CN113167109A - 具有阀单元的环状屏障 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环状屏障，其待在井中于金属井管结构与井孔的壁部或另一金属井管结构之间的环空中膨胀以在井孔的具有第一压力的第一区域与具有第二压力的第二区域之间提供区域隔离，环状屏障包括：适于安装为金属井管结构的一部分的管状金属部件；围绕管状金属部件的可膨胀金属套筒，可膨胀金属套筒的每端与管状金属部件连接，以在可膨胀金属套筒与管状金属部件之间限定环形空间。环状屏障还包括具有初始位置和最终位置的阀单元，阀单元包括与内部流体连通的第一穿孔、与环形空间流体连通的第二穿孔、与环空流体连通的第三穿孔。本发明还涉及井下系统，包括金属井管结构和环状屏障，其中环状屏障的管状金属部件安装为井管金属井管结构的一部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种环状屏障，该环状屏障待在井中于金属井管结构与另一金属井管结构或井孔的壁部之间的环空中膨胀以在井孔的具有第一压力的第一区域与具有第二压力的第二区域之间提供区域隔离。本发明还涉及一种井下系统。
背景技术
在井孔中，环状屏障如扩张封隔器(Swell Packer)、膨胀封隔器(SWELLPACKER)、STEELSEAL(钢密封件)或区域密封件(ZONESEAL)被用于提供位于套管与另一套管的壁部或井孔的壁部之间的环空的区域隔离，或用于提供衬管悬挂器。
当具有可膨胀金属套筒的环状屏障膨胀时，通过对位于可膨胀金属套筒与基础管之间的环形空间进行加压而使该套筒从第一直径膨胀至较大的第二直径。在一些已知的屏障中，在将安装在金属井管结构上的环状屏障下入井孔中时，至环形空间的流体连通被切断，并且为了使可膨胀金属套筒膨胀，需要在提供至环形空间的流体连通并且开始膨胀之前使剪切盘被剪切。以这种方式，避免了在将环状屏障下入井孔中时发生过早的和不期望的膨胀。
从Swell Packer、SWELLPACKER或类似的ZONESEAL已知环状屏障的过早膨胀，其中，在将环状屏障下入井孔中期间，可能导致金属井管结构在布置到预期位置之前被卡住。在其他已知的屏障中，避免使用这种剪切盘，因为在高压井中存在这样的大的风险，即可膨胀金属套筒将被径向向内推动到塌缩位置，在该塌缩位置中，可膨胀金属套筒的用于坐放环状屏障而进行的后续的预期膨胀会因以下原因而无法完成：由于可膨胀金属套筒的塌缩导致用于使可膨胀金属套筒膨胀所需的压力大大增加到超出用于该完井作业所允许的压力，或者使套筒被弱化并且无法膨胀到所需要的那么多，从而导致套筒在膨胀期间破裂。
发明内容
本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种改进的环状屏障，其能在不过早膨胀的情况下在高压井中膨胀。
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，该环状屏障待在井中于金属井管结构与另一金属井管结构或井孔的壁部之间的环空中膨胀以在井孔的具有第一压力的第一区域与具有第二压力的第二区域之间提供区域隔离，该环状屏障包括：
-适于安装为所述金属井管结构的一部分的管状金属部件，所述管状金属部件具有外表面和内部；
-可膨胀金属套筒，其围绕所述管状金属部件并具有面向所述管状金属部件的套筒内表面和面向所述井孔的壁部的套筒外表面，可膨胀金属套筒的每个端部均与该管状金属部件连接；和
-在所述可膨胀金属套筒的套筒内表面与所述管状金属部件之间的环形空间，
其中，所述环状屏障还包括具有初始位置和最终位置的阀单元，所述阀单元包括：
-与所述内部流体连通的第一穿孔；
-与所述环形空间流体连通的第二穿孔；
-与所述环空流体连通的第三穿孔；
-单元膛孔，该单元膛孔具有膛孔延伸方向并且包括具有第一内径的第一膛孔部分和具有内径的第二膛孔部分，该第二膛孔部分的内径大于所述第一膛孔部分的第一内径，该第一穿孔布置在该第二膛孔部分中，并且该第二穿孔和该第三穿孔布置在该第一膛孔部分中并且沿所述膛孔延伸方向移位/错开，
