CN112424440A - 用于静态井下工具应用的两件式粘结密封 - Google Patents

Abstract

一种密封组件和使用方法，其中所述密封组件由弹性体封围件形成，在所述弹性体封围件中限定有主腔体。可破碎容器形式的第二腔体被布置在主腔室内。在一个腔体中容纳有弹性体化合物，并且在另一个腔体中容纳有弹性体硬化剂。在向所述弹性体封围件施加外力时，所述封围件从第一形状弹性变形为第二形状，其中所述第二形状将所述弹性体封围件定位成在相邻环形表面之间的密封构造。外力还破碎所述容器，以引起所述弹性体化合物和所述弹性体硬化剂混合。一旦反应完成，则硬化的化合物将保持所述弹性封围件的变形形状，以在所述环形表面之间保持密封。

Description

用于静态井下工具应用的两件式粘结密封

技术领域

本公开总体上涉及与在地下井中执行的操作结合使用的设备，尤其涉及环形密封组件。更具体地，本公开涉及布置在封隔器和其他井下设备上的弹性体密封元件。

背景技术

在石油和天然气工业中钻探和产生井眼时，经常需要在两个同心结构之间的环空中(例如在井眼壁和套管之间或在套管与管道之间或在两个同心管之间)建立密封，从而抑制流体沿环空流动。

弹性密封元件被定位在要密封的环空中，然后通过各种方法致动以径向扩张成与相邻的同心结构接触。用于致动密封元件的一种常用方法是施加轴向载荷以压缩两个环之间的密封元件，从而迫使密封元件的侧面径向向外凸出。通常，轴向载荷以机械方式或以液压方式施加。用于致动密封元件的另一种常用方法是将加压流体泵送到密封元件的可充气囊状物中，从而使该元件径向向外扩张。

尽管上述密封元件可以在钻探或产生井眼期间的任何时间使用，但是这些密封元件最常被并入到井眼内放置的井下工具(例如塞子或封隔器)中，以隔离生产流体或管理流经井的生产流体。在这样的密封元件作为完井组件的一部分布置在井眼中的程度上，密封元件通常是永久的，在生产的整个生命周期中都保持在原位，并且只能通过钻探或铣削将其移除。

未装配工具(其密封元件尚未扩张)可以通过管道或线作为工具柱的一部分在井眼中下降到特定深度。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优点，现在结合附图和详细描述参考以下简要描述：

图1描绘了根据一个或多个说明性实施方案的具有使用反向循环碎屑去除工具安装的隔离密封组件的海上完井系统；

图2A是处于未压缩状态的密封组件的截面图。

图2B是第二腔室的一个实施方案的透视图。

图3是图2的处于第一压缩状态的密封组件的截面图。

图4是图2的处于第二压缩状态的密封组件的截面图。

图5是具有中空球体的密封组件的截面图。

图6是处于未压缩状态的密封组件的另一实施方案的截面图。

图7是图6的处于第一压缩状态的密封组件的截面图。

图8是布置在井下工具的同心套筒之间的密封组件的截面图。

图9是采用本公开的密封组件的封隔器的截面图。

图10是用于采用本公开的密封组件的方法。

具体实施方式

本公开可以在各个示例或附图中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简单明了，并且本身并非指示所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系。此外，为便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，例如“在下面”、“在下方”、“下部”、“在上方”、“上部”、“井上”、“井下”、“上游”、“下游”等等，以如图所示描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系，向上的方向朝向相应附图的顶部，而向下的方向朝向相应附图的底部，井上方向朝向井眼的表面，井下方向朝向井眼的底部。除非另有说明，否则空间相对术语旨在涵盖除附图中所描绘的定向之外的设备在使用或操作中的不同定向。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在下方”可以涵盖在上方和在下方两个定向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，并且本文使用的空间相对描述语可以相应地进行同样的解释。

此外，即使附图可能描绘水平井眼或竖向井眼，然而除非另外指出，本领域技术人员应该理解，根据本公开的设备同样非常适合用于具有其他定向的井眼，包括偏斜的井眼、多边井眼等。同样，除非另有说明，否则即使附图可能描绘海上操作，本领域技术人员应理解，根据本公开的设备同样非常适合用于陆上操作，反之亦然。

本文公开了密封组件和使用方法的实施方案，其中密封组件由弹性体、环形壳体或封围件形成，在其中限定有主腔室或腔体。壳体内还设有第二腔室或腔体。第二腔体可以通过简单地用可破碎壁分隔主腔室或通过在主腔室内布置可破碎容器而形成。在任何情况下，弹性体混合物都布置在一个腔室中，而弹性体硬化剂则储存在另一个腔室中。在对弹性体壳体施加外力时，壳体从第一形状弹性变形为第二形状，其中第二形状将弹性体壳体定位成在相邻环形表面之间的密封构型。同时，利用外力破碎壁或容器，从而使弹性体化合物与弹性体硬化剂混合。一旦混合了组分，就保持外力，将弹性体壳保持在变形的形状，直到弹性体复合物硬化并在去除力后保持形状。

