CN113891981A - 具有咬合连接结构的环状屏障 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环状屏障，其用于在井下于环空中提供区域隔离，环空位于金属井管结构与另一金属井管结构或与井孔的壁部之间，环状屏障包括具有部件外表面的构造成能安装为金属井管结构的一部分的管状金属部件、围绕管状金属部件从而在其间提供可膨胀空间的可膨胀金属套筒，可膨胀金属套筒构造成能在井下从第一外径膨胀至第二外径，以便紧贴金属井管结构或井孔的壁部，可膨胀金属套筒具有第一端部、第二端部、外表面和纵向延伸方向，其中可膨胀金属套筒的第一端部具有机械连接结构，并且其中可膨胀金属套筒的第一端部借助于咬合连接结构连接至管状金属部件，咬合连接结构包括：切割环，切割环包括具有斜面的外环面和具有第一切割边缘的内环面，第一切割边缘构造成切入部件外表面；和连接环，连接环具有机械连接结构，当斜面沿可膨胀金属套筒的锥形面滑动时，该机械连接结构接合可膨胀金属套筒的机械连接结构，用于将第一切割边缘挤压入部件外表面中，从而将可膨胀金属套筒紧固至管状金属部件。本发明还涉及井下系统，其包括至少一个环状屏障和管状金属部件形成为其一部分的金属井管结构。

Description

具有咬合连接结构的环状屏障

技术领域

本发明涉及一种环状屏障，该环状屏障用于在井下于环空中提供区域隔离，该环空位于金属井管结构与另一金属井管结构或与井孔的壁部之间。本发明还涉及一种井下系统，该井下系统包括金属井管结构和至少一个环状屏障，管状金属部件形成为该金属井管结构的一部分。

背景技术

环状屏障安装为套管井的一部分，目的是将生产区域与生产过量水的区域隔离开。这些屏障中的一些屏障具有可膨胀金属套筒，该可膨胀金属套筒借助于焊接或压接而紧固至金属井管结构。然而，有时，这样的紧固是不成功的，例如在井孔直径明显变化的井如冲蚀地段中，其中可膨胀金属套筒可能必须膨胀到比这样的连接能够耐受而不会危及密封能力的程度更大的程度。

此外，借助于焊接或压接紧固该可膨胀金属套筒是费时的、费力的、并且是极难原位地/就地执行的。

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，该环状屏障更容易安装至金属井管结构和/或能够耐受高度膨胀而不会危及密封能力，尤其是在可膨胀金属套筒连接至金属井管结构的位置处。

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下于环空中提供区域隔离，该环空位于金属井管结构与另一金属井管结构或与井孔的壁部之间，该环状屏障包括：

-管状金属部件，该管状金属部件具有部件外表面并且构造成能安装为该金属井管结构的一部分；

-可膨胀金属套筒，该可膨胀金属套筒围绕该管状金属部件，从而在该管状金属部件与该可膨胀金属套筒之间提供可膨胀空间；该可膨胀金属套筒构造成能在井下从第一外径膨胀至第二外径，以便紧贴该金属井管结构或该井孔的壁部，该可膨胀金属套筒具有第一端部、第二端部、外表面和纵向延伸方向，其中所述可膨胀金属套筒的第一端部具有机械连接结构的第一部分；和

其中所述可膨胀金属套筒的第一端部借助于咬合连接结构连接至所述管状金属部件，该咬合连接结构包括：

-切割环，该切割环包括具有斜面的外环面和具有第一切割边缘的内环面，该第一切割边缘构造成切入该部件外表面；和

-连接环，该连接环具有机械连接结构的第二部分，当该斜面沿该可膨胀金属套筒的锥形面滑动时，该机械连接结构的第二部分接合该可膨胀金属套筒的机械连接结构的第一部分，用于将该第一切割边缘挤压入该部件外表面中，从而将该可膨胀金属套筒紧固至该管状金属部件。

此外，该可膨胀金属套筒的该机械连接结构的第一部分可以是螺纹，并且该连接环的机械连接结构的第二部分可以是与该可膨胀金属套筒的螺纹接合的螺纹。

此外，该可膨胀金属套筒的螺纹可以是内螺纹，并且该连接环的螺纹可以是外螺纹，或者该可膨胀金属套筒的螺纹可以是外螺纹并且该连接环的螺纹可以是内螺纹。

此外，该切割环可包括构造成切割入该部件外表面中的第二切割边缘。

此外，该可膨胀金属套筒的机械连接结构的第一部分可以是凹部，并且该连接环的机械连接结构的第二部分可以是可突伸元件，该可突伸元件与该可膨胀金属套筒的凹部接合从而形成该机械连接结构。

