具有安全金属套筒的环形屏障的制作方法

本发明涉及待在位于井管结构和井下井眼的内壁之间的环形空间中膨胀以在井眼的第一区域和第二区域之间提供区域隔离的环形屏障。

背景技术：

在井眼中，环形屏障用于不同的目的，诸如用于提供隔离屏障。环形屏障具有作为井管结构诸如生产套管的一部分安装的管部，该管部由环形可膨胀套筒围绕。该可膨胀套筒通常由弹性体材料或金属制成。所述套筒在其端部被紧固到环形屏障的该管部。

为了密封位于井管结构和井眼之间或者位于内管结构和外管结构之间的区域，使用第二环形屏障。第一环形屏障在待密封区域的一侧膨胀，第二环形屏障在该区域的另一侧膨胀，由此使该区域被密封。

井的压力包络由用在井结构内的管件和井硬件等的爆裂等级来控制。在一些情况下，可通过增加井内的压力来使环形屏障的可膨胀套筒膨胀，这是使所述套筒膨胀的成本效益最好的方式。

通过增加井内的压力使可膨胀套筒膨胀需要高的膨胀压力。使用这样的高膨胀压力会向可膨胀套筒施加大的应力，并且所述可膨胀套筒在膨胀过程中可能会破裂。可膨胀套筒的破裂是非常不期望的，因为井套筒的外部、即井眼环境变得与井套管的内部流体连接，从而使含有很少油的流体例如钻井泥浆污染生产流体例如原油。

膨胀的环形屏障可承受来自外部的连续压力或周期性高压力，所述压力或者呈在井环境中的液压的形式，或者呈地层压力的形式。在一些情况下，这样的压力会导致环形屏障坍塌，这会对待由屏障密封的区域造成影响，因为由于坍塌会造成密封性能丧失。因此，环形屏障设计成能承受大的压力以避免坍塌。环形屏障的可膨胀套筒承受所述坍塌压力的能力称为坍塌等级。

环形屏障的可膨胀套筒在环形屏障的膨胀过程中承受膨胀压力和在环形屏障的可容易地超过20年的使用寿命期间承受坍塌压力的能力因此受到很多因素的影响，这些因素诸如材料强度、壁厚、暴露在坍塌压力下的表面积、温度、井流体等。为了增加防止环形屏障破裂和坍塌的抵抗力，可膨胀套筒因此通常制得较厚并且甚至用支撑件支撑以避免坍塌。然而，由于材料的不规则导致在可膨胀套筒上形成“薄弱区”，通常发生可膨胀套筒的破裂，并且因此甚至由井内的可用膨胀压力膨胀的最结实的可膨胀套筒也会由于这些“薄弱区”而破裂。至少在生产大量用于石油生产行业的环形屏障的规模化生产设施中，即使使用现代高标准合成技术，生产没有任何“薄弱区”的“完美的”可膨胀套筒实际上也是不可能的。

因此期望提供一种方案，其中环形屏障如此改进，使得其在膨胀过程中不会破裂或者膨胀时不会坍塌，而无需将可膨胀套筒的厚度增加到使得可膨胀套筒不能被井中的可用膨胀压力充胀的水平。

技术实现要素：

本发明的目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更具体地，目的是提供一种改进的环形屏障技术方案，其在膨胀过程中不会破裂，同时仍保持所需的坍塌等级。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的技术方案来实现，即通过一种待在位于井管结构和井下井眼的内壁之间的环形空间中膨胀以在井眼的第一区域和第二区域之间提供区域隔离的环形屏障来实现，该环形屏障包括：

-作为所述井管结构的一部分安装的管部；

-围绕该管部并具有面向该管部的内表面和面向该井眼的内壁的外表面的可膨胀金属套筒，该可膨胀金属套筒的每一端与同所述管部连接的连接部相连接；

-位于该可膨胀金属套筒的内表面和该管部之间的空间；和

-在该管部中的膨胀开口，流体可通过该膨胀开口进入所述空间以使所述可膨胀金属套筒膨胀；

其中该环形屏障还包括围绕该管部和抵接该可膨胀金属套筒的第一安全金属套筒，所述第一安全金属套筒具有抵接该可膨胀金属套筒的表面的第一内表面，该第一安全金属套筒的每一端与同所述管部连接的所述连接部相连接。

