CN109563733A - 用于封隔器和桥塞的高扩张金属支承环 - Google Patents
用于封隔器和桥塞的高扩张金属支承环 Download PDFInfo
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Abstract
一种保持封隔元件的方法，包括利用与至少一个封隔元件接触的支承环组件，所述组件包括：至少一个楔形螺旋环，所述至少一个楔形螺旋环包括：至少一个外周面，所述至少一个外周面被构造为接触井筒套管或衬管；至少一个锥形内周面，所述至少一个锥形内周面被构造为接触具有锥形面的保持器的一部分；以及轴向端面，所述轴向端面被构造为接触所述至少一个封隔元件。一种支承环组件，包括至少一个楔形螺旋环，所述至少一个楔形螺旋环包括：至少一个外周面，所述至少一个外周面被构造为接触井筒套管或衬管；至少一个锥形内周面，所述至少一个锥形内周面被构造为接触具有锥形面的保持器的一部分；以及轴向端面，所述轴向端面被构造为接触封隔元件。
Description
背景技术
在油井钻探、完井或再加工中，使用了包括封隔器组件和桥塞的多种井下工具。封隔器组件可以用在井筒中，以将井筒分成一个或多个区域。封隔器组件可以包括能够在油管柱和套管柱之间提供环形密封的封隔器元件、能够通过夹紧套管柱将封隔器组件保持在适当位置的滑动件、支撑滑动件的楔形件、以及为组件提供支撑的心轴。
当前的封隔器组件设计包括具有围绕其设置的机械坐封或液压压力坐封元件封隔器的油管柱，所述油管柱提供井区段隔离。用机械力或来自液压活塞的力致动的封隔器用于隔离井的区段，并且油管用于将处理流体输送到隔离区段。这种封隔器在高压条件下可能受到压力能力以及耐久性的限制。
附图说明
以下附图被包括来说明本发明的某些方面，并且不应将其视为排他性实施方案。所公开的主题能够在形式和功能上进行相当大的修改、改变和等同，如本领域普通技术人员且受益于本公开将会想到的。
图1是根据本公开的实施方案的封隔器组件的纵向截面视图。
图2A是根据本公开的实施方案的松弛的封隔器组件的若干元件的截面示意图。
图2B是根据本公开的实施方案的扩张的封隔器组件的若干元件的截面示意图。
图3A-C示出了根据本公开的实施方案的支承环。
图4示出了根据本发明某些实施方案的具有封隔器组件的井系统。
具体实施方式
本发明涉及支承环，所述支承环沿保持器上的斜坡/锥形表面向上扩张以保持封隔器元件。支承环还可以保持封隔器元件内部的密封压力，并且可以防止封隔器元件的挤出。
在一个实施方案中，一种保持封隔元件的方法，所述方法包括：利用与至少一个封隔元件接触的支承环组件，所述组件包括：至少一个楔形螺旋环，所述至少一个楔形螺旋环包括：至少一个外周面，所述至少一个外周面被构造为接触井筒套管或衬管；至少一个锥形内周面，所述至少一个锥形内周面被构造为接触以下中的至少一者：保持器的一部分、具有锥形面的保持器的一部分、心轴的一部分，以及它们的组合；以及轴向端面，所述轴向端面被构造为接触所述至少一个封隔元件。所述方法还可以包括至少一个保持器，其中所述至少一个楔形螺旋环位于所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器之间。在一个实施方案中，所述方法还可以包括心轴，其中所述至少一个楔形螺旋环、所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器位于所述心轴周围。在另一个实施方案中，所述方法还可以包括使至少一个楔形螺旋环在至少一个保持器和至少一个封隔元件之间扩张，从而形成防止封隔元件挤出的迷宫式密封。所述至少一个楔形螺旋环可在其沿所述至少一个保持器的锥形面向上扩张并接触所述套管或衬管时充当弹簧力。所述方法还可以包括松弛所述至少一个楔形螺旋环，其中所述至少一个环返回未扩张构型。在另一个实施方案中，所述方法还可以包括从井筒取回至少一个楔形螺旋环。在示例性实施方案中，所述组件包括两个保持器、两个楔形螺旋环和一个封隔元件，其中每个保持器位于封隔元件的不同侧上，并且每个楔形螺旋环位于单独的封隔元件和单独的保持器之间。所述至少一个楔形螺旋环可以被切割为一个连续的螺旋。在一个实施方案中，螺旋切口与竖直成约0到约20度。在一些实施方案中，所述至少一个环是3D打印环。在一个实施方案中，至少一个锥形内周面的角度可以是约5度到约60度。在另外的实施方案中，所述至少一个保持器包括锥形面，其中所述锥形面的角度为约5度到约60度。
