CN1910336B - 试验插塞器件 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种器件，用于井眼的压力试验的插塞(12)以及相关的管(10)，在所述管内，将所述插塞安装在插塞装载室(14)内，插塞(12)通过与密封体(23、25)相结合将通过所述管的通路密封，并且，所述插塞(12)的下侧设置(安置)在所述室的底部的座上。所述插塞的特征在于，它包括多个给定厚度的层状或者叠层状环形圆盘元件，每一个所述元件安装在另一个元件的顶部上。

Description

试验插塞器件

技术领域

本发明涉及在后面的权利要求书的前序部分中描述的试验插塞器件。这种插塞现在用于诸如油、气井和水井中。

本发明还涉及用于适合于容纳这种玻璃插塞的管结构的器件的不同实施例。

背景技术

利用诸如陶瓷材料或玻璃等可以碎裂或者被粉碎的材料的插塞，是公知的。利用可以只能单向耐受压力的复合插塞也是公知的。例如，已知这些插塞在US使用。

众所周知，在石油工业中的生产井必须在使用之前进行试验。这些试验之一涉及检查井的部件能够耐受在油/气生产过程中进行操作的条件下的压力。为了进行这种试验，将插塞插入，关闭向下通到井内的通路。在适当的流体的帮助下，从地面上提供压力，随着时间的进展，可以检查所述井是否具有足够的水密性以防止泄漏。从前，采用在使用之后拔出的插塞。近来，可以希望采用使用之后不必再拔出的插塞。即，在使用之后，可以将插塞打开或者粉碎或者分解。

整个或者部分插塞由橡胶制造的方案从前也是公知的，其中，一部分包括在完成试验和希望除去插塞时将橡胶插塞分解的化学药品。但是，在从浮式钻井平台进行操作的过程中，考虑到对于这种平台的高的运行成本，由于需要知道将插塞除去和通路打开时的确切的时间，这种方法过分不可靠和缓慢。在插塞打开之前钻探设备不能离开，上面所述的解决方案需要花费几天的时间。这种类型的插塞后来被可以粉碎的插塞取代。

作为已知的可粉碎的插塞的例子，可以参照美国专利申请5,607,017和美国专利申请2003/0168214A(基于挪威专利申请20001801)。

也可以采用TDP-PLUG(＝Tubing Disappearing Plug：管状隐式插塞)预防井爆裂，也可以以一种安全的方式配合压力激活设备。否则，会冒着流体从井中泄漏出来的危险。实际上，插塞以TDP-插塞的形式装入到管道/生产管的下部内。然后将所述的管拧在一起并将其引导到井内，直到插塞达到正确的深度。

将试验插塞置于管道/管内的合适的适配座中，并且利用衬垫系统达到相对于周围的内管壁的足够的密封。密封件被置于内管壁中的适配凹部内，并将位于径向内部的插塞密封在其座内。

本发明的一个目的是提供一种玻璃插塞，该插塞可以独立地作为一个单元被安装(或者驱动)，即，不被永久性地安装到管道内。这是利用钢缆或者挠性管下降到井内的插塞。这种插塞是中空的，即，具有贯穿孔并且常常安装有外部衬垫，形成相对于井的内壁的卡子，所谓卡瓦，并且在下面安装有玻璃插塞。将整个单元，即“桥-塞”，下降到所需的深度，并将其膨胀以给予足够的夹紧和密封，在整个试验过程中提供密封，或者停止可能的水的泄放。

这里，用户可以通过爆炸物或者鼓风/冲击除去插塞中的玻璃，从而避免再次将插塞拔出。众所周知的问题是，特别是如果所述插塞在井内停留很长时间，插塞很难拔出。

使用这种插塞的一个重要的方面是，玻璃插塞可以耐受快速的温度变化。通过利用钢缆，可以很快地降低到引起高温的完全的深度。

分成层的新型的玻璃插塞，对于快速加热而言，与从前已知的解决方案相比，例如，与上面提到的挪威专利申请2000 1801(属于本申请人)相比，要好得多。这里，玻璃是一整块的，并且，由于内部应力的原因，常常会由于快速加热而损坏。

在这种插塞中，利用陶瓷或玻璃作为材料是公知的，例如，象在上面提到的专利申请2000 1801中那样。一般地，对于石油工业来说，玻璃是非常适当的。玻璃几乎对于所有类型的化学药品都是惰性的，对于操作插塞的人而言是安全的。进而，玻璃在高温下保持其强度，并且可以在油井内停留非常长的时间，其结构也不会损坏或者被破坏。

