CN117157448A - 环状屏障和井下系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在具有小于5米的隔离层的井中提供区域隔离的环状屏障，其包括：构造成能安装为金属井管结构的一部分的管状金属部件，该管状5金属部件具有外表面、开口和沿着金属井管结构的轴向延伸方向；围绕管状金属部件的第一可膨胀金属套筒，第一可膨胀金属套筒具有第一厚度、第一端部和第二端部，可膨胀金属套筒的第一端部与管状金属部件的外表面连接；以及围绕管状金属部件的第二可膨胀金属套筒，第二可膨胀金属套筒具有与第一可膨胀金属套筒基本相同的厚度，并且第二可膨胀金属套筒具有与管状金属部件的外表面连接的第一端部和第二端部，其中环状屏障还包括具有大于第一厚度的第二厚度的第一连接套筒，第一连接套筒包括连接到第一可膨胀金属套筒的第二端部的第一套筒端和与第二可膨胀金属套筒的第二端部连接的第二套筒端，并且环状屏障包括限定在管状金属部件、第一连接套筒和可膨胀金属套筒之间的环形空间。本发明还涉及一种井下系统，其包括多个环状屏障和金属井管结构。

Description

环状屏障和井下系统

技术领域

本发明涉及一种用于在具有小于5米的隔离层的井中提供区域隔离的环状屏障。本发明还涉及一种井下系统，其包括多个这种环状屏障和金属井管结构。

背景技术

环状屏障在井下用于在井的井孔中的位于金属井管结构与井孔壁部或与另一金属井管结构之间的环空中提供一个区域与另一个区域的隔离。当膨胀环状屏障时，重要的是环状屏障被膨胀以抵紧井孔或另一个金属井管结构的内表面，从而提供适当的区域隔离。此外，环状屏障需要对着两个区域之间的隔离层膨胀，以便提供一个区域与另一个区域的适当隔离。在一些井孔中，两个区域之间的隔离层非常薄，例如只有几米。在这些井中，需要更长的环状屏障，以便环状屏障能够覆盖隔离层，因为在将完井系统下入井中时，精度可能高达5-10米。

环状屏障可具有对着隔离层膨胀的可膨胀金属套筒，并且长度超过2米的可膨胀金属套筒制造困难且昂贵。

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，其足够长以便能坐放在具有薄隔离层的井中，同时与具有1-2米长的可膨胀金属套筒的环状屏障相比，其仍然相对容易制造而不会显著增加制造成本。

此外，本发明的一个目的是提供一种改进的环状屏障，与已知的方案相比，该环状屏障能够将更多的轴向载荷从金属井管结构传递到井孔壁部。

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，即通过一种用于在具有小于5米的隔离层的井中提供区域隔离的环状屏障来实现，该环状屏障包括：

-管状金属部件，其构造成能安装为金属井管结构的一部分，该管状金属部件具有外表面、开口和沿着金属井管结构的轴向延伸方向；

-围绕管状金属部件的第一可膨胀金属套筒，第一可膨胀金属套筒具有第一厚度、第一端部和第二端部，可膨胀金属套筒的第一端部与管状金属部件的外表面连接；以及

-围绕管状金属部件的第二可膨胀金属套筒，第二可膨胀金属套筒具有与第一可膨胀金属套筒基本相同的厚度，并且第二可膨胀金属套筒具有第二端部和与管状金属部件的外表面连接的第一端部，

其中环状屏障还包括具有大于第一厚度的第二厚度的第一连接套筒，第一连接套筒包括连接到第一可膨胀金属套筒的第二端部的第一套筒端和与第二可膨胀金属套筒的第二端部连接的第二套筒端，并且环状屏障包括限定在管状金属部件、第一连接套筒和两个可膨胀金属套筒之间的环形空间。

通过使环状屏障具有两个可膨胀金属套筒和较厚的连接套筒，可膨胀金属套筒可制成具有1-2米的长度，这意味着环状屏障比具有一个4米长的可膨胀金属套筒的环状屏障更容易制造且成本更低。连接套筒被焊接到每个可膨胀金属套筒的端部，并且以这种方式形成共同的可膨胀金属套筒。当膨胀可膨胀金属套筒时，第一和第二可膨胀金属套筒比连接套筒膨胀得更多。这样，连接套筒和可膨胀金属套筒之间的焊接连接部仅轻微膨胀，并且与可膨胀金属套筒通过焊接直接连接的方案相比，这种焊接连接部不太可能断裂。连接套筒比可膨胀金属套筒厚确保了连接套筒和可膨胀金属套筒之间的焊接连接部不会膨胀到与可膨胀金属套筒的中间部分相同的程度。因此，环状屏障的模块化套筒可制造成所需的长度，即使隔离层仅2米厚，并且完井程序的精度仅导致环状屏障定位在6米内，环状屏障的一部分仍然与隔离层重叠，并且获得了区域的充分隔离。

