CN1769643B - 可膨胀式封隔器组件 - Google Patents

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Abstract

利用可膨胀的双封隔器进行常规的地层评估包括下列步骤：对封隔器加压以隔离井孔壁的环形部分；通过井孔壁的被隔离的部分收集一个或者多个地层流体的样品；以及对封隔器减压以使芯棒在井孔内移动。提供有利地利用一种或多种下列步骤的取样方法和设备，这些步骤包括：在加压步骤中利用环形支撑组件限制封隔器的变形；利用周围井孔压力主动收缩封隔器；以及基本上使得芯棒定心于所述封隔器中间以抵抗芯棒的弯曲。

Description

可膨胀式封隔器组件
技术领域
本发明涉及用于井下操作的可膨胀式封隔器组件，特别涉及适用于地层流体取样的可膨胀式封隔器。
背景技术
在油井被钻出后，操作者通常需要获得井下数据，诸如压力测量和用于分析的井下流体样品。这些任务通常由测井下井仪来完成，诸如模块化钢丝绳工具或者具有评估能力的钻井工具，该具有评估能力的钻井工具使用能够接合地层并且建立流体连通以进行压力测量和获得流体样品的探头。流体通常通过探头中的入口被抽入到测井下井仪中。在一些情况下，诸如对于坚固的、低渗透性的地层，取样探头通常被可膨胀的双封隔器组件代替。这样的探头和封隔器系统的示例例如在授权给Schlumberger的美国专利US 4860581和US 4936139中被描述。
图1A-1B示例性地示出了分别在放气和膨胀的状态下的双封隔器元件10的常规结构。封隔器元件10沿着在穿透地下地层的钻孔中被钢丝绳14输送的测井下井仪12被隔开。尽管示出了钢丝绳工具，被钻杆柱、盘管等输送的其他测井下井仪也适于这样的任务。当被膨胀时，封隔器元件10相互配合以密封或者隔离井孔壁18的一段16，从而提供了一个流动区域，利用该流动区域可使得流体从周围地层流出。
当封隔器元件(通常由橡胶制成)膨胀时，它们的端部通常保持大的变形量和弯曲应力，这可导致周围撕裂和系统失效。另外，由于井孔通常表现出高温，特别在大的深度处，因此封隔器元件通常遭受很大的热应力。
人们试图防止封隔器失效。因此，可膨胀式封隔器主体或者元件通常装有采用金属缆线或者板条的形式的加强件。尽管这些加强件可用于提高封隔器元件的寿命，但在当封隔器元件膨胀并且与高温井孔的壁18接合时遭受的高应力下加强件可塑性变形并且产生不希望的挤压(如图1B-1C中所示)。另外，支撑件(即，金属板条或者缆线)可具有有限的强度，并且封隔器元件的挠性材料-通常为橡胶-随着温度升高而强度减小。所产生的变形可是不可回复的，从而阻止封隔器元件在取样后收缩到所需直径内。换言之，封隔器不太可能成功地回复到图1A中所示的外形。这样，当使用这些所谓的“板条封隔器”时，增加了卡在井孔中的危险。
尽管在封隔器技术中存在一些改进，但仍然需要一种在苛刻的井孔状态下具有长寿命的封隔器。希望这样一种封隔器限制或者抑制封隔器在井孔操作中经受的变形以达到“较平缓”的膨胀形状(例如，避免图1B-1C的挤压外形)并且从而提高封隔器的寿命。最好，这样一种解决方案适于与已知的封隔器主体或者元件结合使用。还希望封隔器收缩到它们的初始形状(例如，如图1A中所示)以减小测井下井仪卡在井孔中的可能性。最好，这样一种解决方案可使用周围的井孔流体压力以达到所需的收缩，并且平衡施加在测井下井仪的每一个封隔器上的载荷。
在双封隔器组件中产生的另一个问题涉及封隔器元件之间的轴向间距。当该距离增大时，例如为了增大井孔壁的隔离区域，在分离封隔器的芯棒处弯曲的危险通常增大。因此，需要一种解决在分隔的双封隔器组件中的弯曲风险的方案。
定义
在说明书中对于某些术语在第一次使用时进行了定义，同时对说明书中使用的某些其他术语定义如下：
“可展开的”指的是可从一个位置或者构造移动到另一个位置或者构造，特别是利用膨胀或者展开。
“朝内”指的是朝向物品或者一组物品的中心或者中部(例如，朝向封隔器的中心)。
“下部”指的是在井孔内位置较深(例如，具有两个端部支撑件的封隔器的下端支撑件)。
“芯棒”指的是其他部件布置、组装或者支撑在其周围的棒、杆、心轴或者管状元件，特别用于在井孔内执行一个或者多个操作。
“外部”指的是放置于或位于物理极端或者极限。
“朝外”指的是朝向远离物品或者一组物品的中心或者中部(例如，朝向远离封隔器的中心)。
“上部”指的是在井孔内位置较浅(例如，双封隔器构造的上封隔器)。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种可膨胀式封隔器组件，包括具有一对端部的可膨胀的第一管状元件和用于将第一管状元件的相应端部固定在设置于第一管状元件内的芯棒周围的第一对环形端部支撑件。第一环形支撑组件可从其中一个端部支撑件展开以在其加压和膨胀后加强第一管状元件。
最好，第一环形支撑组件可通过在其一个端部处与其中一个端部支撑件枢接来展开。或者，可展开的特征可由其他适合的扩展或者展开装置来提供，诸如在第一环形支撑组件(作为一个整体或者利用其单独的部件)和其中一个端部支撑件之间的类似柱塞的接合。这样的选择通过本发明是可以预见的并且被认为在其保护范围内。
最好，其中一个端部支撑件是可移动的并且另一个端部支撑件相对于芯棒被固定。但是，本发明延展到其中两个端部支撑件相对于芯棒固定的实施例。
第一管状元件包括本领域已知的挠性或者弹性材料。端部支撑件最好是金属的并且每一个包括用于接收第一管状元件的一端的环部。