-布置在该单元镗孔中的单元活塞，该单元活塞包括第一活塞部分，该第一活塞部分在初始位置布置在该第一镗孔部分中并且具有与所述第一膛孔部分的内径基本上对应的外径，并且该单元活塞包括第二活塞部分，该第二活塞部分在所述初始位置布置在所述第二镗孔部分中并且具有与所述第二膛孔部分的内径基本上对应的外径；和
-剪切销，该剪切销阻止所述单元活塞移动，直至在所述镗孔中达到预定压力并且允许所述单元活塞移动至所述最终位置，从而在所述第一穿孔与所述第二穿孔之间提供流体连通，和
其中，在所述初始位置，所述第二穿孔与所述第三穿孔流体连通，从而在将所述环状屏障下入井中时使所述环形空间与所述环空之间实现压力平衡。
此外，所述阀单元还可包括弹性件，该弹性件配置成待在所述剪切销断裂之后通过作用于所述第二活塞部分上的压力而被压缩，从而当释放所述压力时，被压缩的所述弹性件迫使所述单元活塞移动至该最终位置。
此外，可据此获得的是：压力需要被释放以使单元活塞移动至最终位置，并且因此为能剪切该剪切销而建立的高压力不是作为冲击压力直接转移至环状屏障的空间中。据此，确保以基本上连续增加的压力膨胀该环状屏障。
此外，该弹性件可布置在第三膛孔部分中，该第三膛孔部分具有比第二镗孔部分的内径更大的内径。
此外，所述单元活塞可具有布置在该第三镗孔部分中的第三活塞部分，该第三活塞部分具有比第二活塞部分更大的外径。
此外，所述第三活塞可对应于所述弹性件的外径。
此外，所述单元活塞可具有位于所述第一活塞部分、第二活塞部分之间的中间部分，该中间部分的外径小于所述活塞部分和所述第二活塞部分的外径。
此外，所述阀单元还可包括锁定元件，其适于在所述单元活塞处于关最终位置从而堵塞该第三穿孔时机械地锁定该单元活塞。
此外，所述锁定元件可构造成在所述单元活塞移动远离所述初始位置后至少部分地径向向外或径向向内移动以阻止所述活塞返回所述单元活塞的所述初始位置。
此外，所述锁定元件可布置在所述第二活塞部分与所述第三活塞部分之间。
此外，所述锁定元件可将所述活塞永久地锁定在关闭位置。
此外，所述单元活塞可具有位于所述第一活塞部分处的第一活塞端部处的第一活塞端面和位于所述第二活塞部分处的第二活塞端面，所述第二活塞端面的端面面积大于所述第一活塞端面的端面面积，以便使所述单元活塞朝向所述第一膛孔端部移动。
此外，所述井下环状屏障还可包括剪切销组件，该剪切销组件具有与阀单元的第二穿孔流体连通的第一开口、与所述环状屏障的环形空间流体连通的第二开口和与所述环空流体连通的第三开口，该剪切销组件具有第一位置和第二位置，在该第一位置，允许来自所述阀单元的所述第二穿孔的膨胀流体流入所述环形空间，在该第二位置，至所述第二穿孔的流体连接被阻断，从而阻止膨胀流体进入该空间。
此外，该剪切销组件可具有镗孔，该剪切销组件的镗孔具有镗孔延伸方向并且包括具有第一内径的第一镗孔部分和具有大于所述第一镗孔部分的内径的内径的第二镗孔部分。
此外，所述第一开口和所述第二开口可布置在所述第一镗孔部分中并且沿所述镗孔延伸方向移位/错开，所述剪切销组件还包括：布置在所述镗孔中的组件活塞，所述组件活塞包括第一活塞部分并且包括第二活塞部分，该第一活塞部分具有与所述第一膛孔部分的内径基本上对应的外径，该第二活塞部分具有与所述第二膛孔部分的内径基本上对应的外径；和断裂元件，所述断裂元件阻止所述组件活塞移动，直至在所述镗孔中达到预定压力。
此外，所述剪切销组件还可包括锁定元件，所述锁定元件适于在所述组件活塞处于关闭位置从而堵塞所述第一开口时机械地锁定所述组件活塞。
此外，所述锁定元件可构造成在所述组件活塞移动远离所述初始位置后至少部分地径向向外或径向向内移动，以阻止所述组件活塞返回至活塞的初始位置。
此外，所述锁定元件可将所述组件活塞永久地锁定在关闭位置。
此外，所述组件活塞可包括为通孔的流体通道，该流体通道在所述第一镗孔部分与所述第二镗孔部分之间提供流体连通。
