CN1298468A - 一种柔性衬管 - Google Patents

Abstract

一种可变形的衬管,其壁面具有一组轴向、环状或螺旋状的细管,这些细管可响应于衬管在径向和/或轴向方向上的变形,至少部分地发生变形,这种衬管用于在诸如地下井孔等管腔中形成一个可变形的衬套。

Description

一种柔性衬管

本发明涉及一种可变形的衬管，以及在一个管状孔腔内形成一个可变形衬管的方法。

美国专利说明书第3353599号和5014779号公开了这样的技术内容：将一个波纹管插入到一个井孔的地下钻孔中，并在井下将波纹管膨胀成圆管形状。

美国专利说明书第5366012号公开了这样的技术：通过采用一个开有狭槽的管子作为膨胀管来降低膨胀管子所要施加的径向力，其中的狭槽在膨胀作用下可向外展开。

但采用开有狭槽或初始状态为波纹管的管子所面临的问题是：膨胀开后的管子在机械强度方面是不足的。

国际专利申请公开文件WO 98/00626公开了用一个胀开心轴来撑开不带有狭槽的圆柱形管的内容。

但后一种撑展方法的缺点是用于撑开管子的力相对较大，且由于执行了胀撑过程，管子会发生一定的回缩。

本发明的目的是解决上述现有技术中所存在的不足之处，并提供一种利用一种结实且可变形的管子在一个管状孔腔中生成柔性衬管的方法，其中的管子在相对较低的变形力作用下就可进行膨胀、或换言之发生变形。

根据本发明的方法包括如下的步骤：将一个衬管布置在孔腔中某一选定的位置处，其中的衬管的至少部分壁面是由一定数目的细管组成的，并可通过一个或多个细管外周形状的改变来实现衬管的变形。

可以注意到，在法国专利说明书第721430和2326229号中公开了一种海上用的大直径柔性升水管，在该管子的壁面内设置了可充胀的轴向、径向或螺旋状的细管，来在管子被用于从海底向海面泵送冰冷海水时，使管子具有一定的柔韧性。荷兰专利申请文件第8005762号公开了一种绝热塑料管，在该管的管壁中设置了很多孔洞。但所有这些已知的管子都不是为了在地下钻孔等的孔腔中形成一个可变形衬管而设计的，也不用于此目的。

根据本发明的衬管的变形会伴随着细管外周形状的压扁或其它形式的改变，而这样的变形主要是需要有挠曲力的作用，而该挠曲力大大低于膨胀开一个圆筒状管子所要施加的张力。

希望能获得一种可在轴向方向、或径向方向、或兼在这两个方向上容易地发生变形的衬管。如果需要一根管子作为石油和/或天然气生产油管等插入到一个相对较狭窄、且形状不规则的地下井孔中时，则一种可径向变形的衬管是非常适用的。如果管子是一根油层衬管、或是油管、套管或其它形式的油井管时，一根可轴向变形的衬管是有用的，因为这些油井管要被顶装在一个致密的储油层中，而由于顶压过程的作用，油井管存在被挤弯的可能性。

如果希望能有一种可在径向方向上进行变形的衬管，则最好使至少部分管壁用一系列轴向的细管组成的，这些细管在基本平行于管子纵长轴线的方向上延伸，从而使管子在发生径向变形时，轴向的细管可至少发生部分变形。

如果希望衬管能在轴向方向发生变形，则最好使管子的至少部分壁面是由一个或多个环形细管组成的，这些环形细管环绕管子的纵长轴线，在基本为圆环的方向上延伸，当管子发生轴向变形时，环形细管可至少局部地被压扁或发生其它形式的变形。

如果希望衬管能在径向和轴向两个方向上发生变形，则最好是使管子的至少部分壁面是由一个或多个螺旋细管组成的，这些螺旋细管基本在围绕管子纵长轴线的螺旋方向上延伸，从而当管子在与各个螺旋细管的纵长方向成一定角度的方向上发生变形时，至少能有一个螺旋细管发生变形。

细管可由金属、塑料、橡胶或其它的材料制成，并通过焊接、钎焊、粘接或其它的连接方法和相邻近的细管或管壁上的其它部分固定在一起。

在管子发生膨胀之前，细管的形状可以是折叠态的圆柱形、椭圆形或棱柱形，在膨胀作用下，细管被展开或压扁成椭圆状、圆柱状或棱柱状。

很合适的作法是，在管子的外周面方向上，细管设置有开口或弱化点，弱化点在变形过程中可向外张开，从而将一种或多种流体从细管的内腔中挤到环绕管子的空间内。

在这样的情况下，在从细管内部挤出的流体可以包括一种或几种化学成分，例如为一种化学处理液或含有一种胶浆液成分，或含有一种硬化剂成分，这些成分只有在它们从细管中挤出或挤出之后才混合在一起。

