專利名稱：環(huán)形障礙物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)形障礙物，該環(huán)形障礙物用于在井管狀結(jié)構(gòu)和井下井眼內(nèi)壁之間的環(huán)隙中被膨脹。該環(huán)形障礙物包括:管狀部件，其作為井管狀結(jié)構(gòu)的一部分安裝；可膨脹套筒，其由第一金屬制成，包圍所述管狀部件，并且限定與所述管狀部件的內(nèi)部流體連通的空間，所述可膨脹套筒具有縱向延伸部、面對所述管狀部件的內(nèi)表面和兩個端部。
背景技術(shù)：
在井筒中，環(huán)形障礙物用于不同的目的，諸如用于在內(nèi)管結(jié)構(gòu)和外管結(jié)構(gòu)之間或者在內(nèi)管結(jié)構(gòu)和井眼的內(nèi)壁之間設(shè)置流動阻礙。環(huán)形障礙物作為井管狀結(jié)構(gòu)的一部分安裝。環(huán)形障礙物具有由環(huán)形可膨脹套筒包圍的內(nèi)壁?？膳蛎浱淄驳湫偷赜蓮椥泽w材料制成，但是也可由金屬制成。該套筒在其端部緊固到環(huán)形障礙物的內(nèi)壁。為了密封內(nèi)管結(jié)構(gòu)和外管結(jié)構(gòu)之間或者井管狀結(jié)構(gòu)和井眼之間的區(qū)域，使用第二環(huán)形障礙物。第一環(huán)形障礙物在待密封區(qū)域的一側(cè)膨脹，并且第二環(huán)形障礙物在該區(qū)域的另一側(cè)膨脹，以此方式，該整個區(qū)域被密封。井的壓力包絡(luò)線由用在井構(gòu)造中的管件和井裝置等的爆破極限控制。在一些情況下，可通過增大井中的壓力來膨脹環(huán)形障礙物的可膨脹套筒，這是最經(jīng)濟有效的膨脹套筒的方法。井的爆破極限限定了適用于井的用于套筒的膨脹的最大壓力，并且期望最小化膨脹套筒所需的膨脹壓力以使井最小程度地暴露于上述膨脹壓力。當(dāng)環(huán)形障礙物膨脹時，環(huán)形障礙物可經(jīng)受來自外部的連續(xù)的壓力或者周期性的高壓，這些壓力或者是井環(huán)境內(nèi)的液壓形式或者是地層壓力形式。在一些情況下，這種壓力可造成環(huán)形障礙物瓦解，這會對障礙物所密封的區(qū)域造成嚴重的后果，因為由于障礙物的瓦解而損失了密封特性。 因此，環(huán)形障礙物的可膨脹套筒承受瓦解壓力的能力受很多因素的影響，諸如材料的強度、壁厚、可膨脹套筒的輪廓、暴露于瓦解壓力的表面面積、溫度、井流體等。可膨脹套筒在特定井環(huán)境中目前可達到的瓦解壓力額定值(collapse rating)對于所有的井應(yīng)用來說是不足夠的。因此，期望增大瓦解壓力額定值以使得環(huán)形障礙物能夠用在所有的井中，特別是在生產(chǎn)和資源耗減期間經(jīng)受高生產(chǎn)壓差的井。通過增大壁厚或者材料的強度可以增大瓦解壓力額定值，然而，這將增大膨脹壓力，如上所述，這并不是希望的。因此，期望提供一種其中膨脹套筒的瓦解壓力額定值增大的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是全部或者部分地克服上述的現(xiàn)有技術(shù)中的缺點和缺陷。更具體地，本發(fā)明的目的是提供一種改進的環(huán)形障礙物，其中可膨脹套筒具有增大的瓦解壓力額定值。本發(fā)明的另一個目的是提供如下的一種環(huán)形障礙物，該環(huán)形障礙物在不增大材料的強度和/或套筒的壁厚的情況下具有增大的瓦解壓力額定值。從以下的說明中將變得明顯的上述目的以及多個其他目的、優(yōu)點和特征將通過根據(jù)本發(fā)明的解決方案完成，通過用于在井管狀結(jié)構(gòu)和井下井眼的內(nèi)壁之間的環(huán)隙中膨脹的環(huán)形障礙物完成，所述環(huán)形障礙物包括:-管狀部件，其作為所述井管狀結(jié)構(gòu)的一部分安裝，-可膨脹套筒，其由第一金屬制成，包圍所述管狀部件并且限定與所述管狀部件的內(nèi)部流體連通的空間，所述可膨脹套筒具有縱向延伸部、面對所述管狀部件的內(nèi)表面和兩個端部，-連接部件，其由第二金屬制成，連接所述可膨脹套筒與所述管狀部件，-開口，其用于使流體進入所述空間中以膨脹所述套筒，以及-過渡區(qū)域，其包括使所述套筒與所述連接部件連接的連接部分，其中，所述第一金屬比所述第二金屬具有更高的柔性。所述管狀部件可具有與井管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑相同的未膨脹內(nèi)徑。因此，所述環(huán)形障礙物不會阻礙沉入到井管狀部件中的工具通過以進行沿井的更加靠下位置處的其他操作。環(huán)形障礙物可以在插入多年之后才致動以使得第一區(qū)域與第二區(qū)域隔開，例如，為了最優(yōu)化生產(chǎn)。在從插入到致動的該時間間隔中，所述環(huán)形障礙物僅僅起作為井管狀結(jié)構(gòu)的一部分的作用，并且不會減小井管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑——因為這對于后續(xù)的操作來說是不可接受的。