转向图1，示出了井眼完井系统10的部分横截面的立视图，该井眼完井系统用于完成旨在从延伸穿过位于地表16下方的油气层14中的各个地层的井眼12生产碳氢化合物的井。井眼12可以由单个或多个孔形成，延伸到地层14中并且以任何定向布置，例如图1中所示的水平井眼12a。

完井系统10包括钻机或井架20。钻机20可以包括提升设备22、游车24和旋转接头26，用于升高和降低套管、钻杆、连续管道、生产管道、其他类型的管或管道柱或其他类型的运输载具30，例如电缆、钢丝等。在图1中，运输载具30是基本上管状的、轴向延伸的工作柱或生产套管，其由多个管接头形成，所述多个管接头首尾相连地连接在一起，从而支撑完井组件，如下所述。

钻机20可位于井口40附近或与该井口间隔开，例如在如图1所示的海上布置的情况下。也可以在井口40或系统10中的其他地方提供一个或多个压力控制装置42，例如防喷器(BOP)和与钻探或产生井眼相关的其他装备。

对于海上作业，如图1所示，钻机20可以安装在石油或天然气平台44上，例如所示的海上平台、半潜器、钻探船等(未示出)。尽管图1的系统10被图示为基于海洋的完井系统，但是也可以在陆地上布置图1的系统10。在任何情况下，对于基于海洋的系统，一个或多个海底导管或隔水管46从平台44的甲板50延伸至海底井口40。管道柱30从钻机20向下延伸，通过海底导管46和BOP 42进入井眼12。

工作或服务流体源52(诸如储罐或容器)可以经由流线64供应工作流体54(见图5A和图5B)，该工作流体被泵送到管道柱30的上端并流过管道柱30至设置在井眼12中的装备，例如地下装备56。工作流体源52可以供应在井眼操作中使用的任何流体，包括但不限于钻井液、水泥浆、压裂液、酸化液、液态水、蒸汽或某种其他类型的流体。

完井系统10通常可以表征为具有管系统58。为了本公开的目的，管系统58可以包括套管、隔水管、管道、钻柱、完井或生产柱、潜管、井口或任何其他与之连接或附接的管、管道或设备，例如柱30、导管46、钻铤和接头，以及井眼12和可在其中布置管、套管和柱的侧面。就这一点而言，管系统58可以包括一个或多个可以固结在井眼12中的套管柱60，例如图1所示的地面、中间和生产套管60。视情况而定，在相邻的管状部件的壁之间(例如同心的套管柱60或管道柱30的外部与井筒12或套管柱60的内壁之间)形成环空62。

从井眼12返回到表面16的流体、钻屑和其他碎屑通过流线64被引导到储罐54和/或处理系统66，例如振动器、离心机等。

如图1所示，地下装备56被示为完井装备，并且与完井装备56流体连通的管道柱30被示为生产管道30。尽管完井装备56可以布置在任何定向的井眼12中，但是出于说明的目的，示出了完井装备56设置在井眼12的基本水平的部分中，并且包括下部完井组件82，该下部完井组件具有各种工具，诸如定向和对准子组件84、密封组件86、防砂筛组件88、密封组件90、防砂筛组件92、密封组件94、防砂筛组件96和密封组件98。在一个或多个实施方案中，密封组件86、90、94和98是封隔器。

上部完井组件104设置在管道柱30下端的井眼12中，该上部完井组件包括各种工具，例如密封组件106、扩张接头108、密封组件110、流体流量控制模块112。

尽管通常将各种密封组件86、90、94、98、106和110图示为布置在管道柱30和套管柱60之间的环空62中的封隔器，但是在其他实施方案中，可以将本文所述的密封组件布置在其他同心结构之间的环空中。

转向图2A，如图1所示的密封组件被示出并总体示为密封组件200。密封组件200通常由其中形成有第一腔室或腔体204的弹性体壳体或封围件202形成。在一个或多个实施方案中，壳体202是围绕主轴线203形成的环形形状。在一个或多个实施方案中，壳体202是环形的并且具有矩形的横截面，如图2所示。在这样的实施方案中，壳体202可具有与外部径向壁208间隔开的内部径向壁206，并且还包括间隔开的端壁209、211以限定腔室204。在如图2所示的未压缩状态中，壳体202可具有在间隔开的端壁209、211之间测量的第一长度L₁和在间隔开的径向壁206、208之间测量的第一宽度W₁。尽管壳体202的横截面形状通常被描绘为矩形，但是在其他实施方案中，壳体202可以具有其他横截面形状，包括正方形、圆形或椭圆形。为了避免产生疑问，本文所使用的未压缩状态通常是指没有施加外力到弹性壳体202上的密封组件200。在一个或多个实施方案中，弹性体外壳202可以由吹塑材料形成。在一个或多个实施方案中，外壳202可以是由超声焊接的封围件形成的制造壳体。在一个或多个实施方案中，壳体202可以由软的韧性塑料形成。弹性体壳体也可以由选自由以下各项组成的组的材料形成：氢化丁腈橡胶(HNBR)、四氟乙烯-丙烯(TFE/P)、全氟弹性体(FFKM)和聚四氟乙烯(PTFE)。