第一环形支撑组件最好在其与枢接端相对的端部处是可扩展的。环形支撑组件的各个实施例使用呈环形布置的多个指状物或者板条并且每一个在其一端处与可移动的端部支撑件或者固定的端部支撑件枢接。
在环形支撑组件使用板条的情况下，最好每一个板条具有从其枢接端增大到其另一端的宽度，并且板条被布置以使得每一个板条与相邻的板条部分交叠。
封隔器组件可包括一对环形支撑组件，每一个环形支撑组件在其中一个端部与第一对环形端部支撑件中的一个枢接以在其加压和膨胀后加强第一管状元件。
封隔器组件通常将在可膨胀的双封隔器的支撑中使用适用于测井下井仪中的芯棒。因此，封隔器组件还可包括具有一对端部的可膨胀的第二管状元件和用于将第二管状元件的相应端部固定在芯棒周围的第二对环形端部支撑件。第一和第二对端部支撑件相互配合以在第一和第二管状元件之间限定一轴向间距。第二环形支撑组件在其一个端部与第二对端部支撑件中的一个枢接以在其加压和膨胀后加强第二管状元件。
最好，第二对端部支撑件中的一个端部支撑件是可动的，另一个端部支撑件相对于芯棒是固定的。
在使用双封隔器的封隔器组件实施例中，第一和第二对端部支撑件的每一个的下端部支撑件最好是可动的端部支撑件。或者，第一和第二对端部支撑件中的外端部支撑件是可动的端部支撑件。
封隔器组件的特定实施例还装有能够使得第一对端部支撑件的可动端部支撑件从膨胀位置移动到收缩位置的第一收缩组件。这样的实施例还可装有能够使得第二对端部支撑件的可动端部支撑件从膨胀位置移动到收缩位置的第二收缩组件。在这些实施例中，最好，与第一和第二收缩组件的每一个相关的可动的端部支撑件装有大于其朝外的表面区域的朝内表面区域，从而当第一和第二管状元件被减压和收缩时井孔流体压力在低压腔室上方施加使得可动的端部支撑件向外移动的净作用力。
本发明的封隔器组件的特定实施例还包括在第一和第二管状元件中间的轴向间距中由芯棒所携带的可膨胀的扶正器以抵抗芯棒的弯曲。
在另一个方面，本发明提供一种可膨胀式封隔器组件，包括具有一对端部的可膨胀的第一管状元件和用于将第一管状元件的相应端部固定在设置于第一管状元件内的芯棒周围的第一对环形端部支撑件。其中一个端部支撑件是可动的，另一个端部支撑件相对于芯棒是固定的。提供第一止动件以限制可动的端部支撑件的轴向移动。
在特定实施例中，可动的端部支撑件装有大于其朝外的表面区域的朝内表面区域，从而当第一管状元件被减压和收缩时井孔流体压力施加使得可动的端部支撑件向外移动的净作用力。
封隔器组件和可动的端部支撑件可被设置成围绕固定在芯棒上的套筒轴向移动的形式。套筒具有对应于可动的端部支撑件的朝内和朝外的表面区域的阶梯形半径。
封隔器组件还可包括第一环形支撑组件，第一环形支撑组件在其一个端部与其中一个端部支撑件枢接以在其加压和膨胀后加强第一管状元件。
封隔器组件通常将在可膨胀的双封隔器的支撑中使用适用于测井下井仪中的芯棒。因此，封隔器组件还可包括具有一对端部的可膨胀的第二管状元件和用于将第二管状元件的相应端部固定在芯棒周围的第二对环形端部支撑件。其中一个端部支撑件是可动的，另一个端部支撑件相对于芯棒是固定的。提供第二止动件以限制可动的端部支撑件的轴向移动。
在特定实施例中，可动的端部支撑件装有大于其朝外的表面区域的朝内表面区域，从而当第一管状元件被减压和收缩时井孔流体压力施加使得可动的端部支撑件向外移动的净作用力。第一和第二对端部支撑件相互配合以在第一和第二管状元件之间限定轴向间距。封隔器组件的这样的实施例还可包括第二环形支撑组件，第二环形支撑组件在其一个端部与其中一个端部支撑件中的一个枢接以在其加压和膨胀后加强第二管状元件。
在另一个方面，本发明提供一种可膨胀式封隔器组件，包括设置在适用于设置在井孔中的测井下井仪中的芯棒周围的一对可膨胀式封隔器，所述封隔器以一定轴向间距分隔开。芯棒由位于第一和第二封隔器中间的轴向间距中的可膨胀的扶正器携带以抵抗芯棒的弯曲。
所述扶正器可包括沿着芯棒携带的一对支撑件，至少一个支撑件可沿着芯棒轴向移动。这些实施例的扶正器还包括多对(最好三对)铰接的臂。每一对臂具有与相应的支撑件枢接的第一端和相互枢接的第二端。致动器由芯棒携带以促使每一个可动的支撑件轴向移动，从而使得每一对臂的枢接的第二端径向向外移动以在井孔壁上施加使得芯棒基本上置于井孔中心的作用力。
所述扶正器还可包括多个弹簧叶片，每一个弹簧叶片具有与相应的支撑件枢接的端部以使弹簧叶片位于相应的铰接臂对和井孔壁之间。弹簧叶片和枢接臂相互配合以在井孔壁上施加使得芯棒基本上置于井孔中心的作用力。
本发明的另一个方面涉及一种围绕设置在穿透地下地层的井孔中的芯棒展开所携带的一对隔开的可膨胀式封隔器的方法。该方法包括对封隔器加压以隔离井孔壁的环形部分、通过井孔壁的被隔离的部分收集一个或者多个地层流体的样品以及对封隔器减压以使芯棒在井孔内移动。该方法还包括下列步骤中的一个或者多个：在加压步骤中利用环形支撑组件限制封隔器的变形；限制可动的端部支撑件的轴向移动；以及基本上使得芯棒定心于所述封隔器中间以抵抗芯棒的弯曲。
每一个封隔器可包括具有一对端部的可膨胀的第一管状元件和用于围绕芯棒固定第一管状元件的相应端部的第一对环形端部支撑件。最好，其中一个端部支撑件是可动的，另一个端部支撑件相对于芯棒是固定的。在这些实施例中，限制变形步骤是利用在其一个端部与一个端部支撑件枢接以在其加压和膨胀后加强第一管状元件的环形支撑组件来实现的。
