穿过封隔器组件的密封元件并且防止其挤出的延伸管线

摘要

一种封隔器组件，可包括：环形的密封元件；以及至少一个端环，包括在该端环的本体上形成的叶片，由此当该密封元件沿径向向外延伸时，所述叶片被沿径向向外偏置。一种密封地下井中的环空的方法，可包括：设置圆周上的一系列叶片，所述叶片沿径向向外覆盖封隔器组件的环形的密封元件；并且所述叶片响应所述密封元件的膨胀而沿径向向外枢转。另一种封隔器组件，可包括：环形的密封元件，其响应与井中的选定流体的接触而膨胀；以及端环，包括可去除部，所述可去除部经由互锁外形部与所述端环的本体接合。

说明书

技术领域

本发明大体涉及一种与地下井共同执行的操作和利用的设备，而在以下 描述的示例中，更具体地提供一种穿过封隔器密封元件并且防止这些封隔器 密封元件挤出（extrusion）的延伸管线。

背景技术

封隔器组件的环空压差等级可受到封隔器组件的密封元件的挤出的限 制。有益的是能够使管线穿过密封元件而纵向延伸。

因此应理解，构造封隔器组件的技术领域中需要改进。

发明内容

在以下公开的内容中，提供一种为现有技术带来改进的封隔器组件和相 关的方法。以下描述了一个示例，其中，管线穿过密封元件和端环而纵向延 伸。以下描述了另一示例，其中，利用端环上的能够沿径向延伸的叶片来防 止密封元件的挤出。

在一个方案中，本发明为本技术领域提供了一种在地下井中使用的封隔 器组件。该封隔器组件可包括环形的密封元件和至少一个端环。该端环包括 在该端环的本体上形成的叶片，由此当密封元件沿径向向外延伸时，这些叶 片被沿径向向外偏置。

在另一个方案中，本发明提供一种密封地下井中的环空的方法。该方法 可包括设置圆周上的一系列叶片，这些叶片沿径向向外覆盖封隔器组件的环 形的密封元件，并且这些叶片响应密封元件的膨胀而沿径向向外枢转。

在又一个方案中，提供一种在地下井中使用的封隔器组件，其可包括： 环形的密封元件，其响应与井中的选定流体的接触而膨胀；以及至少一个端 环，包括具有可去除部的端环本体。该可去除部经由互锁外形部与端环的本 体接合。

一旦仔细考虑以下对代表性示例的详细描述和附图，这些和其他的特征、 优势和益处对于本领域技术人员而言就将是显而易见的，其中，在多个附图 中利用相同的附图标记来指代相似的元件。

附图说明

图1是能够体现本发明的原理的井系统和相关方法的示意性局部剖视 图；

图2-图9是可在图1的系统和方法中使用的封隔器组件的一个示例的示 意图；

图10-图15是封隔器组件的另一示例的示意图；

图16-图19是封隔器组件的又一示例的示意图。

具体实施方式

图1代表性地示出了能够体现本发明的原理的井系统10和相关的方法。 在井系统10中，封隔器组件12用于封闭在管柱16与井眼18之间形成的环 空14。在图1的示例中，井眼18设有套管20和水泥22，但在其他示例中， 井眼可不设套管或者是裸井。

为本领域技术人员公知的封隔器组件12的类型典型地为可膨胀封隔器， 但其他类型的封隔器也能够体现本发明的原理。在图1的示例中，封隔器组 件12的密封元件24沿径向向外延伸，以与井眼18形成密封接触以封闭环空 14。密封元件24的径向延伸可缘于可膨胀材料响应与选定流体接触而膨胀。

在本说明书中使用术语“膨胀”以及相似的术语（如“可膨胀的”）来表 示可膨胀材料的体积增大。典型地，体积的这种增大是由活化剂的分子组分 结合到可膨胀材料自身内而导致的，但是如果需要的话，也可利用其他膨胀 机制或者技术。请注意，膨胀（swelling）和扩展（expanding）不同，虽然 作为膨胀的结果，密封材料可能扩展。

例如，在一些传统的封隔器中，可通过沿纵向挤压密封元件，或通过使 密封元件胀大，而使密封元件沿径向向外扩展。在这些情况中的每种情况下， 密封元件扩展而不增大制造密封元件的密封材料的体积。因此，在这些传统 的封隔器中，密封元件扩展，但是不膨胀。

