封隔元件支承系统的制作方法
【专利摘要】井下工具封隔元件系统，包括具有支撑系统的密封元件。支撑系统可以包括第一隔离环、第二隔离环、第三隔离环、网格环和一个或多个瓣环中的一个或多个。这些部件中的一个或多个可以设置在密封元件的上端和/或下端中的一个或两个上。在被压缩时，在所述一个或多个隔离环、网格环和/或瓣环的压缩力作用下，密封元件径向向外移动，以接合井眼的内壁表面。在某些实施例中，网格环和/或瓣环中的一个或多个的下端朝着套管向外旋转，并且在某些实施例中，接合套管以便于形成密封。
【专利说明】封隔元件支承系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年5月15日提交的美国申请No. 13/472, 128的优先权，该申请 的全部内容在此引入作为参考。 【背景技术】 【技术领域】
[0003] 本发明涉及用于在设置在井眼中的作业管柱或工具管柱中使用的封隔元件系统， 用以将井眼的一个或多个区域与井眼中的一个或多个其它区域隔离。
[0004] 现有技术的描述
[0005] 参照图1，现有的封隔元件系统200包括外壳或心轴211，所述外壳或心轴具有设 置在其上的封隔元件212。封隔元件212的每个端部包括外壳或支撑件213,从而在轴向载 荷在轴向载荷点214处被置于封隔兀件212上时有利于使封隔兀件212远离心轴211弹性 膨胀。封隔元件212的每个端部还包括两个支承元件215、216,每个支承元件显示为具有底 瓣支承件217和顶瓣支承件218的两个金属瓣支承件或显示为本领域已知的酚醛树脂支承 件（未显示）。在金属瓣支承元件的情况中还已知包括特氟龙@隔离物。
【发明内容】
[0006] 广义上，在此公开的封隔元件系统包括具有支撑系统的密封元件。支撑系统可以 包括第一隔离环、第二隔离环、第三隔离环、网状环和一个或多个瓣环中的一个或多个。这 些部件中的一个或多个可以设置在密封元件的上端和/或下端中的一个或两个上。在被压 缩时，在一个或多个隔离环、网状环和/或一个或多个瓣环中的一个或多个的压缩力作用 下，密封元件径向向外移动以接合井眼的内壁表面。在某些实施例中，一个或多个网状环和 /或一个或多个瓣环中的一个或多个的下端朝着套管向外旋转，并且在某些实施例中，接合 套管以便于形成密封。
[0007] 附图简要说明
[0008] 图1是现有技术的封隔元件系统的剖面图。
[0009] 图2是在此公开的显示为处于初始或下入位置的封隔元件系统的特定实施例的 剖面图。
[0010] 图3是图2所示的处于安放位置的封隔元件系统的剖面图。
[0011] 图4是包括在本文公开的封隔元件系统中的瓣环的一个特定实施例的俯视图。
[0012] 图5是图4所示的瓣环的局部剖面图。
[0013] 图6是包括在本文公开的封隔元件系统中的网状环的一个特定实施例的局部剖 面图。
[0014] 图7是包括在本文公开的封隔元件系统中的第一隔离环的一个特定实施例的局 部剖面图。
[0015] 图8是包括在本文公开的封隔元件系统中的第二隔离环的一个特定实施例的局 部剖面图。
[0016] 图9是图8所示的第二隔离环沿着线9剖取的局部剖面图的一部分。
[0017] 虽然将结合优选实施例对本发明进行描述，但是应当明白，这不意味着本发明局 限于该实施例。相反，旨在覆盖可包括在由所附的权利要求书所限定的本发明精神和范围 之内的所有替换、改进和等同物。 【具体实施方式】
[0018] 现在参照图2-图3,所示的封隔元件系统20处于其初始或下入位置（图2)和其 安放位置（图3)。广义上，封隔元件系统20包括密封元件22,所述密封元件具有支承系统 或支撑系统（在下文更详细地论述）、上支撑构件18和下支撑构件19,所有这些都承载在 心轴12的外壁表面14上。心轴12包括限定纵向轴线11的内壁表面16。
[0019] 密封元件22以及支撑系统的部件、上支撑构件18和下支撑构件19均为管状构 件，均具有由接纳心轴12的内径确定的内表面。本领域普通技术人员应当明白，心轴12是 承载在套管管柱（未显示）上的管状构件。心轴12可以通过本领域普通技术人员已知的 任何装置或方法固定到套管管柱上。
[0020] 密封元件22包括密封元件上端21、密封元件下端23、密封元件内壁表面24和密 封元件外壁表面26。密封元件22可以由本领域普通技术人员已知的任何材料形成，例如 弹性体、橡胶、聚合物或热塑性材料。在一特定实施例中，密封元件22由95硬度的腈形成。 另外，密封元件22可以具有提供所需压缩、变形或"挤压"以与套管17的内壁表面形成密 封（图3)所要求或所必需的任何形状。如图2-图3所示，在一优选实施例中，密封元件22 形成为套筒的形状。
[0021] 在图2-图9的实施例中，密封元件内壁表面22由0形环构件27和垫圈构件29支 撑。〇形环构件27和垫圈构件29提供对密封元件22的支撑，并有利于在从下入位置（图 2)运动到安放位置（图3)期间使密封元件22远离心轴12的纵向轴线11径向向外膨胀， 以及在下入井中的同时沿着心轴外壁表面14提供密封。