在特定实施例中，该方法还包括利用周围井孔压力使得封隔器主动收缩的步骤。因此，每一个封隔器可包括具有一对端部的可膨胀的管状元件和用于围绕芯棒固定第一管状元件的相应端部的一对环形端部支撑件。其中一个端部支撑件是可动的，另一个端部支撑件相对于芯棒是固定的。可动的端部支撑件装有大于其朝外的表面区域的朝内的表面区域。当第一管状元件减压和收缩时井孔流体压力施加使得可动的端部支撑件向外移动的净作用力，从而利用井孔流体压力主动地收缩封隔器。
定心步骤还可利用使用多个铰接臂的扶正器来实现。
从下面的描述和技术方案中可以明显地看出本发明的其他方面和优点。
附图说明
为了能够详细理解本发明的上述特征和优点，下面参照附图中所示的实施例对以上简单概括的本发明进行更具体的描述。但是，应该注意的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不能被认为是对其保护范围的限制，本发明可允许其他等效的实施例。
图1A是现有技术所涉及的装有一对可膨胀式封隔器的钢丝绳输送的测井下井仪的示意图。
图1B示出了图1A中的测井下井仪，其中封隔器膨胀并且在各个低压侧经受挤压。
图1C详细示出了图1B的上封隔器。
图2-3是适合使用本发明的已知钢丝绳输送的测并下井仪的示意图。
图4A示出了具有可膨胀式封隔器和环形支撑组件的测井下井仪。
图4B示出了图4A的测井下井仪，其中封隔器膨胀并且环形支撑组件膨胀以抵抗封隔器挤压。
图5A示出了根据图4A中的截面线5A-5A得到的部分截面图。
图5B示出了根据图4B中的截面线5B-5B得到的部分截面图。
图5C示出了根据图4B中的截面线5C-5C得到的部分截面图。
图6A示出了一种可膨胀式封隔器和可选择的第一环形支撑组件的一部分。
图6B示出了膨胀的图6A的封隔器，并且可选择的第一环形支撑组件膨胀以抵抗封隔器挤压。
图7A示出了一种可膨胀式封隔器和可选择的第二环形支撑组件的一部分。
图7B示出了膨胀的图7A的封隔器，并且可选择的第二环形支撑组件膨胀以抵抗封隔器挤压。
图8A示出了一种可膨胀式封隔器和可选择的第三环形支撑组件的一部分。
图8B示出了膨胀的图8A的封隔器，并且可选择的第三环形支撑组件膨胀以抵抗封隔器挤压。
图9示出了收缩组件。
图10A示出了用于可膨胀式封隔器的图4A-B的环形支撑组件和图9的收缩组件。
图10B示出了膨胀的图10A的封隔器，并且环形支撑组件膨胀以抵抗封隔器挤压。
图11示出了具有双封隔器组件的钢丝绳工具，双封隔器组件装有用于抵抗在封隔器中间的工具部分弯曲的扶正器。
图12示出了装有分别具有图9的收缩组件的一对可膨胀式封隔器的测井下井仪，其中上封隔器被倒置以使得两个相应的封隔器的低压侧固定。图12的测井下井仪还装有图11中所示的一种可选择的扶正器。
具体实施方式
现参见现有技术图2和图3，其中示出了本发明适用的设备的一个示例。其他测井下井仪，诸如钻孔、盘管、完井或者其他工具也可使用。设备A是可利用钢丝绳(未示出)被降到井孔(未示出)中以进行地层性能测试的测井下井仪。设备A在授权给Schlumberger的美国专利US 4860581和US 4936139中被详细描述。为了便于理解，设备的一些细节在这里被描述。为了清楚起见，与工具A与钢丝绳的连接以及电源和关于通讯的电子器件未示出。在工具的整个长度上延伸的电源和通讯线用附图标记208表示。这些电源和通讯部件对于本领域技术人员是已知的并且过去已经用于商业应用。这种类型的控制设备通常安装在靠近工具与钢丝绳的连接的工具的最上端，并且电线穿过工具延伸到各个部件。
如图2的实施例中所示，设备A具有液压动力模块C、封隔器模块P和探头模块E。所示的探头模块E具有一个可用于渗透性测试或者流体取样的探头组件210。当根据已知技术利用该工具确定各向异性渗透性和垂直储油层构造时，多探头模块F可被加入到探头模块E，如图2中所示，多探头模块F具有沉降探头组件212和214。其他模块L、B、D也可被使用。
液压动力模块C包括泵216、储液容器218和控制泵216的操作的马达220。低油开关222还形成了控制系统的一部分并且用于调节泵216的操作。
液压流体线224与泵216的排液口相连并且穿过液压动力模块C延伸到用作液压动力源的相邻模块中。在图2中所示的实施例中，根据所用的构造，液压流体线224穿过液压动力模块C延伸到探头模块E和/或F中。利用液压流体返回线226使得液压回路闭合，在图2中液压流体返回线226从探头模块E延伸返回到液压动力模块C，液压流体返回线226在液压动力模块C终止于储液容器218处。
如图3中所示，泵出模块M可利用泵送流体通过流线254进入井孔中排出不需要的样品，或者用于将流体从井孔泵送到流线254中以使得可膨胀的双封隔器(也被称为跨式封隔器)228和230膨胀。另外，泵出模块M可用于将流体从井孔通过探头模块E或者F抽取地层流体，接着将地层流体泵送到样品腔室模块S中抵抗其中的缓冲流体。由来自于泵291的液压流体供给能量的往复泵292可被调整以从流线254抽取和通过流线295排出不需要的样品，或者它可被调整以将流体从井孔(通过流线295)泵送到流线254。该泵出模块也可被构造成在该处流线295与流线254相连以使流体可从流线254的下游部分被抽取并且被泵送到上游，反之亦然。
泵出模块M具有必需的控制装置以调节活塞泵292和使得流线254与流线295对准来完成泵出程序。应该注意的是，这里活塞泵292可用于将样品泵送到样品腔室模块S中，包括如果需要对这样的样品过压，以及利用泵出模块M将样品从样品腔室模块S泵出。如果需要的话，泵出模块M还可用于完成恒定压力或者恒定流量注射。利用足够的动力，泵出模块M可用于以足够高的流量注射流体以为地层的应力测量产生微细裂缝。