在一个实施例中，所述套筒具有长度，并且该第一安全金属套筒的第一表面可沿着可膨胀金属套筒的整个长度抵接所述可膨胀金属套筒的表面。

此外，第一安全金属套筒可具有抵接该可膨胀金属套筒的外表面的第一内表面。

如上所述的环形屏障还可包括围绕管部、可膨胀金属套筒的第二安全金属套筒，所述第二安全金属套筒具有面向所述安全金属套筒的第二内表面，所述第二安全金属套筒的每一端与同该管部连接的连接部相连接。

另外，如上所述的环形屏障可包括第三安全金属套筒，所述第三安全金属套筒具有面向该第二安全金属套筒的第二外表面的第三内表面，该第三安全金属套筒的每一端与同该管部连接的连接部相连接。

而且，如上所述的环形屏障可包括多个附加的安全金属套筒，所述多个附加的安全金属套筒围绕该管部和作为所述第一和第二安全金属套筒的安全金属套筒，并且与同该管部连接的连接部相连接。

此外，可膨胀金属套筒和安全金属套筒可具有不同的所需膨胀压力，即膨胀一个套筒所需的压力在套筒间可以是不同的。

另外，可膨胀金属套筒和安全金属套筒可由不同的材料制成。

所述套筒可具有厚度，并且可膨胀金属套筒的厚度可大于安全金属套筒的厚度。

此外，所述套筒可具有厚度，第一安全金属套筒的厚度小于可膨胀金属套筒的厚度且大于第二安全套筒的厚度。

此外，所述套筒具有厚度，第一安全金属套筒的厚度小于可膨胀金属套筒的厚度且小于第二安全套筒的厚度。

另外，安全金属套筒与可膨胀金属套筒相比可具有较高的延展性。

可膨胀金属套筒与安全金属套筒相比可具有较高的屈服强度。

更具体地，可膨胀金属套筒的厚度可比安全金属套筒的厚度大至少10％，优选比安全金属套筒的厚度大至少15％，更优选比安全金属套筒的厚度大至少20％。

在一个实施例中，第一安全金属套筒可由延伸率(elongation)比可膨胀金属套筒的材料的延伸率大10％的材料制成。

此外，所述安全金属套筒中的一个可由比可膨胀金属套筒的材料更有延展性的材料制成。

所述可膨胀金属套筒的长度可在环形屏障的未膨胀状态下基本等于第一和第二套筒的长度。

另外，可膨胀金属套筒可由屈服强度高于该第一和/或第二安全金属套筒的材料的屈服强度的材料制成。

另外，可膨胀金属套筒可由屈服强度比第一和/或第二套筒的材料的屈服强度高至少10％，优选比第一和/或第二套筒的材料的屈服强度高至少15％且更优选高至少20％的材料制成。

此外，可膨胀金属套筒可具有未膨胀外直径和膨胀外直径，该可膨胀金属套筒的膨胀直径比未膨胀直径大至少10％，优选比未膨胀直径大至少15％，更优选比未膨胀直径大至少30％。

所述第二套筒可具有限制至少所述第二安全套筒的自由膨胀的周向元件。

在一个实施例中，围绕最外部的安全套筒的附加密封元件可包括布置在最外部的安全金属套筒和密封元件套筒之间的弹性体、橡胶或聚合物的中间层。

此外，距离井眼的内壁最近的安全金属套筒可由密封金属材料制成。

另外，距离井眼的内壁最近的安全金属套筒可包括至少一个密封元件。

最后，根据本发明的环形屏障还可包括位于距离井眼的内壁最近的安全金属套筒的外表面上的薄片保护层。

附图说明

下面将参考所附示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图为了示例的目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了沿着处于其未膨胀状态的环形屏障的纵向延伸长度的截面图；

