CN109952412A - 具有膨胀验证的环状屏障 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环状屏障，其用于在井管结构与井孔或井下的另一井管结构的壁部之间的环空中膨胀以将环空中的第一区域与第二区域隔离，该环空具有环空压力，该环状屏障包括：用于作为井管结构的一部分安装的管状部件，该管状部件包括具有内部压力的内部；可膨胀套筒，其围绕管状部件并具有面向管状部件的内表面和面向井孔或壁部的外表面，可膨胀套筒的每一端与管状部件连接；在可膨胀套筒的内表面与管状部件之间的环状空间，该环状空间具有空间压力；和阀系统，其具有第一系统位置和第二系统位置，在所述第一系统位置，在管状部件的内部与环状空间之间提供流体连通，在所述第二系统位置，在环状空间与环空之间提供流体连通；以及空间流体通道，其将阀系统与环状空间流体连接，并且在第一系统位置环状空间与管状部件的内部流体连接，在第二系统位置该环状空间与环空流体连接，其中环状屏障还包括膨胀指示单元和一腔室，该腔室具有低于预定的第一压力的腔室压力，膨胀指示单元具有与空间流体通道流体连通的第一端口、与腔室流体连通的第二端口和与管状部件的内部流体连通的第三端口，膨胀指示单元具有第一单元位置和第二单元位置，在所述第一单元位置，第二端口与第三端口断开流体连接，在所述第二单元位置，第二端口与第三端口流体连接。本发明还涉及一种井下系统和一种膨胀检测方法。

Description

具有膨胀验证的环状屏障

技术领域

本发明涉及一种环状屏障，该环状屏障用于在井管结构与井孔或另一井下井管结构的壁部之间的环空中膨胀以将环空中的第一区域与第二区域隔离。本发明还涉及一种井下系统和一种膨胀检测方法。

背景技术

在井下完井中，在井孔中布置有具有至少一个环状屏障的井管金属结构，所述环状屏障用于在井管金属结构与井孔之间的环空中提供隔离区域。环状屏障在井下环空中膨胀，以将第一区域与第二区域隔离。然而，当在地下向下达几公里的环空中膨胀环状屏障时，其中在向下的路线上可能发生许多事情，需要验证环状屏障是否已经膨胀。

发明内容

本发明的一个目的在于完全或部分地克服现有技术的以上劣势和缺点。更具体地，一个目的在于提供一种改进的环状屏障，其中可以以简单的方式验证环状屏障的膨胀。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过一种环状屏障来实现，该环状屏障用于在井管结构与井孔或另一井下井管结构的壁部之间的环空中膨胀以将环空中的第一区域与第二区域隔离，该环空具有环空压力，该环状屏障包括：

-用于作为井管结构的一部分安装的管状部件，该管状部件包括具有内部压力的内部，

-可膨胀套筒，其围绕管状部件并且具有面向管状部件的内表面和面向井孔或壁部的外表面，

-可膨胀套筒的各端与管状部件连接，

-在可膨胀套筒的内表面与管状部件之间的环状空间，该环状空间具有空间压力，和

-阀系统，所述阀系统具有第一系统位置和第二系统位置，在所述第一系统位置提供管状部件的内部与环状空间之间的流体连通，在所述第二系统位置提供环状空间与环空之间的流体连通，和

-空间流体通道，该空间流体通道将阀系统与环状空间流体连通，且在第一系统位置环状空间与管状部件的内部流体连接，在第二系统位置，环状空间与环空流体连接，

其中环状屏障还包括膨胀指示单元和一腔室，该腔室的腔室压力低于预定的第一压力，膨胀指示单元具有与空间流体通道流体连通的第一端口、与腔室流体连通的第二端口和与管状部件内部流体连通的第三端口，膨胀指示单元具有第一单元位置和第二单元位置，在所述第一单元位置第二端口与第三端口断开流体连接，在所述第二单元位置所述第二端口与第三端口流体连接。