或者，可利用活塞泵292使得图2中所示的可膨胀的双封隔器228和230充填井孔流体和排出井孔流体。可以容易地看出，泵出模块M的选择性启动以驱动活塞泵292，与控制阀296的选择性操作和阀I的膨胀和收缩结合，可导致封隔器228和230的选择性膨胀或者收缩。封隔器228和230安装在设备A的外围232，并且使用通常由与井孔流体和温度相容的弹性材料构成的主体或者元件。封隔器元件被安装以使封隔器228和230中具有腔室。当活塞泵292被操作并且膨胀阀I被适当设定时，来自于流线254的流体通过膨胀/收缩阀I，并且通过流线238流到封隔器228和230。
在封隔器228和230已经膨胀和/或设定探头210和/或探头212和214后，地层的流体抽取测试可开始。样品流线254从在探头模块E中的探头246在封隔器228和230之间的位置处向下延伸到外围232通过相邻的模块和进入样品模块S中。这样，垂直探头210和沉降探头214根据所需构造利用一个或者多个阻力测量单元256、压力测量装置258和预测试机构259使得地层流体进入样品流线254中。另外，流线264使得地层流体进入到样品流线254中。当利用模块E或者多模块E和F时，隔离阀262被安装在阻力传感器256的下游。在该闭合位置，隔离阀262限制内部流线体积，提高由压力计258实施动态测量的精度。在进行初始的压力测试后，隔离阀262可被打开以允许流体通过流线254进入到另一个模块中。
样品腔室模块S接着可被使用以收集通过流线254输送并且被流动控制模块N调节的流体样品，流动控制模块N是有益的但对于流体采样不是必需的。首先参照图3中的上样品腔室模块S，阀280被打开并且阀262、262A和262B保持关闭，这样将流线254中的地层流体引导到样品腔室模块S的腔室284中的样品收集腔室284C中，接着改变阀280以隔离样品。腔室284具有样品收集腔室284C和加压/缓冲腔室284p。接着工具可被移动到不同的位置并且过程重复。现将对用于测井下井仪(诸如上述工具A)的特定的方面或者本发明进行描述。图4A-4B示出了装有可膨胀式封隔器组件410的测井下井仪400的一部分。尽管这样的封隔器组件通常设有成对的双封隔器元件，但这里为了简单和清楚起见，仅示出了一个具有相应的支撑组件426的一个封隔器元件412。本领域技术人员应该理解的是，除了双封隔器构造以外，单个封隔器元件已经独立地用于某些应用中。图4A示出了收缩以延伸到井孔418中和从井孔418伸出的封隔器元件412，而图4B示出了膨胀的封隔器元件412并且环形支撑组件426膨胀以抵抗封隔器元件挤压。
可膨胀式封隔器组件410包括具有一对端部414、416的可膨胀的管状封隔器元件412和用于围绕至少部分地设置在第一管状封隔器元件412内的芯棒424固定第一管状封隔器元件412的相应端部414、416的具有各自的环部419、421的第一对环形端部支撑件420、422。下端部支撑件422是可动的，而上端部支撑件420相对于芯棒424是固定的。或者，假设封隔器元件412被适当构造以允许附加的弹性变形，上和下端部支撑件可是固定的(未示出)。
第一环形支撑组件426可通过在其一个端部430处与下端部支撑件422枢接而从下端部支撑件422展开以在其加压和膨胀(即充填膨胀)后加强第一管状封隔器元件412。本领域普通技术人员应该理解的是，展开的其他方式(例如滑动平移)可适当使用。环形支撑组件426用作管状封隔器元件412的外机械支撑，并且有效地桥接了端部支撑422(为金属的)和井孔壁418之间的间隙。这用于使挠性管状封隔器元件412解除了必须提供机械强度以支撑其自身的压力(例如，利用诸如板条的加强插件)。支撑组件提供支撑以帮助管状封隔器元件412在井孔壁418和封隔器芯棒424之间形成密封。
第一环形支撑组件426在其与枢接端430相对的端部432处可膨胀，从而在管状封隔器元件412膨胀后组件426变成截锥形(见图4B)。封隔器组件可包括第二环形支撑组件428，第二环形支撑组件428在其端部429与上端部支撑件420枢接以在其加压和膨胀(即充填膨胀)后进一步加强第一管状元件。尽管所示的本实施例使用两个环形支撑组件426、428，本领域普通技术人员应该理解的是，也可使用这样一个组件。在后一种情况下，一个环形支撑组件通常位于管状封隔器元件412的低压侧(例如，在流体采样双封隔器组件中暴露在低压的一侧)，这是由于该侧经受的挤压和大的变形大于管状封隔器元件的高压侧(即，暴露在周围井孔压力下的一侧)。
环形支撑组件的各个实施例可使用采用环形布置的多个指状物或者板条，所述多个指状物或者板条在其至少一个端部处与可动的端部支撑件和/或固定端部支撑件枢接。图5A示出了被包含在第一环形支撑组件426中的多个板条434的根据图4A中的截面线5A-5A的部分截面图。所示的板条434使用阶梯状横截面设计，其中两个板形部分436、438都略微弯曲以遵循管状封隔器元件412的弯曲周边，并且径向取向的颈部440连接板形部分436、438。该设计使得相邻板条434容易相互交叠以共同限定环形支撑组件426。但是，本领域普通技术人员应该理解的是，其他较简单的横截面设计(例如一个板形界面)也可被使用。