[0022] 第一上隔离环32设置在心轴外壁表面14上的毗邻密封元件上端21并位于所述 密封元件上端的上方的位置处，第一下隔离环52设置在心轴外壁表面14上的毗邻密封元 件下端22并位于所述密封元件下端的下方的位置处。在图2-图9的实施例中，第一上隔 离环32和第一下隔离环52是相同的，将参照图7更详细地论述。但是，应当明白，第一上 隔离环32和第一下隔离环52不需要是相同的。也不要求两者被包括作为封隔元件系统20 的一部分。
[0023] 第二上隔离环34设置在心轴外壁表面14上的毗邻第一上隔离环32并位于第一 上隔离环上方的位置处，第二下隔离环54设置在心轴外壁表面14上的毗邻第一下隔离环 52并位于第一下隔离环下方的位置处。在图2-图9的实施例中，第二上隔离环34和第二 下隔离环54是相同的，将参照图8-图9更详细地论述。但是，应当明白，第二上隔离环34 和第二下隔离环54不需要是相同的。也不要求两者被包括作为封隔元件系统20的一部分。
[0024] 第三上隔离环36设置在心轴外壁表面14上并位于由第二上隔离环34限定的上 空腔35内。第三下隔离环56设置在心轴外壁表面14上并位于由第二下隔离环54限定的 下空腔55内。在图2-图9的实施例中，第三上隔离环36和第三下隔离环56是相同的。 但是，应当明白，第三上隔离环36和第三下隔离环56不需要是相同的。也不要求两者被 包括作为封隔元件系统20的一部分。第三上隔离环36和第三下隔离环56可以由金属形 成，并可以具有矩形横截面（图2-图3)。作为替换，第三上隔离环36和第三下隔离环56 可以具有任何其它形状或由任何其它材料形成，只要所述形状或材料是充分填充上空腔35 和下空腔55并对第二上隔离环34和第二下隔离环54提供足够支撑以有利于使密封元件 22从其下入位置（图2)运动到其安放位置（图3)所要求或所必需的。
[0025] 上网状环38设置在第二上隔离环外壁表面103上（图8-图9)。下网状环58设 置在第二下隔离环外壁表面103上（图8-图9)。如图2-图3所示，上网状环38和下网状 环58包括分别接纳第一上隔离环32和第一下隔离环52、第二上隔离环34和第二下隔离 环54的一部分、以及密封元件上端21和密封元件下端23的喇叭形侧壁。如图2-图3进 一步所示的，上网状环38和下网状环58还包括开口 84 (图6)，第二上隔离环34和第二下 隔离环54的一部分以及第三上隔离环36和第三下隔离环56分别设置在所述开口中。
[0026] 第一上瓣环40设置在心轴外壁表面14上的毗邻上网状环38并位于上网状环上 方的位置处。第一下瓣环60设置在心轴外壁表面14上的毗邻下网状环58并位于下网状 环下方的位置处。如图2-图5所示，第一上瓣环40和第一下瓣环60包括分别接纳部分第 一上网状环38和部分第一下网状环58的喇叭形侧壁。在图2-图9的实施例中，第一上瓣 环40和第一下瓣环60是相同的，将参照图4-图5更详细地论述。但是，应当明白，第一上 瓣环40和第一下瓣环60不需要是相同的。也不要求两者被包括作为封隔元件系统20的 一部分。
[0027] 第二上瓣环42设置在心轴外壁表面14上的毗邻第一上瓣环40并位于第一上瓣 环上方的位置处。第二下瓣环62设置在心轴外壁表面14上的毗邻第一下瓣环60并位于 第一下瓣环下方的位置处。如图2-图5所示，第二上瓣环42和第二下瓣环62包括分别接 纳部分第一上瓣环40和部分第一下瓣环60的喇叭形侧壁。在图2-图9的实施例中，第二 上瓣环42和第二下瓣环62是相同的，将参照图4-图5更详细地论述。但是，应当明白，第 二上瓣环42和第二下瓣环62不需要是相同的。也不要求两者被包括作为封隔元件系统20 的一部分。
[0028] 第三上瓣环44设置在心轴外壁表面14上的毗邻第二上瓣环42并位于第二上瓣 环上方的位置处。第三下瓣环64设置在心轴外壁表面14上的毗邻第二下瓣环62并位于 第二下瓣环下方的位置处。如图2-图5所示，第三上瓣环44和第三下瓣环64包括分别接 纳部分第二上瓣环42和部分第二下瓣环62的喇叭形侧壁。在图2-图9的实施例中，第三 上瓣环44和第三下瓣环64是相同的，将参照图4-图5更详细地论述。但是，应当明白，第 三上瓣环44和第三下瓣环64不需要是相同的。也不要求两者被包括作为封隔元件系统20 的一部分。
[0029] 第四上瓣环46设置在心轴外壁表面14上的毗邻第三上瓣环44并位于第三上瓣 环上方的位置处。第四下瓣环66设置在心轴外壁表面14上的毗邻第三下瓣环62并位于 第三下瓣环下方的位置处。如图2-图5所示，第四上瓣环46和第四下瓣环66包括分别接 纳部分第三上瓣环44和部分第三下瓣环64的喇叭形侧壁。在图2-图9的实施例中，第四 上瓣环46和第四下瓣环66是相同的，将参照图4-图5更详细地论述。但是，应当明白，第 四上瓣环46和第四下瓣环66不需要是相同的。也不要求两者被包括作为封隔元件系统20 的一部分。
