CN110300835A - 扩展和塌缩设备及其使用方法 - Google Patents

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CN110300835A CN201780077483.7A CN201780077483A CN110300835A CN 110300835 A CN110300835 A CN 110300835A CN 201780077483 A CN201780077483 A CN 201780077483A CN 110300835 A CN110300835 A CN 110300835A
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Abstract

本发明提供了扩展和塌缩设备及其使用方法。设备包括组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构(54)的多个元件(52)。环结构可操作以通过移动所述多个元件从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。每个具有第一端部和第二端部的至少一组结构元件(56)可操作以通过沿着轴向方向移动第一端部并且通过沿着径向尺寸移动第二端部从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。至少一组元件可操作以通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动而移动。在另一方面，所述多个元件(82)包括在设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动的至少一组结构元件(86)，其中在垂直于纵向轴线的选定平面中的滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。本发明的应用包括油田装置，包括抗挤压环、插塞、封隔器、锁、修补工具、连接系统和下入井眼中的可变直径工具。

Description

扩展和塌缩设备及其使用方法
本发明涉及一种扩展和塌缩设备及其使用方法，并且具体而言，涉及一种呈环形式的扩展设备，其可操作以在塌缩状态和扩展状态之间移动。本发明还涉及结合扩展设备及其使用方法的工具和装置。本发明的优选实施方案涉及结合该设备及其使用方法的油田设备(包括井下设备和井口设备)。
发明背景
在机械工程的许多领域，特别是在油气勘探和生产领域，针对管状部件的物理相互作用提供扩展机构是众所周知的。扩展机构可以向外扩展以接合外表面，或者可以向内塌缩以接合内表面。
其应用范围广泛，但在油气勘探和生产中，其包括致动和坐封流体阻隔和密封元件诸如插塞和封隔器、锚固和定位工具诸如井眼锚固件、套管和尾管悬挂器，以及用于在井下坐封设备的锁定机构。其他应用包括为元件诸如弹性体或可充气囊状物提供抗挤压、机械支撑或支承。
典型的抗挤压环定位在封隔器或密封元件及其致动滑动构件之间，并且由分离或分段的金属环形成。在封隔器或密封元件的部署期间，分段移动到径向扩展状态。在扩展期间并且在径向扩展状态，在分段之间形成空间，因为需要它们以占据更大的环空体积。这些空间产生挤压间隙，这可能导致封隔器或密封在工作状态下失效。
已经提出了各种构造以最小化抗挤压分段之间的空间的影响，包括提供多层环，使得挤压间隙被分段的偏移布置阻挡。例如，US 6,598,672描述了一种用于封隔器组件的抗挤压环，其具有第一和第二环部分，所述第一和第二环部分沿周向偏移以在周向偏移的位置产生间隙。
US 2,701,615公布了一种井封隔器，其包括通过相对移动扩展的冠状弹簧金属元件的布置。
其他建议例如在US 3,572,627、US 7,921,921、US 2013/0319654、US 7,290,603和US 8,167,033中公开的那些包括周向搭接分段的布置。US 3,915,424描述了钻井防喷器(BOP)构造中的类似布置，其中重叠的抗挤压构件由径向力致动以径向和周向地移动到支撑环空密封元件的塌缩位置。这种布置避免在扩展期间引入挤压间隙，但是产生具有不平坦或阶梯面或侧面的环。这些构造无法为密封元件提供不间断的支撑壁，空间效率低，并且可能难以可靠地移回其塌缩构造。
US 8,083,001提出了一种另选结构，其中两组楔形分段通过相对于彼此轴向滑动结合在一起以形成扩展的通径规。
现有的扩展和塌缩设备的应用受到可以实现的扩展比的限制。
在锚固、定位、坐封、锁定和连接应用中，当处于外径增大的状态时，径向扩展和塌缩结构通常周向分布在离散位置。这减小可用于接触辅助接合表面的表面积，并且因此限制给定尺寸装置的最大力和压力等级。
发明内容
本发明的权利要求和目的之一是提供一种扩展和塌缩设备及其使用方法，其消除或减轻了先前提出的扩展和塌缩设备的缺点。
本发明的目标和目的之一是提供一种油田设备，包括但不限于井下设备、井口设备或钻井设备，其结合扩展和塌缩设备，这消除或减轻了现有技术油田设备的缺点。
通过阅读以下描述，本发明的其他目标和目的将变得显而易见。
在本说明书的上下文中，术语“环”和“环结构”用于指定自身接合以围绕轴线的一个或多个部件或元件的布置，但不限于关于垂直于轴线的平面旋转对称或对称的布置。
根据本发明的第一方面，提供了一种设备，其包括：
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构；
其中环结构可操作以通过移动多个元件从而在扩展状态和塌缩状态之间移动；
其中所述多个元件包括至少一组结构元件，所述至少一组结构元件各自具有第一端部和第二端部，其中该结构元件可操作以通过沿着轴向方向移动第一端部并且通过沿着至少径向尺寸移动第二端部从而在扩展状态和塌缩状态之间移动；
并且其中所述多个元件包括至少一组元件，所述至少一组元件可操作以通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。
第二端部可操作以沿着设备的径向方向和轴向方向移动。结构元件可操作以沿着设备的圆周方向移动。
优选地，结构元件在设备上纵向延伸。结构元件的第二端部的最外尺寸可以设置在距纵向轴线的某个径向距离处，当设备处于扩展状态和/或部分扩展状态时，该径向距离大于第一端部的最外尺寸的径向距离。作为另外一种选择或除此之外，结构元件的第二端部的最外尺寸可以设置在距纵向轴线的某个径向距离处，当设备处于塌缩状态时，该径向距离大于第一端部的最外尺寸的径向距离。
该设备可包括保持环，该保持环连接到结构元件的第一端部。保持环优选地可在设备上轴向移动，并且可操作以在设备上轴向移动结构元件的第一端部。
该组结构元件可在扩展状态(包括部分、完全或基本完全扩展状态)下一起形成基本圆锥形的结构。作为另外一种选择或除此之外，该组结构元件可以在塌缩状态和/或部分扩展状态下一起形成基本圆锥形的结构。基本圆锥形的结构可以是截头圆锥形结构，并且/或者可以至少在其塌缩状态下限定部分凸起的外部轮廓。
在一个实施方案中，所述多个元件包括不同于所述一组结构元件的至少一组环元件，所述至少一组环元件可操作以通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。该组结构元件可以直接或间接地连接到该组环元件，并且它们可以一起操作以在扩展状态和塌缩状态之间移动。
在另选实施方案中，结构元件可包括结构环元件，所述结构环元件可操作以通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。
环元件和/或结构环元件可以在环结构的外表面处描述45度或更小的角度(θ1)。这种构造对应于组装在一起以形成环结构的8个或更多个环元件。
优选地，所述角度为30度或更小，对应于组装在一起以形成环的12个或更多个环元件。更优选地，所描述的角度在10度至20度的范围内，对应于组装在一起以形成环的18至36个元件。在特别优选的实施方案中，所描述的角度是15度，对应于组装在一起以形成环结构的24个环元件。
环元件可包括第一和第二接触表面，其可取向在第一和第二平面上。第一和第二取向平面可以与由第一和第二直线处的分段形成的环结构的内表面相交或相遇(即相切)。取向平面可以与处于其扩展状态的环结构的内表面相切。或者，环结构的内表面可以具有截头(增大的)内径，并且取向平面可以与具有小于环结构的内表面的直径的圆相切。因此，取向平面可以以一定角度(其可以被定义为从环结构的中心的径向平面和相交或切点之间的θ2)与处于其扩展状态的环结构的内表面相交。
在结构元件在设备上纵向延伸的情况下，其可操作以相对于彼此滑动，其中在垂直于纵向轴线的选定平面中的滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。在一个实施方案中，结构元件在设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在沿着结构元件的长度并且垂直于纵向轴线的任何选定平面中的该滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。
在另一个另选实施方案中，该设备可以包括一组或多组结构环元件和不同于所述一组或多组结构环元件的一组或多组环元件，所述一组或多组结构环元件可操作以通过沿着相切于与环结构同心的圆的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。
结构元件可在其第二端部枢转地连接到环元件。优选地，结构元件通过连接件连接到环元件，该连接件被构造成能够在结构元件和环元件之间传递张力。这使得能够在结构元件和环元件之间拉动张力(或反之亦然)，这可有助于设备从扩展或部分扩展状态回缩。结构元件可以例如通过球窝或活节连接件连接到环元件。在设备包括保持环的情况下，结构元件可以在其第一端部处通过连接件例如通过球窝或活节连接件连接到保持环，该连接件能够在结构元件和保持环之间传递张力。因此，可以在结构元件和保持环之间拉动张力(或反之亦然)，这可有助于设备从扩展或部分扩展状态回缩。
在该组结构元件一起形成基本圆锥形的结构的情况下，基本圆锥形的结构可以在圆锥形表面中在结构元件之间包括开口。在这样的实施方案中，结构元件可包括支柱或辐条，并且/或者设备可包括围绕纵向轴线周向分布的多个支柱或辐条。