密封组件还包括位于壳体202内的第二腔室或腔体210。第二腔室210可以由第一腔室204的一部分形成并且通过壁212与该第一腔室分隔开。在一些实施方案中，壁212可以形成单独限定的容器214。尽管不限于特定的横截面形状，但在一个或多个实施方案中，容器214可具有围绕与轴线211共同延伸的轴线形成的圆形横截面形状，而在其他实施方案中，容器214可具有其他横截面形状。同样，虽然容器214通常示出为中空环形的单个环形结构，但在其他实施方案中，可以在壳体202内布置多个容器214。在一些实施方案中，这样的多个容器可以采取布置在壳体202内的中空球体的形式。在一些实施方案中，壁212在施加预定力的情况下可以是可破碎的或可破裂的。就这一点而言，壁212可以由在这种力的作用下破碎的刚性材料形成，或者可以由在这种力的作用下破裂的柔性材料形成。在一个或多个实施方案中，形成第二腔室210(例如容器214)的壁212可以由玻璃或脆性塑料或金属形成。在一个或多个实施方案中，容器214可以是由玻璃、金属或脆性塑料形成的细长的薄壁管道。在一些实施方案中，容器214可以是细长的薄壁管道，其具有大致环形的形状并且被布置在环形的第一腔室204内，然而两个腔室204、210不需要同心地对准。

第一流体218被容纳或以其他方式设置在主腔室或腔体204内，而第二流体220被容纳或以其他方式设置在第二腔室或腔体210内。在一个或多个实施方案中，第一流体218是弹性体化合物，并且第二流体220是弹性体硬化剂，而在其他实施方案中，第一流体218是弹性体硬化剂，并且第二流体220是弹性体化合物，例如环氧树脂。在其他实施方案中，第一流体218和第二流体220是环氧树脂，例如在混合时发生化学反应的第一环氧树脂和第二环氧树脂。在其他实施方案中，一种流体是环氧树脂，而另一种流体是共反应剂。无论哪个流体218、220位于哪个腔室204、210中，在布置密封组件220期间，流体都保持隔离状态。弹性化合物可包括二环戊二烯(DCPD)、低温聚氨酯或低粘度环氧树脂。弹性体化合物可以是液体、凝胶、粉末或软化的固体弹性体化合物的形式，其在施加压力的情况下容易变得粘稠。弹性体硬化剂可包括环氧共反应剂。

在一个或多个实施方案中，可将添加剂颗粒222(例如增塑剂或填充剂)悬浮在流体218、220之一中或与之混合，以实现所需的化学反应、加工或最终性能。可以基于布置密封组件200的环境(例如，高压、高温环境)来选择微粒222。在一些实施方案中，微粒222可以是珠子或纤维或粉末，或其任何组合。在一些实施方案中，微粒222可以由玻璃、碳纤维或石墨或其任何组合形成。

最后，虽然大多数实施方案考虑将第二腔室210设置在第一腔室204内，但是在其他实施方案中，第二腔室210可以与腔室204分离，并且第二流体220被注入到第一腔室204中以促进壳体202内的弹性体化合物的硬化。

图2B所示的是第二腔室210的一个实施方案。形成第二腔室210(例如容器214)的壁212可以成形为在施加外力F₁的情况下增强碎裂、破碎或破裂。因此，在一个或多个实施方案中，不管第二腔室210的整体形状如何，壁212的至少一部分可具有脊或峰213，使得向峰施加力F₁将更容易引起第二腔室210的碎裂。

图3示出了施加有初始外力F₁的密封组件200，该初始外力使壳体202弹性变形为初始压缩形状，其中壳体202的特征在于第二长度L₂(在间隔开的端壁201之间测量)和第二宽度W₂(在间隔开的径向壁206、208之间测量)。在这种初始压缩形状的一个实施方案中，外力F₁被施加到间隔开的端壁201，使得L₂比L₁短，并且W₂比W₁长。在该初始压缩形状的另一个实施方案中，外力F₁被施加到间隔开的径向壁206、208，使得L₂比L₁长，并且W₂比W₁短。在任一种情况下，外力F₁都将密封组件200压缩成与通常垂直于所施加外力的方向的密封表面密封接合。例如，施加到端壁201上的外力F₁将使壳体202径向变形，如图3所示，使得径向壁206、208密封地接合与径向壁206、208相邻的大体同心结构(未示出)。同样，施加到径向壁206、208上的外力F₁将使外壳202纵向变形，使得端壁201密封地接合与每个端壁201相邻的结构(未示出)，例如肩部或其他表面。在任何情况下，施加外力F₁来改变密封组件200的形状，以使密封组件200从其原始形状变形为两个表面之间的密封接触。

尽管已经将第二腔室210描述为被设置用于破碎或碎裂以便释放容纳在其中的第二流体220，但是在一个或多个实施方案中，壁212可以由在预定温度下降解以释放第二流体220的材料形成。在这样的实施方案中，不需要向密封组件200施加外部挤压力以使第二腔室210碎裂，而仅需要施加该力使壳体202变形为期望的形状以进行密封。当然，本领域技术人员将意识到，第二腔室210的降解温度将被选择为低于否则将使密封组件200的任何其他部件降解的任何温度。因此，降解温度可以是密封组件将被定位和设置的位置处的预期地层温度或地层流体温度。

