CN1860284B - 可膨胀的井筒组件 - Google Patents

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Abstract

一种供在地层内形成的井筒使用的组件，它包含一可膨胀的管状元件和一具有彼此以一定间距设置的第一部分和第二部分的外部结构，上述部分一这种方式被约束于管状元件上，使得上述的间距由于管状元件的径向膨胀而变化，所述外部结构还具有一第三部分，该第三部分被设置成在上述的第一部分和第二部分之间的间距变化时沿径向向外移动，其中由于管状元件的径向膨胀，上述第三部分的沿径向向外的移动大于管状元件的沿径向向外的移动。

Description

可膨胀的井筒组件
技术领域
本发明涉及一种供在地层内形成的井筒中使用的组件，该组件包含一可膨胀的管状元件。在用于从地层开采碳氢化合物流体的井筒建造的行业中，可膨胀管状元件获得日益增加的应用。与传统的带有嵌套式套管的井筒相比，在井筒内可膨胀的管状元件的主要优点涉及用于流体生产或用于工具通过的井下的被增加的可用的内径。通常，可膨胀的管状元件通过使未膨胀的管状元件降到井筒内然后扩张器被推进、被泵抽或被拉拔通过管状元件来进行安装。膨胀率，即，膨胀之后的直径与膨胀之前的直径比，是由扩张器的有效直径来确定的。
背景技术
在一些应用中要求利用局部膨胀到大于由管状元件的膨胀率确定的最终直径的直径的结构。该局部增加的膨胀直径可以被要求例如用来在可膨胀的管状元件周围产生一封隔器，用来产生用于把已膨胀的管状元件固定到周围岩层上的锚定，或用来释放一种触发流体。
因此，需要一种可膨胀的管状元件系统，它提供相对于管状元件的总膨胀率的局部增加的膨胀直径。
发明内容
按照本发明，提供了一种供在地层中形成的井筒中使用的组件，它包括：可膨胀的管状元件和具有彼此以一定间距布置的第一部分和第二部分的外部结构，上述第一部分和第二部分以这种方式被约束于管状元件上，使得上述的间距由于管状元件的径向膨胀而变化，所述外部结构还具有第三部分，该第三部分布置成在上述的第一部分和第二部分之间的间距变化时沿径向向外移动，其中，上述的第三部分沿径向向外的移动大于管状元件的由于管状元件的径向膨胀引起的沿径向向外的移动。
本发明的技术方案如下：
一种供在地层内形成的井筒中使用的组件，它包括可膨胀的管状元件和具有彼此以一定间距设置的第一部分和第二部分的外部结构，所述外部结构还具有中间部分形式的第三部分，其中，所述第一部分和所述第二部分被连接到所述管状元件上，上述第一部分和第二部分以这种方式被约束于管状元件上，使得上述的间距由于管状元件的径向膨胀而变化，所述外部结构还具有第三部分，该第三部分被设置成在所述的第一部分和第二部分之间的间距变化时沿径向向外移动，其中，上述第三部分的所述沿径向向外的移动大于由于管状元件的径向膨胀而引起的管状元件的沿径向向外的移动，所述管状元件在其径向膨胀时易经受轴向缩短，并且上述外部结构的第一部分和第二部分在轴向彼此间隔开的相应位置处被焊接到管状元件上。
通过这种方式可以达到，通过使管状元件径向膨胀，所述外部结构的第三部分沿径向向外移动的距离大于管状元件的壁，由此局部地提供了增加的膨胀直径。
第三部分合适地被设置成当第一部分和第二部分之间的距离减小时沿径向向外移动。
通过允许第三部分经由弯曲而沿径向向外移动，可以避免在外部结构中使用铰链装置。
在一个优选的实施例中，管状元件在其径向膨胀时能经受轴向缩短，并且上述外部结构的第一部分和第二部分在轴向彼此间隔的相应位置处被连接到管状元件上。此外，所述外部结构的第一部分和第二部分可以合适地在上述轴向彼此间隔开的相应位置处被焊接到管状元件上。
上述管状元件合适地是内部管状元件，而外部结构是设置在内部管状元件周围的外部的可膨胀管状元件，并且与内部管状元件相比，外部管状元件当不受内部管状元件约束时，易经受更小的由于径向膨胀引起的轴向缩短。为了产生井筒封隔器，在内部管状元件径向膨胀时，在内部管状元件和外部管状元件之间合适地形成一个环形空间，该空间充满流体混合物，例如可硬化的流体混合物。可选择地，一层柔性的密封材料可以布置在外部管状元件的周围。
