专利名称：用于膨胀管状元件的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于膨胀管状元件的装置和方法，所述管状元件适合于安装在例如油
或气井中，或者是地面、海底或地下管道中的管。本发明进一步涉及采用这种用于膨胀管状 元件的方法和装置的系统。
背景技术：
管状元件(例如套管和完管)、筛和其他这样的设备在油气井领域很常见。为了将 它们安装在井中，必要地，它们的外径要小于它们所安装的井孔的内径。事实上，由于井孔 的内径可能改变且井孔的轨迹经常不直，因此最大的可能直径可能显著小于任意点处的井 孔内径。 当井孔被钻进时，通常需要在钻进一定深度之后停下来，通过将钢管套管放置在 井中并在位于套管外面和井孔壁之间的环带中填充水泥而稳固井孔。在井的钻进过程中， 该过程可能需要重复好几次，每个接续的套管必须小于其前面套管的内径。这依次导致井 的内部开口直径的逐级减小，进而限制井的最大深度及能够沿着井流动的流体数量。
为克服该问题，已经提议通过使井中的套管膨胀来减小环形空间。还提出在后套 管的膨胀与在前套管的直径匹配，以避免传统套管技术中存在的直径逐级减小的问题。
典型地采用锥形的膨胀工具实现膨胀，该工具的最大直径比需要膨胀的套管的内 径还要大。迫使膨胀工具通过套管(例如通过机械地推进或拖动或通过泵送流体)导致套 管的膨胀。该操作中的一个困难在于由于膨胀工具的外径大于套管内径，所以不能够将膨 胀工具放置在套管中；而必须从顶部或底部出发并移动到另一端或回到其起始位置以从套 管中被取出(或留在井中)。为解决这一问题，已经提出膨胀工具/锥体最初位于收縮状 态，然后在移动通过套管之前被重构成它们(更大)的操作结构。然而，由于外径仍然大于 套管的内径，因此必须在井的开口部或在更大直径部进行这一操作。最近可选的建议是在 展开过程中工具施加足够的力以使套管膨胀。 本发明的目的在于提供一种方法，通过该方法可以在处于未膨胀状态的套管或其 他管的一部分中开始进行膨胀，从而能够产生完全的膨胀或者在其中可以占看传统膨胀锥 体的腔/膨胀部分。本发明通过采用挠性的套筒和可以装入到未膨胀的管状元件中的膨胀 工具而实现该目的。 本发明的另一个目的在于提供膨胀装置的多种应用，其中的一些减少了在井中使 用水泥的需求。
发明内容
本发明的一个方面提供用于使适于安装在井中的管状元件膨胀的方法，包括
-将膨胀工具安装于该管状元件中，该膨胀工具包括 挠性套筒，其具有小于或等于该管状元件的内径的外径，并由预定厚度的挠性材 料制成；
锥体膨胀部分，所述套筒安装于其上，第一锥体具有第一狭窄端，装入在套筒里 面，并从该第一狭窄端增加到基部的最大值，该最大值大于套筒的内径，但是小于管状元件 的内径；和 第一细长心轴，其从在相对侧上的锥体膨胀部分的端部延伸到第一狭窄端；
-将包括套筒的膨胀工具放置在将要膨胀的管状元件的预定位置；
-将套筒的位置固定在该预定位置；-迫使膨胀部分从套筒的一端通到另一端，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次 引起管状元件膨胀，该膨胀部分被迫通过(最好得到润滑的)套筒，直至其从套筒的另一端 出来；-允许套筒收縮在第一心轴的周围，从而该套筒的外径小于管状元件未膨胀的内 径；和-使膨胀工具和位于第一心轴周围的套筒移动离开膨胀位置。 本发明的另一方面提供用于膨胀在井中的管状元件的装置，包括 挠性套筒，其具有小于或等于管状元件的内径的外径，并由预定厚度的挠性材料
制成； 锥体膨胀部分，套筒安装于其上，第一锥体具有第一狭窄端，装入在套筒里面，并
从第一狭窄端增加到基部的最大值，该最大值大于套筒的内径，但是小于管状元件的内径； 和 第一细长心轴，其从在相对侧上的锥体膨胀部分的端部延伸到第一狭窄端。
本发明允许管状元件的膨胀始于其正常尺寸，而无需提供局部的膨胀或太大尺寸 的部分以允许膨胀工具的展开。 在一个实施例中，将套筒的位置固定在管状元件的预定位置的步骤包括使在膨胀 工具上的锚定机构致动。在另一个实施例中，其包括可压縮环，例如由聚氨酯制成的环，其 安装在膨胀工具上(例如，在其鼻端)，该锚定机构的致动包括轴向压縮该环，从而引起其 外径增加，并使该套筒在管状元件上局部膨胀以对其进行锚定。还可能的是，该环的膨胀也 引起管状元件的局部膨胀，这种情况下，可能需要移动元件以允许锥体在套筒保持静止的 时候移动。 在可选的实施例中，将套筒位置固定在管状元件中预定位置的步骤包括将套筒迫 压在管状元件内的地层构造上。 在另一实施例中，所述膨胀工具包括在该膨胀部分另一端处的第二锥体，该膨胀 部分的中部限定第一和第二锥体的基部，第一心轴从第二锥体的狭窄端延伸，第二细长心 轴从第一锥体的狭窄端延伸；该方法包括-将膨胀工具放置在将要膨胀的管状元件的第一预定位置；
