CN103140648B - 钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种待***到套管或者井管状结构中的用于膨胀井下环形障碍物的膨胀设备。所述环形障碍物包括用于作为所述井管状结构的一部分安装的管状结构、包围所述管状结构的可膨胀套筒以及将所述可膨胀套筒与所述管状结构连接起来的连接部件。所述管状结构具有开口和使得所述管状结构的内径减小的两个突出元件。所述膨胀设备包括管状部件，该管状部件在第一端部和第二端部之间延伸，所述管状部件包括：设置在所述第一端部和所述第二端部之间的至少一个开口；内表面，其包围一内部空间；以及外表面。此外，所述膨胀设备还至少包括密封地连接到所述管状部件的外表面的第一密封元件和第二密封元件。

Description

钻杆

技术领域

本发明涉及一种膨胀设备，这种膨胀设备待被***到套管或者井管状结构中以用于膨胀井下环形障碍物。该环形障碍物包括用于作为井管状结构的一部分安装的管状结构、包围管状结构的可膨胀套筒以及将可膨胀套筒连接到管状结构的连接部件。此外，本发明还涉及都包括膨胀设备的钻杆和盘管，还涉及一种用于膨胀定位在井下套管外侧的环形障碍物的方法以及一种用于将膨胀设备***到井下套管中的方法。

背景技术

在井筒中，环形障碍物用于不同的目的，诸如用于在内管结构和外管结构之间或者在内管结构和井眼的内壁之间设置流动阻碍。环形障碍物作为井管状结构的一部分安装。环形障碍物具有由环形可膨胀套筒包围的内壁。可膨胀套筒典型地由弹性体材料制成，但是也可由金属制成。该套筒在其端部紧固到环形障碍物的内壁。

为了密封内管结构和外管结构之间或者井管状结构和井眼之间的区域，使用第二环形障碍物。第一环形障碍物在待密封区域的一侧膨胀，并且第二环形障碍物在该区域的另一侧膨胀，以此方式，该区域被密封。

借助于膨胀设备执行环形障碍物的膨胀，其中该膨胀设备用于向待膨胀的环形障碍物之外的空间加压。然而，已知的膨胀设备的设计经常是很复杂的，这会使得难以使用这些膨胀设备。

因此希望提供一种解决方案，在该解决方案中，用于膨胀环形障碍物的膨胀设备具有简单的但是可靠的设计。

发明内容

本发明的目的是完全地或者部分地克服现有技术中的上述缺点和缺陷。更具体地，本发明的一个目的是提供改进的用于膨胀井下套管外侧的环形障碍物的膨胀设备。

从以下的说明中将变得显而易见的上述目的、以及多种其他目的、优点和特征将通过根据本发明的解决方案、通过待***到套管或者井管状结构中的用于膨胀井下环形障碍物的膨胀设备来实现，所述环形障碍物包括用于作为所述井管状结构的一部分安装的管状结构、包围所述管状结构的可膨胀套筒以及将所述可膨胀套筒与所述管状结构连接的连接部件，所述管状结构具有开口和使得所述管状结构的内径减小的两个突出元件，所述膨胀设备包括：

-管状部件，其在第一端部和第二端部之间延伸，所述管状部件包括：

-至少一个开口，其设置在所述第一端部和所述第二端部之间，

-内表面，其包围一内部空间，以及

-外表面，

-至少第一密封元件和第二密封元件，两者密封地连接到所述管状部件的外表面，

其中，各个密封元件以与两个突出元件之间的距离相对应的距离彼此隔开地设置，以与所述突出元件密封地连接，由此在它们之间形成一外部空间。

在一个实施例中，所述管状部件可以是冲洗管（wash down）。

此外，本发明涉及一种待***到套管或者井管状结构中的用于膨胀井下环形障碍物的膨胀设备，所述环形障碍物包括用于作为所述井管状结构的一部分安装的管状结构、包围所述管状结构的可膨胀套筒以及将所述可膨胀套筒与所述管状结构连接的连接部件，所述管状结构具有开口，所述膨胀设备包括：