图2示出了处于其膨胀状态的图1中的环形屏障；

图3示出了沿着包括第二安全金属套筒的、处于其未膨胀状态的环形屏障的另一实施例的纵向延伸长度的截面图；

图4示出了处于其膨胀状态的图3中的环形屏障；

图5示出了沿着还包括第三安全金属套筒的、处于其未膨胀状态的环形屏障的另一实施例的纵向延伸长度的截面图；

图6a示出了沿着处于其未膨胀状态的、包括一个可膨胀金属套筒的已知环形屏障的纵向延伸长度的截面图；

图6b示出了处于环形屏障的膨胀过程中的中间状态的图6a中的已知环形屏障；

图6c示出了包括破裂的可膨胀金属套筒的、处于膨胀状态的图6a和6b中的已知环形屏障；

图7a示出了处于其未膨胀状态的、包括可膨胀金属套筒和第一安全套筒的环形屏障的另一个实施例的纵向延伸长度的截面图；

图7b示出了处于环形屏障的膨胀过程中的中间状态的图7a中的环形屏障；

图7c示出了处于膨胀状态的图7a和7b中的环形屏障；

图8a示出了沿着处于其未膨胀状态的、包括可膨胀金属套筒、第一安全套筒和第二安全金属套筒的环形屏障的另一个实施例的纵向延伸长度的截面图；

图8b示出了处于环形屏障的膨胀过程中的中间状态的图8a中的环形屏障；

图8c示出了处于膨胀状态的图8a和8b中的环形屏障；

图9示出了包括密封元件的已知环形屏障。

所有的附图均是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，其它部件被省略或仅暗示。

具体实施方式

图1示出了沿着处于其未膨胀状态的环形屏障1的纵向延伸长度的截面图。环形屏障1围绕旋转中心轴线18旋转对称。环形屏障待在井管结构3和井下井眼5的内壁4之间的环形空间2中膨胀。图2示出了处于其膨胀状态的图1中的环形屏障，其提供了井眼5的第一区域200和第二区域300之间的区域隔离。环形屏障1包括用于作为井管结构的一部分安装的管部6和围绕管部6的可膨胀金属套筒7。该可膨胀金属套筒具有面向管部的内表面7a，且该可膨胀金属套筒的每一端71、72与同该管部连接的连接部12相连接，从而限定出位于该可膨胀金属套筒7的内表面和管部之间的空间13。该空间13由可膨胀金属套筒、连接部12和管部6限定出。该环形屏障还包括围绕该管部且抵接该可膨胀金属套筒7的第一安全金属套筒8。该第一安全金属套筒具有抵接该可膨胀金属套筒的外表面7b的第一内表面8a，且该第一安全金属套筒的每一端81、82与同该管部连接的连接部12相连接。管部6包括用于在环形屏障1的膨胀过程中使流体进入空间13的膨胀开口11。第一安全金属套筒8的内表面沿着处于其未膨胀状态的可膨胀套筒的整个长度抵接且接触该可膨胀金属套筒的表面。在膨胀状态和未膨胀状态，第一安全金属套筒的外表面8b抵接井眼的内壁，并且在膨胀过程中，安全金属套筒限制该可膨胀金属套筒的自由移动。另外，施加到可膨胀金属套筒7上的力通过该可膨胀金属套筒传递到安全金属套筒8，从而与施加到该可膨胀金属套筒上的情况相比，产生施加到该安全金属套筒上的更均匀的力分布。

图3示出了沿着还包括第二安全金属套筒9的环形屏障1的纵向延伸长度的截面图，所述第二安全金属套筒9围绕管部、可膨胀金属套筒7和第一安全金属套筒8。第二安全金属套筒9具有面向第一安全金属套筒8的第二内表面9a，且第二安全金属套筒9的每一端91、92与连接部12相连接，而连接部12又与所述管部相连接。管部6包括用于在环形屏障1的膨胀过程中允许流体进入所述空间13的膨胀开口11。图4示出了处于其膨胀状态的图3中的环形屏障，其提供了井眼5的第一区域200和第二区域300之间的区域隔离。

图5示出了还包括附加的安全金属套筒10的环形屏障。图5中示出的环形屏障1包括一个附加的安全金属套筒10、第一和第二安全金属套筒8、9和可膨胀金属套筒7，但甚至可增加更多附加的安全金属套筒来避免环形屏障的破裂。

当使用诸如图5所示的若干个附加的安全金属套筒时，环形屏障可通过使用具有不同的所需膨胀压力的安全金属套筒进行最优化，使得外周套筒与较中心的套筒相比具有较低的所需膨胀压力。如果安全金属套筒具有较低的所需膨胀压力，例如，由于它们比可膨胀金属套筒薄，诸如图1和图2所示，则可以降低使环形屏障膨胀所需的压力。代替改变安全金属套筒和可膨胀金属套筒的厚度，所述套筒也可由不同的材料制成以提供所需膨胀压力之间的差异，例如，通过使用两种不同的材料，一个套筒可设计成比另一个套筒需要较小的膨胀压力。另外，使用不同的材料可用来在最外部的套筒中提供延展性非常好的材料，以抑制在膨胀过程中在最外部的套筒中发生颈缩。另一方面，最内部的套筒、例如可膨胀金属套筒和第一安全金属套筒可由延展性较小的材料制成，它们可承受来自环形屏障外部的较大外部压力，例如井眼压力的急剧变化。由于当从外部施加压力时，最外部的套筒由最内部的套筒支承，因此当要求环形屏障具有高的坍塌压力时，最内部的套筒承受这种压力的能力是重要的。