此外，第一可膨胀金属套筒和第二可膨胀金属套筒可包括产生第三厚度的突起，并且第一厚度可小于第三厚度。

此外，第一连接套筒可具有变化的厚度，并且第一连接套筒的第二厚度可以是第一连接套筒的最大厚度。

此外，环状屏障还可包括支承结构，该支承结构将第一连接套筒与管状金属部件连接，以便将载荷从管状金属部件传递到第一可膨胀金属套筒和第二可膨胀金属套筒。

此外，所述支承结构可具有第一状态，在所述第一状态中，所述支承结构在所述轴向延伸方向的径向方向上具有第一径向延伸长度，并且所述支承结构具有第二状态，在所述第二状态中，所述支承结构在所述轴向延伸方向的径向方向上具有第二径向延伸长度，所述第二径向延伸长度大于所述第一径向延伸长度。

此外，所述第一状态可以是环状屏障的未膨胀状态，并且所述第二状态可以是所述环状屏障的膨胀状态。

此外，支承结构可包括第一连接套筒、连接部件和将所述第一连接套筒和所述连接部件连接的连接元件，所述连接部件固定地连接到所述管状金属部件。

此外，连接元件可在轴向延伸方向的径向方向上膨胀。这样，支承结构能够随着可膨胀金属套筒膨胀，同时被紧固到管状金属部件以传递轴向载荷。

此外，连接元件可以可枢转地连接到第一连接套筒和连接部件。

此外，连接元件可具有柔性构造。

此外，连接元件可比连接部件更具柔性。

此外，连接元件可在环状屏障的未膨胀状态下具有压缩状态，并且在环状屏障的膨胀状态下具有较少压缩状态。

此外，连接元件可具有S形、C形或Z形的横截面形状。

此外，连接部件可永久地固定到管状金属部件。

此外，支承结构可制成为一体件/一个整体，使得连接元件、连接套筒和连接部件制成一个整体/一体件。

此外，连接部件可焊接或压接在管状金属部件上。

此外，连接部件可在可膨胀金属套筒膨胀期间保持未膨胀。

此外，连接部件可具有固定的内径和/或固定的外径。

此外，连接套筒可在轴向方向上固定地连接到连接部件，并且在径向方向上相对于连接部件可移动地连接到连接部件。

通过相对于连接部件在径向上可移动地连接，并因此能够解压缩、展开或伸直，连接元件使得可膨胀金属套筒能够膨胀，而不会损害支承结构的支承能力。

此外，连接部件可具有管状形状。

此外，连接元件可具有沿着轴向延伸方向的元件长度，并且连接部件可具有沿着轴向延伸方向的部件长度。

此外，元件长度可与部件长度基本上相同。

此外，连接部件可具有外表面凹槽，连接元件的一部分接合在该外表面凹槽中，和/或连接套筒可具有内表面凹槽，连接元件的一部分接合在该内表面凹槽中。

此外，第一套筒端可焊接到第一可膨胀金属套筒的第二端部，并且第二套筒端可焊接到第二可膨胀金属套筒的第二端部。

此外，环状屏障还可包括围绕管状金属部件的第三可膨胀金属套筒，第三可膨胀金属套筒具有与第一可膨胀金属套筒相同的厚度，第三可膨胀金属套筒具有第二端部和与第一连接套筒的第二套筒端连接的第一端部，并且环状屏障还包括具有第二厚度的第二连接套筒，第二连接套筒包括与第三可膨胀金属套筒的第二端部连接的第一套筒端和与第二可膨胀金属套筒的第二端部连接的第二套筒端，使得第二套筒端通过第三可膨胀金属套筒和第二连接套筒与第二可膨胀金属套筒的第二端部连接，并且在管状金属部件、第一连接套筒和第二连接套筒以及可膨胀金属套筒之间限定环形空间。

此外，环状屏障还可包括：围绕管状金属部件的第四可膨胀金属套筒，第四可膨胀金属套筒具有与第一可膨胀金属套筒相同的厚度，第四可膨胀金属套筒具有第二端部和与第二连接套筒的第二套筒端连接的第一端部；以及具有第二厚度的第三连接套筒，第三连接套筒包括与第三可膨胀金属套筒的第二端部连接的第一套筒端和与第二可膨胀金属套筒的第二端部连接的第二套筒端，使得第二套筒端通过第三和第四可膨胀金属套筒以及第二和第三连接套筒与第二可膨胀金属套筒的第二端部连接，并且在管状金属部件、连接套筒和可膨胀金属套筒之间限定环形空间。

