CN1842672A - 暂时封闭井道或管道的密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的装置包括一圆形截面的管状膜(3)。膜(3)具有由防漏、具有挠性和弹性并且可膨胀、在内部流体压力作用下可沿径向向外变形的材料(例如橡胶)构成的壁(30)。所述膜(3)通过由挠性股绳(6，7)构成的至少一个片得到机械增强。该装置的特点是，它包括至少一个，优选为一对，相邻并同心的圆柱形纤维层(8，9)，其中纤维层嵌入壁(30)的厚度中，位于挠性股绳(6，7)构成的片的内侧，并且其结构起到防挤出屏障的作用，限制壁(30)的材料的蠕变，并防止该材料在膨胀流体产生的压力作用下，向外穿过所述增强丝线(6，7)之间。该装置用于暂时封闭油井或各种管道的壳体。

Description

暂时封闭井道或管道的密封装置
技术领域
本发明涉及暂时封闭井道(特别是油井)或管道的密封装置。
背景技术
这种装置在钻井和操作油田的技术领域中是众所周知的，通常称为“封隔器”。它用于暂时地将井道或管道的二个邻近的部分彼此分开，以便于在所述二部分中的一个中进行研究或修理。
更具体地说，本发明涉及一种可膨胀气囊形式的密封装置，其由一支承携带以插入井道或管道中。该气囊包括圆形截面的可膨胀管状膜，膜壁是防漏的且具有挠性和弹性，管状膜在内部流体的压力作用下，可沿径向向外变形，以气密地挤压在井道或管道的壁上。
在不使用时，该装置和该膜的直径比井道或管道的直径小。
当将该装置放在所希望的区域中后，通过泵入液体特别是水，碳氢化合物和/或在井道或管道内部的泥浆，该膜膨胀。
将流体压力提高至适合于使该膜膨胀，并牢固地压在所考虑的区域的壁面上的高压力，以便暂时地气密地封闭该区域。
在完成了研究和/或修理工作后，将该膜缩小，并收回该装置。
当然，可在以后的情况中再次使用该装置，来封闭同一个井道或同一条管道的一个新区域，或者将其转移到另一个地方，放入新井道或新管道中，以便进行相同的工作。
作为一个指示，在一个油田应用中，一般该膜大约为1～4m长，初始外径(即当该膜不膨胀时)在大约70～150mm范围内，壁厚(当该膜不膨胀时)在大约15～25mm范围内。
制造该膜的材料一般为天然或合成橡胶。
适当地安装该膜需要使用较高的内部压力，作为一个例子，其值通常大约为30～40MPa。
在膨胀过程中，该膜的壁暴露在非常大的力之下，有损坏它的危险或甚至使膜爆裂的危险。
这就是为什么一般要用机械方法增强该膜。
一种传统的方法中，这种增强是利用至少一个嵌入其壁的厚度中的由挠性股绳(例如钢丝)构成的片来达到的。所述片在与所述膜相同的轴线上形成一柱形表面。
在一种已知的实施方式中，形成一对同心的增强片。每一个片由一系列由例如钢构成的平行挠性丝线(或线缆)构成，所述丝线绕成大螺距的螺旋形(即相对于该装置纵轴线成一个小的倾斜角)。两个的丝线的倾斜角大小相同，但方向相反。
在一个未膨胀的膜中，这个角度开始大约为15°，当该膜膨胀时，该角度增大，并达到大约35°～40°的最终值。在精心制造的装置中，至少一个相同的第三片(辅助片)同轴地设置在其他两个片的内侧，并由比外侧(主)片的丝线更细、更密的丝线构成。
该辅助片的功能为克服称为“挤出”的现象。这种现象与构成该膜的壁的材料在非常高的内部压力作用下，向外蠕变有关，这存在穿过主片某些增强丝线之间的间隙形成突出物，并导致壁破裂的危险。
该技术是较令人满意的，但不能完全消除材料被挤出的危险或相应的膜质量变坏的危险。
发明内容
本发明意图通过提出一种适合于消除或实际上消除了上述危险的膜结构来解决这个问题。
为此目的，本发明的密封装置包括至少一个称为“过滤”层的纤维层。该纤维层同样地具有圆柱体形状，并且同心地设置，嵌入在膜壁的厚度中，位于所述挠性股绳构成的片的内侧。所述过滤层具有起到防挤出屏障作用的结构，限制构成该膜的壁的材料的蠕变，并防止该材料在膨胀流体产生的压力作用下，向外穿过增强股绳之间。