所述管狀部件的內(nèi)徑在所述可膨脹套筒膨脹之前和之后可大致相同。第一金屬比第二金屬具有更高的柔性意味著所述可膨脹套筒的金屬具有比所述連接部件的金屬的伸長率大的伸長率。通過包含由兩種不同的金屬制成的連接部件和套筒，可以機加工所述連接部件以在不改變所述套筒的材料和所述套筒的膨脹能力的基礎(chǔ)上完美地適應(yīng)所述管狀部件。在一個實施例中，所述環(huán)形障礙物可包括處于所述過渡區(qū)域中的限制元件，所述限制元件限制所述套筒在所述區(qū)域中的自由膨脹。通過包含由兩種不同的金屬制成的連接部件和套筒以及限制元件，所述可膨脹套筒的瓦解壓力額定值在不增大所述可膨脹套筒的壁厚或者所述環(huán)形障礙物的總體直徑的情況下增大。此外，通過本發(fā)明，對于膨脹所述可膨脹套筒而言所必需的膨脹壓力將不增大，或者甚至可能減小。在一個實施例中，所述連接部件和所述套筒可焊接在一起。此外，所述過渡區(qū)域可沿著可膨脹套筒的縱向延伸部從位于所述連接部分處的第一點延伸到可膨脹套筒上的預(yù)定第二點。另外，所述第二點可設(shè)置在所述可膨脹套筒的不受限部分上。所述可膨脹套筒可在第一點處比在第二點處膨脹更加受限。此外，所述限制元件可以是所述連接部件的突出部分。此外，所述可膨脹套筒在所述過渡區(qū)域中的膨脹可受到所述連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脹套筒變尖(漸縮)。此外，所述可膨脹套筒的各端可具有與所述突出部分的形狀相對應(yīng)的變尖形狀。
此外，所述限制元件可以是包圍所述可膨脹套筒的附加環(huán)，所述附加環(huán)與所述連接部件連接并且從所述連接部件朝向所述可膨脹套筒變尖。此外，所述可膨脹套筒在所述過渡區(qū)域中的膨脹可被包圍所述可膨脹套筒的附加環(huán)限制，所述附加環(huán)與所述連接部件連接并且從所述連接部件朝向所述可膨脹套筒變尖。此外，所述限制元件可以是所述可膨脹套筒的增大的厚度，通過將附加材料增設(shè)到所述可膨脹套筒的至少外側(cè)來提供所述增大的厚度，其中，所述附加材料從所述連接部件朝向所述套筒變尖。另外，所述可膨脹套筒在所述過渡區(qū)域中的膨脹可被所述可膨脹套筒的增大的厚度限制，通過將附加材料增設(shè)到所述可膨脹套筒的至少外側(cè)來提供所述增大的厚度，其中，所述附加材料從所述連接部件朝向所述套筒變尖。此外，可以借助于焊接來增設(shè)附加材料。在一個實施例中，所述可膨脹套筒的厚度可從所述連接部件的厚度減小到比所述連接部件的厚度的95%小的厚度，優(yōu)選地比所述連接部件的厚度的90%小的厚度，以及更加優(yōu)選地比所述連接部件的厚度的80%小的厚度。此外，所述第一金屬可具有35%_70%、至少40%、優(yōu)選地40%_50%的伸長率。所述第一金屬的屈服強度(軟化退火的)可以是200-400MPa，優(yōu)選地200_300MPa。同時，所述第二金屬具有10%_35%、優(yōu)選地25%_35%的伸長率。所述第二金屬的屈服強度(冷加工的)可以是500-1OOOMPa，優(yōu)選地500_700MPa。此外，所述可膨脹套筒的金屬可具有比所述連接部件的金屬的伸長率高至少5個百分點，優(yōu)選地高至少10個百分點的伸長率。此外，所述已膨脹套筒的一些區(qū)段可具有增大的壁厚，這導(dǎo)致了波紋狀的已膨脹套筒。所述波紋是環(huán)形的，并且進一步增強所述已膨脹套筒。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形障礙物能夠經(jīng)受比現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形障礙物更好的瓦解壓力，并且因此也具有更好的密封能力。此外，所述套筒在其外側(cè)可設(shè)置有密封元件。所述密封元件可具有變尖的或者三角形的截面形狀。所述可膨脹套筒能夠膨脹到比未膨脹套筒的直徑大至少10%，優(yōu)選地大至少15%，更加優(yōu)選地大至少30%的直徑，并且所述可膨脹套筒可具有比所述可膨脹套筒的長度小的壁厚，所述壁厚優(yōu)選地小于其長度的25%，更加優(yōu)選地小于其長度的15%，更加優(yōu)選地小于其長度的10%。在一個實施例中，所述可膨脹套筒可具有沿著周長和/或長度變化的厚度。另外，所述連接部件中的至少一個相對于所述環(huán)形障礙物的管狀部件可以是可滑動的，至少一個密封元件諸如0形環(huán)可設(shè)置在可滑動的連接部件和所述管狀部件之間。在另一實施例中，一個以上的密封元件可設(shè)置在可滑動的緊固裝置和所述管狀部件之間。所述連接部件中的至少一個可固定地緊固到所述管狀部件或者成為所述管狀部件的一部分。所述連接部件可具有從所述管狀部件向外突出的突出邊緣部分。此外，所述管狀部件可具有兩個區(qū)段，所述兩個區(qū)段位于中間部分的相對的兩側(cè)并且與所述管狀結(jié)構(gòu)中的所述開口分隔開，所述管狀部件在所述區(qū)段中具有比所述管狀部件的中間部分的外徑大的外徑和比所述中間部分的壁厚厚的壁厚。