在图4中，外力F₁也用于引起第一流体218和第二流体220混合。具体地，利用外力F₁将第二腔室210的壁212破碎至第二腔室210的壁212碎裂的程度，从而使设置在第二腔室210内的第二流体220被释放到第一腔室204中并引发第一流体218和第二流体220之间的反应。应当理解，第二腔室210的形状和定位以及第二腔室壁212的构造材料将决定引起第二腔室210碎裂所需的力F₁和壳体202的压缩的量。例如，如果第二腔室210由刚性材料形成并且通常在未压缩的端壁201之间延伸，则与第二腔室210的横截面形状为圆形且壁212由弹性材料形成时相比，可能需要较小的力F₁来使壁212碎裂。

在图5中，第二腔室210被图示为一个或多个中空形状230。在一个或多个实施方案中，中空形状230可以是球体。在任何情况下，如上所述，在施加外力F₁的情况下，中空形状230会碎裂，从而释放其中所容纳的第二流体220。

转向图6，示出了密封组件300，该密封组件通常由弹性体壳体或封围件302形成，其中限定有主腔室或腔体304。在一个或多个实施方案中，壳体302是环形的。在一个或多个实施方案中，壳体302是环形的并且具有矩形的横截面，如图6所示。在这样的实施方案中，壳体302可具有与外部径向壁308间隔开的内部径向壁306，并且还包括间隔开的端壁309、311以限定腔室304。尽管壳体302的横截面形状通常被描绘为矩形，但是在其他实施方案中，壳体302可以具有其他横截面形状，包括正方形、圆形或椭圆形。

密封组件还包括位于壳体302内的第二腔室或腔体310。通过利用壁312分隔第一腔室304的一部分来形成第二腔室302。在一些实施方案中，壁312在施加预定力的情况下可以是可破碎的或可破裂的。就这一点而言，壁312可以由在这种力的作用下破碎的刚性材料形成，或者可以由在这种力的作用下破裂的柔性材料形成。在所示的实施方案中，壁312由刚性材料形成并且在第一端314处密封地接合壁306、308、309、311中的一个，并且在壁312的第二端316处密封地接合相对的壁306、308、309、311。端314、316中的一个或两个可以附接到接合的壁。

第一流体218被注入或以其他方式设置在主腔室或腔体304内，并且第二流体220被注入或以其他方式设置在第二腔室或腔体310内。

在图7中，示出了外力F₁被施加到壳体302，从而使壳体302从其原始形状变形。在该实施方案中，壁312的第一端314固定到内部径向壁306。在将外力F₁施加到侧壁309、311上时，外径向壁308径向向外偏转，从而引起壁312的第二端316从外径向壁308脱离，并允许流体218、220在其相应的腔室304、310内混合。

转向图8，示出了井下工具400的横截面，其上安装有至少一个密封组件402，例如本文所述的密封组件。示出的实施方案描绘了两个密封组件402a、402b。就这一点而言，密封组件402可具有与本公开中描述的其他密封组件相关联的任何一个或多个特征。在任何情况下，井下工具400通常包括第一管状件404，该第一管状件具有围绕工具轴线408限定的柱形表面406。管状件404可以是芯轴，例如，具有穿过其中的流孔409。沿着柱形表面406设置有第一肩部410，该第一肩部可以整体形成为管状件404的一部分或单独结构，诸如环或套筒。

密封组件402被示为具有弹性体壳体412，在其中限定有第一腔室414和第二腔室416。第一流体418设置在第一腔室414中，并且第二流体420设置在第二腔室416中。在一个实施方案中，第一流体418是弹性体化合物，并且第二流体420是弹性体硬化剂，而在其他实施方案中，第一流体418是弹性体硬化剂，并且第二流体420是弹性体化合物。

井下工具400可以包括多个相继布置的密封组件402。在所示的实施方案中，示出了第一密封组件402a和第二密封组件402b。尽管密封组件402a、402b可以彼此邻接，但是在一些实施方案中，它们可以通过间隔件422彼此间隔开。第二管状件424围绕管状件404延伸，从而在第一管状件404和第二管状件424之间形成环形空间426。如图所示，密封组件402a和402b位于环形空间426内的第一管状件404上。在示出的实施方案中，间隔件422是可滑动环，其可围绕密封组件402a、402b之间的表面406布置。

尽管可以利用任何类型的机制来向密封组件402a、402b施加外部压力，但是在所示的实施方案中，利用了压力致动套筒430。套筒430延伸到与密封组件402a、402b相邻的环形空间426中，并且被滑动地承载在第一管状件404上。套筒430包括端面432，当套筒430处于第一位置时(该第一位置在图8中示出)，该端面通常与密封组件402a、402b间隔开。

