用于石油和天然气井中的压裂操作的主动式外套管封隔器（ECP）制造技术

提供了一种主动式外套管封隔器形式的区域隔离设备(10、20、30、300、400、500、600)，其包括设置为插入并固定在诸如裸眼钻孔(163、213)的较大直径的大体圆柱形结构内的管状段，例如套管或衬管(1、21、31、171、203)。至少一个套筒构件(3、23、33、43、173)定位于套管或衬管的外部上并对其密封，且至少两个可变形的带构件(201、401、403、501)围绕套筒构件的外周边设置且结合到套筒构件的外周边。套筒构件和至少两个可变形的带构件通过增加套筒构件内的压力，扩张到抵着裸眼钻孔内周边的位置。本文中详述的方法还通过在压裂操作期间使用一对间隔开的套筒构件提供区域隔离，其中压裂流体供应到需要压裂的区域(在一对套筒构件之间)，在此压裂压力不但作用在带状隔离设备的外侧，也作用在套筒构件的内部，以增强由此提供的密封。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及通过将管状件固定在钻井内来在井下钻井中隔离环的装置和方法。特别地，本专利技术具有用于在石油、天然气或水的钻井中把套管管状件或衬管管状件集中和/或固定在裸眼钻孔(open borehole)内的应用，以及用于使位于装置下方的钻孔部分与位于装置上方的钻孔部分隔离的应用。另外，本专利技术很适合需要隔离存储器(reservoir)的井压裂操作(well frac operation)；在压裂操作中使用的压力增加本专利技术把区域从不想要的流体运动和压力中隔离的能力。油井、气井或水井普遍通过包括钻管、钻环和钻头的钻柱钻出。钻出的裸井在下文中称为“钻孔”。钻柱从孔中拉出(POOH)，并且在称为“完成”钻孔的阶段，至少钻孔的上段一般设有套管段、衬管和/或生产管道。套管通常粘合在合适位置以防止至少钻孔的上段缩陷，还在套管的外表面和钻孔的内表面之间的环中提供压力阻碍，并且还把套管固定到钻孔以防止套管负载时的轴向运动。套管通常是以至少一个大直径管的形式。执行存储器压裂操作(通常称为“压裂”)有时候是有益的。在压裂期间，某些流体以相对高的压力和容积泵送到存储器的特定区域，以在岩石中生成或开展将帮助石油或天然气流到井中的压裂。为了最有效，泵送的流体类型、压力和体积会转向一个特定区域，因此在操作的这个阶段使目标区域从所有其它区域隔离通常是必要的。井操作的其它类型存在，例如“刺激”，籍此诸如蒸汽、CO2或其它气体或液体的流体在压力下“注射”到井或存储器中。与本专利技术相关的此注射压力的效果与压裂操作大体相同。在此文件中，虽然提到压裂操作，但是可以同样是任何注射操作。根据本专利技术的第一方面，提供了一种装置，其包括：管状段，其设置为插入并固定在裸眼钻孔内；至少一个套筒构件，其中套筒构件定位在管状段的外部上且密封至其；其中至少一个可变形的带构件围绕套筒构件的外周边设置且优选地结合到套筒构件的外周边；以及压力控制机构，其可操作以改变套筒构件内的压力，以使压力的增加引起套筒向外运动并压靠在裸眼钻孔的内表面上。优选地，压力控制机构可以通过对管状段的整个长度或其包含套筒构件的任何部分施加压力来提供。压力能够从表面提供或者可以在井下产生。此外，套筒构件可以定位在定制的心杆或套筒承载件的外部。在这一实施方式中，这种心杆或套筒承载件在心杆或套筒承载件的每一端处通过螺纹或其它合适的连接机构连接到管状段。大直径结构可以是裸眼钻孔，其中裸眼钻孔可以定位于钻孔段的下方，该钻孔段衬有可能在井下粘合就位的套管或衬管柱。管状段优选在套筒内同轴定位。因此本专利技术通过提供围绕管状段定位的可扩张套筒构件而允许套管段或衬管集中在钻孔内。管状段能够在钻井内使用，插入裸眼的或加套的油井、气井或水井中。管状段可以是衬管或套管柱的一部分。本文中，术语“衬管”指没有延伸到钻井的顶部而只是从之前套管柱的基座区域锚固或悬浮的套管柱的段。衬管的段通常用来进一步延伸到钻井中，减少开支并允许钻井设计中的灵活性。如前所述，套管段通常在其插入钻孔后粘合到合适的位置。钻井的延伸能够通过使衬管附接到套管段的基座部分的内部来实现。理想地，衬管应该固定在合适位置，且这通常通过粘合操作来实现。然而，把衬管的段粘合在合适位置是费时且昂贵的，并且在水平的或非常斜的井中通常是不成功的或无效的。本专利技术能够用作在裸眼钻孔内集中并固定此衬管段的工具，从而消除了粘合的需要。装置的井下实施方式能够用来把井下环的一段与井下环的另一段隔离，因此也能够用来把井下环的一个或多个段与生产管道隔离。装置优选包括用于抵着管状构件的外部固定套筒构件的工具，其可以是套管段或衬管壁，并且优选地，套筒构件通常借助于可扩张的金属元件提供产生可靠液压密封以隔离环的工具。套筒构件能够借助于焊接、夹持、螺纹或其它合适的方法结合到套管段、衬管或心杆。