此外，环状屏障还可包括管，所述管延伸穿过环形空间、穿过第一可膨胀金属套筒的第一端部与管状金属部件的连接部以及穿过第二可膨胀金属套筒的第二端部与管状金属部件的连接部，从而在膨胀状态下提供穿过所述环状屏障的流动通道。

此外，环状屏障还可包括至少一个管状连接部件，用于将可膨胀金属套筒的端部连接到管状金属部件的外表面。

此外，管状连接部件可包括与可膨胀金属套筒的端部重叠的突出凸缘。

此外，环状屏障还可包括流体连接到开口和环形空间的阀组件。

此外，连接套筒可与可膨胀金属套筒的端部部分地重叠。

此外，连接套筒的第一套筒端和第二套筒端可包括突出的套筒凸缘，每个突出的套筒凸缘均与可膨胀金属套筒的端部之一重叠。

此外，第一和第二可膨胀金属套筒的第一端部可具有增加的厚度，用于连接到管状金属部件。这样便无需单独的连接部件。

此外，第二厚度可比第一厚度厚至少5％、优选比第一厚度厚至少10％、更优选比第一厚度厚至少15％。

此外，第一可膨胀金属套筒和第二可膨胀金属套筒沿轴向延伸方向的长度可比连接套筒的长度长至少50％、优选比连接套筒的长度长至少60％、更优选比连接套筒的长度长75％。

此外，环状屏障还可包括布置在可膨胀金属套筒的外表面上的至少一个环形密封元件。

此外，环形密封元件可布置在第一周向凹槽中。

此外，周向凹槽可形成在两个突起之间。

此外，环形密封元件可由支承/补位密封元件支承。

此外，环状屏障还可包括围绕支承密封元件的至少一部分的键环元件。

此外，环状屏障还可包括第二支承密封元件，该第二支承密封元件布置成使得当沿着轴向延伸方向看时，环形密封元件位于两个支承密封元件之间。

此外，可膨胀金属套筒可包括第二周向凹槽。

此外，第二周向凹槽可包括凹槽元件。

此外，凹槽元件可由聚四氟乙烯(PTFE)或橡胶制成。

此外，支承密封元件可由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

此外，键环元件可由诸如弹簧钢的金属制成。

此外，环形密封元件可由橡胶或弹性体制成。

此外，第一和/或第二可膨胀金属套筒的第一端部中的一者可焊接到管状金属部件的外表面。

此外，本发明涉及一种井下系统，该井下系统包括金属井管结构和多个环状屏障。

最后，井下系统还可包括在两个环状屏障之间的至少一个入流阀。

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示出了具有两个可膨胀金属套筒和一个连接套筒的环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图；

图2示出了具有两个可膨胀金属套筒和一个连接套筒的另一环状屏障在其膨胀状态下的剖视图；

图3示出了具有三个可膨胀金属套筒和两个连接套筒的另一环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图；

图4示出了具有四个可膨胀金属套筒和三个连接套筒的另一环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图；

图5示出了具有三个可膨胀金属套筒和两个连接套筒的另一环状屏障在其未膨胀状态下的剖视图；

图6示出了具有两个环状屏障的井下系统的剖视图；

图7示出了具有两个可膨胀金属套筒和一个连接套筒的另一环状屏障的剖视图，该环状屏障处于其未膨胀状态，并具有用于将轴向载荷从金属井管结构并因此从管状金属部件传递/转移到可膨胀金属套筒的支承结构；以及

图8示出了具有两个可膨胀金属套筒和一个连接套筒的另一环状屏障的剖视图，该环状屏障处于其未膨胀状态，并具有用于将轴向载荷从金属井管结构并因此从管状金属部件传递/转移到可膨胀金属套筒的另一支承结构。

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示出了用于在具有小于5米的薄隔离层24的井2中提供区域隔离的环状屏障1。环状屏障1包括管状金属部件3，该管状金属部件安装为金属井管结构4的一部分。管状金属部件3具有外表面5、开口6和沿着金属井管结构4的轴向延伸方向L。环状屏障1包括围绕管状金属部件3的第一可膨胀金属套筒7。第一可膨胀金属套筒7具有第一厚度t₁、第一端部8和第二端部9。可膨胀金属套筒7的第一端部8与管状金属部件3的外表面5连接。环状屏障1还包括围绕管状金属部件3的第二可膨胀金属套筒10。第二可膨胀金属套筒10具有与第一可膨胀金属套筒7相同的厚度。第二可膨胀金属套筒10具有与管状金属部件3的外表面5连接的第一端部11和第二端部12。环状屏障1包括第一连接套筒14，第一连接套筒具有大于第一厚度t₁的第二厚度t₂。第一连接套筒14包括连接到第一可膨胀金属套筒7的第二端部9的第一套筒端15和与第二可膨胀金属套筒10的第二端部12连接的第二套筒端16。环状屏障1还包括在管状金属部件3、第一连接套筒14和可膨胀金属套筒7、10之间限定的环形空间17。

