專利名稱：試驗插塞器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及在后面的權利要求書的前序部分中描述的試驗插塞器件。這種插塞現在用于諸如油、氣井和水井中。
本發明還涉及用于適合于容納這種玻璃插塞的管結構的器件的不同實施例。
背景技術：
利用諸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。利用可以只能單向耐受壓力的復合插塞也是公知的。例如，已知這些插塞在US使用。
眾所周知，在石油工業中的生產井必須在使用之前進行試驗。這些試驗之一涉及檢查井的部件能夠耐受在油/氣生產過程中進行操作的條件下的壓力。為了進行這種試驗，將插塞插入，關閉向下通到井內的通路。在適當的流體的幫助下，從地面上提供壓力，隨著時間的進展，可以檢查所述井是否具有足夠的水密性以防止泄漏。從前，采用在使用之后拔出的插塞。近來，可以希望采用使用之后不必再拔出的插塞。即，在使用之后，可以將插塞打開或者粉碎或者分解。
整個或者部分插塞由橡膠制造的方案從前也是公知的，其中，一部分包括在完成試驗和希望除去插塞時將橡膠插塞分解的化學藥品。但是，在從浮式鉆井平臺進行操作的過程中，考慮到對于這種平臺的高的運行成本，由于需要知道將插塞除去和通路打開時的確切的時間，這種方法過分不可靠和緩慢。在插塞打開之前鉆探設備不能離開，上面所述的解決方案需要花費幾天的時間。這種類型的插塞后來被可以粉碎的插塞取代。
作為已知的可粉碎的插塞的例子，可以參照美國專利申請5,607,017和美國專利申請2003/0168214A(基于挪威專利申請20001801)。
也可以采用TDP-PLUG(＝Tubing Disappearing Plug管狀隱式插塞)預防井爆裂，也可以以一種安全的方式配合壓力激活設備。否則，會冒著流體從井中泄漏出來的危險。實際上，插塞以TDP-插塞的形式裝入到管道/生產管的下部內。然后將所述的管擰在一起并將其引導到井內，直到插塞達到正確的深度。
將試驗插塞置于管道/管內的合適的適配座中，并且利用襯墊系統達到相對于周圍的內管壁的足夠的密封。密封件被置于內管壁中的適配凹部內，并將位于徑向內部的插塞密封在其座內。
本發明的一個目的是提供一種玻璃插塞，該插塞可以獨立地作為一個單元被安裝(或者驅動)，即，不被永久性地安裝到管道內。這是利用鋼纜或者撓性管下降到井內的插塞。這種插塞是中空的，即，具有貫穿孔并且常常安裝有外部襯墊，形成相對于井的內壁的卡子，所謂卡瓦，并且在下面安裝有玻璃插塞。將整個單元，即“橋-塞”，下降到所需的深度，并將其膨脹以給予足夠的夾緊和密封，在整個試驗過程中提供密封，或者停止可能的水的泄放。
這里，用戶可以通過爆炸物或者鼓風/沖擊除去插塞中的玻璃，從而避免再次將插塞拔出。眾所周知的問題是，特別是如果所述插塞在井內停留很長時間，插塞很難拔出。
使用這種插塞的一個重要的方面是，玻璃插塞可以耐受快速的溫度變化。通過利用鋼纜，可以很快地降低到引起高溫的完全的深度。
分成層的新型的玻璃插塞，對于快速加熱而言，與從前已知的解決方案相比，例如，與上面提到的挪威專利申請2000 1801(屬于本申請人)相比，要好得多。這里，玻璃是一整塊的，并且，由于內部應力的原因，常常會由于快速加熱而損壞。
在這種插塞中，利用陶瓷或玻璃作為材料是公知的，例如，象在上面提到的專利申請2000 1801中那樣。一般地，對于石油工業來說，玻璃是非常適當的。玻璃幾乎對于所有類型的化學藥品都是惰性的，對于操作插塞的人而言是安全的。進而，玻璃在高溫下保持其強度，并且可以在油井內停留非常長的時間，其結構也不會損壞或者被破壞。
