[发明专利]改善的隔离屏障

说明书

本发明涉及将管紧固在另一个管或井眼中，产生横跨井筒中环状面的密封，和将管道系统居中化或锚定在井筒中的装置和方法。尤其，尽管不是排他性的，本发明涉及通过使用流体压力和激活的可溶胀的材料，使套筒变形以将其紧固至井筒壁，可溶胀的材料用于支撑套筒以在套筒和井筒壁之间保持密封，以形成隔离屏障。

在油气井的勘探和生产中，封隔器通常用于隔离井下环状面的一个截面与井下环状面的另一个截面。环状面可在管状元件，比如衬筒、心轴、生产管道系统和套管之间或在管状元件，通常套管，和裸井眼的壁之间。这些封隔器在管道系统上携带进入井并且在期望的位置，弹性体密封件被迫使径向向外或弹性体囊状物膨胀横跨环状面并且与外部大体上圆柱形结构即另一个管状元件或井眼壁产生密封。

另一类封隔器是可溶胀的封隔器，其中可溶胀的弹性体包绕在管状主体上。金属末端环可位于主体上以保护在下钻井时的可溶胀的弹性体和防止弹性体的纵向的挤出，从而溶胀增加可溶胀的弹性体的外部初始直径。封隔器简单地运行至在油管柱上的深度并且使得在生产或注入操作开始之前膨胀。可溶胀的封隔器的优势是它们简单而没有移动部件，但是它们具有一些主要缺点。因为可溶胀的材料暴露在管状主体的外表面上，环状面中的流体在下钻井期间流过弹性体和过早激活的风险。因为这些可溶胀的弹性体被油和/或水和基于水的流体即常见的油田流体激活，井筒必须没有激活流体，直到封隔器处在适当的位置并且需要设置的时候。另外，这些封隔器使用可溶胀的弹性体与较大直径圆柱形结构的内表面产生密封。假定均匀膨胀，从而这些封隔器当需要密封至另一个管状时，被最佳使用。对于裸眼部署，因为膨胀是通过吸收或扩散流体进入可溶胀的材料实现，当密封在井眼壁上的第一点进行时，弹性体的外表面的截面可能不暴露于流体并且因此膨胀可非均匀风险区域，其中不形成密封。

所有这些现有技术封隔器具有相同的缺点，因为它们使用弹性体靠着外部大体上圆柱形结构产生密封。从而，弹性体在使用时必须暴露于井流体并且所以它们不能在存在腐蚀性流体的情况下使用，例如在化学剂注入应用中。

结果，已经开发了金属密封件，其中管状金属元件在井中和在期望的位置运行，通过元件运行膨胀工具。膨胀工具通常具有向前的圆锥体，其主体直径大小适于大体上圆柱形结构，从而金属元件膨胀接触圆柱形结构并且靠着圆柱形结构密封。这些所谓的膨胀的套筒具有内表面，其当膨胀时是圆柱形的并且与膨胀工具的轮廓匹配。这些套筒在管状元件之间产生环形密封时工作良好，但是在靠着裸井眼的不规则表面密封时可能具有问题。

本申请人已经开发了其中通过使用直接作用在套筒上的流体压力迫使金属套筒径向向外的技术。施加足够的液压流体压力，以使套筒径向向外移动和使得套筒本身变形至大体上圆柱形结构。套筒经历塑性变形，并且如果变形至大体上圆柱形金属结构，当接触时金属结构经历弹性变形而膨胀较小的百分数。当压力释放时，金属结构返回至其初始尺寸并且靠着可塑性变形套筒产生密封在变形过程期间，套筒的内表面和外表面将采取圆柱形结构的壁的表面的形状。该变形的隔离屏障所以理想地适于靠着不规则井眼壁产生密封。

这样的变形的隔离屏障公开在US7,306,033中，其通过引用并入本文。变形的隔离屏障用于FRAC操作的应用公开在US2012/0125619中，其通过引用并入本文。典型地，套筒围绕支撑管状主体安装，在套筒的每个末端密封，以在套筒的内表面和主体的外表面之间产生腔室。端口设置为通过主体，从而流体可从主体的通孔泵入腔室。

使用时，通孔中流体的压力充分增加，以进入腔室并且迫使套筒径向向外，以变形至大体上圆柱形结构。当没有流体从环状面向上返回时，其确认已经实现了密封，已经施加足够的压力。

如此方式膨胀套筒存在许多困难。首先，在端口位置必须产生足够的压力。这通过在表面增加流体压力实现并且难以预测什么压力将在那个可以是设置套筒的井中重要深度。可选地，可运行安装工具，但是这需要干预并且小心将安装工具设置在端口处。为了确保产生足够的压力，突出通向套筒施加最大的压力来安装这些套筒。但是，风险是压力可能过高使地套筒破裂。

另外，压力必须密封在腔室中，以维持膨胀，并且变形的套筒可能对于井位是需要的，使腔室中的压力保持在设定值是必要的。通过在端口处止回阀中捕获的碎片的渗漏可造成压力的缓慢丢失。当井运转时的温度改变可造成腔室中的压力变动。从而，尽管套筒已经是可塑性变形的并且所以保持其新的形状，但是如果横跨套筒壁产生足够的压力差，存在可能出现破裂或坍塌的可能性并且可能丢失密封。