由于阀系统从第一系统位置转换到第二系统位置，膨胀指示单元可以将位置从第一单元位置转换到第二单元位置。

膨胀指示单元的腔室可以具有低于膨胀压力的压力，并且当膨胀结束且阀系统转换位置时，空间流体通道中的压力变为环空压力，该环空压力低于管状部件中的膨胀压力(作用在第二内孔区段中的单元活塞的相对端上)，然后，由于管状部件内部的较高压力，膨胀指示单元转换到第二单元位置以提供腔室与管状部件的内部之间的流体连通。膨胀指示单元从未使第一端口与第二端口或第三端口中的任何一者流体连通，因此在膨胀期间或在膨胀之后环状空间与环空之间的压力均衡期间都不会妨碍空间流体通道中的加压流体。因此，在膨胀期间，膨胀指示单元中没有移动。

在第一系统位置，环空与环状空间之间的流体连通可以是关闭的。

在第二系统位置，管状部件的内部与环状空间之间的流体连通可以是关闭的。

膨胀指示单元可具有单元内孔和单元活塞，该单元活塞布置在内孔中，从而将单元内孔分成第一内孔区段和第二内孔区段，第一内孔区段与第一端口流体连通，第二内孔区段与第三端口流体连通，在第一单元位置所述单元活塞与第二端口相对布置并将第二端口与第一端口和第三端口隔离。

此外，膨胀指示单元还可包括固定装置，其构造成将单元活塞固定在第一单元位置。

另外，膨胀指示单元还可包括固定装置，该固定装置构造成将单元活塞固定在第一单元位置，直到达到空间流体通道与管状部件的内部之间的预定压差。

固定装置可以是剪切销或爆破片。

此外，预定的第一压力可以低于用于使可膨胀套筒膨胀的膨胀压力。

而且，膨胀指示单元的单元活塞可具有面向第一内孔区段的第一活塞面积和面向第二内孔区段的第二活塞面积，第一活塞面积等于或大于第二活塞面积。

此外，密封装置可以布置在单元活塞中的沟槽中，并且在第一单元位置，密封装置可以布置在第二端口的两侧。

另外，腔室可具有1巴的压力。

此外，在腔室浸没入井孔中之前，腔室可以充满液体。

此外，腔室中可以存在真空。

而且，膨胀指示单元还可包括锁定机构，该锁定机构构造成将单元活塞锁定在第二单元位置。

锁定机构可借助于弹簧进行弹簧加载。

此外，第三端口可以最远离第一端口布置在第二内孔区段的第一端部中，并且第三端口与第二端口之间的距离可以小于单元活塞的长度。

另外，可膨胀套筒由金属制成，因此是可膨胀的金属套筒。

此外，阀系统可包括：

-与所述内部流体连通的第一开口，

-与环状空间流体连通的第二开口，

-系统内孔，其具有内孔延伸方向并且包括具有第一内径的第一内孔部段和具有第二内径的第二内孔部段，第二内径大于第一内孔部段的第一内径，

其中，第一开口和第二开口设置在第一内孔部段中并沿着内孔延伸方向移位，并且所述环状屏障还包括：

-布置在内孔中的系统活塞，该系统活塞包括第一活塞部，其外径大致对应于第一内孔部段的内径，并且包括第二活塞部，其外径大致对应于第一内孔部段的内径，和

-破裂元件，其防止在系统内孔中达到预定的第二压力之前系统活塞移动。

预定的第二压力可以是差压。

所述破裂元件可以是剪切销、剪切盘、破裂片或在一定压力下易破碎/破裂的类似元件。

如上所述的井下环状屏障还可包括锁定元件，该锁定元件适于在系统活塞处于关闭位置时机械地锁定系统活塞，从而阻塞第一开口。

此外，锁定元件可构造成在系统活塞移动远离初始位置时至少部分地径向向外或向内移动，以防止系统活塞返回该系统活塞的初始位置。

此外，锁定元件可以将系统活塞永久地锁定在关闭位置。

系统活塞可包括流体通道，该流体通道是提供第一内孔部段与第二内孔部段之间的流体连通的通孔。

此外，系统活塞可以具有布置在管状部件的壁部中或将可膨胀金属套筒与管状部件连接的连接部件的壁部中的中心轴线。

而且，阀系统可包括与环空流体连通的系统开口。

系统开口可以是阀系统的第三开口。

此外，环状屏障可包括防坍塌单元，该防坍塌单元具有与第一区域流体连通的第一入口和与第二区域流体连通的第二入口，并且该防坍塌单元单元具有经系统开口与环状空间流体连通的出口，并且在第一位置，第一入口与出口流体连通，从而使第一区域的第一压力与空间压力相等，而在第二位置，第二入口与出口流体连通，从而使第二区域的第二压力与空间压力相等。