优选地，装置还设有密封机构。密封机构的功能是在管状段的外部和套筒构件之间提供压力紧密密封，其可以在套筒构件的内部或套筒构件的一端或两端。密封机构能够安装在管状段上以使套筒构件抵着管状段的外部密封。产生室，该室由管状段的外表面、套筒构件的内表面以及密封机构的内面界定。密封机构可以是由弹性体或任何其它合适的材料形成的环状密封件。优选地，套筒构件在其每一端固定到端构件，其中端构件优选设有抵住管状段的外部密封的密封机构。更优选地，套筒构件通过焊接固定到端构件，并且更优选地，环状罩构件围绕焊接点设置并与其紧密配合以阻止其扩张。套筒可以由承受弹性和塑性变形的金属制成。套筒构件优选由比用于套管段或衬管的材料更柔软和/或更易延展的材料形成。用于套筒构件制造的合适金属包括某些类型的钢。另外，套筒构件可以设有可以被配置为单一涂层或多个离散带(discreet band)的可变形涂层，例如弹性体涂层。在此后者的优选实施方式中，弹性体带间隔开，以便当套筒扩张时，该带会首先接触裸眼钻孔的内表面。套筒构件会继续向外扩张到带之间的间隔内，从而在套筒构件上引起波纹效果。这些波纹提供了很大的优势，在于其增加了套筒构件的刚度并增加了其对缩陷力的抵抗。优选地，至少两个可变形的带构件包括具有宽度W和高度H的环圈，其中其沿着套筒构件的长度方向通过距离S间隔开。虽然不是必须的，但宽度W可以是比距离S大的距离。优选地，套筒构件包括大体恒定的外直径，以使至少两个可变形的带通过其高度H从套筒构件向外径向突出，以便当套筒构件扩张时，至少两个可变形的带首先接触外部较大外直径结构的内表面。另外，套筒构件可以设有不均匀的外表面，例如肋状的、有沟槽的或者其他有键的表面，以当套筒构件固定在另一个套管段或钻孔内时增加由套筒构件产生的密封的效果。根据本专利技术的另一个方面，压力控制机构包括配有至少一个孔道的液压工具。此外，管状段优选包括至少一个开口以允许流体流入并流出由套筒构件生成的室。在操作中，液压工具能够在压力下通过液压工具的孔道并通过管状构件中的至少一个开口将流体传递到室中。液压工具可以包含液压或电力系统以控制所述流体的流动和/或压力。压力控制机构也能是可操作的以监控并控制套管段内的压力。套筒构件中的压力优选在密封机构之间增加，且可以由加压流体的引入来获得。套筒构件内的压力优选地增加，以使套筒构件扩张并接触外套管或钻孔壁，直到获得足够的接触压力，导致套筒构件的外部和套筒构件能够压靠在其上的钻孔壁或套管的内表面之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.05.27 GB 0909086.11.根据本发明的第一方面，提供了一种装置，所述装置包括：
管状段，所述管状段设置成插入且固定在较大直径的大体圆柱形结构
内；
至少一个套筒构件，其中所述套筒构件定位在所述管状段的外部并密
封至所述管状段的外部；
其中至少两个可变形的带构件围绕所述套筒构件的外周边设置，且优
选地结合到所述套筒构件的外周边；以及
压力控制机构，所述压力控制机构可操作以改变所述套筒构件内的压
力，以使压力的增加引起所述套筒和所述至少两个可变形的带构件向外运
动并压靠在所述较大直径结构的内表面上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述套筒构件位于以套管或衬
管形式的心杆或套筒承载件的外部上。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述心杆或套筒承载件在所述
心杆或套筒承载件的每一端处通过连接机构连接到所述管状段。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述较大直径的大体圆柱形结
构包括裸眼钻孔，使得所述套筒构件扩张以直接抵着所述裸眼钻孔的内表
面密封。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的装置，其中所述管状段在所述
套筒内同轴定位。
6.根据之前任一权利要求所述的装置，其中所述装置还包括用于抵
着所述管状构件的外部固定所述套筒构件的机构。
7.根据之前任一权利要求所述的装置，其中所述装置还包括在所述
管状段的外部与所述套筒构件之间提供压力紧密密封的密封机构。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述密封机构安装在所述管状
段上，以使所述套筒构件抵住所述管状段的外部密封。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括由所述管状段的外表面、所
述套筒构件的内表面以及所述密封机构的内面界定的室。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的装置，其中所述密封机构包