此外，所述連接部件可設(shè)置成與所述兩個區(qū)段相面對。此外，所述連接部件中的一個可以以可滑動的方式相對于所述管狀部件的所述區(qū)段設(shè)置，所述連接部件中的另一個可在密封連接部分中緊固到所述管狀部件。此外，所述密封連接可以與設(shè)置在可滑動的連接部件中的密封裝置一起密封所述空間。各個連接部件可具有覆蓋所述可膨脹套筒的突出部分。所述連接部件的所述突出部分可與所述可膨脹套筒焊接在一起。本發(fā)明還涉及一種環(huán)形障礙物系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括膨脹工具和如上所述的環(huán)形障礙物。所述膨脹工具可包括爆炸物、加壓流體、水泥或者它們的組合。在一個實施例中，所述環(huán)形障礙物系統(tǒng)可以包括定位成沿著所述井管狀結(jié)構(gòu)彼此分隔開的至少兩個環(huán)形障礙物。此外，本發(fā)明最后涉及一種井下系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括井管狀結(jié)構(gòu)和至少一個如上所述的環(huán)形障礙物。在所述井下系統(tǒng)的一個實施例中，多個環(huán)形障礙物可以定位成沿著所述井管狀結(jié)構(gòu)彼此分隔開。


以下將參考所附的示意附圖更詳細說明本發(fā)明及其若干優(yōu)點，其中為了說明，示意附圖僅示出了一些非限制性實施例，其中:圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形障礙物，圖2示出了環(huán)形障礙物的另一實施例，圖3示出了環(huán)形障礙物的又一實施例，圖4示出了環(huán)形障礙物的又一實施例，圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，圖6示出了環(huán)形障礙物的又一實施例，圖7示出了處于膨脹狀態(tài)下的圖6的環(huán)形障礙物，圖8示出了圖6的局部放大視圖，以及圖9示出了處于膨脹狀態(tài)下的環(huán)形障礙物的又一實施例。所有的附圖都是高度示意的，并不一定按比例繪制，并且它們只示出了為了解釋本發(fā)明所必需的一部分，其他部分被省略了或僅僅給予暗示。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形障礙物I是在將井管狀結(jié)構(gòu)3下降到井下井眼5中之前典型地安裝為井管狀結(jié)構(gòu)串的一部分。井管狀結(jié)構(gòu)3通過放在一起以形成井管狀結(jié)構(gòu)串的多個井管狀結(jié)構(gòu)部件構(gòu)造而成。通常，當(dāng)安裝井管狀結(jié)構(gòu)串時，環(huán)形障礙物I安裝在兩個井管狀結(jié)構(gòu)部件之間。環(huán)形障礙物I用作多種目的，所有的目的都需要環(huán)形障礙物I的可膨脹套筒7膨脹從而使得套筒抵接井眼5的內(nèi)壁4。如圖1所示，環(huán)形障礙物I包括借助于螺紋連接件38連接到井管狀結(jié)構(gòu)3的管狀部件6。在圖1中，以沿著環(huán)形障礙物的縱向的剖面圖的方式示出了環(huán)形障礙物I。環(huán)形障礙物I示出為處于非膨脹狀態(tài)，即，放松位置，環(huán)形障礙物I從該位置開始在井管狀結(jié)構(gòu)3和井下井眼5的內(nèi)壁4之間的環(huán)隙2中膨脹。環(huán)形障礙物I包括作為井管狀結(jié)構(gòu)3的一部分安裝的管狀部件6和可膨脹套筒7?？膳蛎浱淄?包圍管狀部件6并且具有面對管狀部件6的內(nèi)表面8?？膳蛎浱淄?的各個端部9、10與連接部件12連接，其中連接部件12繼而與管狀部件6連接?？膳蛎浱淄?由第一金屬合金制成，并且連接部件12由柔性比第一金屬合金低的第二金屬合金制成。連接部件12具有覆蓋可膨脹套筒7的突出部分18。連接部件12在連接部分14中與可膨脹套筒7焊接在一起。在可膨脹套筒7與管狀部件6之間布置一內(nèi)環(huán)24，該內(nèi)環(huán)焊接在同一連接部分14中。連接部件12的突出部分18朝向可膨脹套筒7逐漸變尖直到突出部分18不再覆蓋可膨脹套筒7并且可膨脹套筒7自由地膨脹。突出部分18和連接部分14形成過渡區(qū)域11的一部分，其中過渡區(qū)域11的該部分沿著可膨脹套筒7的縱向從位于該連接部分處的第一點21延伸到可膨脹套筒7的不受限處的預(yù)定第二點22。突出部分18具有限制可膨脹套筒7的膨脹的目的，從而使得可膨脹套筒7的彎曲(如圖1中的虛線所示)更加S形。由此使得可膨脹套筒7在膨脹期間不會斷裂并且可膨脹套筒7的截面輪廓能夠承受比現(xiàn)有的環(huán)形障礙物高的瓦解壓力。因此，可膨脹套筒7在第一點處比在第二點處受到更多的膨脹限制。此外，由于突出部分18由柔性較小的金屬合金制成并且從上述連接部分向第二點變尖，隨著突出部分的厚度減小，可膨脹套筒7更易膨脹。