在一个优选实施例中，该装置包括至少一对称为“过滤”层的相邻的纤维层。这些纤维层同样地为圆柱体形状，并一个位于另一个内地同心设置，嵌入膜壁的厚度中，位于所述由挠性股绳构成的片的内侧。所述的一对过滤层具有起到防挤出屏障作用的结构，限制构成膜壁的材料的蠕变，并防止该材料在膨胀流体产生的压力作用下，向外穿过增强股绳之间。
另外，根据本发明的其他有利且非限制性的特性：
·每一个所述的过滤层由许多非常细的纤维构成，这些纤维在相对于该膜的回转轴线倾斜一小角度的方向上，彼此平行延伸，形成螺距非常长的螺旋；
·构成所述两个过滤层的纤维相对于膜的所述回转轴线倾斜相同的锐角，但方向相反；
·由纤维相对于所述回转轴线形成的所述锐角在5°～15°范围内；
·所述纤维由拉伸强度高的材料构成，特别是例如芳族聚酰胺树脂、碳或玻璃制成的纤维；
·所述纤维的截面为圆形的，直径在大约5～20μm范围内，优选为在10～12μm范围内；
·所述纤维在横截面平面上的装填密度大约为10000根纤维/mm2；并且
·每一个所述过滤层的厚度大约为0.4～0.8mm。
本发明的其他特性和优点从阅读以下对本发明优选实施例的说明中可以了解。
附图说明
说明是参照附图进行的。其中图1～5用于说明涉及与构成本发明的主题的密封装置总体类型相同的密封装置。图6～10示出根据现有技术用机械方法增强的膜。图11～14示出具有本发明的特性的膜。在附图中：
图1为放置在井道或管道内部要封闭的区域中的密封装置的示意性轴向截面图，其膜仍未膨胀；
图2为在膨胀后类似于图1的图；
图3和4为示出图1和图2中的III-III和IV-IV截面平面上相应的膨胀前后的膜的横截面图；
图5为示出该装置的变型的与图2类似的图；
图6和7分别为装在之前图中所示装置中的现有技术类型的膜的增强壁膨胀前后的部分横截面图；
图8和9为分别示出膨胀前后所述壁的增强丝线的角度位置的图；
图10为与图7类似的图，示出本发明所要克服的材料被挤出的现象；
图11和12分别为与图6和7类似的图，示出装在本发明的密封装置中的膜的增强壁；
图13和14分别为示出膜膨胀前后在过滤层中纤维的角度位置的图。
具体实施方式
在图1中，符号T表示衬在井道或管道内侧的沿轴线Z-Z′的圆柱形壳体。
虽然，在图中该轴线是水平的，但当然所述轴线可以有任何其他的取向，具体而言，可以为倾斜的或垂直的。
密封装置1主要包括一个由一对端面垫2a，2b构成的支承，一套筒形状的膜3设置在该端面垫之间，所述膜的截面是圆形的。
套筒由包括机械增强件的复合材料构成，该增强件嵌入挠性且可弹性变形的材料(例如橡胶)的基体(matrix)中。套筒的末端部分防漏地固定在封闭所述末端的垫2a和2b上。
未示出的常规装置首先是用于使密封装置在管T内运动，使它的位置可与要封闭的区域对齐；其次用于在高压下，将流体，特别是液体，经由为此而穿过一个垫(2a)的通道20，引入管状膜3的内部。
如液体的引入用箭头F表示的图2所示，由液体产生的压力Pi使该膜沿径向向外膨胀，以牢固和紧密地压在管道T的内壁上的作用。这形成所期望的封闭。
在这个径向膨胀过程中，可以观察到该膜缩短，即其二个端面垫2a和2b彼此相向运动，同时该膜的厚度变小。
膜的起始直径D0(参见图3)增大，在膨胀后膜直径D大约为1.5D0～2D0。
在图5所示的变型中，该装置还包括一个中央管状心轴4。该心轴承载端面垫40a，40b，在该垫之间安装膜3。膨胀流体被送入该心轴中，并且经由穿通该心轴的壁形成的径向孔41，通入该膜的内部。该端面垫40a和40b安装成以防漏方式在该心轴上滑动，以适应膨胀时膜的轴向缩短。
如图6所示，该膜3的壁30被增强。
它具有嵌入其壁的厚度中的三个由挠性丝线5、6和7构成的片。
这些片中的每一个片在与膜3相同的轴线上，即在轴线Z-Z′上形成一个圆柱形表面。作为例子，该丝线5、6、7为圆形截面的钢丝。
内片由直径比构成中间片的丝线6和构成外片的丝线7的直径小得多的丝线5构成。
作为一个例子，丝线5的直径大约为0.5mm，丝线6和7的直径大约为3mm。
在每一个增强层中，构成一个层的丝线平行并排地设置，并且实际上互相接触。它们围绕着纵轴Z-Z′，以长螺距，即以相对于所述轴的一较小倾斜角，螺旋盘绕。