在本示例中，引起可膨胀材料膨胀的活化剂优选是碳氢化合物流体（如 石油或天然气）。在井系统10中，当流体包括活化剂时（例如当流体从包围 井眼的地层进入井眼18时、当流体被循环到封隔器组件12时、当流体从封 隔器组件所支承的空腔中释放时，等等），可膨胀的材料膨胀。作为响应，密 封元件24封闭环空14并且能够对井眼18施加夹持力。

引起可膨胀材料膨胀的活化剂可包含在任何一种类型的流体中。活化剂 可自然地存在于井中，或者活化剂可借助封隔器组件12来传送，单独地被传 送或流动以在需要时与井中的可膨胀材料接触。根据本发明的原理，可使用 任何使活化剂与可膨胀材料接触的方式。

对于本领域技术人员来说，多种可膨胀材料（这些材料在与水和/或碳氢 化合物流体接触时膨胀）是公知的，因此这些材料的综合列表将不在此处给 出。可膨胀材料的部分列表可在专利号为3385367和7059415的美国专利以 及申请公布号为2004-0020662的美国专利申请中找到，这些专利文献的全部 公开内容通过援引而结合在此。

作为另一替代方案，可膨胀材料可具有相当大的空腔部分，这些空腔的 表面处于受压或坍塌的条件下。因此，这种材料在被放置在更高压力条件下 的井中之后，就会因填充流体的空腔而膨胀。

这种类型的装置和方法可能被用于在出现天然气（而不是石油或水）的 情况下使可膨胀材料扩展。合适的可膨胀材料在申请公布号为2007-0257405 号美国专利申请中描述，在此通过援引而结合其全部公开内容。

优选地，在井工具12中使用的可膨胀材料由于碳氢化合物扩散到可膨胀 材料中而膨胀，或者在遇水可膨胀材料的情况下，由于水被超级吸收材料（如 纤维素、粘土等等）吸收和/或由于类盐材料（salt-like material）的渗透活动 而膨胀。如果需要，碳氢化合物可膨胀材料、遇水可膨胀材料以及遇天然气 可膨胀材料可被结合。

因此，应清晰地理解，根据本发明的原理，可使用任何在与预定的活化 剂接触时膨胀的可膨胀材料。可膨胀材料还可响应与多种活化剂中的任何活 化剂的接触而膨胀。例如，可膨胀材料可在与碳氢化合物流体接触和/或与水 接触时膨胀。

在图1的示例中，一个或多个管线26穿过封隔器组件12纵向地延伸。 管线26穿过密封元件24和端环28延伸，端环28沿纵向跨置于该密封元件 上。端环28在管柱16上支撑密封元件24，并且其作用是使密封元件膨胀时 密封元件通过环空14的挤出最小化。

管线26可以是电气（电子）、液压、光学和/或任何其他类型的管线。管 线26可采用导管、缆绳、电缆、光纤（或其他类型的光波导）、扁平封装管 线的形式和/或任何其他形式。管线26可用于控制信号、数据传输、通信、 遥测和/或任何其他目的。

现在再参照图2，其代表性地示出封隔器组件12的一个示例的放大比例 的详细视图。封隔器组件12可用于井系统10和以上描述的方法，或者可根 据本发明的原理用于任何其他井系统。

封隔器组件12的剖视图在图3中示出，而多个端环28之一的进一步放 大比例的剖视图在图4中示出。在图2-图4中还可观察到封隔器组件12的 该示例包括基管30上的密封元件24和端环28，基管优选地设有用于与管柱 16中的封隔器组件相互连接的合适的端部连接件（未示出）。

通常，这些部件沿封隔器组件12的纵轴线32排成一行。流动通道34 穿过基管30纵向延伸，使得流体即使当密封元件24封闭围绕封隔器组件12 的环空14时也能够流经该通道。

在图2到图4的示例中，纵向延伸的通道36被设置在密封元件24中， 用于在通道中安装管线26。狭缝38使管线26能够从狭缝侧被方便地安装在 通道36中（不需要从管线的端部将管线送入通道中）。

在图2-图4的示例中设置有四组通道36和狭缝38，并且这些通道在密 封元件24中被沿周向等距地间隔开。然而，可如所期望地设置其他数量和以 其他方式布置的通道、管线、狭缝等等。