圖2示出了環(huán)形障礙物I的剖面圖，其中連接部件12與外環(huán)29、可膨脹套筒7和內(nèi)環(huán)24連接?？膳蛎浱淄?由第一金屬合金制成，并且連接部件由柔性比第一金屬合金低的第二金屬合金制成。連接部分14是焊接連接部分。外環(huán)29形成過渡區(qū)域11的一部分，其中在該過渡區(qū)域11的該部分中可膨脹套筒7的自由膨脹受到限制。外環(huán)29具有逐漸減小的厚度，從連接部分14向可膨脹套筒7的不受限部分變尖。外環(huán)29由柔性比套筒的金屬合金低的第二合金金屬制成，外環(huán)29具有限制可膨脹套筒7膨脹的目的，從而可膨脹套筒7的彎曲(如圖1的虛線所示)更加S形。由此使得可膨脹套筒7在膨脹期間不會斷裂并且可膨脹套筒7的截面輪廓能夠承受比現(xiàn)有的環(huán)形障礙物高的瓦解壓力。圖3示出了環(huán)形障礙物I的剖面圖，其中，可膨脹套筒7朝向連接部件12變尖，并且連接部件12具有相應(yīng)的形狀。可膨脹套筒7的變尖部分33和連接部件12的變尖部分重疊并且焊接在一起。焊接連接部分14和連接部件12的變尖部分(該變尖部分以與可膨脹套筒7重疊的方式從連接部件12延伸)形成過渡區(qū)域11的一部分?？膳蛎浱淄?由第一金屬合金制成，連接部件12由柔性比第一金屬合金低的第二金屬合金制成。連接部件12的與套筒重疊的變尖部分使可膨脹套筒7的自由膨脹受到限制，從而使得可膨脹套筒7的彎曲(如圖1中虛線所示)更加S形。由此使得可膨脹套筒7在膨脹期間不會斷裂并且可膨脹套筒7的截面輪廓能夠承受比現(xiàn)有的環(huán)形障礙物高的瓦解壓力。圖4示出了環(huán)形障礙物I的剖面圖，其中，可膨脹套筒7與連接部件12焊接在一起，從而在它們之間形成連接部分14?？膳蛎浱淄?由第一金屬合金制成，連接部件12由柔性比第一金屬合金低的第二金屬合金制成。另外，附加材料30從連接部分14開始沿著可膨脹套筒7的第一部分填充在過渡區(qū)域11中。附加材料30的厚度從連接部分14開始沿著可膨脹套筒7減小。附加材料30由與連接部件12的材料相同的材料制成，或者由甚至柔性比連接部件12的金屬合金低的金屬合金制成。連接部分14和附加材料30形成過渡區(qū)域11的一部分，并且附加材料30防止可膨脹套筒7在過渡區(qū)域過多地膨脹，因此可膨脹套筒7在膨脹之后形成更加S形的截面輪廓。因此，瓦解壓力與已知的環(huán)形障礙物相比增大。當(dāng)可膨脹套筒7由第一金屬合金制成，連接部件12由柔性比第一金屬合金低的第二金屬合金制成時，連接部件12的金屬合金可以是比套筒7的金屬合金更加容易機加工的金屬合金。當(dāng)制作連接部件12時，該連接部件12能夠被機加工以更完美地適應(yīng)管狀部件并且因此形成更緊密的密封(甚至形成金屬-金屬密封)是很重要的?？梢钥闯觯谔淄?的內(nèi)表面8和管狀部件6之間形成空間或腔體13。為了膨脹可膨脹套筒7，加壓流體經(jīng)由可膨脹工具15 (諸如孔19或者閥19)注入到腔體13中直到可膨脹套筒7抵接到井眼5的內(nèi)壁4。腔體13也可填充有水泥等以膨脹套筒7。膨脹工具15也可以是爆炸物。當(dāng)環(huán)形障礙物I膨脹時，它們暴露于一定的壓力。然而，壓力在生產(chǎn)的過程中可變化。因為壓力可如此增大，所以環(huán)形障礙物I在該環(huán)形障礙物I的膨脹狀態(tài)下當(dāng)環(huán)形障礙物I的外徑處于其最大值并且其壁厚因此處于其最小值時必須能夠承受增大的壓力(也稱為“瓦解壓力”)。為了經(jīng)受這種增大的壓力，可膨脹套筒7可設(shè)置有至少一個元件14。當(dāng)環(huán)形障礙物I的可膨脹套筒7膨脹時，套筒的直徑從它的初始未膨脹直徑膨脹到更大的直徑?？膳蛎浱淄?具有外徑D并且能夠膨脹到比未膨脹套筒7的直徑大至少10%，優(yōu)選地大至少15%，更加優(yōu)選地大至少30%的直徑。此外，可膨脹套筒7具有比可膨脹套筒7的長度L小的壁厚t，該厚度優(yōu)選地小于長度的25%，更加優(yōu)選地小于長度的15%，更加優(yōu)選地小于長度的10%。環(huán)形障礙物I的可膨脹套筒7由具有35%_75%，至少40%，優(yōu)選地40%_50%的伸長率的第一金屬制成，并且連接部件12由具有10%-35%，優(yōu)選地25%-35%的伸長率的第二金屬制成。連接部件的金屬具有比可膨脹套筒的金屬的伸長率低至少5個百分點，優(yōu)選地低至少10個百分點的伸長率?？膳蛎浱淄驳慕饘俚那姸?軟化退火的)是200-400MPa，優(yōu)選地200-300MPa。連接部件的金屬的屈服強度(冷加工的)是500_1000MPa，優(yōu)選地500_700MPa。因此，第一材料比第二材料具有更高的柔性。將環(huán)形障礙物I設(shè)置有閥19使得可以使用除了水泥之外的用于膨脹環(huán)形障礙物的可膨脹套筒7的其他流體，諸如出現(xiàn)在井中的流體或者海水?？梢钥闯?，可膨脹套筒7是薄壁管狀結(jié)構(gòu)，其端部9、10已經(jīng)插入到連接部件12中。