下文将参照附图，通过示例对本发明进行更为详细的描述，在附图中：

图1的轴向剖视图表示了一个管子在膨胀前和膨胀后的状态，该管子的壁面是由许多轴向细管组成的，它们在膨胀前是圆柱状，而在膨胀后成为椭圆状；

图2的轴向剖视图表示了一个管子在膨胀前和膨胀后的状态，该管子的壁面是由一系列轴向细管组成的，它们在膨胀前是棱柱状，而在膨胀后成为椭圆状；

图3的轴向剖视图表示了一个管子在膨胀前和膨胀后的状态，该管子的壁面是由一系列轴向细管组成的，这些细管在膨胀前和膨胀后均为椭圆状；

图4的轴向剖视图表示了一个管子在膨胀前的状态，管子的壁面包括一系列轴向细管，该管子在其被膨胀开之前被折压成一个基本为平板的形状；

图5是一个管子的纵向剖视图，该管子的壁面是由一组环状的细管组成的；

图6是一个放大的详细视图，表示了图5中所圈住的三个环状细管的圆柱结构；

图7的纵向剖视图表示了图5中的管子在被轴向压缩后的状态；

图8放大的详细图表示了图7中圈住的三个环状细管的椭圆形状；

图9的轴向剖视图表示了一种可径向膨胀的管子在膨胀前和膨胀后的状态，其包括六个轴向或螺旋状的细管；

图10的轴向剖视图表示了一种在非膨胀状态的管子，其壁面包括一组处于折叠态的细管，这些细管在管子的膨胀过程中可展开成圆柱状；

图11的轴向剖视图表示了另一种在非膨胀状态的管子，其壁面包括一组处于折叠态的细管，这些细管在管子的膨胀过程中可展开成圆柱状；以及

图12的轴向剖视图表示了一种在非膨胀状态的管子，它的折皱在膨胀过程中可展开，其包括一个作为塑性铰链的细管，该细管在膨胀过程中可被挤扁。

参见图1，图中表示了位于一个圆筒井孔或其它孔腔2中的一个管子1，该管子的壁面是由一组轴向细管3组成的，这些细管的形状在管子1发生膨胀之前基本为圆柱形，而当管子1膨胀到一个更大的直径之后，则变成图中数字标号3B所示的椭圆形状。

管子1可借助于一个胀开心轴(图中未表示出)、或通过增加管子1内部4的液体压力来进行膨胀。在膨胀过程的作用下，细管3受到一个弯曲作用，从而只需要相对较小的力。

如果细管3是由钢铁或其它的金属材料制成的，则最好使细管3沿区域5的长度方向烧结、焊接、或钎焊在一起，其中在区域5处细管相互接触在一起。

如果细管3的壁面是不具有渗透性的，且管子1只是临时性地应用在孔腔2中，例如只是作为一个临时性的密封，则可以通过在细管3内部6中泵入高压流体使管子1再次发生径向收缩，这将会导致扁平细管3B回复到其初始时的圆柱管形状，从而使管子1在径向上回缩，并能容易地从孔腔2中脱出。

如果管子1是用来永久地放置在孔腔2中，例如如果管子1被用作一个套管，则至少部分细管3可用含有水泥浆或硅胶等硬化剂的液体配合剂进行填充，且这些细管的外壁面可包括开口7或弱化点，弱化点在膨胀过程作用下可发生开裂，经此开口所说的液体配合剂就被挤入到环绕膨胀管子1的外围环绕空间8中，液体配合剂的各个组分混合在一起，固化成为硬化水泥、硅树脂或其它的固化密封合成物。

图2表示了根据本发明的可变形管子的另一种等效实施方式。该管子9也可在径向方向变形，并包括一组细管10，这些细管在膨胀之前是棱柱状，在膨胀之后成为图中数字标号10B所示的椭圆状。

细管10设置得基本平行于管子9中心的纵长轴线11。细管10是由钢铁或其它金属材料制成的，并通过焊接、钎焊或烧结焊在纵向相互连接起来。

图3也表示了根据本发明的可变形管的另一种实施方式，其中的管子12也可在径向方向上变形，其包括一组细管13，这些细管在膨胀前为椭圆状，并在管子12发生径向膨胀后成为几乎扁平的椭圆形状。