陶瓷/玻璃插塞包括當試驗完成時被引爆的炸藥，從而將插塞粉碎，通路打開用于自由貫通流動。這種粉碎的優點是，陶瓷材料或者玻璃被粉碎成小的顆粒，這些小的顆粒可以被簡單地從井內清洗出去，而不會有任何有害的殘留物。這種炸藥通常接合到插塞本身內，因為在插塞頂部已經鉆出用于放置炸藥的一個或多個切口/孔。但是，這將導致插塞結構的弱化，因為在預備試驗的過程中，當玻璃暴露在高壓下或者壓力變化時，在玻璃內很容易引起劃痕和裂縫。
同時，工業上需要能夠在生產井中采用更高的工作壓力。在我們的試驗中，我們確定，這種插塞的早期的形式，相對于負荷的變更的數目、負荷的方向的變化和溫度起伏而言，沒有足夠的強度和安全性。用戶還要求用于穩定地增大工作壓力的插塞。井道技術的發展意味著現在必須提供一種能夠耐受高達1000bar的壓力的插塞結構，使之能夠用于現代的高壓井內。
已經發現，可粉碎的材料的形狀和插塞本身的成分，對于插塞所耐受的壓力而言是極其重要的。
目前在市場上還有和可粉碎的插塞起著相同作用的、例如帶有可以打開的活葉或旋塞的閥及其它系統，但是這些閥和其它系統具有明顯的缺點它們在技術上是復雜的，具有很多移動部件，具有很多產生缺陷的可能性。它們很容易被進入機構內的殘渣/顆粒阻塞。因此，這些閥是昂貴的，在絕大多數情況下被省略或者被排出在外。
發明內容
根據上面所述，本發明的一個目的是提供一種克服上面所述的缺點的新型的插塞結構，即，所述結構在試驗過程中能夠耐受更高的壓力，快速的溫度擺動以及很多和各種各樣的負荷變化。本發明的目的是提供一種插塞結構，可以滿足上面所述的對插塞的要求。
根據本發明的插塞結構，其特征由所附權利要求1的特征所給出的特點來表征。優選地的實施例呈現在從屬權利要求中。
用于管部分的器件如獨立權利要求23和從屬權利要求24-26中所述。
借助本發明，可以達到如下的特征獲得包括帶有玻璃層的一系列層的更牢固的插塞。其結構為，與從前已知的插塞相比，所述玻璃可以耐受不同的負荷變化和改變的負荷變化，即，可以耐受在來自上面的壓力和來自于下面的壓力之間的壓力變化。
所述玻璃被分成不同的功能，一種盤型的板/盤可以確保在所述插塞所暴露的壓力下對液體或氣體的液壓密封，而另外一種類型的板/盤起著承擔由于推壓到玻璃區域上的壓力引起的負荷的作用。
一系列試驗清楚地表明，與起著密封作用同時還起著承擔負荷的作用的盤相比，這種分工在玻璃上引起較小的應變。
在特定的操作當中，例如在利用爆炸物在玻璃插塞的正上方穿孔時，采用若干層玻璃也是很重要的，以便耐受由這種類型的工作導致在井內的明顯的壓力振動。
在板/盤中將插塞分層以及在每一個板/盤之間的可能的疊層，導致在快速溫度變化時比從前已知的插塞高得多的相對于破損的耐受力。這在過去已知的技術中是一個很大的問題。
分層和模塊結構確保能夠制成在采用該插塞的井內可以調整到所期望的環境條件(壓力、溫度等)的插塞。當然，要考慮到安全系數。從而，可以根據用戶的壓力要求專門調整和建造插塞。例如，利用6-8層玻璃可以制造1000bar的插塞，而300bar的插塞可以包括2至4層。
重要的是，以在保持其強度的同時可以被粉碎、也可以進行機械粉碎的方式將玻璃硬化。通過對玻璃進行熱處理完成其硬化。
現將參照附圖對本發明進行更詳細地說明，其中圖1表示根據本發明的插塞的結構的總體圖，該插塞被置于管道/生產管中，其中，通過周圍的管壁形成排氣孔。
圖2表示插塞的另外一種可供選擇的插塞的實施例，即，對于插塞中層的數目的另外一種實施例。
圖3表示上述插塞的一個變形，在一個單獨的玻璃部分內包含有炸藥。
具體實施例方式
