CN107690506A - 井筒插塞密封组件 - Google Patents

Abstract

一种井筒密封组件，其包括井下装置，所述井下装置具有联接到井上端的密封套筒。所述井下装置具有内部沟道，所述内部沟道允许通过所述装置的流体连通，当球安放在所述套筒中时，所述流体连通大致上被阻挡。所述套筒的壁是弹性可变形的或塑性可变形的，并且被成形以在所述球已安放时变形。当变形时，所述壁与井筒表面接触，从而大致上阻挡在所述装置周围的流体连通。所述套筒的弹性可变形壁可还包括位于其内表面上的塑性可变形层，所述塑性可变形层一旦因所述球的所述安放而变形，就在所述球未安放时保持所述弹性地变形的壁与所述井筒表面接触。

Description

井筒插塞密封组件

领域

本公开总体上涉及井筒堵塞操作。具体来说，本文的主题总体上涉及可用来隔离井筒内的区段的井下插塞组件。

背景

出于各种目的将井筒钻入地球中，这些目的包括接近含烃地层。关于接近并提取这类烃，可在井筒内使用各种井下(downhole)工具。在整个过程中，可能变得有必要隔离井筒的区段以便产生压力区。可使用诸如压裂插塞、桥塞、封隔器和其他合适工具的井下工具来隔离井筒区段。

诸如压裂插塞的井下工具通常沿着诸如钢丝缆绳、工作管柱或生产油管的运输工具伸入井筒中。这类工具通常具有内部或外部设置工具，所述内部或外部设置工具用来将井下工具设置在井筒内并将工具保持在适当位置。一旦处于适当位置，井下工具就允许在插塞上方和插塞下方的井筒区段之间的流体连通，直到诸如球的另一个井下工具被向下泵送以安放在插塞中并中断通过插塞的流体连通，并且可由橡胶制成的密封组件向外延伸以封堵在井下工具周围的液体流动为止。

附图简述

现在参考附图，仅以举例方式描述本发明的技术的实现方式，其中：

图1是示出根据本公开的密封组件的示例性环境的图；

图2是示出处于静止配置中的密封组件的示例性环境的图；

图3是示出处于啮合配置中的密封组件的示例性环境的图；

图4是根据本公开的井下工具的第一示例性实施方案的图；

图5是图4的示例性井下工具的横截面图；

图6是根据本文公开内容的第一示例性密封组件的图；

图7是图6的示例性密封组件的一部分的横截面图。

详述

将了解，为了说明的简单和清楚起见，在适当的情况下，参考数字已在不同的图中重复以指示对应的或类似的元件。另外，阐述了许多具体细节，以便提供对本文所描述的实施方案的彻底理解。然而，本领域的普通技术人员将理解，可在没有这些具体细节的情况下实践本文所描述的实施方案。在其他情况下，没有详细描述方法、程序和部件以便不混淆有关的正在描述的相关特征。另外，描述不应被视为会限制本文所描述的实施方案的范围。附图不一定按比例绘制，并且已经夸大某些部分的比例以更好地示出本公开的细节和特征。

本文所公开的是一种密封组件，其用于大致上阻止通过井筒内的井下工具的和在所述井下工具周围的流体连通。如本文所公开的密封组件包括密封套筒，所述密封套筒从井下工具的井上(uphole)端延伸并且被成形来安放球，并其具有可变形壁。当被安放到套筒中时，球可使壁变形，以使得壁被迫与井筒的内表面或套管接触。当已安放时，球大致上阻挡通过井下工具的流体连通，并且变形的壁大致上阻挡在工具周围的流体连通。由于套筒壁的可变形性，井下工具的密封过程可得到简化，并且此外，密封设备也可容许井下工具的尺寸得到极大地减小并且允许省略各种内部设置机构。