在本发明的一个实施方案中，基本圆锥形的结构在扩展状态或者部分扩展或基本扩展状态可以包括基本连续的圆锥形表面。基本圆锥形的结构可包括中空圆锥体。基本圆锥形的结构可包括基本上或完全均匀的壁厚。作为另外一种选择或除此之外，基本圆锥形的结构可以包括逐渐变细的壁厚。基本圆锥形的结构可包括从其扩口端部延伸的圆柱形部分。
中空圆锥体可以由处于扩展或基本扩展状态的该组结构环元件形成。每个结构环元件可以是圆锥体的分段。结构环元件可以在设备上纵向延伸，并且可操作以相对于彼此滑动，其中在沿着结构元件的长度并且垂直于纵向轴线的任何选定平面中的该滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。
结构环元件可在其第二端部枢转地连接到环元件。结构环元件可通过球窝或活节连接件枢转地连接到环元件。在设备包括保持环的情况下，结构环元件可以在其第一端部处通过连接件例如通过球窝或活节连接件枢转地连接到保持环，该连接件能够在结构元件和保持环之间传递张力。因此，可以在结构元件和保持环之间拉动张力(或反之亦然)，这可有助于设备从扩展或部分扩展状态回缩。
该设备可包括第一组结构元件、第二组结构元件和不同于结构元件的一组环元件。第一组结构元件可以在该组环元件的第一轴向侧连接到该组环元件，并且第二组结构元件可以在该组环元件的第二轴向侧连接到该组环元件。第一和/或第二组结构元件可包括结构环元件，其可以是圆锥体的分段。
在结构环元件是圆锥体的分段的情况下，其可以在圆锥体的外表面处描述45度或更小的角度(θ1)。这种构造对应于组装在一起以形成环结构的8个或更多个环元件。优选地，所述角度为15度或更小，对应于组装在一起以形成结构环的12个或更多个结构环元件。更优选地，所描述的角度在10度至20度的范围内，对应于组装在一起以形成结构环的18至36个结构元件。在特别优选的实施方案中，所描述的角度是15度，对应于组装在一起以形成结构环的24个环元件。
环元件可包括第一和第二接触表面，其可取向在第一和第二平面上。第一和第二取向平面可以与由第一和第二直线处的分段形成的环结构的内表面相交或相遇(即相切)。取向平面可以与处于其扩展状态的环结构的内表面相切。第一和第二接触表面的取向平面可以在径向平面P上相交，该径向平面P将切点处的径向平面一分为二(即相对于两者成角度θ1/2)。该相交平面P可以限定圆锥体分段的扩展和塌缩路径。
塌缩状态可以是设备的第一状态，并且扩展状态可以是设备的第二状态。因此，设备可以正常塌缩，并且可以被致动以扩展。或者，扩展状态可以是设备的第一状态，并且塌缩状态可以是设备的第二状态。因此，设备可以正常扩展，并且可以被致动以塌缩。
环结构可以包括一个或多个环表面，当被致动到扩展状态或塌缩状态时，所述一个或多个环表面可以呈现给辅助表面例如管件的表面。所述一个或多个环表面可包括平行于设备的纵向轴线的环表面。环表面可以是外环表面，并且可以是基本圆柱形的表面。环表面可以布置成与管件或孔的内表面接触或以其他方式相互作用。
或者，环表面可以是环结构的内表面，并且可以是基本圆柱形的表面。环表面可以布置成与管件或圆柱体的外表面接触或以其他方式相互作用。
环表面可以是基本平滑的。或者，环表面可以是成型的，并且/或者可以在其上设置有一个或多个功能性结构，用于与辅助表面相互作用。
在塌缩状态下，环元件可以大致布置在塌缩的径向位置，并且可以限定环结构的塌缩外径和内径。
在扩展状态下，环元件可以大致布置在扩展的径向位置，并且可以限定环结构的扩展外径和内径。环表面可以位于环结构的扩展外径处或其上，或者可以位于环结构的塌缩内径处或其上。
在塌缩状态下，元件可以占据塌陷的环空体积，并且在扩展状态下，元件可以占据扩展的环空体积。塌缩的环空体积和扩展的环空体积可以是离散和分离的体积，或者所述体积可以部分重叠。
环元件可被构造成沿着某条路径在其扩展和塌缩的径向位置之间移动，该路径与描述为围绕纵向轴线并与纵向轴线同心的圆相切。
优选地，环结构的每个环元件包括分别与第一和第二相邻元件邻接的第一接触表面和第二接触表面。环元件可以被构造成沿着其相应的接触表面相对于彼此滑动。
第一接触表面和/或第二接触表面可以与描述为围绕纵向轴线并与纵向轴线同心的圆相切地取向。第一接触表面和第二接触表面优选地是不平行的。第一接触表面和第二接触表面可以沿着朝向环结构的内表面的方向彼此会聚(并且因此可以沿着远离环结构的内表面的方向彼此发散)。
至少一些环元件优选地设置有互锁轮廓，用于与相邻元件互锁。优选地，互锁轮廓形成在第一和/或第二接触表面中。优选地，环元件被构造成与相邻元件的接触表面互锁。这种互锁可以防止或限制组装的相邻元件沿着环结构的圆周和/或径向方向分离，同时实现相邻元件的相对滑动移动。
优选地，组装形成环的至少一些环元件，并且更优选地，所有环元件彼此相同，并且每个环元件包括互锁轮廓，该互锁轮廓被构造成与另一个环元件上的对应互锁轮廓互锁。互锁轮廓可包括至少一个凹陷部诸如凹槽，以及至少一个突起部诸如舌状物或销，其被构造成接纳在凹槽中。互锁轮廓可包括至少一个燕尾凹陷部和燕尾突起部。
环元件的第一和第二接触表面可以取向在第一和第二平面上，所述第一和第二平面可以在第一和第二相交线处与环的内表面相交，使得在纵向轴线和相交线之间限定假想圆柱体的区段。区段的中心角可以是45度或更小。这种构造对应于组装在一起以形成环结构的8个或更多个环元件。
优选地，区段的中心角为30度或更小，对应于组装在一起以形成环的12个或更多个环元件。更优选地，区段的中心角在10度至20度的范围内，对应于组装在一起以形成环的18至36个环元件。在特别优选的实施方案中，区段的中心角为15度，对应于组装在一起以形成环结构的24个环元件。
每个环元件可以包括连接到环结构的一个优选地两个结构元件。结构元件可包括结构环元件，并且可以由与环元件相同的中心角限定。
优选地，在第一接触表面和第二接触表面之间描述的角度对应于区段的中心角。因此，优选地，在第一接触表面和第二接触表面之间描述的角度在10度至20度的范围内，并且在特别优选的实施方案中，在第一接触表面和第二接触表面之间描述的角度是15度，对应于组装在一起以形成环结构的24个元件。
在优选实施方案中，该设备包括用于环结构的支撑表面。支撑表面可以是芯轴或管件的外表面。支撑表面可以在设备的塌缩状态下支撑环结构。
支撑表面可以是芯轴或管件的内表面。支撑表面可以在设备的扩展状态下支撑环结构。
在一些实施方案中，设备在其扩展状态下操作，并且在其他实施方案中，设备在其塌缩状态下操作。优选地，形成环结构的至少一些元件在设备的操作状态下相互支撑。在设备的操作状态是其扩展状态的情况下(即当设备在其扩展状态下操作时)，设备可以在其扩展状态下包括基本实心的圆柱形环结构，并且环元件可以完全相互支撑。
在一个实施方案中，设备的基本实心的圆柱形环结构可以由从结构元件形成的一个或多个基本圆锥形的结构支撑。结构元件可以完全相互支撑。
在一个实施方案中，设备可以在其扩展状态下包括一个或多个基本圆锥形的结构，并且该结构元件可以完全相互支撑。
在设备的操作状态是其塌缩状态的情况下(即当设备在其塌缩状态下操作时)，环结构优选地是处于其塌缩状态的基本实心的环结构，并且环元件可以完全相互支撑。
设备可包括被构造成从轴向致动力向环结构的结构元件施加径向扩展或塌缩力分量的结构。设备可包括被构造成从轴向致动力向环结构的结构元件施加径向扩展或塌缩力分量的一对结构。所述一个或多个结构可以包括楔形件或楔形轮廓，并且可以包括锥楔或楔形轮廓。
设备可包括偏压装置，该偏压装置可被构造成将环结构偏压到其扩展或塌缩状态之一。偏压装置可包括圆周弹簧、卡紧弹簧或螺旋保持环。偏压装置可以围绕环结构的外表面布置，以使其朝向塌缩状态偏压，或者可以围绕环结构的内表面布置，以使其朝向扩展状态偏压。一个或多个元件可包括结构诸如用于接纳偏压装置的凹槽。优选地，元件中的凹槽组合以在环结构中形成圆周凹槽。可以在环结构上提供多个偏压装置。
根据本发明的第二方面，提供了一种设备，其包括：
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构；
其中环结构可操作以通过移动多个元件从而在扩展状态和塌缩状态之间移动；
其中所述多个元件包括至少一组结构元件，所述至少一组结构元件在设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在垂直于纵向轴线的选定平面中的该滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。
在一个实施方案中，结构元件在设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在沿着结构元件的长度并且垂直于纵向轴线的任何选定平面中的该滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。
该结构元件可各自具有第一端部和第二端部，其中该结构元件可操作以通过沿着轴向方向移动第一端部并且通过沿着至少径向尺寸移动第二端部从而在扩展状态和塌缩状态之间移动；
并且其中所述多个元件包括至少一组元件，所述至少一组元件可操作以通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。
本发明第二方面的实施方案可包括本发明第一方面或其实施方案的一个或多个特征，或反之亦然。
根据本发明的第三方面，提供了一种扩展和塌缩环设备，其包括：
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构；
其中环结构可操作以在扩展状态和塌缩状态之间移动；
其中在扩展状态下，所述多个元件组合以形成具有基本平滑的圆锥形外表面的圆锥形结构。
基本平滑的圆锥形外表面可以是基本不间断的。优选地，环结构包括一对圆锥形结构，该圆锥形结构具有基本平滑的圆锥形外表面。因此，环结构的一个或多个侧面或面(即在纵向方向上呈现的表面)可以具有平滑的表面。
该设备还可包括实心环结构，其在垂直于纵向轴线的平面中具有基本平滑的圆形轮廓。
所述多个元件可包括至少一组结构元件。
所述多个元件可包括至少一组元件，所述至少一组元件可操作以通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。
