专利名称：环形障碍物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环形障碍物，该环形障碍物用于在井管状结构和井下井眼内壁之间的环隙中被膨胀。该环形障碍物包括:管状部件，其作为井管状结构的一部分安装；可膨胀套筒，其由第一金属制成，包围所述管状部件，并且限定与所述管状部件的内部流体连通的空间，所述可膨胀套筒具有纵向延伸部、面对所述管状部件的内表面和两个端部。
背景技术：
在井筒中，环形障碍物用于不同的目的，诸如用于在内管结构和外管结构之间或者在内管结构和井眼的内壁之间设置流动阻碍。环形障碍物作为井管状结构的一部分安装。环形障碍物具有由环形可膨胀套筒包围的内壁。可膨胀套筒典型地由弹性体材料制成，但是也可由金属制成。该套筒在其端部紧固到环形障碍物的内壁。为了密封内管结构和外管结构之间或者井管状结构和井眼之间的区域，使用第二环形障碍物。第一环形障碍物在待密封区域的一侧膨胀，并且第二环形障碍物在该区域的另一侧膨胀，以此方式，该整个区域被密封。井的压力包络线由用在井构造中的管件和井装置等的爆破极限控制。在一些情况下，可通过增大井中的压力来膨胀环形障碍物的可膨胀套筒，这是最经济有效的膨胀套筒的方法。井的爆破极限限定了适用于井的用于套筒的膨胀的最大压力，并且期望最小化膨胀套筒所需的膨胀压力以使井最小程度地暴露于上述膨胀压力。当环形障碍物膨胀时，环形障碍物可经受来自外部的连续的压力或者周期性的高压，这些压力或者是井环境内的液压形式或者是地层压力形式。在一些情况下，这种压力可造成环形障碍物瓦解，这会对障碍物所密封的区域造成严重的后果，因为由于障碍物的瓦解而损失了密封特性。 因此，环形障碍物的可膨胀套筒承受瓦解压力的能力受很多因素的影响，诸如材料的强度、壁厚、可膨胀套筒的轮廓、暴露于瓦解压力的表面面积、温度、井流体等。可膨胀套筒在特定井环境中目前可达到的瓦解压力额定值(collapse rating)对于所有的井应用来说是不足够的。因此，期望增大瓦解压力额定值以使得环形障碍物能够用在所有的井中，特别是在生产和资源耗减期间经受高生产压差的井。通过增大壁厚或者材料的强度可以增大瓦解压力额定值，然而，这将增大膨胀压力，如上所述，这并不是希望的。因此，期望提供一种其中膨胀套筒的瓦解压力额定值增大的解决方案。
发明内容
本发明的目的是全部或者部分地克服上述的现有技术中的缺点和缺陷。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的环形障碍物，其中可膨胀套筒具有增大的瓦解压力额定值。本发明的另一个目的是提供如下的一种环形障碍物，该环形障碍物在不增大材料的强度和/或套筒的壁厚的情况下具有增大的瓦解压力额定值。从以下的说明中将变得明显的上述目的以及多个其他目的、优点和特征将通过根据本发明的解决方案完成，通过用于在井管状结构和井下井眼的内壁之间的环隙中膨胀的环形障碍物完成，所述环形障碍物包括:-管状部件，其作为所述井管状结构的一部分安装，-可膨胀套筒，其由第一金属制成，包围所述管状部件并且限定与所述管状部件的内部流体连通的空间，所述可膨胀套筒具有纵向延伸部、面对所述管状部件的内表面和两个端部，-连接部件，其由第二金属制成，连接所述可膨胀套筒与所述管状部件，-开口，其用于使流体进入所述空间中以膨胀所述套筒，以及-过渡区域，其包括使所述套筒与所述连接部件连接的连接部分，其中，所述第一金属比所述第二金属具有更高的柔性。所述管状部件可具有与井管状结构的内径相同的未膨胀内径。因此，所述环形障碍物不会阻碍沉入到井管状部件中的工具通过以进行沿井的更加靠下位置处的其他操作。环形障碍物可以在插入多年之后才致动以使得第一区域与第二区域隔开，例如，为了最优化生产。在从插入到致动的该时间间隔中，所述环形障碍物仅仅起作为井管状结构的一部分的作用，并且不会减小井管状结构的内径——因为这对于后续的操作来说是不可接受的。所述管状部件的内径在所述可膨胀套筒膨胀之前和之后可大致相同。