[0030] 如图2-图3的实施例所示，第一、第二、第三和第四上瓣环40、42、44、46"嵌套" 或层叠在一起，由此使得第一上瓣环40设置在第二上瓣环42内部，第二上瓣环设置在第三 上瓣环44内部，第三上瓣环设置在第四上瓣环46内部。同样，在该实施例中，第一、第二、 第三和第四下瓣环60、62、64、66 "嵌套"或层叠在一起，由此使得第一下瓣环60设置在第 二下瓣环62内部，第二下瓣环设置在第三下瓣环64内部，第三下瓣环设置在第四下瓣环66 内部。
[0031] 现在参照图4-图5,更详细地描述第一、第二、第三、第四上瓣环40、42、44、46以 及第一、第二、第三、第四下瓣环60、62、64、66。在在此公开的封隔元件系统20的各个实施 例中，第一、第二、第三、第四上瓣环40、42、44、46以及第一、第二、第三、第四下瓣环60、62、 64、66中的一个或多个之间的区别（如果有的话）在于每个瓣环的尺寸。
[0032] 第一、第二、第三、第四上瓣环40、42、44、46以及第一、第二、第三、第四下瓣环60、 62、64、66包括上端71、下端72和侧壁或侧壁表面73。侧壁73从上端71到下端72以角度 76向外扩张，使得下端72中的开口比上端71中设置的开口 74大。角度76处于从大约13 度到大约15度的范围内，开口 74的直径大体上等于心轴12的外径。
[0033] 上端71包括上端表面79。在图2-图9的特定实施例中，上端表面79相对于开口 74成角度，使得在第一、第二、第三、第四上瓣环40、42、44、46以及第一、第二、第三、第四下 瓣环60、62、64、66设置在心轴外壁表面14上时，上端表面79大体上垂直于心轴12的纵向 轴线11。
[0034] 侧壁表面73中设置有一个或多个狭槽75。每个狭槽75具有从大约0. 050英寸到 大约0.070英寸的范围内的宽度。每个狭槽75设置成与相邻的狭槽75成角度77。角度 77处于从大约35度到大约55度的范围内。在井下工具为5英寸桥塞的情况下，高度70处 于从大约0. 065英寸到大约1. 300英寸的范围内。
[0035] 在一个特定实施例中，第一、第二、第三和第四上瓣环40、42、44、46具有的尺寸使 得，当嵌套或层叠在一起时，上网状环38的一部分没有被第一上瓣环40覆盖，第一上瓣环 40的一部分没有被第二上瓣环42覆盖，第二上瓣环42的一部分没有被第三上瓣环44覆 盖，第三上瓣环44的一部分没有被第四上瓣环46覆盖（图2)。同样，在某些实施例中，第 一、第二、第三和第四下瓣环60、62、64、66具有的尺寸使得，当嵌套或层叠在一起时，下网 状环58的一部分没有被第一下瓣环60覆盖，第一下瓣环60的一部分没有被第二下瓣环62 覆盖，第二下瓣环62的一部分没有被第三下瓣环64覆盖，第三下瓣环64的一部分没有被 第四下瓣环66覆盖（图2)。
[0036] 在另一个特定实施例中，第一、第二、第三和第四上瓣环40、42、44、46中的一个或 多个相对于彼此设置成使得每个上瓣环的相应的狭槽75被转位成一个上瓣环的狭槽不与 紧邻的上瓣环的狭槽对齐。在一个特定实施例中，每个上瓣环的狭槽在从大约20度到大约 90度的范围内被转位。在另一个特定实施例中，每个上瓣环的狭槽在从大约20度到大约 50度的范围内被转位。在一个特定实施例中，每个上瓣环的狭槽相对于随后的上瓣环被转 位22. 5度。
[0037] 在其它实施例中，第一、第二、第三、第四下瓣环60、62、64、66以与第一、第二、第 三、第四上瓣环40、42、44、46相同的方式转位。在另外的其它实施例中，所有的第一、第二、 第三、第四上瓣环40、42、44、46以及第一、第二、第三、第四下瓣环60、62、64、66都以这种方 式转位。
[0038] 第一、第二、第三、第四上瓣环40、42、44、46以及第一、第二、第三、第四下瓣环60、 62、64、66可以由用以在密封元件22从下入位置（图2)到安放位置（图3)运动的过程中 为密封元件22提供足够的支撑并且有利于与套管17的内壁表面形成合适的密封的、已知 或所希望的任何材料形成。在一个特定实施例中，第一、第二、第三、第四上瓣环40、42、44、 46以及第一、第二、第三、第四下瓣环60、62、64、66由诸如钢或钛的金属形成。
[0039] 现在参见图6,更详细地描述上网状环38和下网状环58。在此公开的封隔元件系 统20的各个实施例中，上网状环38和下网状环58之间的区别（如果有）在于各个网状环 的尺寸。
[0040] 上网状环38和下网状环58包括上端81、下端82和侧壁或侧壁表面83。侧壁83 从上端81到下端82以角度89向外扩张，使得下端82中的开口比设置在上端81中的开口 84大。角度89处于从大约13度到大约15度的范围内，开口 84的直径大体上等于心轴12 的外径。