图5所示的可膨胀金属套筒的厚度与图1-4所示的可膨胀金属套筒相比显著减小。当安全金属套筒的数目增加时，环形屏障的总体强度增加，并且可膨胀金属套筒7的厚度可减小，以减小所述套筒的总厚度。

环形屏障可包括若干附加的安全金属套筒10，诸如三个附加的安全金属套筒10，诸如四个附加的安全金属套筒10，诸如五个附加的安全金属套筒10，或者甚至更多个附加的安全金属套筒。

图6a-6c示出了一种包括不具有安全金属套筒的可膨胀金属套筒7的已知的环形屏障。可膨胀金属套筒7具有薄弱区17a，例如薄的、具有一个或多个断口的区域、由于材料组分而具有降低的强度的区域和/或具有杂质的区域。当具有这样的薄弱区的环形屏障膨胀时，可膨胀金属套筒开始在该薄弱区17a周围更快速变形并由于在这个薄弱区中强度降低而鼓胀，如图6b所示。该薄弱区周围的材料的较快速膨胀导致靠近该薄弱区在可膨胀金属套筒7上形成“泡”。由于该薄弱区周围的材料比可膨胀金属套筒的其余部分更快速膨胀，因此可膨胀金属套筒在这个区变薄并且更可能在薄弱区17a附近产生断口20，从而导致如果不产生如图6c所示的环形屏障的周向破裂的话，则至少局部破裂。

图7a-7c示出了包括可膨胀金属套筒7和第一安全金属套筒8的环形屏障。如图7a所示，可膨胀金属套筒7具有薄弱区17a，其最可能在制成可膨胀金属套筒的制造过程中产生。即使第一安全金属套筒也具有薄弱区17b，该薄弱区也不太可能布置在与可膨胀金属套筒的薄弱区相对。当图7a中示出的环形屏障如图7b所示膨胀时，安全金属套筒8支撑并支承该可膨胀金属套筒的薄弱区17a，使得其不能鼓胀并形成诸如图6b中示出的泡21。通过这种方式，安全金属套筒防止可膨胀金属套筒自由移动，但控制可膨胀金属套筒的膨胀过程更均匀地发生。另外，来自所述空间13中的膨胀流体的力将施加到可膨胀金属套筒7的内表面7a上，并且由于该安全金属套筒抵接该可膨胀金属套筒，作用在安全金属套筒上的力将由可膨胀金属套筒直接施加。因此，如果安全金属套筒8包括薄弱区17b，则可膨胀金属套筒的靠近该薄弱区的部分将支撑该安全金属套筒的薄弱区17b，从而在安全金属套筒上同样不会形成泡。作用在安全金属套筒上的力通过可膨胀金属套筒被均匀地分布到安全金属套筒上，因此将没有力施加到安全金属套筒的没有与可膨胀金属套筒接触的部分上，直至可膨胀金属套筒再次与安全金属套筒的该部分相接触。因此，安全金属套筒不会发生鼓胀，因为将没有力施加到该稍微鼓胀的部分上，导致安全金属套筒随后爆裂。

图7a-7b的安全金属套筒比可膨胀金属套筒薄，例如，安全金属套筒可以为0.5-1.0mm，可膨胀金属套筒可以为5-10mm，并且因此通过仅增加薄的外套筒，就可使可膨胀金属套筒在膨胀过程中破裂的危险大大下降，而不会显著增加环形屏障的整体厚度。