此外，防坍塌单元可包括至少在第一位置和第二位置之间可移动的元件。

在第一入口中可以布置有第一单向阀，从而允许流体流入防坍塌单元但是阻止流体流出防坍塌单元；在第二入口中可以布置有第二单向阀，从而允许流体流入防坍塌单元但是阻止流体流出防坍塌单元。

如上所述的环状屏障还可包括压力传感器，该压力传感器构造成测量井管结构中的压力以便在填充腔室时检测该压力。

本发明还涉及一种井下系统，其包括如上所述的环状屏障，并且还包括在地面处或浸没式膨胀工具中的压力产生装置，例如泵。

根据本发明的井下系统还包括压力传感器，该压力传感器构造成测量井管结构中的压力以在填充腔室时检测压力。

而且，本发明涉及一种用于验证如上所述的环状屏障的膨胀的膨胀检测方法，所述方法包括：

-向处于第一系统位置的阀系统施加膨胀压力以使套筒膨胀，

-从阀系统的第一系统位置转换到第二系统位置，使得第一端口与低于膨胀压力的环空压力流体连接，

-允许单元活塞从将第二端口和第三端口流体地断开移动至将第二端口和第三端口流体连接，

-用来自井管结构的流体填充腔室，从而降低井管结构内的压力，以及

-借助于压力传感器检测井管结构中的压力降低。

如上所述的膨胀检测方法还可以包括验证环状屏障是否膨胀。

而且，压力降低的检测可以是压力降低的远程检测，从而验证环状屏障是否膨胀。

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，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了环状屏障的截面图，

图2A示出了具有阀系统的图1的环状屏障的一部分的截面图，其中系统活塞处于打开位置，

图2B示出了处于其关闭位置的图2A的活塞，

图3A示出了处于其打开位置的系统活塞的另一实施例，

图3B示出了处于其关闭位置的图3A的活塞，

图4示出了具有膨胀指示单元的环状屏障的一部分的截面图，

图5示出了环状屏障的另一实施例的一部分的截面图，

图6A示出了处于其初始位置的系统活塞的另一实施例，

图6B示出了处于其关闭位置的图6A的活塞，

图7示出了井下系统的局部截面图，

图8示出了处于其初始位置的系统活塞的另一实施例，以及

图9示出了处于其初始位置的系统活塞的又一实施例。

所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。

具体实施方式

图1示出了井下环状屏障1，该井下环状屏障1将在井管结构3与井孔6或井下的另一井管金属结构3a(在图7中示出)的壁部5之间的环空2中膨胀，以便提供井孔的具有第一压力P₁的第一区域101和具有第二压力P₂的第二区域102之间的隔离。第一压力和第二压力可以相同。环状屏障1包括管状部件7，管状部件适于作为井管结构3的一部分安装并且其内部是井管结构的内部30的一部分，因此管状部件的内部与井管结构流体连通。环状屏障1还包括围绕管状部件7并具有面向管状部件的内套筒面9和面向井孔6的壁部5的外套筒面10的可膨胀套筒8，并且外套筒面在图1所示的膨胀位置邻接壁部。可膨胀套筒8的每个端部12与管状部件7连接，从而在可膨胀套筒的内套筒面9与管状部件7之间形成具有空间压力PS的环状空间15。环状屏障1具有与井管结构的内部并因此与管状部件流体连通的第一开口16，并且环状屏障的第二开口17与环状空间15流体连通。当管状部件7的内部被加压时，流体流入环状空间15，从而使可膨胀金属套筒8膨胀到膨胀位置，如图1所示。

环状屏障1还包括阀系统11，阀系统具有第一系统位置和第二系统位置，在所述第一系统位置，提供管状部件的内部与环状空间之间的流体连通，在所述第二系统位置，提供环状空间与环空之间的流体连通。空间流体通道14将阀系统与环状空间流体连通。在第一系统位置，环状空间与管状部件的内部流体连通，并且环空与环状空间之间的流体连通是关闭的。在第二系统位置，环状空间与环空流体连通，并且管状部件的内部与环状空间之间的流体连通是关闭的。环状屏障还包括用于执行环状屏障是否膨胀的指示的膨胀指示单元50(在图4中示出)。