通过使环状屏障1具有两个可膨胀金属套筒7、10和较厚的连接套筒14，可膨胀金属套筒7、10可制成具有1-2米的长度，这意味着该环状屏障比具有一个4米长的可膨胀金属套筒的环状屏障更容易制造且成本更低。连接套筒14被焊接到每个可膨胀金属套筒7、10的端部，并且以这种方式形成公共的可膨胀金属套筒。从图2中可看出，第一和第二可膨胀金属套筒7、10比连接套筒14膨胀得更多，这样，连接套筒14和可膨胀金属套筒7、10之间的焊接连接部仅在垂直于轴向延伸方向的径向方向上稍微膨胀，并且比连接套筒14膨胀的和可膨胀金属套筒7、10的中间部分所膨胀的那样多的情况更不容易断裂。连接套筒14比可膨胀金属套筒7、10厚，从而确保连接套筒14和可膨胀金属套筒7、10之间的焊接连接部不会像可膨胀金属套筒7、10的中间部分所膨胀的那么多。因此，环状屏障1的模块化套筒可制造成所需的长度，例如8-10米，并且即使隔离层24仅2米厚，即沿轴向延伸方向长2米，并且完井程序的精度仅导致环状屏障1定位在6米内，环状屏障1的一部分仍然与隔离层24重叠，并且获得了区域的充分隔离。

第一连接套筒14的第一套筒端15被焊接到第一可膨胀金属套筒7的第二端部9，并且第一连接套筒14的第二套筒端16被焊接到第二可膨胀金属套筒10的第二端部12，以便形成一个公共套筒。可膨胀金属套筒7、10的第一端部可具有增加的厚度，并且可被压合连接到管状金属部件3上或者焊接到管状金属部件3，如图1所示。管状金属部件3中的开口布置成与环形空间17相对。第一可膨胀金属套筒7和第二可膨胀金属套筒10沿着轴向延伸方向具有相同的长度，并且第一连接套筒14布置在可膨胀金属套筒7、10之间并且焊接到可膨胀金属套筒7、10的端部。

在图2中，可膨胀金属套筒7、10被膨胀，使得其中间部分抵紧井孔的壁部并且顺应于井孔壁部的形状。在另一个实施例中，可膨胀金属套筒7、10膨胀，使得其中间部分抵紧另一个金属井管结构的壁部。膨胀的环状屏障1将第一区域101与第二区域102隔离。可膨胀金属套筒7、10的第一端部8、11通过管状连接部件31连接到管状金属部件3的外表面5。每个管状连接部件31包括与可膨胀金属套筒7、10的第一端部8、11重叠的突出凸缘34，以便限制可膨胀金属套筒7、10的端部的自由膨胀，从而可膨胀金属套筒7、10的端部和管状连接部件31之间的连接不会受到危害，如果使用焊接，焊接连接也不会被破坏。在图2中，可膨胀金属套筒7、10的端部除了焊接在一起之外，还接合连接套筒14中的凹槽。

在图3中，环状屏障1包括第三可膨胀金属套筒18，该第三可膨胀金属套筒围绕管状金属部件3并且沿着轴向延伸方向L布置在第一可膨胀金属套筒7和第二可膨胀金属套筒10之间。第三可膨胀金属套筒18具有与第一可膨胀金属套筒7相同的厚度。第三可膨胀金属套筒18具有与第一连接套筒14的第二套筒端16连接的第一端部19和连接至第二连接套筒21的第二端部20。第二连接套筒21具有与第一连接套筒14相同的第二厚度t₂。第二连接套筒21包括与第三可膨胀金属套筒18的第二端部20连接的第一套筒端22和与第二可膨胀金属套筒10的第二端部12连接的第二套筒端23，使得第二套筒端16通过第三可膨胀金属套筒18和第二连接套筒21与第二可膨胀金属套筒10的第二端部12连接。在这方面，环形空间17被限定在管状金属部件3、第一和第二连接套筒14、21以及可膨胀金属套筒7、10、18之间。通过具有由较厚的连接套筒14、21连接的三个2米长的可膨胀金属套筒7、10、18，环状屏障1可以简单和模块化的设计制成至少6米长，这种设计仅需要易于制造的短的可膨胀金属套筒。

