CN1930365A - 用于密封井身中的环形空间的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于密封环形空间的系统，所述环形空间位于延伸到井身(1)中的管状元件(7)和围绕着该管状元件的圆柱形壁(1b)之间，其中，用于控制井下装置(12，13，14，15)的控制线(18)沿着管状元件在纵向上延伸。该系统包括围绕管状元件(7)延伸的环形密封层(20)，所述密封层具有设有凹进(40)的内表面，其中该凹进用于径向接收控制线。密封层还设有纵向狭缝(31)，该狭缝限定出一对彼此相对的纵向边缘(32，34)，这对纵向边缘能够在打开位置和闭合位置之间彼此相对移动，其中在所述打开位置，密封层能够被径向地施加到管状元件上，在所述闭合位置，密封层围绕管状元件延伸。

Description

用于密封井身中的环形空间的系统

本发明涉及一种用于密封环形空间的系统，所述环形空间位于延伸到井身中的管状元件和围绕着管状元件的圆柱形壁之间，其中，用于控制井下装置的控制线沿着管状元件在纵向上延伸。在从井身中生产碳氢化合物的领域里，通常需要对形成在延伸到井身内的生产导管和环绕的套管或衬管之间、或者是形成在套管或衬管和井身壁之间的环形空间进行密封。在这样的应用中，许多时候一个或多个用于动力传输或信号传输的控制线贯穿于该环形空间中。已经采用了各种封隔器来提供这样的功能。其中的一些在其任一端处都具有用于把控制线连接到封隔器的终端连接机构。尽管这些封隔器可以提供足够的密封性能，但试验证明在井现场将封隔器和控制线装配到管状元件上是困难的。

美国专利No.6173788公开了一种用于密封环形空间的封隔器，所述环形空间位于延伸到井身的管状元件和井身套管之间，其中，用于控制井下装置的控制线在纵向上延伸穿过形成在封隔器的外表面中的凹进。这种已知系统的缺陷在于：由于凹进是从管状元件的外表面径向设置的，因此控制线在封隔器的两端都需要含有弯头。如果管状元件配备有多个沿管状元件相互间隔布置的已知封隔器，则这种已知系统会产生另一缺陷。通常这种封隔器会被预装配到管状元件的相应部分上，术语称为“接头(subs)”，它们通过螺纹连接连接到管状元件的相邻部分。因此，在装配管状元件时可能会发生相应封隔器的凹进未对准的情况。

本发明的目的是提供一种经过改进的用于密封环形空间的系统，所述环形空间位于延伸到井身中的管状元件和围绕着管状元件的圆柱形壁之间，该系统克服了现有技术的缺陷。

按照本发明，提供了一种用于密封环形空间的系统，所述环形空间位于延伸到井身中的管状元件和围绕着该管状元件的圆柱形壁之间，其中，用于控制井下装置的控制线沿着管状元件在纵向上延伸，该系统包括围绕管状元件延伸的环形密封层，所述密封层具有配备有凹进的内表面，该凹进用于径向接收控制线，密封层还设有纵向狭缝，该狭缝限定出一对彼此相对的纵向边缘，这对纵向边缘能够在打开位置和闭合位置之间彼此相对移动，在所述打开位置，密封层能够被径向地施加到管状元件上，在所述闭合位置，密封层围绕管状元件延伸。

由此实现了在把密封层径向安装到管状元件之前，控制线能够沿着管状元件延伸，由此排除了在控制线中包括弯头的需要。在管状元件配备有多个密封层的情况下，还进一步实现了可以将密封层装配到管状元件上，从而相应密封层的凹进可以合适地与控制线对准。

应当理解的是控制线具有向井下装置传输信号或者从井下装置传出信号的功能，例如有效控制井下装置或者是传输测量信号，或者是向井下装置传输动力或从井下装置传出动力。

优选的是该系统进一步包括用于将处于闭合位置的密封层固定到管状元件上的固定装置。

本发明的系统能够合适地与用于控制流体从地层流入到管状元件中的流入控制装置结合，其中，控制线被设置成控制流入控制装置。

合适的是每一密封层都包含一种材料，这种材料能够在与选定的流体接触时膨胀。因此密封层通过与选定的流体(如水或碳氢化合物流体)接触而被触发，这就意味着不再需要通过机械或液压装置来触发密封层。由于这种膨胀密封层可以比传统封隔器明显地长，因此这是一个重要的优势。

在本发明系统的一优选实施方案中，该系统包括多个所述的密封层和多个所述的流入控制装置，这些密封层和流入控制装置被设置成沿着管状元件以彼此交替的顺序布置。因此该环形空间被分成多个隔间，从而能够基本防止不同隔间之间的液体横向流动，并且可以通过与隔间连通的各个流入控制装置来控制地层流体从每个隔间流入到管状元件中。