如图4所示，膨胀指示单元包括腔室51，该腔室具有低于预定的第一压力并且低于使可膨胀套筒膨胀所需的膨胀压力的腔室压力P_C。膨胀指示单元具有与空间流体通道14流体连通的第一端口52、与腔室流体连通的第二端口53和与管状部件的内部流体连通的第三端口54。膨胀指示单元具有第一单元位置和第二单元位置，在所述第一单元位置中，第二端口与第三端口断开流体连接，如图4所示，在所述第二单元位置中，第二端口与第三端口流体连接，如图5所示。

膨胀指示单元的腔室具有低于膨胀压力的压力，并且当膨胀结束且阀系统变换位置时，空间流体通道14中的压力变为低于管状部件中的膨胀压力的环空压力，然后膨胀指示单元变换到第二单元位置，从而提供腔室与管状部件/井管状金属结构的内部之间的流体连通并在腔室未预填充流体的情况下为腔室填充流体。当腔室被填充来自井管结构的流体时，井管结构中的压力下降并且可以在地面处检测到该压力降低，因此可以在地面处验证环状屏障的膨胀。因此，可以容易地验证环状屏障的膨胀，而不必在可膨胀金属套筒的外侧上有许多测量装置。腔室也可以以显著低于膨胀压力的腔室压力预先填充流体。

膨胀指示单元从不使第一端口与第二或第三端口中的任一者流体连通，因此空间流体通道中的加压流体在膨胀期间或在膨胀之后环状空间与环空之间的压力均衡期间都不受阻碍或受影响。因此，在膨胀期间，膨胀指示单元中没有移动。

如图4所示，膨胀指示单元具有单元内孔55和单元活塞56，单元活塞56布置在内孔中，从而将单元内孔分成第一内孔区段57和第二内孔区段58。第一内孔区段与第一端口流体连通，并且第二内孔区段与第三端口流体连通。在第一单元位置，单元活塞与第二端口相对布置，并将第二端口与第一端口和第三端口隔离，如图4所示。当从第一单元位置移动到第二单元位置时，活塞朝第一端口移动。在第二单元位置，单元活塞不再与第二端口相对，并使第二端口与第三端口流体连通，如图5所示。膨胀指示单元的单元活塞56具有面向第一内孔区段的第一活塞端面积A1和面向第二区段的第二活塞端面积A2，其中第一活塞端面积等于或大于第二活塞端面积。密封装置72布置在单元活塞中的沟槽中，并且在第一单元位置，密封装置布置在第二端口的两侧。

在图5中，膨胀指示单元还包括固定装置59(在图4中示出)，例如剪切销，其构造成将活塞固定在第一单元位置。当空间流体通道与管状部件的内部之间达到一定差压、即预定的压差时，固定装置失效，例如，剪切销被剪切断。

在浸入井孔之前，腔室可以充满气体，例如空气或液体。腔室的压力可小于300巴，优选小于100巴，更优选小于50巴，更加优选小于5巴。如果腔室充满空气，则腔室可具有大约1巴的压力。腔室中也可以存在真空。

在图5中，膨胀指示单元还包括锁定机构73，其构造成将单元活塞56锁定在第二单元位置。锁定机构借助于弹簧74弹簧加载。如图4所示，第三端口最远离第一端口52布置在第二内孔区段的第一端76中，并且第三端口与第二端口之间的距离小于单元活塞的长度L_P。

在图5中，环状屏障包括防坍塌单元60，该防坍塌单元具有与第一区域流体连通的第一入口61和与第二区域流体连通的第二入口62。防坍塌单元具有经第三开口37与环状空间流体连通的出口63，并且在第一位置，第一入口与出口流体连通，从而使第一区域的第一压力与空间压力相等，而在第二位置，第二入口与出口流体连通，从而第二区域的第二压力与空间压力相等。第三开口与系统开口相同。防坍塌单元包括元件64，该元件64可至少在第一位置与第二位置之间移动。

