專利名稱：吸脹層可膨脹件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是膨脹式封隔器或橋接插件并且更特別是盡管元件失效或在井底條件發(fā)生變化時仍然在膨脹后保持密封的那些元件。
背景技術(shù)：
膨脹式封隔器典型地包括一安裝在心軸上在相對端帶有一個靜止套環(huán)和一個可移動套環(huán)的柔性元件。典型的是應(yīng)用閥門系統(tǒng)使增壓的流體進(jìn)入所述心軸和所述元件之間的環(huán)形空間來啟動膨脹過程。膨脹使得所述元件呈放射狀擴(kuò)張與管狀的環(huán)繞物或井眼密封接觸，該過程是通過所述可移動套環(huán)向所述靜止套環(huán)上縮(riding up)而成為可能，靜止套環(huán)通常位于井口端附近。所述閥門系統(tǒng)包括一止回閥用來在所述心軸和所述元件之間的環(huán)形空間中保持所施加的壓力。已知的如套管外封隔器的其它類型的可膨脹件只在所述元件的端部使用固定套環(huán)和加強(qiáng)件。
在早期的設(shè)計中，膨脹介質(zhì)是鉆探泥漿或其它液體。以這樣的液體使所述元件膨脹有某些缺陷。一個問題是熱效應(yīng)，其可以導(dǎo)致在膨脹的元件下面的壓力降低和密封的喪失。另一個缺陷是，其來自于安裝或在井中使用一段時間后的對所述元件的損害可導(dǎo)致所述元件的撕裂或破裂以及由于流體泄漏導(dǎo)致密封喪失，緩慢地還是幾乎立刻地產(chǎn)生取決于所述元件中故障的性質(zhì)。而所述閥門系統(tǒng)具有避免過壓的措施，對于所述元件完整性的風(fēng)險是確實的和存在的并且導(dǎo)致故障。
在一種改進(jìn)可膨脹件性能的努力中，水泥漿被用作膨脹介質(zhì)。此辦法是將處于可泵送狀態(tài)的所述漿料輸送到所述心軸與所述元件之間的且壓力下的環(huán)形空間中。然后所述漿料按希望固化，一旦固化，所述漿料，現(xiàn)在是固體狀態(tài)將會幫助保持封隔器的密封，即使所述元件遇到故障。然而引入水泥漿會產(chǎn)生幾個新問題。第一，有使?jié){料通過入口組件各種閥門而不阻塞操作的額外風(fēng)險。第二，水泥漿的使用要求地面上有專用設(shè)備。有些使用中，特別是海上，在平臺上定位這樣的設(shè)備會產(chǎn)生后勤問題并且由于后勤問題會產(chǎn)生增加的費用。更進(jìn)一步，在使用水泥漿時，在所述元件后面定點和泵送漿料中時間是極其重要的?？焖偃コ嘤嗟臐{料以避免如果它阻礙后面的操作而不得不將它鉆孔排出也是很重要的。好象所以這些問題還不夠，水泥漿的使用還有另外一個負(fù)面效應(yīng)。所述漿料凝固后，實際上體積縮減。這使得封隔器在其安裝后更易喪失密封接觸。
現(xiàn)有技術(shù)的流體膨脹式封隔器在美國專利4,897,139；4,967,846和5,271,469中有描述。水泥膨脹式封隔器在美國專利5,738,171中有描述。
本發(fā)明克服了所述元件過去的膨脹系統(tǒng)以及膨脹后保持密封中的缺點。所述元件象以前一樣用流體膨脹。然而，在所述元件和所述心軸之間的環(huán)形空間中插入一層，該層一接觸到膨脹流體就吸收膨脹流體并擴(kuò)張從而流體和擴(kuò)張層的擴(kuò)張體積更可取地與吸收前所述兩個層的體積一樣大。因此產(chǎn)生的優(yōu)勢是盡管所述元件出現(xiàn)缺陷仍然具有密封保持力，因為帶有存留流體的所述擴(kuò)張層提供了持續(xù)的密封力。更進(jìn)一步，沒有以前使用水泥漿的設(shè)計中發(fā)生的可能損害所述膨脹元件密封力的膨脹后體積損失。本發(fā)明的這些和其他優(yōu)勢對那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，將由下述的優(yōu)選實施例、附圖和權(quán)利要求的描述而變得更加清晰。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種以吸脹層為特征的可膨脹件。所述吸脹層被做成與所述元件一體或與所述元件連接或者可以將它粘接或以其他方式固定在所述心軸上。一經(jīng)使用流體膨脹，所述元件擴(kuò)張成與環(huán)繞的管狀物或井眼密封接觸。流體被吸收或與所述吸脹層反應(yīng)，從而在優(yōu)選實施例中，所述吸脹層與流體占用體積的總和在與所述層的吸脹混合后被逐一保留用以保持所述可膨脹元件的密封性，即使所述密封元件發(fā)生問題。


圖1是一可膨脹件的剖面圖，其具有與所述元件相連接的吸脹層并且按位置顯示；圖2是圖1的可替換實施例，其具有從所述元件分離的吸脹層并且按位置顯示；圖3是圖2處于膨脹狀態(tài)的視圖；且圖4是圖3的顯示活化流體被吸收到膨脹材料中的狀態(tài)的視圖。
具體實施例方式