-将套筒的位置固定在第一预定位置；-迫使膨胀部分从套筒的一端通到另一端，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次
引起管状元件膨胀，膨胀部分受迫通过套筒，直至其从套筒的另一端出来；-允许套筒收縮在第一心轴的周围，从而套筒的外径小于管状元件未膨胀的内径；
和-使膨胀工具和位于第一心轴周围的套筒从膨胀位置移动到第二预定位置；
7
-将套筒的位置固定在第二预定位置；-迫使膨胀部分从套筒的一端回到另一端，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次
引起管状元件膨胀，膨胀部分受迫通过套筒，直至其从套筒的另一端出来；-允许套筒收縮在第二心轴的周围，从而套筒的外径小于管状元件未膨胀的内径；
和-使膨胀工具和位于第一心轴周围的套筒移动离开膨胀位置。
这允许在整个井中在不同位置执行多个膨胀操作。 优选地，所述套筒由预定厚度的挠性/弹性材料制成，包括轴向贯穿套筒的细长 增强件。这抑制了套筒在受压时不是向外膨胀而是伸长的趋势。 本发明的另一方面包括用于使适于安装在井中的管状元件膨胀的方法，包括
-将挠性套筒安装在将要膨胀的管状元件的预定位置，套筒具有小于或等于管状 元件的内径的外径，并由预定厚度的挠性材料制成，所述挠性材料包括轴向地贯穿套筒的 细长增强件；-在管状元件中紧邻套筒安装膨胀部分，该膨胀部分具有最靠近套筒的一端，其小 于套筒的内径，膨胀部分的外径从一端增加到最大值，该最大值大于套筒的内径但是小于 管状元件的内径；-迫使膨胀部分通过套筒，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次引起管状元件膨 胀。 所述增强件最好包括钢柱或芳族聚酸胺纤维twalon/keflar，其贯穿在套筒的大
致整个长度上或者形成为环。 典型地，所述套筒由聚氨酯制成。 本发明的装置的应用可以是用于形成一个或多个隔离区域的设备。所述区域可以 是在井的环面中或者可以是在井的环面中选定的区域。形成这些隔离区域的方法通过在感 兴趣的区域使管状元件膨胀而实现。 本发明的另一方面提供一种衬管悬挂器，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀 的装置。 本发明的另一方面提供一种打捞工具，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的 装置。该打捞工具还可以包括导管。该导管允许通过打捞工具进行流通。该导管还可以允 许在打捞的物品中进行流通。 本发明的另一方面提供一种井口，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装 置。该装置可以用于使多个同心管状元件膨胀。 本发明的另一方面提供一种废弃塞，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装
置。该装置可以被用于使废弃井中的管状元件膨胀。所述管状元件可以是在套管或衬管内
附加的管状元件。所述膨胀体可以在该膨胀的管状元件中保持处于膨胀的状态，以形成该
废弃塞。附加的管状元件可以得到膨胀以绕所述套管或衬管闭合微环面。 本发明的另一方面提供一种可膨胀的沙筛，其包括如上所述的用于使管状元件膨
胀的装置。 本发明的另一方面提供一种井压测试器，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀 的装置。其中在该井压测试器中用于使管状元件膨胀的装置最好采用可压縮膨胀体的膨胀以大致形成对所述管状元件的密封。 本发明的另一方面提供一种柱膨胀器，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装置。 本发明的另一方面提供一种桥塞，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装置。该桥塞可以是永久的或者可收回的。所述得到膨胀的管状元件可以是在所述套管或衬管内附加的管状元件。在该井压测试器中用于使管状元件膨胀的装置最好采用可压縮的膨胀体的膨胀以大致形成对所述管状元件的密封。 本发明的另一方面提供一种封隔器，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装置。这种得到膨胀的管状元件可以是在所述套管或衬管内附加的管状元件。