在图6中用α0表示的这个角度开始的值例如大约为15°(即当膜没有膨胀时)，在该膜膨胀的过程中，这个角度增大，并达到大约为35°～40°的最终值α(图9)。
如图8和9所示，丝线6和7的倾斜角度大小基本上相同，但丝线在相反的方向取向。
内层的较细的丝线5的取向，与外层的丝线7相同。从图6和7可看出，膨胀使膜的截面的曲率半径增加，并使膜的厚度减小。所述厚度从值e0变至较小的值e。
如上所述，膨胀还可使膜的轴向长度缩短。
增强丝线5、6和7的倾斜设置使得这些丝线能够伴随它们所嵌入的膜的多方向变形。这些丝线阻止膜的无控制的变形，并且它们吸收由内部压力Pi产生的非常大的力。还可看出，在一个给定的片内，相邻丝线之间的间隔也增大。
由较细的但设置得更密的丝线5构成的内片基本上不吸收由膨胀产生的力，而是用于阻止上述挤出现象的发生。
然而，这点不是总能成功地实现。
这个问题可以参照图10说明。
橡胶受到作用在其内壁300上的内部流体压力Pi的作用，该压力非常高，约为40MPa。
另外，该橡胶块经常同时暴露在高温下，特别是在钻井道的应用中，因此橡胶会软化。
由于这些理由，构成所述内壁的一个区域的材料开始蠕变，并被向外推，从而形成一个凹部301。在该材料上的这个局部推力起初可使二个相邻的丝线5运动分开，同时这个增大的间隔传播至相邻的丝线5，并且在壁的一个区域31中形成通过第一个片的一个缺口。在形成该缺口后，该材料可以继续蠕变，并且这种蠕变迅速向外传播，以同样的方式将其它片的丝线6以及丝线7推开。
这种蠕变在图10中用箭头E表示，其与挤出相似，最终使得所述壁破裂，而所述膜爆裂。
图11～14示意性地示出的本发明的结构可以解决这个问题。
可以看出，在所示例子中，壁结构中的增强件与上述的相同，其包括丝线6和7构成的两个片。
不过，这种设置并不是必需的。
根据本发明，丝线5构成的内片被一对相邻的纤维层8和9代替。纤维层8、9通常又称为“过滤”层，因为它们的功能是形成过滤屏障，阻止材料流动，以防止出现以及继续上述的挤出现象。
这些过滤层同样是圆柱体形状的，同心设置，一个位于另一个内，并且嵌入膜3的壁30中，位于丝线6和7构成的片的内侧。
过滤层8设置成紧贴过滤层9的内侧，这表示它们之间没有构成壁的材料。
这些层是相邻的，并可以通过粘接薄膜互相粘接。
标号30i和30e表示壁30相对于两个层8，9分别处于内部和外部的部分。
丝线6，7嵌入结合在过滤层9周围的部分30e中。没有任何增强的部分30i结合在过滤层8的内侧。
每一个过滤层8，9分别由许多非常细的纤维80或90构成。这些纤维互相平行延伸，并形成螺距非常长的螺旋，在相对于膜的回转轴线Z-Z′倾斜较小的方向上延伸(参见图13)。
纤维80和90相对于该膜3的所述回转轴Z-Z′倾斜一个相同的锐角或相似的角度β0，但方向相反。
这个角度β0最好在5°～15°范围内。
因此，其比丝线6和7的角度α0小得多。
这些纤维由挠性非常好且拉伸强度高的材料构成。
作为特别适合的材料有芳族聚酰胺纤维。
优选，纤维的截面为圆形，直径大约为10～12μm。当在横截面平面观察这些纤维时，它们的装填密度大约为10000根纤维/mm2。
作为一个例子，每一个过滤层8、9的厚度大约为0.4～0.8mm。
所述纤维为聚成多个扁平束的长纤维，它们在膜的全长上形成相互叠置或并排地螺旋盘绕的非常细(非常薄)的条或带，从而形成两个过滤层中的每一个。
因为丝线开始充分倾斜一个角度β0，因此在径向膨胀后，纤维还保持松散，这可使倾斜角度增加至角度β(参见图14)。与增强丝线6和7不同，该纤维不受拉伸作用。
如果在这种情况下重新考虑所要解决的挤出现象的出现，则发现暴露在高压并且还可能处于高温下的构成壁部分30i的材料易于向外蠕变。但它碰到由层8构成的纤维挡板。每一个纤维80吸收一部分推力，并将它传递至相邻的纤维。因为这些纤维的密度高，所以为了能够通过，材料的流动被迫要沿着穿过纤维之间的微型空隙的一条曲折的路径。另外，由于力被纤维吸收，所以其压力降低。因此，可以非常大地阻滞或甚至防止材料的移动。
第二层9支持第一层8。
假设这些纤维在相反方向上倾斜设置，则由第一层8施加的径向力均匀地分布在第二层9上，从而第二层9吸收这些力。