-管状部件，其在第一端部和第二端部之间延伸，所述管状部件包括：

-至少一个开口，其设置在所述第一端部和所述第二端部之间，

-内表面，其包围一内部空间，以及

-外表面，

-至少第一密封元件和第二密封元件，两者在相对侧密封地连接到所述管状部件的外表面，并且与所述管状结构中的开口相隔一距离，

其中，各个密封元件具有一环形部件和一局部地向所述开口突出的环形凸缘，所述第一密封元件的所述环形凸缘向所述开口突出，所述第二密封元件的所述环形凸缘向所述开口突出，所述第一密封元件和所述第二密封元件、所述管状部件的外表面以及所述管状结构的内表面全部围绕一外部空间。

所述膨胀设备还可包括具有可滑动套筒开口的可滑动套筒，所述可滑动套筒与所述管状部件在外表面上从闭合位置到打开位置可滑动地连接，在所述打开位置中，所述可滑动套筒开口与所述管状结构中的开口对齐。

此外，借助于闭合所述可滑动套筒中的孔口的球，可将所述可滑动套筒从所述闭合位置移动到所述打开位置。

在本发明的一个实施例中，所述环形凸缘可以以一角度从所述环形部件突出，所述角度小于60°，优选地小于45°。

在另一实施例中，所述密封元件可以具有V形、U形、L形、M形或者S形横截面形状或者类似的横截面形状。

此外，所述密封元件可以是环状杯形密封。

此外，数个密封元件可以设置在所述管状部件的第一端和第二端。

另外，所述密封元件可以以它们之间存在预定距离的方式设置。

此外，至少环形凸缘可以由柔性/弹性材料制成。另外，所述环形凸缘可以具有固有的弹性/回弹性。

此外，所述材料可以是弹性体。

此外，至少所述环形凸缘可包括加强元件。

所述加强元件可以是嵌置在所述柔性材料中的栅格或网状件。

此外，柔性/弹性材料可以包括SMA金属。

所述膨胀设备还可以包括保持装置，该保持装置用于将所述环形凸缘保持为朝向所述环形部件以减小所述环形凸缘的外径。

另外，所述保持装置可以是弹簧装置、橡皮圈和可突然断裂的线或类似物。

在一个实施例中，所述管状部件可以包括若干开口。

此外，所述管状部件可以至少在一端部被密封。

此外，所述管状部件的所述一端部可以被球形闭合件密封。

另外，所述内部空间可适用于被加压。

所述膨胀设备还可包括增压装置和用于加热流体的加热装置。

此外，通过增大流体或气体中的压力可以使所述内部空间增压。

本发明还涉及一种井下***，所述井下***包括上述的膨胀设备和驱动单元，诸如井下牵引器。

此外，本发明涉及一种钻杆，所述钻杆包括如上所述的膨胀设备。

此外，本发明涉及一种盘管，所述盘管包括如上所述的膨胀设备。

另外，本发明涉及一种用于膨胀定位在井下套管外侧的环形障碍物的方法，所述方法包括如下的步骤：

-将如上所述的膨胀设备定位成面对所述套管中的开口，其中所述环形障碍物定位成面对所述套管中的开口，

-向所述膨胀设备的内部空间（8）加压，由此压力经由开口（6）将第一和第二密封元件压向所述套管的壁的内表面，由此形成一增压的外部空间，以及

-经由所述套管中的开口使所述环形障碍物的内部空间增压而膨胀所述环形障碍物。

在一个实施例中，在增压之前和/或在增压期间，所述膨胀设备的内部空间可在一端部处被密封。

此外，所述膨胀设备可在一端部被球形闭合件密封。

最后，本发明涉及一种用于将如上所述的膨胀设备***到井下套管中的方法，所述方法包括如下的步骤：

-通过向环形部件挤压所述膨胀设备的密封元件的环形凸缘，减小所述环形凸缘的外径，

-借助于保持装置将所述环形凸缘保持在直径减小的状态下，

-将所述膨胀设备***到所述套管中，

-将所述膨胀设备移动到与所述套管中的开口相对的位置，其中所述环形障碍物定位成面对所述套管中的开口，以及