首先參照圖1，該圖表示過去已知的的類型的生產管10的管道，其中安裝有插塞12。插塞12被置于管10的沿徑向方向擴大的部分14內。部分14具有比管的其余部分稍大的內徑，即提供插塞的可靠地定位，也避免在除去插塞時限制流動截面積。插塞12主要是圓柱形的(盡管其它的截面形式也可以適合于管10的截面)。
插塞12的下側在擴大的部分的底部形成相對于管10的縱軸X呈環形、傾斜的、臺肩狀的座18。插塞的上部也具有傾斜的表面。這樣，插塞更加能夠耐受高壓和壓力脈沖。插塞10相對于座的接觸角約為45°。
將擴大的部分14設計成不會妨礙井在以后的操作和維修。進而，插塞部分的直徑不能太大，因為這將導致操作者(石油公司)不得不采用具有相應的大的內徑的套管/襯管。由于襯管可以具有10千米和更長的長度，所以，對于經營者來說，太厚的插塞部分會導致額外的費用。
內壁上的插塞的襯墊結構23、25形成在玻璃盤32、34與管的內壁之間的密封，其中，所述玻璃盤32、34位于插塞承載管室14的正上方和正下方。這些玻璃盤也用32、34表示，這些玻璃盤本身為了密封的作用而設置。
這給予玻璃插塞12本身以降低的負荷，可以將插塞部分制造得較窄，從而減少對襯管和生產管的直徑的要求。插塞12具有圓柱形的形狀，在中間形成比密封成形的玻璃盤32、34具有更大的直徑的許多玻璃盤13。
根據本發明的新型的插塞結構，其特征在于，它呈現一種層狀或者疊層結構，在該結構中，每一層位于下一層的頂部。這可以從附圖中看出。
用Z表示的層被制成具有給定厚度的盤形板狀元件。在插塞12的中間圓柱形部分13的每一個端部上安裝傾斜的板15、17，也用Y表示在圖中。在插塞的每一個端部，安裝前面所述的在圖中用X表示的端部盤32和34，這些盤和安裝在外周上的O型環23、25一起形成插塞相對于管10的內壁的密封，防止泄漏。
從而，可以按所需數目的層制造根據本發明的插塞。根據特定的優選實施例，在插塞中的不同層之間配置與玻璃不同的材料的層。這在搬運過程中，可以更好地保護玻璃免受沖擊，并且使得插塞能夠耐受更高的壓力。
作為插入層和插入薄膜的例子，可以采用塑料薄膜、毛氈薄膜、紙質薄膜或者類似材料。
插入層起著提高強度的疊層和/或作為滑動機構或者減震器的作用。或者，可以利用諸如膠合劑等粘結劑，通過層壓將玻璃板接合到一起。
利用壓力硬化，可以將玻璃制成易碎的。通過正確的回火(預處理)，玻璃可以獲得強度、剛性和良好的粉碎特性。
為了獲得在每一個玻璃盤之間和玻璃盤的外表面與管的內壁之間的令人滿意的密封，應當將玻璃拋光。這意味著將玻璃板制成磨砂玻璃(挪威語“slip”)。這使得在玻璃和金屬之間能夠進行很好地配合，即，在每個玻璃板之間和玻璃的外表面與內管壁的金屬之間給出令人滿意的密封。
為了簡化工業生產并提供更簡單的配合以及最好的可能的功能，從插塞的中心鉆一個平衡孔36，該孔沿徑向方向穿過管道或者管部10/14通到外部，所述插塞12配置在管道或者管部10/14之內。孔36沿徑向方向鉆進到擴大的部分14的中心內。參見圖2，在工場安裝插塞10的過程中，當分別將兩個上部和下部玻璃板15a、15b彼此面對面地引導以便使之沿著邊界線38彼此平躺時，由于狹窄的通路，空氣將通過管壁10上的孔36被排出。
孔36提供了內層的插塞部彼此之間的可靠的配合。如果沒有這個孔，將不得不在真空中安裝整個插塞，以便在將玻璃盤裝配到一起時，避免在玻璃盤之間的大的過壓，這是很麻煩和昂貴的，并且插塞不能最好地工作。當將插塞處于井下時，孔36還用于平衡玻璃表面上的壓力。