此外，该切割环可具有抵接该连接环的第二锥形面的第二斜面。

此外，该切割环的斜面可面向该内螺纹。

此外，该咬合连接结构还可包括布置在该切割环与该可膨胀金属套筒或该连接环之间的箍圈。

此外，该切割环的斜面沿其滑动的该锥形面可布置在该箍圈上，而不是布置在该可膨胀金属套筒上。

此外，该咬合连接结构还可包括用于在该可膨胀金属套筒与该管状金属部件之间进行密封的至少一个密封元件。

此外，该连接环可具有抵接该切割环的第一端部和具有接合元件的第二端部，该接合元件用于与安装工具接合，以便旋转该连接环以使其轴向地移动从而将该切割环迫压成与该管状金属部件接合。

此外，该接合元件可以是螺母型端部。

此外，该可膨胀金属套筒可以是焊接或成型/铸造在一起的多个套筒部分。

此外，该可膨胀金属套筒的机械连接结构的第一部分可布置在距该部件外表面的一距离处，从而形成环形空腔，所述切割环和部分的所述连接环布置在该环形空腔中。

此外，该连接环的机械连接结构的第二部分可布置在距该部件外表面的一距离处，从而形成环形空腔，所述切割环和部分的所述连接环布置在该环形空腔中。

此外，该连接环的螺纹可布置在距该部件外表面的一距离处，从而形成环形空腔，所述切割环和部分的所述可膨胀金属套筒布置在该环形空腔中。

此外，该可膨胀金属套筒的每个端部均可借助于该咬合连接结构连接至该管状金属部件。

此外，该切割环可具有面向该连接环的第一端部部分和面向该可膨胀金属套筒的第二端部部分，该第二端部部分具有相对于该第一端部部分减小的厚度。

此外，该连接环和该切割环可由金属制成。

此外，该箍圈可局部地覆盖有密封材料如弹性体。

此外，该管状金属部件可具有膨胀开口，该膨胀开口允许流体进入该空间中，以用于使该可膨胀金属套筒膨胀。

此外，该环状屏障还可包括阀组，该阀组与该膨胀开口流体连通，用于允许流体流入该空间中。

最后，本发明涉及一种井下系统，其包括金属井管结构和至少一个环状屏障，管状金属部件形成为该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示出了在可膨胀金属套筒的一个端部中具有咬合连接结构的环状屏障的剖视图；

图2示出了环状屏障的咬合连接结构的局部放大的剖视图；

图3A示出了处于其未连接位置的另一咬合连接结构的局部放大的剖视图；

图3B示出了处于其已连接位置的图3A的咬合连接结构的局部放大的剖视图，在该位置，可膨胀金属套筒被紧固至该金属井管结构；

图4A示出了具有箍圈的另一咬合连接结构的局部放大的剖视图；

图4B示出了处于其已连接位置的图4A的咬合连接结构的局部放大的剖视图；

图5示出了处于其已连接位置的再一咬合连接结构的局部放大的剖视图；

图6示出了处于其未连接位置的另一咬合连接结构的局部放大的剖视图；

图7A示出了处于其未连接位置的再另一个咬合连接结构的局部放大的剖视图；

图7B示出了处于其已连接位置的图7A的咬合连接结构的局部放大的剖视图。

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，省略和/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，该环状屏障用于在井下于环空2中提供区域隔离，该环空位于金属井管结构3和另一金属井管结构或与井孔4的壁部5之间。该环状屏障包括管状金属部件7，其安装为油井或气井中的完井系统的金属井管结构的一部分。管状金属部件7具有部件外表面6，该部件外表面形成至少部分地安装有套管的井的金属井管结构的外表面的一部分。该环状屏障包括可膨胀金属套筒8，其围绕管状金属部件，从而在该可膨胀金属套筒与该管状金属部件之间形成可膨胀空间9。该可膨胀金属套筒8构造成能在井下从第一外径D₁膨胀至第二外径D₂，以紧贴金属井管结构3或井孔的壁部，如图1所示。该可膨胀金属套筒8具有第一端部11、第二端部12、外表面10和纵向延伸方向L。如图2所示，该可膨胀金属套筒的第一端部具有机械连接结构54的第一部分54A，该第一部分为螺纹31。该可膨胀金属套筒的第一端部借助于咬合连接结构14连接至管状金属部件。该咬合连接结构14包括切割环12，该切割环包括具有斜面23的外环面22、具有第一切割边缘25的内环面24，该第一切割边缘构造成切割入该管状金属部件的部件外表面。咬合连接结构14还包括连接环26，该连接环具有机械连接结构54的为螺纹32的第二部分54B，该螺纹32接合可膨胀金属套筒的螺纹，从而当旋转该连接环时，该斜面23沿可膨胀金属套筒的锥形面27滑动，从而将第一切割边缘挤压入部件外表面中，以便将可膨胀金属套筒8紧固至管状金属部件7。

