CN1046976C - 用于加固井特别是钻油井的组件 - Google Patents

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Abstract

管结构包括至少一个柔性纤维线股(10)以一定的间隙交织而成的编织件，从而该结构在预制件或胎模中的压力作用下径向膨胀而轴向收缩。

Description

用于加固井特别是钻油井的组件
本发明涉及一种用于加固井，特别是钻油井的组件。
在本说明书及权利要求中，术语“套管(casing)”指一种用于加固井的管，术语“预制件(preform)”用于指一种管状结构，它开始可弯曲，然后硬化并紧密地和固定地粘到井壁上(从而构成一套管)，而术语“胎模(matrix)”指一种可弯曲和可恢复的结构，并用作在安装前用于膨胀预制件并将其压到井壁上的工具。
术语“生产管(production tubing)”指一种位于套管内的小直径同轴管，并用于输送由井产生的流体(特别是水或油)。
生产管位于中心并由通常称为“密垫(packer)”的液压充气塞相对于套管密封。
为加固一油井及类似的应用，已提出可弯曲和可固化的管状预制件，它们设计用于以折叠状态(即占据较小径向尺寸的状态)安装，然后通过施加内压而径向地张开。在特别描述于FR-A-2662207和FR-A-2668241中的该技术中，预制件在径向展开后具有由油井确定的直径的精确的圆柱形。
在安装在井或管件中之后，例如通过使由树脂浸渍细丝衬套制成的复合结构的壁聚合而使预制件的壁硬化。衬套保证预制件径向不可延伸。
在那些技术中，需使展开的套管的直径略小于需加固的孔的直径，从而孔壁不会改变套管的圆柱形状。通常，即使这样形成的环形间隙非常小或甚至在某些地方消失，其间也须填充水泥以使孔和安装好的套管之间完全密封。
此外，管状预制件在卷折状态下的径向截面约小于其展开的径向截面的一半，在大多数情况下这足够了，而在某些情况下是不够的。因此，本发明的目的是为解决上述问题而提出一种预制件，其结构为可变形的形状，适于靠压在需加固的孔(或需加固的套管)壁上，而不会超过某个限度，该变形可根据各种不同的应用情况而控制和变化。
本发明的另一个目的是提供一种预制件，其膨胀度大大地大于由上述已知装置所获得的膨胀度，预制件的膨胀以两步进行，首先是径向展开，然后是径向膨胀。
为获得这种结果，本发明提供了一种用于加固井特别是钻油井的组件，包括一个用于对井加套管的径向可膨胀的管形预制件和一个可恢复的胎模，所述的胎模用作膨胀预制件的工具，所述的组件的特征在于：
(a)所述的预制件是有一复合材料的壁，它由液体的树脂制成，是可固化的，该树脂限定在弹性材料的内表皮和外表皮之间，在这两者之间埋着由柔性线股编织件组成的管结构，编织件包括两组彼此相互交叉的线股，其中两组线股的编织是以一定量的间隙进行的，从而形成松弛的编织件，两个组的交叉处形成菱形的间隙；
(b)所述的胎模开始固定到预制件上，它包括一在预制件中的可膨胀的衬套，其中可在压力下注入液体，其方式使得可将胎模径向压靠着预制件的内壁，因而使衬套和预制件径向膨胀，在预制件固化后，所述的胎模可在操作结束时撕下。
在一个最佳实施例中，编织件包括两组相对于纵向轴线在管状结构的母线两侧对称地交叉的线股，各组中的线股相互平行。
当结构处于其径向收缩状态时，各组线股最好相对于纵向轴线成一10°-30°的锐角，更好是约20°，而当结构处于径向膨胀状态时，该角为50°-70°。
线股最好是扁平的带状。
本发明的管状预制件最好具有上述结构。
在一个最佳实施例中，预制件具有由可固化的流体介质制成的复合材料壁，所述结构埋置在介质中，介质限定在弹性材料的内外表皮之间。
内表皮可为胎模自身的壁。
所述材料最好为可固化的树脂，例如，一种加热时聚合的树脂。
在一种可能的实施例中，外表皮为凸凹不平的形式，例如，为环形隆起的形式。
最好，结构包括多个同轴的本发明的管状结构，各管状结构一个套在另一个之中并可相互滑动。
这种结构最好具有足够的柔性，以当结构处于径向收缩状态时能够纵向折叠。