陶瓷/玻璃插塞包括当试验完成时被引爆的炸药，从而将插塞粉碎，通路打开用于自由贯通流动。这种粉碎的优点是，陶瓷材料或者玻璃被粉碎成小的颗粒，这些小的颗粒可以被简单地从井内清洗出去，而不会有任何有害的残留物。这种炸药通常接合到插塞本身内，因为在插塞顶部已经钻出用于放置炸药的一个或多个切口/孔。但是，这将导致插塞结构的弱化，因为在预备试验的过程中，当玻璃暴露在高压下或者压力变化时，在玻璃内很容易引起划痕和裂缝。

同时，工业上需要能够在生产井中采用更高的工作压力。在我们的试验中，我们确定，这种插塞的早期的形式，相对于负荷的变更的数目、负荷的方向的变化和温度起伏而言，没有足够的强度和安全性。用户还要求用于稳定地增大工作压力的插塞。井道技术的发展意味着现在必须提供一种能够耐受高达1000bar的压力的插塞结构，使之能够用于现代的高压井内。

已经发现，可粉碎的材料的形状和插塞本身的成分，对于插塞所耐受的压力而言是极其重要的。

目前在市场上还有和可粉碎的插塞起着相同作用的、例如带有可以打开的活叶或旋塞的阀及其它系统，但是这些阀和其它系统具有明显的缺点：它们在技术上是复杂的，具有很多移动部件，具有很多产生缺陷的可能性。它们很容易被进入机构内的残渣/颗粒阻塞。因此，这些阀是昂贵的，在绝大多数情况下被省略或者被排出在外。

发明内容

根据上面所述，本发明的一个目的是提供一种克服上面所述的缺点的新型的插塞结构，即，所述结构在试验过程中能够耐受更高的压力，快速的温度摆动以及很多和各种各样的负荷变化。本发明的目的是提供一种插塞结构，可以满足上面所述的对插塞的要求。

根据本发明的插塞结构，其特征由所附权利要求1的特征所给出的特点来表征。优选地的实施例呈现在从属权利要求中。

用于管部分的器件如独立权利要求23和从属权利要求24-26中所述。

借助本发明，可以达到如下的特征：获得包括带有玻璃层的一系列层的更牢固的插塞。其结构为，与从前已知的插塞相比，所述玻璃可以耐受不同的负荷变化和改变的负荷变化，即，可以耐受在来自上面的压力和来自于下面的压力之间的压力变化。

所述玻璃被分成不同的功能，一种盘型的板/盘可以确保在所述插塞所暴露的压力下对液体或气体的液压密封，而另外一种类型的板/盘起着承担由于推压到玻璃区域上的压力引起的负荷的作用。

一系列试验清楚地表明，与起着密封作用同时还起着承担负荷的作用的盘相比，这种分工在玻璃上引起较小的应变。

在特定的操作当中，例如在利用爆炸物在玻璃插塞的正上方穿孔时，采用若干层玻璃也是很重要的，以便耐受由这种类型的工作导致在井内的明显的压力振动。

在板/盘中将插塞分层以及在每一个板/盘之间的可能的叠层，导致在快速温度变化时比从前已知的插塞高得多的相对于破损的耐受力。这在过去已知的技术中是一个很大的问题。

分层和模块结构确保能够制成在采用该插塞的井内可以调整到所期望的环境条件(压力、温度等)的插塞。当然，要考虑到安全系数。从而，可以根据用户的压力要求专门调整和建造插塞。例如，利用6-8层玻璃可以制造1000bar的插塞，而300bar的插塞可以包括2至4层。

重要的是，以在保持其强度的同时可以被粉碎、也可以进行机械粉碎的方式将玻璃硬化。通过对玻璃进行热处理完成其硬化。

附图说明

现将参照附图对本发明进行更详细地说明，其中：

图1表示根据本发明的插塞的结构的总体图，该插塞被置于管道/生产管中，其中，通过周围的管壁形成排气孔。

图2表示插塞的另外一种可供选择的插塞的实施例，即，对于插塞中层的数目的另外一种实施例。

图3表示上述插塞的一个变形，在一个单独的玻璃部分内包含有炸药。

具体实施方式

首先参照图1，该图表示过去已知的的类型的生产管10的管道，其中安装有插塞12。插塞12被置于管10的沿径向方向扩大的部分14内。部分14具有比管的其余部分稍大的内径，即提供插塞的可靠地定位，也避免在除去插塞时限制流动截面积。插塞12主要是圆柱形的(尽管其它的截面形式也可以适合于管10的截面)。