附图说明
下面参照附图通过实施例来更详细地描述本发明，其中：
图1A示意地示出了按照本发明的组件的一个实施例；
图1B示意地示出了在图1A的实施例的管状元件的径向膨胀期间的该实施例；
图2A示意地示出了图1A的实施例的一种变型；
图2B示意地示出了在图2A的变型的实施例的管状元件的径向膨胀期间的该实施例；
图3A示意地示出了按照本发明的组件的第一个可选择的实施例；
图3B示意地示出了在第一个可选择的实施例的管状元件的径向膨胀期间的该实施例；
图4A示意地示出了按照本发明的组件的第二个可选择的实施例；
图4B示意地示出了在第二个可选择的实施例的管状元件的径向膨胀期间的该实施例；
图5A示意地示出了按照本发明的组件的第三个可选择的实施例；
图5B示意地示出了在第三个可选择的实施例的管状元件的径向膨胀期间的该实施例；以及
图6-9示意地示出了一井筒，在井筒中，图1A、1B的组件已经被安装成允许在管状元件中设置封隔器。
在图示中相同的附图标记涉及相同的部件。
具体实施方式
参照图1A、1B，示出了管状组件1，它包含一个在其径向膨胀时易经受轴向缩短的可膨胀的管状元件2和一个在管状元件2周围设置的外部的可膨胀管3。外部管3设有以列6样式设置的许多轴向重叠的狭槽4，在此每列6的狭槽4轴向地排列对齐在一条线上，列6沿着外部管3的周围有规则地间隔开，并且相邻的各列6彼此交错地布置。在下文中，外部管3被称作“可膨胀的带狭槽的管”(EST)。由于轴向重叠的狭槽4的样式，对于EST3和管状元件2的相同的膨胀率，在径向膨胀时EST3易经受的轴向缩短的程度明显地小于管状元件2。EST3具有以EST各末端8、10形式的第一部分和第二部分，并且具有以EST中间部分12形式的第三部分。EST3在EST的两个末端部分8、10通过各自的环形焊缝14、16被焊接到管状元件2的外表面上。
在管状组件1的径向膨胀期间(图1B)，使扩张器(未示出)沿纵向移动穿过管状元件2的内部。如图所示，作为膨胀过程的结果是，EST3的中间部分12从管状元件2沿径向向外弯曲。该中间部分12的向外弯曲是在管状组件1的径向膨胀期间EST3与管状元件2相比具有较小的轴向缩短的倾向的结果。
在图2A、2B中示出了图1A、1B的实施例的变型，在此最接近EST3的末端8、10的狭槽4完全延伸到末端8、10，由此在上述末端8、10处形成了许多轴向延伸的指状部(Finger)18。指状部18通过点焊19被点焊到管状元件2上。这种点焊19代替图1A、1B的实施例的环形焊缝14、16。可选择的实施例相对于图1A、1B的实施例具有优点，即在各自末端8、10的位置上要求较小的膨胀力，因为在膨胀过程期间，指状部18被允许稍微偏转。
在图3A、3B中示出了在其径向膨胀时易受到轴向缩短影响的可膨胀的管状元件22的第一可选择的组件20和以沿着管状元件22的周围有规则间隔开的多个条24的形式的外部结构，每个条24在纵向上延伸。每个条24具有通过各自的焊缝28、29被焊接到管状元件22的外表面上的相对的末端部分26、27，以及位于末端28、29之间的中间部分30。每个条24适于由金属制成，例如钢(诸如不锈钢或弹簧钢)。
在第一可选择的组件20(图3B)的径向膨胀期间，使扩张器(未示出)沿纵向移动穿过管状元件22的内部。作为膨胀过程的结果，每个条24的中间部分30从管状元件22沿径向向外弯曲。这种向外弯曲是在膨胀过程期间管状元件22的轴向缩短的结果。
在图3A、3B的实施例的变型(未示出)中，那些条被嵌入到弹性材料例如弹性体(elastomer)材料的层中。以这种方式，在管状元件的径向膨胀时，在可膨胀管状元件和弹性材料层之间形成一个环形间隙。这种环形间隙可以被用于例如存储流体。该流体可以是可硬化的流体，以便在液体硬化之后在可膨胀管状元件周围形成封隔器(packer)。
在图4A、4B中示出了与图3A、3B的组件20基本上相似的第二可选择的组件31，其差别是焊缝28、29的取向，在图3A、3B的情况中焊缝28、29沿环圈方向延伸，而在第二可选择的组件31的情况中焊缝28、29与环圈方向成一角度地延伸。
