具有軸向力機構的環形屏障的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種待在井管結構和井下井眼的內壁之間的環狀空間中膨脹以在井眼的第一區域和第二區域之間提供區域隔離的環形屏障。該環形屏障包括：沿縱向方向延伸以作為所述井管結構的一部分安裝的管部；圍繞該管部并限定出與該管部的內部流體連通的空間的可膨脹套筒；使流體進入該空間以膨脹該套筒的第一流體通道；和包括與該管狀部件可滑動連接的連接部的連接單元，該可膨脹套筒的第一端與連接部相連接，其中該連接單元還包括與該管部固定地連接的固定部，和適用于產生作用在該可膨脹套筒的該第一端上的軸向力的致動機構。
【專利說明】具有軸向力機構的環形屏障
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種待在井管結構和井下井眼的內壁之間的環狀空間中膨脹以在井眼的第一區域和第二區域之間提供區域隔離的環形屏障(環形阻擋裝置)，該環形屏障包括:沿縱向方向延伸以作為所述井管結構的一部分安裝的管部；圍繞該管部并限定出與該管部的內部流體連通的空間的可膨脹套筒；使流體進入該空間以膨脹該套筒的第一流體通道；和包括與該管部可滑動連接的連接部的連接單元。另外，本發明涉及包括環形屏障的系統和膨脹環形屏障的方法。
【背景技術】
[0002]在井筒中，環形屏障用于不同的目的，諸如用于提供對內管結構與外管結構之間的流動或內管結構與井眼內壁之間的流動的隔離。環形屏障作為井管結構的一部分安裝。環形屏障具有由環形可膨脹套筒包圍的內壁。該可膨脹套筒通常由彈性體材料制成，但也可由金屬制成。套筒在其端部緊固到環形屏障的內壁。
[0003]多個環形屏障可用來密封在內管結構和外管結構之間或井管結構與井眼之間的區域。第一環形屏障在待密封區域的一側膨脹，和第二環形屏障在該區域的另一側膨脹，由此該區域被密封。
[0004]環形屏障可使用注入井中或注入井的有限部分的加壓流體進行裝定(安置)。以此方式，環形屏障的可膨脹套筒被膨脹到與外管結構或井眼的內壁相接合。井的壓力包絡由用在井結構內的管和井硬件等的爆裂等級來控制。當可膨脹套筒通過增加井內的壓力來膨脹時，井的爆裂等級限定可施加的最大壓力。期望將膨脹套筒所需的膨脹壓力最小化來將井在膨脹壓力中的暴露最小化。
[0005]為了降低環形屏障的膨脹壓力，可減小可膨脹套筒的厚度。然而，這削弱了可膨脹套筒的尺寸和套筒的最大膨脹尺寸。另外，套筒會在達到套筒的期望膨脹尺寸之前發生坍塌或破裂。可膨脹套筒破裂往往存在的原因是在膨脹過程中套筒材料不恰當地變薄。套筒材料的變薄是可膨脹套筒的一個重要特性，但例如在套筒的局部區域變薄太多將導致環形屏障發生故障。
【發明內容】
[0006]本發明的一個目的是完全或部分地克服現有技術中的上述缺點和不足。更特別地，一個目的是提供一種改進的環形屏障，其中避免了套筒不適宜地變薄。
[0007]從下面的描述中將變得顯而易見的上述目的以及眾多的其它目的、優點和特征由根據本發明的方案來實現，即通過一種待在井管結構和井下井眼的內壁之間的環狀空間中膨脹以在井眼的第一區域和第二區域之間提供區域隔離的環形屏障，該環形屏障包括:
[0008]-沿縱向方向延伸以作為所述井管結構的一部分安裝的管部；
[0009]-圍繞該管部并限定出與該管部的內部流體連通的空間的可膨脹套筒；
[0010]-使流體進入該空間以膨脹該套筒的第一流體通道；[0011]-和包括與該管部可滑動連接的連接部的連接單元；
[0012]其中該連接單元還包括與該管部固定地連接的固定部，和適用于產生作用在該可膨脹套筒的該第一端上的軸向力的致動機構，由此使該連接部沿縱向方向朝向該可膨脹套筒的與所述管部相連接的第二端移位。
[0013]在這方面的優點是同時通過將液壓流體注入由可膨脹套筒限定的空間來膨脹可膨脹套筒和將該連接部移位以將該可膨脹套筒的一端朝向另一端移動來避免該可膨脹套筒不適宜地變薄。
[0014]在一個實施例中，連接部可構成致動機構的一部分。
[0015]上面描述的環形屏障還可包括兩個連接單元，每個連接單元包括分別連接到可膨脹套筒的第一端和第二端的連接部。
[0016]另外，致動機構可包括至少部分限定在連接部的端面和固定部的端面之間的壓力腔室。
[0017]此外，如上所述的環形屏障可包括用于使流體進入致動機構的壓力腔室內以沿縱向方向推動該連接部的第二流體通道。
[0018]并且，該第二流體通道可設有止回閥。
[0019]如上所述的環形屏障還可包括流體旁路通道，用于當連接部已經沿縱向方向移位時提供在該壓力腔室和由該可膨脹套筒限定的空間之間的流體連通。
[0020]此外，在連接部沿縱向方向移位之前該流體旁路通道可由該連接部阻斷。