插塞12的下侧在扩大的部分的底部形成相对于管10的纵轴X呈环形、倾斜的、台肩状的座18。插塞的上部也具有倾斜的表面。这样，插塞更加能够耐受高压和压力脉冲。插塞10相对于座的接触角约为45°。

将扩大的部分14设计成不会妨碍井在以后的操作和维修。进而，插塞部分的直径不能太大，因为这将导致操作者(石油公司)不得不采用具有相应的大的内径的套管/衬管。由于衬管可以具有10千米和更长的长度，所以，对于经营者来说，太厚的插塞部分会导致额外的费用。

内壁上的插塞的衬垫结构23、25形成在玻璃盘32、34与管的内壁之间的密封，其中，所述玻璃盘32、34位于插塞承载管室14的正上方和正下方。这些玻璃盘也用32、34表示，这些玻璃盘本身为了密封的作用而设置。

这给予玻璃插塞12本身以降低的负荷，可以将插塞部分制造得较窄，从而减少对衬管和生产管的直径的要求。插塞12具有圆柱形的形状，在中间形成比密封成形的玻璃盘32、34具有更大的直径的许多玻璃盘13。

根据本发明的新型的插塞结构，其特征在于，它呈现一种层状或者叠层结构，在该结构中，每一层位于下一层的顶部。这可以从附图中看出。

用Z表示的层被制成具有给定厚度的盘形板状元件。在插塞12的中间圆柱形部分13的每一个端部上安装倾斜的板15、17，也用Y表示在图中。在插塞的每一个端部，安装前面所述的在图中用X表示的端部盘32和34，这些盘和安装在外周上的O型环23、25一起形成插塞相对于管10的内壁的密封，防止泄漏。

从而，可以按所需数目的层制造根据本发明的插塞。根据特定的优选实施例，在插塞中的不同层之间配置与玻璃不同的材料的层。这在搬运过程中，可以更好地保护玻璃免受冲击，并且使得插塞能够耐受更高的压力。

作为插入层和插入薄膜的例子，可以采用塑料薄膜、毛毡薄膜、纸质薄膜或者类似材料。

插入层起着提高强度的叠层和/或作为滑动机构或者减震器的作用。或者，可以利用诸如胶合剂等粘结剂，通过层压将玻璃板接合到一起。

利用压力硬化，可以将玻璃制成易碎的。通过正确的回火(预处理)，玻璃可以获得强度、刚性和良好的粉碎特性。

为了获得在每一个玻璃盘之间和玻璃盘的外表面与管的内壁之间的令人满意的密封，应当将玻璃抛光。这意味着将玻璃板制成磨砂玻璃(挪威语：“slip”)。这使得在玻璃和金属之间能够进行很好地配合，即，在每个玻璃板之间和玻璃的外表面与内管壁的金属之间给出令人满意的密封。

为了简化工业生产并提供更简单的配合以及最好的可能的功能，从插塞的中心钻一个平衡孔36，该孔沿径向方向穿过管道或者管部10/14通到外部，所述插塞12配置在管道或者管部10/14之内。孔36沿径向方向钻进到扩大的部分14的中心内。参见图2，在工场安装插塞10的过程中，当分别将两个上部和下部玻璃板15a、15b彼此面对面地引导以便使之沿着边界线38彼此平躺时，由于狭窄的通路，空气将通过管壁10上的孔36被排出。

孔36提供了内层的插塞部彼此之间的可靠的配合。如果没有这个孔，将不得不在真空中安装整个插塞，以便在将玻璃盘装配到一起时，避免在玻璃盘之间的大的过压，这是很麻烦和昂贵的，并且插塞不能最好地工作。当将插塞处于井下时，孔36还用于平衡玻璃表面上的压力。