如能从图3看到的，由于连接套筒14、21的厚度大于可膨胀金属套筒7、10、18的厚度，因此连接套筒14、21在可膨胀金属套筒7、10、18的内表面51与管状金属部件3的外表面5之间提供出一距离。这样，连接套筒14、21支承可膨胀金属套筒7、10、18，使得在金属井管结构4在沿井向下压力增加的情况下沉入井孔的过程中，它们不会塌缩。

图3所示的环状屏障1还包括阀组件33，该阀组件流体连接到管状金属部件中的开口6和环形空间17。开口6定位成沿着轴向延伸方向偏离环形空间17，使得流体在进入环形空间17之前进入阀组件33。阀组件33可具有多种设计。阀组件的一个方面具有在开口和环形空间17之间提供流体连通的第一位置，以及在环状屏障膨胀之后的、其中该流体连通被切断的第二位置。在阀组件的另一方面，第一位置是相同的，但是在第二位置，来自开口的流体连通被切断，并且存在到膨胀的环状屏障的外部的流体连通，即，到第一区域101或第二区域102的流体连通。通过在膨胀后在环形空间17和其中一个区域之间提供流体连通，环形空间17中的压力可与该区域中的压力平衡，从而在外部压力增加的情况下避免环状屏障1的塌缩，并且这样环状屏障1的塌缩等级增加。

在图4中，环状屏障1还包括围绕管状金属部件3的第四可膨胀金属套筒25。第四可膨胀金属套筒25具有与第一可膨胀金属套筒7(如图1和3所示)相同的第一厚度t₁。第四可膨胀金属套筒25具有第二端部27和与第二连接套筒21的第二套筒端23连接的第一端部26。环状屏障1还包括第三连接套筒28，其具有与第一和第二连接套筒14、21相同的第二厚度t₂。第三连接套筒28包括与第四可膨胀金属套筒25的第二端部27连接的第一套筒端29和与第二可膨胀金属套筒10的第二端部12连接的第二套筒端30，使得第二套筒端16通过第三和第四可膨胀金属套筒18、25以及第二和第三连接套筒21、28与第二可膨胀金属套筒10的第二端部12连接。环形空间17被限定在管状金属部件3、连接套筒14、21、28和可膨胀金属套筒7、10、18、25之间。通过具有用三个较厚的连接套筒14、21、28连接四个2米长的可膨胀金属套筒，环状屏障1可用简单的模块化设计制成至少8米长，该设计只需要易于制造的短的可膨胀金属套筒。如果连接套筒14、21、28被制成具有0.5米的长度，则环状屏障1的长度将是10米，并且以这种方式，环状屏障1可被制成具有所需的长度，以确保充分重叠/覆盖隔离层。

这种长环状屏障也可用于支承多孔壁部/地层，使得膨胀的环状屏障支承井孔壁部，以防止其恶化、坍塌和干扰生产，因为来自两个区域的流体将随后随着区域隔离被破坏而混合。

连接套筒14、21、28比可膨胀金属套筒7、10、18、25厚，即第二厚度t₂可比第一厚度t₁厚至少5％，优选比第一厚度t₁厚至少10％，更优选比第一厚度t₁厚至少15％。此外，可膨胀金属套筒7、10、18、25比连接套筒14、21、28长，因此第一可膨胀金属套筒7和第二可膨胀金属套筒10沿轴向延伸方向L的长度比连接套筒的长度长至少50％，优选比连接套筒的长度长至少60％，更优选比连接套筒的长度长75％。

在图4中，环状屏障1还包括在公共套筒下方延伸的管32，该公共套筒由与连接套筒14、21、28焊接在一起的可膨胀金属套筒7、10、18、25提供。管32延伸穿过环形空间17，穿过第一可膨胀金属套筒7的第一端部8与管状金属部件3的连接部，并且穿过第二可膨胀金属套筒10的第二端部12与管状金属部件3的连接部。因此，管32在膨胀状态下提供了穿过环状屏障1的流动通道。在图4中，环状屏障1具有将第一和第二可膨胀金属套筒7、10的第一端部8、11连接到管状金属部件3的外表面5的两个连接部件31，并且管32延伸穿过这两个连接部件31两者。在本发明的另一方面(未示出)，通过环状屏障的流动由布置在可膨胀金属套筒和管状金属部件之间的薄套筒提供，使得当薄套筒一直围绕管状金属部件延伸时，流体通道是环形的，并且通过环状屏障的流体通道是薄套筒和管状金属部件的外表面之间的环形通道。