在图2A中，环状屏障的阀系统还包括内孔18，内孔18具有内孔延伸方向并且包括具有第一内径ID₁的第一内孔部段19和具有大于第一内孔部段的内径的第二内径ID₂的第二内孔部段20。第一开口和第二开口布置在第一内孔部段19中并沿着内孔延伸方向移位。阀系统11还包括布置在内孔18中的系统活塞21，该系统活塞21包括第一活塞部22，第一活塞部22具有大致对应于第一内孔部段19的内径的外径OD_P1(在图2B中示出)，并且包括第二活塞部23，其具有大致对应于第二内孔部段20的内径的外径OD_P2(在图2B中示出)。环状屏障还包括破裂元件24，其防止系统活塞21移动，直到达到第二预定压力。基于作用在系统活塞的端部区域上的压力来设定破裂元件的强度，因此当压力超过预定的第二压力时，外径的差异引起系统活塞的移动。系统活塞21包括流体通道25，流体通道25提供第一内孔部段19与第二内孔部段20之间的流体连通的通孔。

通过具有包括流体通道的系统活塞21的阀系统，提供第一内孔部段与第二内孔部段之间的流体连通，使得在破裂元件破裂时，活塞可以移动，从而引起与封闭的管状部件的内部流体连通。以这种方式，提供了没有另外的流体通道的简单方案，并且由于第二活塞部具有比第一活塞部的外径大的外径，被施加流体压力的表面积大于第一活塞部的表面积。因此，当环状屏障膨胀并且压力已经建立以破坏破裂元件24时，压力使活塞移动，这允许系统活塞21移动。

破裂元件24可以是剪切盘，但是在图2A、2B、6A和6B中破裂元件是剪切销。在图6A中，剪切销是完整的并且延伸穿过系统活塞21和插入件43，而在图6B中，剪切销被剪切并且允许系统活塞移动，并且插入件43已朝向内孔的中心移动。根据在井下提供隔离所需的隔离方案，基于膨胀压力来选择破裂元件24，以便在高于膨胀压力但比可膨胀金属套筒破裂或危及井下其它完井构件的功能的压力低的压力下破裂。在图1中，具有内孔和系统活塞的阀系统布置在连接部14A中，连接部14A将可膨胀金属套筒8与管状部件7连接。如图2A和2B所示，内孔18和系统活塞21布置在管状部件7中。

在图2A和2B中，阀系统的活塞21具有在第一活塞部22处的第一活塞端27和在第二活塞部23处的第二活塞端28，并且第一活塞端具有第一活塞端面29且第二活塞端具有第二活塞端面30A。此外，第二活塞端面30A的面积大于第一活塞端面29的面积，以使系统活塞21朝向第一内孔部段19移动。面积的差异产生作用在系统活塞21上力的差异，使活塞移动以关闭第一开口16和第二开口17之间的流体连通。

如图2A所示，第一活塞部22在系统活塞21的初始位置中部分地延伸到第二内孔部段20中，并在活塞与内孔的内壁部32之间形成环状空间31。活塞21在流体压在第二活塞端面30A上时的运动在第二活塞部23到达第一内孔部段19时停止，从而使第二活塞部搁靠在通过第一内孔部段19和第二内孔部段20的内径差产生的环状面33上，该环状面33在图2B中示出。环状空间31与井管结构与井孔的内壁部之间的环空流体连通，因此经由内孔61A减压，从而允许活塞21的运动。

第一活塞部22包括两个环状密封元件34，每个环状密封元件布置在第一活塞部22中的环状沟槽35中。环状密封元件34以预定距离布置，并由此在系统活塞21的关闭位置布置在第一开口16的相对两侧，如图2B所示。此外，第二活塞部23包括布置在环状沟槽35B中的两个密封元件34B。

在图2A和2B中，环状屏障还包括锁定元件38，其适于在系统活塞处于关闭位置时机械地锁定系统活塞21，从而阻塞第一开口16，如图2B所示。

在已知的解决方案中，单向阀如球阀用于相同的目的，即允许流体进入环状屏障的空间但防止其再次逸出。通过使用这种止回阀，环状屏障内的流体被截留，并且在例如通常较冷的流体用于压裂地层的地层压裂期间，允许流体在例如300巴下进入环状屏障而不会使可膨胀金属套筒破裂，300巴是环状屏障经测试承受的最大压力。当使用压力为300巴的冷流体实现压裂时，环状屏障被均匀地填充处于300巴压力下的冷流体。随后，当压裂结束时，环状屏障被加热，从而导致环状屏障中的压力升高到最大压力以上，因为环状屏障内的流体由于止回阀而不能从环状空间逸出，因此可膨胀金属套筒裂开或破裂的风险高。因此，每当井下的温度变化时，环状屏障内的压力也会改变，并且套筒因此膨胀或卷曲，这可能导致可膨胀金属套筒的裂开或破裂。通过永久地阻塞环状空间与井管结构的内部之间的流体连通，可膨胀金属套筒不会经历如此大的变化，这大大降低了破裂的风险。