在外壳上的该平衡孔36还起着降低施加到插塞上的压力负荷的作用。如果没有通过该孔36的这种平衡，有可能终止超过用于插塞的压力额定值或者容限。这是因为在玻璃插塞内部的在盘之间的压力最初是大气压(1bar绝对压力)。但是，当将插塞安装到2-3km的深度，并且在试验阶段用水充满井时，静水压力本身将等于2-300bar。此外，在标准的井内，还产生典型地为350bar的试验压力。总计，对于最初为大气压力的玻璃盘，可以有300+350＝650bar的压力差。如在前面的段落中提到的那样，通过利用孔36作为通气孔或者单向阀，那么就可以将静水压力平衡，将压差降低到只有试验压力，即，降低到350bar的压力。

根据一个优选实施例，将玻璃插塞配置在高级的比较柔软的材料的座或者所谓的“框”37内。这种材料优选地为如青铜等的金属。如图3所示，座17具有对应于扩大的插塞部分13的外周侧面的形状，从而可以稳定地配置在扩大的管部分内。例如，在将该部分安装到管部10内之前，利用起重机等将其抬起的过程中，这种解决方案将保护插塞免于受到粗放处理的损坏。该框17还可以被用作支承件和压力作用到玻璃的区域上的力的承受物。例如，该力可以为150公吨。这意味着，玻璃被支承在框上，而框则靠在周围的管部上。

玻璃是经过抛光的，并且优选地，它们的作用制成不同的形状，其中，一种类型的玻璃可以构成压力密封(17-18)，另一种玻璃则应对由流体压力施加的负荷。

如从一开始就可以看出的那样，借助内藏的炸药40，可以将玻璃插塞除去，所述炸药被紧固在玻璃上或者紧固到插塞外壳的内部。在图1中表示出一个实施例，在该实施例中，炸药40被紧固到一个专用的独立的玻璃盘42的内部，该玻璃盘42靠近密封端板32，并置于其顶部。该盘42被称作用于炸药固定部。当盘42爆炸时，玻璃插塞完全粉碎，作为固定部的盘42也完全粉碎。

关于插塞本身的爆炸，可以通过借助利用石油平台的泵提供的可控泵压从地面上遥控地进行。也可以利用定时器，在预定的时间间隔之后爆炸并除去插塞。

包含这种插塞12的管的部分的制造，可以预先在装配工场进行。这意味着，可以利用合适的质量的材料等将插塞组装成模块，以便根据使用场所的条件，满足不同的需要。这还意味着，通过改变配置在制造插塞的堆叠中的玻璃板的数目，可以很容易地调节插塞的长度。

图1和图2表示两种不同的结构。图1表示具有四个Z型玻璃板的插塞，而图2表示只具有两个Z型玻璃盘的插塞。图1还表示额外的爆炸玻璃盘42，而根据图2所示的插塞则不具有这种类型的炸药。

当玻璃插塞在后来被爆炸、管已经为了流体的流动而打开时，该较短的管部分留在管内。因此，该部分以后可以用于安装和容纳机械操作的插塞，以便完成对井的其它试验或者保护。

在插塞外壳上，提供一个用参考标号46表示的所谓“止过(no-go)”凸肩。该凸肩用参考标号46表示在图2中。该凸肩形成环形向内弯曲的折叠部46或者管内的搁板。该凸肩不会对管的流动产生太大的干扰，也不会妨碍以后将要通过该插塞部分下降的设备。

可以利用凸肩46固定以后在管内下降的机械插塞。与所述管具有大致相同内径、并且向下降的插塞，其下侧将停靠在所谓的“止过”凸肩46上。利用这种凸肩形状46，可以将“滑线插塞(slickline-plug)”固定到该座上。该停泊地常常被称为“被悬挂的设备”。这意味着，在以后的井的操作中，可以将插塞或其它设备悬挂在最初安装玻璃插塞的同一个凹槽内，并同时建立固定的停泊地以及在该区域内的密封功能。因此防止设备通过凸肩部46。

图3表示一种变形，在该变形中，在圆盘42上设置爆炸物紧固件40和在底部设置用于放置“哑”(dumb)的滑线插塞的所谓止过凸肩46。在插塞被除去之后，可以将这种插塞向下朝着止过凸肩驱动，并将其放置在该处，而无需进一步的深度控制，并调整到固定和停靠在凸肩46上。之后，可以利用该插塞保护井，以便进行工作或者试验。

进而，图2和图3均表示具有插塞单元13(分别由两个上部和下部玻璃盘13形成)的径向扩大的中间部分15的实施例，所述插塞单元靠在管壁内的倾斜的座18上。

Claims (24)