图5的环状屏障1包括三个可膨胀金属套筒7、10、18，它们通过中间连接套筒14、21焊接连接。每个连接套筒14、21的第一和第二套筒端15、16包括突出的套筒凸缘35，套筒凸缘与可膨胀金属套筒的端部之一重叠。由此，以与连接部件31的突出凸缘34相同的方式防止可膨胀金属套筒7、10、18自由膨胀，并且以这种方式在可膨胀金属套筒7、10、18膨胀期间保护焊接连接部，使得焊接连接部在膨胀期间不会断裂。环状屏障1还包括布置在可膨胀金属套筒7、10、18的外表面46上的一些密封元件45，以便增加环状屏障1的隔离能力。

在图6中，示出了包括金属井管结构4和多个环状屏障1的井下系统100。为了隔离区域，需要两个环状屏障1。井下系统100还包括在两个环状屏障1之间的至少一个入流阀，以便以受控的方式让地层流体进入金属井管结构4。

环状屏障1借助于进入开口并进一步进入环形空间17的加压流体而膨胀，以便使可膨胀金属套筒7、10、18、25膨胀以抵紧井孔壁部。加压流体由地面上的泵产生，该泵沿一些管道/金属井管结构4向下泵送流体，或者加压流体由工具中的泵产生，该工具对着开口隔离金属井管结构4的一部分。

在图7和8中，第一可膨胀金属套筒7和第二可膨胀金属套筒10包括产生第三厚度t₃的突起36，并且第一厚度t₁小于第三厚度t₃。第一厚度t₁也小于第二厚度t₂。连接套筒14、21具有变化的厚度，并且连接套筒14、21的第二厚度t₂是第一连接套筒14和第二连接套筒21的最大厚度和总厚度。环状屏障1还包括支承结构37，支承结构将连接套筒14与管状金属部件3连接，以便将载荷从管状金属部件3传递到第一和第二可膨胀金属套筒7、10。因此，连接连接套筒14和管状金属部件3的支承结构37将轴向载荷从管状金属部件3形成其一部分的金属井管结构4传递到可膨胀金属套筒7、10，并因此传递到可膨胀金属套筒7、10在其膨胀位置或状态下所抵紧的地层。

金属井管结构4较重，并且通过具有支承结构37，来自该重量的更多载荷可传递到膨胀的可膨胀金属套筒7、10，并由此传递到井孔壁部。如果环状屏障没有中间支承结构，轴向载荷只能通过环状屏障的端部传递，并且在环状屏障具有由几个可膨胀金属套筒构成的长套筒区段的情况下，与在环状屏障的端部中间具有一个或多个支承结构的环状屏障相比，没有中间支承结构的环状屏障不能传递高的轴向载荷。第一和第二可膨胀金属套筒的第一端部可直接连接到管状金属部件或通过连接部件连接，并且在没有支承结构的情况下，轴向载荷只能通过第一端部传递。通过具有由连接套筒连接的1米长的可膨胀金属套筒，并且每个连接套筒形成为支承结构的一部分，该环状屏障与具有一个长的未支承的可膨胀金属套筒或两个较长/更长的未支承的可膨胀金属套筒的环状屏障相比可被制成传递非常高的轴向载荷。因此，具有多于两个可膨胀金属套筒的环状屏障可在每个连接套筒处包括多于一个支承结构。

为了在可膨胀金属套筒7、10膨胀之后传递轴向载荷，支承结构37具有第一状态，其中支承结构37具有沿轴向延伸方向L的径向方向R的第一径向延伸长度，如图7和8所示，并且支承结构37具有第二状态，其中支承结构37具有沿轴向延伸方向L的径向方向R的第二径向延伸长度，其中第二径向延伸长度大于第一径向延伸长度。第一状态是环状屏障1的未膨胀状态，并且第二状态是环状屏障1的膨胀状态。