在外殼上的該平衡孔36還起著降低施加到插塞上的壓力負荷的作用。如果沒有通過該孔36的這種平衡，有可能終止超過用于插塞的壓力額定值或者容限。這是因為在玻璃插塞內部的在盤之間的壓力最初是大氣壓(1bar絕對壓力)。但是，當將插塞安裝到2-3km的深度，并且在試驗階段用水充滿井時，靜水壓力本身將等于2-300bar。此外，在標準的井內，還產生典型地為350bar的試驗壓力。總計，對于最初為大氣壓力的玻璃盤，可以有300+350＝650bar的壓力差。如在前面的段落中提到的那樣，通過利用孔36作為通氣孔或者單向閥，那么就可以將靜水壓力平衡，將壓差降低到只有試驗壓力，即，降低到350bar的壓力。
根據一個優選實施例，將玻璃插塞配置在高級的比較柔軟的材料的座或者所謂的“框”37內。這種材料優選地為如青銅等的金屬。如圖3所示，座17具有對應于擴大的插塞部分13的外周側面的形狀，從而可以穩定地配置在擴大的管部分內。例如，在將該部分安裝到管部10內之前，利用起重機等將其抬起的過程中，這種解決方案將保護插塞免于受到粗放處理的損壞。該框17還可以被用作支承件和壓力作用到玻璃的區域上的力的承受物。例如，該力可以為150公噸。這意味著，玻璃被支承在框上，而框則靠在周圍的管部上。
玻璃是經過拋光的，并且優選地，它們的作用制成不同的形狀，其中，一種類型的玻璃可以構成壓力密封(17-18)，另一種玻璃則應對由流體壓力施加的負荷。
如從一開始就可以看出的那樣，借助內藏的炸藥40，可以將玻璃插塞除去，所述炸藥被緊固在玻璃上或者緊固到插塞外殼的內部。在圖1中表示出一個實施例，在該實施例中，炸藥40被緊固到一個專用的獨立的玻璃盤42的內部，該玻璃盤42靠近密封端板32，并置于其頂部。該盤42被稱作用于炸藥固定部。當盤42爆炸時，玻璃插塞完全粉碎，作為固定部的盤42也完全粉碎。
關于插塞本身的爆炸，可以通過借助利用石油平臺的泵提供的可控泵壓從地面上遙控地進行。也可以利用定時器，在預定的時間間隔之后爆炸并除去插塞。
包含這種插塞12的管的部分的制造，可以預先在裝配工場進行。這意味著，可以利用合適的質量的材料等將插塞組裝成模塊，以便根據使用場所的條件，滿足不同的需要。這還意味著，通過改變配置在制造插塞的堆疊中的玻璃板的數目，可以很容易地調節插塞的長度。
圖1和圖2表示兩種不同的結構。圖1表示具有四個Z型玻璃板的插塞，而圖2表示只具有兩個Z型玻璃盤的插塞。圖1還表示額外的爆炸玻璃盤42，而根據圖2所示的插塞則不具有這種類型的炸藥。
當玻璃插塞在后來被爆炸、管已經為了流體的流動而打開時，該較短的管部分留在管內。因此，該部分以后可以用于安裝和容納機械操作的插塞，以便完成對井的其它試驗或者保護。
在插塞外殼上，提供一個用參考標號46表示的所謂“止過(no-go)”凸肩。該凸肩用參考標號46表示在圖2中。該凸肩形成環形向內彎曲的折疊部46或者管內的擱板。該凸肩不會對管的流動產生太大的干擾，也不會妨礙以后將要通過該插塞部分下降的設備。
可以利用凸肩46固定以后在管內下降的機械插塞。與所述管具有大致相同內徑、并且向下降的插塞，其下側將停靠在所謂的“止過”凸肩46上。利用這種凸肩形狀46，可以將“滑線插塞(slickline-plug)”固定到該座上。該停泊地常常被稱為“被懸掛的設備”。這意味著，在以后的井的操作中，可以將插塞或其它設備懸掛在最初安裝玻璃插塞的同一個凹槽內，并同時建立固定的停泊地以及在該區域內的密封功能。因此防止設備通過凸肩部46。
圖3表示一種變形，在該變形中，在圓盤42上設置爆炸物緊固件40和在底部設置用于放置“啞”(dumb)的滑線插塞的所謂止過凸肩46。在插塞被除去之后，可以將這種插塞向下朝著止過凸肩驅動，并將其放置在該處，而無需進一步的深度控制，并調整到固定和停靠在凸肩46上。之后，可以利用該插塞保護井，以便進行工作或者試驗。