-释放所述保持装置以使所述环形凸缘保持其原有的直径，由此使所述膨胀设备准备膨胀。

在一个实施例中，可以在使所述膨胀设备的内部空间增压期间释放所述保持装置。

此外，在所述环形障碍物膨胀之后以及从所述套管中移出所述膨胀设备的步骤之前，可以减小所述环形凸缘的外径。

最后，可以在所述膨胀设备的内部空间被加压时减小所述外径。

附图说明

以下将参考示意性附图对本发明以及本发明的很多优点进行详细的说明，所述附图处于示意的目的仅示出了一些非限制性的实施例，附图中：

图1示出了***在井下套管中的膨胀设备，

图2示出了图1的膨胀设备，其具有一个闭合的端部，

图3示出了环形障碍物膨胀期间的图1的膨胀设备，

图4示出了膨胀设备的另一实施例，

图5示出了膨胀设备的又一实施例，

图6示出了密封元件，

图7示出了密封元件的另一实施例，

图8A和8B示出了具有加强元件的密封元件，

图9A和9B示出了密封元件的又一实施例，

图10A和10B示出了膨胀设备的又一实施例，并且，

图11示出了膨胀设备的局部横截面图。

所有的附图都是高度示意的，并不一定按比例绘制，并且它们只示出了为了解释本发明所必需的一部分，其他部分被省略了或仅仅给予暗示。

具体实施方式

图1示出了***到井下套管2中的且在膨胀环形障碍物15之前与环形障碍物15相对的膨胀设备1。环形障碍物包括用于作为井管状结构的一部分安装的管状结构2a，也称为套管。环形障碍物具有包围上述管状结构的可膨胀套筒17以及将该可膨胀套筒与管状结构连接在一起的连接部件23。管状结构具有开口16，该开口用于向环形障碍物加压并且因此膨胀可膨胀套筒。

膨胀设备1包括管状部件3，该管状部件3具有包围内部空间8的内表面7以及外表面9，两个密封元件10、11已密封地固定于外表面9上。管状部件3具有开口6，开口6设置成与环形障碍物15中的开口16相对。开口6也可设置成与开口16错位，但是以使得开口6和开口16保持彼此流体连通的方式。两个密封元件中的第一密封元件10设置在管状部件3的第一端4处，并且第二密封元件11设置在管状部件3的第二端5处，从而使得这两个密封元件之间存在距离。各个密封元件10、11分别具有环形部件12和环形凸缘13。环形凸缘13从环形部件12向开口16突出。因此，第一密封元件10和第二密封元件11、管状部件3的外表面9和套管2的内表面7全部围绕一外部空间14，其中该外部空间14被加压以膨胀环形障碍物15。

膨胀设备1还包括与球座配合的球的形式的闭合元件20。球20随着管状部件3的内部空间8中的增压流体流动，当该球体碰触到球座时，如图2所示，管状部件3闭合。

膨胀设备1借助于螺纹连接26连接到通常的钻杆25或盘管上从而使得管状部件3形成钻杆25的一部分。

从图1至图3中可看出，密封元件10、11的环形凸缘13朝向开口16向内突出，并且当球20闭合钻杆25的一端时，内部空间8中的压力增大，并且因此外部空间14中的压力也增大。因此，该压力将凸缘13推向套管2的内表面7，凸缘13抵靠在该内表面7上密封，这使得在外部空间14内部的压力也增大。另外，增压流体进一步流向环形障碍物15的内部空间8中，压力增加直到环形障碍物的可膨胀套筒17膨胀，如图3所示。

在图4中，膨胀设备1的管状部件3在一端闭合，并且不需要利用额外的闭合元件20来向膨胀设备1加压。以此，膨胀设备1是钻杆25的端部部件。

图5的膨胀设备1包括两个处于管状部件3的第一端4处的第一密封元件10以及两个处于管状部件的第二端5处的第二密封元件11。出于安全考虑，通过在各端都包含两个密封元件10、11，形成双重障碍。