在该井压测试器中用于使管状元件膨胀的装置最好采用可压縮的膨胀体的膨胀以大致形成对所述管状元件的密封。 本发明的另一方面提供一种管接头，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装置。该管接头最好是铁模型管接头。 本发明的另一方面提供一种选择性化学品放置工具，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装置。该选择性化学品放置工具可以滑动移位。 本发明的另一方面提供一种锚定设备，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的
装置。该锚定设备可以用于将管状元件或其他装置锚定在地层或另一个管状元件上。 本发明的另一方面提供一种波形膨胀器，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀
的装置。该波形膨胀器可以被用于解除所述管状元件中的弯曲或轴向压力。 本发明的另一方面提供一种井底修补系统，其包括如上所述的用于使管状元件膨
胀的装置。该井底修补系统可以被用于修理套管或衬管损伤，或者泄漏的接头。其还可以
包括密封元件。 本发明的另一方面提供一种穿孔闭合修补系统，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装置。其还可以包括密封元件。 本发明的另一方面提供一种伸縮衬管膨胀系统，其包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装置。 其他应用将通过下面的说明而显而易见。
图1表示根据本发明第一个实施例的用于使管状元件膨胀的装置的示意侧视图。
图2表示图1实施例的用于使管状元件膨胀的装置位于井套筒中的示意侧视图。
图3表示图2实施例的用于使管状元件膨胀的装置在部分膨胀之后的示意侧视图。 图4表示图1实施例的用于使管状元件膨胀的装置在完成膨胀之后的示意侧视图。 图5表示用于本发明的锚定机构的细节。 图6表示图5的锚定机构在套管中展开的示意侧视图。 图7表示根据本发明另一个实施例的用于使管状元件膨胀的装置的示意侧视图。
图8表示本发明的装置在现场应用于井孔中实现衬管搭接膨胀的示意侧视图。
图9表示本发明的装置在现场应用于井孔中被用于压力测试衬管搭接并被用于 压力测试衬管的示意侧视图。 图10表示本发明的装置在现场应用于井孔中作为压力测试器的示意侧视图；禾口
图11表示本发明的装置在现场应用于井孔中实现衬管底部膨胀的示意侧视图。
具体实施例方式
图1表示根据本发明第一个实施例的工具的示意图，其包括具有锥体12的锥体膨 胀部分IO，其从狭窄端膨胀到处于膨胀部10中间的基部。细长心轴14从膨胀部分IO在相 对侧的基部延伸到锥体12，并可选地在其另一端具有止挡16。 挠性套筒18落在锥体12上，该套筒18具有内部扩张的端部20，该扩张具有对于
锥体12的补角(典型地两个都约为7度)。套筒由挠性材料制成，尤其优选聚氨酯。细长
钢增强线21贯穿于构成套筒18的材料。套筒18的外径大致与膨胀部分中锥体的基部的
外径相同。套筒18的内径要小，从而锥体部10不能自由地运动通过套筒18。 另一细长心轴22从锥体12的狭窄端延伸通过套筒18的中部，并在其自由端具有
另一个止挡24。在图1所示的结构中，套筒被保持在锥体12上，该锥体12伸入套筒18的
扩张端20内，止挡24放置意外的脱开。在该结构中，工具可以已经通过在例如油或气井中
的套筒26。锥体部10和套筒18的外径在边上小于套管26的内径(参见图2)。 在使用时，上升工具下降到关注的位置(图2)。然后套筒18被锚定在套筒26中
(如下所述)以防止进一步向下移动。 —旦工具/套筒锚定在位，则锥体12被迫进入套筒18的端部中，迫使该端部膨 胀，直至基部可以装入套筒18内。套筒18径向向外的膨胀依次引起套管26以相应的方式 膨胀并永久地变形28(图3)。增强线21用于限制套筒通过纵向挤压而不是径向膨胀而伸 长。 锥体12受迫沿套筒18移动，直至其从远端出来，在该点允许套筒释放回到其绕心 轴14的初始尺寸，其外径回到其近似初始值(参见图4)。然后该工具可以从井中被抽出， 套筒18在心轴14上，而只留下套管28的膨胀部分准备它用。 工具/锥体膨胀部分可以通过任何合适的工具被向下推/拖动通过套筒。例如， 其可以采用在套筒18上面的压縮流体和适当布置的密封件而被向下泵送。可选地，机械驱 动件可以连接到工具的顶部，从地面或者从上述套管中的锚定点延伸。