[0041] 上端81包括上端表面80。在图2-图9的特定实施例中，上端表面80相对于开口 84成角度，使得当上网状环38和下网状环58设置在心轴外壁表面14上时，上端表面80大 体上垂直于心轴12的纵向轴线11。
[0042] 下端82包括斜面85,斜面85以下端82上方的高度87以及角度86设置。角度 86处于从大约35度到大约55度的范围内，高度87处于从大约0. 040英寸到大约0. 060 英寸的范围内。在井下工具为5英寸桥塞的情况下，高度88处于从大约1. 500英寸到大约 1.7500英寸的范围内。
[0043] 上网状环38和下网状环58可以由能够在密封元件22从下入位置（图2)到安放 位置（图3)运动的过程中为密封元件22提供足够的支撑并且有利于与套管17的内壁表 面形成适合的密封的、已知的或所希望的任何材料形成。在一个特定实施例中，上网状环38 和下网状环58由例如钢或钛的金属网形成。
[0044] 现在参照图7,更详细地描述第一上隔离环32和第一下隔离环52。在在此公开的 封隔元件系统20的各个实施例中，第一上隔离环32和第一下隔离环52之间的区别（如果 有）在于各个第一隔离环的尺寸。
[0045] 第一上隔离环32和第一下隔离环52包括上端91、下端92和侧壁或侧壁表面93。 上端91与下端92之间的高度95处于从大约0. 150英寸到大约0. 250英寸的范围内。
[0046] 侧壁93的轮廊设计成具有朝向上端91的上倾斜部分并且具有下倾斜部分96。下 倾斜部分96相对于第一上隔离环32和第一下隔离环52的内壁表面成角度99。角度99处 于从大约13度到大约15度的范围内。
[0047] 下端92的轮廊设计成包括一平的部分和一倾斜部分，所述平的部分与侧壁表面 93相交，所述倾斜部分连接与侧壁表面93相交的平的部分，所述倾斜部分带有与第一上隔 离环32和第一下隔离环52的内壁表面相交的第二平的部分。该第二平的部分的宽度处于 从大约0. 050英寸到大约0. 070英寸的范围内。从下端92的第二平的部分到下端92的第 一平的部分测量的下倾斜部分的深度97处于从大约0. 065英寸到大约0. 085英寸的范围 内。
[0048] 开口 94由内壁表面限定，并包括朝着上端91倾斜的部分。开口 94的直径大体上 与心轴12的外径相同。上端91包括上端表面90。在图2-图9的特定实施例中，上端表 面90相对于开口 94成角度，使得当第一上隔离环32和第一下隔离环52设置在心轴外壁 表面14上时，上端表面90大体上垂直于心轴12的纵向轴线11。
[0049] 第一上隔离环32和第一下隔离环52可以由能在密封元件22从下入位置（图2) 到安放位置（图3)运动的过程中为密封元件22提供足够的支撑并且有利于与套管17的 内壁表面形成适合的密封的、已知的或所希望的任何材料形成。在一个特定实施例中，第一 上隔离环32和第一下隔离环52由弹性体或聚合材料形成，例如聚四氟乙烯（"PTFE"）。
[0050] 现在参照图8-图9,更加详细描述第二上隔离环34和第二下隔离环54。在在此 公开的封隔元件系统20的各个实施例中，第二上隔离环34和第二下隔离环54之间的区别 (如果有）在于各个第二隔离环的尺寸。
[0051] 第二上隔离环34和第二下隔离环54包括上端101、下端102、外壁表面103和内 壁表面104,所述内壁表面104限定开口，所述心轴12设置成穿过该开口。开口的直径大体 上与心轴12的外径相同。从上端101到下端102的高度110处于从大约0. 200英寸到大 约0. 240英寸的范围内。
[0052] 当心轴12设置在由内壁表面104限定的开口内时，外壁表面103和内壁表面104 的轮廓设计成限定空腔35、55 (图2-图3)。外壁表面103与内壁表面104之间的厚度106 处于从大约0. 090英寸到大约0. 110英寸的范围内。
[0053] 外壁表面103包括上部部分和倾斜的下部部分，所述上部部分具有处于从大约 0. 100英寸到大约0. 1300英寸的范围内的高度108,所述倾斜的下部部分将所述上部部分 与下端102相连。外壁表面103的倾斜的下部部分相对于外壁表面103的上部部分成角度 109设置。角度109处于从大约35度到大约55度的范围内。
[0054] 内壁表面104包括：上部部分，其平行于外壁表面103的上部部分；倾斜部分，其 平行于外壁表面104的倾斜部分；和连接部分，其大体上平行于内壁表面104的上部部分， 在图2-图9的实施例中，所述连接部分接合或接触心轴外壁表面14。如图2、3、8和9所 示，内壁表面104的倾斜部分将内壁表面104的上部部分与内壁表面104的连接部分相连， 内壁表面104的连接部分将下端102与内壁表面104的倾斜部分相连。内壁表面104的上 部部分的高度107处于从大约0. 080英寸到大约0. 110英寸的范围内。