在结构元件在设备上纵向延伸的情况下，其可操作以相对于彼此滑动，其中在垂直于纵向轴线的选定平面中的滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。在一个实施方案中，结构元件在设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在沿着结构元件的长度并且垂直于纵向轴线的任何选定平面中的该滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。
该结构元件可各自具有第一端部和第二端部，其中该结构元件可操作以通过沿着轴向方向移动第一端部并且通过沿着至少径向尺寸移动第二端部从而在扩展状态和塌缩状态之间移动；
并且其中所述多个元件包括至少一组元件，所述至少一组元件可操作以通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。
本发明第三方面的实施方案可包括本发明第一或第二方面或其实施方案的一个或多个特征，或反之亦然。
根据本发明的第四方面，提供了一种油田设备，其包括：
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的第一环结构；
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的第二环结构；
其中第一和第二环结构可操作以在扩展状态和塌缩状态之间移动；
其中在其扩展状态下，第一和第二环结构的所述多个元件组合以形成第一和第二圆锥形结构；
并且其中在其扩展状态下，第一和第二环结构中的至少一个为第一和第二环结构中的另一个提供机械支撑。
本发明的第四方面的实施方案可以包括本发明的第一至第三方面或其实施方案的一个或多个特征，或反之亦然。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于钻孔或导管的流体阻隔设备，该流体阻隔设备包括根据本发明前述任一方面的扩展和塌缩设备。
流体阻隔设备可包括用于钻孔或导管的密封设备，并且可被构造成在密封设备上保持压差。
本发明的第五方面的实施方案可以包括本发明的第一至第四方面或其实施方案的一个或多个特征，或反之亦然。
根据本发明的第六方面，提供了一种用于钻孔或导管的密封组件，该密封组件包括：
根据本发明前述任一方面的至少一个扩展和塌缩设备和密封元件；
其中所述至少一个扩展和塌缩设备布置成在其扩展状态下为密封元件提供机械支撑。
密封设备可包括根据本发明前述任一方面的第一扩展和塌缩设备以及根据本发明前述任一方面的第二扩展和塌缩设备。密封元件可以设置在第一和第二扩展和塌缩设备之间，并且可以在其扩展状态下由第一和第二扩展和塌缩设备机械支撑。
本发明的第六方面的实施方案可以包括本发明的第一至第五方面或其实施方案的一个或多个特征，或反之亦然。
根据本发明的另一方面，提供了一种油田工具，其包括本发明前述任一方面的设备。
油田工具可以是井下工具。或者，油田工具可包括井口工具。
井下工具可包括选自包括插塞、封隔器、锚固件、油管悬挂器或井下锁定工具的组的井下工具。
插塞可以是桥塞，并且可以是可回收的桥塞。或者，插塞可以是永久插塞。
根据本发明的另一方面，提供了可变直径的井下工具，该工具包括根据本发明的前述方面的设备。
井下工具可以选自包括井眼扶正器、井眼拉削工具和井眼漂移工具的组。
根据本发明的另一方面，提供了一种连接器系统，其包括第一连接器和第二连接器，其中第一和第二连接器中的一个包括本发明前述任一方面的设备。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于流体导管或管件的修补设备，该修补设备包括本发明前述任一方面的设备。
根据本发明的另一方面，提供了一种扩展或塌缩扩展和塌缩设备的方法，该方法包括：
提供组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构的多个元件，其中所述多个元件包括至少一组结构元件，所述至少一组结构元件各自具有第一端部和第二端部，
沿轴向方向移动结构分段的第一端部，并且沿着至少径向尺寸移动结构分段的第二端部；
并且通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动至少一组元件。
根据本发明的另一方面，提供了一种扩展或塌缩扩展和塌缩设备的方法，该方法包括：
提供组装在一起以形成围绕纵向轴线的第一环结构的多个元件；以及组装在一起以形成围绕纵向轴线的第二环结构的多个元件；
在扩展状态和塌缩状态之间移动第一和第二环结构；
其中在其扩展状态下，第一和第二环结构的所述多个元件组合以形成第一和第二圆锥形结构；
并且其中在其扩展状态下，第一和第二环结构中的至少一个为第一和第二环结构中的另一个提供机械支撑。
根据本发明的另一方面，提供了一种在孔中形成流体阻隔或密封的方法，其包括本发明的前述方面的方法或设备。所述孔可以是井眼，并且可以是下套或加衬的井眼。
本发明的其他方面的实施方案可以包括本发明的任一前述方面或其实施方案的一个或多个特征，或反之亦然。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的各种实施方案，其中：
图1A至图1D分别是用于理解本发明的设备的透视图、第一端视图、部分剖视图和第二端视图，示出处于塌缩状态；
图2A至图2D分别是图1A至图1D的设备的透视图、第一侧视图，部分剖视图和第二侧视图，示出处于扩展状态；
图3是从一侧示出的图1A至图1D的设备的元件的几何表示；
图4A至图4F分别是图1A至图1D的设备的元件的第一透视图、第二透视图、平面图、第一端视图、底视图和第二端视图；
图5A至图5C分别是根据本发明实施方案的处于塌缩状态的设备的等距视图、侧视图和端视图；
图6A至图6C分别是图5A至图5C的处于部分扩展状态的设备的等距视图、侧视图和端视图。
图7A至图7C分别是图5A至图5C的处于完全扩展状态的设备的等距视图、侧视图和端视图。
图8是从一侧示出的图5A至图5C的设备的元件的几何表示；
图9A至图9F分别是图5A至图5C的设备的元件的第一透视图、第二透视图、平面图、第一端视图、底视图和第二端视图；
图10A和图10B分别是根据本发明另一实施方案的处于塌缩位置的设备的等距视图和纵向剖视图。
图10C和图10D分别是沿着线C-C和D-D截取的图10A和图10B的设备的截面视图；
图11A和图11B分别是图10A至图10D的处于扩展状态的设备的等距视图和纵向剖视图；
图11C和图11D分别是分别沿着线C-C和D-D截取的图11A和图11B的设备的截面视图；
图12是图10A至图10D的设备的结构元件的等距视图；
图13是图10A至图10D的设备的环元件的等距视图；
图14A和图14B是参考虚拟圆锥体的图12的结构元件的视图，该结构元件是虚拟圆锥体的分段；
图15A至图15C是几何参考图，有助于理解如何形成本发明实施方案的结构元件；
图16A至图16C分别是根据本发明的另选实施方案的设备的环元件的第一等距视图、底视图和第二等距端视图；
图17A和图17B分别是根据本发明的另选实施方案的设备的结构元件的第一和第二等距视图；
图18A和图18B是分别在塌缩和扩展状态下结合图16A至图17B的环元件和结构元件的设备的纵向剖视图；
图19A至图19C分别是根据本发明的另选实施方案的处于塌缩状态的设备的等距视图、纵向剖视图和端视图；
图20A至图20C分别是图19A至图19C的处于扩展状态的设备的等距视图、纵向剖视图和端视图；
图21A至图21C分别是根据本发明的另选实施方案的处于塌缩状态的设备的等距视图、纵向剖视图和截面视图；
图22A和图22B分别是图21A至图21C的处于扩展状态的设备的部分剖开等距视图和纵向剖视图；
图22C和图22D分别是沿着线C-C和D-D截取的图22A和图22B的设备的截面视图；
图23A至图23C分别是根据本发明的另选实施方案的处于塌缩状态的密封设备的等距视图、纵向剖视图和端视图；
图24A和图24C分别是图22A至图22C的处于扩展状态的设备的等距视图、纵向剖视图和端视图。
具体实施方式
将参考图5至图24描述本发明的示例性实施方案。首先参考图1至图4，将参考简单环形式的扩展设备描述本发明的原理。在这种布置中，一般标记为10的扩展设备包括扩展环结构，该扩展环结构被构造成从第一塌缩或未扩展状态(如图1A至图1D所示)扩展至第二扩展状态(如图2A至图2D所示)。为方便起见，本发明的布置和实施方案的设备可被称为“扩展设备”，因为它们可操作以从正常塌缩状态移动到扩展状态。然而，该设备同样可以称为塌缩设备或扩展或塌缩设备，因为它们能够根据操作状态而扩展或塌缩。
扩展设备10包括组装在一起以形成环结构11的多个元件12。元件12限定由圆柱体14的外表面支撑的内环表面。每个元件包括内表面20、外表面21以及第一接触表面22和第二接触表面23。第一和第二接触表面取向在非平行平面中，所述非平行平面与以设备纵向轴线为中心的圆相切。平面朝向元件的内表面会聚。因此，每个元件都是楔形件的一般形式，并且楔形件以周向重叠的方式组装在一起以形成环结构11。在使用中，相邻元件的第一和第二接触表面是相互支撑的。
如图3中最清楚地所示，当环结构扩展到其最佳外径时，第一和第二接触表面的取向平面与环结构的内表面相交，并且与设备的纵向轴线、相交线一起限定圆柱体的区段。在这种情况下，环形结构由24个相同的元件形成，并且中心角θ1为15度。在第一和第二接触表面的取向平面之间描述的角度与圆柱形区段的中心角相同，使得元件在结构中旋转对称地布置。
每个元件基于以轴为中心的环的假想楔形分段，每个假想楔形分段相对于环的径向方向倾斜。分段的标称外径处于环的最佳扩展状态(半径示出为r1)。
元件的第一和第二接触表面的取向平面在点t1、t2处与半径为r3且与环同心的圆相切。切点之间描述的角度等于分段的角度θ1。每个假想楔形分段的第一和第二接触表面的取向平面在径向平面P上彼此相交，该径向平面P将位于切点处的径向平面一分为二(即相对于两者成角度θ1/2)。该相交平面P限定了分段的扩展和塌缩路径。