[0021 ] 在一個實施例中，第一流體通道可設置在連接部中，從而流體連接由可膨脹套筒限定的空間和該致動機構的壓力腔室。
[0022]通過將第一流體通道布置在連接部中，可調整通過第一流體通道的流量來控制壓力腔室內的壓力并因此控制作用在連接部和可膨脹套筒的第一端上的力。通過能夠更好地控制作用在連接部上的力，可避免可膨脹套筒的不適宜變薄。
[0023]另外，第一流體通道可設有止回閥。
[0024]此外，第一流體通道可設有壓力調節閥，防止當所述空間內的壓力超過預定閾值時流體流入由可膨脹套筒限定的空間。
[0025]因此，通過壓力調節閥可防止可膨脹套筒破裂，這是因為所述空間內的壓力始終保持在可膨脹套筒的極限范圍內。
[0026]而且，上面描述的致動機構可包括與壓力腔室流體連接的液壓泵，該液壓泵適用于通過將液壓流體泵送入壓力腔室內來沿縱向方向推動該連接部。
[0027]另外，該致動機構可包括增壓裝置，該增壓裝置包括與該管部的內部流體連通的入口和與該壓力腔室流體連通的出口，由此將液壓流體供應到壓力腔室來沿縱向方向推動該連接部。
[0028]通過使環形屏障包括液壓增壓器，可使用該管部內部的增壓流體以將壓力顯著高于該管部內部的流體壓力的加壓流體供給到該壓力腔室內部。由此，為了部署在井中的其它井硬件的利益，可減小注入該管部的內部的液壓流體的膨脹壓力。
[0029]此外，增壓裝置可進一步包括往復活塞和適用于改變液壓流體的流動方向的先導控制閥。
[0030]并且，增壓裝置的往復活塞可具有第一端面和第二端面，該第一端面的表面積Al大于該第二端面的表面積A2。
[0031]另外，第一端的表面積可為第二端的表面積的2至6倍。
[0032]因此，活塞能夠將施加到第一端面的壓力增強到由第二端面施加在壓力腔室內的流體上的較高壓力。
[0033]而且，致動機構可包括含有壓縮推進劑的壓力容器，壓縮推進劑適用于通過在啟動(激活)時在壓力腔室中提供超壓力來沿縱向方向推動該連接部。
[0034]更特別地,推進劑可以是氮氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氧氣或空氣。
[0035]此外，當可膨脹套筒開始膨脹時，壓力容器可通過傳感器檢測到所述連接部的運動來啟動。
[0036]而且，傳感器可包括由連接部的運動破壞的剪切銷。
[0037]在一個實施例中，致動機構可包括與連接部相連接以沿縱向方向推動該連接部的桿。
[0038]更特別地，致動機構可包括液壓泵，該液壓泵適用于通過液壓使該桿移位，由此該連接部被沿縱向方向推動。
[0039]另外，致動機構可包括包含電動機的線性致動器，該線性致動器適用于沿縱向方向推動該連接部。
[0040]上面描述的線性致動器可包括由電動機旋轉的軸。
[0041]在一個實施例中，連接單元還可包括與管部可滑動地連接的活塞部，該活塞部布置在連接部和固定部之間，該壓力腔室至少部分限定在活塞部的端面和固定部的端面之間，由此活塞部適用于沿縱向方向推動該連接部。
[0042]因此，活塞部可沿縱向方向移動離開連接部，而不會影響連接部的位置。
[0043]特別地，活塞部可與所述桿相連接。
[0044]另外，活塞部可與線性致動器相連接。
[0045]在另一個實施例中，環形屏障可包括適用于記錄何時管部內的壓力超過預定閾值的檢測機構，以便隨后啟動該致動機構來產生作用在連接部上的軸向力。
[0046]這樣的檢測機構可包括爆破片。
[0047]此外，該檢測機構可包括應變儀。
[0048]而且，環形屏障可包括傳感器，該傳感器適用于記錄連接部的運動以啟動該致動機構，由此在該連接部上產生軸向力。
[0049]此外，該傳感器可包括剪切銷。
[0050]或者，傳感器可包括接觸測量該連接部的運動的磁體。
[0051]另外，該傳感器可適用于測量施加到該連接部的拉力。
[0052]本發明還涉及一種包括井管機構和如上所述的環形屏障的井系統。
[0053]最后，本發明涉及一種用于在位于井管結構和井眼的內壁之間的環狀空間中膨脹如上面所述的環形屏障的方法，該方法包括以下步驟:
[0054]-通過使流體進入由該可膨脹套筒限定的該空間中來至少部分膨脹所述可膨脹套筒;
[0055]-在與所述可膨脹套筒的一端相連接的連接部上產生軸向力；和
[0056]-膨脹所述可膨脹套筒直至所述套筒抵靠該井眼的內壁密封。[0057]另外，該方法可包括監控在由所述可膨脹套筒限定的該空間內積聚的壓力的步驟。
[0058]而且，在可膨脹套筒膨脹期間軸向力可作用在該可膨脹套筒上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0059]下面將參考后附的示意圖更詳細地描述本發明及其優點，所述示意圖處于示例目的僅示出了一些非限制性的實施例，其中:
[0060]圖1a示出了環形屏障，其中可膨脹套筒的一端連接到可滑動連接部且另一端連接到固定連接部；
[0061]圖1b示出了環形屏障，其中可膨脹套筒的兩端連接到與該管部可滑動地連接的連接部；
[0062]圖2a示出了當環形屏障處于未裝定狀態時包括壓力腔室的連接單元和可膨脹套筒；
[0063]圖2b示出當環形屏障處于裝定狀態時前一圖中的連接單元和可膨脹套筒；
[0064]圖3a示出了當環形屏障處于未裝定狀態時包括連接部和活塞部的連接單元和可膨脹套筒；
[0065]圖3b示出了當環形屏障處于裝定狀態時前一圖中的連接單元和可膨脹套筒；
[0066]圖4a示出了當環形屏障處于未裝定狀態時包括桿的連接單元和可膨脹套筒；
[0067]圖4b示出了當環形屏障處于裝定狀態時前一圖中的連接單元和可膨脹套筒；
[0068]圖5示出了包括在壓力腔室和由可膨脹套筒限定的空間之間提供流體連通的流體通道的連接單元；
[0069]圖6示出了用于在壓力腔室和由可膨脹套筒限定的空間之間提供流體連通的流體旁路通道；
[0070]圖7示出了包括適用于將液壓流體泵送入壓力腔室的液壓泵的連接單元；
[0071]圖8示出了包括適用于將液壓流體供應到壓力腔室的增壓器的連接單元；
[0072]圖9示出了包括適用于沿縱向方向推動連接部的壓力容器的連接單元；
[0073]圖10示出了包括與管部可滑動地連接的連接部的連接單元的另一實施例；
[0074]圖11示出了包括圖8所示的增壓器的連接單元的示意圖；
[0075]圖12示出了包括適用于使連接部沿縱向方向移位的液壓活塞的連接(單元)的示意圖；和
[0076]圖13示出了包括井管結構和環形屏障的井系統。
[0077]所有的附圖是高度示意性的，未必按比例繪制，并且它們僅示出了闡明本發明所必需的那些部件，省略或僅暗示了其它部件。
【具體實施方式】
[0078]圖1a示出了待在井管結構3和井下井眼5的內壁4或另一種井管的內壁之間膨脹的環形屏障I。管結構3可以是生產套管。環形屏障I包括作為井管結構3的一部分安裝的管部6。管部6具有與井管結構3的縱向軸線同軸的縱向軸線40。環形屏障I包括可膨脹套筒7，該可膨脹套筒7包圍該管部6且限定出與該管部6的內部64流體連通的空間30。可膨脹套筒7的每端9，10與該管部6相連接，第一端9相對于該管部可滑動地緊固并且該第二端10通過固定連接部13相對于該管部固定地緊固。
[0079]環形屏障I具有用于讓流體進入空間30以膨脹該可膨脹套筒7的第一流體通道61，該第一流體通道61如此設置在該管部6中，使得該流體直接進入該空間30。為簡化目的，該第一流體通道61僅以截面示出，但被認為是環繞管部的圓周設置的一個或多個第一流體通道。閥諸如單向閥、流量控制閥、壓力調節閥可布置在該第一流體通道61中。另外，環形屏障包括:連接單元120，該連接單元包括將可膨脹套筒的一端與管部滑動連接的連接部12 ;與該管部固定地連接的固定部16 ;和適用于引起作用在可膨脹套筒的第一端上的軸向力以防止套筒不必要地變薄的致動機構20。該致動機構將在下文中更詳細地描述。可膨脹套筒的第一端9與該連接部12相連接，從而使得當連接部12移位時所述套筒的該部分沿縱向方向相應地移動。
[0080]圖1b示出了環形屏障的另一個實施例，其中可膨脹套筒7的每一端9，10相對于管部6可滑動地緊固。這通過包括兩個與上文所述的連接單元類似的連接單元120的環形屏障來實現。因此，可膨脹套筒的第一端9和第二端10與可滑動連接部12相連接。在下文中，將公開本發明的多個實施例，而不考慮可膨脹套筒7的每一端9，10如何與管部相連接。因此，不管可膨脹套筒的一端或兩端是否與管部可滑動連接，均可以應用所公開的內容。
[0081]環形屏障可作為圖13所示的井管結構3的一部分安裝并通過將液壓流體注入井管結構3來啟動或裝定。以此方式，可膨脹套筒通過液壓流體的壓力沿徑向膨脹，而同時可膨脹套筒的一端或兩端通過致動機構20產生的力沿縱向方向移動。
[0082]流體可在局部注入井管結構3的規定部段或通過對整個井管結構3加壓注入。局部注入可通過本領域技術人員理解的多種方式進行。一種方式是將帶有周向封隔器的鉆桿下降入井管結構內并將封隔器布置在第一流體通道的相對側以讓流體進入空間30來膨脹該套筒。隨后，流體通過鉆桿注入封隔器之間的空間，由此流體通過第一流體通道進入該空間來啟動和裝定該環形屏障I。進行局部注入的另一種方式是通過使用井工具，例如井下牽引器，包括泵。這樣的工具可通過纜線下降入井管結構3內與第一流體通道直接相連。井工具可注射已經存在于井中的流體或者由工具承載的流體。