[0055] 内壁表面104的连接部分相对于内壁表面104的倾斜部分成角度111设置。角度 111处于从大约35度到大约45度的范围内，这样，当第三上隔离环34和第三下隔离环54 设置在心轴外壁表面14上时，连接部分大体上平行于心轴12的纵向轴线11。
[0056] 第二上隔离环34和第二下隔离环54可以由能在密封元件22从下入位置（图2) 到安放位置（图3)运动的过程中为密封元件22提供足够的支撑并且有利于与套管17的 内壁表面形成适合的密封的、已知的或所希望的任何材料形成。在一个特定实施例中，第二 上隔离环34和第二下隔离环54由弹性体或聚合材料形成，例如聚醚醚酮（"PEEK"）。
[0057] 上支撑构件18和下支撑构件19可以具有传递最外面的金属瓣环46、66上的轴向 载荷所要求或所必需的任何形状。如图2-图3所示，上支撑构件18和下支撑构件19二者 都为锥形。在其它实施例中，上支撑构件18或下支撑构件19中只有一个为锥形。在其它 实施例中，上支撑构件18和/或下支撑构件19中的一个或两个具有矩形横截面。在又一 另外的实施例中，上支撑构件18或下支撑构件19中的一个为矩形，上支撑构件18或下支 撑构件19中的另一个为活塞状的套筒。
[0058] 在一个特定实施例中，上支撑构件18和下支撑构件19能够沿着心轴12的外壁表 面14相对于彼此滑动。在另一个特定实施例中，上支撑构件18或下支撑构件19中的一个 抵抗运动固定到心轴12上。在又一另外的实施例中，上支撑构件18和下支撑构件19两者 都是静止不动的。
[0059] 上支撑构件18和下支撑构件19是由本领域普通技术人员已知的任何材料制成的 刚性构件，包括但不限于玻璃、碳加强酚醛树脂或诸如钢的金属。在仅在一个方向上施加轴 向载荷的实施例中，上支撑构件18或下支撑构件19中的一个可以由不比用于形成直接接 纳轴向载荷的锥体的材料坚固的材料形成。
[0060] 运行时，在封隔元件系统20设置在井眼中期望深度和位置之后，以与本领域普通 技术人员已知的任何其它封隔器或封隔元件系统相同的方式对封隔元件系统20进行致 动，例如通过对上支撑构件18轴向地施加沿着图2-图3中的向下方向的力同时使下支撑 构件19静止不动。也可以沿相反的方向对下支撑构件19施加这种轴向载荷同时使上支撑 构件18静止不动，或者沿着两个方向对上支撑构件18和下支撑构件19二者都施加这种轴 向载荷同时上支撑构件18和下支撑构件19都不是静止不动。作为替代，可以对心轴12施 加径向力，以径向膨胀心轴12,从而在静止不动的上支撑构件18和下支撑构件19之间压缩 上、下瓣环40、42、44、46、60、62、64、66、网格支承环38、58并从而压缩密封元件22。
[0061] 在致动期间，不管封隔元件系统20如何致动，密封元件22都从心轴12的纵向轴 线11径向向外运动。这样一来，上网状环38和下网状环58的下端82朝着套管17的内壁 表面向外旋转。同样，上瓣环或下瓣环40、42、44、46、60、62、64、66中的一个或多个的下端 72也可以朝着套管17的内壁表面向外旋转。在某些实施例中，上网状环38或下网状环58 中的一个或两个下端83与套管17的内壁表面接合以便于形成密封。在又一其它实施例中， 上瓣环或下瓣环40、42、44、46、60、62、64、66中的一个或多个下端72与套管17的内壁表面 接合以便于形成密封。
[0062] 应当明白，本发明不局限于已显示和描述的构造、操作、精确材料或实施例的精确 细节，正如改变和等同对本领域技术人员来说是显而易见的。例如，形成部件的材料以及 各个部件的尺寸根据对目标环境实现最好的密封的要求或需要进行改变。此外，不要求图 2_图9的实施例描述的所有部件都提供对套管17的内壁表面的适合的密封。也不要求在 密封元件的上端和下端二者上包括相同的部件。相反，密封元件的上端上的部件在数量、尺 寸或顺序上可以与密封元件的下端上的部件不同。
[0063] 进一步地，应当明白，在此所使用的术语"井眼"包括裸孔式井眼、带套管的井眼或 任何其它类型的井眼。另外，使用的术语"井"应当理解为与"井眼"具有相同的含义。此 夕卜，在此所论述的所有实施例中，向上、朝着井（未显示）的地面是朝着图的顶部，向下或井 下（从井的地面远离的方向）是朝着图的底部。但是，应当理解，工具可以使其位置沿着任 一方向旋转任意角度。因此，可以在本领域普通技术人员能容易地确定和适应的任何数量 的方向中使用工具。另外，具有仅一个或多个"上"部件或者具有仅一个或多个"下"部件 的实施例不看作是需要这个/这些部件靠近井地面（就使用"上"的情况来说）或远离井 地面（就使用"下"的情况来说）。所以，本发明仅仅由附带的权利要求书的范围限定。
【权利要求】
