CN114901918A - 顶部堵塞器固定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于油/气井/井口的采油树的/与油/气井/井口相关联的顶部堵塞器(10)以及用于将顶部堵塞器(10)固定在采油树内的固定装置(50)。顶部堵塞器(10)的主体(12)包括实心体以在生产钻孔内形成屏障，实心体由此形成坚固、结实和可靠的屏障。顶部堵塞器(10)通过外部构件(30)向内的变形被保持在外部构件(30)内，由此将顶部堵塞器(10)夹持在生产孔内。固定装置包括夹持装置(50)，通过所述的夹持装置(50)产生向内的径向力，以便向内扭曲(偏转/压缩)外部构件(30)，从而夹持位于外部构件(30)内的部件。外部构件(30)存在弹性变形，使得一旦释放/移除夹持力，外部构件(30)将返回到释放位置。在优选实施例中，两个同心且相反排列的锥形表面被设置成相互轴向移动以产生向内定向的力。夹紧(挤压)固定力与实心体的结合提供了一种改进的顶部堵塞器装置，使得其易于操作且可靠。

Description

顶部堵塞器固定系统

技术领域

本发明涉及一种顶部堵塞器固定系统和一种将顶部堵塞器固定在孔内的方法。

背景技术

在石油和天然气生产中，顶部堵塞器可以用来密封地面和海底中水平采油树的生产孔。特别地，顶部堵塞器安装在海底采油树的钻孔中并形成屏障来抵抗储层压力。其中很重要的一点是，顶部堵塞器可以被取下以便进行井下作业。由于数量或移动部件以及操作方法的原因，传统的堵塞器可能会出现问题。

在石油和天然气开采中，采油树通常包括阀门、阀芯和配件组件，用于调节油井、气井和其他井中的管道/导管内的流量。采油树可以简单地称为树，并且可以更具体地定义为海底树或海面树。采油树和井口是相关联地但通常是独立的装置/设备/组件，采油树通常安装在井口顶部。

石油和天然气生产中使用的采油树主要有两种类型，垂直的和水平的。在垂直采油树上，阀门与井筒齐平，但在水平采油树上，阀门与井筒成90°。为了提供对环境的屏障，水平采油树需要在生产出口上方的井筒中设置顶部堵塞器。顶部堵塞器必须密封并承受来自生产流体的压力。

顶部堵塞器必须是可拆卸的，以允许可以在整个钻井过程中方便进行井下作业。传统的顶部堵塞器可能难以放置并且可能被卡住，需要用很大的力来解开和收回。例如，顶部堵塞器可能包括需要正确移动和发挥作用的闩锁或卡爪机构。因此，顶部堵塞器通常包括多个移动部件。这些机构包括单独的元件和组件，它们可以独立移动和操作，以放置顶部堵塞器。释放和收回顶部堵塞器的困难会导致井下作业延误，从而对生产成本产生很大的影响。

当这种顶部堵塞器卡住或遇到回收问题时，可能需要压力或钢丝震击方法来使顶部堵塞器发挥作用并帮助回收。

发明内容

本发明的一个目的是克服与现有技术相关的至少一个问题。

本发明的第一方面，提供了一种顶部堵塞器固定系统，包括用于将顶部堵塞器固定在孔的外部构件内的固定装置，其中所述的固定装置包括在第一配置和第二配置之间被激活的夹持装置，其主要特点是，在第一配置中，夹持构件处于未夹持配置并且使得顶部堵塞器能够在外部构件内轴向移动到与夹持装置的夹持构件对齐的轴向位置，在第二配置中，夹持装置在外部构件上施加足够的径向力以使外部构件向内扭曲以夹持顶部堵塞器并将其固定在孔内的轴向位置。

优选地，所述的顶部堵塞器包括单一部件。

优选地，所述的顶部堵塞器包括一体式部件。

优选地，在从松开位置改变到夹持位置时，所述的顶部堵塞器仅需要定位在所述的夹持位置，而不需要对位于所述的顶部堵塞器上的任何固定元件进行任何操作。

顶部堵塞器可以仅通过夹持装置固定在适当位置，顶部堵塞器可以仅通过位于外部构件外部的元件的启动和/或移动而固定在适当位置。

优选地，所述的顶部堵塞器包含外密封面。

优选地，顶部堵塞器和外部构件在第二配置中形成金属用于金属的密封。优选地，顶部堵塞器和外部构件在第二配置中形成全圆周金属用于金属的密封。

优选地，外密封面包括金属密封面。

优选地，外密封面包括弹性密封并且可以包括弹性密封件。

优选地，外密封面包括O形环密封件。

外密封面可以包括两个(或更多)可以轴向间隔开的弹性密封件。每个弹性密封可以包括弹性体密封件并且可以包括O形环密封件。

外密封面可以包括成型(轮廓的)密封面。成型密封面可以包括一系列轴向间隔开的脊和/或槽。成型密封面可以包括围绕外密封面延伸的一系列(完整的)(完整的)圆周圆形脊或肋(径向凸块)，并且其中相邻的圆形脊可以由中间槽或(完整的)圆周凹槽隔开。优选地，每个圆形脊提供外密封面并且更优选地提供围绕外密封面的向整个圆周延伸的光滑弯曲/弓形密封面。