圖1是示意性顯示一膨脹式封隔器10的剖面。其具有一在與心軸16相連的靜止套環(huán)14上的已知入口閥門組件12。所述可膨脹元件18具有一與內(nèi)表面20相連接的吸脹層22。在所述元件18的下端處示意性圖解說明下套環(huán)24。以箭頭26示意性顯示的膨脹流體被泵入入口28。如圖1所示，所述吸脹層具有一初始體積V1。也在圖1中示意性給出的一預(yù)定體積V2被泵入入口28。所述流體體積被吸收到所述吸脹層的體積V1中。在所述優(yōu)選實施例中，所述吸脹層22在至少吸收一些流體體積V2時發(fā)生吸脹。在所述優(yōu)選實施例中，如圖4所示，最終體積V3至少與V1和所述膨脹流體與所述吸脹層22混合之前以箭頭26代表的V2之和一樣大，優(yōu)選的是大于V1與V2之和。在所述流體被引入通過圖1所示實施例的閥門組件后，所述膨脹流體26首先接觸面對心軸16的最內(nèi)端30。
在圖2中，吸脹層22’是與元件18’分離的層。所述吸脹層22’可以被結(jié)合在心軸16’上或松散地安裝在其上。所述吸脹層在任一個實施例中可以是無縫管或者其可以具有一多種定位方向的縫?？商娲?，所述吸脹層可能是端部重疊的卷狀。它也可能是一系列相連的或鄰接的不連續(xù)片狀物。在圖1中所述吸脹層22可以是與所述元件18一體或是與其結(jié)合或其他方式相連的不連續(xù)層。
圖3圖解說明了流體26’進(jìn)入所述元件18’與所述吸脹層22’之間。此處再一次，最終體積V3’至少應(yīng)當(dāng)?shù)扔谒隽黧w的初始體積V1’和膨脹前所述吸脹層22’的體積V2’。
在所述優(yōu)選實施例中所述吸脹層22或22’是EPDM但也可以是其他材料例如天然橡膠或溴丁基橡膠。當(dāng)這些材料暴露于作為膨脹流體的碳?xì)浠衔飼r將會吸脹并存留膨脹流體并且滿足上述的體積要求。結(jié)果是，可膨脹元件在膨脹后將持續(xù)保持密封。所述吸脹行為進(jìn)行一段時間實際上增強(qiáng)了密封力至V3的大小超過V1與V2之和的程度。此外，如果所述元件18或18’發(fā)生泄漏或撕裂，密封力將得以維持，這是由于所述膨脹流體將被鎖定在所述吸脹層22或22’中并且所述吸脹層的牢固性將足夠強(qiáng)大以保持損壞的元件在井眼中密封接觸。
所述吸脹層22或22’的其他選擇包括使用膨脹性粘土例如有水存在時劇烈膨脹的膨潤土作為膨脹流體然后硬化。對于滿足體積標(biāo)準(zhǔn)的這種材料可以被用于可膨脹件中。所述硬化的粘土也可以用于存留膨脹流體并且有足夠的剛性在所述元件18或18’存在缺陷時來幫助保持密封。可替代地，所述吸脹層22或22’可以包括吸收液體并劇烈膨脹的織物。所述織物與粘土例如膨潤土的結(jié)合有可能作為EPDM或其他遇油膨脹的材料的進(jìn)一步補(bǔ)充。
油基鉆探流體包含油和水的混合物并且可以被用作膨脹介質(zhì)。所述鉆探流體混合物可以典型地由60％油和40％水組成并帶有固體以增加流體密度。如果所述膨脹流體是油和水的混合物那么粘土例如膨潤土或織物能夠以水相膨脹且EPDM或橡膠能夠以油膨脹。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員現(xiàn)在將可以理解通過應(yīng)用吸脹材料鎖住膨脹流體而不遭受凈體積損失來使膨脹式封隔器的可靠性得以提高。而吸脹會增強(qiáng)密封握力并且在即使井下熱條件改變或所述元件有缺陷時幫助保持這種握力。各種構(gòu)造的密封元件和吸脹層可以被使用。優(yōu)選材料EPDM被采用的同時，在暴露于各種流體時的其他膨脹材料可以使用。可代地，也可以使用響應(yīng)于熱、電流或各種類型的場的或者作為各種類型反應(yīng)的結(jié)果而膨脹的材料。只要滿足體積要求并且盡管所述元件有缺陷所得到的層也足夠堅固以保持密封負(fù)荷，這些材料中的一種材料或組合就可以使用。理想的是，所述膨脹介質(zhì)，無論液體或氣體，盡管所述元件有缺陷仍然被所述吸脹層所保持。
以上描述是優(yōu)選實施例的說明，并且不背離本發(fā)明的情況下本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以做出多種修改，本發(fā)明的范圍可以由下述的權(quán)利要求的字面意思和同等范圍加以限定。
權(quán)利要求
1.一種封隔器，包括一心軸；一密封元件，其安裝在所述心軸上，從而在其間限定一環(huán)形空間；在所述環(huán)形空間中的材料，所述材料捕獲至少一部分輸送到所述環(huán)形空間的介質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中所述材料具有一初始體積V1并且被輸送到所述環(huán)形空間的介質(zhì)具有一初始體積V2；體積V2被輸送到所述環(huán)形空間，被輸送流體和所述材料的總體積至少大約為體積V1與V2之和。
3.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中在所述密封元件發(fā)生故障的情況下，所述材料保留所述介質(zhì)的至少一部分。