在图1和图2所示的构造中，通过移除楔形件的尖端29修改假想楔形分段，以在环处于图2A和图2D所示的扩展状态时提供半径为r2的弯曲或弧形内表面20。楔形元件的修改可以被认为是穿过环结构的内孔的直径增加2(r2-r3)，或者内径的截断。内径从接触表面相切的假想内径r3到截断内径r2的这种变化具有改变接触表面和从环中心的径向平面之间角度的效果。将角度θ2设定为接触表面和径向平面之间描述的角度，该径向平面限定在环结构的中心点和取向平面在内表面的径向位置处与圆相遇或相交的点之间，θ2根据分段的内径被截断的量而改变。对于假想楔形分段，接触表面的取向平面与内径为r1的圆相切(即角度θ2为90度)。对于修改的元件12，接触表面的取向平面相反地与(增加的)内径为r2的圆相交，并且以减小的角度θ2倾斜。
分段倾斜的角度θ2与从假想楔形分段移除的材料量相关，但与楔形件的中心角度θ1无关。选择角度θ2以提供适于制造的元件尺寸、坚固性，并且配合在塌缩环的所需环空体积和内径及外径内。随着角度θ2接近90度，可由元件产生更浅、更精细的楔形轮廓，这可以使得优化环结构的塌缩体积。尽管更浅、更精细的楔形轮廓可具有减小在塌缩状态下在环的内表面产生的间隙的尺寸并且/或者实现更紧凑的塌缩状态的效果，但是存在一些后果。这些包括在元件的内表面引入平坦部分，当处于扩展或部分扩展状态时，所述平坦部分表现为环内径处的空间。当θ2＝90度时，在分段与内径完全相切时，给定外径和内径的塌缩体积最有效，但是环形结构的内表面是多边形的，每个分段形成平坦部分。在一些构造中，这些平坦部分可能是不期望的。元件的制造以及元件和组装环结构的坚固性也可能存在潜在的困难。然而，在许多应用中，在扩展环的内表面的轮廓不重要的情况下，例如当环结构的内径浮动时，并且/或者真正的内径由致动楔形轮廓而不是环的内表面限定时，这种折衷可能不会对设备的操作有害，并且减小的塌缩体积可以证明90度(或者与其接近)的倾斜角θ2是合理的。
在图1至图4的设备中，角度θ2是75度。将θ2放宽到减小的角度为扩展环提供平滑的外径和内径轮廓，因为内圆弧的一部分以略微增加的塌缩体积为代价而得以保持。应当注意，角度θ2与角度θ1无关。在期望环结构具有圆形内表面的情况下，优选的布置可以具有在(90度-2θ1)至90度范围(包括端值)内的角度θ2，并且特别优选的布置具有在70度至90度范围内(最优选地在73度至90度范围内)的角度θ2。一般来讲，为了提供足够的内径截断以保持内弧的有用部分并且为环结构提供平滑的内表面，θ2的最大有用值是(90度-θ1/2)。在所述布置中，该角度将是82.5度。
在其他构造中，同样根据本发明的实施方案(并且如下所述)，可以不修改形成元件的假想楔形分段的几何形状(除了提供功能性结构诸如用于元件的互锁和/或保持)，未从假想楔形分段的尖端移除材料。当不需要环结构具有圆形内表面时，此类实施方案可能是优选的。
如图4A至图4F中最清楚地示出的，元件的第一和第二接触表面具有形成在其中的对应的互锁轮廓24，使得相邻元件可以彼此互锁。在这种情况下，互锁轮廓包括燕尾凹槽25和对应的燕尾舌状物26。互锁轮廓抵抗环结构中元件的圆周和/或径向分离，但是允许相邻元件之间的相对滑动。互锁轮廓还便于使用期间元件的平滑和均匀的扩展和塌缩。应当理解，在本发明的范围内，可以使用例如包括其他形状和形式的凹陷部和突起部的互锁轮廓的另选形式。
这些元件还设置有倾斜的侧壁部分27，这可以便于在使用中部署设备。侧壁部分形成为倒圆锥形，当设备处于其最大负载状态(通常处于其最佳扩展状态)时，所述倒圆锥形对应于致动锥楔轮廓的形状和曲率。
每个元件还设置有凹槽28，并且在组装的环结构中，对齐凹槽以提供围绕环延伸的圆形凹槽。凹槽容纳偏压元件(未示出)，例如由Smalley Steel Ring Company以Spirolox品牌销售的螺旋保持环，或者是卡紧弹簧。在这种情况下，偏压装置位于元件的外表面周围，以使设备朝向图1A至图1D所示的塌缩状态偏压。尽管在该布置中提供了一个用于容纳偏压装置的凹槽，但是在本发明的实施方案中，可以提供多个凹槽和偏压装置。
设备10包括楔形构件16，在这种情况下，楔形构件是环形环，其具有与环结构11的一侧相对的圆锥形表面18。楔角对应于元件的倾斜圆锥形侧壁27的角度。对应的楔形轮廓(未示出)可选地设置在环结构的相对侧上，以便于环元件的扩展。在另选布置中，该可选的附加楔形件可以用邻接肩部代替。
现在将描述扩展设备10的操作。在第一、塌缩或未扩展状态下，如图1C中最清楚地示出的，元件被组装在延伸至第一外径的环结构11中。在这种构造中，如图1B和图1C所示，楔形件16限定了处于第一状态的设备的最大外径。元件被螺旋保持环(未示出)偏压朝向未扩展状态，并且被圆柱体14的外表面支撑在内表面上。
在使用中，轴向致动力施加在楔形构件16上。本领域已知的多种合适的装置中的任何一种都可以用于施加轴向致动力，例如，施加来自定位在圆柱体周围的外部套筒的力。该力使楔形构件16相对于圆柱体轴向移动，并且将轴向力的分量传递到元件的凹陷侧壁上。楔形件的角度将径向力分量传递给元件12，这使得它们沿着其相应的接触表面相对于彼此滑动。
扩展元件的移动与围绕设备的纵向轴线限定的圆相切。在扩展之前、期间和之后，元件的接触表面彼此相互支撑。元件的径向位置随着轴向致动力的持续施加而增加，直到元件位于期望的外径向位置。该径向位置可以由楔形构件的受控和有限的轴向位移限定，或者另选地，可以由其中设置有该设备的孔或管件的内表面确定。
图2A至图2D清楚地示出了处于扩展状态的设备。在最佳扩展状态下，如图2B和图2D所示，各个元件的外表面组合形成完整的圆，其中在各个元件之间没有间隙。扩展设备的外表面可以针对特定直径进行优化，以形成完全圆形扩展环(在制造公差内)，其中在环结构的内表面或外表面上没有挤压间隙。扩展设备的设计还具有一定程度扩展不足或扩展过度(例如，至略微不同的径向位置)不会引入明显较大间隙的优点。
所描述的布置的特征在于元件在扩展之前、整个过程中和之后相互支撑，并且在扩展期间或在完全扩展位置不会在各个元件之间产生间隙。另外，元件在圆周环中的布置以及它们在垂直于纵向轴线的平面中的移动便于在扩展环结构上提供平滑的侧表面或侧面。随着元件在环结构平面中的部署，环结构的总宽度不会改变。这使得该设备能够在轴向靠近其他功能性元件的位置使用。
该设备具有一系列应用，其中一些应用在以下示例性实施方案中示出。然而，设备的其他应用是可能的，所述应用利用设备的能力有效执行以下中的一者或多者：阻塞或密封环空路径；接触辅助表面；抓取或锚固在辅助表面上；定位或接合径向间隔的轮廓；并且/或者支撑径向间隔的部件。
本发明的各方面将上述原理延伸到包括结构元件、环元件及其组合的扩展设备，该扩展设备对于其中期望增大扩展比的系统具有特定应用和优点。本发明的以下实施方案描述了这种设备的实例。
现在参考图5A至图7C，其中示出了根据本发明第一实施方案的扩展设备。图5A至图5C分别是一般标记为50的设备的等距视图、侧视图和端视图，示出在中心芯轴60上处于塌缩状态。图6A至图6C是处于部分扩展状态的设备50的对应视图，并且图7A至图7C是处于完全扩展状态的设备50的对应视图。
设备50包括由多个元件形成的扩展组件51，所述多个元件包括组装在一起以形成中心设置的环结构54的一组环元件52，以及两组55a、55b结构元件56。环元件52类似于元件12，并且将从图1至图4及其随附的描述中理解它们的形式和功能。环元件52在图8和图9A至图9F中更详细地示出，并且包括内表面和外表面、第一和第二接触表面、互锁轮廓和用于保持圆周弹簧的凹槽，这些特征在形式和功能上等同于元件12的特征。呈圆周弹簧(未示出)形式的偏压装置将中心环结构保持在图5A至图5C所示的塌缩状态。
各个环元件52的几何形状不同于环元件12的几何形状，因为这些元件基于未修改的假想楔形分段(除了提供功能性结构诸如用于元件的互锁和/或保持)，并且未从假想楔形分段的尖端移除材料。当不需要环结构具有圆形内表面时，这种布置可能是优选的，如设备50的“浮动”环结构的情况。
每个元件包括外表面221以及第一接触表面222和第二接触表面223。第一和第二接触表面取向在非平行平面中，所述非平行平面与半径为r3且以设备纵向轴线为中心的圆相切。环结构的内表面限定在r3处，并且因此取向平面完全相切(并且角度θ2为90度)。平面朝向元件的内表面会聚到径向平面P上的相交线，该径向平面P将切点处的径向平面一分为二(即相对于两者成角度θ1/2)。该相交平面P限定了分段的扩展和塌缩路径。因此，每个元件都是楔形件的一般形式，并且楔形件以周向重叠的方式组装在一起以形成环结构52。在使用中，相邻元件的第一接触表面222和第二接触表面223是相互支撑的。
在这种情况下，环结构54由24个相同的元件形成，并且在第一和第二接触表面之间描述的角度是15度，使得元件在结构中旋转对称地布置。
如图9A至图9F中最清楚地示出的，元件的第一和第二接触表面具有形成在其中的对应的互锁轮廓224，使得相邻元件可以彼此互锁。在这种情况下，互锁轮廓包括燕尾凹槽225和对应的燕尾舌状物226。互锁轮廓抵抗环结构中元件的圆周和/或径向分离，但是允许相邻元件之间的相对滑动。互锁轮廓还便于使用期间元件的平滑和均匀的扩展和塌缩。元件52与元件12的不同之处在于舌状物和凹槽是倒置的，其中元件52上的舌状物在(较长)接触表面223上。这便于在整个扩展和塌缩范围内增加相邻元件之间的接触。应当理解，在本发明的范围内，可以使用例如包括其他形状和形式的凹陷部和突起部的互锁轮廓的另选形式。
每个元件还设置有凹槽228，并且在组装的环结构中，对齐凹槽以提供围绕环延伸的圆形凹槽。凹槽容纳偏压元件(未示出)，例如由Smalley Steel Ring Company以Spirolox品牌销售的螺旋保持环，或者是卡紧弹簧。在这种情况下，偏压装置位于元件的外表面周围，以使设备朝向图5A至图5D所示的塌缩状态偏压。尽管在该布置中提供了一个用于容纳偏压装置的凹槽，但是在本发明的实施方案中，可以提供多个凹槽和偏压装置。
结构元件56呈辐条或支柱的形式。每个辐条56的第一端部连接到相应的保持环57a、57b。每个环元件52连接到一对辐条56的第二端部处，每个辐条来自相应组55a、55b中的每一个。第一和第二端部设置有球或关节58，其接纳在保持环和环元件中的相应承窝59(为了几何形状清楚起见，在图8或图9中未示出)中，以形成枢转和旋转连接。在第一塌缩状态下，设备具有第一外径，该第一外径由环元件54的外边缘限定。