在第二可选择的组件31(图4B)的径向膨胀期间，使扩张器(未示出)沿纵向移动穿过管状元件22的内部。由于管状元件22的轴向缩短，每个条24的中间部分从管状元件22向外部弯曲。由于这种焊缝28、29与环圈方向成一角度延伸的布置形式，每个条24的中间部分30的向外弯曲的方向相对于条24的位置处的径向是倾斜的。
图4A、4B的实施例的变型(未示出)中，每个条的两个焊缝中的仅仅一个焊缝与环圈方向成一角度延伸，另一个焊缝在环圈方向上延伸。
在图5A、5B中示出了与图3A、3B的组件20基本上相似的第三个可选择的组件32，其差别是，在第二个可选择组件32中每个条24在其各自的末端部分26、27处经由在环圈方向上延伸的弯曲的末端元件33连接到管状元件22上。每个弯曲的末端元件33在其相对端处通过各自的焊缝34、36焊接到管状元件22上。
在第三组件32的径向膨胀期间(图5B)，使扩张器(未示出)沿纵向移动穿过管状元件22的内部。作为膨胀过程的结果，每个末端元件32从其最初的弯曲形状伸展成基本上直的形状，由此将相应条24的末端部分27、28彼此推近，由此导致条24的中间部分30沿径向向外弯曲。第三个可选择的实施例具有的优点是，每个条24的中间部分30的沿径向向外的运动甚至在管状元件22例如因为管状元件22由井筒壁上的摩擦力沿轴向被限制在井筒中而没有发生轴向缩短时就发生。
另外参考图6，在那里示出了形成到地层42内的井筒40，在此井筒40的上部设有一套管44。以上参照图1A、1B讨论的管状组件1被设置在井筒40内，由此组件的可膨胀的管状元件2形成可膨胀的衬套2。衬套2定位于井筒40内，使得衬套2的上部延伸到套管44的下末端部分中，并且衬套2的下部延伸到套管44的下面。管状组件1通过送入的管状管柱46从表面悬挂下来，该送入的管状管柱以其下端连接到膨胀组件48上。膨胀组件48包括下列元件，按向上的方向依次是：
-一设有短的连接管柱52的封隔器50，该封隔器50可通过封隔器的中心部分相对于封隔器的径向外部的旋转而沿径向膨胀；
-一连接管柱，它将封隔器50可松开地连接到下述的锥形扩张器上；
-一可在径向收缩模式和径向膨胀模式之间移动的锥形扩张器54；
以及
-一适合于把锥形扩张器54拉到衬套2内以使衬套径向扩张的液压的膨胀工具56(通常被称作“力倍增器”)，液压膨胀工具56设有用于把液压膨胀工具56固定到衬套2的内表面上的可伸缩的固定衬垫58。
液压膨胀工具56和可收缩的锥形扩张器54经由送入的管状管柱46与在表面上的液压控制系统(未示出)处于流体连通状态，使得允许该控制系统引起可伸缩的锥形扩张器54的收缩或膨胀，以引起液压膨胀工具56拉着锥形扩张器54穿过衬套2，以及引起固定衬垫58的回缩。
在图6中所示实施例的正常使用期间，在此进一步参照图7-9来执行下面的步骤。
参照图7，在正常使用的第一个步骤中，操作液压控制系统来将锥形扩张器54从径向收缩模式移动其径向膨胀模式。
参照图8，在正常使用的第二个步骤中，液压控制系统被操作，以把液压膨胀工具56的固定衬垫58牢固地固定到衬套2的内表面上，以及引起液压膨胀工具56把锥形扩张器54拉到衬套2的下端部内，以使其径向扩张。如参照图1A、1B所述，由于膨胀过程，EST3的中间部分12从管状元件2沿径向向外弯曲。由此EST3牢固地被挤压到井筒壁上，使得衬套2被固定以防止转动并且悬挂在井筒壁上。
参照图9，在正常使用的第三个步骤中，液压控制系统被操作，以便把锥形扩张器54从径向膨胀模式移动到其径向收缩模式，以及引起固定衬垫58从衬套2的内表面收缩。其结果是，液压膨胀工具56和锥形扩张器54不再受限于衬套2的内表面。接下来通过从表面转动送入的管状管柱46，封隔器50的中间部分被转动。在该封隔器50的中间部分的这种转动期间，封隔器50的径向外部受到沿衬套2的内表面的摩擦力，这种摩擦力趋向于阻止该外部的转动。其结果是，封隔器50的中间部分转动量大于其径向外部，使得封隔器50逐渐地朝衬套2的内表面膨胀并且被牢固地固定在衬套2被膨胀的下端部内。在衬套2的设置期间，衬套2的转动由于EST3被牢固地压靠到井筒壁上而得以防止。
此后，液压控制系统被操作，使锥形扩张器54返回到其径向膨胀模式，并且从液压膨胀工具56上释放封隔器50。