为了防止和减少地层水通过与密封层相对的岩层旁路通过每个密封层，优选地密封层明显长于传统的封隔器。例如在一优选实施方案中，密封层的长度基本与相应的被施加该密封层的管接头的长度一致。在这一方面，应当理解的是，密封层由多个沿着管接头彼此相邻布置的较短密封层部分合适地装配而成。具有在0.5至2.0米之间，例如为1米长度的密封层部分能够在钻井的钻台上便利地操作。

下面参照附图，结合实施例对本发明进行更加详细的说明，其中：

图1示意性地示出了一井身，其中采用了按照本发明的导管和密封层的实施方案；

图2A示意性地示出了图1所示导管的截面图；

图2B示意性地示出了施加到导管之前的密封层；

图3示意性地示出了当施加到导管时的密封层的纵剖面图；

图4示意性地示出了当施加到导管时的密封层的纵剖面图；以及

图5示意性地示出了图4中的细节A。

在附图中，相同的部件用同样的附图标记表示。

参照图1，示出了形成于地层2中的用于开采碳氢化合物流体的井身1，该井身1具有一基本垂直的上部1a和一基本水平的、延伸至地层区域3的下部1b，来自于区域3的碳氢化合物流体被开采出来。地层区域3是断裂的，因此存在来自其它地层区域(未示出)的水经由地层区域3的断裂处进入到井身下部1b的危险。井身上部1a配备有通过水泥层5粘结在井身中的套管4，以及在表面7处布置在井身1的顶部处的井口6。生产尾管7从套管4的下端部延伸到基本水平的井身的下部1b。生产油管9在井口6和生产尾管7之间提供出流体连通，生产油管9通过封隔器10适当地密封到生产尾管7上。

生产尾管7设有多个为流入控制阀12，13，14，15形式的流入控制装置，这些流入控制阀沿着尾管7的长度方向间隔开。每个流入控制阀12，13，14，15都经由一组沿着生产尾管7的外表面和套管4内表面延伸的控制线18与位于表面的控制中心16电连接，以允许每个流入控制阀12，13，14，15都可通过控制中心16来打开或关闭。

多个密封层20，22，24，26布置在位于生产尾管7和井身的下部1b的井壁之间的环形空间28中，其中密封层20，22，24，26和流入控制阀12，13，14，15以沿着生产尾管7交替布置的顺序来设置。每个密封层20，22，24，26都包括一种材料，这种材料能够在与来自地层2的含水层中的水接触时膨胀，这种材料优选为HNBR弹性体。

参照图2A和2B，图中示出了将密封层安装到生产尾管7之前，生产尾管7和密封层20的截面图。这组控制线18由一盖件封闭，该盖件通过适当的固定装置(未示出)被固定在生产尾管7的外表面上。密封层20具有一纵向狭缝31，它限定出一对彼此相对的纵向边缘32，34，这就使得密封层20能够在一打开位置(如图2所示)和一闭合位置(如图3所示)之间移动，其中在所述打开位置，所述边缘32，34可相对于彼此移动以便允许沿着箭头35所示的方向将密封层20径向施加于生产尾管7上，而在所述闭合位置，所述边缘32，34被设置成彼此相邻，以便密封层20能够充分地密封生产尾管7。此外，密封层20还设有多对沿着密封层20以规则的纵向距离间隔开的孔36，38。每对的孔36，38都形成在相应的纵向边缘32，34上，并且被成形为能够使螺栓(参照下文)延伸穿过对齐的孔36，38以便将密封层20固定到生产尾管7上。密封层20还设有形成在其内表面中的纵向凹进40，它用于容纳一组控制线18和盖件30。

图3中示出了在密封层20已经被径向施加于生产尾管7上以密封生产尾管7之后的生产尾管7和密封层20。利用多个螺栓/螺母组件42将密封层20夹紧到导管上，其中，每个螺栓/螺母组件42都延伸穿过相应的一对孔36，38。

参照图4和图5，图中示出了密封层20和生产尾管7的纵剖面图。生产尾管7由多个具有大约为10m(30ft)的标准长度的管接头44装配形成，由此每个密封层20，22，24，26基本在相应的被施加密封层20的管接头44的总长度上延伸。每个这样的管接头44在其相对的端部处都配备有相应的连接部分，以用于使不同的管接头44相互连接。环形密封层20的外表面还配备有多个沿着密封层20的长度规则地间隔开的环形凹进46。