典型地，该工具经由 电缆和/或管道连接到地面，以提供用于控制的动力和数据通信，并供给可能需要的任何 工作流体。 可以理解的是，得到膨胀的管状元件可以是用于油或气井中的许多管状元件中的 任意一个，例如套管、衬管、管线等。得到膨胀的管状元件还可以是用于地面、海底或地下管 道中的许多种管中的一种。还可以理解的是，管状元件可以是实心的、开槽的或带孔形式 的。 锚定机构可以包括可延伸的锚(脱锚、推爪等)。这些可以结合在止挡24上或单 独设置。当工具在合适位置时，该锚定机构运行以作用于套筒上，并将其锁定在套管上。这 样，该工具可以位于套管中的任意点上。锚的另一种形式包括膨胀环，如图5和6所示。在 本实施例中，心轴22具有动力和控制电子设备、泵和液压流体供给装置(或者与地面上相应供给相通的连接件)及传感器(未示出)。操作头部分30设置在心轴22的下端。包括 连接到心轴22上并限定出缸34的主头部32的操作头部分30在其下端开口。轴向轴36 从缸34的底部延伸并具有连接到其上的端板38。活塞40绕着轴36可滑动地安装在缸34 中。活塞40的头42比容纳在缸孔34中的部分44具有更大的直径，头42的外径大致对应 于心轴22的外径。聚氨酯环46绕着轴36安装在活塞头42和端板38之间。其也具有与 心轴22的外径大致对应的外径。缸34在活塞40下面的工作空间48连接到心轴22中的 压縮流体供给(未示出)。 当工具位于套管中的所需位置时，压縮流体进入工作空间48内。这将迫使活塞40 离开缸34，从而挤压位于头42和端板38之间的环46。该挤压动作引起环46绕着其外周 50凸起，从而突出超过心轴22剩余部分的外径。环46的外周凸起50导致套筒18被推出 (在套管上以将套筒锁定在位)(由于锚定环必须在套筒内滑动，因此需要低的摩擦)。
套管26依次变形，如图6所示。这样，套筒18夹在环凸起50和套管26之间并且 在锥体12被迫穿过套筒时不能移动。以这种方式运行时，锥体12需要能够在心轴22上滑 动。在膨胀的末尾，锥体可以被抽出，环46得到释放以允许套筒18收縮在心轴22周围，并 从套管的膨胀部分移动到另一位置。 需要注意的是，在本发明的其他实施例中，代替环46，可以绕着轴36在活塞头42 和端板38之间安装厚壁的缸，该缸可以用作工具10中的膨胀体。制造环46或缸的材料可 以是除了聚氨酯的任何其他类型的挠性和弹性材料，例如橡胶。而且，环46或缸可以包括 多于一个的部分，其可以形成单独的部分。这些部分可以封装在特定形状的隔间中，位于绕 着轴36在活塞头42和端板38之间的区域。 在另一实施例中，如图7所示，在膨胀部分10上，在与第一心轴14相同侧设置有 第二锥体52。使用中，该工具首先以上述结合图l-4的方式使用。然后，该(双边锥体)工 具随后在套管中运行到另一位置，套筒在那里再次得到锚定，并通过向上移动膨胀部分而 得到膨胀，采用第二锥体52以相同的方式使套筒18膨胀。在该运行的末尾，套筒再次位于 心轴22周围并准备运动到另一位置进行上述的运行。 在本发明的装置和方法范围内的其他改变将是显而易见的。例如，在一个实施例 中，锚定是通过在套筒26内设置凸缘(未示出)而实现的，其中套筒18的自由端邻接在该 套管26上。 通过本发明的装置和方法提供的膨胀可以在前面提出的膨胀方式中使用，例如避 免水泥和井的流动直径的逐级减小，套管部分的连接，用于插入连续套管部的膨胀部分的 形成，在开口井孔或现有套管上一块的膨胀，等等。 本发明的装置还有不同的应用，可以用于油或气井的管状元件中，或者用于地面、 海底或地下管线的管状元件中。 本发明的装置的另一个应用是用作井底锚定设备。该锚定设备可以用于将管状元
件或其他设备锚定在地层上或将另一管状元件锚定在井孔中选定位置处。 本发明可以用于将管状元件膨胀在井孔壁或另一个套管上。这样，本发明可以延
伸到伸縮的衬管膨胀系统中，该系统包括如上所述的用于使管状元件膨胀的装置。例如三
个衬管可以同时放入孔中， 一个在另一个之中。每个衬管随后可以延伸，采用用于使管状元
件膨胀的装置使它们中的每一个膨胀。
本发明还可以用于形成钟或膨胀部分，本领域中被称为腔，其中可以配置另一个
膨胀工具用于管的进一步膨胀。在油或气井的钻进或完成运行中，钟或膨胀部分或腔同样
可以用作其他目的。如图5所示的膨胀部分40是这样的腔的一个例子。形成的钟或膨胀
部分或腔的形状可以是对称或非对称的。非对称的膨胀可以通过采用具有非对称形状、例
如椭圆形的环34来实现。在这种情况下，活塞头30和端板26必须首先对中，从而环34在
使用过程中不会移动到形成对称膨胀的位置。非对称膨胀有利的一种方式是，当其用于在
套管中产生疲软点或特殊裂缝而使得旁通道可以在该点处进入套管中时。 钟或膨胀部分可以用于定位那些能够限制井孔的任何东西。当以这种方式使用