经由液压端口434向套筒430施加加压的液压流体(未示出)将套筒430从第一位置(图8所示)移动到第二位置(未示出)，在第二位置中，端面432接合密封组件402b以对其施加外力。应当理解，外力通过密封组件402b传递至间隔环422，并随后传递至与第一肩部410邻接的密封组件402a。因此，外力在套筒430和肩部410之间压缩密封组件402a和402b中的每一个，并使密封组件402a和402b中的每一个的壳体412的一部分径向向外扩张，从而接合第二管状件424并密封其之间的环形空间426。此外，外力使每个密封组件402中的第二腔室416破碎或碎裂，从而引起第一流体418和第二流体420混合、发生反应并且硬化成压缩的密封组件402a、402b壳412的形状。就这一点而言，保持外力直到弹性体化合物硬化以支撑压缩的弹性体壳体412的形状。因此，将理解的是，可以利用外力来：i)使弹性体壳体412变形为期望的形状以用于密封；i i)释放第二流体420以开始与第一流体418混合；以及ii i)在弹性体化合物固化或硬化的过程中保持变形的形状。

在一些实施方案中，可以施加第一外力来释放第二流体420以开始与第一流体418混合，然后可以将外力减小到第二外力，用于在固化过程中将变形的弹性体壳体412保持在期望的形状。例如，套筒430可从第一位置(图8所示)移动到第二位置，该第二位置引起第二腔室416碎裂到第三位置，在该第三位置，套筒430保持与壳体412(直接或间接)接合，同时弹性体化合物硬化。在第二位置，套筒430朝向肩部410移动，直到第二腔室416碎裂，此后，套筒430移动远离肩部410回到这样的位置：在该位置，端表面432继续接合密封组件402直到固化/硬化过程完成。一旦固化/硬化过程完成，则可以将套筒430移离与密封组件402的接合，并且密封组件402将保持变形的形状以密封方式接合第一和第二管状件404、424。

应当理解，虽然已经将井下工具400描述为具有可液压移位的套筒430以施加设置和启动密封组件402所需的外力，但是可以利用任何类型的机制来施加外力。例如，套筒430可以通过工具以机械方式移位。或者，套筒430可以用另一种类型的机制代替，该另一种类型的机制可以用来向密封组件402施加外力。

转向图9，示出了井下封隔器500的一部分的横截面。封隔器500总体上包括沿轴线504限定的细长管状件或芯轴502，并具有内部流动通道506和外部柱形表面508。一个或多个密封组件510围绕柱形表面508被承载在管状件502上。尽管本公开不限于特定数量的密封组件510，但是在示出的实施方案中示出了三个密封组件510a、510b、510c。

每个密封组件510总体上包括弹性体壳体512，在其中限定有第一腔室514和第二腔室516。第一流体518设置在第一腔室514中，并且第二流体520设置在第二腔室516中。在一个实施方案中，第一流体518是弹性体化合物，并且第二流体520是弹性体硬化剂，而在其他实施方案中，第一流体518是弹性体硬化剂，并且第二流体520是弹性体化合物。尽管密封组件510a、510b、510c可以彼此邻接，但是在一些实施方案中，它们可以通过间隔件522彼此间隔开。在一个或多个实施方案中，间隔件522是设置在管状件502的表面508上的可滑动环。

在所示的实施方案中，每个密封组件510的每个弹性体壳体512是环形的并且具有细长的矩形横截面形状，其中内部径向壁515与外部径向壁516间隔开，并且还包括间隔开的端壁518、519以限定腔室514。在诸如图9所示的未压缩状态中，壳体512可以具有在间隔开的端壁518、519之间测量的第一长度L₁和在间隔开的径向壁515、516之间测量的第一宽度W₁。尽管壳体512的横截面形状通常被描绘为矩形，但是在其他实施方案中，壳体512可以具有其他横截面形状，包括正方形、圆形或椭圆形。

密封组件510a、510b、510c由一对间隔开的肩部520(即第一肩部520a和第二肩部520b)界定。在一些实施方案中，肩部520可以是环形或楔形。在示出的实施方案中，肩部520a、520b分别被示为是可滑动的，但是在其他实施方案中，至少一个肩部520可以被固定或一体地形成为套筒502的一部分。每个肩部520具有邻接密封组件510的端壁518的端面522。在所示的实施方案中，每个可滑动肩部最初通过剪切紧固件524固定在适当的位置。肩部520被示为具有与滑动组件530的内部凸轮表面528接合的外部凸轮表面526。特别地，示出了第一或上滑动组件530a和第二或下滑动组件530b。如对本领域技术人员显而易见的，肩部520可以具有多种构型，包括具有其他数量的楔形截面的构型，这样的构型被认为是在本公开的范围内。

滑动组件530可以具有沿其外表面定位的齿532，用于提供与井套管或井眼壁的内部的夹持布置(如适用)。当轴向力F施加到滑动组件530时，滑动组件530径向扩张成与井套管或井眼壁接触。另外，滑动组件530对肩部520施加力，从而使剪切紧固件524剪切并驱动肩部520抵靠相邻的密封组件510。施加到密封组件510的该压缩外力迫使密封组件510的弹性体壳体512的一部分径向向外变形以与环形相邻的套管或井眼壁(未示出)密封接合。如上所述，施加到密封组件510的该压缩外力还引起第二腔室516碎裂或破碎，从而允许第一流体518和第二流体520混合。在该特定实施方案中，因为设置了滑动组件530，所以即使在弹性体化合物已经固化并硬化之后，肩部520仍与端壁518、519保持邻接关系。