外密封面可以包括圆形脊的第一(上)阵列和圆形脊的第二(下)阵列。圆形脊的第一阵列可以位于顶部堵塞器(的密封面)的上部并且可以位于密封构件(弹性密封件)上方。圆形脊的第二阵列可以位于顶部堵塞器(的密封面)的下部并且可以位于密封构件(弹性密封件)下方。

成型密封面可以包括第二系列轴向间隔开的脊和/或槽。成型密封面可以包括围绕外密封面延伸的一系列(完整的)圆周有角度的脊或肋(夹持齿)，并且其中相邻的有角度的脊可以由中间槽或(完整的)圆周凹槽分开。优选地，每个成角度的脊提供外夹持面，并且更优选地提供围绕外密封面的向整个圆周延伸的成角度的夹持面。

外密封面可包括第一(上)阵列的成角度的脊和第二(下)成角度的圆形脊。第一斜脊阵列可位于顶部堵塞器(的密封面)的上部并且可位于密封构件(弹性密封件)上方。第二组成角度的脊可以位于顶部堵塞器(的密封面)的下部并且可以位于密封构件(弹性密封件)(弹性密封件)下方。

优选地，外部构件包括索引肩部，所述的索引肩部被设置为在使用中与所述的顶部堵塞器上的分度面协作，以使所述的顶部堵塞器对准所述的夹持装置。

顶部堵塞器的分度面由下环面提供，所述的下环面设置在所述的顶部堵塞器的下部外边缘周围。

顶部堵塞器的分度面可以由上环形面提供，所述的上环形面可以设置在顶部堵塞器的上部外边缘周围。

顶部堵塞器可以包括锥形主体。

顶部堵塞器的外密封面可以是锥形的。顶部堵塞器的锥形外密封面可布置成与(外部构件的)孔的锥形部分相配合。

主体可以从上端到下端向下逐渐变细

顶部堵塞器可包括主体。优选地，主体在外部构件上形成屏障。优选地，主体包括实心体。优选地，实心体提供一个塞子，所述的塞子将所述的外部构件填充在密封区域内，并且其中所述的密封区域沿着所述的外部构件的轴向延伸。

顶部堵塞器可包括工具连接构件。工具连接构件可以位于顶部堵塞器的上表面，并且优选地位于顶部堵塞器的主体的上表面。

所述的工具连接构件包括远离所述的顶部堵塞器的主体的上表面向上延伸的凸耳。凸耳可以包括颈部部分和头部部分。颈部部分可以提供环形空间，送入工具的一部分可以延伸到所述的环形空间中并接合头部部分，以使顶部堵塞器能够在外部构件内轴向移动。

工具连接构件包括向内延伸到顶部堵塞器中部的凹槽，凹槽可以是接合槽，送入工具的一部分可以延伸到所述的接合槽中并且接合顶部堵塞器，以使顶部堵塞器能够在外部构件内轴向移动。

一旦连接，送入工具能够在顶部堵塞器松开后取回顶部堵塞器。

顶部堵塞器可以包括运行剖面，运行剖面可以使得送入工具能够被固定到其上。

一旦连接，送入工具能够在松开顶部堵塞器后沿两个(相反的轴向/纵向延伸)方向可控地纵向移动顶部堵塞器。

优选地，固定装置将顶部堵塞器沿第一纵向方向和相反的第二纵向方向固定，以防止顶部堵塞器沿任一纵向方向移动。

优选地，在第一位置，顶部堵塞器的外密封面定位在纵向位置处，在所述的纵向位置，外密封面可相对于设置在外部构件中的内表面移动，以使顶部堵塞器能够在所述外部构件内移动。

优选地，在第一位置，顶部堵塞器的外密封定位在纵向位置处，在所述的纵向位置，外密封表与设置在外部构件中的内表面间隔开，以使顶部堵塞器能够在外部构件内部自由移动。

优选地，外密封面包括外金属表面以在第二位置产生金属用于金属的密封。

外密封面包括O形环密封件并且优选地包括在顶部堵塞器的外表面上纵向间隔开的两个O形环密封件。

优选的，所述夹持装置包括具有外锥形表面的套环，所述的夹持装置还包括具有内锥形表面的环形部件，并且其中，套环和环形部件可在第一位置和第二位置间相对轴向移动，而在所述的第一位置处，环形部件的锥形表面不对套环施加径向力，在所述的第二位置处，环形部件的锥形表面施加足够的径向力以使套环向内扭曲以夹持所述的顶部堵塞器。