此外，所述组件活塞可具有布置在所述管状金属部件的壁部中的或布置在将所述可膨胀金属套筒与所述管状金属部件连接的连接部件的壁部中的中心轴线。
此外，所述组件活塞可具有其中所述第一开口与所述第二开口流体连通的初始位置和其中所述第二开口与所述第三开口流体连通以便使所述环形空间与所述环空之间压力平衡的关闭位置。
此外，所述断裂元件可以是接合所述组件活塞的剪切销。
此外，所述断裂元件可以是剪切盘，该剪切盘布置在所述流体通道中或所述第一镗孔部分中，以阻止流过所述盘。
此外，所述组件活塞可具有在所述第一活塞部分处的第一活塞端部和在所述第二活塞部分处的第二活塞端部，所述第一活塞端部具有第一活塞端面，所述第二活塞端部具有第二活塞端面，所述第二活塞端面具有端面面积，该第二活塞端面的端面面积大于所述第一活塞端面的端面面积，以便使所述组件活塞朝向所述第一镗孔部分移动。
此外，所述第一活塞部分可在活塞的初始位置部分地延伸到所述第二镗孔部分中，并且在所述活塞与所述镗孔的内壁之间形成环状空间。
此外，该井下环状屏障还可包括抗塌缩单元，该抗塌缩单元包括能在第一单元位置与第二单元位置之间移动的元件，该抗塌缩单元具有与所述第一区域流体连通的第一入口和与所述第二区域流体连通的第二入口，并且所述抗塌缩单元具有出口，当所述组件活塞处于关闭位置从而阻塞所述第一开口时，该出口经由所述剪切销组件与所述环形空间流体连通。
此外，在所述第一单元位置，所述第一入口可与所述出口流体连通，以便使所述第一区域的第一压力与所述环形空间平衡，在所述第二单元位置，所述第二入口与所述出口流体连通，以便使所述第二区域的第二压力与所述空间压力平衡。
最后，本发明涉及一种井下系统，其包括金属井管结构和环状屏障，其中，环状屏障的管状金属部件安装为所述金属井管结构的一部分。
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示出了了环状屏障的剖视图，该环状屏障安装为金属井管结构的一部分并且具有阀单元，该阀单元用于在将环状屏障和金属井管结构下入井孔中时阻止可膨胀金属套筒过早塌缩；
图2A示出了处于其初始位置的阀单元的剖视图；
图2B示出了处于其最终位置的图2A的阀单元的剖视图；
图3示出了与剪切销组件流体连通的阀单元的剖视图；
图4示出了环状屏障的具有阀单元、剪切销组件和抗塌缩单元的部分的透视图；
图5A和5B示出了另一环状屏障的具有剪切销组件的部分的剖视图，在图5A中，该剪切线组件被示出处于第一位置，并且在图5B中，该剪切线组件被示出处于其关闭的第二位置；
图6示出了抗塌缩单元的剖视图；和
图7示出了具有多个环状屏障的井下系统的剖视图。
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示出了环状屏障1，该环状屏障待在井中于金属井管结构3与另一金属井管结构3a(在图7中示出为套管部分)或井孔6的壁部5之间的环空2中膨胀以在位于已膨胀的环状屏障1的一侧上的、具有第一压力P1的第一区域101与位于已膨胀的环状屏障的另一侧上的、具有第二压力P2的第二区域102之间提供区域隔离。环状屏障1的已膨胀状态由虚线指示。该环状屏障包括例如通过螺纹连接而安装为金属井管结构3的一部分的管状金属部件7。管状金属部件7具有外表面4和内部14。该环状屏障还包括可膨胀金属套筒8，该可膨胀金属套筒围绕管状金属部件7从而在可膨胀金属套筒的套筒内表面与该管状金属部件之间形成环形空间15。可膨胀金属套筒8具有面向管状金属部件7的套筒内表面9和面向井孔6的壁部5的套筒外表面10。可膨胀金属套筒8的每个端部12均例如通过如所示出的焊接或通过连接部件45B(如在图5A中所示)与管状金属部件7连接。环状屏障1还包括具有图2A中示出的初始位置和图2B中示出的最终位置的阀单元40。在初始位置，阀单元40在环空与环形空间15之间提供流体连通，从而在将环状屏障插入井孔中期间，在被浸入井孔6中时，环形空间与不断增大的压力平衡。在该初始位置，与所述内部的流体连通被阻止，从而避免了不期望的过早的膨胀。在该阀单元的最终位置，与环空的流体连通被阻断并且允许环状屏障1与管状金属部件/金属井管结构3的内部之间流体连通，从而可通过对管状金属部件/金属井管结构3的内部加压而开始期望的膨胀。