最后，流体被泵送通过送入的管状管柱46进入到在封隔器50和锥形扩张器54之间形成的空间内，由此使锥形扩张器54向上移动通过衬套2，使得进一步膨胀衬套2。
需要理解的是，在该详细的实例中，按照本发明的组件通过以下特征使得在衬套2内能够设置封隔器50，即，EST3已经被牢固地膨胀靠在井筒壁上，并且由此防止在封隔器50的设置期间衬套2的转动。
代替将组件1应用井筒40中，在此前参照图2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A、5B讨论的组件20中的任何一个都可以被应用在井筒40内。

Claims (13)

1.一种供在地层内形成的井筒中使用的组件，它包括：
可膨胀的管状元件(2，22)；以及
具有彼此以一定间距设置的末端部分形式的第一部分(8，26)和末端部分形式的第二部分(10，27)的外部结构(3，24)，所述外部结构(3，24)还具有中间部分(12，30)形式的第三部分，
其中，所述第一部分(8，26)和所述第二部分(10，27)被连接到所述管状元件(2，22)上，上述第一部分(8，26)和第二部分(10，27)以这种方式被约束于管状元件(2，22)上，使得上述的间距由于管状元件(2，22)的径向膨胀而变化，
该第三部分被设置成在所述的第一部分(8，26)和第二部分(10，27)之间的间距变化时沿径向向外移动，其中，上述第三部分(12，30)的所述沿径向向外的移动大于由于管状元件(2，22)的径向膨胀而引起的管状元件(2，22)的沿径向向外的移动，
所述管状元件在其径向膨胀时易经受轴向缩短，并且上述外部结构(3，24)的第一部分(8，26)和第二部分(10，27)在轴向彼此间隔开的它们的相应位置处被焊接到管状元件(2，22)上。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第三部分(12，30)被设置成由于第一部分(8，26)和第二部分(10，27)之间的间距的减少而沿径向向外移动。
3.如权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述第三部分(12，30)被设置成借助于第三部分(12，30)沿径向向外弯曲而沿径向向外移动。
4.如权利要求1或2所述的组件，其特征在于，上述管状元件(2，22)是内部管状元件，所述外部结构(3，24)是被设置在内部管状元件周围的外部的可膨胀管状元件，并且与内部管状元件(2，22)相比，当外部管状元件(3，24)未被内部管状元件(2，22)约束时易经受较小的由于径向膨胀引起的轴向缩短。
5.如权利要求4所述的组件，其特征在于，外部管状元件(24)在其壁上设置有多个孔(4)，上述孔在轴向上彼此重叠。
6.如权利要求5所述的组件，其特征在于，上述孔(4)是设置在外部可膨胀管状元件(24)的壁上的狭槽，所述狭槽(4)基本上沿轴向延伸。
7.如权利要求4所述的组件，其特征在于，上述的第一部分(8，26)和第二部分(10，27)是所述外部管状元件(3，24)的各末端部分。
8.如权利要求4所述的组件，其特征在于，在所述内部管状元件径向膨胀时在所述内部管状元件(22)和所述外部管状元件(24)之间形成一个环形空间，上述空间充满流体混合物。
9.如权利要求8所述的组件，其特征在于，上述空间充满可硬化的流体混合物。
10.如权利要求9所述的组件，其特征在于，一层柔性的密封材料设置在所述外部管状元件周围。
11.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述外部结构包括至少一个在所述管状元件(22)的轴向上延伸的细长部件(24)。
12.如权利要求11所述的组件，其特征在于，所述外部结构包括多个沿所述管状元件(22)周围有规则地间隔开的上述细长部件(24)。
13.如权利要求11或12所述的组件，其特征在于，每个上述细长部件(24)是一个金属条。
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