优选地，环形部件包括压缩环。

优选地，套环包括压缩套环。

压缩套环可以具有设置在外周上的轴向延伸槽，并且优选地，压缩套环具有围绕外周径向设置的多个轴向延伸槽。

优选地，所述的装置包括外部构件，所述的外部构件在使用中被定位在套环的内表面和顶部堵塞器的外表面之间。

优选地，外部构件包括朝向海面向上延伸的表面外壳。

优选地，外部构件包括朝向油田向下延伸并且优选地在泥线下方延伸的地面套管。

优选地，外部构件包括压缩套筒。

优选地，所述的装置包括用于使环形部件相对于套环移动的移动装置。优选地，移动装置包括液压移动装置。

移动装置可以包括在环形部件和上夹持外壳部件之间的腔室，并且腔室可以被加压以推动环形部件远离上夹持外壳部件。夹持装置可以包括液压流体引入装置，以将液压流体引入腔室中，以便推动环形部件远离上夹持外壳部件。

移动装置可以包括活塞。优选地，移动装置包括多个活塞。优选地，活塞围绕环形部件径向设置。

所述的活塞或每个活塞可以安装在夹持壳体上，并且优选地安装在上夹持外壳部件上，优选地，上夹持外壳部件安装到向上朝向海面延伸的导体的下端。所述的活塞或每个活塞可以布置成从夹持壳体向下延伸并且将套环向下移动远离夹持壳体。

套筒优选地是能够以螺纹连接到外壳上或者可以位于外壳上合适的定位和接收区域中的部件。

夹持装置可以包括将环形部件锁定在第二位置的锁定装置。锁定装置可以包括锁定构件，所述的锁定构件与下部夹持壳体部件中的锁定凹槽接合。优选地，锁定装置包括多个锁定构件。

锁定构件可以包括锁定指。

锁定指可包括弹性部件，所述的弹性部件在锁定位置或当环形部件到达第二位置时固有地被推动与锁定凹槽接合。

锁定装置可以包括锁定释放装置。优选地，锁定释放装置设置成使所述的锁定构件或每个锁定构件与锁定凹槽脱离接合。

锁定释放装置可以包括移动装置以使锁定构件与锁定凹部脱离接合。锁定释放装置可以包括活塞并且优选地包括液压活塞。

夹持装置可以包括返回移动装置，以将环形部件从第二位置朝向第一位置移动。特别地，返回运动装置可以帮助从环形部件和套环之间释放夹持力。

优选地，返回运动装置包括在环形部件和下夹持壳体部件之间的腔室，并且腔室可以被加压以推动环形部件远离下夹持壳体部件。

移动装置可以包括活塞。优选地，移动装置包括多个活塞。优选地，活塞围绕环形部件径向布置。

所述的活塞或每个活塞可以安装在下夹持壳体部件。优选地，下夹持壳体部件安装到导体的上端，导体远离海面和/或在泥线下方向下延伸。所述的活塞或每个活塞可布置成从下夹持壳体部件向上延伸并且将套环向上移动远离下夹持壳体部件。

优选地，夹持装置包括海底夹持装置。

优选地，海底井口提供在纵向方向上从第一上端延伸到第二下端的井。

夹持装置可施加足够的径向力以使外部构件(套筒)向内扭曲以夹持顶部堵塞器。

优选地，套筒在使用中被定位在夹持装置的一部分的内表面和顶部堵塞器的外表面之间。

优选地，套筒包括外壳的圆柱形部分，所述的圆柱形部分包括内表面和外表面。

根据本发明的第二方面，提供一种采油树，其包括用于将顶部堵塞器固定在采油树内的固定装置，所述的固定装置根据本发明的第一方面。

根据本发明的第三方面，提供一种将顶部堵塞器固定在采油树内的方法，包括启动固定装置以将顶部堵塞器固定在钻孔的外部构件内，其中所述的固定装置包括夹持装置，所述的方法包括在第一配置和第二配置之间启动夹持装置，其中，在所述的第一配置中，夹持构件处于未夹持配置，并且使得所述的顶部堵塞器能够在所述的外部构件内轴向移动到与夹持装置的夹持构件对齐的轴向位置，并且在所述的第二配置中，所述的夹持装置在所述的外部构件上施加足够的径向力，以使所述的外部构件向内扭曲，从而夹住所述的顶部堵塞器并将所述的顶部堵塞器固定在孔内的轴向位置。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并参考以下附图描述本发明，其中：

图1是位于外部构件内的顶部堵塞器的一部分的横截面；

图2是位于用于顶部堵塞器的固定系统的优选实施例中的顶部堵塞器的详细横截面；

图3是顶部堵塞器的详细横截面和用于顶部堵塞器的固定系统的另一个实施例；以及

图4是顶部堵塞器的详细横截面和用于顶部堵塞器的固定系统的另一个实施例。

具体实施方式

本发明涉及一种用于油/气井/井口/相关联的树(采油树)的顶部堵塞器10以及用于将顶部堵塞器10固定在树内的固定装置50。特别地，顶部堵塞器10提供了一种简单的结构布置，其能够可靠且容易地从树上固定和取回。此外，固定装置50将顶部堵塞器10可靠地固定在树内并提供用于固定顶部堵塞器10的持续的可重复使用的系统。此外，所述的固定装置还能自动在顶部堵塞器10和树导管/孔之间提供一个全圆周金属用于金属密封。