通过将切割环压迫到管状金属部件的部件外表面中，该可膨胀金属套筒以简单的方式被紧固至管状金属部件，这不会改变如在现有技术中与焊接或压接相关地看到的那些材料特性。此外，与焊接相比，紧固更容易再现。此外，与焊接相比，这样的咬合连接能用明显更低的成本来将可膨胀金属套筒安装至管状金属部件，因为这种方案比焊接耗时少。该咬合连接结构通过如下方式将可膨胀金属套筒紧固至管状金属部件：利用至可膨胀金属套筒的螺纹连接并且旋转连接环，使得咬合件即切割环21被迫压以挤入和/或切割到管状金属部件的部件外表面中。

所述咬合连接结构提供了将可膨胀金属套筒安装至管状金属部件的非常简单的方法，并且该连接可就地/原位地即在钻井架或钻井平台上执行。

切割环21的切割边缘被迫压到管状金属部件7中并且因此借助于连接环与可膨胀金属套筒之间的螺纹连接而在管状金属部件与可膨胀金属套筒之间提供金属至金属的密封。因此，无需密封元件，并且咬合连接结构提供了这样的环状屏障，即该环状屏障能耐受高温。此外，该咬合连接结构还可耐受比例如焊接连接更高的径向膨胀。

可膨胀金属套筒的螺纹可以是如图1-5所示的内螺纹或者如图6所示的外螺纹。在图1-5中，可膨胀金属套筒的螺纹是内螺纹，该内螺纹与连接环的为外螺纹的螺纹接合，从而提供机械连接结构54。

在图7A和7B中，可膨胀金属套筒8的机械连接结构54的第一部分是凹部55，并且连接环26的机械连接结构54的第二部分是可突伸元件56，该可突伸元件与可膨胀金属套筒的凹部55接合。在图7A中，咬合连接结构14处于其未启用状态，在该状态下，切割边缘25未与管状金属部件7接合，并且在图7B中，切割边缘25与管状金属部件的部件外表面6接合。连接环26沿环状屏障1的轴向延伸方向L(在图1中示出)被轴向地推动，从而轴向地推动切割环21，使得切割边缘25的斜面沿可膨胀金属套筒8的锥形面滑动直至可突伸元件56与凹部55相对，在此可突伸元件突伸从而相对于可膨胀金属套筒8紧固该连接环26。可膨胀金属套筒8具有端部部分57，该端部部分借助于接合螺纹58、59而紧固至可膨胀金属套筒8的其余部分。连接环可通过借助于液压手段或类似手段被推动而变得与可膨胀金属套筒接合。

因此，可膨胀金属套筒的机械连接结构54是可膨胀金属套筒与连接环26之间的机械连接结构的第一部分54A，并且连接环的机械连接结构54是机械连接结构54的第二部分54B。

在图2中，切割边缘21具有面向连接环26的第一端部部分51和面向可膨胀金属套筒的第二端部部分52。第二端部部分52具有相对于第一端部部分51减小的厚度。切割环21包括第一切割边缘，用于随着可膨胀金属套筒的锥形面27因连接环被旋转而径向向内挤压切割环21的第二端部部分52而切割入管状金属部件的部件外表面中。连接环26具有抵接切割环21的第一端部部分51的第一端部41和具有接合元件43的第二端部42，该接合元件43用于与安装工具接合，以便使连接环旋转，从而轴向地移动以将切割环的切割边缘25迫压成与管状金属部件接合。接合元件43是内孔，用于与安装工具(未示出)的凸形部接合。在图3A中，接合元件是第二端部的螺母型端部，从而安装工具可围绕该螺母型端部接合。

在图2中，该可膨胀金属套筒的第一端部具有比可膨胀金属套筒的中间部分61更大的厚度，该中间部分是位于该可膨胀金属套筒的第一端部与第二端部之间的部分。尽管未示出，但可膨胀金属套筒的每个端部均借助于咬合连接结构而被连接至管状金属部件。可膨胀金属套筒的第二端部因此以与第一端部相同的方式紧固，即借助于咬合连接结构14紧固。切割环21布置在环形空腔45中，该环形空腔形成在可膨胀金属套筒8的第一端部11与部件外表面6之间并且通过连接环26的第一端部41封闭。因此，可膨胀金属套筒的螺纹布置在距部件外表面一距离d处，从而形成切割环和部分的连接环布置其中的环形空腔45。然而，在另一方案中，可膨胀金属套筒的第一端部可借助于咬合连接结构紧固，而可膨胀金属套筒的第二端部可以另一种方式紧固或者可制成为滑动端部，即能相对于管状金属部件滑动。