在正常的操作过程中，生产尾管7由相应的管接头44和相应的管状元件的较短部分(术语为“接头(subs)”；未示出)装配形成，该较短部分包括各自的控制阀12，13，14，15。随着生产尾管7下降到井身1中，在井现场处进行装配。将控制线组18和盖件30一起供给生产尾管7，并将它们稳固地连接在生产尾管上，同时将生产尾管7下降到井身1中。然后以凹进40能够封闭盖件30(以及因此控制线18)的方式在所需位置处将每个密封层20，22，24，26径向施加到生产尾管7上。接下来将密封层20移动到其闭合位置以封闭管接头44，并通过固定延伸穿过相应对的孔36，38的螺栓/螺母组件42将密封层20固定到管接头44上。用类似的方式将其它密封层22，24，26装配到相应的管接头44上。将生产尾管7安装到井身1中，从而密封层20，22，24，26和流入控制阀12，13，14，15被定位在含有碳氢化合物流体的地层区域3中。

在井身1已经被合适地完成后，碳氢化合物流体就能够从地层区域3流入到井身的部分1a，并经由流入控制阀12，13，14，15从井身的部分1a流入到生产尾管7和生产油管9中。如果地层水进入到生产尾管7和井身壁之间的环形空间内，与地层水接触的一个或多个密封层20，22，24，26将膨胀直到其进一步的膨胀被井身壁阻止。环形凹进46扩大了密封层与地层水的接触面积，由此促进了密封层的膨胀。一旦膨胀的密封层20，22，24，26在生产尾管7和井身壁之间受到压缩，地层水穿过环形空间的进一步迁移就将受到阻止。为了确定水流入的位置，通过连续地打开和/或关闭流入控制阀12，13，14，15并同时测量地层水的流入量来进行实验。根据观察到的由于闭合一个或多个指定的流入控制阀12，13，14，15而导致的地层水的流入减少来确定流入位置。一旦确定了水流入的位置，处于流入位置的一个或多个流入控制阀12，13，14，15就将被关闭，从而消除了地层水流入到生产尾管7中。

每个密封层20，22，24，26的膨胀还导致形成密封层抵靠在生产尾管7和盖件30上的足够的密封，从而可以防止密封层和生产尾管或盖件30之间的流体迁移。

作为通过与地层水接触而使密封层产生膨胀的替代，可通过使密封层与泵入到井身中的水基井身流体接触来触发这种膨胀。

此外，密封层可以由一种材料制成，这种材料能够在与碳氢化合物如原油或柴油接触时膨胀。在这种应用中，密封层能够通过与从井身中产生的碳氢化合物流体接触而产生膨胀。可选择地，密封层也能够通过将碳氢化合物流体，如柴油或原油泵送到井身中而产生膨胀。后一种方法的优点在于在将管状元件降入到井身的过程中，防止了密封层过早膨胀。

而且，还可以采用一种混合系统，该混合系统包括能够在与碳氢化合物流体接触时膨胀的密封层部分，以及能够在与地层水接触时膨胀的密封层部分。

Claims (13)

1.一种用于密封环形空间的系统，所述环形空间位于延伸到井身中的管状元件和围绕着该管状元件的圆柱形壁之间，其中，用于控制井下装置的控制线沿着管状元件在纵向上延伸，该系统包括在围绕管状元件延伸的环形密封层，所述密封层具有设有凹进的内表面，该凹进用于径向接收控制线，所述密封层还设有纵向狭缝，该狭缝限定出一对相对的纵向边缘，这对纵向边缘能够在打开位置和闭合位置之间彼此相对移动，在所述打开位置，所述密封层能够被径向地施加到管状元件上，在所述闭合位置，所述密封层围绕管状元件延伸。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述井下装置是流入控制装置，用于控制流体从地层流入到管状元件中。

3.如权利要求2所述的系统，包括多个所述的密封层和多个所述的流入控制装置，所述密封层和流入控制装置被设置成沿着管状元件以彼此交替的顺序布置。

4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的系统，其中，管状元件由多个管接头装配形成，每个密封层的长度基本上与相应的被施加该密封层的管接头的长度一致。

5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的系统，其中，密封层由多个彼此相邻布置的密封层部分形成。

6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的系统，其中，所述圆柱形壁是井身的壁。

7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其中，每个密封层都包括一种材料，该材料能够在与选定的流体接触时膨胀。

8.如权利要求7所述的系统，其中，密封层包括弹性体材料，该弹性体材料能够在与来自地层的水接触时膨胀。

9.如权利要求8所述的系统，其中，密封层包括HNBR弹性体。

10.如权利要求7-9中任一权利要求所述的系统，其中，密封层包括多个形成在其外表面上的、在纵向上规则地间隔开的环形凹进。

11.如权利要求1-10中任一权利要求所述的系统，还包括用于将处于闭合位置的密封层固定到管状元件上的固定装置。

12.如权利要求1-11中任一权利要求所述的系统，其中，一盖件覆盖控制线，所述凹进用于径向容纳该盖件。

13.一种基本上如在前面参照附图所述的系统。

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