图2A的阀单元40包括与所述内部流体连通的第一穿孔41、与所述环形空间流体连通的第二穿孔42、和与所述环空流体连通的第三穿孔43。该阀单元还包括单元膛孔44，该单元膛孔具有膛孔延伸方向并且包括具有第一内径ID1的第一膛孔部分45和具有第二内径ID2的第二膛孔部分46，该第二膛孔部分的内径大于所述第一膛孔部分的内径。第一穿孔41布置在第二膛孔部分46中，并且该第二穿孔42和该第三穿孔43布置在该第一膛孔部分45中并且沿所述膛孔延伸方向与第一穿孔41移位/错位。该阀单元还包括布置在该单元镗孔44中的单元活塞47。该单元活塞47包括第一活塞部分48，该第一活塞部分在初始位置布置在该第一镗孔部分45中并且具有与所述第一膛孔部分的内径基本上对应的外径OD1。单元活塞47还包括第二活塞部分49，该第二活塞部分在所述初始位置布置在所述第二镗孔部分46中并且具有与所述第二膛孔部分46的内径基本上对应的外径OD2。阀单元40还包括剪切销50，该剪切销阻止所述单元活塞47移动，直至在所述单元镗孔44中达到预定压力，并且允许单元活塞47移动至所述最终位置，从而在所述第一穿孔41与所述第二穿孔42之间提供流体连通，并且因此在管状金属部件/金属井管结构3的内部与环状屏障之间提供流体连通。在所述初始位置，第二穿孔42与第三穿孔43流体连通，从而在将环状屏障下入井中时在环形空间与环空之间实现压力平衡。
在图2A中，阀单元40还包括弹性件/弹簧51，该弹性件配置成待在剪切销50断裂之后通过作用于第二活塞部分49上的高压力而被压缩，从而当释放该压力时，被压缩的弹性件51迫使单元活塞47移动至该最终位置。因此，为了将阀单元40从初始位置移动至最终位置，需要在高压力之后实现预期的压力降低。据此，在将环状屏障下入井孔中时，该阀单元的位置不会改变至最终位置。
此外，据此获得的是：压力需要被释放以使单元活塞移动至最终位置，并且因此为能剪切该剪切销而建立的高压力不是作为冲击压力直接转移至环状屏障的环形空间中。据此，确保以基本上连续增加的、受控的压力膨胀该环状屏障。
单元活塞47具有在位于第一活塞部分48处的第一活塞端部63处的第一活塞端面65和位于第二活塞部分49处的第二活塞端面66，该第二活塞端面的端面面积大于第一活塞端面的端面面积，从而使该单元活塞朝向第一膛孔端部67移动。因此，当管状金属部件的内部被加压时，流体进入第一穿孔41并且作用在第一活塞端面65与第二活塞端面66两者上，并且由于第二活塞端面66大于第一活塞端面65，当压力足够高时该压力便能因第一和第二活塞端面之间的面积差而使剪切销断裂。随后，弹性件51朝向第一膛孔端部67移动该单元活塞47。
布置在该第三膛孔部分53中的弹性件具有比第二膛孔部分的内径更大的内径。单元活塞47具有布置在该第三膛孔部分53中的第三活塞部分61，该第三活塞部分具有比第二活塞部分更大的外径。第三活塞部分61对应于弹性件51的外径，并且通过具有直径较大的第三膛孔，弹性件可如所需要的那样强而有力/蓄能。单元活塞47具有位于第一活塞部分48与第二活塞部分49之间的中间部分62，并且，该中间部分的外径小于该活塞部分和第二活塞部分两者的外径。来自该膛孔的流体于是更容易接近其将作用在其上的活塞端面，以便使剪切销断裂。
在图2A和图2B中，阀单元40还包括锁定元件52，该锁定元件适于在单元活塞处于最终位置从而阻塞第三穿孔43时机械地锁定单元活塞47。锁定元件52构造成在单元活塞47移动远离初始位置后从图2A中的位置并且如图2B所示地至少部分地径向向内地移动，以便阻止单元活塞返回单元活塞的初始位置。因此，锁定元件52将活塞永久地锁定在关闭位置，从而在环状屏障膨胀后，金属井管结构即使是在环状屏障应在后续中破裂或断裂的情况下也会被锁定并且密封。该锁定元件布置在第二活塞部分与第三活塞部分之间。