隨后，連接部件12已經(jīng)被壓花，這將改變緊固部件以及可膨脹套筒的端部9、10的設(shè)計并且因此以機械的方式將它們彼此緊固。為了密封可膨脹套筒7和連接部件12之間的連接部分，可以在它們之間設(shè)置密封元件。在圖6中，示出了另一環(huán)形障礙物1，其中環(huán)形障礙物I的可膨脹套筒7在預(yù)定的區(qū)域(即，其中可膨脹套筒7暴露于最大液壓的區(qū)域)已經(jīng)層壓有附加材料30。有利地，該附加材料30可比制作可膨脹套筒的其他部分的材料更加結(jié)實。一般地，較結(jié)實的材料延展性較低。然而，當(dāng)只在特定的區(qū)域使用較結(jié)實的附加材料30層壓可膨脹套筒7時，能夠在不影響套筒的膨脹特性的情況下使得可膨脹套筒的瓦解壓力額定值增大。
能夠以多種不同的方式，例如通過異種金屬的激光焊接、包覆等，執(zhí)行可膨脹套筒7的層壓。當(dāng)將較結(jié)實但是延展性較低的材料30層壓在構(gòu)成材料不如上述材料30結(jié)實但是延展性更好的可膨脹套筒7上時，結(jié)果是可膨脹套筒延展性依舊足夠，但是其瓦解壓力額定值增大。在該可膨脹套筒的膨脹狀態(tài)下，套筒7因此能夠在靠近層壓點的位置處或者在層壓點處承受更高的壓力。當(dāng)可膨脹套筒7在特定區(qū)域?qū)訅河懈郊硬牧?0時，套筒的壁厚在這些區(qū)域中增大。從圖8中可以更容易地推導(dǎo)出壁厚的這種增大。圖7示出了圖6中的環(huán)形障礙物I處于其膨脹狀態(tài)下的剖面圖。在該實施例中，在可膨脹套筒7上層壓的附加材料30使得可膨脹套筒瓦解壓力額定值增大，并且因此使得環(huán)形障礙物I的瓦解壓力額定值增大。 在圖9中，管狀部件6具有外徑增大的兩個區(qū)段36，因此管狀部件6在該兩個區(qū)段36具有增大的厚度，該兩個區(qū)段36與管狀結(jié)構(gòu)中的開口隔開并且處于彼此相對的兩側(cè)。在這些區(qū)段之間，管狀部件具有中間部分37。連接部件12設(shè)置成與兩個區(qū)段36相對，并且連接部件12中的一個相對于管狀部件的區(qū)段36以滑動的方式設(shè)置。另一連接部件12在連接部分35中被焊接到管狀部件，并且以此方式相對于管狀部件被固定地設(shè)置，焊接連接部分35與設(shè)置在可滑動的連接部件12中的密封裝置20 —起提供密封空間13的密封連接。圖9的可膨脹套筒7由第一金屬合金制成，連接部件12由柔性比第一金屬合金低的第二金屬合金制成。上述兩個區(qū)段可以是焊接到管狀部件6外側(cè)的材料，并且然后在安裝連接部件12之前機加工和拋光這些區(qū)段以在這些區(qū)段具有精確的外徑。由此，提供非常光滑的表面使得能夠在密封裝置20和管狀部件之間實現(xiàn)很緊密的密封。連接部件12具有覆蓋可膨脹套筒7的突出部分18。連接部件12在連接部分14中與可膨脹套筒7焊接在一起。連接部件12的突出部分18突出，覆蓋可膨脹套筒7的一部分。在突出部分18的端部，該突出部分18可以例如借助于焊接連接部分34中的焊接緊固到可膨脹套筒。在另一方面，突出部分未緊固到可膨脹套筒7。然而，因為突出部分覆蓋可膨脹套筒7，所以套筒7并不是完全自由地膨脹。在上述兩個區(qū)段之間，可膨脹套筒7和管狀部件6形成空間13，其中流體經(jīng)由開口注入到該空間13中以膨脹用于將井眼中的第一區(qū)域40與第二區(qū)域41隔離的套筒，其中在圖1中示出了區(qū)域40、41。在另一方面，可膨脹套筒7可包括至少兩種不同的材料，一種材料具有較高強度并因而具有較低延展性，而另一種材料具有較低強度但具有較高延展性。因此，可膨脹套筒7在套筒的當(dāng)套筒膨脹時承受高液壓瓦解壓力的區(qū)域可包括強度較高的材料，而在套筒的其他區(qū)域可以包括強度較低的材料。當(dāng)可膨脹套筒7在特定區(qū)域包括強度較高而延展性低的材料并且在其他區(qū)域包括強度較低而延展性高的材料時，在強度較低的可膨脹套筒材料獲取抗瓦解性的同時可膨脹套筒保持足夠的延展性。一旦可膨脹套筒膨脹，總體的效果是在靠近或者位于套筒包括強度較高的材料的區(qū)域中，可膨脹套筒7具有較高的抗瓦解性。在另一方面，可膨脹套筒7的兩端9、10被固定到井管狀結(jié)構(gòu)3。一般地，當(dāng)可膨脹套筒7徑向向外膨脹時，可膨脹套筒直徑的增大將致使套筒的長度收縮并且致使套筒的壁厚一定程度上變小。