由于纤维80和90交叉取向，所以不存在或实际上不存在纤维在轴线方向上互相隔开，留下形成突出物的空间的危险。同时可以防止材料形成穿过其中的缺口。
从而确实地实现了所期望的屏障或过滤的作用。这样，材料的向外推力(从部分30i至部分30e)在上游由一对过滤层8和9控制、散开并吸收了。
同时更加不会存在增强丝线6和7在轴线方向互相隔开，留下形成突出物的空间的危险。
这样，丝线6-7可以自由地完成其增强膜的丝线的作用。虽然，上述装置的实施例具有一对过滤层，但提供带有一个过滤层或多于两个过滤层的装置也不会超出本发明的范围。

Claims (9)

1.一种用于暂时封闭井道或管道的密封装置(1)，该装置包括支承一圆形截面的可膨胀管状膜(3)的支承(2a-2b，4，40a-40b)，该膜具有由防漏的、具有挠性和弹性且在内部流体压力作用下可沿径向向外变形以气密地压在所述井道或管道的壁(T)上的材料构成的壁(30)，所述膜(3)通过由嵌入其壁的厚度中的挠性股绳(6，7)构成的至少一个片得到机械增强，该片内置于位于与所述膜相同的轴线上的一圆柱形表面，该装置的特征在于：
它包括至少一个称为“过滤”层的纤维层(8，9)，该“过滤”层也具有圆柱体形状，并同心地设置，嵌入在膜(3)的壁(30)的厚度中，位于所述由挠性股绳(6，7)构成的片的内侧，所述过滤层(8，9)具有由许多非常细的纤维(80，90)构成的结构，该结构用作一防挤出的屏障，用于限制构成所述膜(3)的壁(30)的材料蠕变，以及防止在膨胀流体产生的压力(Pi)作用下，所述材料向外穿过所述增强股绳(6，7)之间。
2.一种用于暂时封闭井道或管道的密封装置(1)，该装置包括支承一圆形截面的可膨胀管状膜(3)的支承(2a-2b，4，40a-40b)，该膜具有由防漏的、具有挠性和弹性且在内部流体压力作用下可沿径向向外变形以气密地压在所述井道或管道的壁(T)上的材料构成的壁(30)，所述膜(3)通过由嵌入其壁的厚度中的挠性股绳(6，7)构成的至少一个片得到机械增强，该片内置于位于与所述膜相同的轴线上的一圆柱形表面，该装置的特征在于：
它包括至少一对称为“过滤”层的相邻的纤维层(8，9)，所述“过滤”层也具有圆柱体形状，并一个位于另一个内地同心设置，嵌入膜(3)的壁(30)的厚度中，位于所述由挠性股绳(6，7)构成的片的内侧，所述一对过滤层(8，9)具有由许多非常细的纤维(80，90)构成的结构，该结构用作防挤出的屏障，用于限制构成所述膜(3)的壁(30)的材料蠕变，以及防止在膨胀流体产生的压力(Pi)作用下，所述材料向外穿过所述增强股绳(6，7)之间。
3.如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述过滤层(8，9)由许多非常细的纤维(80，90)构成，所述纤维互相平行地延伸，沿相对于所述膜(3)的回转轴线(Z-Z′)倾斜一小角度的方向形成螺距非常长的螺旋。
4.如权利要求2和3组合所述的密封装置，其特征在于，构成所述两个过滤层(8，9)的纤维(80，90)相对于所述膜(3)的所述回转轴线(Z-Z′)倾斜一相同的锐角(β0)，但方向相反。
5.如权利要求4所述的密封装置，其特征在于，由所述纤维(80，90)相对于所述回转轴线(Z-Z′)形成的锐角(β0)在5°～15°范围内。
6.如权利要求3～5中任何一个所述的密封装置，其特征在于，所述纤维(80，90)由拉伸强度高的材料构成，例如芳族聚酰胺树脂、碳或玻璃制成的纤维。
7.如权利要求6所述的密封装置，其特征在于，所述纤维(80，90)的截面为圆形，其直径在大约5～20μm范围内，优选在10～12μm范围内。
8.如权利要求7所述的密封装置，其特征在于，在横截面平面上，所述纤维(80，90)的装填密度大约为10000根纤维/mm2。
9.如前述任何一个权利要求所述的密封装置，其特征在于，每一个所述过滤层(8，9)的厚度大约为0.4～0.8mm。
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