在图2A中，阀系统11的第二活塞部23包括布置在系统活塞21的第二活塞端28中的锁定元件38。锁定元件38可以是向外突出但在活塞21处于初始位置时被抑制在第三内孔部段36中的弹性元件39，这些弹性元件在活塞移动以阻塞第一开口16时释放，并且弹性元件因此径向向外突出，如图2B所示。因此，锁定元件38是在系统活塞21的第二活塞端28中形成的夹头。第二内孔部段20布置在第一内孔部段19与第三内孔部段36之间，并且第三内孔部段的内径大于第二内孔部段的内径。

当使用防止系统活塞向后移动的机械锁时，在环状屏障内的压力升高时不需要止回阀来防止系统活塞返回。以这种方式，消除了污垢阻止止回阀关闭的风险以及屏障的环状空间中的压力升高迫使系统活塞返回并再次提供与管状部件的内部流体连通的风险。在使用止回阀的已知方案中，当用较冷的流体(例如海水)压裂地层时，可膨胀金属套筒具有裂开或破裂的潜在风险。通过永久地阻挡环状空间与井管结构内部之间的流体连通，可膨胀金属套筒将不会经历如此大的温度和压力变化，这大大降低了破裂的风险。

在图3A中，阀系统11包括围绕第二活塞部23布置的锁定元件38。内孔还包括在第二内孔部段20中的第三开口/系统开口37，该第三开口与环状空间15和环空2流体连通。第三开口37可布置成与作为梭动阀/往复阀49的防坍塌单元60流体连通，如图5所示，使得梭动阀布置在第三开口与环空之间，从而在环状空间与环空之间提供流体连通。防坍塌单元60在第一位置中提供环状空间与环空(在图1中示出)的第一区域101之间的流体连通，并且在第二位置，梭动阀提供环状空间与环空(在图1中示出)的第二区域102之间的流体连通。

在图3A中，破裂元件24是布置在流体通道中的剪切销，但是在另一实施例中，剪切盘可以布置在第一内孔部段中以防止流过该盘。因此，该盘阻塞流体通道或第一内孔部段。在图3A中，内孔具有在第二内孔部段20中的第二内孔端42和在第一内孔部段19中的第一内孔端41，并且在初始位置第二活塞端面30A布置在距第二内孔端42的一定距离处。在图3B所示的关闭位置，第二活塞端面30A与第二内孔端42之间的距离增加。

在图3A和3B中，锁定元件38是布置在第二活塞端周围的第三内孔部段中的多个插入件43。插入件43通过环如O形环、弹性挡圈、开口环或钥匙环保持在一起。例当系统活塞21从图3A所示的初始位置移动到图3B所示的关闭位置时，插入件43向内落下并阻挡系统活塞21的返回，并且确保第一开口16与环状屏障的环状空间15之间的流体连通的永久闭合。

在图8中，锁定元件38还包括至少一个弹性构件45，弹性构件45布置在插入件43的外表面的周向沟槽46中，使得当系统活塞21移动以闭合与管状部件7的内部的流体连通时插入件被保持在一起并被径向向内迫压。

在图9中，锁定元件38是在初始位置伸展的弹性构件47，例如螺旋弹簧、钥匙环或卡环，并且在系统活塞21移动时弹力被释放，使得弹性构件缩回到较小的外径。

在图7中，环状屏障是井下系统100的一部分，该井下系统100还包括在地面或在浸没式膨胀工具75中的压力产生装置74，例如泵。井下系统还包括压力传感器76，其构造成测量井管结构中的压力，以便在填充腔室时检测压力。压力传感器76也可以包括在环状屏障中，从而可以容易地检测管状金属部件内的压力的小幅降低。此外，在多个环状屏障同时膨胀的情况下，布置在每个环状屏障处的传感器可以比在仅在井81的顶部80处的井口处布置一个压力传感器76的情况下更容易地检测来自相应环状屏障的压力的降低。然后可以将传感器数据传输到地面。