图10示出了用于在井眼内安装密封组件的方法600。在第一步602中，诸如本文所述的，密封组件被定位在井眼内。通常，密封组件被定位在相邻环形结构(在其之间需要密封，例如在管状件和套管柱之间或者在管状件和井眼壁之间)之间的环空中。然而，密封组件可以定位在期望在其之间建立密封的井眼中的任何两个间隔开的表面之间。

在步骤604中，将外力施加到密封组件。外力使密封组件弹性变形，以便改变密封组件的形状。就这一点而言，可以通过以下操作使密封组件弹性变形：将密封组件从具有第一长度(L1)和第一宽度(W1)的第一形状改变为具有比第一长度短的第二长度(L2)及比第一宽度宽的第二宽度(W2)的第二形状。该形状被扩张或推动成与需要密封的相邻表面密封接触。在一定程度上，密封表面是与密封组件相邻的管状件，该形状径向向外扩张，直到密封组件与相邻管状件的表面密封接合。在一个实施方案中，可以通过以机械方式启动套筒以促使套筒抵靠密封组件来施加外力。在一个实施方案中，可以通过以液压方式启动套筒以促使套筒抵靠密封组件来施加外力。在一个实施方案中，可以通过电启动套筒以促使套筒抵靠密封组件来施加外力。在一个实施方案中，可以通过利用加压流体将外力施加到密封组件来施加外力。在任何情况下，密封组件都会弹性变形到一定程度，促使密封组件与密封表面接触以在其间形成密封。

在步骤606中，利用外力在第一腔室和第二腔室之间建立流体连通。在一些实施方案中，这可以包括使密封组件内的腔室碎裂，这可以通过以下操作来实现：破碎、破坏或击碎将第一腔室与第二腔室分隔开的壁或者破碎、破坏或击碎形成第一腔室内布置的容器的壁。例如，可以施加外力以破碎密封组件内的中空球体。在其他实施方案中，第二腔室可以是在施加特定压缩力的情况下破裂的囊状物。在其他实施方案中，在改变密封组件的形状时，所施加的外力释放了密封组件内的壁。

在步骤608中，将一个腔室内的弹性体化合物与另一个腔室内的弹性体硬化剂混合。当一个腔室中的流体碎裂或破碎，该一个腔室内的流体被释放而与另一个腔室内的流体接触时，就会发生这种情况。混合的流体发生反应并开始固化，从而使弹性体化合物硬化。应当理解，弹性体壳体在固化之前扩张，并且仅在弹性体壳体变形至所需形状之后弹性体化合物才被混合并就地固化。这与固化后以机械方式扩张弹性体元件即固态橡胶元件相反，其涉及显著的塑性变形，该塑性变形可通过破坏弹性体交联而降低弹性体元件的完整性。这样，在固化后扩张的弹性体元件会失去交联强度并恢复为基础橡胶的特性。通过将密封元件混合并在适当位置固化，密封元件将被固化并表现出更理想的材料特性。另外，将固化的密封元件挤压成变形形状所需的力明显大于以上步骤604和606中使塑料壳体变形并使第二腔室碎裂以开始固化所需的力。具体而言，固体橡胶元件通常可能需要超过30,000磅的装配力。相反，本公开的密封组件需要的外部装配力要小得多，从而与用于装配固化的密封元件的装配机制相比，允许较小的装配活塞面积来致动和触发密封组件。

在步骤610中，在混合流体固化和硬化的同时，利用外力来保持密封组件的变形形状。特别地，在弹性体硬化剂与弹性体化合物发生反应的同时，利用外力将密封组件保持为密封接合所需的形状。一旦弹性体化合物硬化到一定程度(其将弹性体壳体保持为密封接合所需的变形形状)，则可以释放外力。

所描述的密封组件对于永久性密封来说是特别理想的，例如与使用静态密封的永久性封隔器一起使用。密封组件是特别有利的，因为其可以以低内应力轻松变形(固化之前)，从而允许密封很大的间隙。此外，壳体还将充当挤压屏障，从而限制了对外部支撑物(例如防挤压鞋)的需求。此外，与可能需要根据压力方向定位的固体橡胶密封件相反，本公开的密封组件提供了双向密封，而与流体压力被施加到密封组件的方向无关。密封组件的另一个好处是，与固体橡胶密封元件相比，避免了在将密封组件运行到位时的摩擦磨损或摩擦问题，后者具有较大的占地面积并且更容易受到此类问题的困扰。还应当理解，由于密封是以化学方式触发的，因此可以针对不同的井况和流体相容性来选择弹性体化合物和弹性体硬化剂。因此，在一种弹性体化合物和弹性体硬化剂可能适合于第一组环境条件的情况下，不同的弹性体化合物和弹性体硬化剂可能更适合于不同于第一组环境条件的第二组环境条件。最后，应当理解，对于不规则形状的环，密封组件是特别理想的，因为壳体易于扩张以适合不规则形状。因此，在两个相邻的环形部件不是同心的或者井眼壁不圆的情况下，可能需要密封组件。