進而，圖2和圖3均表示具有插塞單元13(分別由兩個上部和下部玻璃盤13形成)的徑向擴大的中間部分15的實施例，所述插塞單元靠在管壁內的傾斜的座18上。
權利要求
1.一種器件，用于在地層等中進行井眼的壓力試驗用的插塞(12)以及相關的管，在該相關的管中，所述插塞安裝在插塞裝載室內，所述插塞通過與密封體相結合，將貫通管的通路封閉，所述插塞的下側設置(安置)在所述室的底部的座內，其特征在于，該器件包括許多給定厚度的層狀或者疊層狀環形盤元件，每一個盤元件安裝在另一個盤元件的頂部上。
2.如權利要求1所述的器件，其特征在于，在所述插塞的不同的層之間插入與玻璃不同的材料制成的薄膜或片，以便獲得所要求的強度和韌性。
3.如權利要求1-2所述的器件，其特征在于，所述插入的薄膜包括塑料薄膜、毛氈薄膜、紙薄膜等。
4.如權利要求1-3所述的器件，其特征在于，所述玻璃盤利用膠合劑等粘結劑通過層壓接合在一起。
5.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，所述玻璃盤是被硬化的或者易碎的，從而可以簡單和有效地將玻璃進行機械粉碎。
6.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，所述玻璃形成拋光的表面，以便獲得在每一個玻璃盤之間以及玻璃的外表面與管的內壁的金屬之間的令人滿意的密封。
7.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，所述玻璃插塞被置于高級的、較軟的材料的框架或框37內，例如，所述較軟的金屬為青銅，以便保護插塞免于因粗放的處理而被損壞。
8.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，一種類型的玻璃(32、34)負責壓力密封，而另外一種類型的玻璃(16、15)則應對由液壓引起的壓力負荷。
9.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，將玻璃插塞設置成借助炸藥(40)被除去，所述炸藥(40)被緊固到插塞外殼/管部分的內部之中或之上的玻璃上。
10.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，所述玻璃插塞的所述炸藥設置在獨立的玻璃盤(42)的內部，所述玻璃盤(42)在靠近密封端盤(32)，并位于該盤的頂部。
11.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，將多個層(X)制成盤狀板，上部和下部的傾斜板(15、17、Y)，以及位于插塞的每一個端部的板是端部部分(32、34)，所述端部部分包括它們自己的密封體，所述密封體包括O型環(23、25)，所述O型環形成插塞相對于管(10)的內壁的密封，防止泄漏。
12.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，所述室(30)形成對應的傾斜座(18)，用于插塞的具有互補的形狀的座的頂部側，該插塞與座具有45°的接觸角。
13.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，將所述密封體(23、25)設置成在所述室(30)的上部(上游)和/或下部(下游)與管(10)的內壁連接，并且被設置成在所述室的上部和/或下部形成相對于插塞體(10)的各個圓柱形的延伸部分(32、34)的密封。
14.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，每一個密封體包括一個密封件，例如O型環，所述O型環(23、25)配合到管的內壁中的環形凹槽內。