[0083]圖2a和2b示出了包括壓力腔室21的致動機構。壓力腔室位于連接部12和固定部16之間并至少部分由連接部的端面121和固定部的端面161限定。在圖中僅示出了致動機構的截面，但連接部和固定部被認為是具有大致管狀延伸長度并圍繞該管部6的旋轉部件。然而，本領域技術人員還應當理解，在本發明的范圍內，連接部和固定部可被分成繞該管部的外周布置的多個單獨的部件。因此，壓力腔室21可以是一個連續的腔室或者被分成圍繞該管部的若干個單獨的腔室。在下文中，將僅參考一個壓力腔室，即使環形屏障可包括以一致方式操作的若干個獨立的壓力腔室。
[0084]圖2a和2b中的壓力腔室21通過第二流體通道62與管部的內部64流體連通。當液壓流體被注入壓力腔室時，將力施加到連接部的端面121上，由此該連接部沿縱向方向移位離開該固定部16。為了在管部6和連接部之間提供不透流體密封，一個或多個密封件122諸如O型密封圈等等可布置在該連接部中的凹槽內。類似地，一個或多個密封件162可布置在固定部16的一個或多個凹槽內。在示出的實施例中，連接部12包括從連接部的與該可膨脹套筒相對的一端伸出的管狀裙部123。該裙部延伸到至少部分覆蓋該固定部16并構成壓力腔室的壁。當連接部移位到拉長該壓力腔室時該管狀裙部123相對固定部滑動。在圖2a中，環形屏障示出處于不起作用的、未裝定狀態，其中該連接部和可膨脹套筒的第一端還未發生移位。可膨脹套筒利用本領域技術人員理解的技術與連接部相連接，由于這個原因，將不對此進行進一步描述。
[0085]在圖2b中，環形屏障示出處于激活的和裝定狀態，其中該連接部和可膨脹套筒的第一端已經沿縱向方向朝向可膨脹套筒的相對端且遠離該固定部移位。壓力腔室已經顯著延長并且可膨脹套筒7的外表面71抵接井下井眼5的內側壁4或者，作為替代，抵接另一井管結構的內側壁。從而，管結構3周圍的環狀空間的一部段22與該環狀空間2的其余部分隔離。井眼的第一區域221因此與井眼的第二區域222隔離，如圖13所示。
[0086]通過同時將液壓流體注入由可膨脹套筒限定的空間和使該連接部移位以將該可膨脹套筒的至少一端移位向另一端，避免了可膨脹套筒的不適宜變薄。該連接部的位移量根據可膨脹套筒的尺寸、材料性能和可膨脹套筒的期望膨脹直徑等來平衡。
[0087]當環形屏障處于裝定狀態時，連接部12可通過本領域技術人員已知的鎖定機構(未在圖2b中示出)被永久地或暫時地鎖定在移位位置，如圖2b所示。
[0088]圖3a示出了包括連接部12和活塞部14的連接單元120。在這個實施例中，可膨脹套筒與連接部相連接，并且該活塞的一端面141部分限定壓力腔室21。另外，活塞部包括類似于上面所述的連接部12的管狀裙部的管狀裙部123。連接部和活塞部均包括用于提供到管部的流體密封連接的密封件122，142。壓力腔室21的功能類似于上面描述的壓力腔室的功能，且當壓力流體通過第二流體通道62注入該壓力腔室21時，將力施加到活塞部的端面141上。以此方式，活塞部沿縱向方向移離固定部16，從而該連接部也沿縱向方向移位。
[0089]如圖3b所示，活塞部和連接部未相互連接。因此，活塞部僅可影響連接部沿縱向方向離開固定部的運動。通過使活塞部和連接部不連接，活塞部以及因此致動機構可在環形屏障已經裝定后移位，而不會影響該連接部的位置和可膨脹套筒的膨脹。
[0090]在圖4a和4b中，示出了包括連接到連接部12的桿23的連接單元120。從固定部16延伸出來的桿以使連接部12沿縱向方向移位。該桿可以是具有大體管狀的延伸長度的圍繞管部6的旋轉部件。然而，作為替代地，環形屏障可包括環繞該管部的外周布置的數個單獨的桿。在一個實施例中，用于使所述桿移位的致動機構由線性致動器90構成，并且所述桿23構造為由電動機91移位的軸。然而，本領域技術人員將會理解，桿可以多種其它方式移位，其被認為是落入本發明的范圍內。
[0091]在一個替代實施例中，所述一個或多個桿使用一個或多個液壓機構50可沿縱向方向移位，如圖12所示。液壓機構包括活塞腔室51、液壓泵52和用于控制液壓泵的運行的控制電子器件53。所述桿的、與桿的連接到該連接部(未在圖12中示出)的一端相對的一端設有布置在活塞腔室51內的活塞231。該活塞231將活塞腔室分成第一腔室段51a和第二腔室段51b。在啟動后，液壓泵將流體從第二腔室段51b通過導管56泵送入第一腔室段51a。以此方式，桿23和附隨的活塞231通過液壓流體朝向在圖12中看的左側移位。當桿23移位時，連接部12和可膨脹套筒7的第一端沿縱向方向朝向可膨脹套筒7的另一端(圖1a中示出)移位，從而可膨脹套筒被壓縮。在由于某些原因必須收回連接部的情況下，可控制液壓泵來使流體流反向并將液壓流體從第一腔室段51a通過導管57泵送入第二腔室段51b。從而，該桿23以及伴隨的活塞231通過液壓流體向如圖12所示的右側移位。在示出的實施例中，液壓機構50能夠向前和向后移動。在一個替代實施例中，然而，液壓機構可設計成僅考慮到向前運動，排除了沿兩個方向移動的選項。液壓泵由控制電子器件53來控制，所述控制電子器件包括檢測機構54，諸如壓力傳感器、應變儀、爆破片等用于檢測管部內的壓力。檢測機構與管部的內部相連通，并可布置在管部的壁中的凹槽或開口 55中，或者通過本領域技術人員已知的任何其它手段來布置。當控制電子器件從檢測機構接收到管部中的壓力已經超過某一閾值的信號一標示液壓流體正被注入井中以膨脹該可膨脹套筒時，控制電子器件啟動所述泵來將流體從第二腔室段51b泵送入第一腔室段51a。可膨脹套筒因此同時通過注入空間30內的液壓流體而膨脹和通過連接部的移動而壓縮。