在该实施例中，细管从图中以13A指代的第一椭圆形状变形为图中用13B指代的第二椭圆形状，其中第一椭圆的长轴方向指向径向方向，而第二椭圆的长轴方向则指向切线方向。

下面参照图4，图中表示了一种可变形的管子14，其包括一组轴向细管15，其中在细管14相对的两侧有两对细管通过塑性铰链16连接在一起。这些塑性铰链16使管子14通过卷绕到一个卷索筒上(图中未示出)等方法在折平状态下进行储放和运输。

当管子14从卷索筒上卷放出来时，通过一个导套(图中未示出)将其鼓成圆柱形状。如果管子14是被用在一个井筒或在另一个圆管中，则管子14被卷放到井孔或另外管体的内腔中，并通过将高压流体泵送到管子14的内腔17中的方法来将其膨胀开。

图4中所示的初始状态为扁平的结构可使得管子14通过卷绕到一个小直径卷索筒上等方法很容易地进行储放和运输，其中的储放和运输过程涉及生产阶段以及将管子14从产地运输到工作地点的过程。

图5、6、7、8表示了根据本发明的可变形管的另一种实施方式，在该实施例中，细管18A、18B为环管形状，以使得管子19可在轴向方向上进行变形。

图5所示的管子19可作为致密油气岩层中的油层衬管，如图6所详细表示的那样，环状细管18A的截面形状基本为圆柱形。在图7所示的状态中，管子19发生了轴向收缩，从而其长度和图5所示的原始长度相比缩短了18％。

由于管子19在轴向方向上的收缩，图7中的细管18B变形成了一个椭圆形，该结构在图8中有更为详细的表示。

下面参见图9，图中表示了一个管子20，它在一个井孔21或其它形式的孔腔中进行膨胀。

管子20的壁面包括六个细管23、24、25、26、27和28，它们在纵长方向上、或相对于管子20的纵长轴线成螺旋线的方向上进行延伸。

相邻的细管23、24、25、26、27和28沿它们的长度方向通过纵延的焊缝32连接在一起。塑性铰链22被设置在细管23-28的壁面上，位于每个焊缝32的两侧。

图中未膨胀开的管子20被表示在中央位置，六个未膨胀开的细管23-28的形状都是一个分饼状的扇形区，在相邻的细管23-28之间只留出一条很窄的沟30。为了膨胀开管子20，一种压力流体被泵送到沟30中，这将导致管子20发生膨胀，直到细管23-28的壁面被撑长拉紧和/或细管23B-28B的壁面贴压到井孔21上。

如果管子20是要经过一个狭小的空间余量、例如为一个小直径的生产油管插入到井孔21中的，则图9所示的这种体积效率很高的结构是很具有吸引力的。此外，未膨胀开的细管23-28的内部容积相对较大，而膨胀开后的细管23B-28B的内部空间则相对较小，因而如果细管23-28的外周处的壁面是多孔的、或可在膨胀过程中发生穿孔、或换言之具有流体通透性，则相当大体积的流体可从细管23-28中的内腔挤压到外周的环腔和/或岩层中。

以这样的方式，相当大体积的密封剂和/或工作液就可被喷入到管子20的周边环道中和/或环绕井孔21的岩层31中。

向外可通透的管子20在将工作液喷入到地下岩层31方面是非常合适的，地下岩层沿井孔21的长度方向包括多个通透性不同的层。如果细管23-28的外壁和周围的岩层31相比，具有非常低的液体通透性，则一旦细管23B-28B的外壁贴压到井孔21上，则工作液就可以一个相对恒定的流量挤入到各个周边岩层中，从而降低了只把工作液主要喷入到可渗透岩层、而漏过了渗透性略差的岩层的可能性。

如果管子20被用作工作液喷射器具，那么它就只是临时性地作为一个衬管，则细管23-28的外壁可用渗透橡胶和/或纤维材料制成，而细管23-28对着管子20内腔30的内壁可用不具有渗透性的橡胶制成。在将工作液喷出之后，管子20内腔30中的压力就被降低了，从而使管子20在径向方向上发生收缩，这样就可容易地从井孔中撤出。

如果不是需要管子20在将流体喷出到岩层中之后就发生收缩，而是需要管子20在紧贴井孔21的膨胀状态下发生硬化，则可通过将纤维或其它材料浸渍在慢效硬化环氧树脂或其它的塑性合成物中来实现，从而使固化后的管子20此后能作为一个油井尾管使用。

相邻的细管也可以具有不同的形状，并内充不同的流体，在膨胀作用下相邻的细管间形成了初始开口，选定细管内的多种流体经这些开口被混合在一起，其中的开口位于这些细管上的外壁面上，在膨胀过程中的随后阶段，预先混合好的流体经这些开口挤入到周围的环状空间内。