本文所公开的密封组件可与各种井下工具中的任一个结合使用，所述井下工具包括但不限于压裂插塞、封隔器和桥塞，或具有密封组件的其他工具。

压裂插塞可包括细长管状主体构件，所述细长管状主体构件具有穿过其中的轴向流孔或沟道，并且所述压裂插塞与球结合使用，一起充当单向止回阀。球在安放于流孔的上表面上时用以封堵流孔并且阻止向下穿过所述流孔的流动，但是容许向上穿过所述流孔的流动。压裂插塞通常包括用于球的安放机构，所述安放机构形成在管状主体构件的上端处以保持球。

封隔器通常包括心轴，所述心轴具有上端、下端，和限定纵向中心流动通道的内表面。更具体地说，封隔器元件组件可在管状主体构件周围延伸；并且包括在封隔器组件上方和下方安装在主体构件周围的一个或多个滑动件。滑动件可由机械滑动主体引导。

桥塞通常包括插塞心轴、一个或多个滑动件，和橡胶密封元件，并且通常用于井筒内的区隔离。更具体地说，桥塞是安装在井筒内并且用于阻挡从井筒的一个部分到另一个部分的流体流动的机械装置。

锚固组件也可包括在诸如封隔器或压裂插塞的井下工具中。锚固组件允许井下工具保持所述井下工具在井筒内的位置。例如，锚固组件可包括可变形锁定臂，所述可变形锁定臂可从井筒插塞的纵向轴线径向地变形，从而啮合井筒套管或表面。可通过井下工具向上的移动来啮合这类锚固组件，所述移动将井下工具的一部分推到内部楔上并且使锁定臂朝着井筒套管向外扩张。

井筒密封组件可在例如图1中所示的示例性井筒系统300中使用。用于密封位于井筒中的井下工具的系统300包括在井筒120之上和周围延伸的钻机110。井筒120在地球地层150内并且具有为井筒120加衬里的套管130，套管130由水泥122保持在适当位置。井下工具200包括密封套筒100和锚固组件215。井下工具200可通过运输工具140沿井筒120移动到所需位置。运输工具可以是例如输送油管、钢丝缆绳、细钢丝绳、工作管柱，或用于将井下工具输送到井筒中的任何其他合适装置。一旦井下工具200到达所需位置，就可致动设置装置以将井下工具锚固在适当位置。应注意，虽然图1大体上描绘以陆地为基础的操作，但是本领域技术人员将容易认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所描述的原理同样适用于使用浮动的或以海洋为基础的平台或钻机的操作。

图2描绘设置在井筒120内的处于静止配置中的示例性井下工具。在静止配置中，锚固组件215被配置以使得井下工具可向井上或向井下移动而不会卡在井筒的套管上。图3中所示出的是图2的井下工具200，所述井下工具200具有处于啮合配置中的锚固组件215，并且所述井下工具紧固在井筒120内。在啮合配置中，锚固组件215上的突出部啮合并且夹紧为井筒120加衬里的套管130，以使得井下工具200固定到适当位置。

图4中所示出的是可在图1的示例性井筒系统300中使用的井下工具200的一个实例。井下工具可包括锚固组件215，所述锚固组件215具有多个锁定臂20，所述多个锁定臂20在远离井下工具200的纵向轴线400的径向方向上可变形。可变形锁定臂20被配置以使得当力施加到锁定臂20的内表面时，锁定臂20将相对于井下工具200的纵向轴线400发生径向位移。一个或多个夹紧突出部40可位于可变形锁定臂20的外表面上。夹紧突出部40可沿锁定臂20的外表面的长度定位。

图5示出井下工具200的横截面视图，所述井下工具200包括处于设置配置中的锚固组件215，和联接到井下工具200的井上端的密封套筒100。在这个配置中，锚固组件215的锁定臂20的突出部40与井筒120的套管130啮合(如图1中所示)，以使得井下工具200被锚固在适当位置。内部沟道500在井下工具200的井上端501与井下端502之间延伸，并且允许在井筒120的井上区段510与井筒120的井下区段520之间的通过井下工具200的流体连通。