如图7和8所示，支承结构37包括第一连接套筒14、连接部件38和连接元件39，其中连接元件39连接第一连接套筒14和连接部件38，并且连接部件38沿着轴向延伸方向L并且在径向于轴向延伸方向L的径向方向R上固定地连接到管状金属部件3。连接部件38在可膨胀金属套筒7、10膨胀期间保持基本上未膨胀，并且具有固定的内径ID_CP和固定的外径OD_CP。连接部件38可焊接或压接在管状金属部件3上，以固定连接部件38。因此，连接部件38永久地固定到管状金属部件3。连接元件39在径向方向R上、即在径向于轴向延伸方向L的方向上可膨胀，并且以这种方式，支承结构37能够随着可膨胀金属套筒7、10膨胀，同时被紧固到管状金属部件3以传递轴向载荷。因此，连接元件39具有柔性构造，并且连接元件39比连接部件38更具柔性。连接元件39在环状屏障1的未膨胀状态下具有压缩状态，如图7和8所示，并且在环状屏障1的膨胀状态下具有较少压缩状态(未示出)，在该较少压缩状态下，连接元件39已经部分展开或者在径向方向R上更加伸直。通过能够解压缩、展开或者伸直，连接元件39使得可膨胀金属套筒7、10能够膨胀，而不会损害支承结构37的支承能力。在图7中，连接元件39具有S形的横截面形状，而在图8中，连接元件39具有C形的横截面形状。在另一实施例中，连接元件39具有能够实现在可膨胀金属套筒7、10膨胀期间展开或伸直的不同的横截面形状，例如Z形。连接元件39可以可枢转地连接到第一连接套筒14和连接部件38，例如在“C”的端部、“S”的端部或“Z”的端部处。连接元件39可焊接到连接部件38和连接套筒14上，或者支承结构37可制成一个整体/一体件，使得连接元件39、连接套筒14和连接部件38制成一个整体/一体件。

在图7和图8中，连接套筒14在沿径向延伸方向的轴向方向L上固定地连接到连接部件38，并且相对于连接部件38在径向方向R上可移动地连接。如图所示，连接部件38具有围绕管状金属部件3的管状形状。如图7所示，连接元件39具有沿着轴向延伸方向L的元件长度52，并且连接部件38具有沿着轴向延伸方向L的部件长度53。元件长度基本上与部件长度相同。在图8中，连接部件38具有外表面凹槽54，连接元件39的一部分接合在该外表面凹槽54中，并且连接套筒14具有内表面凹槽55，连接元件39的一部分接合在该内表面凹槽55中。

连接套筒14与可膨胀金属套筒7、10的端部部分地重叠。在图7和图8中，连接套筒14具有周向套筒凸起58，并且可膨胀金属套筒7、10的端部抵靠周向套筒凸起58，并且通过焊接连接部50焊接到连接套筒14。环形密封元件45布置在第一周向凹槽47中，并且周向凹槽47形成在两个突起36之间。环形密封元件45在一侧由支承密封元件/补位密封元件48支承，在另一侧由另一个支承密封元件/补位密封元件48支承，其布置成使得当沿着轴向延伸方向L看时，环形密封元件45位于两个支承密封元件48之间。键环元件49围绕每个支承密封元件48的至少一部分。支承密封元件48可由聚四氟乙烯(PTFE)制成。键环元件49可由诸如弹簧钢的金属制成，并且环形密封元件45可由橡胶或弹性体制成。

在图8中，可膨胀金属套筒7、10包括填充有凹槽元件57的第二周向凹槽56。凹槽元件57可由聚四氟乙烯(PTFE)或橡胶制成。

“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 (20)

1.一种用于在具有小于5米的隔离层(24)的井(2)中提供区域隔离的环状屏障(1)，该环状屏障包括：

-管状金属部件(3)，其构造成能安装为金属井管结构(4)的一部分，所述管状金属部件具有外表面(5)、开口(6)和沿着所述金属井管结构的轴向延伸方向(L)；

-围绕所述管状金属部件的第一可膨胀金属套筒(7)，所述第一可膨胀金属套筒具有第一厚度(t₁)、第一端部(8)和第二端部(9)，所述可膨胀金属套筒的第一端部与所述管状金属部件的外表面连接；以及

-围绕所述管状金属部件的第二可膨胀金属套筒(10)，所述第二可膨胀金属套筒具有与所述第一可膨胀金属套筒基本相同的厚度，并且所述第二可膨胀金属套筒具有第二端部(12)和与所述管状金属部件的外表面连接的第一端部(11)，

其中所述环状屏障还包括具有大于所述第一厚度的第二厚度(t₂)的第一连接套筒(14)，所述第一连接套筒包括连接到所述第一可膨胀金属套筒的第二端部的第一套筒端(15)和与所述第二可膨胀金属套筒的第二端部(12)连接的第二套筒端(16)，所述环状屏障包括在所述管状金属部件、所述第一连接套筒和两个可膨胀金属套筒之间限定的环形空间(17)。

2.根据权利要求1所述的环状屏障，其中，所述第一可膨胀金属套筒和所述第二可膨胀金属套筒包括产生第三厚度(t₃)的突起(36)，所述第一厚度小于所述第三厚度。

3.根据权利要求1或2所述的环状屏障，其中，所述第一连接套筒具有变化的厚度，所述第一连接套筒的第二厚度是所述第一连接套筒的最大厚度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，还包括支承结构(37)，所述支承结构将所述第一连接套筒与所述管状金属部件连接，以便将载荷从所述管状金属部件传递到所述第一可膨胀金属套筒和所述第二可膨胀金属套筒。