1. 一种用于井下工具的封隔元件系统，包括： 具有心轴外壁表面的心轴； 刚性上支撑构件，其与心轴外壁表面操作性地相联； 刚性下支撑构件，其与心轴操作性地相联并位于上支撑构件下方； 密封元件，其与心轴外壁表面操作性地相联并位于上支撑构件和下支撑构件之间，所 述密封元件具有密封元件上端、密封元件下端、密封元件外壁表面和密封元件内壁表面； 第一上隔离环，其与心轴外壁表面操作性地相联并且毗邻密封元件的上端并位于密封 元件的上端的上方； 第二上隔离环，其与心轴外壁表面操作性地相联并且毗邻第一上隔离环并位于第一上 隔离环的上方，第二上隔离环具有第二上隔离环内壁表面、第二上隔离环外壁表面、第二上 隔离环上端和第二上隔离环下端， 第二上隔离环内壁表面的第一部分与心轴外壁表面操作性地相联，并且 第二上隔离环内壁表面的第二部分与心轴外壁表面限定第一上空腔； 第三上隔离环，其与心轴外壁表面操作性地相联，所述第三上隔离环设置在第一上空 腔内； 上网状环，其部分地设置在第二上隔离环外壁表面上并且部分地设置在密封元件外 壁表面上，所述上网状环具有上网状环上端和上网状环下端，所述上网状环上端具有限定 上网状环上端开口的上网状环上端表面，所述上网状环上端开口具有上网状环上端开口直 径，以及 上网状环侧壁表面，所述上网状环侧壁表面将上网状环上端与上网状环下端相连并限 定具有上网状环下开口直径的上网状环下开口，上网状环下开口直径大于上网状环上开口 直径；和 第一上瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置在上网状环侧壁表面 上，所述第一上瓣环具有第一上瓣环上端和第一上瓣环下端，所述第一上瓣环上端具有限 定第一上瓣环上端开口的第一上瓣环上端表面，所述第一上瓣环上端开口具有第一上瓣环 上端开口直径，和 第一上瓣环侧壁表面，所述第一上瓣环侧壁表面将第一上瓣环上端与第一上瓣环下端 相连，并限定具有第一上瓣环下开口直径的第一上瓣环下开口，第一上瓣环下开口直径大 于第一上瓣环上开口直径，第一上瓣环侧壁表面具有设置在该第一上瓣环侧壁表面中的至 少一个第一上瓣侧壁狭槽。
2. 如权利要求1所述的封隔元件，还包括： 第二上瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置第一上瓣环侧壁表面 上，所述第二上瓣环具有第二上瓣环上端和第二上瓣环下端，所述第二上瓣环上端具有限 定第二上瓣环上端开口的第二上瓣环上端表面，所述第二上瓣环上端开口具有第二上瓣环 上端开口直径，和 第二上瓣环侧壁表面，所述第二上瓣环侧壁表面将第二上瓣环上端与第二上瓣环下端 相连并限定具有第二上瓣环下开口直径的第二上瓣环下开口，第二上瓣环下开口直径大于 第二上瓣环上开口直径，第二上瓣环侧壁表面具有设置在该第二上瓣环侧壁表面中的至少 一个第二上瓣侧壁狭槽。
3. 如权利要求2所述的封隔元件系统，还包括： 第三上瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置第二上瓣环侧壁表面 上，所述第三上瓣环具有第三上瓣环上端和第三上瓣环下端，所述第三上瓣环上端具有限 定第三上瓣环上端开口的第三上瓣环上端表面，所述第三上瓣环上端开口具有第三上瓣环 上端开口直径，和 第三上瓣环侧壁表面，所述第三上瓣环侧壁表面将第三上瓣环上端与第三上瓣环下端 相连并限定具有第三上瓣环下开口直径的第三上瓣环下开口，第三上瓣环下开口直径大于 第三上瓣环上开口直径，第三上瓣环侧壁表面具有设置在所述第三上瓣环侧壁表面中的至 少一个第三上瓣侧壁狭槽。
4. 如权利要求3所述的封隔元件系统，还包括： 第四上瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置第三上瓣环侧壁表面 上，所述第四上瓣环具有第四上瓣环上端和第四上瓣环下端，所述第四上瓣环上端具有限 定第四上瓣环上端开口的第四上瓣环上端表面，所述第四上瓣环上端开口具有第四上瓣环 上端开口直径，和 第四上瓣环侧壁表面，所述第四上瓣环侧壁表面将第四上瓣环上端与第四上瓣环下端 相连并限定具有第四上瓣环下开口直径的第四上瓣环下开口，第四上瓣环下开口直径大于 第四上瓣环上开口直径，第四上瓣环侧壁表面具有设置在该第四上瓣环侧壁表面中的至少 一个第四上瓣侧壁狭槽。
5. 如权利要求4所述的封隔元件系统，其中，金属制的第二上瓣环、金属制的第三上瓣 环和金属制的第四上瓣环相对于彼此设置，其中 金属制的第三上瓣环侧壁表面的一部分没有被金属制的第四上瓣环侧壁表面覆盖，和 金属制的第二上瓣环侧壁表面的一部分没有被金属制的第三上瓣环侧壁表面覆盖。
6. 如权利要求4所述的封隔元件系统，其中，金属制的第一瓣环的一个或多个狭槽相 对于金属制的第二瓣环的一个或多个狭槽转位大约22. 5度。
7. 如权利要求1所述的封隔元件，其中，上网状环和金属制的第一上瓣环相对于彼此 设置，其中，上网状环侧壁表面的一部分没有被金属制的第一上瓣环覆盖。