在一个实施方案中，支承环组件包括：至少一个楔形螺旋环，所述至少一个楔形螺旋环包括：至少一个外周面，所述至少一个外周面被构造为接触井筒套管或衬管；至少一个锥形内周面，所述至少一个锥形内周面被构造为接触以下中的至少一者：保持器的一部分；具有锥形面的保持器的一部分；心轴的一部分；以及它们的组合；以及轴向端面，所述轴向端面被构造为接触封隔元件。在一个实施方案中，所述组件还包括至少一个封隔元件和至少一个保持器，其中所述至少一个楔形螺旋环位于所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器之间。在一个实施方案中，所述组件还包括心轴，其中所述至少一个楔形螺旋环、所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器位于所述心轴周围。在至少一个保持器和至少一个压缩封隔元件之间处于扩张状态的至少一个楔形螺旋环可以形成迷宫式密封。在一个实施方案中，处于扩张状态的所述至少一个楔形螺旋环接触套管或衬管。在示例性实施方案中，所述组件包括两个保持器、两个楔形螺旋环和一个封隔元件，其中每个保持器位于封隔元件的不同侧上，并且每个楔形螺旋环位于单独的封隔元件和单独的保持器之间。在另一个实施方案中，组件还包括设置在心轴内的插塞。所述至少一个楔形螺旋环可以被切割为一个连续的螺旋。在一个实施方案中，螺旋切口与竖直成约0到约20度。在一些实施方案中，所述至少一个楔形螺旋环是3D打印环。在一个实施方案中，至少一个锥形内周面的角度可以是约5度到约60度。在另外的实施方案中，所述至少一个保持器包括锥形面，其中所述锥形面的角度为约5度到约60度。
在一个实施方案中，井下组件包括：细长心轴，所述细长心轴被构造为置于井筒套管或衬管中；保持器，所述保持器被构造为沿所述心轴可滑动地接合，其中所述保持器包括锥形面；封隔元件，所述封隔元件被构造为沿着所述心轴滑动；至少一个楔形螺旋环，所述至少一个楔形螺旋环设置在所述保持器和所述封隔元件之间，所述环包括：至少一个外周面，所述至少一个外周面被构造为接触所述套管或柱；至少一个锥形内周面，所述至少一个锥形内周面被构造为接触以下中的至少一者：所述保持器的一部分；所述保持器的锥形面的一部分；所述心轴的一部分；以及它们的组合；以及轴向端面，所述轴向端面被构造为接触所述封隔元件。在另一个实施方案中，组件还包括设置在心轴内的插塞。
以下说明性示例被给出来介绍在此讨论的一般主题并且不用于限制所公开的构思的范围。以下部分参考附图描述了各种另外的实施方案和示例，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且方向性描述用于描述示例性实施方案，但与示例性实施方案一样，不应当用于限制本公开。
封隔器组件
根据本公开的实施方案的封隔器组件可以包括心轴、至少一个保持器、至少一个支承环和封隔器元件。图1是处于未设定或磨合状态的封隔器组件实施方案100的纵向截面视图。套管102具有内表面104，并且在套管102和心轴108之间限定环形部106。当保持器110、111朝向彼此拉动时，保持器110、111使封隔器元件112扩张。支承环114、116设置在保持器110、111和封隔器元件112之间。当封隔器元件112朝向套管内表面104向外扩张时，支承环114、116在封隔元件112的任一侧上沿着保持器110、111上的斜坡118、119向上行进，从而执行以下中的至少一者：保持封隔元件112；保持封隔器元件内的密封压力；通过形成迷宫式密封防止封隔元件挤出；及其组合。
在一些实施方案中，前述组件包含通过匹配螺纹、销、焊接或任何其他合适的方式连接在心轴内的插塞(未示出)，并且所述组件被称为桥塞。插塞具有位于插塞和心轴的内径之间的密封件，以防止其间的流体流动。封隔器组件通常具有至少一个用于允许通过工具的流体连通的装置。封隔器可以允许通过一个或多个阀机构来控制通过其中的流体通道，所述阀机构可以与封隔器本体成一体或者可以在外部附接到封隔器本体。在本文件的附图中未示出这种阀机构。封隔器工具可以被部署在具有套管或其他这种环形结构或几何形状(其中可以设置工具)的井筒中。
图2A是处于松弛状态(也被称为未设定或磨合状态)的封隔器组件200A的若干元件的截面示意图。当保持器210、211朝向彼此拉动时，保持器210、211使封隔器元件212扩张。支承环214、216设置在保持器210、211与封隔器元件212之间。当封隔器元件212朝向套管内表面220向外扩张时，支承环214、216在封隔元件212的任一侧上沿着保持器210、211上的斜坡218、219向上行进。结果是扩张的封隔器元件组件200B。支承环214、216保持封隔元件212并通过形成迷宫式密封来防止其挤出。