时，该装置必须严格对中。这样其可以例如用于容纳地下安全阀、泵、隔离器等。 用于使管状元件膨胀的装置的另一个应用是将相对较薄的钢管(在外面带或不
带密封)包覆于劣化的老管、套管、泄漏接头、孔等的里面。管的基本上更小部分或更大部
分可以通过该装置得到包覆。该包覆层可以例如被用于在耗尽的存储器中存储二氧化碳气
体，放大生产管或修复泄漏。 该装置另一个类似应用在于其可以形成修补或固填的井底，用于固定传感器，这 些传感器集中在接近井孔壁的一个方向上。该装置类似的应用是用于井底修补系统和堵孔 修补系统。井底修补系统可以用于修理套管或衬管损伤，或者泄漏的接头。该修补系统还 可以包括密封元件，例如外径上的O圈(OD)。 该装置还可以用于在管状元件的膨胀中形成隔离区域。这些区域可能在井的环面 或者这些区域可能在井的选定区域。这些隔离的带状区域例如可以用于挤出选择的部分， 以封闭、酸注入、化学品沙固化等目的。
该装置另一个应用是沙筛。 该装置进一步的应用是柱膨胀器。这样的柱膨胀器的优点在于其能够提高柱的支 撑能力从而可以使用更短的柱。 本发明的装置的另一应用是用于衬管悬挂器。该衬管悬挂器可以视情况与衬管、 套管或管道一起使用。在该应用中，该装置最好与套筒及例如为在OD上的0圈的密封元件 一起使用。 图8中示出了用于在井孔55中使可膨胀衬管搭接部54膨胀的应用。
本发明的装置的另一个应用是用于可膨胀打捞工具。该可膨胀打捞工具可以包括 通过其本体的导管。这样允许在打捞工具中进行流通。该导管还允许在打捞的物品中进行 流通。在这种情况下，物品最好是管状元件，从而导管允许在整个管状元件中包括其在井孔 中的底端中进行流通。可膨胀的打捞工具具有包括更大表面积的优点，这甚至可能形成凹 口 ，这样对鱼或打捞物品具有更好的抓持。 该装置另一个应用用于可膨胀井口。该装置可以被用于使井口处的多个同心的管 状元件膨胀。优选地，在井口处通过本发明的装置得到膨胀的同心元件可以有四或五个。该 可膨胀井口的优点是比传统形成的井口更牢固或坚固，尤其是那些离岸使用的。还有的优 点在于井口可以被形成为具有更小0D。 本发明的装置还可以用于废弃塞。在废弃塞中得到膨胀的管状元件可以是在套管 或衬管内附加的管状元件。这样的废弃塞可以包括具有一个开口端和一个闭合端的管，在 其0D周围有或没有密封，其在套管或衬管上膨胀以实现闭井，同时闭合微环面。用于套管
12上的膨胀可以是微小的，用于闭合微环面。该装置可以用于使废弃的井中附加的管状元件 膨胀，且膨胀体可以在膨胀的管状元件中保持处于膨胀状态。废弃塞还可以包括钢套，其与 一个或多个环34—起也在套管上膨胀。该废弃塞可以与或不与水泥一起使用，并可以通过 电线、缠绕管或其他导管展开。 本发明的装置的另一个应用是用于可膨胀的沙筛。类似地，该装置也可以用于打 孔的衬管和套管膨胀中。 如图9和IO所示，本发明的装置的进一步的应用是用于井压测试器。该井压测试 器可以用于油或气井不同部分的压力测试，例如衬管搭接部、钻进管或地层粘固。在井压测 试器中用于使管状元件膨胀的装置最好采用膨胀体的膨胀，该膨胀体大致对管状元件的形 成密封，并不会使管状元件膨胀超出其原始形状。在该应用中，本发明的装置可以包括多个 环46，如图10所示。在压力测试器56的例子中， 一些环46可以用作封隔器，以将关注的区 域隔离开来，而其他环可以用于在关注区域上膨胀，以进行实际的压力测试。泵或压力增强 器也可以包含在具有压力测试器56的井底中，以在压力测试中提供压力。该压力也可以通 过集成的压力倍增器或者通过提供压力的其他装置提供。 封隔器本身是本发明的装置的另一个应用。该封隔器可以永久安装在井孔中，或 者可以取回，其用于永久地或暂时地密封井孔。通过封隔器的膨胀装置得到膨胀的管状元 件可以是在套管或衬管内附加的管状元件。在井压测试器中用于使管状元件膨胀的装置最 好采用可压縮膨胀体的膨胀，该膨胀体大体上形成对管状元件的密封，并不会使管状元件 膨胀超过其原始形状。该封隔器可以用于生产或测试，并可以用于封盖的井孔或开放的井 孔。典型地，该封隔器在大多数情况下用于使生产导管与环面隔开，从而能够控制井孔的生 产、喷射或处理。 该井压测试器56还可以用作泄漏测试设备，以测试开口地层的强度或破裂压力。 井孔的一部分可以通过该装置密封，然后，压力测试器56可以与压力流体一起用于该部分 以测试井在该特别部分能够经受的最大流体压力。该泄漏测试设备也可以用于衬管底部 58。 本发明的装置还可以用于膨胀衬管底部58以密封环面，如图11所示。