8. 如权利要求1所述的封隔元件系统，还包括： 第一下隔离环，其设置在心轴外壁表面上并且毗邻密封元件的下端并位于密封元件的 下端的下方； 第二下隔离环，其与心轴外壁表面操作性地相联并且毗邻第一下隔离环并位于第一下 隔离环的下方，第二下隔离环具有第二下隔离环内壁表面、第二下隔离环外壁表面、第二下 隔离环上端和第二下隔离环下端， 第二下隔离环内壁表面的第一部分与心轴外壁表面操作性地相联，和 第二下隔离环内壁表面的第二部分与心轴外壁表面限定第一下空腔； 设置在心轴外壁表面上的第三下隔离环，所述第三下隔离环设置在第一下空腔内； 下网状环，其部分地设置在第一下隔离环外壁表面上并且部分地设置在密封元件外 壁表面上，所述下网状环具有下网状环上端和下网状环下端，所述下网状环上端具有限定 下网状环上端开口的下网状环上端表面，所述下网状环上端开口具有下网状环上端开口直 径，和 下网状环侧壁表面，所述下网状环侧壁表面将下网状环上端与下网状环下端相连并限 定具有下网状环下开口直径的下网状环下开口，下网状环下开口直径大于下网状环上开口 直径；和 第一下瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置下网状环侧壁表面上， 所述第一下瓣环具有第一下瓣环上端和第一下瓣环下端，所述第一下瓣环上端具有限定第 一下瓣环上端开口的第一下瓣环上端表面，所述第一下瓣环上端开口具有第一下瓣环上端 开口直径，和 第一下瓣环侧壁表面，所述第一下瓣环侧壁表面将第一下瓣环上端与第一下瓣环下端 相连并限定具有第一下瓣环下开口直径的第一下瓣环下开口，第一下瓣环下开口直径大于 第一下瓣环上开口直径，第一下瓣环侧壁表面具有设置在该第一下瓣环侧壁表面中的至少 一个第一下瓣侧壁狭槽。
9. 如权利要求8所述的封隔元件系统，其中，上网状环上端表面设置成大体上垂直于 心轴的纵向轴线。
10. 如权利要求9所述的封隔元件系统，其中，第一上瓣环上端表面、第二上瓣环上端 表面、第三上瓣环上端表面和第四上瓣环上端表面中的每个均大体上垂直于心轴的纵向轴 线设置。
11. 如权利要求10所述的封隔元件系统，其中，下网状环上端表面设置成大体上垂直 于心轴的纵向轴线。
12. 如权利要求11所述的封隔元件系统，其中，第一下瓣环上端表面、第二下瓣环上端 表面、第三下瓣环上端表面和第四下瓣环上端表面中的每个均大体上垂直于心轴的纵向轴 线设置。
13. 如权利要求8所述的封隔元件系统，还包括： 第二上瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置第一上瓣环侧壁表面 上，所述第二上瓣环具有第二上瓣环上端和第二上瓣环下端，所述第二上瓣环上端具有限 定第二上瓣环上端开口的第二上瓣环上端表面，所述第二上瓣环上端开口具有第二上瓣环 上端开口直径，和 第二上瓣环侧壁表面，所述第二上瓣环侧壁表面将第二上瓣环上端与第二上瓣环下端 相连并限定具有第二上瓣环下开口直径的第二上瓣环下开口，第二上瓣环下开口直径大于 第二上瓣环上开口直径，第二上瓣环侧壁表面具有设置在该第二上瓣环侧壁表面中的至少 一个第二上瓣侧壁狭槽；和 第二下瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置第一下瓣环侧壁表面 上，所述第二下瓣环具有第二下瓣环上端和第二下瓣环下端，所述第二下瓣环上端具有限 定第二下瓣环上端开口的第二下瓣环上端表面，所述第二下瓣环上端开口具有第二下瓣环 上端开口直径，和 第二下瓣环侧壁表面，所述第二下瓣环侧壁表面将第二下瓣环上端与第二下瓣环下端 相连，并限定具有第二下瓣环下开口直径的第二下瓣环下开口，第二下瓣环下开口直径大 于第二下瓣环上开口直径，第二下瓣环侧壁表面具有设置在该第二下瓣环侧壁表面中的至 少一个第二下瓣侧壁狭槽。
14. 如权利要求13所述的封隔元件系统，还包括： 第三上瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置第二上瓣环侧壁表面 上，所述第三上瓣环具有第三上瓣环上端和第三上瓣环下端，所述第三上瓣环上端具有限 定第三上瓣环上端开口的第三上瓣环上端表面，所述第三上瓣环上端开口具有第三上瓣环 上端开口直径，和 第三上瓣环侧壁表面，所述第三上瓣环侧壁表面将第三上瓣环上端与第三上瓣环下端 相连并限定具有第三上瓣环下开口直径的第三上瓣环下开口，第三上瓣环下开口直径大于 第三上瓣环上开口直径，第三上瓣环侧壁表面具有设置在第三上瓣环侧壁表面中的至少一 个第三上瓣侧壁狭槽；和 第三下瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置第二下瓣环侧壁表面 上，所述第三下瓣环具有第三下瓣环上端和第三下瓣环下端，所述第三下瓣环上端具有限 定第三下瓣环上端开口的第三下瓣环上端表面，所述第三下瓣环上端开口具有第三下瓣环 上端开口直径，和 第三下瓣环侧壁表面，所述第三下瓣环侧壁表面将第三下瓣环上端与第三下瓣环下端 相连并限定具有第三下瓣环下开口直径的第三下瓣环下开口，第三下瓣环下开口直径大于 第三下瓣环上开口直径，第三下瓣环侧壁表面具有设置在第三下瓣环侧壁表面中的至少一 个第三下瓣侧壁狭槽。
