專利名稱：套管外封隔器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及烴類井或水井成井領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于制造充氣式封隔器，并且通過(guò)水泥灌漿封隔器上方的環(huán)狀空間密封套管的基座，而不破壞具有水泥漿的下層鉆孔的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在鉆孔中安裝套管的傳統(tǒng)過(guò)程是首先打鉆鉆孔、在其中安裝套管，并且將套管用水泥固定到位。因此，鉆孔能夠通過(guò)打鉆較小尺寸的孔延伸超過(guò)套管底部，這通常發(fā)生在開(kāi)采區(qū)。灌注水泥過(guò)程通常涉及泵送水泥通過(guò)套管并且從套管的底部流出，并且向上進(jìn)入套管和鉆孔之間的環(huán)形空間。通過(guò)泵送鉆井泥漿或者水進(jìn)入套管頂部，水泥向下移動(dòng)并且從套管流出。水泥頂替塞(cement displacement plug)通常用于在套管中分離水和水泥。有時(shí)，浮鞋(單向閥)連到套管的底部，以便避免當(dāng)水泥在環(huán)狀空間凝固時(shí)保持套管內(nèi)壓力的需要。一種替代方法是將鉆孔打鉆到最終直徑和深度，然后用套管柱中附著的或者連到其末端的外部封隔器開(kāi)動(dòng)套管進(jìn)入鉆孔。在套管外封隔器基座的端口(port)關(guān)閉，并且對(duì)套管加壓從而固定封隔器。然后，灌注水泥端口在封隔器上方打開(kāi)，水泥被泵送通過(guò)套管端口并且進(jìn)入環(huán)狀空間，從而將套管用水泥固定到位。在灌注水泥過(guò)程的最后，頂替塞順著套管下去，并且水泥從套管中移動(dòng)流出并進(jìn)入環(huán)狀空間。然后灌注水泥端口關(guān)閉。然后，套管中沒(méi)有水泥，而在鉆孔內(nèi)的環(huán)狀空間被灌注水泥。然后，正常過(guò)程是開(kāi)動(dòng)鉆柱和鉆頭退回套管中，從而鉆穿封隔器中保留的任何水泥，鉆穿水泥頂替塞和底部端口，從而清理封隔器下方的鉆孔。在現(xiàn)有套管外封隔器中，底部端口通常由掉入套管的球體阻塞。通過(guò)旋轉(zhuǎn)、抬起或者放低套管或者通過(guò)將不同的尺寸的球體或箭狀物放入套管從而移動(dòng)滑動(dòng)密封環(huán),致動(dòng)灌注水泥端口。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)這里所述的各種實(shí)施例的套管外封隔器有時(shí)被稱為“ECP (External CasingPacker)”。然而ECP的操作比現(xiàn)有封隔器系統(tǒng)簡(jiǎn)單。也比現(xiàn)用的其他封隔器裝置更簡(jiǎn)單且更加有經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)本發(fā)明的套管外封隔器連到套管的外部圓柱表面，套管在ECP上方有時(shí)在下方延伸。止回閥安裝在ECP的基座中，在放低套管進(jìn)入鉆孔期間其準(zhǔn)許流體從鉆孔進(jìn)入套管，但是防止液體從套管反向流下進(jìn)入鉆孔。以其最簡(jiǎn)單的形式，止回閥是在ECP的基座形成或者安裝的端口，并且其由從表面落入套管的球體密封。在ECP的基座中，球體以普通方式就座于端口中。這種系統(tǒng)使得能夠流入和流出套管，直到球體落下?？梢允褂锰娲闹够亻y設(shè)備，例如鋼絲繩可回收塞，或者例如浮鞋的單向閥。一旦致動(dòng)ECP的基座中的單向閥，那么對(duì)套管加壓，從而使ECP的彈性套筒充氣。