置29或一些其它合适装置而回收至地面。
在整个说明书中使用的术语“可径向膨胀”的意思是该膨胀是设计属性，它字面表示为将执行特殊功能。如上所述，该功能可以引起压缩密封接合。
应当知道，根据本发明的装置容易有多种实施例。例如，参考图3A，在某些实施例中，支承套筒95可以用于加强隔离器30的一个或多个部分。套筒95可以是管形部件，它足够柔性以便径向膨胀，同时施加足以减小下面结构的弯曲、破坏或其它类型失效的压缩力。应当知道，套筒只是可以用于加强隔离器30的一个或多个部分的支承元件的示例。其它支承元件包括但不局限于：带、环、夹等。
前面的说明涉及本发明的特殊实施例，目的是示例说明和解释。不过本领域技术人员应当知道，在不脱离本发明范围的情况下，上述实施例可以进行多种变化和改变。因此，下面的权利要求应当解释为包含所有这些变化和改变。
Claims (11)
1.一种在井筒中使用的井隔离装置，包括：
隔离器，该隔离器由传送装置传送至井筒内，该隔离器包括基本串联对齐的模锻件、膨胀圆锥件和密封元件；
促动器，该促动器设置成顺序接合模锻件、膨胀圆锥件和密封元件；以及
设置工具，该设置工具设置为将隔离器轴向压缩成使得模锻件、膨胀圆锥件和密封元件在形成于密封元件和井筒中的相邻表面之间的密封处同心地对齐。
2.根据权利要求1所述的井隔离装置，其中：
密封元件是具有密封部分的可径向膨胀管形件，该密封部分与相邻表面接合；
膨胀圆锥件是具有锥形端部和扩口端部的可径向膨胀管形件，该锥形端部滑入密封部分内，该扩口端部用于接收模锻件；以及
模锻件是具有锥形端部的管形件，该锥形端部滑入膨胀圆锥件内。
3.根据权利要求1所述的井隔离装置，其中，促动器包括：
附件，该附件与密封元件连接；
压缩套筒，该压缩套筒将膨胀圆锥件上的轴向负载传递给该附件；
第一锁定部件，该第一锁定部件使得压缩套筒与膨胀圆锥件连接；
第二锁定部件，该第二锁定部件使得压缩套筒与附件连接；
释放套筒，该释放套筒有：第一直径，该第一直径设置成使得第一锁定部件保持在与膨胀圆锥件接合的位置；以及减小直径的颈部；以及
平移杆，该平移杆设置成使得释放套筒移动，以便使得颈部滑动成与第一锁定部件接合。
4.一种在井筒中使用的井隔离装置，包括：
可径向膨胀的密封元件，该密封元件设置成与井筒管形件的内壁接合；
可径向膨胀的膨胀圆锥件，该膨胀圆锥件与密封元件成伸缩关系，该膨胀圆锥件设置成使得密封元件膨胀；以及
模锻件，该模锻件设置成与膨胀圆锥件伸缩接合和使得该膨胀圆锥件膨胀。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括：促动器，该促动器设置成顺序接合模锻件、膨胀圆锥件和密封元件。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括：附件，该附件与密封元件连接，其中，促动器包括压缩套筒，该压缩套筒将膨胀圆锥件上的轴向负载传递给该附件。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括：第一锁定部件，该第一锁定部件使得压缩套筒与膨胀圆锥件连接；以及第二锁定部件，该第二锁定部件使得压缩套筒与附件连接。
8.根据权利要求7所述的装置，还包括：释放套筒，该释放套筒有：第一直径，该第一直径设置成使得第一锁定部件保持在与膨胀圆锥件接合的位置；以及减小直径的颈部。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括：平移杆，该平移杆设置成使得释放套筒移动，以便使得颈部滑动成与第一锁定部件接合。
10.一种用于隔离井筒中的管形件的一部分的方法，包括：
将隔离器、促动器和设置工具布置在管形件中，其中，隔离器包括基本串联对齐的模锻件、膨胀圆锥件和密封元件；
利用促动器来顺序接合模锻件、膨胀圆锥件和密封元件；以及
驱动设置工具，以便轴向压缩隔离器，从而使得模锻件、膨胀圆锥件和密封元件在形成于密封元件和管形件的相邻表面之间的密封处同心地对齐。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：从井筒中取出促动器和设置工具。
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