如果可膨脹套筒7的兩端9、10被固定并且對現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形障礙物的設(shè)計沒有其他任何修改的話，為了達到高度徑向膨脹，壁厚必須減小的程度將加大，這將導(dǎo)致瓦解壓力額定值較低并且可能造成材料爆破。在另一方面，可膨脹套筒7沿著可膨脹套筒7的長度設(shè)置有一系列周向波紋。該系列周向波紋使得在不增大兩個固定端部之間的距離的情況下增大可膨脹套筒7在兩個固定端部9、10之間的長度。在形成上述的波紋之后，可膨脹套筒7可以經(jīng)受某些處理，例如，熱處理，以使套筒7的材料恢復(fù)到其原始的冶金條件。在過渡區(qū)域中，套筒7本身或者其他的材料30可被機加工以在套筒的內(nèi)表面8上獲得稍微較小的壁厚，以控制在套筒膨脹期間套筒彎曲的起始位置。在可膨脹套筒7的膨脹期間，波紋變得平直，提供對于在不過度減小壁厚并且同時保持兩端部9、10被固定的情況下完成較大的直徑膨脹(例如，直徑的40%)來說有必要的附加材料30。在圖10中示出了這種情況，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以領(lǐng)會到，防止壁厚過度減小將維持可膨脹套筒7的瓦解壓力額定值。固定兩端部9、10同時達到最大的直徑膨脹量(例如，直徑的40%)是特別有利的，因為這樣消除了活動部件，并且因此消除了這些活動部件所需的昂貴的并且高風(fēng)險的高壓密封件。這在高溫或高腐蝕性的井環(huán)境中(例如，酸，H2S等)是特別重要的。在其他方面，可以沿著套筒長度勾勒(仿形加工)可膨脹套筒7的壁厚，這樣可以就可膨脹套筒的壁變薄所發(fā)生的位置進行膨脹控制。通過向膨脹套筒表面層壓相同的或者不同的材料可以實現(xiàn)可膨脹套筒7的上述輪廓造型，或者經(jīng)由將可膨脹套筒機加工或滾扎成不同的厚度來實現(xiàn)上述的輪廓造型。當(dāng)通過改變壁厚來控制膨脹時，可沿著可膨脹套筒7的長度在特定點改變瓦解壓力額定值。在圖1中，環(huán)形障礙物I的一端是可滑動的，這意味著套筒7緊固在其中的連接部件12與管狀部件6可滑動地連接。當(dāng)可膨脹套筒7在橫向于環(huán)形障礙物I的縱向的方向上膨脹時，如上所述，如果可能的話，套筒將趨向于在其縱向上縮短。當(dāng)環(huán)形障礙物I的一端可滑動時，可膨脹套筒7的長度可減小，這使得可以更進一步地膨脹套筒，因為在此情況下可膨脹套筒7不像其與管狀部件6固定地連接時一樣多地伸展。然而，具有一個可滑動的端部增加了密封件20隨著時間推移發(fā)生泄漏的風(fēng)險。因此可將波紋管緊固到可滑動的連接部件12上并且固定地緊固在第三連接部件中。以此方式，第一和第三連接部件可固定地連接到管狀部件6?？膳蛎浱淄?牢固地固定到第一連接部件12以及可滑動連接部件12上，波紋管牢固地固定到可滑動連接部件12和第三連接部件。因此，連接部件12、可膨脹套筒7和波紋管一起形成緊密連接，防止井流體進入管狀結(jié)構(gòu)3中。將兩個端部9、10固定與最大直徑膨脹能力的結(jié)合被認為是有利的，因為這將消除了活動部件，并且不再需要這些活動部件內(nèi)的昂貴的并且高風(fēng)險的高壓密封件。當(dāng)考慮到高溫或高腐蝕性(例如，酸，H2S等)的井環(huán)境時，這是特別重要的。當(dāng)環(huán)形障礙物I具有位于可膨脹套筒7和管狀部件6之間的可滑動連接部件12時，與不具有此種可滑動連接部件12的環(huán)形障礙物相比，套筒的膨脹量增大到100%。
在另一實施例中，可膨脹套筒7具有外表面，該外表面在與套筒的厚度增大的部分相對的位置處具有兩個密封元件。當(dāng)可膨脹套筒7膨脹時，這些密封元件裝配到由增大的厚度形成的槽中并且密封井眼5的內(nèi)壁。這些密封元件具有用于增大密封能力的外部波紋面。這些密封元件具有三角截面形狀以適配于在膨脹期間在套筒7中出現(xiàn)的槽中。這些密封元件由彈性體或者具有密封能力且為柔性的類似材料制成。瓦解壓力是指能夠使得可膨脹套筒7瓦解的外部壓力。瓦解壓力越高，可膨脹套筒7在瓦解之前能夠經(jīng)受的來自地層和環(huán)隙中的壓力就越高。本發(fā)明也涉及井下系統(tǒng)50，如圖5所示，所述系統(tǒng)50具有井管狀結(jié)構(gòu)3和一環(huán)形障礙物I或者多個環(huán)形障礙物I。在另一實施例中，所述系統(tǒng)具有雙環(huán)形障礙物。該雙環(huán)形障礙物I具有兩個端部連接部件12和一中間連接部件。兩個可膨脹套筒7緊固到一個端部連接部件和中間部件上。中間連接部件與兩個端部連接部件12中的一個一樣是可滑動的。另一個端部連接部件12牢固地緊固到管狀部件6。環(huán)形障礙物I具有兩個開口，所述開口用于注入用于膨脹套筒7的加壓流體。在雙環(huán)形障礙物I的另一實施例中，所述障礙物僅僅具有一個用于注入用于膨脹套筒7的加壓流體的開口。環(huán)形障礙物I具有兩個腔體，中間連接部件12具有與兩個腔體流體連接的通道，從而用于膨脹具有所述開口的腔體的流體能夠流經(jīng)上述通道從而也膨脹另一個套筒7。本發(fā)明還涉及環(huán)形障礙物系統(tǒng)40，如圖5所示，該系統(tǒng)40包括一個如上所述的環(huán)形障礙物I。環(huán)形障礙物系統(tǒng)40此外還包括用于膨脹環(huán)形障礙物I的可膨脹套筒7的膨脹工具15。該膨脹工具15通過使流經(jīng)管狀部件6中的通道19的加壓流體流到可膨脹套筒7和管狀部件6之間的空間13中來膨脹可膨脹套筒7。膨脹工具15可以包括隔離裝置17，該裝置17用于隔離所述工具的外壁和井管狀結(jié)構(gòu)3的內(nèi)壁之間的通道或閥19外側(cè)的第一區(qū)段。