图5B示出了根据图4B中的截面线5B-5B的处于膨胀的位置的环形支撑组件426的部分横截面。图5C类似地示出了根据图4B中的截面线5C-5C的处于膨胀的位置的环形支撑组件426的部分横截面。这样，如图4B中所示，最好每一个板条434的宽度从其枢接端部430到其另一个膨胀的端部432增大，尽管这样一种宽度型面不是必需的。另外，板条的交叠构造被设计成能够适应端部432膨胀以与井孔壁418接合，同时在相邻板条434之间连续保持至少部分交叠的形式。这确保管状封隔器元件412在其可能经受挤压和塑性变形的区域上被完全支撑，如图1B-1C所示。
这样，管状封隔器元件412的膨胀使得元件的直径从直径D1增大到直径D2，如图4A-4B、5A和(特别是)5C中所示。通过以本领域普通技术人员公知的方式将周围的井孔流体泵送到管状封隔器元件412的腔室441中来实现这样的膨胀，在一定程度上如参照上面图2-3的测井下井仪A描述的。通过以本领域普通技术人员公知的方式将腔室441内的井孔流体排回到井孔中使管状封隔器元件412收缩。
分别具有适当的弹簧刚度的一个或者多个弹簧支撑442被使用，以在管状封隔器元件412收缩时有助于使得环形支撑组件和管状封隔器元件412回复到图4的它们的初始工作位置。每一个弹簧支撑442具有与一个或者多个板条434和下端部支撑件422相连的端部，并且在管状封隔器元件412膨胀(见图4B)后弯曲到其中弹簧支撑的刚度使得封隔器元件412回到其收缩位置的位置。
图6A-6B示出了位于井孔618中并且顺序展开一种可选择的环形支撑组件626的可膨胀式封隔器组件610的一部分。图6A示出了在收缩位置的环形支撑组件，图6B示出了在膨胀位置的环形支撑组件。以与图4A-4B中所示的实施例类似的方式，管状封隔器元件612具有一对端部(仅示出了端部616)和具有各自的环部(仅示出了环部621)的第一对环形端部支撑件(仅示出了端部支撑件622)，以用于围绕至少部分地设置在第一管状封隔器元件612内的芯棒624固定第一管状封隔器元件612的相应端部。下端部支撑件622是可动的，而上端部支撑件(未示出)相对于芯棒624是固定的。
封隔器组件610以不同于上述封隔器组件410的方式操作，特别是其中环形支撑组件626从端部支撑件622展开的方式。这样，环形支撑组件包括可在形成于端部支撑件622周围的多个各自通道635内滑动偏移的多个板条。以本领域已知的方式(例如，装在芯棒624内或者可操作地与芯棒624相连的泵和阀的操纵下)通过一个或者多个流线633从芯棒提供液压流体，以引导板条634在图6A的收缩工作位置和图6B的延伸支撑位置之间协调移动。通道635最好流体地互连以被一起加压和减压。
图7A-7B示出了顺序展开一种可选择的环形支撑组件726的可膨胀式封隔器组件710的一部分。图7A示出了在收缩位置的环形支撑组件，图7B示出了在膨胀位置的环形支撑组件。以与图4A-4B中所示的实施例类似的方式，管状封隔器元件712具有一对端部(仅示出了端部716)和具有各自的环部(仅示出了环部721)的第一对环形端部支撑件(仅示出了端部支撑件722)，以用于围绕至少部分地设置在第一管状封隔器元件712内的芯棒724固定第一管状封隔器元件712的相应端部。下端部支撑件722是可动的，而上端部支撑件(未示出)相对于芯棒724是固定的。
封隔器组件710以与上述封隔器组件410类似的方式操作，不同之处在于其中在管状封隔器元件712收缩后封隔器组件710收缩到其工作位置的方式。特别是，上述实施例的弹簧支撑442被滑动套筒742代替，滑动套筒742向下移动(例如，装在芯棒724内或者可操作地与芯棒724相连的泵和阀的操纵下)到下部位置，以使得管状封隔器元件712和基本上构成环形支撑组件726的板条734的外端732膨胀，如图7B中所示。在管状封隔器元件712收缩后，套筒742向上移动以有助于管状封隔器元件712和环形支撑组件726的收缩。
图8A-8B示出了顺序展开一种可选择的环形支撑组件826的可膨胀式封隔器组件810的一部分。图8A示出了在收缩位置的环形支撑组件810，图8B示出了在靠近井孔壁818的膨胀位置的环形支撑组件810。以与图4A-4B和7A-7B中所示的实施例类似的方式，管状封隔器元件812具有一对端部(仅示出了端部816)和具有各自的环部(仅示出了环部821)的第一对环形端部支撑件(仅示出了端部支撑件822)，以用于围绕至少部分地设置在第一管状封隔器元件812内的芯棒824固定第一管状封隔器元件812的相应端部。下端部支撑件822是可动的，而上端部支撑件820相对于芯棒824是固定的。
封隔器组件810以与上述封隔器组件410和710类似的方式操作，不同之处在于其中环形支撑组件的端部830与下部端部支撑件822枢接的方式以及其中在管状封隔器元件812收缩后封隔器组件810收缩到其工作位置的方式。这样，环形支撑组件826的端部830限定了紧密安装在下端部支撑件822的环部821的凹槽821r内的凸缘。
另外，上述实施例的弹簧支撑442和套筒742被施加在管状封隔器元件812和基本上构成环形支撑组件826的板条834之间的粘接剂842代替。因此，在收缩后板条834随着管状封隔器元件812到达图8A的收缩工作位置。本领域普通技术人员应该理解的是，板条834与管状封隔器元件812通过粘接剂842的粘接在其膨胀后在管状封隔器元件812中产生了一个特定的张力，以趋于将元件偏压回到其工作位置，从而在其收缩过程中有助于封隔器组件810的收缩。