所述的固定装置包括夹持装置50，通过所述的夹持装置50产生向内的径向力，以便向内扭曲(偏转/压缩)外部构件30，以夹紧位于外部构件30内的构件。所述的外部构件30具有弹性形变，以便在锁紧力被释放/移除之后，所述的外部构件30将返回到释放的位置。在优选实施例中，两个同心且相反排列的锥形表面被设置为相互轴向移动从而产生向内定向的力。稍后将介绍这种夹持装置的例子。

如图1所示，顶部堵塞器10包括主体12，主体12提供外部密封面14，当被设置/固定时，所述的外部密封面将会在(水下或地面)水平采油树的生产孔内形成金属用于金属密封。密封面的跨度14a或轴向范围如图1所示。在使用中，顶部堵塞器10被设置在树的外部构件30内。所述的外部构件30可以是油管悬挂器颈、采油树帽或采油树主体。

外部构件30包括向下延伸的管，即从海面向(或超过)泥浆线延伸，并构成水平采油树生产孔的一部分，外部构件30包括内圆柱面32。

顶部堵塞器10被设置为，通过在外部构件30轴向地移动顶部堵塞器10到固定位置，类似地，顶部堵塞器10被设置为通过在外部构件30内轴向向上移动到出口位置来收回。因此，顶部堵塞器10的外轮廓与外部构件30限定的内径相适配。从而允许顶部堵塞器10在外部构件30内向上和向下自由运动。这种自由移动防止了顶部堵塞器10外表面的损坏，并在运输过程中保持了顶部堵塞器10和外部密封面14的完整性。

顶部堵塞器10的移动通过顶部堵塞器10与附接有所述的顶部堵塞器10的细长线的接合来控制。特别地，送入工具用于接合顶部堵塞器10，并且其中送入工具包括用于定位和收回顶部堵塞器10的钢丝。

顶部堵塞器10提供了连接构件16，送入工具可以连接到所述的连接构件16上。连接构件16设置在顶部堵塞器10的上表面上。所述的连接构件16包括颈部部分17和头部部分18。

连接构件16可以采用一般蘑菇形状的凸耳形式，这样，头部部分18可以通过送入工具轻松可靠地接合和释放。颈部部分17在增大的头部部分18下方提供空间，空间使头部部分18能够牢固地接合。然后，这种接合使得能够通过拉起钢丝绳来收回顶部堵塞器10，或者悬挂在钢丝绳上的顶部堵塞器10可以在重力的帮助下以受控的下降方式移动。

连接构件16设置在顶部堵塞器10的主体12的上表面上。顶部堵塞器10的主体12包括一个实心体，用于在生产孔内形成屏障。所述的实心体由此形成坚固、可靠的屏障。特别地，夹持(挤压)固定力与实心体的结合提供了一种改进的顶部堵塞器装置，所述的装置也易于和可靠地操作。

顶部堵塞器10通过外部构件30向内的变形固定在外部构件30内，由此将顶部堵塞器10夹在孔内。缺少实心体的顶部堵塞器可能由于如此高的夹持力而自然变形，然而使用实心体解决了这个潜在问题。因此，顶部堵塞器10的主体12被设计成能够承受和利用这种高且可靠的向内夹持/固定力。

现有技术的顶部堵塞器包括直接安装在其上的铰接和移动固定元件，通过激活这些元件来将顶部堵塞器固定在适当的位置上。因此，这需要在顶部堵塞器就位时在孔内激活这些元件。这可能需要传输信号或迫使钻孔向下移动。这种传输可能是困难的和有问题的。此外，如果安全系统的激活存在问题，则该问题可能难以识别、诊断和纠正。本发明利用的外部激活系统有助于克服任何此类问题。

顶部堵塞器10的主体12提供顶部堵塞器10的密封面14。所述的密封面14位于主体12的外围。密封面14在顶部堵塞器10和外部构件30之间创造一个全周向的金属用于金属密封。

密封面14被定义在主体12的整个外围表面周围，并且可以沿主体12的纵向长度轴向延伸。这有助于在相当大的表面积上提供密封面，而不是相对较薄的密封面。密封面14沿主体12的外表面从下端纵向延伸至上端。密封面14在主体12周围并包围一个实心体，从而加强密封面14并抑制或防止密封表面向内的显著移动(或压缩)，这可能削弱在顶部堵塞器10和外部构件30之间的夹持。

如上所述，密封面14包括保持槽21，其中安装有弹性密封件20。所述的保持槽21位于密封面14的上端和下端之间。

顶部堵塞器10的外表面包括成型/轮廓表面。特别地，密封面14可以包括一系列第一成形凸缘/突起/轮廓和一系列第二成形凸缘/突起/轮廓，所有这些都延伸至外表面的周边。第一系列可以产生/增强密封力，而第二系列可以产生/增强夹持/摩擦力。