管子20以及图1-4所示管子结构的壁面还可以由一种网状材料来制成。在这样的情况下，管子可用一个胀开心锥来撑开，或用一个在管子内部充气胀开的气袋来撑开。

由于形成细管壁的网状材料主要是进行弯曲，而不会或几乎不发生伸展，所以网眼的孔眼尺寸在膨胀过程中能基本保持恒定。由网状材料制成的膨胀开的管子可作为一个过滤器，它防止了沙砾或其它的固态杂质进入到井孔21中。

可在径向膨胀的管子20和图1-4中所示的其它可在径向膨胀开的管子结构还可以由细管23-38组成，这些细管是由钢铁等不渗透液体的材料制成的，这些材料只是在管子内腔30的压力超过一个预先设定的数值时发生变形。在此条件下，管子可被作为一个生产管进行安装，该生产管作为一个井喷抑制器，在发生井喷时，管子膨胀开并密封住环绕生产管周围的环状空间。图9中所示的可在径向膨胀的管子结构也可以用作钻杆。在此条件下，在钻进过程中钻探泥浆经细管23A-28A的内部进行泵送。在一个钻井循环的后期，高压流体被喷入到管子20的内部30，管子20从而被鼓贴在井孔21的壁面上，形成井孔的衬管，而钻头和钻进马达组件则可以通过钢丝绳或挠性油管经管子20的内腔30拖到地面上，组件也同时起到了胀开心锥的作用。

如果只需要在管子上设置小的膨胀度，则管子的壁面可只设置一个或很少几个轴向或螺旋状的细管。

如果管子20或其它径向膨胀结构的壁面是由橡胶或其它弹性可变形材料制成的，则膨胀管子还可作为一个高膨胀度的油井封隔器或桥塞。

可以理解，如果细管被定向在轴向上，则可获得一种能在径向方向上进行变形的管子。如果细管如图5-8所示的那样定位在一个圆周方向上，则可获得一种可在轴向方向上进行变形的管子。

如果细管被定位在螺旋方向上，则管子既可以在轴向方向、也可以在径向方向上进行变形，而螺旋结构的螺旋角则影响管子在轴向或径向方向上的可变形程度。

图10表示了一种管子结构，其中管子40的壁面是由一组可折叠的轴向细管41组成的。

如果细管41是由钢材制成的，则它们沿长度方向可通过轴向焊缝42并排地连接在一起。每个细管41在朝向管子40外圆周的方向上都包括单个塑性铰链43，而在管子40的内侧方向则设置了一组四个塑性铰链44、45、46和47。每个塑性铰链43-47都是通过在细管41的内壁面和/或外壁面上加工出轴向沟槽来形成的。

四个一组的塑性铰链44-47确定出一个壁面区段，在该区段处细管41可向内折叠而形成一个U型或Δ型的凹进48，该凹进的开口朝向管子40的内腔49。

管子40是通过在细管41的内部50充入一种高压流体来实现膨胀的，这将使细管绕塑性铰链43-47通过铰转运动而展开，因而使每个细管41都变成一个圆柱形状(图中未示出)。

随着细管41的膨胀开，管子40的内部直径和外部直径都增大了。

图11表示了另一种管子51，它的壁面也是由一组可折叠的轴向细管52组成。

如果细管52是由钢铁制成的，则它们在长度方向用轴向焊缝53并排地连接在一起。每个细管52在管子51的外周面和内周面处都设置了四个一组的塑性铰链54，每个塑性铰链54都是通过在细管52的内壁面和/或外壁面上加工出轴向沟槽来形成的。

每组塑性铰链都确定出一段壁面部分，在该部分的细管52可向内塌折而形成一个U型或Δ型的凹进55，该凹进的开口分别朝向管子51的内腔57和外部56。

管子51通过在细管51的内部58充入一种高压流体来实现膨胀，这将使细管绕塑性铰链54通过铰转运动展开，使得每个细管都变成圆柱形状(图中未示出)。

由于细管的膨胀，管子51的内部直径和外部直径都增大了。

图12表示了一种可折叠管子60，其在下侧具有一个单塑性铰链，该铰链是由一个轴向细管61形成的，在其上侧有一组四个塑性铰链62，它们是通过在细管60的内壁面和/或外壁面上加工出轴向沟槽来形成的。

当管子处于折叠状态时，这四个塑性铰链62在管子60的上侧形成了一个Δ型的凹进63。

管子60是通过在管子60的内腔64中泵入压力液体来展开的。这使得管子在箭头所示的方向展成一个圆柱形状，该圆柱在图中用点划线60A表示。细管61起到了塑性铰链的作用，并随着管子60的展开而成为如图中点划线61A表示的椭圆形状。