图8a-8c示出了包括可膨胀金属套筒7、第一安全金属套筒8和第二安全金属套筒9的环形屏障。如图8a所示，可膨胀金属套筒7具有薄弱区17a，第一安全金属套筒8具有薄弱区17b，并且第二安全金属套筒9具有薄弱区17c。增加安全金属套筒的数目降低了所有套筒的薄弱区彼此接近的危险。如果所有套筒具有彼此接近的薄弱区，则这种情况类似于图6a所示的仅一个包含薄弱区的套筒构成环形屏障的可膨胀部分的情况。因此，提供安全金属套筒大大降低了在膨胀过程中使可膨胀金属套筒破裂的危险，并且增加更多的安全金属套筒更加进一步地将这种危险最小化。通过一种环形屏障，其中可膨胀金属套筒7具有靠近该第一安全金属套筒上的薄弱区17b或者甚至位于该薄弱区17b上的薄弱区17a，两个内套筒、即可膨胀金属套筒和第一安全金属套筒仍由第二安全金属套筒支撑以确保不形成“泡”。由于环形屏障具有大的表面积且利用现代生产技术的套筒的薄弱区通常非常小且散布在该大的表面积上，因此出现两个重叠薄弱区的危险非常小。然而，增加如图8a-8c所示的再多一个安全金属套筒，或者甚至如图5所示的第三安全金属套筒几乎消除了出现重叠的薄弱区的危险，因为对于每个附加的安全金属套筒，这种可能性通常可减少若干数量级。

图9示出了一种已知的屏障400，其包括围绕管部段41的可膨胀金属套筒部件40和另一外套筒部件42，该另一外套筒部件42部分地围绕可膨胀金属套筒部件40并包封填充有诸如聚合物材料的密封材料44的空间43。这是一种意图在井眼的内壁4和生产套管46的内部之间提供更好的密封的已知的解决方案。然而，如图9所示，如果可膨胀金属套筒部件包括薄弱区45，则由于泡或鼓胀可开始在空间43内形成并移动聚合物材料，并最终导致在密封的可膨胀金属套筒部件40中产生断裂，可膨胀金属套筒部件40仍可能在膨胀过程中破裂。可膨胀金属套筒部件的坍塌强度因此显著下降。因为聚合物材料通过另一外套筒部件中的开口离开空间43，所以由于使所述可膨胀金属套筒部件膨胀的加压流体将强行穿过聚合物材料并通过该开口流出，屏障会泄漏，并且将不会形成密封。

可通过增加围绕最外部安全套筒的附加密封元件来改善本发明的环形屏障的朝向井眼的内壁4的密封性能，所述附加密封元件包括布置在最外部的安全金属套筒和密封元件套筒之间的弹性体、橡胶或聚合物的中间层。另外，可向围绕该最外部的套筒的环形屏障添加其它已知的密封元件，以改善环形屏障的密封性能。

另外，最外部的安全金属套筒可由密封金属材料制成或包括密封金属材料。如果围绕最外部的安全金属套筒的附加密封元件由于其它原因是不合适的，诸如由于环形空间内的空间有限，则最外部的安全金属套筒可由具有良好密封性能如高延展性的材料制成。

另外，所述环形屏障可限制所述套筒的自由膨胀。

可膨胀金属套筒7和附加的安全金属套筒8、9、10可由不同的材料制成，一种材料具有较高的强度并从而具有较低的延展性，另一种材料具有较低的强度但较高的延展性。因此，所述环形屏障可包括适合于提供高强度或高延展性的以优选的组合的形式的材料。一旦膨胀，总体效果是环形屏障在膨胀过程中具有较高的坍塌阻力和较高的破裂阻力。

此外，用于所述套筒的金属的延伸率可以为10-35％，优选25-35％。所述金属的屈服强度(冷加工)可以为500-1000mpa，优选500-700mpa。所述套筒可以是冷拉拔或热拉拔管结构。

可膨胀金属套筒的厚度可优选比安全金属套筒的厚度大至少10％，更优选比安全金属套筒的厚度大至少15％，甚至更优选比安全金属套筒的厚度大至少20％。

安全金属套筒的厚度可以为0.5mm至5mm，可膨胀金属套筒的厚度可以为5mm至20mm。

此外，安全金属套筒可优选由具有比可膨胀金属套筒的材料的延伸率大10％的延伸率的材料制成。

所述环形屏障可优选包括可膨胀金属套筒，该可膨胀金属套筒由具有比第一和/或第二安全金属套筒的材料的屈服强度高至少10％、或者更优选比第一和/或第二安全金属套筒的材料的屈服强度高至少15％、甚至更优选高至少20％的屈服强度的材料制成。

另外，所述可膨胀金属套筒可具有未膨胀外直径和膨胀外直径，该可膨胀金属套筒的膨胀直径比未膨胀直径大至少10％，优选比未膨胀直径大至少15％且更优选比未膨胀直径大至少30％。

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离由下面的权利要求所限定的本发明的情况下可设想若干变型对本领域技术人员来说是显而易见的。