第一系列可以包括一系列(径向)凸块22或圆形(光滑/弓形)脊/凸起区域(周向邻接/突出)，以达到密封的目的；并且第二系列可以包括一系列(有角度的)齿42或有角度的脊，用于抓握(摩擦)。

如上所述，顶部堵塞器10的密封表面14包括一系列径向凸块22(或向外突出的径向密封法兰)以产生和增强密封。这些凸起或圆形的脊形成外围的(密封的)肋，围绕顶部堵塞器10延伸。径向凸块22包括从顶部堵塞器10向外突出并围绕顶部堵塞器10的主体12的外表面14延伸的一系列外围密封面。径向凸起包括一般正弦形状的侧面轮廓面，包括光滑的(弯曲的)最外层部分(或峰)，而不是尖锐的峰或锯齿形轮廓。

径向凸块22由槽区24或外围凹槽/凹槽隔开。相邻的径向凸块22被均匀地间隔开，但可以被不同的间隔分开，这可能取决于其在密封面14上的相对位置。

顶部堵塞器10包括位于弹性体密封构件20轴向上方的径向密封凸块的第一阵列。顶部堵塞器10可包括位于密封构件20轴向下方(可能在第二阵列中)的一个或多个径向密封凸块。

在图1所示的优选实施例中，在位于密封构件20上方的第一阵列中，有四个等距间隔的径向凸块22。这些(四个)径向凸块22沿密封面14外部的轴向部分有效地提供波纹或波纹结构。所述的径向凸块22与下一个位于上方的径向凸块22之间的分隔距离提供了一个空间，在该空间内提供了一系列夹持齿42。

在该实施例中(图1)，单个径向凸块22设置在密封构件20下方和另一系列夹持齿42上方。

径向凸块22被设置成向外突出并接触外部构件30的内表面32。径向凸块22的布置将由此产生整体有效的密封。具体地说，可以通过单个径向凸块22创建若干密封和/或具有较高密封强度的区域，每个径向凸块22通过外部构件的压缩而受到推动和向内的变形。

顶部堵塞器10还提供上密封区36和下密封/接触区38，它们分别位于顶部堵塞器10的上端和下端。

如上所述，密封面14包括夹持齿42以帮助在顶部堵塞器10和外部构件30之间的夹持和摩擦接合。夹持齿42包括延伸至顶部堵塞器10的周边(圆角)的成角度的脊。这些成角度的脊形成延伸至顶部堵塞器10周边的外围(抓握)肋。

在优选实施例中(如图1所示)，顶部堵塞器10包括位于密封构件20上方的第一组夹持齿42和位于密封构件20下方的第二组夹持齿42。每组夹持齿42有效地提供沿外密封表面14的轴向部分的有角度的脊的波纹或波纹构造。夹紧齿42是基本向外延伸的突起，其设置在顶部堵塞器10的整个圆周周围。因此，每个夹紧齿42形成围绕顶部堵塞器10的外密封表面的凸缘/环或带。

夹持齿42包括一般锯齿或尖/三角形峰的侧面轮廓，而不是正弦形状/平滑形状。角峰增强了夹持齿42的夹持强度和/或能力。

如图1所示，顶部堵塞器10上位于密封构件20上方的第一组夹持齿42包括三个夹持齿42，三个夹持齿42等距间隔并且彼此靠近。类似地，位于密封构件20下方的第二组夹持齿42等距地间隔开并且彼此靠近。顶部堵塞器10还可以包括上密封表面36和下密封表面38。它们可以位于或限定密封表面的上下范围。

朝向密封表面14的中部和下部范围(区域)的夹持齿42可以比朝向密封表面14的顶部(最上部)的径向凸块22更靠近彼此。

径向凸块22提供最外表面，当夹持装置50被激活以使外部构件30向内偏转时，通过表面形成和/或促进全周向金属用于金属密封。由于夹持装置50是环形夹持装置，因此外部构件30以均匀的方式向内偏转/扭曲/移动，其中内部圆形通道的直径逐渐减小。这使得外部构件30内的通道的整体减小。这种减小导致外部构件30最初邻接密封表面14设置密封并将顶部堵塞器10夹持在在外部构件30内。进一步向内减小增加了密封力/夹持力并将顶部堵塞器10夹持/固定在外部构件30内的适当位置。

所需的向内偏差可以通过部件(外部构件30、顶部堵塞器10等)的材料/尺寸来计算，因此，密封力和夹持/固定力也可以预先确定并可靠地设定。夹持装置50可以设置成在手术过程中无需手动调节即可提供所需的密封力/夹持强度。