保持器可在与支承环和封隔器元件接触的端部上具有斜坡形面218、219。斜坡的角度可以是可以接受支承环的相对应的锥形面，并且当封隔器元件扩张时允许环沿斜坡向上滑动的任何角度。所述角度可以取决于保持器和套管之间的间隙的几何形状。在一个实施方案中，所述角度为约5度到约60度。在另一个实施方案中，所述角度为约20度到约35度。
支承环
本公开的支承环可以保持封隔器元件并防止封隔器元件的挤出。
图3A-C示出了根据本公开的实施方案的支承环。支承环的基本构造可以是具有螺旋切口的楔形件。支承环300包括至少一个外周面302、至少一个锥形内周面304以及轴向端面306。外周面302可以被构造为接触井筒套管或衬管。锥形内周面304可接触保持器的一部分、保持器锥形面的一部分、心轴的一部分及其组合中的至少一者。此外，轴向端面306可被构造为接触封隔元件。
锥形内周面的角度可以是沿保持器的相对应斜坡/锥形面向上滑动的任何角度。在一个实施方案中，所述角度为约5度到约60度。
穿过楔形支承环的螺旋切口是两个平坦表面。螺旋切口可以从竖直方向以零度竖直切割。螺旋切口可以与竖直方向成约0度到约20度。
当支承环沿保持器的锥形面向上移动时，支承环展开。当支承环沿锥形斜坡218、219的角度向上滑动时，螺旋形状的端部转动并且外表面302的直径增加。
本公开的支承环具有若干益处。当螺旋环形状沿保持器的斜坡/锥形端部向上扩张时，螺旋环充当弹簧。弹簧力试图将扩张的支承环向下拉回到心轴。弹簧力可以有助于取回，因为支承环将返回到或接近于用于取回的磨合形状。
另外，弹簧力也可以推动封隔元件以保持元件系统被致动。通过支承环提供的另外的弹簧力，所述元件不太可能失去压力。此外，螺旋环中的螺旋切口可以在其被沿保持器的斜坡/锥形端向上推动之后闭合，从而形成防止元件挤出的迷宫式密封。
支承件可以由足够坚固以在井下条件下保持扩张的封隔器元件的任何材料制成。在一个实施方案中，支承环起始于由退火的不锈钢制成的金属楔形件。楔形件利用电火花加工(EDM)螺旋切口。在一些实施方案中，支承环是熔模铸造。在另一个实施方案中，支承环3D打印为最终形状。
本领域技术人员将认识到，根据本公开的实施方案的支承环组件具有许多功能和优点，包括扩张出去以接触套管、具有保持封隔元件的高扩张性能、潜在地是可取回的(因为支承环弹簧力可使环返回到磨合形状)、以及潜在地形成迷宫式密封以防止元件挤出。
在井筒中的使用
图4示出了具有根据本发明的某些实施方案的封隔器组件的井系统400。井系统400包括延伸穿过各种地层的井筒410。井筒410具有基本竖直部段404和基本水平部段406。基本竖直部段404和基本水平部段406可以包括胶结在基本竖直部段104的上部分处的套管柱408、409。基本水平部段406延伸穿过含烃地层。
油管柱412从井筒410内的表面延伸，具有环形部402。油管柱412可提供用于地层流体从大致水平部段106行进到表面的导管。封隔器组件414、416可与油管柱412一起定位在水平部段406中。其他部件(未示出)，诸如生产油管、筛网、流入控制装置，可定位在井筒410中。封隔器组件414、416可在油管柱412和套管柱408之间提供环形密封以限定区域418、420。封隔器组件414、416中的一者或两者可提供期望的负载性能并且可从井筒410取回。
尽管图4示出了定位在基本水平部段106中的封隔器组件414、416，但是根据本发明的各种实施方案的封隔器组件414、416可以另外地或替代地位于基本竖直部段404中。此外，可以使用任何数量(包括一个)的封隔器组件。在一些实施方案中，封隔器组件414、416可以设置在更简单的井筒(诸如仅具有基本竖直部段的井筒)中。
虽然已经示出和描述了本发明的优选实施方案，但是在不脱离本发明的精神和教导的情况下，本领域技术人员可以对其进行修改。本文所描述的实施方案仅是示例性的，并且不用于限制。本文公开的本发明的许多变化和修改都是可能的，并且在本发明的范围内。关于权利要求的任何要素使用术语“可选地”旨在表示需要所述主题要素，或者替代地，不需要所述主题要素。两种替代方案都在权利要求的范围内。
本文所公开的实施方案包括：
A：一种保持封隔元件的方法，包括利用与至少一个封隔元件接触的支承环组件，所述组件包括：至少一个楔形螺旋环，所述至少一个楔形螺旋环包括：至少一个外周面，所述至少一个外周面被构造为接触井筒套管或衬管；至少一个锥形内周面，所述至少一个锥形内周面被构造为接触以下中的至少一者：保持器的一部分；具有锥形面的保持器的一部分；心轴的一部分；以及它们的组合；以及轴向端面，所述轴向端面被构造为接触所述至少一个封隔元件。