膨胀设备1也可连接到驱动单元，诸如井下牵引器，而不是连接到钻杆25。

密封元件10、11具有密封地包围管状部件3的基部环形部件12。环形部件12在管状部件3的径向上延伸。如图6所示，环形凸缘13在与径向呈α角的情况下从环形部件12突出。角度α小于60°，优选地小于45°。密封元件10、11是形成在实心、柔性和有弹性的材料（诸如弹性体聚合物）中的杯形密封件。

在图7中，密封元件10、11具有诸如V形的截面形状，从而当以截面视图观察时，突出的凸缘13和环形部件12一起形成V形。在另一实施例中，密封元件10、11可具有U形、L形、M形或者S形横截面形状。

如图8A和8B所示，密封元件10、11也可包括加强元件18。加强元件18形成为由形状记忆合金（SMA）制成的盘簧，从而如图8B所示，当弹簧受热时，其直径膨胀。该热量可通过沿着钻杆25向下注入加热流体来供给。

在图9A和图9B中，加强元件18构型为手指形状。该指状件具有弹簧力，当取下保持装置19时，该弹簧力释放。保持装置19保持密封元件10、11的凸缘13的减小的直径，如图9A所示，直到弹簧力释放。

在图8A-9B中，加强元件18嵌置在密封元件10、11中，但是在另一实施例中，加强元件可以设置在凸缘13的外侧。加强元件18可以是嵌置在柔性材料中或者设置在密封元件10、11外侧的栅格、网状件、指状件或者臂状件。

保持装置19可以具有任意适当的设计，在图10A和图10B中示出了这些设计中的一个。保持装置19与闭合元件20的球座连接，当球流动并且碰触到该球座时，该球座移动直到轴向槽21阻止该球座进一步移动。该轴向移动使得保持装置19发生轴向移动，并且保持装置因此移动离开并与密封元件10、11的凸缘13脱离接合。当保持装置19移离凸缘13时，凸缘由于回弹性弹簧力而向外突出。

保持装置19也可以具有任意适当的设计，如图9A所示，当压力迫使凸缘13朝向套管2的内表面7突出时，该保持装置19可能破裂。保持装置19也可以是当从凸缘13的前侧施加压力以迫使凸缘向外时沿着凸缘13的背侧的倾斜表面滚落的橡皮圈。保持装置19也可以是当压力迫使凸缘13向外时突然断裂的线。

在图11中，待***到套管2中以用于膨胀井下的环形障碍物15的膨胀设备1与环形障碍物15配合，以在膨胀设备1和环形障碍物15之间提供两个密封连接，以使得膨胀设备内部的压力增大、包围膨胀设备的环形空间内部的压力增大以及可膨胀套筒和环形障碍物的管状结构2a之间的空间内部的压力增大。环形障碍物15包括用于作为油井管状结构2的一部分安装的管状结构。可膨胀套筒17包围上述的管状结构，并且连接部件23使得可膨胀套筒与上述管状结构连接。该管状结构具有开口16和两个突出元件22，其中这些突出元件22使得管状结构的内径减小并且因此减小位于管状部件3中的开口的相对侧的两个位置的管状结构的厚度。膨胀设备1的管状部件3在第一端部件4和第二端部件5之间延伸，并且至少第一密封元件10和第二密封元件11密封地连接到管状部件3的外表面9。各个密封元件10、11以与两个突出元件22之间的距离相对应的距离彼此间隔地设置，从而与突出元件22密封地连接。以此，膨胀设备1的密封元件10、11密封管状部件3的突出元件22，并且因此在它们之间形成一外部空间14。