本发明的装置的另一个应用是用于桥塞，该桥塞用于隔离井孔的下部。该桥塞可 以是永久的，以使井孔的下部永久地与生产隔绝，或者该桥塞也可以被取回，以使井孔的下 部暂时地与在井孔上部区域进行的处理隔离。通过桥塞得到膨胀的管状元件可以是在套管 或衬管内附加的管状元件。在井压测试器中用于使管状元件膨胀的装置最好采用可压縮膨 胀体的膨胀，以大体上形成对管状元件的密封，而不会使管状元件膨胀超出其原始尺寸。桥 塞的优点在于当其正好膨胀到管状元件的屈服水平之下时，其能够保持更大的压力。结果 是其因而将具有更大的保持力。 该装置还可以用于管接头。典型地，根据情况，管或管道或套管膨胀以基本紧密地 装配在另一个管、管道或套管上，在其密接在其上后，采用已知的管连接方法连接。该管接 头也可以用于将管道连接到套管上，或者将旁管连接到中心管上。优选地，该管接头是铁模 型管接头。 本发明的装置的另一个应用是用于选择性化学品放置工具。典型地，选择化学品 放置工具通过缠绕管、工作柱或其他导管在井底展开。该选择性化学品放置工具可以滑动移位。在使用中，该选择性化学品放置工具在关注的特定区域展开，然后通过膨胀装置发生 膨胀，从而该工具沿需要处理的区域锚定在套管或衬管中。随后化学流体注入在其两个外 部之间的工具体内，然后该化学流体能够通过挤压而进入到套管或衬管外面的区域也就是 环面，以执行不同的化学处理，例如沙固结和化学闭合。 一旦已经进行了化学处理，选择性 化学品放置工具可以滑动移位到另一个位置并锚定在该位置，从而在该位置可以进行另一 个化学处理。这样，选择性化学品放置工具可以顺序地向井孔下运动，以在需要的地方执行 顺序的化学处理。 该装置还可以用作波形膨胀器的一部分。该波形膨胀器可以用于解除管状元件中
的弯曲或轴向压力。其还可以用于将管或套管的整体弯曲转化为局部弯曲。 可以理解的是，本发明的装置和方法及包括它们的应用可以在油或气井中被用于
通过钻柱钻进并随后下衬管或下套管的孔中，以及用在通过衬管或套管钻进的油或气井中。
权利要求
一种用于使适于安装在井中的管状元件膨胀的方法，包括-将膨胀工具安装于该管状元件中，该膨胀工具包括挠性套筒，其具有小于或等于该管状元件的内径的外径，并由预定厚度的挠性材料制成；锥体膨胀部分，所述套筒安装于其上，第一锥体具有第一狭窄端，装入在套筒里面，并从该第一狭窄端增加到基部的最大值，该最大值大于套筒的内径，但是小于管状元件的内径；和第一细长心轴，其从在相对侧上的锥体膨胀部分的端部延伸到第一狭窄端；-将膨胀工具放置在将要膨胀的管状元件的预定位置；-将套筒的位置固定在该预定位置；-迫使膨胀部分从套筒的一端通到另一端，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次引起管状元件膨胀，该膨胀部分受迫通过套筒，直至其从套筒的另一端出来；-允许套筒收缩在第一心轴的周围，从而该套筒的外径小于管状元件未膨胀的内径；和-移动膨胀工具和位于第一心轴周围的套筒从膨胀位置离开。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将套筒的位置固定在管状元件的预定位 置的步骤包括使膨胀工具上的锚定机构致动。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锚定机构包括安装在膨胀工具上的 可压縮环，该锚定机构的致动包括轴向压縮该环，从而引起其外径增加，并使套筒局部膨胀 与管状元件接触以对其进行锚定。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括使环膨胀以引起管状元件的局部膨胀。
5. 根据在前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述膨胀工具包括在膨胀部分 另一端处的第二锥体，该膨胀部分的中部限定第一和第二锥体的基部，第一心轴从第二锥 体的狭窄端延伸，第二细长心轴从第一锥体的第一狭窄端延伸；所述方法包括-将膨胀工具放置在将要膨胀的管状元件的第一预定位置； -将套筒的位置固定在所述第一预定位置；_迫使膨胀部分从套筒的一端通到另一端，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次引起 管状元件膨胀，膨胀部分受迫通过套筒，直至从套筒的另一端出来；_允许套筒收縮在第一心轴的周围，从而套筒的外径小于管状元件未膨胀的内径；禾口 _移动膨胀工具和位于第一心轴周围的套筒从膨胀位置到第二预定位置； -将套筒的位置固定在第二预定位置；_迫使膨胀部分从套筒的一端回到另一端，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次引起 管状元件膨胀，膨胀部分受迫通过套筒，直至从套筒的另一端出来；_允许套筒收縮在第二心轴的周围，从而套筒的外径小于管状元件未膨胀的内径；禾口 _使膨胀工具和位于第一心轴周围的套筒移动离开膨胀位置。