当使用机械锁如锁定元件52来阻止单元活塞朝返回的方向移动时，无需止回阀来阻止单元活塞在环状屏障内部的压力增大时返回。以这种方式，污垢阻止止回阀关闭的风险和屏障的环形空间中压力增大迫使活塞返回并且再次提供自金属井管结构内部的流体连通的风险被消除。在使用止回阀的已知方案中，可膨胀金属套筒具有在利用较冷的流体如海水压裂地层时发生破裂或断裂的潜在风险。通过永久阻断环形空间与金属井管结构内部之间的流体连通，可膨胀金属套筒将不会经受这样的在温度和压力方面的大变化，这将显著降低断裂的风险。
围绕第一活塞部分和第二活塞部分在凹槽中布置有密封元件64，以抵靠镗孔的内表面密封。据此，第一端面65和第二端面66之间的容积被密封。
在图3中，弹性件51布置在第三膛孔部分中，该第三膛孔部分布置在螺纹安装在第二镗孔部分49上的第二部件中。据此，如果在高压井中需要，该弹性件可被制造出额外的长度。环状屏障还包括剪切销组件77，该剪切销组件77具有第一开口16，该第一开口与阀单元40的第二穿孔42流体连通，从而当单元活塞47的位置已从初始位置变为最终位置时，该第一开口16与管状金属部件的内部流体连通。剪切销组件77还包括与环状屏障的环形空间流体连通的第二开口17和与环空流体连通的第三开口37。组件活塞21具有第一位置和第二位置，在该第一位置，第一开口16与第二开口17流体连通，在该第二位置，第二开口17与第三开口37流体连通，以便使环形空间与环空之间压力平衡。在第一位置，允许来自阀单元40的第二穿孔42的膨胀流体经由第一开口16进入环形空间，并且在第二位置，至第二穿孔42的流体连接被阻断，从而阻止膨胀流体在膨胀之后进入该空间。环状屏障据此在膨胀之后与金属井管结构永久隔离，从而环状屏障的之后的故障不会妨碍/干扰到金属井管结构的内部和因此流入该内部的生产流体。剪切销组件77具有镗孔18，该镗孔18具有镗孔延伸方向并且包括第一镗孔部分19和第二镗孔部分20。该第一镗孔部分19具有第一内径ID1s，该第二膛孔部分20具有内径ID2s，该第二膛孔部分20的内径大于所述第一膛孔部分的内径。第一开口16和第二开口17布置在第一镗孔部分19中并且沿镗孔延伸方向错位/移位。该剪切销组件77还包括布置在该镗孔18中的组件活塞21。该组件活塞包括第一活塞部分22并且还包括第二活塞部分23，该第一活塞部分具有与所述第一膛孔部分的内径基本上对应的外径ODP1，该第二活塞部分具有与所述第二膛孔部分的内径基本上对应的外径ODP2。剪切销组件还包括断裂元件24，该断裂元件阻止所述组件活塞21移动，直至在所述镗孔中达到预定压力，因为之后断裂元件断裂并且不能再阻止组件活塞移动。
通过使环状屏障具有阀单元和剪切销组件两者，获得了能在不发生过早膨胀的情况下在高压井中膨胀的、改进的环状屏障，而不存在导致可膨胀金属套筒发生塌缩的风险。由于在将金属井管结构下入井孔中时，该阀单元具有其中环形空间中的压力与环空平衡的初始位置，该可膨胀金属套筒再不存在塌缩的风险。
如能从图3看到的，剪切销组件77还包括锁定元件38，该锁定元件适于在组件活塞处于关闭位置从而堵塞该第一开口16时机械地锁定该组件活塞21。锁定元件构造成在组件活塞移动远离图5A所示的初始位置后至少部分地径向向内地移动，以便阻止组件活塞返回活塞的初始位置，如图5B所示。因此，锁定元件38将组件活塞永久地锁定在关闭位置。组件活塞具有在第一活塞部分处的具有第一活塞端面29的第一活塞端部和在第二活塞部分处的具有第二活塞端面30的第二活塞端部。第二活塞端面具有端面面积，该端面面积大于第一活塞端面的端面面积。组件活塞21包括为通孔的流体通道25，该流体通道在第一和第二镗孔部分之间提供流体连通，从而流体压力可作用在第二活塞部分23的较大的第二活塞端面面积上并且使组件活塞移动至关闭位置。组件活塞21具有布置在管状金属部件的壁部中的或布置在将可膨胀金属套筒与管状金属部件连接的连接部件45B的壁部中的中心轴线，如图5A和5B所示。在图5A中，该断裂元件是接合组件活塞的剪切销。在另一实施例中，该断裂元件可以是剪切盘，该剪切盘布置在流体通道中或第一镗孔部分中，以用于阻止流通通过该盘。在活塞的第一位置，第一活塞部分部分地延伸到第二镗孔部分中并且在活塞与镗孔的内壁之间形成环状空间，从而提供第二开口与第三开口之间的流体连通。