4.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中當(dāng)被所述介質(zhì)接觸時所述材料膨脹。
5.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中在有水和碳?xì)浠衔镏兄辽僖环N存在時所述材料膨脹。
6.如權(quán)利要求3所述的封隔器，其中盡管所述密封元件發(fā)生故障，在膨脹后所述材料保持所述密封元件的密封。
7.如權(quán)利要求5所述的封隔器，其中在水和碳?xì)浠衔锒即嬖跁r所述材料膨脹。
8.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中所述材料被固定在所述元件上。
9.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中所述材料被固定在所述心軸上。
10.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中所述材料不被固定在所述心軸或所述元件上。
11.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中所述材料包括一套筒。
12.如權(quán)利要求11所述的封隔器，其中所述套筒是無縫的。
13.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中所述材料包括膨脹性粘土。
14.如權(quán)利要求1所述的封隔器，其中所述材料包括EPDM、天然橡膠和溴丁基橡膠中的至少一種。
15.如權(quán)利要求3所述的封隔器，其中所述材料具有一初始體積V1并且被輸送到所述環(huán)形空間的介質(zhì)具有一初始體積V2；體積V2被輸送到所述環(huán)形空間，被輸送流體和所述材料的總體積至少大約為體積V1與V2之和。
16.如權(quán)利要求15所述的封隔器，其中當(dāng)被介質(zhì)接觸時所述材料膨脹。
17.如權(quán)利要求16所述的封隔器，其中在有水和碳?xì)浠衔镏兄辽僖环N存在時所述材料膨脹。
18.如權(quán)利要求17所述的封隔器，其中盡管所述密封元件發(fā)生故障，所述材料也會保持所述密封元件的密封。
19.如權(quán)利要求18所述的封隔器，其中所述材料包括一套筒。
20.如權(quán)利要求19所述的封隔器，其中所述材料包括膨脹性粘土、EPDM、天然橡膠和溴丁基橡膠中的至少一種。
21.一種膨脹式封隔器，包括一心軸；一密封元件，其安裝在所述心軸上，從而在其間確定一環(huán)形空間；在所述環(huán)形空間中的材料，所述材料捕獲至少一部分輸送到所述環(huán)形空間的膨脹介質(zhì)。
22.如權(quán)利要求21所述的封隔器，其中所述材料具有一初始體積V1并且被輸送到所述環(huán)形空間的膨脹介質(zhì)具有一初始體積V2；體積V2被輸送到所述環(huán)形空間，被輸送流體和所述材料的總體積至少大約為體積V1與V2之和。
23.如權(quán)利要求21所述的封隔器，其中在所述密封元件發(fā)生故障的情況下，所述材料保留至少所述膨脹介質(zhì)的一部分。
24.如權(quán)利要求21所述的封隔器，其中當(dāng)被所述膨脹介質(zhì)接觸時所述材料膨脹。
25.如權(quán)利要求21所述的封隔器，其中在有水和碳?xì)浠衔镏兄辽僖环N存在時所述材料膨脹。
26.如權(quán)利要求23所述的封隔器，其中盡管所述密封元件發(fā)生故障，在膨脹后所述材料保持所述密封元件的密封。
27.如權(quán)利要求25所述的封隔器，其中在水和碳?xì)浠衔锒即嬖跁r所述材料膨脹。
28.如權(quán)利要求21所述的封隔器，其中所述材料包括一套筒。
29.如權(quán)利要求28所述的封隔器，其中所述套筒是無縫的。
30.如權(quán)利要求21所述的封隔器，其中所述材料包括膨脹性粘土。
31.如權(quán)利要求21所述的封隔器，其中所述材料包括EPDM、天然橡膠和溴丁基橡膠中的至少一種。
全文摘要
公開了一種以吸脹層(22)為特征的可膨脹件。所述吸脹層可以被做成與元件(18)一體或與其連接或者該吸脹層可以被粘接或以其他方法固定在一心軸(16)上。一經(jīng)使用流體(26)膨脹，所述元件膨脹而與管狀環(huán)繞物或井眼密封接觸。所述流體被吸收或與所述吸脹層發(fā)生反應(yīng)，從而在優(yōu)選實施例中，所述吸脹層與流體的全部占用體積在與所述層的吸脹混合后被分別保留用以保持所述可膨脹元件的密封性，即使所述密封元件發(fā)生問題。
文檔編號E21B33/12GK1902375SQ200480039692
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者E·T·伍德, G·C·巴德克 申請人:貝克休斯公司