6. 根据在前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述套筒由预定厚度的挠性材 料制成，包括轴向贯穿套筒中的细长增强件。
7. —种用于使井中的管状元件膨胀的装置，包括挠性套筒，其具有小于管状元件内径的外径，并由预定厚度的挠性材料制成；锥体膨胀部分，套筒安装于其上，第一锥体具有第一狭窄端，装入在套筒内，并从第一狭窄端增加到基部的最大值，该最大值大于套筒的内径，但是小于管状元件的内径；禾口 第一细长心轴，其从在相对侧上的锥体膨胀部分的端部延伸到第一狭窄端。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括在膨胀工具上的锚定机构，以可操 作地对将要膨胀的管状元件中的挠性套筒进行锚定。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述锚定机构包括可轴向压縮的环，该环 的压縮引起其外径的增加，并使套筒局部膨胀到与管状元件接触以对其进行锚定。
10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，该环由聚氨酯制成。
11. 根据权利要求8、9或10所述的装置，其特征在于，还包括在膨胀部分另一端的第二 锥体，膨胀部分的中部限定第一和第二锥体的基部，第一心轴从第二锥体的狭窄端延伸，第 二细长心轴从第一锥体的第一狭窄端延伸。
12. 根据权利要求7至11中任一项所述的装置，其特征在于，套筒由聚氨酯制成。
13. 根据权利要求7至12中任一项所述的装置，其特征在于，套筒在一端或两端上扩 张，以有助于锥体的接合和运动。
14. 一种用于使适于安装在井中的管状元件膨胀的方法，包括_将挠性套筒安装在将要膨胀的管状元件的预定位置，套筒具有小于管状元件内径的 外径，并由预定厚度的挠性材料制成，所述挠性材料包括轴向贯穿套筒的细长增强件；-在管状元件中紧邻套筒安装膨胀部分，该膨胀部分具有最靠近套筒的一端，其小于套 筒的内径，膨胀部分的外径从一端增加到最大值，该最大值大于套筒的内径但是小于管状 元件的内径；_迫使膨胀部分通过套筒，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次引起管状元件膨胀。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述增强件包括钢柱，其基本上贯穿在 套筒的整个长度。
16. 根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述套筒由聚氨酯制成。
17. —种用于形成一个或多个隔离区域的设备，包括如权利要求7至13中任一项所述 的用于使管状元件膨胀的装置。
18. 根据权利要求17所述的用于形成一个或多个隔离区域的设备，其特征在于，所述 区域是在井的环面中。
19. 根据权利要求17所述的用于形成一个或多个隔离区域的设备，其特征在于，所述 区域是在井的环面中选定的区域。
20. —种衬管悬挂器，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的 装置。
21. —种打捞工具，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的装置。
22. 根据权利要求21所述的打捞工具，其特征在于，其包括导管。
23. 根据权利要求22所述的打捞工具，其特征在于，所述导管允许打捞的物品进行流通。
24. —种井口，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的装置。
25. 根据权利要求24所述的井口 ，其特征在于，其用于使一个或多个同心管状元件膨胀。
26. —种废弃塞，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的装置。
27. 根据权利要求26所述的废弃塞，其特征在于，其用于使井中废弃的管状元件膨胀。
28. 根据权利要求27所述的废弃塞，其特征在于，所述管状元件是在套管或衬管内附 加的管状元件。
29. 根据权利要求26至28中任一项所述的废弃塞，其特征在于，所述膨胀体在膨胀的 管状元件中保持处于膨胀的状态，以形成该废弃塞。