将另外参考图6A至图7C描述设备的实施方案的操作。设备通过轴向致动力被致动以径向扩展至第二直径，该轴向致动力作用在保持环的一个或两个上，以相对于芯轴60移动一个或两个保持环。保持环用作设备的推环。本领域已知的若干种合适的装置中的任何一种都可以用于施加轴向致动力，例如，施加来自定位在圆柱体周围的外部套筒的力。轴向致动力通过多组辐条作用以将轴向和径向力分量施加到环元件上。环元件和辐条之间的枢转点设置成比保持环和辐条之间的枢转点径向更远离芯轴。这确保端环上的任何压缩力具有径向分量以径向作用在环元件上。环结构54的径向扩展最初受到圆周弹簧的抵抗。当克服弹簧的力时，中心环结构的环元件从塌缩位置朝向图6A至图6C所示的部分扩展状态径向向外移动。当环结构54径向向外移动时，辐条相对于保持环和环元件枢转，以形成用于环结构54的一对基本圆锥形的支撑件。当辐条的第一端部朝向彼此移动时，环元件52相对于彼此切向滑动以扩展中心环结构。
当保持环和多组辐条被带向图7A至图7C所示的位置时，环元件52相对于彼此滑动到径向扩展状态。外环的元件的径向移动与参考图1至图4描述的元件的移动相同：环元件沿着切线方向相对于彼此滑动，同时保持相互支撑的平坦接触。环元件的互锁布置使得设备能够在塌缩和扩展状态之间均匀地移动。
得到的扩展状态如图7A至图7C所示。设备形成实心的扩展环结构，其元件之间没有间隙，并且在其完全扩展状态下具有平滑的圆形外表面。扩展环的外径显著大于处于其塌缩状态的环结构的外径，其中扩展增加是由支撑环结构54的多组结构元件的组合引起的。圆锥形支撑件的开放结构使得该实施方案特别适合于诸如轻质定心、型锻应用、可移除支撑结构和/或可调节漂移工具的应用。
维持保持环上的轴向力将使设备保持在扩展状态，并且减小轴向力以分离保持环使得环结构和多组辐条能够在弹簧元件的保持力作用下塌缩。因此，通过释放轴向致动力实现设备塌缩到塌缩状态。保持环的分离使环结构在其偏压弹簧的保持力的作用下塌缩回到图5A至图5C所示的塌缩位置。
另外，辐条和环元件之间以及辐条和固定环之间的连接件(在该实施方案中是球窝或活节连接件)被构造成能够传递张力。这使得能够在保持环、结构元件和环元件之间拉动张力(或反之亦然)。辐条和环元件的这种轴向互锁将部件纵向连接在一起，并且使得能够在元件之间拉动张力以使设备朝向其塌缩状态回缩或回缩至其塌缩状态。结合偏压弹簧的作用，拉动张力可以便于将设备塌缩到其原始外径，或者在另选实施方案中，张力可以用于回缩设备而不使用偏压弹簧。因此，设备可以是无源装置，没有由偏压设备限定的默认状态。
结构元件和环结构的组合使得能够提供一种扩展和塌缩设备，该扩展和塌缩设备具有以下优点：扩展环结构是实心的，在其元件之间没有间隙，并且在其完全扩展状态下具有平滑的圆形外表面，具有增加的最大扩展比。与图1至图4的环结构相比，这种布置提供了增加的最大扩展比，而几乎没有附加移动部件，并且复杂性几乎没有增加。
现在参考图10A至图11D，示出了根据本发明另一实施方案的一般标记为80的扩展和塌缩设备。图10A和图10B分别是处于塌缩位置的设备的等距视图和纵向剖视图，并且图10C和图10D分别是沿着图10B的线C-C和D-D截取的截面视图。图11A至图11D是处于扩展状态的设备的对应视图。
设备80类似于设备50，并且将从图5至图9以及随附的描述中理解。设备80包括由多个元件形成的扩展组件81，所述多个元件包括组装以形成中心设置的环结构84的一组环元件82。在图13中最清楚地示出的环元件82在形式和功能上类似于本发明的前述实施方案的环元件52。两组85a、85b结构元件86是圆锥体分段的形式，在图12中最清楚地示出。圆锥体分段86具有外表面91、上平坦接触表面93和下平坦接触表面95。每个圆锥体分段86的第一端部通过钩88连接到相应的保持环87a、87b，所述钩用于与保持环中的截槽接合。每个环元件82连接到一对分段86的第二端部处，每个分段来自相应组85a、85b中的每一个。分段86的第二端部设置有球或关节83，其接纳在环元件中的相应凹陷部89中以形成枢转和旋转连接。在第一塌缩状态下，设备具有第一外径，该第一外径由环元件84的外边缘限定。
设备的该实施方案的操作类似于设备50的操作。设备通过轴向致动力被致动以径向扩展至第二直径，该轴向致动力作用在保持环的一个或两个上，以相对于芯轴90移动一个或两个保持环。轴向致动力通过多组圆锥体分段作用以将轴向和径向力分量施加到环元件上。环结构84的径向扩展最初受到圆周弹簧的抵抗，但当克服弹簧的力时，中心环结构84的环元件从塌缩位置朝向图11A至图11D所示的扩展状态径向向外移动。当环结构84径向向外移动时，分段相对于保持环和环元件枢转，以形成用于环84的一对圆锥形支撑结构。每个环分段被支撑在A框架布置中。当圆锥体分段的第一端部朝向彼此移动时，环元件82相对于彼此切向滑动以扩展中心环结构。另外，在沿着垂直于纵向轴线的圆锥体分段的长度的任何选定平面上(例如图10C和图10D的截面C-C)，圆锥体分段切向于位于选定平面内并且与纵向轴线同心的圆移动。
圆锥体分段86相对于彼此的移动由它们的形状决定，并且图14A、图14B和图15A至图15C对于理解在本发明的实施方案中形成圆锥体分段的形状的方式是有用的。图14A和图14B示出了作为中空圆锥体92的分段的圆锥体分段86，其包括钩88和关节83。图15A至图15C是几何参考图，用于理解如何形成本发明实施方案的简化圆锥体分段96。
参考图15A至图15C，用于形成圆锥体分段96的起点是中空圆锥体102(图15C)，其具有内圆锥角、最小内径和外径以及最大内径和外径。圆锥体可以具有任何内角和外角，并且不需要具有均匀的壁厚(尽管示例性圆锥体102具有均匀的壁厚)。
在圆锥体的小端上，如图15B所示，圆锥体分段的截面轮廓基于环的假想楔形分段，如前述实施方案所述。环以轴线为中心，其中假想楔形分段相对于环的径向方向倾斜。分段的标称外径处于环的最佳扩展状态(半径示出为r1)。如同图5至图9的实施方案，分段元件的上接触表面和下接触表面的取向平面与半径为r3且以设备纵向轴线为中心的圆相切。环结构的内表面限定在r3处，并且因此取向平面完全相切(并且角度θ2为90度)。切点之间描述的角度等于分段的角度θ1。每个假想楔形分段的第一和第二接触表面的取向平面在径向平面P上相交，该径向平面P将切点处的径向平面一分为二(即相对于两者成角度θ1/2)。该相交平面P限定了分段的扩展和塌缩路径。
在该设备中，分段角度θ1为15度，并且径向平面P相对于切点处的径向平面倾斜7.5度。
在确定分段的一端的轮廓104之后，圆锥体102的内表面的内角限定所形成分段的从端部轮廓104延伸的上平坦表面和下平坦表面的倾斜角。上平坦表面93由从端部轮廓104的上线穿过圆锥体主体的切口限定，其中切口在圆锥体的整个长度上保持与圆锥体的内表面相切。下平坦表面95由从端部轮廓104的下线穿过圆锥体主体的切口限定，其中切口在圆锥体的整个长度上保持与圆锥体的内表面相切。分段的外表面91仅仅是上平坦表面和下平坦表面之间的圆锥体的外表面。
圆锥体分段的截面在该分段的长度上的每个位置处的几何形状是相同的：在环的最佳扩展状态，外表面91处于分段的标称外径处；圆锥体分段的第一和第二接触表面与半径为r3的圆相切，并且第一和第二接触表面的取向平面在径向平面P上相交，该径向平面P相对于切点处的径向平面成θ1/2的角度倾斜。相同的径向平面P可以被描述为相对于上接触表面倾斜90-θ1/2度的角度，并且相对于下接触表面倾斜90+θ1/2的角度。
该原理用于确定圆锥体分段的基本形状，然后可以用附加特征诸如凹槽和截槽详细描述该基本形状，以形成功能性圆锥体分段86。
在使用中，当保持环87和多组圆锥体分段被带向图11A至图11D所示的位置时，环元件82和结构环元件86相对于彼此滑动到径向扩展状态。外环的元件的径向移动与参考图1至图4描述的元件的移动相同：元件82和86沿着切线方向相对于彼此滑动，同时保持相互支撑的平坦接触。中心定位的环分段确保外部结构分段保持均匀的图案，等间距并且均匀地部署。中心环的扩展还控制外部结构分段的对齐和顺序。
得到的扩展状态如图11A至图11D所示。设备优选地扩展到最佳扩展状态，在该状态下，圆锥体分段的平坦表面完全接触，并且其中由环结构84限定的外径略小于设备所在的导管或钻孔的内径。保持环上的进一步推力导致环结构过度扩展，而基本上不影响圆锥形或圆柱形环结构的表面轮廓。
维持保持环上的轴向力将使设备保持在扩展状态，并且减小轴向力以分离保持环使得环结构和多组辐条能够在弹簧元件的保持力作用下塌缩。因此，通过释放轴向致动力实现设备塌缩到塌缩状态。保持环的分离使环结构82在其偏压弹簧的保持力的作用下塌缩回到图10A至图10C所示的塌缩位置。
结构元件和环结构的组合使得能够提供具有增加的最大扩展比的扩展和塌缩设备。与图1至图4的环结构相比，这种布置提供了增加的最大扩展比，而几乎没有附加移动部件，并且复杂性几乎没有增加。设备形成实心的扩展环结构，其元件之间没有间隙，并且在其完全扩展状态下具有平滑的圆形外表面。另外，由圆锥体分段产生的圆锥形支撑结构形成为扩展设备的实心、平滑侧面。这便于将圆锥形结构用作部署或致动装置，或者用于密封元件和其他机械结构的支撑结构，如下面将更详细描述的。
现在将参考图16A至图18B描述设备80的变型。图18A和图18B是设备280的纵向剖视图，其类似于设备80，并且将从图10至图15和所附描述中理解。图16A至图16C是设备280的环元件282的各种视图，并且图17A和图17B是结构元件286的等距视图。环元件282和结构元件286的基本几何形状与如前所述的元件82和86的几何形状相同。与设备80一样，提供钩288用于与保持环中的截槽接合。然而，该实施方案的元件在它们彼此连接的构造方面不同。设备280具有设置在结构元件286上的关节接合283和设置在环元件282上的对应承窝289，而不是设置在设备80的部件中的球形球窝接合和承窝。承窝289包括位于下接触表面上的用于接纳关节283的开口，以及侧壁中的U形槽，该槽能够在保持关节的同时组装元件，并且允许在结构元件和保持环之间拉动张力(或反之亦然)。
环元件282和结构元件286的对应侧壁还设置有滚花272和承窝274的配合布置。当设备处于其扩展状态时，滚花272自定位在承窝274中，如图18B所示，并且为结构提供额外的支撑。在该实施方案中，在每个环元件的每个侧壁上设置两个滚花，其中对应的承窝设置在结构元件的接触侧壁上，但是应当理解，在另选实施方案中，所述位置可以反向，并且/或者可以提供定位结构的其他构造。