15.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，所述獨立的部分被劃分成兩個部分(52、54)，每一個部分包含有炸藥(56、58)。
16.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，所述插塞外殼包括在所述管內以環形的面向內部的折疊部或者“擱板”(40)的形式永久設置的“止過”凸肩，以便能夠簡單地放置機械插塞，以在以后完成井的試驗或者對井的保護。
17.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，優選地通過玻璃的熱處理進行硬化，從而，所述玻璃以可以被壓碎并且可以被機械破碎的方式被硬化，同時，保持其強度。
18.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，管部分/外殼或者玻璃保持器形成有通氣孔(36)，以便簡化玻璃盤的安裝。
19.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，孔36用于壓力平衡，以便降低在插塞上的壓力負荷。
20.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，這樣制造用于玻璃的凹槽，即使得在玻璃插塞被除去之后可以很容易地驅動設備通過，從而將拐角和形狀成形為不會將工具卡住的形狀。
21.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，在玻璃被除去之后，例如在以后的井的操作當中，用于玻璃的凹槽14可以被用于懸掛插塞或者其它設備。
22.如前面所述權利要求中的任何一項所述的器件，其特征在于，這樣形成用于玻璃的凹槽14和周圍的區域，即使得在以后的井的操作過程中，可以將插塞和其它設備懸掛在該同一個凹槽內，并且建立起固定部和在該區域內的密封。
23.一種用于管部的器件，所述管部用于容納插塞，其特征在于，所述器件如在上面所述的權利要求中所描述地形成。
24.如權利要求23所述的器件，其特征在于，所述插塞外殼包括在所述管內以環形的面向內部的折疊部或者“擱板”(40)的形式永久設置的“止過”凸肩，以便能夠簡單地放置機械插塞，以便在以后完成井的試驗或者對井的保護。
25.如前述權利要求23-24中任何一項所述的器件，其特征在于，用于玻璃的凹槽14和所述凸肩部分46，在玻璃被除去之后，例如在以后的井的操作當中，用于懸掛插塞或其它設備。
26.如前述權利要求23-25中任何一項所述的器件，其特征在于，這樣形成所述用于玻璃的凹槽14和凸肩部分46以及周圍的區域，即使得可以在以后的井操作過程中，可以將插塞和其它設備懸掛在所述同一個凹槽內，并且在該區域內建立起固定部和密封。
全文摘要
本發明描述了一種器件，用于井眼的壓力試驗的插塞(12)以及相關的管(10)，在所述管內，將所述插塞安裝在插塞裝載室(14)內，插塞(12)通過與密封體(23、25)相結合將通過所述管的通路密封，并且，所述插塞(12)的下側設置(安置)在所述室的底部的座上。所述插塞的特征在于，它包括多個給定厚度的層狀或者疊層狀環形圓盤元件，每一個所述元件安裝在另一個元件的頂部上。
文檔編號E21B33/134GK1910336SQ200480040266
公開日2007年2月7日 申請日期2004年11月22日 優先權日2003年11月21日
發明者T·H·瑟倫森 申請人:Tco公司