通過(guò)使用位于套管和ECP套筒之間的止回充氣閥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)套筒的充氣。隨著套管中的壓力上升，對(duì)ECP的彈性套筒充氣從而膨脹并嚙合鉆孔的環(huán)形壁。在套管中預(yù)設(shè)壓力下，致動(dòng)ECP的心軸內(nèi)構(gòu)建的易裂灌漿閥，從而打開(kāi)并且隨后允許水泥漿混合物泵送通過(guò)灌漿閥到位于ECP上方的環(huán)狀空間的部分。灌漿閥經(jīng)構(gòu)造用作爆裂片或者剪切片和止回閥的組合。隨著套筒充氣過(guò)程期間灌漿閥中的爆裂片或者剪切片的開(kāi)裂，套管 內(nèi)部壓力下降，以至不再通過(guò)止回充氣閥對(duì)ECP套筒充氣，因?yàn)镋CP套筒中的壓力超過(guò)套管中的壓力。因此灌漿閥的裂開(kāi)和打開(kāi)起到安全閥的作用，從而防止橡膠套筒的過(guò)度充氣。因此，套管加壓到的預(yù)定壓力與這樣的點(diǎn)有關(guān)(在該點(diǎn)處易裂灌漿閥片裂開(kāi))，并且與在彈性套筒中需要維持的壓力有關(guān)。在該過(guò)程的這個(gè)階段，充氣閥關(guān)閉，并且ECP的灌漿閥激活并打開(kāi)，借此水泥漿混合物泵送向下通過(guò)套管。水泥漿混合物沿套管流動(dòng)并推動(dòng)灌漿閥打開(kāi)。然后，水泥漿流過(guò)灌漿閥并進(jìn)入套管和鉆孔壁之間的環(huán)狀空間，在ECP上方的環(huán)狀區(qū)域中。當(dāng)已經(jīng)沿著套管泵送所需要量的水泥漿時(shí)，水泥頂替塞被引入套管的頂部。然后，沿著套管泵送液體，從而對(duì)頂替塞向下朝著ECP施力。這繼續(xù)到頂替塞到達(dá)剛好超過(guò)灌漿閥的位置，借此停止頂替塞的進(jìn)一步向下移動(dòng)，因?yàn)樵贓CP的基座中水泥頂替塞和關(guān)閉的止回閥之間形成液壓鎖。通常不進(jìn)一步需要對(duì)套管加壓從而支撐水泥漿，因?yàn)楣酀{閥是單向止回閥裝置，其防止水泥漿從環(huán)狀空間回流進(jìn)入套管。灌漿閥也準(zhǔn)許在水泥漿泵送過(guò)程中斷開(kāi)(break)或中斷(interruption)，而水泥漿沒(méi)有從環(huán)狀空間回流進(jìn)入套管中。在灌注水泥施工完成時(shí)，鉆柱能夠與已經(jīng)在打鉆路徑中變硬的任何剩余水泥漿一起進(jìn)入套管，從而鉆穿水泥頂替塞和底部止回閥設(shè)備。本發(fā)明的各種特征包括灌漿閥，充氣閥和能夠并入單個(gè)彈性層粘結(jié)操作中的制造過(guò)程。單向灌衆(zhòng)閥每個(gè)都包括倒角閥組件(chamfered valve member),其優(yōu)選地是密封片，該密封片位于封隔器套筒上方在ECP心軸中形成的倒角端口中。各閥或者密封組件連到各自的爆裂片或者剪切片。這些片優(yōu)選地由具有明確定義的剪切破壞應(yīng)力的易裂材料制成，例如一些塑料、金屬或者陶瓷。倒角閥組件連到圍繞心軸的彈性灌漿閥套筒。在套管中沒(méi)有壓力的情況下，灌漿閥套筒的彈性性質(zhì)保持倒角閥組件，并且保證與心軸的倒角座的密封閉合。優(yōu)選地是，彈性灌漿閥套筒結(jié)合(bond)到倒角閥組件的頂部，并且形成圍繞心軸設(shè)置的一部分可充氣的ECP套筒。充氣閥包括位于心軸的可充氣彈性套筒側(cè)面上的彈性體材料的閥瓣(flap)。每個(gè)充氣閥都覆蓋在心軸中形成的小端口。因此流體能夠在一個(gè)方向上流過(guò)充氣端口，并且向外移動(dòng)閥瓣，從而對(duì)ECP的彈性套筒充氣。在流體流終止對(duì)ECP套管充氣(當(dāng)灌漿閥片剪切并打開(kāi)時(shí))，充氣端口由各自的閥瓣關(guān)閉，其防止封隔器套管放氣。