图6示出井下工具200的横截面视图，所述井下工具200包括处于啮合配置中的锚固组件215和安放球600的密封套筒100。通常在井下工具200已固定到适当位置之后沿井筒120向下泵送球600。当已安放时，球600使密封套筒100的壁径向地远离纵向轴线400变形。一旦安放，球600就阻挡沟道500的井上端，从而大致上阻挡在井筒120的井上区段510与井下区段520之间的通过井下工具200的流体连通。通过成形密封套筒100的壁以使得球600的安放所造成的所述壁的变形使密封套筒100的壁与井筒套管130接触，可进一步阻挡在区段510和520之间的流体连通。这通过进一步阻挡在井下工具200周围的流体连通来大致上密封井筒120。

密封套筒100的壁可以是弹性可变形的或塑性可变形的，并且可由任何合适的弹性可变形的或塑性可变形的材料构成，所述材料包括但不限于弹性体(包括但不限于橡胶)、聚合物(包括但不限于塑料)，或金属。本领域的普通技术人员将理解，选定的材料和可变形性质(弹性或塑性)是可以理解的设计选择，这种选择通常是由本文所描述的系统和方法的应用所决定的。此外，本领域的普通技术人员将理解，可进一步选择材料，以通过例如选择在钻穿的情况下容易破碎的材料或可分解的材料来使井下工具200的移除变得容易。

图7是球600已经安放时的井下工具200的井上部分的横截面视图。在井筒120的区段510和520之间的流体连通在球600安放成与挡板710接触时大致上被阻挡，并且在球600未安放时不被阻挡。然而，如果密封套筒100的壁是弹性可变形的，则当球600未安放并且密封套筒100的壁未变形时，在井下工具200周围的流体连通将失去在井下工具200周围的流体连通的增加的阻塞。塑性可变形层700可放置在密封套筒100的壁的内表面上，以使得当球600正被安放时，密封套筒100的壁弹性地变形并且塑性可变形层700塑性地变形。在变形之后，塑性可变形层700将维持其变形，从而将密封套筒100的弹性地变形的壁保持在适当位置。本领域的普通技术人员将理解，用于塑性可变形层700的材料的选择是主要由应用决定的设计选择。

在以上描述中，出于描述的目的提到上或下，其中“上”、“上部”、“向上”、“井上”或“上游”意味朝向井筒的表面，并且其中“下”、“下部”、“向下”、“井下”或“下游”意味朝向井的终端，而不考虑井筒取向。对应地，横向、轴向、侧向、纵向、径向等取向将意味相对于井筒或工具的取向的取向。术语“轴向地”意味大致上沿对象的轴线的方向。如果未规定，则术语轴向地使得它是指对象的较长轴线。

现在将介绍在以上公开内容全篇中应用的若干定义。术语“联接”定义为直接地连接或通过介入部件间接地连接，并且不一定限于物理连接。连接可使得对象被永久地连接或可释放地连接。术语“外侧”或“外部”是指超过物理对象的最外部界限的区域。术语“内侧”或“内部”是指在物理对象的最外部界限内的区域。术语“包含”、“包括”和“具有”在本公开中可互换地使用。术语“包含”、“包括”和“具有”意味包括但不一定限于这样描述的事物。

本文中提供许多实例来增强对本公开的理解。如下提供一组具体陈述。

陈述1：一种井下工具密封机构，其包括：具有第一端的第二端的管状主体，所述管状主体允许从所述第一端到所述第二端的沿所述管状主体的纵向轴线的流体连通；从所述主体的所述第一端延伸的套筒，所述套筒被成形来安放球，并且具有径向可变形壁；并且其中所述套筒被成形，以使得安放所述球在所述球已安放时大致上阻挡通过所述管状主体的所述流体连通，并且使得所述球在所述安放期间使所述壁径向地变形。