第一金属比第二金属具有更高的柔性意味着所述可膨胀套筒的金属具有比所述连接部件的金属的伸长率大的伸长率。通过包含由两种不同的金属制成的连接部件和套筒，可以机加工所述连接部件以在不改变所述套筒的材料和所述套筒的膨胀能力的基础上完美地适应所述管状部件。在一个实施例中，所述环形障碍物可包括处于所述过渡区域中的限制元件，所述限制元件限制所述套筒在所述区域中的自由膨胀。通过包含由两种不同的金属制成的连接部件和套筒以及限制元件，所述可膨胀套筒的瓦解压力额定值在不增大所述可膨胀套筒的壁厚或者所述环形障碍物的总体直径的情况下增大。此外，通过本发明，对于膨胀所述可膨胀套筒而言所必需的膨胀压力将不增大，或者甚至可能减小。在一个实施例中，所述连接部件和所述套筒可焊接在一起。此外，所述过渡区域可沿着可膨胀套筒的纵向延伸部从位于所述连接部分处的第一点延伸到可膨胀套筒上的预定第二点。另外，所述第二点可设置在所述可膨胀套筒的不受限部分上。所述可膨胀套筒可在第一点处比在第二点处膨胀更加受限。此外，所述限制元件可以是所述连接部件的突出部分。此外，所述可膨胀套筒在所述过渡区域中的膨胀可受到所述连接部件的突出部分的限制。另外，所述突出部分可朝向所述可膨胀套筒变尖(渐缩)。此外，所述可膨胀套筒的各端可具有与所述突出部分的形状相对应的变尖形状。
此外，所述限制元件可以是包围所述可膨胀套筒的附加环，所述附加环与所述连接部件连接并且从所述连接部件朝向所述可膨胀套筒变尖。此外，所述可膨胀套筒在所述过渡区域中的膨胀可被包围所述可膨胀套筒的附加环限制，所述附加环与所述连接部件连接并且从所述连接部件朝向所述可膨胀套筒变尖。此外，所述限制元件可以是所述可膨胀套筒的增大的厚度，通过将附加材料增设到所述可膨胀套筒的至少外侧来提供所述增大的厚度，其中，所述附加材料从所述连接部件朝向所述套筒变尖。另外，所述可膨胀套筒在所述过渡区域中的膨胀可被所述可膨胀套筒的增大的厚度限制，通过将附加材料增设到所述可膨胀套筒的至少外侧来提供所述增大的厚度，其中，所述附加材料从所述连接部件朝向所述套筒变尖。此外，可以借助于焊接来增设附加材料。在一个实施例中，所述可膨胀套筒的厚度可从所述连接部件的厚度减小到比所述连接部件的厚度的95%小的厚度，优选地比所述连接部件的厚度的90%小的厚度，以及更加优选地比所述连接部件的厚度的80%小的厚度。此外，所述第一金属可具有35%_70%、至少40%、优选地40%_50%的伸长率。所述第一金属的屈服强度(软化退火的)可以是200-400MPa，优选地200_300MPa。同时，所述第二金属具有10%_35%、优选地25%_35%的伸长率。所述第二金属的屈服强度(冷加工的)可以是500-1OOOMPa，优选地500_700MPa。此外，所述可膨胀套筒的金属可具有比所述连接部件的金属的伸长率高至少5个百分点，优选地高至少10个百分点的伸长率。此外，所述已膨胀套筒的一些区段可具有增大的壁厚，这导致了波纹状的已膨胀套筒。所述波纹是环形的，并且进一步增强所述已膨胀套筒。结果，根据本发明的环形障碍物能够经受比现有技术的环形障碍物更好的瓦解压力，并且因此也具有更好的密封能力。此外，所述套筒在其外侧可设置有密封元件。所述密封元件可具有变尖的或者三角形的截面形状。所述可膨胀套筒能够膨胀到比未膨胀套筒的直径大至少10%，优选地大至少15%，更加优选地大至少30%的直径，并且所述可膨胀套筒可具有比所述可膨胀套筒的长度小的壁厚，所述壁厚优选地小于其长度的25%，更加优选地小于其长度的15%，更加优选地小于其长度的10%。在一个实施例中，所述可膨胀套筒可具有沿着周长和/或长度变化的厚度。另外，所述连接部件中的至少一个相对于所述环形障碍物的管状部件可以是可滑动的，至少一个密封元件诸如0形环可设置在可滑动的连接部件和所述管状部件之间。在另一实施例中，一个以上的密封元件可设置在可滑动的紧固装置和所述管状部件之间。所述连接部件中的至少一个可固定地紧固到所述管状部件或者成为所述管状部件的一部分。所述连接部件可具有从所述管状部件向外突出的突出边缘部分。