通過增大隔離裝置17中的流體的壓力獲得加壓流體。當(dāng)井管狀結(jié)構(gòu)3的位于管狀部件6的通道19外側(cè)的區(qū)段被隔離時，沒有必要在整個井管狀結(jié)構(gòu)3中加壓流體，也就不需要像現(xiàn)有技術(shù)解決方案一樣添置附加的插塞。當(dāng)流體已經(jīng)被注入到腔體13中時，所述通道或閥19關(guān)閉。在工具15不能在井管狀結(jié)構(gòu)3中向前移動的情況下，工具可以包括井下牽引器，諸如 Well Tractor 。工具15也可以使用用于膨脹一個環(huán)形障礙物I或同時膨脹兩個環(huán)形障礙物I的可膨脹套筒7的盤管。帶有盤管的工具15能夠在不必隔離井管狀結(jié)構(gòu)3的一區(qū)段的情況下加壓井管狀結(jié)構(gòu)3中的流體；然而，工具可能需要在井眼5中比待操作的兩個環(huán)形障礙物I更靠下的位置處插塞井管狀結(jié)構(gòu)3。本發(fā)明的環(huán)形障礙物系統(tǒng)40也可采用用于膨脹套筒7的鉆桿或繩索工具。在一個實施例中，例如當(dāng)用于膨脹套筒7的流體是水泥、氣體或者二元混合物時，所述工具15包括容納加壓流體的容器。環(huán)形障礙物I還可稱為封隔器(packer)或者類似的可膨脹的裝置。井管狀結(jié)構(gòu)3可以是井或井眼中的生產(chǎn)管件或套管或類似的井下管件。環(huán)形障礙物I可用在井眼中的內(nèi)部生產(chǎn)管件和外部管件之間或者用在管件和井眼5的內(nèi)壁之間。井可以具有多種管件，本發(fā)明的環(huán)形障礙物I可安裝用于所有上述管件。閥19可以是任意類型的能夠控制流動的閥，諸如球閥、蝶形閥、阻氣閥門、止回閥或者單向閥、隔膜閥、膨脹閥、閘式閥、球形閥、刀閘閥、針閥、活塞閥、夾管閥或者旋塞閥?？膳蛎浌軤罱饘偬淄?可以是冷拔管狀結(jié)構(gòu)或者熱拔管狀結(jié)構(gòu)。用于膨脹可膨脹套筒7的流體可以是在包圍工具15和/或井管狀結(jié)構(gòu)3的井眼5中存在的任意類型的井流體。此外，流體可以是水泥、氣體、水、聚合物或二元混合物，諸如與粘合劑或者硬化劑混合或者反應(yīng)的粉末或顆粒。部分流體諸如硬化劑在將后續(xù)的流體注入到腔體13中之前，可以出現(xiàn)在腔體13中。雖然以上已經(jīng)結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了說明，但是對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不偏離所附權(quán)利要求限定的發(fā)明的情況下，很明顯地可以想到若干修改。
權(quán)利要求
1.一種用于在井管狀結(jié)構(gòu)(3)和井下井眼(5)的內(nèi)壁(4)之間的環(huán)隙(2)中膨脹的環(huán)形障礙物(I)，所述環(huán)形障礙物包括: -管狀部件(6)，其作為所述井管狀結(jié)構(gòu)的一部分安裝， -可膨脹套筒(7)，其由第一金屬制成，包圍所述管狀部件并且限定與所述管狀部件的內(nèi)部(64)流體連通的空間(13)，所述可膨脹套筒具有縱向延伸部、面對所述管狀部件的內(nèi)表面(8)和兩個端部(9，10)， -連接部件(12)，其由第二金屬制成，連接所述可膨脹套筒與所述管狀部件， -開口，其用于使流體進入所述空間中以膨脹所述套筒，以及 -過渡區(qū)域(11 )，其包括使所述套筒與所述連接部件連接的連接部分(14)， 其中，所述第一金屬比所述第二金屬具有更高的柔性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述環(huán)形障礙物包括處于所述過渡區(qū)域中的限制元件，所述限制元件限制所述套筒在所述區(qū)域中的自由膨脹。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述過渡區(qū)域沿著所述可膨脹套筒的縱向延伸部從位于所述連接部分處的第一點(21)延伸到位于所述可膨脹套筒上的預(yù)定第二點(22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述可膨脹套筒在所述第一點處比在所述第二點處膨脹更加受限。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述限制元件是所述連接部件的突出部分(18)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述突出部分朝向所述可膨脹套筒變尖。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述可膨脹套筒的每一端具有與所述突出部分的形狀相對應(yīng)的變尖形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至4所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述限制元件是包圍所述可膨脹套筒的附加環(huán)(24)，所述附加環(huán)與所述連接部件連接并且從所述連接部件朝向所述可膨脹套筒變尖。