膨胀设备1包括具有内座的滑动套筒34，其中球20（该球20掉落到在管状部件3中流动的流体中）就坐于该内座上以闭合滑动套筒的内座处的孔口。当球20已经闭合了滑动套筒34时，内部空间8中的压力增大直到施加在球上的压力足够大到将套筒从闭合位置移动到打开位置。在该套筒的打开位置中，滑动套筒34的开口与管状结构中的开口对齐，并且压力继续增大以膨胀可膨胀套筒17。

在此实施例中，管状部件3是冲洗管、钻杆或者其他的管件。膨胀设备1的管状部件3与冲洗管、钻杆等连接并且作为其一部分，并且然后降到井中。

突出元件22可具有位于槽中的密封O形环25或者类似的密封件以提供更好的密封。此外，连接可膨胀套筒与管状结构的连接部件可具有位于槽中的密封O形环25或者类似的密封件以提供更好的密封。

膨胀设备1还可包括定位在钻井台或者钻井船的表面上的增压设备，诸如泵。

流体或者井流体指的是任意类型的可存在于井下的油井或者气井中的流体，诸如天然气、油、油基泥浆、原油、水等。气体指的是任意类型的在井3、完井或者裸井中存在的气体成分，油指的是任意类型的油成分，诸如原油、含油流体等。气体、油以及水流体各因此都可包含除气体、油和/或水之外的其他元素或物质。

套管指的是用在井下的与油或天然气生产有关的任意类型的管道、管子、管状体、衬垫、柱体等。

在工具没有全部没入套管的情况下，井下牵引器可用于在井中将工具推至正确位置。井下牵引器是任意类型的能够在井下井中推进或牵拉工具的驱动工具，诸如Well

虽然以上已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域的技术人员而言，在不脱离由下述的权利要求所限定的本发明的情况下明显可以想到多种修改。

Claims (24)

1.一种井下***，包括：

-套管或者井管状结构(2)，

-环形障碍物(15)，所述环形障碍物包括：

-用于作为所述套管或者井管状结构的一部分安装的管状结构(2a)，

-包围所述管状结构的可膨胀套筒(17)，以及

-将所述可膨胀套筒与所述管状结构连接起来的连接部件(23)，所述管状结构具有开口和使得所述管状结构的内径减小的两个突出元件(22)，和

待***所述套管或者井管状结构中的用于膨胀井下环形障碍物的膨胀设备(1)，所述膨胀设备包括：

-管状部件(3)，其在第一端部(4)和第二端部(5)之间延伸，所述管状部件包括：

-至少一个开口(6)，其设置在所述第一端部和所述第二端部之间，

-内表面(7)，其包围一内部空间(8)，以及

-外表面(9)，

-至少第一密封元件(10)和第二密封元件(11)，两者密封地连接到所述管状部件的外表面，

其中，各个密封元件以与两个突出元件之间的距离相对应的距离彼此隔开地设置，以与所述突出元件密封地连接，由此在它们之间形成一外部空间(14)。

2.根据权利要求1所述的井下***，其中，该膨胀设备还包括具有可滑动套筒开口的可滑动套筒(34)，所述可滑动套筒与所述管状部件在外表面上从闭合位置到打开位置可滑动地连接，在所述打开位置中，所述可滑动套筒开口与所述管状开口对齐。

3.根据权利要求2所述的井下***，其中，借助于闭合所述可滑动套筒中的孔口的球，所述可滑动套筒被从所述闭合位置移动到所述打开位置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的井下***，其中，所述管状部件的一端部由球密封。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的井下***，其中，所述内部空间通过增加流体或者气体中的压力来增压。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的井下***，其中，还包括驱动单元。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的井下***，其中，所述密封元件具有V形、U形、L形、M形或者S形横截面形状。

8.一种待***到套管或者井管状结构(2)中的用于膨胀井下环形障碍物(15)的膨胀设备(1)，所述环形障碍物包括用于作为所述井管状结构的一部分安装的管状结构、包围所述管状结构的可膨胀套筒(17)以及将所述可膨胀套筒与所述管状结构连接起来的连接部件(23)，所述管状结构具有开口，所述膨胀设备包括：