此外，所述管状部件可具有两个区段，所述两个区段位于中间部分的相对的两侧并且与所述管状结构中的所述开口分隔开，所述管状部件在所述区段中具有比所述管状部件的中间部分的外径大的外径和比所述中间部分的壁厚厚的壁厚。此外，所述连接部件可设置成与所述两个区段相面对。此外，所述连接部件中的一个可以以可滑动的方式相对于所述管状部件的所述区段设置，所述连接部件中的另一个可在密封连接部分中紧固到所述管状部件。此外，所述密封连接可以与设置在可滑动的连接部件中的密封装置一起密封所述空间。各个连接部件可具有覆盖所述可膨胀套筒的突出部分。所述连接部件的所述突出部分可与所述可膨胀套筒焊接在一起。本发明还涉及一种环形障碍物系统，所述系统包括膨胀工具和如上所述的环形障碍物。所述膨胀工具可包括爆炸物、加压流体、水泥或者它们的组合。在一个实施例中，所述环形障碍物系统可以包括定位成沿着所述井管状结构彼此分隔开的至少两个环形障碍物。此外，本发明最后涉及一种井下系统，所述系统包括井管状结构和至少一个如上所述的环形障碍物。在所述井下系统的一个实施例中，多个环形障碍物可以定位成沿着所述井管状结构彼此分隔开。
以下将参考所附的示意附图更详细说明本发明及其若干优点，其中为了说明，示意附图仅示出了一些非限制性实施例，其中:图1示出了根据本发明的环形障碍物，图2示出了环形障碍物的另一实施例，图3示出了环形障碍物的又一实施例，图4示出了环形障碍物的又一实施例，图5示出了根据本发明的系统，图6示出了环形障碍物的又一实施例，图7示出了处于膨胀状态下的图6的环形障碍物，图8示出了图6的局部放大视图，以及图9示出了处于膨胀状态下的环形障碍物的又一实施例。所有的附图都是高度示意的，并不一定按比例绘制，并且它们只示出了为了解释本发明所必需的一部分，其他部分被省略了或仅仅给予暗示。
具体实施例方式根据本发明的环形障碍物I是在将井管状结构3下降到井下井眼5中之前典型地安装为井管状结构串的一部分。井管状结构3通过放在一起以形成井管状结构串的多个井管状结构部件构造而成。通常，当安装井管状结构串时，环形障碍物I安装在两个井管状结构部件之间。环形障碍物I用作多种目的，所有的目的都需要环形障碍物I的可膨胀套筒7膨胀从而使得套筒抵接井眼5的内壁4。如图1所示，环形障碍物I包括借助于螺纹连接件38连接到井管状结构3的管状部件6。在图1中，以沿着环形障碍物的纵向的剖面图的方式示出了环形障碍物I。环形障碍物I示出为处于非膨胀状态，即，放松位置，环形障碍物I从该位置开始在井管状结构3和井下井眼5的内壁4之间的环隙2中膨胀。环形障碍物I包括作为井管状结构3的一部分安装的管状部件6和可膨胀套筒7。可膨胀套筒7包围管状部件6并且具有面对管状部件6的内表面8。可膨胀套筒7的各个端部9、10与连接部件12连接，其中连接部件12继而与管状部件6连接。可膨胀套筒7由第一金属合金制成，并且连接部件12由柔性比第一金属合金低的第二金属合金制成。连接部件12具有覆盖可膨胀套筒7的突出部分18。连接部件12在连接部分14中与可膨胀套筒7焊接在一起。在可膨胀套筒7与管状部件6之间布置一内环24，该内环焊接在同一连接部分14中。连接部件12的突出部分18朝向可膨胀套筒7逐渐变尖直到突出部分18不再覆盖可膨胀套筒7并且可膨胀套筒7自由地膨胀。突出部分18和连接部分14形成过渡区域11的一部分，其中过渡区域11的该部分沿着可膨胀套筒7的纵向从位于该连接部分处的第一点21延伸到可膨胀套筒7的不受限处的预定第二点22。突出部分18具有限制可膨胀套筒7的膨胀的目的，从而使得可膨胀套筒7的弯曲(如图1中的虚线所示)更加S形。由此使得可膨胀套筒7在膨胀期间不会断裂并且可膨胀套筒7的截面轮廓能够承受比现有的环形障碍物高的瓦解压力。因此，可膨胀套筒7在第一点处比在第二点处受到更多的膨胀限制。此外，由于突出部分18由柔性较小的金属合金制成并且从上述连接部分向第二点变尖，随着突出部分的厚度减小，可膨胀套筒7更易膨胀。图2示出了环形障碍物I的剖面图，其中连接部件12与外环29、可膨胀套筒7和内环24连接。