在图3A和图3B中，切割环21包括构造成切入部件外表面中的第一切割边缘25和第二切割边缘28两者，并且切割环具有第二斜面29，该第二斜面抵靠连接环26的第二锥形面23。切割环21的斜面23面向可膨胀金属套筒8的内螺纹。在图3A中，咬合连接结构14尚未启用，并且可膨胀金属套筒8未被紧固至管状金属部件7。在图3B中，咬合连接结构14被启用，并且连接环21已被旋转至使切割边缘25、28接合在部件外表面中。当连接环旋转并移动时，第二锥形面33挤压在第二斜面29上，使得切割环21弯曲，从而形成弯曲部53，使得切割边缘25、28经历比没有弯曲部/曲率的情况更大的径向力，从而使切割边缘更容易切入到管状金属部件中。通过具有挤压在第二斜面29上的第二锥形面33，在切割环21中提供了弹簧力，从而增强了由咬合连接结构14提供的紧固。当可膨胀金属套筒8暴露于高径向膨胀时，该弹簧力将推动切割边缘并维持该切割边缘与管状金属部件的接合。弹簧力的固有力因此在膨胀期间被稍微释放，这是因为在拉动可膨胀金属套筒端部的膨胀的作用下允许空腔45中的空间变得更大。

在图4A和图4B中，咬合连接结构14还包括布置在切割环21与连接环26之间的箍圈34。在图4A中，该咬合连接结构14处于其未启用状态下，并且在图4B中，咬合连接结构14已经被启用并且将可膨胀金属套筒8紧固至管状金属部件7。连接环26已从图4A移动至图4B，并且箍圈34已经被压缩并且已经将切割边缘21移动为与管状金属部件的部件外表面6接合，因为该切割环已经被夹紧在可膨胀金属套筒与管状金属部件之间中，并且切割边缘25切入到部件外表面6中，如图4B中所示的那样。

在图5中，咬合连接结构14还包括布置在切割环21与可膨胀金属套筒8之间的箍圈34。为了在可膨胀金属套筒与管状金属部件之间提供更好的密封，该咬合连接结构还包括密封元件36，36B，用于在可膨胀金属套筒8与管状金属部件7之间进行密封。在图5中，咬合连接结构已经被启用，并且切割环21的切割边缘25接合着部件外表面6。在其中切割环21的切割边缘25被挤压入管状金属部件中的启用/激活期间，该切割环移动并从而使箍圈34移动，借此使得密封元件被挤压入管状金属部件与可膨胀金属套筒之间的空腔中，因此在管状金属部件与可膨胀金属套筒之间提供更好的密封。在图5中，箍圈局部地覆盖有密封材料如弹性体。该箍圈还在面向可膨胀金属套筒的面上被密封材料覆盖，该密封材料形成第二密封元件36B。

连接环26还可在可膨胀金属套筒的端部的外侧上移动，如图6中所示。可膨胀金属套筒的螺纹是外螺纹，并且连接环的螺纹是内螺纹，该内螺纹在连接环旋转时与该外螺纹接合。当旋转连接环时，斜面23沿可膨胀金属套筒8的锥形面滑动，从而将第一切割边缘25挤压入部件外表面6中，从而将可膨胀金属套筒8紧固至管状金属部件7。连接环26的螺纹布置在距离部件外表面6的一距离d处，从而形成环形空腔45，切割环21和一部分可膨胀金属套筒布置在该环形空腔中。

在图1中示出了井下系统100，其包括形成为金属井管结构3的一部分的环状屏障1。环状屏障的管状金属部件7具有膨胀开口46，该膨胀开口允许流体进入可膨胀空间9中，以使可膨胀金属套筒膨胀。连接环26和切割环21由金属制成。环状屏障还包括阀组47，该阀组与膨胀开口46流体连通，用于对流体向可膨胀空间中的流动进行控制。该阀组可构造成在膨胀发生之后阻止至该金属井管结构3的流体连通。该阀组还可构造成在第二位置使环空中的压力与可膨胀空间9中的压力平衡，以便在外侧压力使可膨胀空间中的压力增大时防止可膨胀金属套筒8的塌缩，该环空即为在已膨胀的环状屏障的一侧或两侧上的区域中的一个区域。