因此，已经描述了用于井下工具的密封组件。密封组件可以包括：弹性体壳体，在该弹性体壳体内限定有第一腔室和第二腔室，并且在这两个腔室之间设置有壁；布置在一个腔室内的弹性体化合物及储存在另一个腔室内的弹性体硬化剂。类似地，已经描述了具有密封组件的井下工具。井下工具可以包括：柱形表面，其围绕轴线限定并且具有沿着所述柱形表面限定的第一肩部；和弹性体壳，在所述弹性体壳中限定有第一腔室和第二腔室，在所述两个腔室之间设置有壁；布置在一个腔室中的弹性体化合物和储存在另一个腔室中的弹性体硬化剂，其中，弹性体壳体围绕柱形表面设置，使得弹性体壳体的轴线平行于柱形表面的轴线。

前述实施方案中的任何一个可以包括以下要素中的任何一个或多个：

弹性壳体是具有矩形横截面的中空环形。

第二腔室是设置在第一腔室内的可破碎容器。

第二腔室是圆形烧瓶。

可破碎容器由玻璃形成。

弹性体壳可从具有第一长度(L1)和第一宽度(W1)的第一形状变形为具有比第一长度短的第二长度(L2)及比第一宽度宽的第二宽度(W2)的第二形状。

第二腔室是设置有第一腔室的中空环形，其环形轴线大体上与弹性体壳体的环形轴线共轴。

第二腔室具有横截面为圆形的中空环形。

弹性体壳体具有相对端面、内径向表面和外径向表面。

弹性体壳体的一个端面邻接第一肩部。

第二腔室由壁形成，该壁被成形为具有沿其形成的峰。

第二腔室由在选定温度下降解的材料形成。

第二肩部围绕柱形表面与第一肩部间隔开，并且在其之间具有弹性体壳体，其中第二肩部可沿柱形表面滑动。

第二可滑动肩部是围绕柱形表面设置的环。

第二可滑动肩部是围绕柱形表面设置的套筒。

柱形表面包括在第一端和第二端之间延伸的细长芯轴，在两个端之间限定有通孔。

第二肩部邻接弹性体壳的另一端。

第一肩部是环，该环围绕柱形表面设置并通过剪切紧固件附接到其上。

第一肩部和第二肩部分别是围绕柱形表面设置并通过剪切紧固件附接到其上的环。

滑动机构邻接第一肩部。

柱形体围绕外径向表面设置。

至少两个间隔开的弹性体壳体，在每个壳体内限定有第一腔室和第二腔室，在该两个腔室之间设置有可破碎壁；布置在一个腔室中的弹性体化合物和储存在另一个腔室中的弹性体硬化剂，其中弹性体壳体围绕柱形表面设置，使得弹性体壳体的轴线平行于柱形表面的轴线。

沿着两个弹性体壳体之间的柱形面设置的间隔件。

上滑动件和下滑动件。

井下工具是封隔器组件。

弹性体壳体由选自由以下各项组成的组的材料形成：氢化丁腈橡胶(HNBR)、四氟乙烯-丙烯(TFE/P)、全氟弹性体(FFKM)和聚四氟乙烯(PTFE)。

弹性体化合物是第一环氧树脂。

弹性体硬化剂是第二环氧树脂。

弹性体化合物是第一环氧树脂，并且弹性体硬化剂是不同于第一环氧树脂的第二环氧树脂。

弹性体化合物是环氧树脂，并且弹性体硬化剂是环氧树脂共反应剂。

弹性体化合物选自由以下各项组成的组：二环戊二烯(DCPD)、低温聚氨酯和低粘度环氧树脂。

与弹性体化合物混合的颗粒，这些颗粒选自由以下各项组成的组：玻璃、炭黑/石墨和石墨。

同样，已经描述了用于将密封件安装在井眼中的方法。该方法可以包括：将密封组件定位在井眼中；向密封组件施加外力以使密封组件弹性变形；将密封组件内的弹性体硬化剂与密封组件内的弹性体化合物混合；以及保持密封组件处于弹性变形的形状，直到弹性体硬化剂与弹性体化合物发生反应为止。在其他实施方案中，该方法可以包括：向密封组件施加外力以改变密封组件的形状；利用施加在密封组件上的外力使密封组件内的弹性体硬化剂与密封组件内的弹性体化合物发生反应；以及保持密封组件处于改变的形状，直到弹性体化合物硬化为止。在其他实施方案中，该方法可以包括：向密封组件施加外力以使密封组件弹性变形；利用施加在密封组件上的外力使密封组件内的弹性体硬化剂与密封组件内的弹性体化合物发生反应；以及保持密封组件处于弹性变形的形状，直到弹性体化合物已固化。