可膨胀套筒7由第一金属合金制成，并且连接部件由柔性比第一金属合金低的第二金属合金制成。连接部分14是焊接连接部分。外环29形成过渡区域11的一部分，其中在该过渡区域11的该部分中可膨胀套筒7的自由膨胀受到限制。外环29具有逐渐减小的厚度，从连接部分14向可膨胀套筒7的不受限部分变尖。外环29由柔性比套筒的金属合金低的第二合金金属制成，外环29具有限制可膨胀套筒7膨胀的目的，从而可膨胀套筒7的弯曲(如图1的虚线所示)更加S形。由此使得可膨胀套筒7在膨胀期间不会断裂并且可膨胀套筒7的截面轮廓能够承受比现有的环形障碍物高的瓦解压力。图3示出了环形障碍物I的剖面图，其中，可膨胀套筒7朝向连接部件12变尖，并且连接部件12具有相应的形状。可膨胀套筒7的变尖部分33和连接部件12的变尖部分重叠并且焊接在一起。焊接连接部分14和连接部件12的变尖部分(该变尖部分以与可膨胀套筒7重叠的方式从连接部件12延伸)形成过渡区域11的一部分。可膨胀套筒7由第一金属合金制成，连接部件12由柔性比第一金属合金低的第二金属合金制成。连接部件12的与套筒重叠的变尖部分使可膨胀套筒7的自由膨胀受到限制，从而使得可膨胀套筒7的弯曲(如图1中虚线所示)更加S形。由此使得可膨胀套筒7在膨胀期间不会断裂并且可膨胀套筒7的截面轮廓能够承受比现有的环形障碍物高的瓦解压力。图4示出了环形障碍物I的剖面图，其中，可膨胀套筒7与连接部件12焊接在一起，从而在它们之间形成连接部分14。可膨胀套筒7由第一金属合金制成，连接部件12由柔性比第一金属合金低的第二金属合金制成。另外，附加材料30从连接部分14开始沿着可膨胀套筒7的第一部分填充在过渡区域11中。附加材料30的厚度从连接部分14开始沿着可膨胀套筒7减小。附加材料30由与连接部件12的材料相同的材料制成，或者由甚至柔性比连接部件12的金属合金低的金属合金制成。连接部分14和附加材料30形成过渡区域11的一部分，并且附加材料30防止可膨胀套筒7在过渡区域过多地膨胀，因此可膨胀套筒7在膨胀之后形成更加S形的截面轮廓。因此，瓦解压力与已知的环形障碍物相比增大。当可膨胀套筒7由第一金属合金制成，连接部件12由柔性比第一金属合金低的第二金属合金制成时，连接部件12的金属合金可以是比套筒7的金属合金更加容易机加工的金属合金。当制作连接部件12时，该连接部件12能够被机加工以更完美地适应管状部件并且因此形成更紧密的密封(甚至形成金属-金属密封)是很重要的。可以看出，在套筒7的内表面8和管状部件6之间形成空间或腔体13。为了膨胀可膨胀套筒7，加压流体经由可膨胀工具15 (诸如孔19或者阀19)注入到腔体13中直到可膨胀套筒7抵接到井眼5的内壁4。腔体13也可填充有水泥等以膨胀套筒7。膨胀工具15也可以是爆炸物。当环形障碍物I膨胀时，它们暴露于一定的压力。然而，压力在生产的过程中可变化。因为压力可如此增大，所以环形障碍物I在该环形障碍物I的膨胀状态下当环形障碍物I的外径处于其最大值并且其壁厚因此处于其最小值时必须能够承受增大的压力(也称为“瓦解压力”)。为了经受这种增大的压力，可膨胀套筒7可设置有至少一个元件14。当环形障碍物I的可膨胀套筒7膨胀时，套筒的直径从它的初始未膨胀直径膨胀到更大的直径。可膨胀套筒7具有外径D并且能够膨胀到比未膨胀套筒7的直径大至少10%，优选地大至少15%，更加优选地大至少30%的直径。此外，可膨胀套筒7具有比可膨胀套筒7的长度L小的壁厚t，该厚度优选地小于长度的25%，更加优选地小于长度的15%，更加优选地小于长度的10%。环形障碍物I的可膨胀套筒7由具有35%_75%，至少40%，优选地40%_50%的伸长率的第一金属制成，并且连接部件12由具有10%-35%，优选地25%-35%的伸长率的第二金属制成。连接部件的金属具有比可膨胀套筒的金属的伸长率低至少5个百分点，优选地低至少10个百分点的伸长率。可膨胀套筒的金属的屈服强度(软化退火的)是200-400MPa，优选地200-300MPa。连接部件的金属的屈服强度(冷加工的)是500_1000MPa，优选地500_700MPa。