尽管图4A-8B的封隔器组件实施例分别被示出为仅具有一个管状封隔器元件，但这样的封隔器组件的典型构造使用沿着芯棒隔开的双封隔器元件。因此，封隔器组件还可包括具有一对端部的可膨胀的第二管状封隔器元件(图中未示出)和用于将第二管状封隔器元件的相应端部固定在芯棒周围的第二对环形端部支撑件(图中未示出)。通常，第二对端部支撑件中的一个是可动的，并且另一个端部支撑件相对于芯棒是固定的。第一和第二对端部支撑件相互配合以在第一和第二管状封隔器元件之间限定轴向间距(类似图1B的间距16)。第二环形支撑组件在其一个端部与第二对端部支撑件中的一个枢接以在其加压和膨胀后加强第二管状封隔器元件。
图9示出了封隔器收缩组件910。该收缩组件通常以可膨胀的双封隔器构造形式使用，诸如这里所述的那些，在该情况下，图9将示出双封隔器构造中的每一个封隔器元件的下端部。封隔器收缩组件910包括具有一对端部(一个标号为916)的可膨胀的管状封隔器元件912和一对环形端部支撑件922(仅示出了后者)，所述环形端部支撑件用于围绕至少部分地设置在第一管状封隔器元件912内的芯棒924固定管状封隔器元件912的相应端部(例如，通过配合的螺纹916t和922t)。下端部支撑件922是可动的，而上端部支撑件(未示出)相对于芯棒924是固定的。可动的端部支撑件922装有最好大于其朝外的表面区域A3的朝内的表面区域(A1+A2)，从而当管状封隔器元件912被减压和收缩(即体积收缩变小)时周围井孔流体压力(作用在这些区域上)施加使得可动的端部支撑件向外移动(即，对于下端部支撑件922向下)的净作用力。
图9示出了在向上滑动以使得封隔器膨胀之前处于下部位置的下端部支撑件922。如上所述，在下端部支撑件922上的收缩力(向下)是由Dmin和Dmax之间的差和朝内的表面区域(A1+A2)与朝外的表面区域A3之间的相应的差而产生的。这样，在周围井孔流体在封隔器组件910周围提供流体静压时，通常产生收缩力。该收缩力最好在井孔操作中一直作用在下端部支撑件922上以在低流体静压环境下收缩封隔器元件912。另外，收缩力最好不在高流体静压环境下阻碍封隔器膨胀。
在图9的实施例中，可动的端部支撑件922被设置以沿着固定在芯棒924上套筒944轴向移动。套筒944具有限定了最小直径Dmin和最大直径的Dmax的阶梯形半径，最小直径Dmin和最大直径的Dmax又对应于可动的端部支撑件922的朝内的表面区域(A1+A2)与朝外的表面区域A3。可动的端部支撑件922和套筒944相互配合形成低压腔室948，低压腔室948被施加大气压力、接近真空或者其他适合的低压，并且被环形密封921、923密封(例如，高温O形圈)。在周围井孔流体压力下低压腔室948使得可动的端部支撑件922相对于套筒944移动。
套筒944最好装有设置在密封低压腔室948中的机械止动件946以限制可动的端部支撑件922沿着套筒轴向移动。在管状封隔器元件912的膨胀过程中，止动件946防止下端部支撑件922的底部上升过大和失去与套筒944的底部密封接合。另外，通过限制下端部支撑件922的向上移动，止动件946在弯曲半径小和应力集中很大的其下端916附近减小管状封隔器元件912经受的变形。所达到(比较适度)的变形通过避免可能出现在常规可膨胀式封隔器的类似正方形过渡区域来延长封隔器元件912的使用寿命，例如当封隔器元件在可动的端部支撑件附近弯曲时。另外，通过机械止动件946限制下端部支撑件922的向上移动被设计成增大在封隔器元件912中产生的张力和抑制封隔器元件或者其中金属插件(如果使用的话)的塑性变形。
这里所述的止动件在封隔器组件内独立提供效用，因此，可相对于封隔器收缩组件独立使用。另外，止动件无需采用硬的止动机构，如止动件946所示，相反可是顺从的(例如，包括弹簧部件)，以在可动的端部支撑件的较长的轴向移动上施加更缓和的限制力。
图10A-10B示出了施加在可膨胀式封隔器组件上的图4A-4B的环形支撑组件和图9的收缩组件。图10A示出了在收缩位置的环形支撑组件，图10B示出了在膨胀位置的环形支撑组件。因此，可膨胀式封隔器组件1010包括具有一对端部1014、1016的可膨胀的管状封隔器元件1012和具有各自的环部1019、1021的一对环形端部支撑件1020、1022，以用于围绕至少部分地设置在第一管状封隔器元件1012内的芯棒1024固定管状封隔器元件1012的相应端部。下端部支撑件1022是可动的，而上端部支撑件1020相对于芯棒1024是固定的。
可动的端部支撑件1022装有最好大于其朝外的表面区域A3的朝内的表面区域(A1+A2)，从而当管状封隔器元件1012被减压和收缩(即体积收缩变小)时周围井孔流体压力(作用在这些区域上)施加使得可动的端部支撑件向外移动(即，对于下端部支撑件1022的情况是向下)的净作用力。
可动的端部支撑件1022围绕固定在芯棒1024上套筒1044轴向移动。套筒1044具有限定了最小直径Dmin和最大直径的Dmax的阶梯形半径，最小直径Dmin和最大直径的Dmax又对应于可动的端部支撑件1022的朝内的表面区域(A1+A2)与朝外的表面区域A3。在周围井孔流体压力下密封低压腔室1048，使得可动的端部支撑件1022相对于套筒1044移动。套筒1044最好装有设置在密封低压腔室1048中的机械止动件1046(实质上是围绕其最大直径部分的扩张环)，以限制可动的端部支撑件1022沿着套筒轴向移动。在管状封隔器元件1012的膨胀过程中止动件1046防止下端部支撑件1022的底部上升过大和失去与套筒1044的底部密封接合。