30. 根据权利要求28或29所述的废弃塞，其特征在于，所述附加的管状元件膨胀以绕 所述套管或衬管闭合微环面。
31. —种可膨胀的沙筛，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀 的装置。
32. —种井压测试器，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的 装置。
33. 根据权利要求32所述的井压测试器，其特征在于，在该井压测试器中用于使管状 元件膨胀的装置采用可压縮膨胀体的膨胀以基本形成对所述管状元件的密封。
34. —种柱膨胀器，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的装置。
35. —种桥塞，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的装置。
36. 根据权利要求35所述的桥塞，其特征在于，其是永久的。
37. 根据权利要求35所述的桥塞，其特征在于，其是可回收的。
38. 根据权利要求35至37中任一项所述的桥塞，其特征在于，所述管状元件是在所述 套管或衬管内附加的管状元件。
39. 根据权利要求35至38中任一项所述的桥塞，其特征在于，在该井压测试器中用于 使管状元件膨胀的装置采用可压縮膨胀体的膨胀以基本形成对所述管状元件的密封。
40. —种封隔器，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的装置。
41. 根据权利要求40所述的封隔器，其特征在于，所述管状元件是在所述套管或衬管 内附加的管状元件。
42. 根据权利要求40或41所述的封隔器，其特征在于，在该井压测试器中用于使管状 元件膨胀的装置采用可压縮膨胀体的膨胀以基本形成对所述管状元件的密封。
43. —种管接头，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的装置。
44. 根据权利要求43所述的管接头，其特征在于，其是铁模型管接头。
45. —种选择性化学品放置工具，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状 元件膨胀的装置。
46. 根据权利要求45所述的选择性化学品放置工具，其特征在于，其可滑动移位。
47. —种锚定设备，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的装置。
48. 根据权利要求47所述的锚定设备，其特征在于，其用于将管状元件或其他装置锚 定在地层或另 一个管状元件上。
49. 一种波形膨胀器，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀的 装置。
50. 根据权利要求49所述的波形膨胀器，其特征在于，其用于解除所述管状元件中的 弯曲或轴向压力。
51. —种井底修补系统，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件膨胀 的装置。
52. 根据权利要求51所述的井底修补系统，其特征在于，其用于修理套管或衬管损伤， 或者泄漏的接头。
53. —种穿孔闭合修补系统，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件 膨胀的装置。
54. —种伸縮衬管膨胀系统，包括如权利要求7至13中任一项所述的用于使管状元件 膨胀的装置。
全文摘要
一种用于使适于安装在井中的管状元件膨胀的方法，包括将膨胀工具安装于管状元件中，该膨胀工具包括挠性套筒，其具有小于或等于管状元件内径的外径；锥体膨胀部分(10)，套筒(18)安装于其上，锥体(12)具有第一狭窄端，装入在套筒内，并从第一狭窄端增加到基部的最大值，该最大值大于套筒的内径，但是小于管状元件的内径；和细长心轴(14)，其从在相对侧上的锥体膨胀部分的端部延伸到狭窄端；将包括套筒的膨胀工具放置在将要膨胀的管状元件的预定位置；固定套筒的位置；迫使膨胀部分从套筒的一端通到另一端，从而使套筒在该管状元件内膨胀，并依次引起管状元件膨胀，膨胀部分受迫通过(最好润滑的)套筒，直至其从套筒的另一端出来；允许套筒收缩在心轴的周围；和将具有位于心轴周围的套筒的所述膨胀工具从膨胀位置取出。
文档编号B21D39/20GK101754822SQ200880022851
公开日2010年6月23日 申请日期2008年5月2日 优先权日2007年5月4日
发明者W·C·M·洛贝克 申请人:活力恐龙有限公司