陈述2：如陈述1所述的井下工具密封机构，其中所述套筒壁被成形以使得所述球造成的所述壁的变形使所述壁与井筒接触。

陈述3：如陈述2所述的井下工具密封机构，其中当所述球已安放时，所述井筒大致上被密封。

陈述4：如陈述1-3所述的井下工具密封机构，其中所述套筒壁是弹性可变形的。

陈述5：如陈述4所述的井下工具密封机构，其中所述套筒壁是橡胶。

陈述6：如陈述1-5所述的井下工具密封机构，其还包括：位于所述套筒的内侧表面上的塑性可变形层。

陈述7：如陈述6所述的井下工具密封机构，其中球的所述安放使所述塑性可变形层塑性地变形，并且使所述可变形壁弹性地变形。

陈述8：如陈述7所述的井下工具密封机构，其中当所述球取下时，所述塑性地变形的层维持所述可变形壁的所述弹性变形。

陈述9：一种井下工具密封系统，其包括：管状井筒插塞，其被成形来在插塞的纵向轴线的方向上插入井筒中；沿所述插塞的所述纵向轴线的内部沟道，所述内部沟道容许在所述插塞的井上和井下的井筒区段之间的通过所述井筒插塞的流体连通；球，其可插入所述井筒中；套筒，其联接到所述插塞的井上端，所述套筒被成形来安放所述球，并且具有可变形壁；其中所述套筒被定位以在所述球已安放时大致上阻挡通过所述沟道的所述流体连通，并且其中安放所述球使所述壁变形从而与井筒表面接触。

陈述10：如陈述9所述的井下工具密封系统，其中当所述壁变形时，在所述井筒插塞周围的流体连通大致上被阻挡。

陈述11：如陈述9或10所述的井下工具密封系统，其中所述套筒壁是弹性可变形的。

陈述12：如陈述11所述的井下工具密封系统，其中所述套筒壁是橡胶。

陈述13：如陈述9-12所述的井下工具密封系统，其还包括：位于所述套筒的内侧表面上的塑性可变形层。

陈述14：如陈述13所述的井下工具密封系统，其中球的所述安放使所述塑性可变形层塑性地变形，并且使所述可变形壁弹性地变形。

陈述15：如陈述14所述的井下工具密封系统，其中当所述球取下时，所述塑性地变形的层维持所述可变形壁的所述弹性变形。

陈述16：将具有内部沟道的井筒插塞插入井筒中，所述内部沟道允许在所述插塞的井上区与所述插塞的井下区之间的通过所述井筒插塞的流体连通；在所述插塞的井上侧上提供具有可变形壁的密封套筒，所述可变形壁被成形以在所述插塞插入所述井筒中时紧靠井筒表面；安放密封球，所述密封球的尺寸被设定以使所述套筒的所述壁变形并且从而使所述套筒壁与井筒套管接触；并且其中所述球的所述安放大致上阻挡通过所述井筒插塞的所述流体连通，并且所述套筒壁变形大致上密封所述井筒。

陈述17：如陈述16所述的密封井筒区的方法，其中所述套筒壁是弹性可变形的。

陈述18：如陈述16或17所述的密封井筒区的方法，其还包括：在所述套筒的所述内侧表面上提供塑性可变形层。

陈述19：如陈述18所述的密封井筒区的方法，其中球的所述安放使所述塑性可变形层塑性地变形，并且使所述可变形壁弹性地变形。

陈述20：如陈述19所述的密封井筒区的方法，其中当所述球取下时，所述塑性地变形的层维持所述可变形壁的所述弹性变形。

以上所示出并描述的实施方案仅是实例。尽管本发明的技术的许多特性和优点与本公开的结构和功能的细节一起已在先前描述中予以阐述，但是本公开仅是说明性的，并且在所附权利要求书中使用的术语的广泛一般意义所指示的最大程度上，可在尤其与本公开的原理内的部分的形状、尺寸和布置有关的细节方面做出改变。因此将了解，可在所附权利要求书的范围内修改以上所描述的实施方案。

Claims (20)