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至4所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述限制元件是所述可膨脹套筒的增大的厚度，通過將附加材料(30)增設(shè)到所述可膨脹套筒的至少外側(cè)來提供所述增大的厚度，其中，所述附加材料從所述連接部件朝向所述套筒變尖。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述可膨脹套筒的厚度從所述連接部件的厚度減小到比所述連接部件的厚度的95%小的厚度，優(yōu)選地比所述連接部件的厚度的90%小的厚度，以及更加優(yōu)選地比所述連接部件的厚度的80%小的厚度。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述第一金屬具有35%-70%、至少40%、優(yōu)選地40%-50%的伸長率。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述第二金屬具有10%-35%、優(yōu)選地25%-35%的伸長率。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述管狀部件具有兩個區(qū)段(36)，所述兩個區(qū)段位于中間部分(37)的相對的兩側(cè)并且與所述管狀結(jié)構(gòu)中的所述開口分隔開，所述管狀部件在所述區(qū)段中具有比所述管狀部件的所述中間部分的外徑大的外徑和比所述中間部分的壁厚厚的壁厚。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述連接部件設(shè)置成與所述兩個區(qū)段相面對。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述連接部件中的一個以可滑動的方式相對于所述管狀部件的所述區(qū)段設(shè)置，所述連接部件中的另一個在密封連接部分(35)中緊固到所述管狀部件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述密封連接部分(35)與設(shè)置在可滑動的連接部件中的密封裝置(20 ) 一起密封所述空間。
17.根據(jù)權(quán)利要 求13至16中的任一項所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，各個連接部件具有覆蓋所述可膨脹套筒(7)的突出部分(18)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的環(huán)形障礙物，其特征在于，所述連接部件的所述突出部分(18)和所述可膨脹套筒焊接在一起。
19.一種環(huán)形障礙物系統(tǒng)(40)，所述系統(tǒng)包括膨脹工具(15)和根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項所述的環(huán)形障礙物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的環(huán)形障礙物系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹工具包括爆炸物、加壓流體、水泥或者它們的組合。
21.一種井下系統(tǒng)(50)，所述系統(tǒng)包括井管狀結(jié)構(gòu)和至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至18中的任一項所述的環(huán)形障礙物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在井管狀結(jié)構(gòu)和井下井眼的內(nèi)壁之間的環(huán)隙中膨脹的環(huán)形障礙物。所述環(huán)形障礙物包括管狀部件，其作為所述井管狀結(jié)構(gòu)的一部分安裝；可膨脹套筒，其由第一金屬制成，包圍所述管狀部件并且限定與所述管狀部件的內(nèi)部流體連通的空間，所述可膨脹套筒具有縱向延伸部、面對所述管狀部件的內(nèi)表面和兩個端部；連接部件，其由第二金屬制成，連接所述可膨脹套筒與所述管狀部件；開口，其用于使流體進入所述空間中以膨脹所述套筒；以及過渡區(qū)域，其包括所述套筒與所述連接部件的連接。
文檔編號E21B33/127GK103154425SQ201180048461
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月7日
發(fā)明者J·哈倫德巴克, P·黑澤爾, T·S·安德森 申請人:韋爾泰克有限公司