5.根据权利要求4所述的环状屏障，其中，所述支承结构具有第一状态，在所述第一状态中，所述支承结构在垂直于所述轴向延伸方向的径向方向(R)上具有第一径向延伸长度，并且所述支承结构具有第二状态，在所述第二状态中，所述支承结构在垂直于所述轴向延伸方向的径向方向上具有第二径向延伸长度，所述第二径向延伸长度大于所述第一径向延伸长度。

6.根据权利要求4或5所述的环状屏障，其中，所述支承结构包括第一连接套筒(14)、连接部件(38)和将所述第一连接套筒和所述连接部件连接的连接元件(39)，所述连接部件固定地连接到所述管状金属部件。

7.根据权利要求6所述的环状屏障，其中，所述连接元件能在垂直于所述轴向延伸方向(L)的径向方向(R)上扩张。

8.根据权利要求6或7所述的环状屏障，其中，所述连接元件具有S形、C形或Z形的横截面形状。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的环状屏障，其中，所述连接部件永久地固定到所述管状金属部件。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的环状屏障，其中，所述连接套筒在轴向方向上固定地连接到所述连接部件，并且在径向方向(R)上相对于所述连接部件可移动地连接到所述连接部件。

11.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，还包括围绕所述管状金属部件的第三可膨胀金属套筒(18)，所述第三可膨胀金属套筒具有与所述第一可膨胀金属套筒相同的厚度，所述第三可膨胀金属套筒具有第二端部(20)和与所述第一连接套筒的第二套筒端(16)连接的第一端部(19)，所述环状屏障还包括具有第二厚度的第二连接套筒(21)，所述第二连接套筒包括与所述第三可膨胀金属套筒的第二端部连接的第一套筒端(22)和与所述第二可膨胀金属套筒的第二端部连接的第二套筒端(23)，使得所述第二套筒端(16)通过所述第三可膨胀金属套筒和所述第二连接套筒与所述第二可膨胀金属套筒的第二端部(12)连接，并且在所述管状金属部件、所述第一连接套筒和所述第二连接套筒以及这些可膨胀金属套筒之间限定环形空间(17)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，还包括：围绕所述管状金属部件的第四可膨胀金属套筒(25)，所述第四可膨胀金属套筒具有与所述第一可膨胀金属套筒相同的厚度，所述第四可膨胀金属套筒具有第二端部(27)和与所述第二连接套筒的第二套筒端(23)连接的第一端部(26)；以及具有第二厚度的第三连接套筒(28)，所述第三连接套筒包括与所述第三可膨胀金属套筒的第二端部连接的第一套筒端(29)和与所述第二可膨胀金属套筒的第二端部连接的第二套筒端(30)，使得所述第二套筒端(16)通过所述第三可膨胀金属套筒和所述第四可膨胀金属套筒以及所述第二连接套筒和所述第三连接套筒与所述第二可膨胀金属套筒的第二端部(12)连接，并且在所述管状金属部件、所述连接套筒和这些可膨胀金属套筒之间限定环形空间(17)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，还包括管(32)，所述管延伸穿过所述环形空间、穿过所述第一可膨胀金属套筒的第一端部与所述管状金属部件的连接部以及穿过所述第二可膨胀金属套筒的第二端部与所述管状金属部件的连接部，从而提供穿过处于膨胀状态下的所述环状屏障的流动通道。

14.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述管状连接部件包括与所述可膨胀金属套筒的端部重叠的突出凸缘(34)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述连接套筒的第一套筒端和第二套筒端包括突出的套筒凸缘(35)，每个突出的套筒凸缘均与可膨胀金属套筒的端部之一重叠。

16.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述第一可膨胀金属套筒的和所述第二可膨胀金属套筒的第一端部具有增加的厚度，用于连接至所述管状金属部件。

17.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述第二厚度比所述第一厚度厚至少5％、优选比所述第一厚度厚至少10％、更优选比所述第一厚度厚至少15％。

18.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，其中，所述第一可膨胀金属套筒和所述第二可膨胀金属套筒沿所述轴向延伸方向的长度比所述连接套筒的长度长至少50％、优选比所述连接套筒的长度长至少60％、更优选比所述连接套筒的长度长75％。

19.根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障，还包括至少一个环形密封元件(45)，所述环形密封元件布置在可膨胀金属套筒的外表面(46)上。

20.一种井下系统，其包括金属井管结构和多个根据权利要求1-19中任一项所述的环状屏障。