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。

在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器可具有带轮子的可突伸的臂部，其中，轮子接触套管的内表面，用于在套管内推进该牵引器和该工具前进。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如Well

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 (16)

1.一种环状屏障(1)，其用于在井下于环空(2)中提供区域隔离，该环空位于金属井管结构(3)与另一金属井管结构或与井孔(4)的壁部(5)之间，该环状屏障包括：

-管状金属部件(7)，该管状金属部件具有部件外表面(6)并且构造成能安装为该金属井管结构的一部分；

-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，从而在该管状金属部件与该可膨胀金属套筒之间形成可膨胀空间(9)，该可膨胀金属套筒构造成能在井下从第一外径(D₁)膨胀至第二外径(D₂)，以便紧贴该金属井管结构或该井孔的壁部，该可膨胀金属套筒(8)具有第一端部(11)、第二端部(12)、外表面(10)和纵向延伸方向(L)，

其中所述可膨胀金属套筒的第一端部具有机械连接结构(54)的第一部分(54A)，并且

其中所述可膨胀金属套筒的第一端部借助于咬合连接结构(14)连接至所述管状金属部件，该咬合连接结构包括：

-切割环(21)，该切割环包括具有斜面(23)的外环面(22)和具有第一切割边缘(25)的内环面(24)，该第一切割边缘构造成能切入该部件外表面中；和

-连接环(26)，该连接环具有机械连接结构(54)的第二部分(54B)，当该斜面沿该可膨胀金属套筒的锥形面(27)滑动时，该机械连接结构的第二部分接合该可膨胀金属套筒的机械连接结构的第一部分，用于将该第一切割边缘挤压入该部件外表面中，从而将该可膨胀金属套筒紧固至该管状金属部件。

2.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，该可膨胀金属套筒的机械连接结构的第一部分是螺纹(31)，并且该连接环的机械连接结构的第二部分是与该可膨胀金属套筒的螺纹接合从而形成该机械连接结构的螺纹(32)。

3.根据权利要求2所述的环状屏障，其中，该可膨胀金属套筒的螺纹是内螺纹，并且该连接环的螺纹是外螺纹，或者该可膨胀金属套筒的螺纹是外螺纹并且该连接环的螺纹是内螺纹。

4.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，该可膨胀金属套筒的机械连接结构的第一部分是凹部(55)，并且该连接环的机械连接结构的第二部分是与该可膨胀金属套筒的凹部接合的可突伸元件(56)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，该切割环具有抵接该连接环的第二锥形面(33)的第二斜面(29)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，该咬合连接结构还包括布置在该切割环与该可膨胀金属套筒或该连接环之间的箍圈(34)。

7.根据权利要求6所述的环状屏障，其中，该切割环(21)的斜面(23)沿其滑动的该锥形面(27)布置在该箍圈(34)上，而不是布置在该可膨胀金属套筒上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，该咬合连接结构还包括用于在该可膨胀金属套筒与该管状金属部件之间进行密封的至少一个密封元件(36)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，该连接环具有抵接该切割环的第一端部(41)和具有接合元件(43)的第二端部(42)，该接合元件用于与安装工具接合，以便旋转该连接环以使其轴向地移动从而将该切割环迫压成与该管状金属部件接合。

10.根据前述权利要求1-9中任一项所述的环状屏障，其中，该可膨胀金属套筒的机械连接结构的第一部分布置在距该部件外表面的一距离(d)处，从而形成环形空腔(45)，所述切割环和部分的所述连接环布置在该环形空腔中。

11.根据前述权利要求1-10中任一项所述的环状屏障，其中，该连接环的机械连接结构的第二部分布置在距该部件外表面的一距离(d)处，从而形成环形空腔(45)，所述切割环和部分的所述连接环布置在该环形空腔中。

12.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，该可膨胀金属套筒的每个端部均借助于该咬合连接结构连接至该管状金属部件。

13.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，该切割环具有面向该连接环的第一端部部分(51)和面向该可膨胀金属套筒的第二端部部分(52)，该第二端部部分具有相对于该第一端部部分减小的厚度。

14.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，该管状金属部件具有膨胀开口(46)，该膨胀开口允许流体进入空间中，以用于使该可膨胀金属套筒膨胀。

15.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，还包括阀组(47)，该阀组与该膨胀开口流体连通，用于允许流体流入空间中。

16.一种井下系统(100)，其包括金属井管结构和至少一个根据权利要求1-15中任一项所述的环状屏障，管状金属部件形成为该金属井管结构的一部分。

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