如图1所示，密封构件20设置在密封面14上。密封构件20包括位于保持槽21内的弹性体(弹性)密封件20。特别地，密封构件20包括位于密封面14上的O形环密封件20。所述的O形环密封件20可位于密封面14的中间区域中，中部区域在径向凸块22/夹持齿42的下部区域和径向凸块22/夹持齿42的上部区域之间。当外部构件30已经向内偏转/扭曲/移动时，应当理解，这产生了在主体12的外表面14和外部构件30的内表面32之间纵向/轴向延伸的环形密封区。

在从外部构件30移除夹持力之后，外部构件30返回到默认位置并释放围绕顶部堵塞器10的主体12形成的密封。然后这使得顶部堵塞器10能够通过生产孔向上收回。

外部构件30包括对准装置，以使顶部堵塞器10的能够被可靠地设置在正确的密封位置(与夹持装置50对齐)。所述的对准装置包括限定在外部构件30的内表面32上的向内延伸的法兰或肩部34。所述的肩部34向内突出到生产孔中。

在优选实施例中，顶部堵塞器10包括在下端或朝向下端的相配合的对准表面/肩部26。然而，在替代实施例中，相配合的对准表面/肩部可以设置在顶部堵塞器10上端或朝向顶部堵塞器10的上端。例如，如图3和图4所示，可以在上端邻接肩部35处设置向外延伸的法兰27。在这样的布置中，顶部堵塞器10的密封面14将位于肩部35下方。可在替代实施例中提供相配合的对准表面/肩部26的其他位置和定位。

在优选实施例中，顶部堵塞器10的主体12的下端提供相配合的对准表面26(对准肩部)。所述的对准表面26包括主体12的下边缘。顶部堵塞器10的主体12的下边缘包括倒角或倾斜表面(肩部26))(肩部26)，顶部堵塞器10的主体12的下边缘包括一个倒角或有角度的表面(肩部26)，该表面与由外部构件30提供的相应的着陆面(肩部34))接合。

将顶部堵塞器10降低到生产孔，直到顶部堵塞器10的主体12的下边缘(对准表面26)与设置在外部构件30中的对准肩部34对接。这表示顶部堵塞器10的正确着陆位置。在这个位置，可以激活夹持装置50，以激活顶部堵塞器10的密封。在使用顶部堵塞器10的同时需保持夹紧力。当需要进一步进入生产孔时，可以释放夹紧力并收回顶部堵塞器10，生产孔由此被打开。一旦不再需要向下进入生产孔，所述的夹持装置可以随后被重新使用以再次将顶部堵塞器10固定在生产孔内。

顶部堵塞器10的外表面，特别是密封表面14可以是锥形的。锥形外表面布置成接合/固定在外部构件30的相应锥形部分内。在这些实施例中，在启动夹持装置50之前，外部构件30的内表面32和顶部堵塞器10的外密封面14之间的初始间隙被最小化。

如上所述，夹持装置50使外部构件30向内变形和偏转/压缩，以便将顶部堵塞器10夹持并固定在孔内。外部构件30弹性变形，一旦去除夹持力，外部构件30将返回初始位置。因此，为了保持外部构件30的材料的这些特性，向内偏转距离受到限制而不能无限大。在同心轴向孔中，在外部构件30实际接触顶部堵塞器10之前可能需要一个第一向内变形距离。因此，这种夹持力是无效的并且可以被忽略。在具有相应锥形表面的实施例中，初始距离有助于夹持/密封力，因此这最大化了夹持装置50在将顶部堵塞器10固定在外部构件30内时的受力能力。

这种锥形构造还可以通过在外部构件30内提供预定的着陆区来帮助顶部堵塞器10的轴向对准。顶部堵塞器10从上部到下部均匀地向内逐渐变细(具有浅锥度)，使得顶部堵塞器10的直径在上部大于下部。其上部可限定或位于或邻近密封面14的上部范围。类似地，其下部可限定或位于或邻近密封面14的下部范围。

因此，本发明提供了一种新型的顶部堵塞器10，它可以使用POS-GRIP压缩系统设置，其功能为用作夹持装置50。本发明的顶部堵塞器10包括一体式实心顶部堵塞器10，与传统的顶部堵塞器相比，其更易于安装和可靠性更高。

图1显示了POS-GRIP通电的顶部堵塞器10的横截面。如上所述，顶部堵塞器10是实心的一体式设计并且设置在外部构件30的孔内，外部构件30可以是油管悬挂器颈、采油树帽或采油树体。顶部堵塞器10运行时无初始干扰，而这保护了顶部堵塞器10，简单的直接拔出即可收回。

顶部堵塞器10由POS-GRIP压缩系统供能，其示例在图2至图4中示出。POS-GRIP压缩系统在启动时会使外部构件30弹性偏转到顶部堵塞器10上，而这就会在顶部堵塞器10和外部构件30之间产生接触压力。顶部堵塞器10在外径上具有完整的金属形成的金属密封剖面。

由于径向凸块22和/或夹持齿42在夹持表面14处的摩擦和/或剪切强度，来自压缩系统的接触压力激活金属用于金属密封并提供负载支撑。POS-GRIP处理过程是全局灵活的。因此，所有部件都在弹性范围内操作，并且当压缩系统被释放时，外部构件30的通孔返回到其原始状态。因此，一旦压缩系统被释放，在顶部堵塞器10和外部构件30之间就不会有干扰。