环形支撑组件1026在其一个端部1030处与下端部支撑件1022枢接以在其加压和膨胀(即充填膨胀)后加强第一管状封隔器元件1012。环形支撑组件1026用作管状封隔器元件1012的机械支撑，并且有效地桥接了端部支撑1022(为金属的)和井孔壁1018之间的间隙。这用于减轻挠性管状封隔器元件1012必须提供机械强度以支撑其自身的压力(例如，利用加强插件)，并且使得管状封隔器元件1012更可靠地起作用，以在井孔壁1018和封隔器芯棒1024之间形成适当的密封。
环形支撑组件1026在其与枢接端1030相对的端部1032处可膨胀，从而在管状封隔器元件1012膨胀后组件1026变成截锥形(见图10B)。尽管所示的本实施例使用一个环形支撑组件1026，本领域普通技术人员应该理解的是，可在上端部支撑1020处使用另外一个这样的支撑组件。
图11示出了具有双封隔器组件的钻井工具1110，所述双封隔器组件装有有助于抵抗在封隔器中间的工具部分弯曲的扶正器1160。这样，所示的钻井工具1110是由多个互连的芯棒1150a、1150b和1150限定的，利用钻柱1114使得钻井工具1110进入到由井孔壁1118限定的井孔中。所述工具适于在被可膨胀的双封隔器元件1112隔离的井孔壁1118的一部分1116内获得地层流体样品。
可膨胀的扶正器1160由在第一和第二封隔器1110中间的轴向间距中的芯棒1150b所携带，以在流体采样操作中抵抗芯棒的弯曲。芯棒1150b表示在封隔器元件1112之间的所谓的“间隔钻柱”的至少一部分，它在封隔器元件之间提供所需的轴向间距。因此，扶正器1160用作间隔钻柱的一个元件。扶正器1160包括沿着芯棒1150a设置的一对支撑件1162、1164，至少一个支撑件可沿着芯棒轴向移动。这些实施例的扶正器还包括多对(最好三对)铰接臂1166。每一对臂具有与相应的支撑件1162、1164枢接的第一端和在枢轴连接处1168相互枢接的第二端。
致动器(未示出)由互连的芯棒1150a/b/c中的一个携带，用于促使每一个可动的支撑件(在支撑件1162、1164中)轴向移动，以使每一对臂的枢接第二端1168径向向外移动以在井孔壁1118上施加一个基本上使得芯棒置于井孔中心的作用力。
在裸井(即，露出的)采样操作中，扶正器1160最好还包括多个弹簧叶片1170，每一个弹簧叶片具有与相应的支撑件1162、1164枢接的端部，以使弹簧叶片1170位于相应的铰接臂对1166和井孔壁1118之间。弹簧叶片1170和枢接臂1166相互配合以在井孔壁上施加使得芯棒(最好所有三个芯棒1150a/b/c)基本上置于井孔中心的作用力。扶正器的其他方面对于本领域普通技术人员是已知的，例如，如美国专利US 5,358,039的教导证明-尽管这样的扶正器不被认为已经在前应用到这里所述的封隔器组件。
图12示出了装有一对可膨胀式封隔器元件1212a，b的测井下井仪1200，可膨胀式封隔器元件1212a，b都具有类似图9的组件910的收缩组件，上封隔器1212a被倒置以使各个封隔器元件的低压侧(即，内端部支撑件)被固定。这不同于常规双封隔器构造，其中第一和第二对端部支撑件的每一个的下端部支撑件是可动的端部支撑件以适应封隔器膨胀。当两个这样的封隔器元件之间的压力减小到液体静压以下以使得地层流体在井孔壁的隔离部分(图12中未示出)上流动时，上端部支撑件的上侧处于受拉加载，而下部元件处于挤压加载。图12的所谓的“倒置的”构造示出了被固定端部支撑件1222a固定在底部处的上封隔器元件1212a，这样消除了在上端的拉力载荷。
这样，上封隔器元件1212a使用了可动的上端部支撑件1220a和固定的下端部支撑件1222a。相反，下封隔器元件1212b使用了固定的上端部支撑件1220b和可动的下端部支撑件1222b。以与图9的可动的端部支撑件922和套筒944类似的方式，可动的端部支撑件1220a、1222b与各自的套筒1244a、1244b相互配合以在其收缩后主动地收缩管状封隔器元件1212a、1212b。这样，在周围井孔流体压力作用在不同的朝内的表面区域(A1+A2)和朝外的表面区域A3上的情况下，可动的端部支撑件1220a将向上移动，可动的端部支撑件1222b将向下移动。在周围井孔流体压力下，密封的低压腔室(未用标号表示)允许可动的端部支撑件相对于套筒移动。
图12的测井下井仪还装有图11中所示的一种可选择的扶正器。扶正器1260与扶正器1160的类似之处在于，它使用铰接臂1266，铰接臂具有与相应的支撑件1262、1264枢接的第一端和在枢轴连接处1268相互枢接的第二端。图12的扶正器1260没有类似图11的叶片的弹簧叶片，尽管这样的叶片也可被使用(通常用于裸井环境)。
在该实施例中，下支撑件1264是固定的，而上支撑件1262是可动的。利用包括活塞1280和活塞杆1282的致动器促使上支撑件1262沿着芯棒1250轴向移动。利用液压流体压力使得活塞在缸体1284内往复移动，从而根据需要使得上致动器向上移动和向下移动，以延伸和收缩铰接臂1266的枢接端1268。在这样的延伸后，利用足够的作用力使得端部1268接触井孔壁1218以将扶正器1260牢固地保持在井孔中心内。固定在芯棒1250的直径减小部分周围的螺旋弹簧1286朝向其上部位置偏压上支撑件，从而在缺省条件下使得端部1268向内移动到工作位置。