充氣閥瓣優(yōu)選地包括部分ECP套管結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化制造過(guò)程。在對(duì)彈性套筒充氣從而將封隔器和套管固定在鉆孔中的過(guò)程中，充氣閥和灌漿閥兩者都按順序操作。充氣的套筒在鉆孔環(huán)狀空間中提供阻礙，以便在阻礙的套筒上方的環(huán)狀區(qū)域能夠填滿水泥漿混合物。為此，套管和附連到其的ECP在鉆孔中降低到需要的位置。在套管和其中的ECP下降期間，ECP的底部中打開(kāi)的單向閥使得鉆孔下半部中任何液體和空氣均衡(equilise)，因?yàn)榍蝮w還沒(méi)有在套管中落下。然后，球體沿套管落下，就座于ECP底部的單向閥，由此堵塞所述閥。然后，用液體加壓套管，從而經(jīng)由充氣閥對(duì)彈性套筒充氣。由于套筒被充氣并且嚙合鉆孔的側(cè)壁，所以充氣液體的壓力增加，借此達(dá)到灌漿閥的剪切點(diǎn)并且這些閥門被致動(dòng)并打開(kāi)。當(dāng)灌漿閥突然打開(kāi)時(shí)，由于穿過(guò)充氣閥的反向壓力下降充氣閥自動(dòng)關(guān)閉。關(guān)閉的充氣閥使套筒靠著鉆孔壁被加壓且壓縮。因此，水泥漿混合物能夠沿著套管泵送并且從打開(kāi)的灌漿閥中流出并進(jìn)入充氣的套管上方的環(huán)狀區(qū)域。封隔器套管和心軸之間的密封系統(tǒng)包括封隔器套管，其在心軸一個(gè)末端直接結(jié)合到封隔器。在封隔器的另一個(gè)末端，存在密封件，其沿著心軸外表面軸向移動(dòng)并且容納封隔器套管的縮短，因?yàn)槌錃馄陂g其徑向地向外膨脹。在大多數(shù)封隔器中，這在套筒和心軸之間采取滑動(dòng)彈性液壓密封的形式。這種液壓密封需要堅(jiān)固的外罩容納其。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，滑動(dòng)液壓密封由彈性密封套筒代替，套筒一端在低于封隔器扣環(huán)的位置結(jié)合到封 隔器套筒，并且另一端結(jié)合到封隔器心軸。因此，隨著對(duì)封隔器套筒充氣并且其在縱向上縮短，密封套筒縱向壓縮，但是維持其到心軸的密封。密封套筒被充氣壓力壓在心軸上，并且通過(guò)封隔器扣環(huán)防止從封隔器套筒撕開(kāi)，封隔器扣環(huán)維持外徑并限制密封。在一個(gè)實(shí)施例中，封隔器密封套筒由開(kāi)孔中間層加固，其偏離封隔器軸放置，從而允許密封套筒尺寸的縱向變化，并且從而通過(guò)防止過(guò)度的局部應(yīng)變加強(qiáng)彈性套筒抗扯裂。結(jié)合的套筒系統(tǒng)用于在封隔器套筒加固部分和封隔器扣環(huán)之間傳遞負(fù)載。在其中套筒用軟線或者非延展性低的綁帶加固的封隔器中，該加固承受拉伸負(fù)載。由封隔器扣環(huán)保持抵抗膨脹的拉伸負(fù)載。封隔器扣環(huán)上的負(fù)載力包括垂直于扣環(huán)的分量，其通過(guò)作為環(huán)箍加固操作的封隔器扣環(huán)束縛。也存在軸向分量，其趨向于使封隔器扣環(huán)軸向遠(yuǎn)離封隔器套筒的充氣部分滑動(dòng)。因此，扣環(huán)趨向于在包含在彈性套筒中的封隔器套筒加固部分上方推動(dòng)。通過(guò)將接觸封隔器扣環(huán)的硬質(zhì)或者剛性套筒結(jié)合到彈性套筒(該彈性套筒又依次結(jié)合到加固物)，剪力在封隔器扣環(huán)和加固部之間經(jīng)由剛性套筒和彈性材料傳輸。剛性套筒可以有利地以縱向切開(kāi)的形式制成，從而準(zhǔn)許易于安裝和結(jié)合到下層彈性材料，而減輕精密公差制造問(wèn)題。因此，套筒系統(tǒng)制作成本低并且迅速并入封隔器結(jié)構(gòu)。