[0092]圖5示出了類似于圖2a和2b中所示實施例的實施例，區別僅在于第一流體通道11設置在連接部12中。第一流體通道11提供在壓力腔室21和由可膨脹套筒限制的空間30之間的流體連通。由此，用于膨脹可膨脹套筒的液壓流體通過壓力腔室21來提供。為簡要目的，第一流體通道11僅以截面示出，但被認為是在圍繞管部的一個或多個連接部12中以基本圓形圖案布置的一個或多個第一流體通道。通過將第一流體通道11布置在連接部中，可調整通過第一流體通道11的流量來控制壓力腔室21內的壓力并因此控制在連接部12和可膨脹套筒7的第一端上產生的力。通過第一流體通道的流量可通過改變第一流體通道的截面尺寸或通過在第一流體通道中設置本領域技術人員已知的流量調節裝置來控制。
[0093]參考圖6，示出了包括流體旁路通道63的實施例。在其初始位置，連接部12阻斷流體旁路通道63直至在壓力腔室內產生一定的壓力，該壓力足以將連接部12移動到圖6所示的位置。在圖6中，當連接部12已經移位離開固定部16 —定距離時，流體旁路通道63提供在壓力腔室和由可膨脹套筒限定的空間之間的流體連通。因此，注入壓力腔室21內的液壓流體將繞過連接部12，并且由液壓流體在連接部的端面121上產生的力將減小，并且連接部的移位將停止。而且，如果可膨脹套筒的第一端應僅朝向所述相對端移位一定距離，結構止檔(未示出)可設置在管部的外表面上以限制連接部的進一步移位。本領域技術人員將會理解，在不背離本發明范圍的情況下，結構止檔可以多種不同的方式構造。
[0094]圖7示出了包括與管部的內部流體連接的液壓泵152且包括用于控制液壓泵的運行的控制電子器件153的環形屏障。液壓泵和控制電子器件構成致動機構，并且在啟動后，液壓泵通過開口 154從管部的內部抽吸流體并通過入口 155將流體泵送入壓力腔室21。因此，連接部12通過液壓流體移位以沿縱向方向推動該可膨脹套筒7的第一端朝向該可膨脹套筒7的另一端(如圖1a所示)。所述控制電子器件可以類似于如上所述的液壓泵52控制的方式來控制液壓泵152。
[0095]參考圖8，示出了包括呈液壓增壓器70形式的增壓裝置的連接單元。通過使環形屏障包括液壓增壓器70，管部內部的增壓流體可用于在壓力腔室21內提供增壓流體，該壓力腔室的流體壓力顯著高于該管部內的流體壓力。因此，在管部內注入的液壓流體的膨脹壓力可顯著降低，以益于部署在井中的其它井硬件部件。液壓增壓器與管部的內部流體連通,如圖11所示。
[0096]圖11示出了液壓增壓器的一個實施例的示意圖。液壓增壓器70包括可滑動地布置在活塞殼體75內的活塞74。活塞具有第一端面741和第二端面742，且該第一端面741的表面積Al大于第二端面742的第二端表面積A2。因此，活塞74能夠將作用到第一端面741的壓力增強到由第二端面742作用在活塞殼體75的第二空間75b內的流體上的較高壓力。另外，液壓增壓器包括用于控制第一空間75a、增壓器的入口 72a和過量流體出口 72b之間的流體連通的先導控制閥76，當縮回活塞以使新到量的流體進入第二空間75b時提供從增壓器到井眼的流體連通。該先導控制閥具有兩個位置。第一位置允許第一空間75a和入口 72a之間的流體連通，以在加壓期間供應流體進入第一空間75a。第二位置允許在活塞縮回期間第一空間75a和過量流體出口 72b之間的流體連通。
[0097]當活塞到達其在活塞殼體的任一端中的極限位置時先導控制閥可通過導向軸761在所述第一位置和所述第二位置之間自動切換。另外，增壓裝置可包括第一單向止回閥77和第二單向止回閥78。第一單向止回閥77允許流體從入口 72a流入第二空間75b，但阻止離開第二空間75b的壓力增強的流體回流向入口 72a。這樣一來，在活塞縮回期間，可將來自入口的流體供應到增壓器的高壓側。第二單向止回閥78允許壓力增強的流體從第二空間75b流向增壓器的出口 72c并流入壓力腔室21，但在活塞縮回期間阻止壓力腔室21內的流體回流向第二空間75b，其中第二空間75b填充有較低壓力流體。