多个端环28中的每个端环均包括本体40，本体环绕并且被固定到基管 30。本体40可借助紧固件（如图9示出的设定螺钉42）被固定到基管30， 或者本体可被焊接到基管或者借助其他工具被附接到基管上。

每个端环28还包括一个或多个可去除部44，可去除部44使管线26能 够从可去除部那一侧穿过端环而被安装（不需要穿过端环中的那些开口46 从端部送入管线）。开口46与密封元件24中的通道36对齐，从而使管线26 能够随着管柱16和封隔器组件12被送入井眼18内，从开口侧被方便地安装 在通道和开口中。

在将管线26插入到通道36和开口46中之后，可去除部44被附接到端 环的本体40，从而将管线固定到封隔器组件12。之后，封隔器组件12被设 置在井中，并且密封元件24被膨胀以封闭环空14。密封元件24的这种膨胀 还引起密封元件密封位于通道36中的管线26的周围，从而防止管线周围发 生渗漏。

根据端环28的一个特征，可去除部44经由纵向延伸的互锁外形部48 与端环本体40接合。这些互锁外形部优选地通过以线切割（例如利用放电式 机加工）方式从端环本体40切割出可去除部44而形成，但是也可按需要使 用其他方法来形成互锁外形部。互锁外形部48在附图中被示出呈J形，但是 也可按需要使用其他形状。

现在额外地参照图5，其代表性地示出沿图2中的线5-5截取的封隔器 组件12的剖视图。在本图中，能够清晰地看见通道36和狭缝38在密封元件 24中被构造的方式。

请注意，多个通道36中的一个通道呈矩形，而剩余的通道呈圆形。矩形 通道36可用于在其中安装扁平封装管线，而其他通道可用于在其中安装圆柱 形电缆，但是应理解，根据本发明的原理，可将形状的任意组合用于通道。

现在再参照图6-图9，其代表性地示出与封隔器组件12的剩余部分分开 的端环28。在这些视图中可清晰地看见，纵向延伸的叶片50在端环本体40 上形成，并且相似的纵向延伸的叶片52在可去除部44上形成。

套筒状的插入件54从叶片50沿径向向内地被安装在端环本体40中。插 入件54上还形成有沿纵向延伸的叶片56。

叶片50、52、56沿径向向外覆盖密封元件24的端部（例如参见图4）。 当密封元件24膨胀时，叶片50、52、56沿径向向外枢转，使得这些叶片在 端环28与井眼18之间沿径向横跨环空14延伸，从而防止密封元件的挤出部 分经过叶片。

优选地，插入件叶片56相对于可去除部44和本体40上的叶片50、52 在周向上偏移开，使得这些叶片之间不会暴露出周向间隙。以这种方式，叶 片50、52、56形成不会破损的壁以防止密封元件24的挤出（即使在叶片因 密封元件的膨胀而已经沿径向向外枢转之后）。

插入件54可借助粘合剂的粘附或其他附接工具而被固定在端环28中。 插入件54可以是如图9示出的连续式圆柱形套筒，或者如以下另一示例描述 地，插入件能以多个节段来制造。

现在再参照图10-图15，其代表性地示出封隔器组件12的另一示例。在 本示例中，多个管线26不是沿周向等距地分布在密封元件24中。替代性地， 这些管线26被安装在密封元件24的增厚侧，密封元件24的的增厚侧是由于 该密封元件相对于基管30的偏心定位而产生的。

在图10中，代表性地示出通过封隔器组件12的密封元件24的的节段截 取的剖视图。在本图中，可以看见密封元件24的外径具有纵轴线58，纵轴 线58相对于基管30的纵轴线32和密封元件的内径横向偏移。

密封元件24的外径的这种偏心定位产生密封元件的增厚侧60。管线26 被安装在该增厚侧60中的通道36内。为图示清晰起见管线26未在图10中 示出，但是优选地，这些管线将以对应于图2到图9的示例的上述方式被安 装在通道36中。

在图11中代表性地示出端环28的端视图。请注意，端环28的外径相对 于端环的内径是偏心的。另外，两个开口46由本体40和一个可去除部44 界定。

在图12中，代表性地示出可去除部44被去除后的端环28的立体图。在 本图中，可以看见，插入件54沿周向不连续，其中部分44被从本体40去除。 这使得管线26在将可去除部44附接到本体40之前，能够被安装在通道36 和端环28中。