因此，按照本設(shè)計(jì)，封隔器的總體設(shè)計(jì)能夠包括一個(gè)或多個(gè)特征，其通過(guò)固化并結(jié)合(或者不具體地結(jié)合在一起)的彈性材料層容易地并入封隔器的制造中。彈性材料可以來(lái)源于自然的或者合成的來(lái)源，并且通常在包括壓力和熱量的過(guò)程中結(jié)合在一起。眾所周知天然橡膠系統(tǒng)作為硫化過(guò)程。因此能夠在彈性材料層之間和彈性材料和心軸(尤其是鋼)之間通過(guò)使用恰當(dāng)?shù)慕饘俦砻嬷苽浍@得非常強(qiáng)的結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，公開(kāi)了使用充氣式封隔器系統(tǒng)對(duì)鉆孔進(jìn)行水泥灌漿的方法。該方法包括將連有套管外封隔器的套管放置在鉆孔中的一個(gè)位置，用于對(duì)位于套管外封隔器上方的一部分鉆孔環(huán)狀空間進(jìn)行水泥灌漿。還包括對(duì)套管外封隔器可充氣的彈性套筒的充氣，其通過(guò)用充氣流體對(duì)套管加壓阻塞鉆孔的環(huán)狀空間，這打開(kāi)套管外封隔器中的單向充氣閥并對(duì)可充氣套筒充氣到預(yù)定壓力。通過(guò)在套管外封隔器和環(huán)狀空間之間放置的減壓閥確定預(yù)定壓力，該減壓閥在預(yù)定壓力打開(kāi)，然后變?yōu)閱蜗蚬酀{閥。液化水泥漿混合物經(jīng)由打開(kāi)的單向灌漿閥泵送通過(guò)套管，灌漿閥位于一部分被充氣的可充氣套筒上方的套管外封隔器中。灌漿閥使用連到封隔器的彈性組件偏置到關(guān)閉位置，由此當(dāng)水泥漿混合物的壓力在套管中降低時(shí)，彈性組件使得灌漿閥關(guān)閉并防止水泥漿混合物從環(huán)狀空間回流進(jìn)
套管中。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，公開(kāi)了在鉆孔的環(huán)狀空間中設(shè)置套管外封隔器從而在其中固定套管的方法。該方法包括密封封隔器的基座，并且通過(guò)使加壓的流體通過(guò)單向充氣閥進(jìn)入可充氣套筒，對(duì)封隔器加壓從而對(duì)圍繞一部分封隔器心軸的可充氣彈性套筒充氣。通過(guò)使用封隔器中的減壓閥限制可充氣套筒的充氣壓力，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)的壓力降時(shí)，減壓閥釋放封隔器中的壓力到套管外部。減壓閥用作單向閥，從而準(zhǔn)許水泥漿材料通過(guò)其流到鉆孔的環(huán)狀空間。關(guān)閉減壓閥，從而防止水泥漿材料從環(huán)狀空間回流到封隔器中。根據(jù)本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施例，公開(kāi)了使用充氣式封隔器系統(tǒng)對(duì)鉆孔進(jìn)行水泥灌漿的方法。該方法包括將連有膨脹式封隔器系統(tǒng)的套管降低進(jìn)入鉆孔中。用流體加壓套管， 以便所加壓的流體進(jìn)入封隔器系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)單向充氣閥，從而對(duì)套筒充氣并阻塞鉆孔的環(huán)狀空間。增加套管中的流體壓力，直到一個(gè)或多個(gè)單向易裂的灌漿閥裂開(kāi)，從而允許加壓的流體進(jìn)入封隔器系統(tǒng)上方的鉆孔環(huán)狀空間，由此套管的壓力下降并且單向充氣閥關(guān)閉并維持套筒在鉆孔環(huán)狀空間中充氣。水泥漿沿著套管泵送并通過(guò)裂開(kāi)的單向灌漿閥，并進(jìn)入位于封隔器系統(tǒng)上方的鉆孔環(huán)狀空間的部分中。