与缸体压力相对的活塞1280的一侧具有作用在其上的间隔压力(即，当封隔器元件1212a，b膨胀时被隔离的井孔间隔中的压力)。这样，当间隔中的压力降低时，由活塞1280施加在活塞杆1282上的作用力增大，即使活塞缸体压力保持恒定。这提供了在稳定化臂1266和端部1268上的增大的作用力以克服当间隔压力降低时产生的增大的弯曲力。在扶正器活塞1280不需要很大的压力差以达到适合的定心力的应用中，可由用于对封隔器元件1212a，b(不一定在同一个流线上)加压的同样的流体对活塞缸1284加压，并且活塞1280中与缸体压力相对的一侧可与液体静压(即，在封隔器间隔外的井孔压力)相连。这样，活塞1280上的压力仅是封隔器膨胀压力。
两个或多个致动活塞的使用将允许扶正器臂1266独立展开。例如，这将考虑到在非圆形截面的井孔中定中心。另外，多个这样的稳定器部分可同时使用，这将允许任何所需的封隔器间隔或间隔长度。
概括地，本发明的几个方面提供可靠地展开围绕穿透地下地层的井孔中设置的芯棒布置的一对间隔的可膨胀式封隔器。常规的利用可膨胀的双封隔器进行地层评估的方法包括下列步骤：对封隔器加压以隔离井孔壁的环形部分；通过井孔壁的被隔离的部分收集一个或者多个地层流体的样品；以及对封隔器减压以使芯棒在井孔内移动。本发明提供一种利用下列步骤的取样方法和设备，这些步骤包括：在加压步骤中利用环形支撑组件限制封隔器的变形；利用周围井孔压力主动收缩封隔器；以及基本上使得芯棒定心于所述封隔器中间以抵抗芯棒的弯曲。
从以上描述中应该理解的是，在不脱离本发明的保护范围的基础上可对本发明的优选和可选择的实施例进行各种变型和改进。
所描述的内容仅是说明性的，并且不应该被认为是限定性的。本发明的保护范围仅是由下面的技术方案确定的。在技术方案中的术语“包括”指的是“至少包含”以使技术方案中所列的元件是一个开放的组。“A”、“an”和其他单数形式包括其复数形式，特别说明的除外。

Claims (12)

1.一种可膨胀式封隔器组件，包括：
具有一对端部的可膨胀的第一管状元件；
用于将第一管状元件的相应端部固定在设置于第一管状元件内的芯棒周围的第一对环形端部支撑件；以及
可从其中一个端部支撑件展开以在其加压和膨胀后加强第一管状元件的第一环形支撑组件，
其中，第一环形支撑组件在其一个端部与其中一个端部支撑件枢接以在其加压和膨胀后加强第一管状元件，
其中，第一环形支撑组件在其另一个端部是可膨胀的，
其中，一个端部支撑件是可动的，另一个端部支撑件相对于芯棒是固定的，以及
第一环形支撑组件包括呈环形布置的多个板条，每一个板条在其一端处与可移动的端部支撑件枢接，且每一个板条具有从其枢接端增大到其另一端的宽度。
2.如权利要求1所述的封隔器组件，还包括用于限制可动的端部支撑件的轴向移动的第一止动件。
3.如权利要求1所述的封隔器组件，还包括：
具有一对端部的可膨胀的第二管状元件；
用于将第二管状元件的相应端部固定在芯棒周围的第二对环形端部支撑件，第一和第二对端部支撑件相互配合以在第一和第二管状元件之间限定一轴向间距；以及
第二环形支撑组件，第二环形支撑组件在其一个端部与第二对端部支撑件中之一枢接以在其加压和膨胀后加强第二管状元件。
4.如权利要求3所述的封隔器组件，还包括由位于第一和第二管状元件中间的所述轴向间距中的芯棒所携带的可膨胀的扶正器以抵抗芯棒的弯曲。
5.如权利要求4所述的封隔器组件，其特征在于，所述扶正器包括：
沿着芯棒携带的一对支撑件，至少一个支撑件可沿着芯棒轴向移动；
多对铰接的臂，每一对臂具有与相应的支撑件枢接的第一端和相互枢接的第二端；以及
芯棒所携带的致动器，用于促使每一个可动的支撑件轴向移动，从而使得每一对臂的枢接的第二端径向向外移动以在井孔壁上施加使得芯棒基本上置于井孔中心的作用力。
6.如权利要求5所述的封隔器组件，还包括多个弹簧叶片，每一个弹簧叶片具有与相应的支撑件枢接的端部以使弹簧叶片位于相应的铰接臂对和井孔壁之间，弹簧叶片和枢接臂相互配合以在井孔壁上施加使得芯棒基本上置于井孔中心的作用力。
7.如权利要求4所述的封隔器组件，其特征在于，扶正器包括围绕芯棒的圆周基本上等间隔的三对铰接臂。
8.如权利要求1所述的封隔器组件，其特征在于，端部支撑件装有大于其朝外的表面区域的朝内表面区域，从而当第一管状元件被减压和收缩时井孔流体压力施加使得可动的端部支撑件向外移动的净作用力。
9.一种围绕设置在穿透地下地层的井孔中的芯棒展开所携带的一对隔开的可膨胀式封隔器的方法，包括下列步骤：
对封隔器加压以隔离井孔壁的环形部分；
通过井孔壁的被隔离的部分收集一个或者多个地层流体的样品；以及
对封隔器减压以使芯棒在井孔内移动；以及
在加压步骤中利用环形支撑组件限制封隔器的变形，
其中，每个封隔器包括：
具有一对端部的可膨胀的管状元件；以及
用于将管状元件的相应端部固定在芯棒周围的一对环形端部支撑件，其中一个端部支撑件是可动的，另一个端部支撑件相对于芯棒是固定的，且可动的端部支撑件装有大于其朝外的表面区域的朝内表面区域，从而当管状元件被减压和收缩时，井孔流体压力施加使得可动的端部支撑件向外移动的净作用力。
10.如权利要求9所述的方法，还包括利用限制可动的端部支撑件移动的机械止动件阻止每一个封隔器变形。
11.如权利要求9所述的方法，还包括利用施加在可动的端部支撑件上的周围井孔压力主动收缩封隔器的步骤。
12.如权利要求9所述的方法，还包括基本上使得芯棒定心于所述封隔器中间以抵抗芯棒的弯曲。
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