因而，如果该结构构成一预制件而放到井或管道中，首先从一端使其展开而基本上成为圆柱形，然后径向膨胀使结构变形；展开以及膨胀是通过给预制件内侧施加一流体而进行的。
本发明还提供了一种管状胎模，具有柔性和可径向膨胀的壁，设计用于在其固化之前和固化过程中径向压靠在预制件的内壁上，用以加固井，特别是油井。
胎模壁上设有至少一个管状结构，它连接到一弹性支承件(也是管状的和密封的)上并包括一由纤维制成的柔性线股以一定间隙交叉编织而成的编织件，这样的结构及其支承件可在内压的作用下一起沿径向膨胀而沿轴向收缩，相反地，它们也能在内部吸力(真空)作用下径向收缩和轴向膨胀和/或轴向收缩。
在本发明的胎模的一个最佳实施例中，管状结构插在两层弹性膜(一内膜和一外膜)之间，该组件形成一可膨胀的衬套，安装有一用于输送流体到衬套中的管。
在一个实施例中，这种胎模由易于分离的连接件固定到预制件上，从而在套管安装完毕后可将胎模撕下，留下套管在管或管道中。
从下面参照附图对本发明的非限制性实施例的描述中可看出本发明的其它特征和优点。
在附图中：
图1,2和3为具有的管状结构的预制件或胎模的示意图，分别示出其径向收缩状态，中间状态和径向膨胀状态；
图1A,2A和3A为示出分别相应于图1,2和3的变形状态时构成结构的柔性丝是如何编织的详细视图；
图4为本发明的具有多个相互接合的结构的预制件的切去一部分的透视图；
图5为图4中所示预制件的放大横截面；
图6A和6B示出当预制件被轴向折叠成两种不同的可能形状的示意图；
图7和7′分别为图6A或6B中所示的预制件在展开和径向膨胀后的相似的视图；
图8与图2A相似，示出编织结构的一种变化的方法；
图9为穿过根据本发明的胎模和预制件的纵向截面的示意图，其中预制件装在井中，胎模和预制件已展开但没有径向膨胀；
图9A为图9中用A表示的胎模和预制件的井的区域的放大的详细视图；
图10,10A,10B,10C和10D为示出通过生产管将套管安装在油井中的各种连续步骤的示意图，使用了如图9所示的胎模和预制件组件；
图11示出抽出胎模的一种可能的方式；以及
图12和12A示出预制件在井中膨胀的过程中胎模的逐渐膨胀。
图1至3中用标号1表示的预制件或胎模为管形并具有编织结构。编织结构由两组相互交织的扁平线股或带10a,10b构成，它们螺旋形地缠绕而构成该结构的外套。两个组具有相反的螺纹线间距，线股相对于生成的圆柱形管的母线倾斜一锐角u。为简化描述，图1-3用管的轴线XX’作为参考。两组线股10a和10b像藤椅的藤条编制一样绕轴线XX’对称地且在其各侧交织。
最好角度u为约20°(图1和1A)。
各线股10由多根非常结实且相互并置的纤维或线构成。它们可以是直径为几微米的玻璃或碳纤维，或者它们可以是钢丝。
线股10的宽度为1mm-6mm，其厚度在0.1mm-0.5mm之间。
制造形成线股的纤维或线的材料最好具有低的摩擦系数，从而有利于交织线股间的相互滑动以及结构的变形。
如图2A中所示，两组线股10a和10b的编织是以一定量的间隙进行的，从而形成松弛的编织件，两组10a和10b的交叉处形成菱形的间隙11。
图1示出预制件或胎模当其长度为最大的L1时的形状。在该状态下，结构自锁，各种线股通过其侧边相互抵靠。因而预制件具有最小直径D1。
如下所述，通过施加内压可使该结构变形。
这种状态示于图2。线股和轴向XX’之间的夹角可增加，这种变形使上述间隙11可看出。在图2和2A中，两组线股10a和10b处于中间位置，例如，夹角v为约30°-35°。这种变形相应于结构的轴向压缩A和径向膨胀R。因而，该结构的长度L2比L1短，而直径D2大于D1。
这种变形可连续进行到如图3和3A所示的状态，然后该结构再次锁定，构成编织结构的线股如图3A所示相互抵靠。最好设计成当线股和轴向的夹角w为50°-70°之间时，编织结构锁定。这种结构具有最小长度L3和最大直径D3。
这种变形是可逆转的，当轴向拉如图3中所示的结构的端部时，可使其返回到图1所示的状态。
图1A-3A所示的编织为简单编织，其中线股10a交替地从线股10b上和下通过，反之亦然。自然，也可设计出其它的编织形式，例如，如图8所示的编织。在图8中，各线股连续通过一对线股10b的上面和下面，反之亦然。