[0098]為了防止含有骯臟顆粒的流體通過過量流體出口 72b進入增壓器，通常將在過量流體出口中布置過濾器73。在增壓器正常運行期間，流體將僅離開過量流體連接(結構)進入井眼，但在特殊情況下，諸如井眼中發生高壓波動的情況下，過濾器可以是應急有效的。
[0099]本領域技術人員將會理解液壓增壓器的多種不同設計和變型可應用在環形屏障中，這樣的設計和變型被認為是在本發明的范圍內。
[0100]圖9示出了環形屏障，其中壓力容器80包含在致動機構20中。壓力容器80布置在連接單元120的固定部16中且含有壓縮推進劑，該壓縮推進劑適用于通過在壓力腔室21中提供超壓力以沿縱向方向推動連接部12。在壓力容器80啟動后，推進劑通過入口 155供應到壓力腔室21。當管部6中的壓力已經超過某一閾值時，壓力容器80被啟動，表明液壓流體正被注入井中以膨脹該可膨脹套筒7。壓力容器80的啟動可通過本領域技術人員理解的多種不同方式來控制。在一個實施例中，可設置剪切銷125或觸點來記錄何時可膨脹套筒通過流體壓力膨脹且連接部12收到來自可膨脹套筒的拉力的影響。當這種情況發生時，壓力容器內的推進劑被釋放以促進連接部和可膨脹套筒的第一端的縱向運動。或者，壓力容器80可在接收到來自諸如前文實施例中描述的檢測機構的信號時啟動。
[0101]圖10示出了包括與管部6可滑動地連接的連接部112的連接單元120。固定部16包括從連接部12的一端伸出的、圍繞管部6的管狀裙部163。該裙部和管部限定出一殼體，在該殼體中該連接部112可沿縱向方向滑動。管部6、固定部16和連接部112 —起限定出壓力腔室21，壓力腔室21通過第二流體通道62流體連接到管部6的內部。當液壓流體被注入壓力腔室21時，連接部112和可膨脹套筒7的連接到該連接部112的第一端9在殼體內沿縱向方向滑動。
[0102]上面描述的環形屏障的多個實施例中的任一個可包括像圖4a和9中所示的剪切銷一樣的一個或多個剪切銷125。剪切銷125限制連接部和可膨脹套筒7的第一端9的無意移位。當環形屏障被插入井內時，應當例如避免可膨脹套筒的無意膨脹，以便防止環形屏障卡在井中。剪切銷僅作為示例性實施例示出，并且本領域技術人員將了解可提供剪切銷的很多其它結構，而不背離本發明的范圍。
[0103]參考圖13，示出了包括井管結構3和環形屏障I的井系統100。環形屏障I的管部6與其它套管段相連接以構成井管結構3，當放置在井中時，環形屏障I被膨脹，如圖13所示。因此，管結構3周圍的環狀空間段22與環狀空間2的其余部分隔離開。井眼的第一區域221因此與井眼的第二區域222隔離開，如圖13所示。
[0104]本發明容許多種不同形式的實施例。詳細描述了且在附圖中示出了多個特定的實施例，應當理解本公開內容要認為是本發明的原理的范例，并且不旨在將本發明限制到本文示出和描述的內容。應完全認識到上面討論的不同實施例的不同教導可單獨應用或以任何合適的組合方式應用以產生期望的結果。
[0105]環形屏障也稱為封隔器或類似的可膨脹裝置。井管結構可以是生產油管或套管，或者在井或井眼中的類似種類的井下管。如早先提到的，環形屏障可用在內生產管和井眼中的外管之間或者在管和井眼的內壁之間。井可具有若干種管，并且本發明的環形屏障可被安裝用于所有的管。
[0106]可用來控制通過第一和第二流體通道的流的所述閥可以為能夠控制流量的任何類型的閥，例如球閘門、蝶閥、節流閥、止回閥或單向閥、膜片閥、膨脹閥、閘閥、球形閥、刀閥、針閥、活塞閥、夾管閥或旋塞閥。
[0107]可膨脹管狀金屬套筒可以為冷拔或熱拔管結構。
[0108]用于使可膨脹套管膨脹的流體可為在工具和/或井管結構3周圍的存在于井眼內的任何類型的井流體。此外，流體可為水泥、氣體、水、聚合物或雙組分復合物，例如與結合劑或硬化劑混合或反應的粉末或顆粒。在將后續的流體注入空腔之前，部分流體諸如硬化劑可存在于管部分和可膨脹套筒之間的空腔內。
[0109]流體或井流體是指存在于油井或氣井井眼中的任何類型的流體，如天然氣、油、油基泥漿、原油、水等。氣體是指存在于井、完井、或裸井中的任何類型的氣體組分，并且油是指任何類型的油組分,例如原油,含油流體等。氣體、油和水流體可因此均分別包括除氣體、油和/或水之外的其它元素或物質。
[0110]套管是指井下使用的與油或天然氣生產有關的任何類型的管、管道、管結構、襯
管、管柱等。
[0111]在該工具不是完全浸沒入套管的情況下，井下牽引器可用來推動所述工具完全進入井中的位置。井下牽引器是能夠在井下推動或拉動工具的任何類型的驅動工具，例如
Well Tractor?。
[0112]盡管上面已經結合本發明的優選實施例對本發明進行了描述，但在不背離如下面的權利要求所限定的本發明的情況下可想到的若干變型對本領域技術人員來說是顯而易見的。
【權利要求】