当在井的顶部仅设有一个压力传感器时，传感器检测到每个膨胀的环状屏障的小压降。只要在腔室与管状金属部件/井管状金属结构的内部之间建立流体连通，就通过腔室中的低压或至少较低的压力产生压降。可以利用工具使环状屏障逐一膨胀，或通过加压井管金属结构来使环状屏障基本上同时来膨胀。

本发明还涉及一种用于验证如上所述的环状屏障的膨胀的膨胀检测方法。首先，在该用于验证环状屏障的膨胀的方法中，向处于第一位置的阀系统施加压力以使套筒膨胀。然后，发生从阀系统的第一位置到第二位置的变换，使得第一端口流体连接到环空压力，该环空压力低于管状金属部件中的膨胀压力。因此，单元活塞56从将第二端口和第三端口断开流体连接移动为将第二端口和第三端口流体连接。然后，腔室被填充来自井管结构的流体，从而降低井管结构内的压力，并且借助于压力传感器来检测井管结构中的压力的降低。因此，验证了环状屏障是膨胀的。因此，压力降低的检测可以是压力降低的远程检测，从而验证环状屏障是否膨胀。

腔室也可以预填充具有低压的液体，以便只要在腔室与管状部件/井管状金属结构的内部之间建立流体连通并且管状部件/井管状金属结构中的高膨胀压力与腔室中的低压相等就发生压降。

因此，环状屏障是具有由金属制成的可膨胀套筒和由金属制成的管状部件两者的金属环状屏障。环状屏障可以进一步包括环状密封元件，其布置成使得它们邻接并围绕可膨胀金属套筒。

流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。

环状屏障是指这样的环状屏障，其包括作为井管金属结构的一部分安装的管状金属部件和围绕并连接到限定环状空间的管状部件的可膨胀金属套筒。

井管金属结构或套管是指井下使用的与石油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。

在工具不能全部下潜到套筒中的情况下，可以使用井下牵引机来将工具一直推动到井内的适当位置。井下牵引机可具有包括轮的可突出臂，其中轮与套筒的内表面接触以在套筒中向前推进牵引机和工具。井下牵引机是能够在井下推动或拉动工具的任何种类的驱动工具，例如

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (18)

1.一种环状屏障(1)，用于在井管结构(3)与井孔(6)或井下的另一井管结构(3a)的壁部(5)之间的环空(2)中膨胀以将所述环空中的第一区域(101)与第二区域(102)隔离，所述环空具有环空压力，所述环状屏障包括：

-用于作为所述井管结构的一部分安装的管状部件(7)，所述管状部件包括具有内部压力的内部(30)，

-可膨胀套筒(8)，其围绕所述管状部件并具有面向所述管状部件的内表面(9)和面向所述井孔或所述壁部的外表面(10)，

-所述可膨胀套筒的每个端部(12)与所述管状部件连接，

-在所述可膨胀套筒的内表面与所述管状部件之间的环状空间(15)，所述环状空间具有空间压力，和

-阀系统(11)，所述阀系统具有第一系统位置和第二系统位置，在该第一系统位置，在所述管状部件的内部与所述环状空间之间提供流体连通，在该第二系统位置，在所述环状空间与所述环空之间提供流体连通，以及

-空间流体通道(14)，所述空间流体通道将所述阀系统与所述环状空间流体连接，并且在所述第一系统位置所述环状空间与所述管状部件的内部流体连接，在所述第二系统位置所述环状空间与所述环空流体连接，

其中，所述环状屏障还包括膨胀指示单元(50)和腔室(51)，所述腔室(51)具有低于预定的第一压力的腔室压力(Pc)，所述膨胀指示单元具有与所述空间流体通道(14)流体连通的第一端口(52)、与所述腔室流体连通的第二端口(53)和与所述管状部件的内部流体连通的第三端口(54)，所述膨胀指示单元具有第一单元位置和第二单元位置，在所述第一单元位置，所述第二端口与所述第三端口断开流体连接，在所述第二单元位置，所述第二端口与所述第三端口流体连接。