凸块22和齿42可以设置在顶部堵塞器30的外径中以提供更大的轴向负载能力。弹性体密封件20还可以加固金属用于金属密封。

标签肩部34可以设置到外部构件30的通孔中，以允许顶部堵塞器10相对于POS-GRIP压缩系统50在最佳位置上可靠地着陆。

如图2至图4所示，POS-GRIP压缩系统可能的不同配置可以用来激活顶部堵塞器10。在所有三种配置中，实心压缩环52和具有匹配锥度的主体之间的锥形界面用于产生径向(向内)位移以激活顶部堵塞器10。这在压缩环52轴向位移时实现，通过在压缩环52内侧的主体上产生径向载荷。压缩环52的轴向位移将优选地通过一体式活塞60或螺柱紧固件来实现，但也可以通过其他方式来实现。

运行/回收工具与顶部堵塞器10是一体的并且可以配置以适应任何类型的工具。在图2和图4中提供了两种可能的选择。在图1和图2中，连接构件16与颈部部分17和头部部分18一起向上突起。然而，在图3和图4中，连接构件包括附接凹槽90，送入工具的一部分可以伸入所述的附接凹槽90中并由此接合顶部堵塞器10。所述的凹槽90可以在圆柱形凹部内提供接合槽92。同样，这消除了在顶部堵塞器10上使用任何移动/铰接部件。

图2显示了单个压缩环POS-GRIP压缩系统，其中锥形与压缩环52和外部构件30成一体。轴向移动压缩环52的装置被示为液压功能的一体式活塞60。然而，这可以通过其他装置来实现。POS-GRIP压缩系统提供压缩外部构件30所需的能量，以激活顶部堵塞器10。

上反作用环54用于防止压缩环52在液压压力释放后后退。然而，压缩环52可以通过其他方式保持。

在图2中，圆形脊(径向凸块)22位于密封面14的上部。成角度的脊(夹持齿)42设置在密封面14的下部。

图3显示了单个压缩环POS-GRIP压缩系统，其中压缩环70上的锥形界面抵靠位于压缩环70和外部构件30之间的开口环72上的匹配锥度。当压缩环70轴向移动时，开口环72向内移动，在外部构件30上产生径向载荷，径向载荷为顶部堵塞器10提供能量。

轴向移动压缩环70的装置被示为带钉紧固件74，其可以使用液压张紧器或扭矩工具来发挥作用。然而，这可以通过其他方式来实现。如果使用螺柱紧固件74，则如图所示的螺母76通常用于防止压缩环后退。如上所述，在该实施例中使用了上(着陆/索引)肩部35和索引/对准表面27。

在图3中，单个圆形脊(径向凸块)22紧邻密封构件20并且优选地位于密封面14的最高和最低位置。成角度的脊(抓齿)42设置在密封表面14的圆形脊22之间。

图4示出了双压缩环POS-GRIP压缩系统，其中两个压缩环80、82抵靠位于压缩环80、82和外部构件30之间的开口环84上的匹配锥度。使压缩环轴向移动的装置可以通过液压张紧器、扭矩工具或其他装置来实现。如上所述，在该实施例中使用了上(着陆/索引)肩部35和索引/对准表面27。

在图3中，单个圆形脊(径向凸块)22紧邻密封构件20并且优选地位于密封表面14的最高和最低位置。成角度的脊(抓齿)42设置在密封面14的圆形脊22之间。

本发明使用夹持装置50来弹性偏转外部构件30以锁定和激活顶部堵塞器10上的密封件。在本发明的主要应用中，外部构件30是采油树体、采油树帽或油管悬挂器体。

顶部堵塞器10与传统塞功能相似，但其提供了更可靠的固定和释放方式以及高质量的金属密封。与传统塞不同，顶部堵塞器10不依赖压力或钢丝震动来固定或释放。顶部堵塞器10是一种单组件设计，它消除了在井筒内移动部件的复杂相互作用而可能导致设置或回收问题。因此，无需设置闩锁或挡块。用于放置或取回顶部堵塞器10的组件是外部的，这意味着用于设置的所有移动部件都是可访问和可维护的。

这种设计的多个实例可以串联使用(上顶部堵塞器和下顶部堵塞器)，为井眼提供多个屏障。

总体而言，本发明涉及使用POS-GRIP技术来激活顶部堵塞器10以在诸如油管悬挂器或采油树的外部构件30内提供负载支撑和密封。一体式实心顶部堵塞器设计提高了设置和释放的可靠性。本发明通过POS-GRIP技术实现的高锁定能力。此外，本发明包括高质量的原生金属用于金属密封。此外，弹性体密封件20为主要金属用于对金属密封件提供支持。

Claims (25)