因此，第一材料比第二材料具有更高的柔性。将环形障碍物I设置有阀19使得可以使用除了水泥之外的用于膨胀环形障碍物的可膨胀套筒7的其他流体，诸如出现在井中的流体或者海水。可以看出，可膨胀套筒7是薄壁管状结构，其端部9、10已经插入到连接部件12中。随后，连接部件12已经被压花，这将改变紧固部件以及可膨胀套筒的端部9、10的设计并且因此以机械的方式将它们彼此紧固。为了密封可膨胀套筒7和连接部件12之间的连接部分，可以在它们之间设置密封元件。在图6中，示出了另一环形障碍物1，其中环形障碍物I的可膨胀套筒7在预定的区域(即，其中可膨胀套筒7暴露于最大液压的区域)已经层压有附加材料30。有利地，该附加材料30可比制作可膨胀套筒的其他部分的材料更加结实。一般地，较结实的材料延展性较低。然而，当只在特定的区域使用较结实的附加材料30层压可膨胀套筒7时，能够在不影响套筒的膨胀特性的情况下使得可膨胀套筒的瓦解压力额定值增大。
能够以多种不同的方式，例如通过异种金属的激光焊接、包覆等，执行可膨胀套筒7的层压。当将较结实但是延展性较低的材料30层压在构成材料不如上述材料30结实但是延展性更好的可膨胀套筒7上时，结果是可膨胀套筒延展性依旧足够，但是其瓦解压力额定值增大。在该可膨胀套筒的膨胀状态下，套筒7因此能够在靠近层压点的位置处或者在层压点处承受更高的压力。当可膨胀套筒7在特定区域层压有附加材料30时，套筒的壁厚在这些区域中增大。从图8中可以更容易地推导出壁厚的这种增大。图7示出了图6中的环形障碍物I处于其膨胀状态下的剖面图。在该实施例中，在可膨胀套筒7上层压的附加材料30使得可膨胀套筒瓦解压力额定值增大，并且因此使得环形障碍物I的瓦解压力额定值增大。 在图9中，管状部件6具有外径增大的两个区段36，因此管状部件6在该两个区段36具有增大的厚度，该两个区段36与管状结构中的开口隔开并且处于彼此相对的两侧。在这些区段之间，管状部件具有中间部分37。连接部件12设置成与两个区段36相对，并且连接部件12中的一个相对于管状部件的区段36以滑动的方式设置。另一连接部件12在连接部分35中被焊接到管状部件，并且以此方式相对于管状部件被固定地设置，焊接连接部分35与设置在可滑动的连接部件12中的密封装置20 —起提供密封空间13的密封连接。图9的可膨胀套筒7由第一金属合金制成，连接部件12由柔性比第一金属合金低的第二金属合金制成。上述两个区段可以是焊接到管状部件6外侧的材料，并且然后在安装连接部件12之前机加工和抛光这些区段以在这些区段具有精确的外径。由此，提供非常光滑的表面使得能够在密封装置20和管状部件之间实现很紧密的密封。连接部件12具有覆盖可膨胀套筒7的突出部分18。连接部件12在连接部分14中与可膨胀套筒7焊接在一起。连接部件12的突出部分18突出，覆盖可膨胀套筒7的一部分。在突出部分18的端部，该突出部分18可以例如借助于焊接连接部分34中的焊接紧固到可膨胀套筒。在另一方面，突出部分未紧固到可膨胀套筒7。然而，因为突出部分覆盖可膨胀套筒7，所以套筒7并不是完全自由地膨胀。在上述两个区段之间，可膨胀套筒7和管状部件6形成空间13，其中流体经由开口注入到该空间13中以膨胀用于将井眼中的第一区域40与第二区域41隔离的套筒，其中在图1中示出了区域40、41。在另一方面，可膨胀套筒7可包括至少两种不同的材料，一种材料具有较高强度并因而具有较低延展性，而另一种材料具有较低强度但具有较高延展性。因此，可膨胀套筒7在套筒的当套筒膨胀时承受高液压瓦解压力的区域可包括强度较高的材料，而在套筒的其他区域可以包括强度较低的材料。当可膨胀套筒7在特定区域包括强度较高而延展性低的材料并且在其他区域包括强度较低而延展性高的材料时，在强度较低的可膨胀套筒材料获取抗瓦解性的同时可膨胀套筒保持足够的延展性。一旦可膨胀套筒膨胀，总体的效果是在靠近或者位于套筒包括强度较高的材料的区域中，可膨胀套筒7具有较高的抗瓦解性。在另一方面，可膨胀套筒7的两端9、10被固定到井管状结构3。一般地，当可膨胀套筒7径向向外膨胀时，可膨胀套筒直径的增大将致使套筒的长度收缩并且致使套筒的壁厚一定程度上变小。