1.一种用于由玻璃材料制成的插塞(12)的器件，用于在地层中的井眼压力试验，该器件包括有管，其中，具有一个配置在另一个顶部上的给定厚度的多个层状的玻璃环状盘元件的插塞安装在插塞装载室内，所述插塞通过与密封体相结合，将贯通管的通路封闭，所述插塞的下侧设置在所述室的底部的座内，其特征在于，与玻璃不同的材料的薄膜或片材被插入于所述插塞的不同的层之间，以便获得所需的强度和韧性。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述插入的薄膜包括塑料薄膜、毛毡薄膜、纸薄膜。

3.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述玻璃环状盘元件利用粘结剂通过层压接合在一起。

4.如权利要求3所述的器件，其特征在于，所述粘结剂为胶合剂。

5.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述玻璃环状盘元件是被硬化的或者易碎的，从而可以简单和有效地将玻璃进行机械粉碎。

6.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述玻璃形成抛光的表面，以便获得在每一个玻璃环状盘元件之间以及玻璃的外表面与管的内壁的金属之间的令人满意的密封。

7.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述插塞被置于高级的、软性的材料(37)的框架或框内，所述高级的、软性的材料保护插塞免于因粗放的处理而被损坏。

8.如权利要求7所述的器具，其特征在于，所述高级的、软性的材料(37)为较软的金属。

9.如权利要求8所述的器具，其特征在于，所述较软的金属为青铜。

10.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，一种类型的玻璃(32、34)负责压力密封，而另外一种类型的玻璃(16、15)则应对由液压引起的压力负荷。

11.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，将插塞设置成借助炸药(40)被除去，所述炸药(40)被紧固到插塞外壳或管部分的内部之中或之上的玻璃上。

12.如权利要求11所述的器件，其特征在于，所述插塞的所述炸药设置在独立的玻璃环状盘元件(42)的内部，所述玻璃环状盘元件(42)靠近密封端盘(32)，并位于该密封端盘的顶部。

13.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，将多个层制成盘状板(13、Z)、上部和下部的倾斜板(15、17、Y)、以及位于插塞的每一个端部的端部部分(32、34)，所述端部部分包括它们自己的所述密封体，所述密封体包括O型环(23、25)，所述O型环形成插塞相对于管(10)的内壁的密封，防止泄漏。

14.如权利要求13所述的器件，其特征在于，所述室(30)形成对应的倾斜座(18)，用于插塞的具有互补的形状的座的顶部侧，该插塞与座具有45°的接触角。

15.如权利要求13所述的器件，其特征在于，将所述密封体(23、25)设置成在所述室(30)的上部、即上游和/或下部、即下游与管(10)的内壁连接，并且被设置成在所述室的上部和/或下部形成相对于插塞体(10)的各个圆柱形的延伸部分(32、34)的密封。

16.如权利要求15所述的器件，其特征在于，所述O型环配合到管的内壁中的环形凹槽内。

17.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述独立的玻璃环状盘元件(42)被划分成两个部分(52、54)，每一个部分包含有炸药(56、58)。

18.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述插塞的外壳包括在所述管内以环形的面向内部的折叠部或者“搁板”(40)的形式永久设置的“止过”凸肩，以便能够简单地放置机械插塞，以在以后完成井的试验或者对井的保护。

19.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，管部分或者外壳或者玻璃保持器形成有通气孔(36)，以便简化玻璃环状盘元件的安装。

20.如权利要求19所述的器件，其特征在于，通气孔(36)用于压力平衡，以便降低在插塞上的压力负荷。

21.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，这样制造用于玻璃的凹槽(14)，即：使得在插塞被除去之后可以很容易地驱动设备通过，从而将拐角和形状成形为不会将工具卡住的形状。

22.如权利要求21所述的器件，其特征在于，在玻璃被除去之后，用于玻璃的凹槽(14)可以被用于悬挂插塞或者其它设备。

23.如权利要求22所述的器件，其特征在于，在玻璃被除去之后的井的操作当中，用于玻璃的凹槽(14)可以被用于悬挂插塞或者其它设备。

24.如权利要求21所述的器件，其特征在于，这样形成用于玻璃的凹槽(14)和周围的区域，即：使得在以后的井的操作过程中，可以将插塞和其它设备悬挂在该同一个凹槽内，并且在该区域内建立起固定部和密封。

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