尽管前述实施方案包括圆柱形环结构和圆锥形支撑组件的组合，但是本发明的原理也可以应用于另选构造，包括不与圆柱形环连接的扩展圆锥体结构。参考图19A至图20D描述示例性实施方案。图19A至图19C分别是一般标记为140的处于塌缩状态的设备的等距视图、纵向剖视图和端视图。图20A至图20C是处于扩展状态的设备140的对应视图。设备140包括由多个元件形成的扩展组件141，所述多个元件包括组装以形成圆锥形环结构154的一组环元件142。元件142组装在芯轴150上，其中元件的第一端部连接到保持环147。元件142的第二端部邻近致动楔形圆锥体143。
环元件142类似于圆锥体分段86，并且将从图10A至图11D及其随附的描述中理解它们的形式和功能。环元件142的形状由参考图14A至图15C描述的原理产生。圆锥体分段包括外表面、上平坦接触表面和下平坦接触表面。当组装以形成环结构时，接触表面是相互支撑的。在第一塌缩状态下，设备具有第一外径，该第一外径由环元件142的第二端部的外边缘限定。处于其塌缩状态的组件的形状是基本圆锥形的。
在使用中，设备通过轴向致动力被致动以径向扩展至第二直径，该轴向致动力作用在保持环147或楔形件143的一者或两者上，以相对于芯轴150移动所述一者或两者。该力使楔形构件143相对于元件轴向移动，并且将轴向力的分量传递到元件的内表面上。楔形件的角度将径向力分量传递给元件142，这使得它们沿着其相应的接触表面相对于彼此滑动。
扩展元件的移动与围绕设备的纵向轴线限定的圆相切。在扩展之前、期间和之后，元件的接触表面彼此相互支撑。元件的径向位置随着轴向致动力的持续施加而增加，直到元件位于期望的外径向位置。该径向位置可以由楔形构件的受控和有限的轴向位移限定，或者另选地，可以由其中设置有该设备的孔或管件的内表面确定。
图20A至图20C示出了处于其扩展状态的设备。在最佳扩展状态下，如图20B和图20C所示，各个元件的外表面组合形成完整的圆锥形表面，其中在各个元件之间没有间隙。在元件142的第二端部，在最佳扩展状态下形成圆柱形表面145。各个元件的外表面组合形成完整的圆，其中在各个元件之间没有间隙。扩展设备的外表面可以针对特定直径进行优化，以形成完全平滑的圆锥体和圆形扩展环(在制造公差内)，其中在环结构的内表面或外表面上没有挤压间隙。扩展设备的设计还具有一定程度扩展不足或扩展过度(例如，至略微不同的径向位置)不会引入明显较大间隙的优点。
所描述的布置的特征在于元件在扩展之前、整个过程中和之后相互支撑，并且在扩展期间或在完全扩展位置不会在各个元件之间产生间隙。另外，元件在圆周环中的布置以及它们在垂直于纵向轴线的平面中的移动便于在扩展环结构上提供平滑的侧表面或侧面。这使得该设备能够在轴向靠近其他功能性元件的位置使用。
设备140可以与其他实施方案的设备结合使用，以便提供扩展设备的组件。参考图21A至图22D描述示例性实施方案。图21A至图21C分别是一般标记为160的处于塌缩状态的设备的等距视图、纵向剖视图和截面视图。图22A和图22B分别是处于扩展状态的设备160的部分剖开等距视图和纵向剖视图。图22C和图22D分别是沿着图22B的线C-C和D-D截取的图22A和图22B的设备的截面视图。
设备160包括支撑中心设置的扩展设备162的芯轴170，其具有与设备80相同的形式，具有相同的功能和操作。设备162的任一侧是扩展设备164a、164b，其包括与设备140具有相似构造的圆锥体结构，具有相同的功能和操作。设备164a、164b的轴向外侧是附加扩展设备166a、166b，其包括与设备140具有相似构造的圆锥体结构，并且具有相同的功能和操作。
在使用中，设备160通过轴向致动力被致动以径向扩展至第二直径，该轴向致动力作用在保持环167a、167b的一个或两个上，以相对于芯轴170移动一个或两个保持环。外部保持环的相对移动使得扩展设备在相应保持环163a、163b、165a和165b的圆锥形楔形表面的驱动下扩展到它们的扩展状态。
设备160的扩展状态在图22A至图22D中示出。如上参考图10和图11所述，设备162扩展成在设备的第一和第二侧面限定第一和第二中空圆锥形支撑结构的形式。由扩展设备164a和164b形成的中空圆锥体的内角对应于设备162的外圆锥角，并且设备164a和164b与设备162的外侧面邻接，以形成嵌套的分层支撑结构。类似地，由扩展设备166a和166b形成的中空圆锥体的内角对应于设备164a和164b的外圆锥角，并且设备166a和166b与由设备164a和164b限定的外侧面邻接。如图22B中最清楚地所示，由于嵌套布置中的圆锥形支撑结构的邻接所产生的有效壁厚的增加，组合设备为设备162的圆柱形环结构161提供附加支撑。每个圆锥形表面是基本或完全平滑的，并且因此在表面大部分上方的圆锥形支撑结构之间的接触优化了机械支撑。
在该实施方案中，圆锥体分段分层的方向在相邻设备之间不同；与设备162、166a和166b中的分层方向相比，设备164a、164b中的圆锥体分段的分层反向。这导致在扩展状态下的支撑层之间的斜交效应，在图22A中最清楚地示出，增强了通过设备的机械支撑和承载，并且增加了相邻支撑层的分段之间的任何路径的盘绕。
通过释放或反转最外侧保持环167a、167b上的轴向力执行将设备回缩到塌缩状态。这通过设置在圆锥体分段的内表面上的唇缘171促进，如图21B和图22A中最清楚地示出的。当扩展圆锥体处于塌缩状态时，其圆锥体分段的唇缘171与相邻扩展圆锥体的保持环上的外部边缘接合。当最外面的一对扩展圆锥体166a、166b在张力作用下塌缩时，唇缘与保持环165a、165b的边缘接合，以向保持环施加张力并回缩扩展圆锥体164a、164b。类似地，当扩展圆锥体164a、164b在张力作用下塌缩时，唇缘171接合保持环163a、163b的边缘，以向保持环施加张力并回缩扩展设备162。
尽管在图21至图22的实施方案中提供了两对扩展圆锥体以支撑设备162，但是在另选实施方案中，可以使用更少或更多数量的扩展圆锥体，具体取决于应用。在一些应用中，可以通过与设备162的仅一个侧面邻接的单个扩展圆锥体提供支撑。或者，可以在嵌套构造中使用多个扩展圆锥体以仅支撑设备162的一个侧面。或者，可以使用不等数量的扩展圆锥体支撑设备162的相对侧面。
在本发明的范围内，如参考图21和图22所述的嵌套构造中使用的扩展设备可以具有不同物理属性，包括但不限于构造、尺寸、壁厚、圆锥角和/或材料选择，具体取决于应用。例如，在参考图21和图22描述的实施方案的变型中，设备164a和164b的圆锥体分段与设备162、166a和166b的圆锥体分段不同，以提供改进的密封效果。设备164a、164b的圆锥体分段由涂覆柔顺聚合物材料诸如硅氧烷聚合物涂层的金属形成。元件的所有表面都被涂覆，并且设备164a、164b内的圆锥体分段的相互支撑布置与来自相邻设备162、166a和166b的支撑相结合，使它们在其操作状态下保持压缩。这使得组合设备能够有效地起到流体阻隔的作用，并且在一些应用中，所产生的阻隔足以密封压差以产生流体密封。
在所述实施方案的变型中，选择用于圆锥体分段本身的材料是柔顺或弹性体材料诸如弹性体、聚合物或橡胶，而不是涂覆的金属或其他硬质材料。或者，分段可包括由金属或其他硬质材料形成的骨架或内部结构，所述金属或其他硬质材料涂覆或包裹在柔顺或弹性体材料诸如弹性体、聚合物或橡胶弹性体、聚合物或橡胶内。所有、一些或其中一个扩展设备的圆锥体分段可以由这些另选材料形成，或者可以使用不同的材料用于不同扩展设备。本发明的单个扩展设备可以被构造成提供密封功能，并且因此可以类似地完全或部分由柔顺或弹性体材料形成。
现在参考图23A至图24C，示出了根据本发明的另选实施方案的扩展和塌缩设备，其被构造成用于流体导管或钻孔的密封。一般标记为180的设备包括由多个元件形成的扩展组件181，所述多个元件包括组装以形成圆锥形环结构184的一组环元件182。元件182组装在芯轴190上，其中元件的第一端部连接到保持环187。元件182的第二端部邻近致动楔形圆锥体183。环元件182类似于圆锥体分段86和142，并且将从图10A至图11D、图19A至图20B及其随附的描述中理解它们的形式和功能。环元件182的形状由参考图14A至图15C描述的原理产生。圆锥体分段包括外表面、上平坦接触表面和下平坦接触表面。当组装以形成环结构时，接触表面是相互支撑的。在第一塌缩状态下，设备具有第一外径，该第一外径由环元件182的第二端部的外边缘限定。处于其塌缩状态的组件的形状是基本圆锥形的。
设备180与设备140的不同之处在于其设置有柔顺密封材料的褶皱层195。层195在其长度的大部上围绕保持环187和扩展组件181，并且被打褶以遵循由塌缩组件181限定的直立边缘和凹槽的成型表面。设备由轴向致动力致动，该轴向致动力作用在保持环187或楔形件183中的一个或两个上。当设备扩展到图24A至图24C所示的扩展状态时，层195展开以形成围绕扩展圆锥形结构的柔顺圆锥形护套197。
设备180仅是本发明如何应用于流体阻隔或密封设备的一个实例，并且其他流体阻隔或密封构造也在本发明的范围内。例如，设备可以被构造成与密封元件例如弹性体本体或可充气囊状物结合操作，所述密封元件设置在由扩展圆锥体分段形成的中空圆锥形结构下方。
本发明可用于为各种扩展、径向扩展或膨胀元件提供抗挤压环或支承环。例如，该设备可用作可压缩、可充气和/或可膨胀封隔器系统的抗挤压或支承环。作为另外一种选择或除此之外，扩展设备可以为流体导管中的任何合适的流体阻隔或密封元件提供支撑或支承。这可以用于改善流体阻隔或密封的完整性，并且/或者能够减小密封元件或流体阻隔的轴向长度而不损害其功能。特别的优点是结合本发明的扩展设备的设备可以被评定为更高的最大工作压力。
在前述实施方案中，在使用扩展和塌缩设备形成密封的情况下，密封通常设置在两个扩展环结构之间。在另选实施方案中(未示出)，扩展环结构可用于直接提供密封或至少限制性流体阻隔。为了促进这一点，组装在一起以形成环结构的元件可以由涂覆有聚合物、弹性体或橡胶材料的金属或金属合金形成。这种材料的一个实例是硅氧烷聚合物涂层。元件的所有表面都可以例如通过浸涂或喷涂工艺进行涂覆，并且元件的相互支撑布置使它们在其操作状态下保持压缩。这使得环结构本身能够用作流体阻隔，并且在一些应用中，所产生的阻隔足以密封压差以产生流体密封。