如果可膨胀套筒7的两端9、10被固定并且对现有技术的环形障碍物的设计没有其他任何修改的话，为了达到高度径向膨胀，壁厚必须减小的程度将加大，这将导致瓦解压力额定值较低并且可能造成材料爆破。在另一方面，可膨胀套筒7沿着可膨胀套筒7的长度设置有一系列周向波纹。该系列周向波纹使得在不增大两个固定端部之间的距离的情况下增大可膨胀套筒7在两个固定端部9、10之间的长度。在形成上述的波纹之后，可膨胀套筒7可以经受某些处理，例如，热处理，以使套筒7的材料恢复到其原始的冶金条件。在过渡区域中，套筒7本身或者其他的材料30可被机加工以在套筒的内表面8上获得稍微较小的壁厚，以控制在套筒膨胀期间套筒弯曲的起始位置。在可膨胀套筒7的膨胀期间，波纹变得平直，提供对于在不过度减小壁厚并且同时保持两端部9、10被固定的情况下完成较大的直径膨胀(例如，直径的40%)来说有必要的附加材料30。在图10中示出了这种情况，本领域的技术人员也可以领会到，防止壁厚过度减小将维持可膨胀套筒7的瓦解压力额定值。固定两端部9、10同时达到最大的直径膨胀量(例如，直径的40%)是特别有利的，因为这样消除了活动部件，并且因此消除了这些活动部件所需的昂贵的并且高风险的高压密封件。这在高温或高腐蚀性的井环境中(例如，酸，H2S等)是特别重要的。在其他方面，可以沿着套筒长度勾勒(仿形加工)可膨胀套筒7的壁厚，这样可以就可膨胀套筒的壁变薄所发生的位置进行膨胀控制。通过向膨胀套筒表面层压相同的或者不同的材料可以实现可膨胀套筒7的上述轮廓造型，或者经由将可膨胀套筒机加工或滚扎成不同的厚度来实现上述的轮廓造型。当通过改变壁厚来控制膨胀时，可沿着可膨胀套筒7的长度在特定点改变瓦解压力额定值。在图1中，环形障碍物I的一端是可滑动的，这意味着套筒7紧固在其中的连接部件12与管状部件6可滑动地连接。当可膨胀套筒7在横向于环形障碍物I的纵向的方向上膨胀时，如上所述，如果可能的话，套筒将趋向于在其纵向上缩短。当环形障碍物I的一端可滑动时，可膨胀套筒7的长度可减小，这使得可以更进一步地膨胀套筒，因为在此情况下可膨胀套筒7不像其与管状部件6固定地连接时一样多地伸展。然而，具有一个可滑动的端部增加了密封件20随着时间推移发生泄漏的风险。因此可将波纹管紧固到可滑动的连接部件12上并且固定地紧固在第三连接部件中。以此方式，第一和第三连接部件可固定地连接到管状部件6。可膨胀套筒7牢固地固定到第一连接部件12以及可滑动连接部件12上，波纹管牢固地固定到可滑动连接部件12和第三连接部件。因此，连接部件12、可膨胀套筒7和波纹管一起形成紧密连接，防止井流体进入管状结构3中。将两个端部9、10固定与最大直径膨胀能力的结合被认为是有利的，因为这将消除了活动部件，并且不再需要这些活动部件内的昂贵的并且高风险的高压密封件。当考虑到高温或高腐蚀性(例如，酸，H2S等)的井环境时，这是特别重要的。当环形障碍物I具有位于可膨胀套筒7和管状部件6之间的可滑动连接部件12时，与不具有此种可滑动连接部件12的环形障碍物相比，套筒的膨胀量增大到100%。
在另一实施例中，可膨胀套筒7具有外表面，该外表面在与套筒的厚度增大的部分相对的位置处具有两个密封元件。当可膨胀套筒7膨胀时，这些密封元件装配到由增大的厚度形成的槽中并且密封井眼5的内壁。这些密封元件具有用于增大密封能力的外部波纹面。这些密封元件具有三角截面形状以适配于在膨胀期间在套筒7中出现的槽中。这些密封元件由弹性体或者具有密封能力且为柔性的类似材料制成。瓦解压力是指能够使得可膨胀套筒7瓦解的外部压力。瓦解压力越高，可膨胀套筒7在瓦解之前能够经受的来自地层和环隙中的压力就越高。本发明也涉及井下系统50，如图5所示，所述系统50具有井管状结构3和一环形障碍物I或者多个环形障碍物I。在另一实施例中，所述系统具有双环形障碍物。该双环形障碍物I具有两个端部连接部件12和一中间连接部件。两个可膨胀套筒7紧固到一个端部连接部件和中间部件上。