B：一种支承环组件，包括至少一个楔形螺旋环，所述至少一个楔形螺旋环包括：至少一个外周面，所述至少一个外周面被构造为接触井筒套管或衬管；至少一个锥形内周面，所述至少一个锥形内周面被构造为接触以下中的至少一者：保持器的一部分；具有锥形面的保持器的一部分；心轴的一部分；以及它们的组合；以及轴向端面，所述轴向端面被构造为接触封隔元件。
C：一种井下组件，包括细长心轴，所述细长心轴被构造为置于井筒套管或衬管中；保持器，所述保持器被构造为沿所述心轴可滑动地接合，其中所述保持器包括锥形面；封隔元件，所述封隔元件被构造为沿所述心轴滑动；至少一个楔形螺旋环，所述至少一个楔形螺旋环设置在所述保持器和所述封隔元件之间，所述环包括：至少一个外周面，所述至少一个外周面被构造为接触所述套管或柱；至少一个锥形内周面，所述至少一个锥形内周面被构造为接触以下中的至少一者：所述保持器的一部分；所述保持器的所述锥形面的一部分；所述心轴的一部分；以及它们的组合；以及轴向端面，所述轴向端面被构造为接触所述封隔元件。
实施方案A、B和C中的每一者可具有以任何组合的以下另外要素中的一者或多者：要素1：还包括至少一个保持器，其中所述至少一个楔形螺旋环位于所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器之间。要素2：还包括心轴，其中所述至少一个楔形螺旋环、所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器位于所述心轴周围。要素3：还包括使所述至少一个楔形螺旋环在所述至少一个保持器和所述至少一个封隔元件之间扩张，从而形成防止封隔元件挤出的迷宫式密封。要素4：其中所述至少一个楔形螺旋环在其沿所述至少一个保持器的锥形面向上扩张并接触所述套管或衬管时充当弹簧力。要素5：还包括松弛所述至少一个楔形螺旋环，其中所述至少一个环返回到未扩张构型。要素6：还包括从所述井筒取回所述至少一个楔形螺旋环。要素7：其中所述组件包括两个保持器、两个楔形螺旋环和一个封隔元件，其中每个保持器在所述封隔元件的不同侧上，并且每个楔形螺旋环位于单独的封隔元件和单独的保持器之间。要素8：其中所述至少一个楔形螺旋环被切割为一个连续的螺旋。要素9：其中所述至少一个楔形螺旋环是3D打印环。要素10：还包括至少一个封隔元件和至少一个保持器，其中所述至少一个楔形螺旋环位于所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器之间。要素11：其中在所述至少一个保持器和所述至少一个压缩封隔元件之间处于扩张状态的所述至少一个楔形螺旋环形成迷宫式密封。要素12：其中处于扩张状态的所述至少一个楔形螺旋环接触套管或衬管。要素13：还包括设置在所述心轴内的插塞。要素14：其中所述螺旋切口与竖直成约0度到约20度。要素15：其中至少一个锥形内周面的角度为约5度到约60度。要素16：其中所述至少一个保持器包括锥形面，其中所述锥形面的角度为约5度到约60度。要素17：其中所述至少一个保持器包括锥形面，其中所述锥形面的角度为约20度到约35度。要素18：其中至少一个锥形内周面的角度为约20度到约35度。
一旦完全理解上述公开内容，许多其他修改、等同物和替代物对于本领域技术人员将变得显而易见。所附权利要求旨在被解释为在适用的地方涵盖所有这些修改、等同物以及替代物。
Claims (28)
1.一种保持封隔元件的方法，包括：
利用与至少一个封隔元件接触的支承环组件，所述组件包括：
至少一个楔形螺旋环，包括：
至少一个外周面，其被构造为接触井筒套管或衬管；
至少一个锥形内周面，其被构造为接触以下中的至少一者：保持器的一部分；具有锥形面的保持器的一部分；心轴的一部分；以及它们的组合；以及
轴向端面，其被构造为接触所述至少一个封隔元件。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括至少一个保持器，其中所述至少一个楔形螺旋环位于所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器之间。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括心轴，其中所述至少一个楔形螺旋环、所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器位于所述心轴周围。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括使所述至少一个楔形螺旋环在所述至少一个保持器和所述至少一个封隔元件之间扩张，从而形成防止封隔元件挤出的迷宫式密封。