应注意图1-3所示的结构仅仅是示意性的，只是为了说明预制件或胎模是可变形的。
图4示出一种能工业应用的预制件1。它包括多个上述类型的可变形的管状结构，具体地说它包括四个直径递减的同轴的这种结构3a,3b,3c和3d，它们一个位于另一个之中。实践中当然可提供更多数量的一个位于另一个之中的结构，例如10个。它们限定在两个由例如弹胶体材料的弹性材料制成的表皮(一外表皮4和一内表皮5)之间。胎模的壁可作内表皮。管状结构浸在一种例如加热时可聚合的热固性树脂的可固化的流体介质中，树脂包含在两层表皮4和5之间。
表皮4和5的变形能力选定为与编织结构3的一致，它们自始至终作为一个整体并以相同的幅度变形。
由于介质30为流体，并且结构3a-3d为柔性的并可相互相对滑动，因而可纵向折叠预制件。图6A和6B示出两种可能的折叠方式(不限于这两种方式)，分别折叠成U形和螺旋(或蜗牛壳)形。这样折叠后，可使预制件的横截面非常小。预制件展开后可具有如图7所示的圆柱形。然后，例如通过施加内压，可使预制件径向膨胀，各同心结构3a,3b,3c和3d如上所述变形。
图9示出与上述类似的一种预制件，并与设计放在井中的膨胀器工具相连，该工具在下面称为“胎模”。
如上所述，处于展开但尚未膨胀状态的预制件1包括一占据包括一外表皮4和一内表皮5或71(属于衬套7)的两弹性材料层之间的环形空间的由热固性树脂形成的介质30。该间隙还包含多个同心并由编织带3制成的管状可变形结构。
用标号6表示的胎模包括一管状衬套7，其顶端和底端分别由封闭塞60和61封闭。
顶部塞60具有一管8，其中穿过有与管8的自由端一样开口到衬套7内侧的开口80。适当的装置(未示出)用于通过柔性导管在压力下将液体通过管8注入衬套7中。
该液体可从地表面传输。在一个变化的实施例中，可使用已存在于井中的液体(泥浆，油，…)，该液体通过安装到井上的泵注入胎模中。
衬套的壁由两层例如由弹胶体材料制成的弹性膜构成，一内膜72和一外膜71。在两层膜之间设置了标号为70的具有上述结构的编织线股的管状结构。在一个改型中，可设置多个同心结构，它们相互接合，如预制件一样。
套管7的长度大于预制件1的长度。端塞60和61是例如用粘接剂固定到内膜72的端区。
套管7是通过例如它的外膜71，用套箍73,74固定到预制件1上。它们各有易分隔区730,740。套箍73,74形成预制件和构成胎膜6的套管7之间的密封垫。
对套管的外膜71及预制件的内表皮5之间的界面进行处理(例如用硅涂覆)来保证它们之间没有粘结剂。
在一个实施例中，内表皮5可省略。
最好，如图9A所示的细节，预制件的外表皮4的外面有衬垫40。该衬垫40可由环形槽41的环形隆起42构成。衬垫的目的是改善与井壁的密封，如在固定后，保持预应力及一定程度的柔性。
图10及下面的图示出如何借助于预制件1和上述的胎膜的帮助下，通过生产管给油井加套管。
标号P表示井壁，标号9表示设在井中的生产管，该管由液压塞或密垫90固定并在井中居中。
作为一种指标，管90内径为60mm，而井的直径为约180mm。预制件以卷折状态，例如蜗牛形状(见图6B)插入，使其横截面最大尺寸小于管9的内径。最大尺寸可为例如约55mm。预制件就如此与管9一起降到井中要求的水平位置。开始，使预制件展开使其展成圆柱形。其外径然后达到90mm。这可通过在压力下把液体(如水)通过管8注入套管7来做到。
图10A箭头f表示液体的流动。
然后，液体压力增加，如图10B中箭头f’所示。这样实现了套管7及预制件1两者的径向膨胀，编织层变形，其方式如参照图1-3所示。
自然，当径向膨胀发生时，预制件及胎膜的长度减小。预制件如此膨胀到直径为180mm。
预制件如此被紧紧地压贴在井壁P上。产生的膨胀量根据要求决定，也就是，它是壁的突起的函数。这构成与已知的柔性预制件的本质的不同，已知的柔性预制件的径向膨胀不能超出壁所限定的直径。因此预制件适应壁的形状，好象跟随它的变化。通过设置提供固定及密封的衬垫40，可很容易做到这一点。
因此，通过把压力下的热液体注入到衬套7中，并使其循环可使预制件的壁固定。一旦聚合终止，把衬套中的液体抽出，使衬套径向收缩，如图10C所示。