1.一种顶部堵塞器固定系统，包括用于将顶部堵塞器固定在孔的外部构件内的固定装置，其中所述的固定装置包括在第一配置和第二配置之间被激活的夹持装置，其特征在于，在第一配置中，夹持构件处于未夹持配置并且使得顶部堵塞器能够在外部构件内轴向移动到与夹持装置的夹持构件对齐的轴向位置，在第二配置中，夹持装置在外部构件上施加足够的径向力以使外部构件向内扭曲以夹持顶部堵塞器并将其固定在孔内的轴向位置。

2.根据权利要求1所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器包括单一部件。

3.根据权利要求1或2所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器包括一体式部件。

4.根据前述权利要求中任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，在从松开位置改变到夹持位置时，所述的顶部堵塞器仅需要定位在所述的夹持位置，而不需要对位于所述的顶部堵塞器上的任何固定元件进行任何操作。

5.根据前述权利要求中任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器仅由所述的夹持装置固定就位。

6.根据前述权利要求中任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器仅通过位于所述的外部构件外的元件的移动而被固定在适当位置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器和所述外部构件在所述的第二配置中形成金属用于金属密封。

8.根据权利要求7所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器和所述的外部构件在所述的第二配置中形成全圆周金属用于金属密封。

9.根据前述任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器包括外密封面，所述的外密封面包括金属密封表面和弹性密封件。

10.根据前述任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器包括外密封面，所述的外密封面包括成型密封面，所述的成型密封面包括一系列围绕外密封面延伸的全圆周圆形脊，其中相邻的圆形脊由全圆周凹槽隔开。

11.根据权利要求10所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的外密封面包括圆形脊的上部阵列和圆形脊的下部阵列，并且其中所述的圆形脊的上部阵列位于所述的顶部堵塞器的上部和密封构件上方，所述的圆形脊的下部阵列位于所述的顶部堵塞器的下部和密封构件下方。

12.根据权利要求10或11所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的成型密封面包括第二系列轴向被隔开的脊，所述的脊包括一系列围绕所述的外密封面延伸的全圆周成角度的脊，并且其中相邻的成角度的脊是通过全圆周凹槽分隔开的。

13.根据前述任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的外部构件包括索引肩部，所述的索引肩部被设置为在使用中与所述的顶部堵塞器上的分度面协作，以使所述的顶部堵塞器对准所述的夹持装置。

14.根据权利要求13所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器的分度面由下环面提供，所述的下环面设置在所述的顶部堵塞器的外边缘下部周围。

15.根据前述任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器的外密封面是锥形的，并且其中，所述的顶部堵塞器的锥形外密封面被设置成与所述的外部构件的相应的锥形部分相配合。

16.根据前述任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器包括主体，所述的主体在所述的外部构件上形成屏障，并且其中，所述的主体包括实心体。

17.根据权利要求16所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的实心体提供一个塞子，所述的塞子将所述的外部构件填充在密封区域内，并且其中所述的密封区域沿着所述的外部构件的轴向延伸。

18.根据前述任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的顶部堵塞器包括工具连接构件。

19.根据权利要求18所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的工具连接构件位于所述的顶部堵塞器的上表面。

20.根据权利要求19所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的工具连接构件包括远离所述的顶部堵塞器的主体的上表面向上延伸的凸耳。

21.根据权利要求19所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的工具连接构件包括向内延伸到所述的顶部堵塞器中部的凹槽。

22.根据前述任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，在第一位置，所述的顶部堵塞器的外密封面处于纵向位置，在所述的纵向位置处，所述的外密封面可相对于所述的外部构件的内表面是可移动的，以便使所述的顶部堵塞器能够在外部构件内移动。

23.根据前述任一项所述的顶部堵塞器固定系统，其特征在于，所述的夹持装置包括具有外锥形表面的套环，所述的夹持装置还包括具有内锥形表面的环形部件，并且其中，所述的套环和环形部件在第一位置和第二位置间相对轴向移动，而在所述的第一位置处，所述的环形部件的锥形表面不对所述的套环施加径向力，在所述的第二位置处，环形部件的锥形表面施加足够的径向力以使套环向内扭曲以夹持所述的顶部堵塞器。

24.一种井口，其特征在于，包括用于将所述的顶部堵塞器固定在井口内的固定装置，所述的固定装置根据权利要求1至23中任一项进行设置。

25.一种将顶部堵塞器固定在井口内的方法，其特征在于，包括启动固定装置以将顶部堵塞器固定在钻孔的外部构件内，其中所述的固定装置包括夹持装置，所述的方法包括在第一配置和第二配置之间启动夹持装置，其中，在所述的第一配置中，夹持构件处于未夹持配置，并且使得所述的顶部堵塞器能够在所述的外部构件内轴向移动到与夹持装置的夹持构件对齐的轴向位置，并且在所述的第二配置中，所述的夹持装置在所述的外部构件上施加足够的径向力，以使所述的外部构件向内扭曲，从而夹住所述的顶部堵塞器并将所述的顶部堵塞器固定在孔内的轴向位置。

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