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述至少一个楔形螺旋环在其沿所述至少一个保持器的所述锥形面向上扩张并接触所述套管或衬管时充当弹簧力。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括松弛所述至少一个环，其中所述至少一个楔形螺旋环返回到未扩张构型。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括从所述井筒取回所述至少一个楔形螺旋环。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述组件包括两个保持器、两个楔形螺旋环和一个封隔元件，其中每个保持器在所述封隔元件的不同侧上，并且每个楔形螺旋环位于单独的封隔元件和单独的保持器之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个楔形螺旋环被切割为一个连续的螺旋。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述螺旋切口与竖直成约0度到约20度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个楔形螺旋环是3D打印环。
12.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个保持器包括锥形面，其中所述锥形面的角度为约5度到约60度。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个锥形内周面的角度为约5度到约60度。
14.一种支承环组件，包括：
至少一个楔形螺旋环，包括：
至少一个外周面，其被构造为接触井筒套管或衬管；
至少一个锥形内周面，其被构造为接触以下中的至少一者：保持器的一部分；具有锥形面的保持器的一部分；心轴的一部分；以及它们的组合；以及
轴向端面，其被构造为接触封隔元件。
15.根据权利要求14所述的组件，还包括至少一个封隔元件和至少一个保持器，其中所述至少一个楔形螺旋环位于所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器之间。
16.根据权利要求15所述的组件，还包括心轴，其中所述至少一个楔形螺旋环、所述至少一个封隔元件和所述至少一个保持器位于所述心轴周围。
17.根据权利要求16所述的组件，其中在所述至少一个保持器和所述至少一个压缩封隔元件之间处于扩张状态的所述至少一个楔形螺旋环形成迷宫式密封。
18.根据权利要求16所述的组件，其中处于扩张状态的所述至少一个楔形螺旋环接触套管或衬管。
19.根据权利要求14所述的组件，其中所述组件包括两个保持器、两个楔形螺旋环和一个封隔元件，其中每个保持器在所述封隔元件的不同侧上，并且每个楔形螺旋环位于单独的封隔元件和单独的保持器之间。
20.根据权利要求16所述的组件，还包括设置在所述心轴内的插塞。
21.根据权利要求14所述的组件，其中所述至少一个楔形螺旋环被切割为一个连续的螺旋。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述螺旋切口与竖直成约0度到约20度。
23.根据权利要求14所述的组件，其中所述至少一个楔形螺旋环是金属的。
24.根据权利要求14所述的组件，其中所述至少一个楔形螺旋环是3D打印环。
25.根据权利要求15所述的方法，其中所述至少一个保持器包括锥形面，其中所述锥形面的角度为约5度到约60度。
26.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个锥形内周面的角度为约5度到约60度。
27.一种井下组件，包括：
细长心轴，其被构造为置于井筒套管或衬管中；
保持器，其被构造为沿所述心轴可滑动地接合，其中所述保持器包括锥形面；
封隔元件，其被构造为沿所述心轴滑动；
至少一个楔形螺旋环，其设置在所述保持器和所述封隔元件之间，所述环包括：
至少一个外周面，其被构造为接触所述套管或柱；
至少一个锥形内周面，其被构造为接触以下中的至少一者：所述保持器的一部分；所述保持器的所述锥形面的一部分；所述心轴的一部分；以及它们的组合；以及
轴向端面，其被构造为接触所述封隔元件。
28.根据权利要求27所述的组件，还包括设置在所述心轴内的插塞。
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