本发明的另一个应用是流体导管修补工具和设备。典型的修补应用需要在流体导管(诸如井眼套管)的受损部分上方放置和坐封管状部分。修补工具包括管件和在导管外侧上轴向分开位置处的一对坐封机构，用于将管件固定到流体导管的内部。期望坐封机构提供有效的流体阻隔，但现有的修补系统通常不足以提供与流体导管的内表面的流体密封。
结合本发明的扩展设备的修补工具具有针对细长外径轮廓的高扩展性的优点，这使得工具能够穿过流体导管中的限制件，以修补导管的受损部分，该受损部分具有比限制件更大的内径。例如，修补工具可以穿过流体导管的已经修补的部分。
在本发明的另一另选实施方案中(未示出)，利用扩展/塌缩设备的特性提供支撑密封或另一可变形元件的基板。如本文所述，本发明的扩展环结构在其最佳扩展状态下提供平滑的圆柱形表面和/或平滑的圆锥形表面。这便于其作为周围护套的功能性内骨架的应用。在一个示例性应用中，可变形弹性体护套设置在扩展环结构上方。当处于塌缩状态时，护套由塌陷的环结构支撑。环结构以参考图10和图11描述的方式部署，克服圆周弹簧元件的保持力和护套提供的任何附加保持力，并且护套变形以随着环结构扩展而与周围表面接触。护套夹在环结构的平滑外表面和周围表面之间以形成密封。
应当理解，设备可以用作内骨架，以为除可变形护套之外的部件提供结构支撑，包括管件、扩展套筒、锁定结构和流体导管或井眼中的其他部件。
本发明的扩展设备可以应用于高扩展封隔器或插塞，并且具体地应用于高扩展可回收桥塞。环结构可以布置成为插塞的密封元件提供高扩展抗挤压环。作为另外一种选择或除此之外，设备的环结构的元件可设置有接合装置，以提供抵抗向上和/或向下方向的移动的锚固力。因此，环结构的元件可以用作滑动件，并且在某些情况下可以用作集成滑动件和抗挤压环。与以前提出的插塞相比，其优点包括：提供高效的抗挤压环；提供集成滑动件和抗挤压组件，这减小了工具的轴向长度；提供具有接合表面的滑动件，该接合表面围绕工具的整个圆周延伸，以产生增大的锚固表面，这使得对于相同的锚固力能够减小滑动件的轴向长度；一种特定尺寸的环结构的滑动件在更宽的管件内径和管件重量/壁厚范围内有效工作的能力。
作为另外一种选择或除此之外，通过为元件的表面提供接合装置以提供抵抗向上和/或向下方向上的移动的锚固力，设备可用于将任何宽范围的工具锚固在井眼中。
本发明实施方案的变型包括在各种布置中的基本元件上提供功能性结构。这些可以包括用于定位和支撑的滚花和承窝、用于轴向连接的钩、球窝或活节、以及/或者防止元件相对于彼此和/或相对于设备的底层结构相对旋转的销钉和凹陷部。
本发明还具有产生密封和/或填充环空空间的益处，并且另外的示例性应用用于井下锁定工具。典型的锁定工具使用部署在送入工具上的一个或多个径向扩展部件。径向扩展的部件在井眼完井中的已知位置处与预先形成的锁定轮廓接合。典型的锁定轮廓和锁定机构包括用于由锁定工具的径向扩展部件机械接合的凹陷部。密封孔通常设置在轮廓中，并且锁定工具上的密封设计成密封密封孔。
将本发明应用于锁定机构的一个优点是锁定机构可以在两个扩展环结构之间设置有集成密封元件，并且在轴向分离点处不需要密封组件。这使得能够减少工具的长度。集成密封在其上边缘和下边缘处被环结构的表面包围，这避免了密封的挤压。
另外，每个环结构提供平滑、不间断的圆周表面，其可以接合锁定凹陷部，从而在垂直于孔的纵向轴线的平面中提供上环空表面和下环空表面。该环空表面可以围绕环结构的圆周平滑且不间断，并且因此锁与锁定轮廓中限定的上肩部和下肩部完全邻接。这与传统的锁定机构形成对比，传统的锁定机构可能仅在装置周围的多个离散的、周向分离的位置处与锁定轮廓接触。增加的表面接触可以支持更大的轴向力被引导通过锁。或者，可以在具有减小的尺寸和/或质量的锁中提供等效的轴向支撑。
本发明的该实施方案的另一个优点是密封孔(即弹性体与之形成密封的完井部分)可以在锁定轮廓中凹陷。这种构造的好处是保护密封孔免受工具和设备通过锁定轮廓的影响。这避免了对密封孔的冲击，这种冲击会损坏密封孔，从而降低可靠地形成成功密封的可能性。
在连接器中使用的闭锁布置中可以实现类似的益处，诸如用于管状部件的闭锁连接的所谓的“快速连接”机构。本发明在连接系统应用中的一个显著优点是扩展设备在扩展闭锁位置形成实心、平滑的环。当扩展时，径向分离的元件的布置将形成环，在其侧面周围的元件之间具有空间。相比之下，在扩展环上设置提供与凹陷部的完全环空接触的连续接合表面，这导致形成能够支撑更大轴向力的闩锁。另外，通过最小化或消除元件之间的间隙，装置不易于进入可能阻碍机构的塌陷作用的异物。这些原理也可以应用于海底连接器诸如反扣连接器，通过可选的液压致动其释放机构。
本发明的原理的其他应用包括可变直径工具，其实例包括可变直径漂移工具和可变直径定心工具。楔形构件和配合表面的位置可以连续调节或调节到多个离散位置，以提供连续可变直径或多个离散直径。
在一个方面，本发明提供了一种扩展和塌缩设备及其使用方法。该设备包括多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构。通过轴向力致动多个元件的移动，环结构可操作以在扩展状态和塌缩状态之间移动。各自具有第一端部和第二端部的至少一组结构元件可操作以通过沿着轴向方向移动第一端部并且通过沿着至少径向尺寸移动第二端部从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。所述多个元件包括至少一组元件，所述至少一组元件可操作以通过沿着与环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在扩展状态和塌缩状态之间移动。
在另一方面，扩展和塌缩环包括多个元件，其组装在一起以形成在围绕纵向轴线的平面中取向的环结构。所述多个元件包括至少一组结构元件，所述至少一组结构元件在设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在垂直于纵向轴线的选定平面中的该滑动移动与位于选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切。本发明的应用包括油田装置，包括抗挤压环、插塞、封隔器、锁、修补工具、连接系统和下入井眼中的可变直径工具。
采用各种形式的本发明得益于该设备的新颖结构和机构。本发明还能够实现高扩展应用。
另外，在最佳扩展状态下，各个元件的外表面结合形成完整的圆，在各个元件之间不存在间隙，并且因此设备可以针对特定直径进行优化，以形成完全圆形的扩展环(在制造公差内)并且在环结构的内表面或外表面上不存在挤压间隙。扩展设备的设计还具有一定程度扩展不足或扩展过度(例如，至略微不同的径向位置)不会引入明显较大间隙的优点。
本发明的一个方面的特征在于元件在扩展之前、整个过程中和之后相互支撑，并且在扩展期间或在完全扩展位置不会在各个元件之间产生间隙。另外，元件在圆周环中的布置便于在扩展环结构上提供平滑的侧表面或侧面。这使得能够使设备与其他功能性元件紧密轴向接近使用，并且/或者作为用于部署其他扩展结构的斜坡或表面。
另外，每个环结构提供了平滑、不间断的圆周表面，其可用于接合或锚固应用包括插塞、锁和连接器。这可以提供增加的锚固力，或者与锁定或闭锁轮廓中限定的上肩部和下肩部完全邻接，使得工具或设备能够被评定为更高的最大工作压力。
可以在本发明的范围内对上述实施方案进行各种修改，并且本发明延伸到除了在此明确要求保护的特征之外的特征的组合。具体地讲，本文描述的不同实施方案可以组合使用，并且特定实施方案的特征可以用于除了关于该实施方案具体描述的那些应用之外的应用。

Claims (53)

1.一种扩展和塌缩设备，包括：
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构，其中所述环结构可操作以通过移动所述多个元件从而在扩展状态和塌缩状态之间移动；
其中所述多个元件包括至少一组结构元件，所述至少一组结构元件各自具有第一端部和第二端部，其中所述结构元件可操作以通过沿着轴向方向移动所述第一端部并且通过沿着至少径向尺寸移动所述第二端部从而在所述扩展状态和所述塌缩状态之间移动；
并且其中所述多个元件包括至少一组元件，所述至少一组元件可操作以通过沿着与所述环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在所述扩展状态和塌缩状态之间移动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述结构元件在所述设备上纵向延伸。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，包括保持环，所述保持环连接到所述结构元件的所述第一端部并且可在所述设备上轴向移动。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述一组结构元件在扩展状态下一起形成基本圆锥形的结构。
5.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述一组结构元件在所述塌缩状态和/或部分扩展状态下一起形成基本圆锥形的结构。
6.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述多个元件包括不同于所述一组结构元件的至少一组环元件，所述至少一组环元件可操作以通过沿着与所述环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在所述扩展状态和塌缩状态之间移动。
7.根据权利要求6所述的设备，其中每个所述环元件在所述环结构的外表面处描述10度至20度范围内的角度(θ1)。
8.根据权利要求7所述的设备，其中每个所述环元件在所述环结构的外表面处描述15度的角度(θ1)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其中所述环元件包括在第一和第二平面上取向的第一和第二接触表面。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二平面与由第一和第二线处的分段形成的所述环结构的内表面相切。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的设备，其中所述第一和第二平面在径向平面P上彼此相交，所述径向平面P将所述环的所述中心与所述内表面的所述切点之间的所述径向平面一分为二。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二平面与由第一和第二线处的所述分段形成的所述环结构的内表面相交。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的设备，其中所述一组结构元件直接或间接地连接到所述一组环元件，并且其可一起操作以在所述扩展状态和所述塌缩状态之间移动。