2.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，由于所述阀系统从所述第一系统位置变换位置到所述第二系统位置，所述膨胀指示单元将位置从所述第一单元位置变换为所述第二单元位置。

3.根据权利要求1或2所述的环状屏障，其中，所述膨胀指示单元具有单元内孔(55)和单元活塞(56)，所述单元活塞布置在所述单元内孔中，从而将所述单元内孔分成第一内孔区段(57)和第二内孔区段(58)，所述第一内孔区段与所述第一内孔区段流体连通，所述第一内孔区段与所述第一端口流体连通，所述第二内孔区段与所述第三端口流体连通，在所述第一单元位置所述单元活塞与所述第二端口相对地布置并将所述第二端口与所述第一端口和所述第三端口隔离。

4.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述膨胀指示单元还包括固定装置(59)，所述固定装置构造成将所述单元活塞固定在所述第一单元位置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述固定装置是剪切销或爆破片。

6.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述预定的第一压力低于用于使所述可膨胀套筒膨胀的膨胀压力。

7.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述膨胀指示单元的所述单元活塞具有面向所述第一内孔区段的第一活塞面积(A1)和面向所述第二内孔区段的第二活塞面积(A2)，所述第一活塞面积等于或大于所述第二活塞面积。

8.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述腔室具有1巴的压力。

9.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，在所述腔室浸没到所述井孔中之前，所述腔室被填充液体。

10.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述腔室中存在真空。

11.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述膨胀指示单元还包括锁定机构(72)，所述锁定机构构造成将所述单元活塞锁定在所述第二单元位置。

12.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述阀系统包括：

-与所述内部流体连通的第一开口(16)，

-与所述环状空间流体连通的第二开口(17)，

-系统内孔(18)，所述系统内孔具有内孔延伸方向并且包括具有第一内径(ID₁)的第一内孔部段(19)和具有第二内径(ID₂)的第二内孔部段(20)，所述第二内径大于所述第一内孔部段的第一内径，

其中，所述第一开口和所述第二开口设置在所述第一内孔部段中并沿着所述内孔延伸方向移位，并且所述环状屏障还包括：

-布置在所述内孔中的系统活塞(21)，所述系统活塞包括第一活塞部(22)和第二活塞部(23)，所述第一活塞部(22)的外径(OD_P1)大致对应于所述第一内孔部段的内径，所述第二活塞部(23)的外径(OD_P2)大致对应于所述第二内孔部段的内径，和

-破裂元件(24)，其防止在所述系统内孔中达到预定的第二压力之前所述系统活塞发生移动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的井下环状屏障，其中，所述阀系统包括系统开口(37)，所述系统开口(37)与所述环空流体连通。

14.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述环状屏障包括防坍塌单元(60)，所述防坍塌单元具有与所述第一区域流体连通的第一入口(61)和与所述第二区域流体连通的第二入口(62)，并且所述防坍塌单元具有出口(63)，所述出口经所述系统开口与所述环状空间流体连通，并且在第一位置，所述第一入口与所述出口流体连通，从而使所述第一区域的第一压力与所述空间压力相等，而在第二位置，所述第二入口与所述出口流体连通，从而使所述第二区域的第二压力与所述空间压力相等。

15.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，还包括压力传感器(76)，所述压力传感器构造成测量所述井管结构中的压力，以便在填充所述腔室时检测压力。

16.一种井下系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，并且还包括在地面或在浸没式膨胀工具(75)中的压力产生装置(74)，例如泵。

17.根据权利要求16所述的井下系统，还包括压力传感器(76)，所述压力传感器(76)构造成测量所述井管结构中的压力以在填充所述腔室时检测所述压力。

18.一种用于验证根据权利要求1-15中任一项所述的环状屏障的膨胀的膨胀检测方法，所述方法包括：

-向处于所述第一系统位置的阀系统施加膨胀压力以使所述套筒膨胀，

-从所述阀系统的第一系统位置变换为所述第二系统位置，使得所述第一端口流体连接到低于所述膨胀压力的环空压力，

-允许所述单元活塞从将所述第二端口和所述第三端口断开流体连接移动至将所述第二端口和所述第三端口流体连接，

-用来自所述井管结构的流体填充所述腔室，从而降低所述井管结构内的压力，以及

-借助于压力传感器检测所述井管结构中的压力降低。