在图13中示出插入件54。在图14中，示出插入件54的节段54a被附 接到端环28的可去除部44的方式。请注意，该设置方式保存了插入件叶片 56相对于可去除部44和本体40上的叶片50、52的周向互补，因此即使当 这些叶片由于密封元件24的膨胀而向外枢转时也不会形成周向间隙。插入件 54的节段54a（与端环28的剩余部分及端环的可去除部44分开）在图15 中示出。

图16-图19中代表性地示出了另一示例。在该示例中，开口46被成形 以容置两个不同尺寸的扁平封装管线26。另外，管线26被设置在封隔器组 件12的增厚侧，该增厚侧是由封隔器组件的外径相对于内径偏心产生的。

在图18中，可以看见利用插入件54的示例，插入件54大体呈圆柱形， 但是在周向上裂开。图19提供插入件54单独的视图。

虽然以上描述的端环28的示例包括多个独特的特征（例如可去除部44 和叶片50、52等等），但应清晰地理解，这些特征的任一个或它们的结合可 包括在处于本发明的范围内的端环中，并且并非以上描述的所有的独特特征 必须全部包括在端环中。

现在应可完全理解，以上公开的内容对于井中使用的构建封隔器组件的 技术提供了多种进步。以上描述的封隔器组件12的示例具有端环28，端环 28容置多种类型、数量和间隔的管线26，并且利用一个或多个可去除部44 来固定管线。环空14中的密封元件24的挤出可借助当密封元件24沿径向向 外延伸时沿径向向外枢转的叶片50、52、56来防止。

以上公开的内容向本领域提供了一种在地下井中使用的封隔器组件12。 封隔器组件12可包括环形的密封元件和至少一个端环28，端环包括在端环 28的本体40上形成的叶片50。当密封元件24沿径向向外延伸时，叶片50 被沿径向向外偏置。

密封元件24可响应与井中的选定流体接触而膨胀。

端环28的可去除部44可经由互锁外形部48与端环本体40接合。

叶片50可覆盖密封元件24。

端环28还可包括插入件54，该插入件上形成有叶片56。插入件的叶片 56能够相对于端环本体的叶片50在周向上偏移开。

至少一个管线26能够穿过密封元件24和端环28延伸。管线26可被设 置在由端环28的可去除部44和端环本体40界定的开口46中。

以上公开的内容还提供密封地下井中的环空14的方法。该方法可包括设 置圆周上的一系列叶片50、52，这些叶片沿径向向外覆盖封隔器组件12的 环形的密封元件24，并且叶片50、52响应所述密封元件的膨胀而沿径向向 外枢转。

该方法还可包括在端环本体40中安装插入件54，该插入件上形成有叶 片56，使得插入件的叶片56相对于端环的本体的叶片50在周向上偏移开。

以上公开的内容还描述一种在地下井中使用的封隔器组件12，封隔器组 件12包括环形的密封元件24，该密封元件响应与井中选定流体接触而膨胀。 至少一个端环28包括可去除部44，该可去除部经由互锁外形部48与端环28 的本体40接合。

可理解的是，以上描述的多个实例可用于多个方向，如倾斜方向、反向、 水平方向、竖直方向等等，并用于多种构造，而不背离本发明的原理。附图 中示出的实施例仅作为本发明的原理的有用的应用示例而被示出和描述，本 发明并不限于这些实施例的任何具体的细节。

在以上对本发明的代表性示例的描述中，为了方便参照附图而使用了方 向术语如“上方”、“下方”、“上”、“下”等等。通常，“上方”、“上”、“向上” 以及相似术语涉及沿井眼朝向地球表面的方向，而“下方”、“下”、“向下” 以及相似术语涉及沿井眼远离地球表面的方向。

当然，一旦仔细考虑以上对代表性实施例的描述，本领域技术人员将易 于理解，对这些具体实施例可进行许多更改、添加、替换、删减以及其他改 变，并且这些改变处于本发明的原理的范围内。因此，前述详细的描述应被 清楚地理解为仅作为说明和示例给出，本发明的精神和范围仅由所附权利要 求书及其等价物来限定。