在图4中，井下环状屏障还包括抗塌缩单元111，该抗塌缩单元包括元件201(在图6中示出)，该元件201能在第一单元位置(移动至图6中的端部36A)与第二单元位置(移动至图6中的端部36B)之间移动，从而压缩顺应性材料35(在图6中示出)。该抗塌缩单元具有第一入口25B和第二入口26B，该第一入口与第一区域101(在图7中示出)流体连通，该第二入口与第二区域102(在图7中示出)流体连通。抗塌缩单元具有出口27，当组件活塞处于关闭的第二位置从而阻塞第一开口时，该出口经由剪切销组件与环形空间流体连通。在该第一单元位置，该第一入口25B与该出口27流体连通，从而使第一区域101的第一压力与环形空间平衡，在该第二单元位置，该第二入口26B与该出口流体连通，用于使第二区域的第二压力与空间压力平衡。
如在图4中所示，剪切销组件77具有端口A，该端口A在该单元活塞的位置已从初始位置改变为最终位置之后经由阀单元40接收来自金属井管结构3的内部的流体。该阀单元可经由筛件44B流体连接至该内部。在膨胀期间，该端口A与该端口D流体连接(在剪切销组件的第一位置)，从而使金属井管结构3内的膨胀流体膨胀可膨胀金属套筒8。当可膨胀金属套筒8膨胀以紧贴金属井管结构的壁部时，建立压力并且剪切销组件内的剪切销或盘剪切，从而关闭端口A与开口28(在图5B中示出)的流体连接并且打开端口B(与出口27流体连通)与端口C(与空间15流体连通)之间的流体连接，从而可使来自第二入口26B的流体经由剪切销组件和端口D进入空间15。当第一区域中的第一压力增大，来自与端口I(为第一入口25B)连接的端口E的流体挤压元件201(在图6中示出)以使其移动，从而在端口I与端口H(为出口27)之间提供流体连通，并且因此进一步经由端口B和C并经由端口D进入空间15中。当第二区域中的第二压力增大时，在相反的方向上迫压该元件，并且提供端口G(经由端口F与第二区域流体连通)与端口H之间的流体连通，即抗塌缩单元111的第二入口26B与出口27之间流体连通，并且因此，使流体经由端口B、C和D进入环形空间中。
在图5A中，剪切销50是完好无损的并且延伸贯穿活塞和呈插入件43形式的锁定元件38，并且在图5B中，该剪切销被剪切，并且允许该活塞移动，并且插入件43已经朝向膛孔18的中心移动。取决于提供井下隔离所需的隔离方案，断裂元件24基于膨胀压力选择以在高于膨胀压力但低于使可膨胀金属套筒断裂或危及井下其它完井构件的功能的压力的压力下断开。膛孔18和活塞21可布置在将可膨胀金属套筒8的第一端部连接至管状金属部件7的连接部件45B中。
图7是井下系统100的剖视图，该井下系统包括金属井管结构3和多个环状屏障1，这些环状屏障已经在位于金属井管结构3与井孔6的内表面之间的环空2中膨胀。每个环状屏障1均在井孔的第一区域101与第二区域102之间提供区域隔离。环状屏障1具有纵向延伸方向，该纵向延伸方向与套管/金属井管结构3的纵向延伸方向一致/重合。环状屏障1包括管状金属部件7，该管状金属部件可以是单独的管状金属部件或者可以是用于安装为金属井管结构3的一部分的套管部分。此外，环状屏障1包括可膨胀金属套筒8，该可膨胀金属套筒围绕该管状金属部件并且该可膨胀金属套筒8的每个端部均可借助连接部件而与管状金属部件连接。可膨胀金属套筒8和管状金属部件7围出环状屏障空间15，并且如图1所示，在管状金属部件上设置有膨胀开口28B，流体可通过该膨胀开口而至少经由阀单元40进入空间15中，以便使可膨胀金属套筒8膨胀。
如图1所示，可膨胀金属套筒8包括紧贴井孔6的内表面的凸起133和位于外表面10上的密封元件116，从而阻止流体从第一区域101自由流动至第二区域102，如图7所示。密封元件116可包括开口环形保持元件117，该开口环形保持元件具有多个绕圈118，从而在膨胀期间由于其的退绕而为密封元件116提供支持/止挡/支撑/靠背(back-up)。