括环状密封件。
11.根据之前任一权利要求所述的装置，其中所述套筒构件在其每一
端处固定到端构件，其中所述端构件设有所述密封机构以抵住所述管状段
的外部密封，其中所述套筒构件通过焊接固定到所述端构件，并且围绕焊
接点设置有环状罩构件以阻碍其扩张。
12.根据之前任一权利要求所述的装置，其中所述套筒构件包括承受
弹性和塑性变形的金属。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述套筒构件包括柔软的、
易延展的材料。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述套筒包括钢。
15.根据之前任一权利要求所述的装置，其中所述至少两个可变形的
带构件由可变形的材料例如弹性体材料形成。
16.根据之前任一权利要求所述的装置，其中所述至少两个可变形的
带构件包括环圈，所述环圈包括宽度W和高度H，其中所述环圈沿着所述
套筒构件的长度通过距离S间隔开。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述宽度W是比距离S大的
距离。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述套筒构件包括大体恒定
的外直径，以使所述至少两个可变形的带通过其高度H从所述套筒构件径
向向外伸出，以便当所述套筒构件扩张时，所述至少两个可变形的带首先
接触所述外部较大直径结构的内表面。
19.根据权利要求1到17中任一项所述的装置，其中所述套筒构件
设有不均匀的外表面。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述表面是肋状的、有沟槽
的或者有键的。
21.根据之前任一权利要求所述的装置，其中所述压力控制机构包括
配有至少一个孔道的液压工具。
22.根据权利要求9所述的或者根据从属于权利要求9时的权利要求
10到21中任一项所述的装置，其中所述管状段包括至少一个开口以允许
流体流进并流出由所述套筒构件产生的所述室。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述液压工具包括液压或电
力系统以控制所述流体的流动和/或压力。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述开口设有阀。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述阀是适合于允许流体从
所述管状件的通孔流进所述室内并阻止流体在相反方向上流动的单向阀。
26.根据权利要求24或25所述的装置，其中还在一个或多个其他开
口中设置有第二类型的阀。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述第二类型的阀是减压阀，
所述减压阀被配置为一旦经历穿过所述减压阀的一定压差，便允许一部分
压力从所述室逃逸。
28.根据权利要求24或25所述的装置，其中在穿过所述管状段的侧
壁形成的一个或多个其他开口中设置有其他类型的阀，所述其他类型的阀
包括可破裂的屏障设备，所述可破裂的屏障设备在破裂时允许流体在所述
管状段的所述通孔和所述室之间流动。
29.根据权利要求22或23所述的装置，其中所述套筒构件设有可破
裂的屏障设备，所述可破裂的屏障设备在破裂时允许流体在所述室和环之
间流动，所述环位于所述管状段的外侧和所述较大直径的大体圆柱形结构
的内表面之间。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述设备是安全隔板设备。
31.根据权利要求1-20中的任一项所述的装置，其中所述套筒构件的
外向运动通过化学流体的导入来实现，所述化学流体能够被设定以使所述
套筒构件保持在合适位置。
32.根据权利要求31所述的装置，其中所述化学流体是水泥。
33.根据之前任一权利要求所述的装置，其中朝着所述套筒构件的端
部设置有滑动机构。
34.根据权利要求33所述的装置，其中在所述套筒构件的内部和所
述管状套筒的外部之间设置有滑动密封件。
35.根据之前任一权利要求所述的装置，包括多个套筒构件以使单独
的区域和单独的构造彼此隔离。
36.根据权利要求35所述的装置，其中所述多个套筒构件单独、成
组或同时扩张。
37....

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·伍德，弗雷泽·劳登，斯图尔特·贝利，安德鲁·约翰·高莱拉，邓肯·詹姆斯·特林德，
申请(专利权)人：里德威尔服务有限公司，
类型：发明
国别省市：