前述实施方案中的任何一个可以包括以下要素中的任何一个或多个：

弹性变形包括促使密封组件与密封表面接触以在其之间形成密封。

密封表面是管状件。

密封表面是井眼壁。

移除外力并保持密封组件和密封表面之间的密封。

施加外力的步骤包括：以机械发生启动套筒以促使套筒推靠密封组件。

施加外力的步骤包括：以液压方式启动套筒以促使套筒抵靠密封组件。

施加外力的步骤包括：电启动套筒以促使套筒抵靠密封组件。

施加外力的步骤包括：利用加压流体将外力施加到密封组件。

弹性变形包括：将密封组件从具有第一长度(L₁)和第一宽度(W₁)的第一形状改变为具有比第一长度短的第二长度(L₂)及比第一宽度宽的第二宽度(W₂)的第二形状。

尽管已经详细示出了各种实施方案，但是本公开不限于所示的实施方案。对于本领域技术人员而言，可以对上述实施方案进行修改和调整。这样的修改和调整处于本公开的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种用于在井眼中安装密封件的方法，所述方法包括：

向密封组件施加外力以使所述密封组件弹性变形；

利用施加在所述密封组件上的外力使所述密封组件内的弹性体硬化剂与所述密封组件内的弹性体化合物反应；以及

将所述密封组件保持在弹性变形的形状，直到所述弹性体化合物已固化。

2.如权利要求1所述的方法，其中弹性变形包括：促使所述密封组件与密封表面接触以在其之间形成密封。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：去除外力并维持所述密封组件和所述密封表面之间的密封。

4.如权利要求1所述的方法，其中施加外力的步骤包括：以机械方式启动套筒以促使所述套筒抵靠所述密封组件。

5.如权利要求1所述的方法，其中施加外力的步骤包括：以液压方式启动套筒以促使所述套筒抵靠所述密封组件。

6.如权利要求1所述的方法，其中弹性变形包括：将所述密封组件从具有第一长度(L₁)和第一宽度(W₁)的第一形状改变为具有比所述第一长度短的第二长度(L₂)和比所述第一宽度宽的第二宽度(W₂)的第二形状。

7.一种用于井下工具的密封组件，包括：弹性体壳体，在所述弹性体壳体中限定有第一腔室和第二腔室，在两个腔室之间设置有壁；布置在一个腔室中的弹性体化合物和储存在另一个腔室中的弹性体硬化剂。

8.如权利要求7所述的密封组件，其中所述第二腔室是设置在所述第一腔室内的可破碎容器。

9.如权利要求8所述的密封组件，其中所述可破碎容器由玻璃形成。

10.一种井下工具，包括：柱形表面，所述柱形表面围绕轴线被限定并且具有沿着所述柱形表面限定的第一肩部；和弹性体壳体，在所述弹性体壳体中限定有第一腔室和第二腔室，在两个腔室之间设置有可破碎壁；布置在一个腔室中的弹性体化合物和储存在另一个腔室中的弹性体硬化剂，其中所述弹性体壳体围绕所述柱形表面设置，使得所述弹性体壳体的轴线平行于所述柱形表面的轴线。

11.如权利要求10所述的井下工具，还包括第二肩部，所述第二肩部围绕所述柱形表面与所述第一肩部间隔开，并且所述弹性体壳体在其之间，其中所述第二肩部能沿着所述柱形表面滑动。

12.如权利要求11所述的井下工具，其中第二可滑动肩部是围绕所述柱形表面设置的环。

13.如权利要求10所述的井下工具，其中所述柱形表面包括在第一端和第二端之间延伸的细长芯轴，所述细长芯轴在两个端之间限定有通孔。

14.如权利要求10所述的井下工具，还包括：至少两个间隔开的弹性体壳体，在每个壳体内限定有第一腔室和第二腔室，在两个腔室之间设置有可破碎壁；布置在一个腔室中的弹性体化合物和储存在另一个腔室中的弹性体硬化剂，其中所述弹性体壳体围绕所述柱形表面设置，使得所述弹性体壳体的轴线平行于所述柱形表面的轴线。

15.如权利要求11所述的井下工具，还包括与一个肩部邻接的上滑动件和与另一个肩部邻接的下滑动件。

16.如权利要求10所述的井下工具，其中所述井下工具是封隔器组件。

17.如权利要求10所述的井下工具，还包括与所述弹性体化合物混合的微粒，所述微粒选自由玻璃、炭黑/石墨和石墨组成的组。

18.如权利要求10所述的井下工具，其中所述弹性体壳体由选自由以下各项组成的组的材料形成：氢化丁腈橡胶(HNBR)、四氟乙烯-丙烯(TFE/P)、全氟弹性体(FFKM)和聚四氟乙烯(PTFE)。

19.如权利要求10所述的井下工具，其中所述弹性体化合物是第一环氧树脂，并且所述弹性体硬化剂是不同于所述第一环氧树脂的第二环氧树脂。

20.如权利要求10所述的井下工具，其中所述弹性体化合物选自由以下各项组成的组：二环戊二烯(DCPD)、低温聚氨酯和低粘度环氧树脂。

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