如图7所示，往往用两个环状屏障1来隔离生产区域400。也称为压裂端口或入流阀/生产阀的压裂阀或入流阀区段120布置在两个环状屏障1之间，从而当环状屏障1已经膨胀时，压裂端口或阀120打开并使流体进入地层中，以便在地层中形成裂缝，从而使含烃流体如油容易地进入金属井管结构3中。压裂阀或入流区段120还可包括入口区段，该入口区段可以与压裂端口相同。可布置筛件，以便在流体进入套管之前过滤流体。
该可膨胀金属套筒还可被压接/压合在管状金属部件上，或者，如果该环状屏障包括套筒，则在其端部处压合/压接在该套筒上。该套筒是柔性的并且由金属或聚合物如弹性体制成。
该可膨胀金属套筒可由一个管状金属坯件制成，其中，该坯件可通过离心浇铸或旋转浇注制得。此外，在可膨胀金属套筒的外表面上的、用于接纳密封元件的凹槽可通过加工该坯件而提供。
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。
套管或金属井管结构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。
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 (14)
1.一种井下环状屏障(1)，其待在井中于金属井管结构(3)与另一金属井管结构(3a)或井孔(6)的壁部(5)之间的环空(2)中膨胀以在所述井孔的具有第一压力(P1)的第一区域(101)与具有第二压力(P2)的第二区域(102)之间提供区域隔离，该环状屏障包括：
-适于安装为所述金属井管结构的一部分的管状金属部件(7)，所述管状金属部件具有外表面(4)和内部(14)；
-可膨胀金属套筒(8)，其围绕所述管状金属部件并具有面向所述管状金属部件的套筒内表面(9)和面向所述井孔的壁部的套筒外表面(10)，所述可膨胀金属套筒的每个端部(12)均与该管状金属部件连接；和
-在所述可膨胀金属套筒的套筒内表面与所述管状金属部件之间的环形空间(15)，
其中，所述环状屏障还包括具有初始位置和最终位置的阀单元(40)，所述阀单元包括：
-与所述内部流体连通的第一穿孔(41)；
-与所述环形空间流体连通的第二穿孔(42)；
-与所述环空流体连通的第三穿孔(43)；
-单元膛孔(44)，该单元膛孔具有膛孔延伸方向并且包括具有第一内径(ID1)的第一膛孔部分(45)和具有内径(ID2)的第二膛孔部分(46)，该第二膛孔部分的内径大于所述第一膛孔部分的第一内径，该第一穿孔布置在该第二膛孔部分中，并且该第二穿孔和该第三穿孔布置在该第一膛孔部分中并且沿所述膛孔延伸方向错开，
-布置在该单元镗孔中的单元活塞(47)，该单元活塞包括第一活塞部分(48)，该第一活塞部分在初始位置布置在该第一镗孔部分中并且具有与所述第一膛孔部分的内径基本上对应的外径(OD1)，并且该单元活塞包括第二活塞部分(49)，该第二活塞部分在所述初始位置布置在所述第二镗孔部分中并且具有与所述第二膛孔部分的内径基本上对应的外径(OD2)；和
-剪切销(50)，该剪切销阻止所述单元活塞移动，直至在所述镗孔中达到预定压力，并且允许所述单元活塞移动至所述最终位置，从而在所述第一穿孔(41)与所述第二穿孔(42)之间提供流体连通，并且
其中，在所述初始位置，所述第二穿孔与所述第三穿孔(43)流体连通，从而在将所述环状屏障下入井中时使所述环形空间与所述环空之间实现压力平衡。
2.根据权利要求1所述的井下环状屏障(1)，其中，所述阀单元还包括弹性件(51)，该弹性件配置成待在所述剪切销断裂之后通过作用于所述第二活塞部分上的压力而被压缩。
3.根据权利要求2所述的井下环状屏障，其中，所述弹性件布置在第三膛孔部分(53)中，该第三膛孔部分具有比所述第二镗孔部分的内径更大的内径。