细管61是由塑性可变形材料制成的，例如为可模锻高强度低合金钢或双相钢等级的钢材，这使得管子61在膨胀过程中在圆周方向也具有柔性。在膨胀过程完成之后，一种硬化剂可泵入到椭圆细管61A的内腔65中，以增强细管61A。细管61的内腔65还可设置电气和/或液压导管，用于沿管子的长度方向传送电力和/或液压动力和/或信号。

如果管子被用作油井和/或天然气开采井中的衬管，则气举液体、促进剂、工作液或脱氧液体会经过一个或几个细管泵入到井中某一深度，然后和所开采出的流体混合在一起。

表示在附图中的可变形管的实施例提供了一种可容易地进行变形的管子，该种管子并可被卷绕在卷索筒。该管子可从卷索筒上卷放出来，并注插到地下井孔或其它需要使用该管子的孔腔中。随后该管子在井孔中或其它孔腔中通过改变管子壁面内的一个或多个细管的圆柱状截面来实现变形。所说一个细管或几个细管的变形可能涉及压扁、膨胀或者其它的变形形式。

Claims (15)

1．一种在一个管状孔腔中形成一个可变形衬管的方法，该方法包括如下的步骤：将一个衬管布置在孔腔中某一选定的位置处，其中的衬管的至少部分壁面是由一定数目的细管组成的，衬管并可通过一个或多个细管外周形状的改变来实现自身的变形。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过在其内壁面上施加一个径向液压力或机械压力使衬管发生径向膨胀，从而压扁、或换言之改变一个或几个细管的圆周形状，并将衬管的外壁面贴压在孔腔壁上。

3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：其中的孔腔是一个地下井孔、钻孔、或另外的一个管腔，其中的衬管被用作这些井孔或管腔上某一选定长度段内临时或永久性的可膨胀衬管。

4．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在衬管发生变形之前，细管的形状大体上是圆柱形，随着管子的变形，细管变形为接近于椭圆的形状或成为一个扁平形状。

5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在衬管发生变形之前，细管的形状大体上为棱柱状，随着管子的变形，细管变形为接近于扁平的形状。

6．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在细管的外周面上设置有开口或弱化点，由于变形过程的作用，弱化点可向外张开，从而将一种或多种流体从细管的内腔中挤到环绕衬管的空间内。

7．根据权利要求6所述的方法，其特征在于：从细管内部挤出的流体可包括一种或几种化学成分，例如含有水泥浆成分、硬化剂成分或一种化学处理液成分。

8．一种应用在权利要求1所述的方法中的可变形衬管，该管子的至少部分壁面是由一组细管组成的，其中至少有一根细管的圆周形状可响应于衬管在孔腔中的变形，而至少部分地发生改变。

9．根据权利要求8所述的可变形衬管，其特征在于：衬管的至少部分管壁是由一系列轴向细管组成的，这些细管在基本平行于管子纵长轴线的方向上延伸，从而在衬管发生径向变形时，轴向细管可至少发生部分变形。

10．根据权利要求8所述的可变形衬管，其特征在于：管子的至少部分壁面是由一组环形细管组成的，这些环形细管在环绕管子的纵长轴线、基本为圆环的方向上延伸，当管子发生轴向变形时，环形细管可至少局部地发生变形。

11．根据权利要求8所述的可变形衬管，其特征在于：管子的至少部分壁面是由一个或多个螺旋细管组成的，这些螺旋细管基本在围绕管子纵长轴线的螺旋方向上延伸，从而当管子在与各个螺旋细管的纵长方向成一定角度的方向上发生变形时，至少能有一个螺旋细管至少发生部分变形。

12．根据权利要求8所述的可变形衬管，其特征在于：管子的至少部分壁面是由一组大体上平行的细管组成的，这些细管并排设置，并相互连接在一起。

13．根据权利要求12所述的可变形衬管，其特征在于：细管是由金属材料制成，且一对相邻细管的侧边基本相触在一起，并通过烧结、焊接、点焊、钎焊、粘接或其它的连接方法彼此相互固定。

14．根据权利要求12所述的可变形衬管，其特征在于：细管是由塑料、弹性体材料或纤维材料制成，且相邻细管的侧边基本相触在一起，并相互粘接在一起。

15．根据权利要求11或12所述的可变形衬管，其特征在于：其中的一个或多个细管是可折叠的，它们的壁面上具有至少三条纵向的铰接线，从而在储放和运输过程中，形成可向内折叠的壁面区段，在变形过程中，通过加大细管内部的压力就可展开那些折叠的壁面区段。

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