14.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述结构元件包括结构环元件，所述结构环元件可操作以通过沿着与所述环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在所述扩展状态和塌缩状态之间移动。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述结构环元件在所述设备上纵向延伸，并且可操作以相对于彼此滑动，其中在垂直于所述纵向轴线的选定平面中的所述滑动移动与位于所述选定平面中并且与所述纵向轴线同心的圆相切。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述结构元件在所述设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在沿着所述结构元件的长度并且垂直于所述纵向轴线的任何选定平面中的所述滑动移动与位于所述选定平面中并且与所述纵向轴线同心的圆相切。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其中所述设备包括一组或多组结构环元件和不同于所述一组或多组结构环元件的一组或多组环元件，所述一组或多组结构环元件可操作以通过沿着相切于与所述环结构同心的圆的方向相对于彼此滑动从而在所述扩展状态和塌缩状态之间移动。
18.根据任一前述权利要求所述的设备，其中每个结构元件在其第二端部枢转地连接到环元件。
19.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述结构元件是圆锥体的分段。
20.根据权利要求19所述的设备，其中圆锥体的所述分段在所述圆锥体的外表面处描述在10度至20度范围内的角度(θ1)。
21.根据权利要求20所述的设备，其中圆锥体的所述分段在所述圆锥体的外表面处描述15度的角度(θ1)。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的设备，其中圆锥体的所述分段包括在第一和第二平面上取向的第一和第二接触表面。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述第一和第二平面与由第一和第二线处的所述分段形成的所述环结构的内表面相切。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述第一和第二接触表面的所述取向平面在径向平面P上彼此相交，所述径向平面P将所述内表面的所述切点处的所述径向平面一分为二。
25.根据权利要求22所述的设备，其中所述第一和第二平面与由第一和第二线处的所述分段形成的所述圆锥体的内表面相交。
26.根据任一前述权利要求所述的设备，包括第一组结构元件、第二组结构元件和不同于所述结构元件的一组环元件。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述第一组结构元件在所述一组环元件的第一轴向侧连接到所述一组环元件，并且所述第二组结构元件在所述一组环元件的第二轴向侧连接到所述一组环元件。
28.根据权利要求6至27中任一项所述的设备，其中所述结构元件通过连接件连接到环元件，所述连接件被构造成能够在所述结构元件和环元件之间传递张力。
29.根据权利要求28所述的设备，其中所述结构元件通过球窝或活节连接件连接到环元件。
30.根据任一前述权利要求所述的设备，包括保持环，其中所述结构元件在其第一端部处通过连接件连接到所述保持环，所述连接件能够在所述结构元件和所述保持环之间传递张力。
31.根据权利要求4至30中任一项所述的设备，其中所述基本圆锥形的结构在扩展状态包括基本连续的圆锥形表面。
32.根据权利要求4至31中任一项所述的设备，其中所述基本圆锥形的结构包括中空圆锥体。
33.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述一组结构元件一起形成基本圆锥形的结构，所述基本圆锥形的结构在所述圆锥形表面中在所述结构元件之间包括开口。
34.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述结构元件是支柱或辐条，并且所述设备包括围绕所述纵向轴线周向分布的多个支柱或辐条。
35.根据权利要求4至34中任一项所述的设备，其中所述基本圆锥形的结构包括从其扩口端部延伸的圆柱形部分。
36.根据任一前述权利要求所述的设备，包括被构造成从轴向致动力向环结构的所述结构元件施加径向扩展或塌缩力分量的结构。
37.根据权利要求36所述的设备，其中所述结构包括楔形件或楔形轮廓。
38.一种扩展和塌缩设备，包括：
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构；
其中所述环结构可操作以通过移动所述多个元件从而在扩展状态和塌缩状态之间移动；
其中所述多个元件包括至少一组结构元件，所述至少一组结构元件在所述设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在垂直于所述纵向轴线的选定平面中的所述滑动移动与位于所述选定平面中并且与所述纵向轴线同心的圆相切。
39.根据权利要求38所述的设备，其中所述结构元件在所述设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在沿着所述结构元件的长度并且垂直于所述纵向轴线的任何选定平面中的所述滑动移动与位于所述选定平面中并且与所述纵向轴线同心的圆相切。
40.根据权利要求38或权利要求39所述的设备，其中所述结构元件各自具有第一端部和第二端部，其中所述结构元件可操作以通过沿着轴向方向移动所述第一端部并且通过沿着至少径向尺寸移动所述第二端部从而在所述扩展状态和所述塌缩状态之间移动；
并且其中所述多个元件包括至少一组元件，所述至少一组元件可操作以通过沿着与所述环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在所述扩展状态和塌缩状态之间移动。
41.一种扩展和塌缩设备，包括：
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构；
其中所述环结构可操作以在扩展状态和塌缩状态之间移动；
其中在所述扩展状态下，所述多个元件组合以形成具有基本平滑的圆锥形外表面的圆锥形结构。
42.根据权利要求41所述的设备，其中所述基本平滑的圆锥形外表面是基本不间断的。
43.根据权利要求41或权利要求42所述的设备，其中所述环结构包括一对圆锥形结构，所述圆锥形结构具有基本平滑的圆锥形外表面
44.根据权利要求41至43中任一项所述的设备，包括环结构，所述环结构在垂直于所述纵向轴线的平面中具有基本平滑的圆形轮廓。
45.根据权利要求41至44中任一项所述的设备，其中所述多个元件包括至少一组结构元件。
46.根据权利要求41至45中任一项所述的设备，其中所述多个元件包括至少一组元件，所述至少一组元件可操作以通过沿着与所述环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在所述扩展状态和塌缩状态之间移动。
47.根据权利要求41至46中任一项所述的设备，其中所述结构元件在所述设备上纵向延伸，并且可操作以相对于彼此滑动，其中在垂直于所述纵向轴线的选定平面中的所述滑动移动与位于所述选定平面中并且与所述纵向轴线同心的圆相切。
48.根据权利要求47所述的设备，其中所述结构元件在所述设备上纵向延伸并且可操作以相对于彼此滑动，其中在沿着所述结构元件的长度并且垂直于所述纵向轴线的任何选定平面中的所述滑动移动与位于所述选定平面中并且与所述纵向轴线同心的圆相切。
49.一种油田设备，包括：
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的第一环结构；
多个元件，其组装在一起以形成围绕纵向轴线的第二环结构；
其中所述第一和第二环结构可操作以在扩展状态和塌缩状态之间移动；
其中在其扩展状态下，所述第一和第二环结构的所述多个元件组合以形成第一和第二圆锥形结构；
并且其中在其扩展状态下，所述第一和第二环结构中的至少一个为所述第一和第二环结构中的另一个提供机械支撑。
50.一种用于钻孔或导管的流体阻隔设备，所述流体阻隔设备包括根据任一前述权利要求所述的扩展和塌缩设备。
51.一种用于钻孔或导管的密封组件，所述密封组件包括：
根据任一前述权利要求所述的至少一个扩展和塌缩设备以及密封元件；
其中所述至少一个扩展和塌缩设备被布置成在其扩展状态下为所述密封元件提供机械支撑。
52.一种扩展或塌缩扩展和塌缩设备的方法，所述方法包括：
提供组装在一起以形成围绕纵向轴线的环结构的多个元件，其中所述多个元件包括至少一组结构元件，所述至少一组结构元件各自具有第一端部和第二端部，
沿轴向方向移动结构分段的所述第一端部，并且沿着至少径向尺寸移动所述结构分段的所述第二端部；
并且通过沿着与所述环结构同心的圆相切的方向相对于彼此滑动从而在所述扩展状态和塌缩状态之间移动至少一组元件。
53.一种扩展或塌缩扩展和塌缩设备的方法，所述方法包括：
提供组装在一起以形成围绕纵向轴线的第一环结构的多个元件；以及组装在一起以形成围绕纵向轴线的第二环结构的多个元件；
在扩展状态和塌缩状态之间移动所述第一和第二环结构；
其中在其扩展状态下，所述第一和第二环结构的所述多个元件组合以形成第一和第二圆锥形结构；
并且其中在其扩展状态下，所述第一和第二环结构中的至少一个为所述第一和第二环结构中的另一个提供机械支撑。
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