1.一種待在井管結構⑶和井下井眼(5)的內壁⑷之間的環狀空間(2)中膨脹以在該井眼的第一區域(221)和第二區域(222)之間提供區域隔離的環形屏障(I)，該環形屏障包括: -沿縱向方向延伸以作為所述井管結構(3)的一部分安裝的管部(6)； -環繞該管部并限定出與該管部的內部(64)流體連通的空間(30)的可膨脹套筒(7); -用于使流體進入所述空間以膨脹所述可膨脹套筒的第一流體通道(11，61);和 -連接單元(120)，包括: -與所述管部可滑動地連接的連接部(12)，該可膨脹套筒的第一端(9)與該連接部相連接； -與該管部固定地連接的固定部(16)，和 -適用于產生作用在該可膨脹套筒的該第一端上的軸向力的致動機構(20)，由此該連接部沿縱向方向朝向該可膨脹套筒的與所述管部相連接的第二端(10)移位； 其中該致動機構還包括至少部分限定在該連接部的端面(121)和該固定部的端面(161)之間的壓力腔室(21)，和用于使流體進入該壓力腔室以沿縱向方向推動該連接部的第二流體通道(62);和 其中該第一流體通道設置在該連接部中，從而流體連接由該可膨脹套筒限定的所述空間和該壓力腔室。
2.根據權利要求1所述的環形屏障，其中，該第一流體通道設有壓力調節閥，防止當所述空間內的壓力超過預定閾值時流體流入由該可膨脹套筒限定的該空間。
3.根據權利要求1或2所述的環形屏障，其中，包括兩個連接單元，每個連接單元包括分別連接到該可膨脹套筒的第一端和第二端的所述連接部。
4.根據前述權利要求中任一項所述的環形屏障，其中，還包括流體旁路通道(63)，用于在該連接部已經沿縱向方向移位時提供在所述壓力腔室和由該可膨脹套筒限定的空間之間的流體連通。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的環形屏障，其中，該致動機構還包括與該壓力腔室流體連接的液壓泵(152)，該液壓泵適用于通過泵送液壓流體進入該壓力腔室來沿縱向方向推動所述連接部。
6.根據權利要求1-4中任一項所述的環形屏障，其中，所述致動機構還包括增壓裝置(70),該增壓裝置包括與該管部的內部流體連通的入口(72a)和與該壓力腔室流體連通的出口(72c)，由此液壓流體被供應到該液壓腔室以沿縱向方向推動所述連接部。
7.根據權利要求1-4中任一項所述的環形屏障，其中，所述致動機構還包括用于容納壓縮推進劑的壓力容器(80)，所述壓縮推進劑適用于通過在啟動時在所述壓力腔室內提供超壓力來沿縱向方向推動所述連接部。
8.根據前述權利要求中任一項所述的環形屏障，其中，所述環形屏障包括檢測機構(54)，該檢測機構適用于記錄何時所述管部中的壓力超過預定閾值，以便隨后啟動所述致動機構以在該連接部上產生軸向力。
9.一種包括井管結構和根據權利要求1-8所述的環形屏障的井系統。
10.一種用于在位于井管結構(3)和井下井眼(5)的內壁(4)之間的環狀空間(2)中膨脹根據權利要求1-8中任一項所述的環形屏障的方法，該方法包括以下步驟:-通過使流體進入由該可膨脹套筒限定的該空間中來至少部分膨脹所述可膨脹套筒； -在與所述可膨脹套筒的一端相連接的連接部上產生軸向力；和 -膨脹所述可膨脹套筒直至所述可膨脹套筒抵靠該井眼的內壁密封。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括在在所述連接部上施加軸向力之前和/或期間監控在由所述可膨脹套筒限定的該空間內積聚的壓力的步驟。
12.—種待在井管結構(3)和井下井眼(5)的內壁(4)之間的環狀空間(2)中膨脹以在該井眼的第一區域(221)和第二區域(222)之間提供區域隔離的環形屏障(I)，該環形屏障包括: -沿縱向方向延伸以作為所述井管結構(3)的一部分安裝的管部(6)； -環繞該管部并限定出與該管部的內部(64)流體連通的空間(30)的可膨脹套筒(7); -用于使流體進入所述空間以膨脹所述可膨脹套筒的第一流體通道(11，61);和 -連接單元(120)，包括: -與所述管部可滑動地連接的連接部(12)，該可膨脹套筒的第一端(9)與該連接部相連接； -與該管部固定地連接的固定部(16)，和 -適用于產生作用在該可膨脹套筒的該第一端上的軸向力的致動機構(20)，由此該連接部沿縱向方向朝向該可膨脹套筒的與所述管部相連接的第二端(10)移位； 其中該致動 機構還包括至少部分限定在該連接部的端面(121)和該固定部的端面(161)之間的壓力腔室(21)，和與該壓力腔室流體連接的液壓泵(152)，該液壓泵適用于通過泵送液壓流體進入該壓力腔室以沿縱向方向推動該連接部。