中间连接部件与两个端部连接部件12中的一个一样是可滑动的。另一个端部连接部件12牢固地紧固到管状部件6。环形障碍物I具有两个开口，所述开口用于注入用于膨胀套筒7的加压流体。在双环形障碍物I的另一实施例中，所述障碍物仅仅具有一个用于注入用于膨胀套筒7的加压流体的开口。环形障碍物I具有两个腔体，中间连接部件12具有与两个腔体流体连接的通道，从而用于膨胀具有所述开口的腔体的流体能够流经上述通道从而也膨胀另一个套筒7。本发明还涉及环形障碍物系统40，如图5所示，该系统40包括一个如上所述的环形障碍物I。环形障碍物系统40此外还包括用于膨胀环形障碍物I的可膨胀套筒7的膨胀工具15。该膨胀工具15通过使流经管状部件6中的通道19的加压流体流到可膨胀套筒7和管状部件6之间的空间13中来膨胀可膨胀套筒7。膨胀工具15可以包括隔离装置17，该装置17用于隔离所述工具的外壁和井管状结构3的内壁之间的通道或阀19外侧的第一区段。通过增大隔离装置17中的流体的压力获得加压流体。当井管状结构3的位于管状部件6的通道19外侧的区段被隔离时，没有必要在整个井管状结构3中加压流体，也就不需要像现有技术解决方案一样添置附加的插塞。当流体已经被注入到腔体13中时，所述通道或阀19关闭。在工具15不能在井管状结构3中向前移动的情况下，工具可以包括井下牵引器，诸如 Well Tractor 。工具15也可以使用用于膨胀一个环形障碍物I或同时膨胀两个环形障碍物I的可膨胀套筒7的盘管。带有盘管的工具15能够在不必隔离井管状结构3的一区段的情况下加压井管状结构3中的流体；然而，工具可能需要在井眼5中比待操作的两个环形障碍物I更靠下的位置处插塞井管状结构3。本发明的环形障碍物系统40也可采用用于膨胀套筒7的钻杆或绳索工具。在一个实施例中，例如当用于膨胀套筒7的流体是水泥、气体或者二元混合物时，所述工具15包括容纳加压流体的容器。环形障碍物I还可称为封隔器(packer)或者类似的可膨胀的装置。井管状结构3可以是井或井眼中的生产管件或套管或类似的井下管件。环形障碍物I可用在井眼中的内部生产管件和外部管件之间或者用在管件和井眼5的内壁之间。井可以具有多种管件，本发明的环形障碍物I可安装用于所有上述管件。阀19可以是任意类型的能够控制流动的阀，诸如球阀、蝶形阀、阻气阀门、止回阀或者单向阀、隔膜阀、膨胀阀、闸式阀、球形阀、刀闸阀、针阀、活塞阀、夹管阀或者旋塞阀。可膨胀管状金属套筒7可以是冷拔管状结构或者热拔管状结构。用于膨胀可膨胀套筒7的流体可以是在包围工具15和/或井管状结构3的井眼5中存在的任意类型的井流体。此外，流体可以是水泥、气体、水、聚合物或二元混合物，诸如与粘合剂或者硬化剂混合或者反应的粉末或颗粒。部分流体诸如硬化剂在将后续的流体注入到腔体13中之前，可以出现在腔体13中。虽然以上已经结合本发明的优选的实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域的技术人员而言，在不偏离所附权利要求限定的发明的情况下，很明显地可以想到若干修改。
权利要求
1.一种用于在井管状结构(3)和井下井眼(5)的内壁(4)之间的环隙(2)中膨胀的环形障碍物(I)，所述环形障碍物包括: -管状部件(6)，其作为所述井管状结构的一部分安装， -可膨胀套筒(7)，其由第一金属制成，包围所述管状部件并且限定与所述管状部件的内部(64)流体连通的空间(13)，所述可膨胀套筒具有纵向延伸部、面对所述管状部件的内表面(8)和两个端部(9，10)， -连接部件(12)，其由第二金属制成，连接所述可膨胀套筒与所述管状部件， -开口，其用于使流体进入所述空间中以膨胀所述套筒，以及 -过渡区域(11 )，其包括使所述套筒与所述连接部件连接的连接部分(14)， 其中，所述第一金属比所述第二金属具有更高的柔性。
2.根据权利要求1所述的环形障碍物，其特征在于，所述环形障碍物包括处于所述过渡区域中的限制元件，所述限制元件限制所述套筒在所述区域中的自由膨胀。