15. 如权利要求14所述的封隔元件系统，还包括： 第四上瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上并且部分地设置第三上瓣环侧壁表面 上，所述第四上瓣环具有第四上瓣环上端和第四上瓣环下端，所述第四上瓣环上端具有限 定第四上瓣环上端开口的第四上瓣环上端表面，所述第四上瓣环上端开口具有第四上瓣环 上端开口直径，和 第四上瓣环侧壁表面，所述第四上瓣环侧壁表面将第四上瓣环上端与第四上瓣环下端 相连并限定具有第四上瓣环下开口直径的第四上瓣环下开口，第四上瓣环下开口直径大于 第四上瓣环上开口直径，第四上瓣环侧壁表面具有设置在所述第四上瓣环侧壁表面中的至 少一个第四上瓣侧壁狭槽；和 第四下瓣环，其部分地设置在心轴外壁表面上，并且部分地设置第三下瓣环侧壁表面 上，所述第四下瓣环具有第四下瓣环上端和第四下瓣环下端，所述第四下瓣环上端具有限 定第四下瓣环上端开口的第四下瓣环上端表面，所述第四下瓣环上端开口具有第四下瓣环 上端开口直径，和 第四下瓣环侧壁表面，所述第四下瓣环侧壁表面将第四下瓣环上端与第四下瓣环下端 相连并限定具有第四下瓣环下开口直径的第四下瓣环下开口，第四下瓣环下开口直径大于 第四下瓣环上开口直径，第四下瓣环侧壁表面具有设置在所述第四下瓣环侧壁表面中的至 少一个第四下瓣侧壁狭槽。
16. -种用于井下工具的封隔元件系统，包括： 具有心轴外壁表面的心轴； 与心轴外壁表面操作性地相联的刚性上支撑构件； 与心轴操作性地相联并位于上支撑构件下方的刚性下支撑构件； 与心轴外壁表面操作性地相联并位于上支撑构件和下支撑构件之间的密封元件； 上网状环，所述上网状环包括上网状环侧壁，所述上网状环侧壁向下扩张，用于接纳上 网状环内的密封元件的上端部部分； 下网状环，所述下网状环包括下网状环侧壁，所述下网状环侧壁向上扩张，用于接纳下 网状环内的密封元件的下端部部分； 具有上瓣环侧壁和至少一个上瓣环狭槽的至少一个上瓣环，所述上瓣环侧壁向下扩 张，用于接纳上网状环的一部分； 具有下瓣环侧壁和至少一下瓣环狭槽的至少一个下瓣环，所述下瓣环侧壁向上扩张， 用于接纳下网状环的一部分； 设置在心轴外壁表面上并位于密封元件的上部部分与上网状环之间的第一上隔离 环； 设置在心轴外壁表面上并位于第一上隔离环与上网状环之间的第二上隔离环，第二上 隔离环包括第二上隔离环内壁表面，第二上隔离环内壁表面和心轴外壁表面限定上空腔； 设置在心轴外壁表面上的第三上隔离环，第三上隔离环设置在上空腔内； 设置在心轴外壁表面上并位于密封元件的下部部分与下网状环之间的第一下隔离 环； 设置在心轴外壁表面上并位于第一下隔离环与下网状环之间的第二下隔离环，第二下 隔离环包括第二下隔离环内壁表面，第二下隔离环内壁表面和心轴外壁表面限定下空腔； 和 设置在心轴外壁表面上的第三下隔离环，第三下隔离环设置在下空腔内。
17. 如权利要求16所述的封隔元件系统，其中，四个上瓣环嵌套在一起，并且四个下瓣 环嵌套在一起。
18. -种密封井眼的方法，该方法包括下列步骤： (a) 将管柱下入井眼中，所述管柱具有封隔元件系统，所述封隔元件系统具有： 具有心轴外壁表面的心轴， 与心轴外壁表面操作性地相联的刚性上支撑构件， 与心轴操作性地相联并位于上支撑构件下方的刚性下支撑构件， 与心轴外壁表面操作性地相联并位于上支撑构件和下支撑构件之间的密封元件， 上网状环，所述上网状环包括上网状环侧壁，所述上网状环侧壁向下扩张，用于接纳上 网状环内的密封元件的上端部部分； 具有上瓣环侧壁和至少一个上瓣环狭槽的至少一个上瓣环，所述上瓣环侧壁向下扩 张，用于接纳上网状环的一部分， 设置在心轴外壁表面上并位于密封元件的上部部分与上网状环之间的第一上隔离环， 设置在心轴外壁表面上并位于第一上隔离环与上网状环之间的第二上隔离环，第二上 隔离环包括第二上隔离环内壁表面，第二上隔离环内壁表面和心轴外壁表面限定上空腔， 和 设置在心轴外壁表面上的第三上隔离环，第三上隔离环设置在上空腔内；和 (b) 对心轴施加载荷，以迫使第一上隔离环进入密封元件中，从而导致密封元件从芯轴 的纵向轴线径向向外运动至与井眼的内壁表面密封接合，以及导致上网状环的一部分从心 轴的纵向轴线径向向外旋转。
19. 如权利要求18所述的方法，其中，在沿着心轴的纵向长度的第一方向上轴向施加 载荷。
20. 如权利要求19所述的方法，其中，还在沿着心轴的纵向长度的第二方向上轴向施 加载荷。
21. 如权利要求18所述的方法，其中，沿着心轴的纵向长度径向施加载荷。
【文档编号】E21B23/06GK104302868SQ201380025174
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月9日 优先权日:2012年5月15日
【发明者】D·S·比肖普, A·C·鲁弗, D·J·雷尔 申请人:贝克休斯公司