-管状部件(3)，其在第一端部(4)和第二端部(5)之间延伸，所述管状部件包括：

-至少一个开口(6)，其设置在所述第一端部和所述第二端部之间，

-内表面(7)，其包围一内部空间(8)，以及

-外表面(9)，

-至少第一密封元件(10)和第二密封元件(11)，两者在相对的两侧密封地连接到所述管状部件的外表面，并且与所述管状结构中的开口相隔一距离，

其中，各个密封元件具有一环形部件(12)和一局部地向所述开口突出的环形凸缘(13)，所述第一密封元件的所述环形凸缘向所述开口突出，所述第二密封元件的所述环形凸缘向所述开口突出，所述第一密封元件(10)和所述第二密封元件(11)、所述管状部件(3)的外表面(9)以及所述管状结构的内表面(24)全部围绕一外部空间(14)。

9.根据权利要求8所述的膨胀设备，还包括：具有可滑动套筒开口的可滑动套筒(34)，所述可滑动套筒与所述管状部件在外表面上从闭合位置到打开位置可滑动地连接，在所述打开位置中，所述可滑动套筒开口与所述管状开口对齐。

10.根据权利要求9所述的膨胀设备，其特征在于，借助于闭合所述可滑动套筒中的孔口的球，所述可滑动套筒被从所述闭合位置移动到所述打开位置。

11.根据权利要求8至10中的任一项所述的膨胀设备，其特征在于，所述环形凸缘以一角度(α)从所述环形部件突出，所述角度(α)小于60°。

12.根据权利要求8至10中的任一项所述的膨胀设备，其特征在于，所述密封元件具有V形、U形、L形、M形或者S形横截面形状。

13.根据权利要求8至10中的任一项所述的膨胀设备，其特征在于，所述环形凸缘由柔性/弹性材料制成。

14.根据权利要求13所述的膨胀设备，其特征在于，所述材料是弹性体。

15.根据权利要求13所述的膨胀设备，其特征在于，所述环形凸缘包括加强元件(18)。

16.根据权利要求15所述的膨胀设备，其特征在于，所述加强元件是嵌置在所述柔性材料中的栅格或网状件。

17.根据权利要求8至10中的任一项所述的膨胀设备，其特征在于，所述管状部件的一端部由球密封。

18.根据权利要求8至10中的任一项所述的膨胀设备，其特征在于，通过增加流体或者气体中的压力来使所述内部空间增压。

19.一种井下***，所述井下***包括驱动单元和根据前述权利要求中的任一项所述的膨胀设备。

20.一种钻杆，所述钻杆包括根据权利要求1至18中的任一项所述的膨胀设备。

21.一种盘管，所述盘管包括根据权利要求1至18中的任一项所述的膨胀设备。

22.一种用于膨胀定位在井下套管外侧的环形障碍物(15)的方法，所述方法包括如下的步骤：

-将根据权利要求1至18中的任一项所述的膨胀设备定位成面对所述套管中的开口，其中所述环形障碍物定位成面对所述套管中的开口，

-向所述膨胀设备的内部空间(8)加压，由此压力经由开口(6)将第一和第二密封元件压向所述套管的壁的内表面(24)，由此形成一增压的外部空间，以及

-经由所述套管中的开口使所述环形障碍物的内部空间增压而膨胀所述环形障碍物。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，在增压之前和/或在增压期间，所述膨胀设备的内部空间在一端部处被密封。

24.一种用于将根据权利要求1至18中的任一项所述的膨胀设备***到井下套管中的方法，所述方法包括如下的步骤：

-通过向环形部件挤压所述膨胀设备的密封元件的环形凸缘，减小所述环形凸缘的外径，

-借助于保持装置将所述环形凸缘保持在直径减小的状态下，

-将所述膨胀设备***到所述套管中，

-将所述膨胀设备移动到与所述套管中的开口相对的位置，其中所述环形障碍物定位成面对所述套管中的开口，以及

-释放所述保持装置以使所述环形凸缘保持其原有的直径，由此使所述膨胀设备准备膨胀。