3.根据权利要求1或2所述的环形障碍物，其特征在于，所述过渡区域沿着所述可膨胀套筒的纵向延伸部从位于所述连接部分处的第一点(21)延伸到位于所述可膨胀套筒上的预定第二点(22)。
4.根据权利要求3所述的环形障碍物，其特征在于，所述可膨胀套筒在所述第一点处比在所述第二点处膨胀更加受限。
5.根据权利要求4所述的环形障碍物，其特征在于，所述限制元件是所述连接部件的突出部分(18)。
6.根据权利要求5所述的环形障碍物，其特征在于，所述突出部分朝向所述可膨胀套筒变尖。
7.根据权利要求6所述的环形障碍物，其特征在于，所述可膨胀套筒的每一端具有与所述突出部分的形状相对应的变尖形状。
8.根据权利要求2至4所述的环形障碍物，其特征在于，所述限制元件是包围所述可膨胀套筒的附加环(24)，所述附加环与所述连接部件连接并且从所述连接部件朝向所述可膨胀套筒变尖。
9.根据权利要求2至4所述的环形障碍物，其特征在于，所述限制元件是所述可膨胀套筒的增大的厚度，通过将附加材料(30)增设到所述可膨胀套筒的至少外侧来提供所述增大的厚度，其中，所述附加材料从所述连接部件朝向所述套筒变尖。
10.根据权利要求7所述的环形障碍物，其特征在于，所述可膨胀套筒的厚度从所述连接部件的厚度减小到比所述连接部件的厚度的95%小的厚度，优选地比所述连接部件的厚度的90%小的厚度，以及更加优选地比所述连接部件的厚度的80%小的厚度。
11.根据前述权利要求的任一项所述的环形障碍物，其特征在于，所述第一金属具有35%-70%、至少40%、优选地40%-50%的伸长率。
12.根据前述权利要求的任一项所述的环形障碍物，其特征在于，所述第二金属具有10%-35%、优选地25%-35%的伸长率。
13.根据前述权利要求的任一项所述的环形障碍物，其特征在于，所述管状部件具有两个区段(36)，所述两个区段位于中间部分(37)的相对的两侧并且与所述管状结构中的所述开口分隔开，所述管状部件在所述区段中具有比所述管状部件的所述中间部分的外径大的外径和比所述中间部分的壁厚厚的壁厚。
14.根据权利要求13所述的环形障碍物，其特征在于，所述连接部件设置成与所述两个区段相面对。
15.根据权利要求14所述的环形障碍物，其特征在于，所述连接部件中的一个以可滑动的方式相对于所述管状部件的所述区段设置，所述连接部件中的另一个在密封连接部分(35)中紧固到所述管状部件。
16.根据权利要求15所述的环形障碍物，其特征在于，所述密封连接部分(35)与设置在可滑动的连接部件中的密封装置(20 ) 一起密封所述空间。
17.根据权利要 求13至16中的任一项所述的环形障碍物，其特征在于，各个连接部件具有覆盖所述可膨胀套筒(7)的突出部分(18)。
18.根据权利要求17所述的环形障碍物，其特征在于，所述连接部件的所述突出部分(18)和所述可膨胀套筒焊接在一起。
19.一种环形障碍物系统(40)，所述系统包括膨胀工具(15)和根据权利要求1至12中的任一项所述的环形障碍物。
20.根据权利要求19所述的环形障碍物系统，其特征在于，所述膨胀工具包括爆炸物、加压流体、水泥或者它们的组合。
21.一种井下系统(50)，所述系统包括井管状结构和至少一个根据权利要求1至18中的任一项所述的环形障碍物。
全文摘要
本发明涉及一种用于在井管状结构和井下井眼的内壁之间的环隙中膨胀的环形障碍物。所述环形障碍物包括管状部件，其作为所述井管状结构的一部分安装；可膨胀套筒，其由第一金属制成，包围所述管状部件并且限定与所述管状部件的内部流体连通的空间，所述可膨胀套筒具有纵向延伸部、面对所述管状部件的内表面和两个端部；连接部件，其由第二金属制成，连接所述可膨胀套筒与所述管状部件；开口，其用于使流体进入所述空间中以膨胀所述套筒；以及过渡区域，其包括所述套筒与所述连接部件的连接。
文档编号E21B33/127GK103154425SQ201180048461
公开日2013年6月12日 申请日期2011年10月6日 优先权日2010年10月7日
发明者J·哈伦德巴克, P·黑泽尔, T·S·安德森 申请人:韦尔泰克有限公司