13.一種待在井管結構(3)和井下井眼(5)的內壁(4)之間的環狀空間(2)中膨脹以在該井眼的第一區域(221)和第二區域(222)之間提供區域隔離的環形屏障(I)，該環形屏障包括: -沿縱向方向延伸以作為所述井管結構(3)的一部分安裝的管部(6)； -環繞該管部并限定出與該管部的內部(64)流體連通的空間(30)的可膨脹套筒(7); -用于使流體進入所述空間以膨脹所述可膨脹套筒的第一流體通道(11，61);和 -連接單元(120)，包括: -與所述管部可滑動地連接的連接部(12)，該可膨脹套筒的第一端(9)與該連接部相連接； -與該管部固定地連接的固定部(16)，和 -適用于產生作用在該可膨脹套筒的該第一端上的軸向力的致動機構(20)，由此該連接部沿縱向方向朝向該可膨脹套筒的與所述管部相連接的第二端(10)移位； 其中該致動機構還包括至少部分限定在該連接部的端面(121)和該固定部的端面(161)之間的壓力腔室(21)，和包括與該管部的內部流體連通的入口(72a)和與該壓力腔室流體連通的出口(72c)的增壓裝置(70)，由此將液壓流體供應入該壓力腔室以沿縱向方向推動該連接部。
14.一種待在井管結構(3)和井下井眼(5)的內壁(4)之間的環狀空間(2)中膨脹以在該井眼的第一區域(221)和第二區域(222)之間提供區域隔離的環形屏障(I)，該環形屏障包括:-沿縱向方向延伸以作為所述井管結構(3)的一部分安裝的管部(6)； -環繞該管部并限定出與該管部的內部(64)流體連通的空間(30)的可膨脹套筒(7); -用于使流體進入所述空間以膨脹所述可膨脹套筒的第一流體通道(11，61);和 -連接單元(120)，包括: -與所述管部可滑動地連接的連接部(12)，該可膨脹套筒的第一端(9)與該連接部相連接； -與該管部固定地連接的固定部(16)，和 -適用于產生作用在該可膨脹套筒的該第一端上的軸向力的致動機構(20)，由此該連接部沿縱向方向朝向該可膨脹套筒的與所述管部相連接的第二端(10)移位； 其中該致動機構還包括至少部分限定在該連接部的端面(121)和該固定部的端面(161)之間的壓力腔室(21)，和容納壓縮推進劑的壓力容器(80)，該壓縮推進劑適用于通過在啟動時在該壓力腔室中提供超壓力來沿縱向方向推動該連接部。
15.一種待在井管結構(3)和井下井眼(5)的內壁(4)之間的環狀空間(2)中膨脹以在該井眼的第一區域(221)和第二區域(222)之間提供區域隔離的環形屏障(I)，該環形屏障包括: -沿縱向方向延伸以作為所述井管結構(3)的一部分安裝的管部(6)； -環繞該管部并限定出 與該管部的內部(64)流體連通的空間(30)的可膨脹套筒(7); -用于使流體進入所述空間以膨脹所述可膨脹套筒的第一流體通道(11，61);和 -連接單元(120)，包括: -與所述管部可滑動地連接的連接部(12)，該可膨脹套筒的第一端(9)與該連接部相連接； -與該管部固定地連接的固定部(16)，和 -適用于產生作用在該可膨脹套筒的該第一端上的軸向力的致動機構(20)，由此該連接部沿縱向方向朝向該可膨脹套筒的與所述管部相連接的第二端(10)移位； 其中該致動機構包括與該連接部相連接以沿縱向方向推動該連接部的桿(23)。
16.根據權利要求12所述的環形屏障，其中，該致動機構包括液壓泵(52)，該液壓泵適用于通過液壓使所述桿移位，由此所述連接部被沿縱向方向推動。
17.一種待在井管結構(3)和井下井眼(5)的內壁(4)之間的環狀空間(2)中膨脹以在該井眼的第一區域(221)和第二區域(222)之間提供區域隔離的環形屏障(I)，該環形屏障包括: -沿縱向方向延伸以作為所述井管結構(3)的一部分安裝的管部(6)； -環繞該管部并限定出與該管部的內部(64)流體連通的空間(30)的可膨脹套筒(7); -用于使流體進入所述空間以膨脹所述可膨脹套筒的第一流體通道(11，61);和 -連接單元(120)，包括: -與所述管部可滑動地連接的連接部(12)，該可膨脹套筒的第一端(9)與該連接部相連接； -與該管部固定地連接的固定部(16)，和 -適用于產生作用在該可膨脹套筒的該第一端上的軸向力的致動機構(20)，由此該連接部沿縱向方向朝向該可膨脹套筒的與所述管部相連接的第二端(10)移位；其中該連接單元還包括與所述管部可滑動地連接的活塞部(14)，該活塞部布置在該連接部和該固定部之間，該壓力腔室至少部分限定在該活塞部的端面(141)和該固定部的所述端面之間，從而該活塞部適用于沿縱向方 向推動所述連接部。
【文檔編號】E21B33/127GK103764942SQ201280041382
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年9月12日 優先權日:2011年9月13日
【發明者】J·哈倫德巴克, R·R·瓦斯克斯 申請人:韋爾泰克有限公司