4.根据权利要求3所述的井下环状屏障，其中，所述单元活塞具有布置在该第三镗孔部分中的第三活塞部分(62)，与所述第二活塞部分相比，所述第三活塞部分具有更大的外径。
5.根据权利要求1或2所述的井下环状屏障，其中，所述阀单元还包括锁定元件(52)，所述锁定元件适于在所述单元活塞处于最终位置而堵塞所述第三穿孔时机械地锁定所述单元活塞。
6.根据权利要求5所述的井下环状屏障，其中，所述锁定元件构造成在所述单元活塞移动远离所述初始位置后至少部分地径向向外或径向向内移动，以阻止活塞返回所述单元活塞的初始位置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的井下环状屏障，还包括剪切销组件(77)，该剪切销组件具有与所述阀单元的所述第二穿孔流体连通的第一开口(16)、与所述环状屏障的环形空间流体连通的第二开口(17)和与所述环空流体连通的第三开口(37)，该剪切销组件具有第一位置和第二位置，在该第一位置，允许来自所述阀单元的所述第二穿孔的膨胀流体流入所述环形空间，在该第二位置，通至所述第二穿孔的流体连接被阻断，这阻止膨胀流体进入所述空间。
8.根据权利要求7所述的井下环状屏障，其中，该剪切销组件具有镗孔(18)，该剪切销组件的镗孔具有镗孔延伸方向并且包括具有第一内径(ID1S)的第一镗孔部分(19)和具有内径(ID2S)的第二镗孔部分(20)，所述第二镗孔部分的内径大于所述第一镗孔部分的第一内径，
其中，所述第一开口和所述第二开口布置在所述第一镗孔部分中并且沿所述镗孔延伸方向错开，所述剪切销组件还包括：
-布置在所述镗孔中的组件活塞(21)，所述组件活塞包括第一活塞部分(22)并且包括第二活塞部分(23)，所述组件活塞的第一活塞部分具有与所述第一膛孔部分的内径基本上对应的外径(ODP1)，所述组件活塞的第二活塞部分具有与所述第二膛孔部分的内径基本上对应的外径(ODP2)；和
-断裂元件(24)，所述断裂元件阻止所述组件活塞移动，直至在所述镗孔中达到预定压力。
9.根据权利要求7或8所述的井下环状屏障，其中，所述剪切销组件还包括锁定元件(38)，所述锁定元件适于在所述组件活塞处于关闭位置从而堵塞所述第一开口时机械地锁定所述组件活塞。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的井下环状屏障，其中，所述组件活塞包括设计为通孔的流体通道(25)，该流体通道在所述第一镗孔部分与所述第二镗孔部分之间提供流体连通。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的井下环状屏障，其中，所述组件活塞具有其中所述第一开口与所述第二开口流体连通的初始位置和其中所述第二开口与所述第三开口流体连通以便使所述环形空间与所述环空之间压力平衡的关闭位置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的井下环状屏障，还包括抗塌缩单元(111)，该抗塌缩单元包括能在第一单元位置与第二单元位置之间移动的元件(201)，该抗塌缩单元具有与所述第一区域流体连通的第一入口(25B)和与所述第二区域流体连通的第二入口(26B)，并且所述抗塌缩单元具有出口(27)，当所述组件活塞处于关闭位置从而阻塞所述第一开口时，该出口经由所述剪切销组件与所述环形空间流体连通。
13.根据权利要求12所述的井下环状屏障，其中，在所述第一单元位置，所述第一入口与所述出口流体连通，以便使所述第一区域(101)的第一压力与所述环形空间平衡，在所述第二单元位置，所述第二入口与所述出口流体连通，以便使所述第二区域的第二压力与所述空间压力平衡。
14.一种井下系统(100)，其包括金属井管结构(3)和根据权利要求1-13中任一项所述的环状屏障(1)，其中，所述环状屏障的管状金属部件安装为所述金属井管结构的一部分。
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