1.一种井下工具密封机构，其包括：

具有第一端和第二端的管状主体，所述管状主体允许从所述第一端到所述第二端的沿所述管状主体的纵向轴线的流体连通；

从所述主体的所述第一端延伸的套筒，所述套筒被成形来安放球，所述套筒具有径向可变形壁；并且

其中所述套筒被成形，以使得安放所述球在所述球已安放时大致上阻挡通过所述管状主体的所述流体连通，并且使得所述球在所述安放期间使所述壁径向地变形。

2.如权利要求1所述的井下工具密封机构，其中所述套筒壁被成形，以使得当存在于井筒中时，所述壁的变形使所述壁接触井筒表面。

3.如权利要求2所述的井下工具密封机构，其中当所述球已安放时，所述井筒大致上被密封。

4.如权利要求1所述的井下工具密封机构，其中所述套筒壁是弹性可变形的。

5.如权利要求4所述的井下工具密封机构，其中所述套筒壁包括弹性体或聚合物。

6.如权利要求1所述的井下工具密封机构，其还包括：

位于所述套筒的内侧表面上的塑性可变形层。

7.如权利要求6所述的井下工具密封机构，其中球的所述安放使所述塑性可变形层塑性地变形，并且使所述可变形壁弹性地变形。

8.如权利要求7所述的井下工具密封机构，其中当所述球取下时，所述塑性地变形的层维持所述可变形壁的所述弹性变形。

9.一种井下工具密封系统，其包括：

管状井筒插塞，其被成形来在插塞的纵向轴线的方向上插入井筒中；

沿所述插塞的所述纵向轴线的内部沟道，所述内部沟道容许在所述插塞的井上和井下的井筒区段之间的通过所述井筒插塞的流体连通；

球，其可插入所述井筒中；

套筒，其联接到所述插塞的井上端，所述套筒被成形来安放所述球，并且具有可变形壁；

其中所述套筒被定位以在所述球已安放时大致上阻挡通过所述沟道的所述流体连通，并且

其中安放所述球使所述壁变形从而与井筒表面接触。

10.如权利要求9所述的井下工具密封系统，其中当所述壁变形时，在所述井筒插塞周围的流体连通大致上被阻挡。

11.如权利要求9所述的井下工具密封系统，其中所述套筒壁是弹性可变形的。

12.如权利要求11所述的井下工具密封系统，其中所述套筒壁包括弹性体或聚合物。

13.如权利要求9所述的井下工具密封系统，其还包括：

位于所述套筒的内侧表面上的塑性可变形层。

14.如权利要求13所述的井下工具密封系统，其中球的所述安放使所述塑性可变形层塑性地变形，并且使所述可变形壁弹性地变形。

15.如权利要求14所述的井下工具密封系统，其中当所述球取下时，所述塑性地变形的层维持所述可变形壁的所述弹性变形。

16.一种密封井筒区的方法，其包括：

将具有内部沟道的井筒插塞插入井筒中，所述内部沟道允许在所述插塞的井上区与所述插塞的井下区之间的通过所述井筒插塞的流体连通；

在所述插塞的井上侧上提供具有可变形壁的密封套筒，所述可变形壁被成形以在所述插塞插入所述井筒中时紧靠井筒表面；

安放密封球，所述密封球的尺寸被设定以使所述套筒的所述壁变形并且从而使所述套筒壁与井筒套管接触；并且

其中所述球的所述安放大致上阻挡通过所述井筒插塞的所述流体连通，并且所述套筒壁变形大致上密封所述井筒。

17.如权利要求16所述的密封井筒区的方法，其中所述套筒壁是弹性可变形的。

18.如权利要求16所述的密封井筒区的方法，其还包括：

在所述套筒的内侧表面上提供塑性可变形层。

19.如权利要求18所述的密封井筒区的方法，其中球的所述安放使所述塑性可变形层塑性地变形，并且使所述可变形壁弹性地变形。

20.如权利要求19所述的密封井筒区的方法，其中当所述球取下时，所述塑性地变形的层维持所述可变形壁的所述弹性变形。