通过对管8施加向上的牵拉，通过把胎模的易分隔的连接区730,740断开可撕下整个胎模。
通过径向收缩，衬套7伸长，它可通过管9拉出。
一旦固化后，原始的预制件1构成壁的套管的一部分。
根据地面的情况，可与水泥一起用套管或不用水泥单使用套管。
当预制件在井中安放就位，自然需要考虑在操作时其轴向长度缩短的方法。
在图11中示出的抽出方法不必要对胎模的内部施加吸力。
由于结构是编织的，通过对胎模施加牵拉力F’，它沿径向逐渐收缩，该收缩下移，因而可把它与(已固定的)套管分离。
标号7a表示胎模已收缩部分，该部分已与套管分离，结构的线股与轴向的夹角为U。
标号7b表示膨胀部分，其线股与轴向夹角为w。
图12,12A示出胎模7和预制件从底部向上逐渐膨胀，用于膨胀的液体通过管8注入胎模底部。通过把预制件和胎模(成折叠状态)封在一外套中，该外套可沿向上方向纵向撕开，就可得到这种逐渐的膨胀。
自然，本发明的编织的可变形结构可在不用可膨胀胎模情况下设置预制件(其本身有同样结构)来实施，或反之。
在结构的一个可能的实施例中，在至少一些线股(最好在全部线股)中，一些纤维用导电线来代替，把线与电源接通，可使预制件或胎模可加热便于预制件的聚合。
对于(可重用的)胎模，其在结构的两端设置电接点不是特别困难的情况下，该实施例是特别有利的。

Claims (12)

1．一种用于加固井特别是钻油井的组件，包括一个用于对井加套管的径向可膨胀的管形预制件(1)和一个可恢复的胎模(6)，所述的胎模用作膨胀预制件的工具，所述的组件的特征在于：
(a)所述的预制件是有一复合材料的壁，它由液体的树脂制成，是可固化的，该树脂限定在弹性材料的内表皮(5)和外表皮(4)之间，在这两者之间埋着由柔性线股编织件(10)组成的管结构，编织件(10)包括两组彼此相互交叉的线股(10a,10b)，其中两组线股(10a,10b)的编织是以一定量的间隙进行的，从而形成松弛的编织件，两个组(10a)和(10b)的交叉处形成菱形的间隙(11)；
(b)所述的胎模(6)开始固定到预制件(1)上，它包括一在预制件(1)中的可膨胀的衬套(7)，其中可在压力下注入液体，其方式使得可将胎模径向压靠着预制件(1)的内壁，因而使衬套(7)和预制件(1)径向膨胀，在预制件固化后，所述的胎模可在操作结束时撕下。
2．按照权利要求1的组件，其特征在于，所述的组件的预制件(1)的结构包括一个柔性线股的编织件，由纤维(100)制成，并包括两组线股(10a,10b)，相对于管形结构的纵向轴线(XX′)相互对称交错，各组中的线股相互平行。
3．按照权利要求2的组件，其特征在于，当预制件结构在其径向收缩状态，各组线股(10a,10b)相对于轴线(XX′)夹一锐角u，其范围为10°-30°。
4．按照权利要求2或3的组件，其特征在于，当所述的结构处于径向膨胀状态时，每组线股(10a,10b)相对于轴线(XX′)夹一锐角w，其范围为50°-70°。
5．按照权利要求1的组件，其特征在于，所述的线股(10,70)为平的带形。
6．按照权利要求1的组件，其特征在于，预制件(1)具有多个编织带结构，这些结构同轴地相互接合。
7．按照权利要求1的组件，其特征在于，所述的预制件(1)具有足够的柔性，在其径向收缩状态可纵向折叠起来。
8．按照权利要求1的组件，其特征在于，所述的外表皮(4)有凸凹的花纹(40)。
9．按照权利要求1的组件，其特征在于，所述的可膨胀的衬套(7)装有一管(8)，用来把液体供到衬套的内部。
10．按照权利要求1的组件，其特征在于，所述的胎模(6)用可分离的连接元件(73,74)固定到预制件(1)上。
11．按照权利要求1的组件，其特征在于，所述的衬套(7)也具有管形结构，由相互交错的柔性带(70)制成。
12．按照权利要求11的组件，其特征在于，所述的衬套(7)的一些线股(70)可由导电线代替，使得当电线与电源连接时为聚合的目的加热预制件。
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