關(guān)于本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，公開(kāi)了用于對(duì)鉆孔環(huán)狀空間灌漿的充氣式封隔器系統(tǒng)。該封隔器系統(tǒng)包括形成封隔器系統(tǒng)的主體的心軸，其中心軸適合于連到套管，并且心軸在其中為各灌衆(zhòng)閥形成一個(gè)或多個(gè)端口并且為各充氣閥形成一個(gè)或多個(gè)端口。在心軸的底部部分中形成座位，其中該座位適合于由通過(guò)套管落下的球阻塞。圍繞心軸并且圍繞充氣閥端口形成彈性套筒。在充氣閥端口上方且灌漿閥端口下方圍繞心軸在彈性套筒頂部形成錨固密封件。沿著心軸在彈性套筒的底部形成滑動(dòng)密封件。提供一個(gè)或多個(gè)單向充氣閥，其中每個(gè)單向充氣閥位于一個(gè)充氣閥端口的上方，并且每個(gè)單向充氣閥適合于允許充氣流體穿過(guò)充氣閥端口并且進(jìn)入彈性套筒，而在相反方向上不允許。提供一個(gè)或多個(gè)單向灌漿閥，其中每個(gè)單向灌漿閥位于一個(gè)灌漿閥端口的上方，并且每個(gè)單向灌漿閥適合于允許水泥漿穿過(guò)灌漿閥端口并且進(jìn)入鉆孔環(huán)狀空間，而在相反方向上不允許。每個(gè)單向灌漿閥用易裂組件形成，其響應(yīng)于預(yù)設(shè)充氣流體壓力裂開(kāi)，由此當(dāng)彈性套筒充氣到預(yù)設(shè)流體壓力時(shí)，易裂組件裂開(kāi)從而使得單向灌漿閥進(jìn)行操作。然后單向充氣閥關(guān)閉，從而允許彈性套筒維持預(yù)設(shè)的充氣流體壓力。


從如附圖所示的本發(fā)明的優(yōu)選及其他實(shí)施例的下列和更具體的描述中，進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)，其中，附圖中類似的參考標(biāo)號(hào)通常指同一部件、功能或元件，并且其中圖1A-1F示意地示出用于在鉆孔中安裝套管外封隔器的步驟的順序；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出套管外封隔器的橫截面視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出在關(guān)閉情況下的灌漿閥的橫截面視圖；圖4是圖3的灌漿閥在打開(kāi)情況下的橫截面視圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例在打開(kāi)情況下有充氣閥的封隔器的上端四分之一縱剖面圖；和圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例封隔器的下滑動(dòng)端和密封套結(jié)構(gòu)的四分之一縱剖面圖。
具體實(shí)施例方式圖IA示出封閉套管2的套管外封隔器，其已經(jīng)降低進(jìn)入鉆孔I。如圖所示，ECP上方的套管2的部分延伸到表面，并且可選地，ECP下方的套管部分3穿孔。封隔器的主體使用金屬心軸5構(gòu)造。ECP包括可充氣的加固彈性套筒4，其環(huán)繞心軸5。在套管封隔器的上端的灌漿閥被示為標(biāo)號(hào)6。止回閥的封隔器座8位于心軸5的下部部分，并且通常是混凝土材料的圓錐體。充氣閥7適合用于對(duì)彈性套筒4充氣，從而阻礙或者說(shuō)阻塞鉆孔I的環(huán)狀空間。圖IB示出連到套管2頂端的灌注水泥系統(tǒng)。灌注水泥系統(tǒng)包括其中包含水泥頂 替塞的頂部套管部件10。還包括灌漿閥11和充氣閥13，兩者連接到頂部套管部件10。一旦套管2位于鉆孔I中的需要位置，那么球體16落下通過(guò)套管2并與閥座8接觸，從而密封封隔器的底端。然后通過(guò)泵送流體經(jīng)由端口 14和閥門13進(jìn)入套管2的頂部部件10，對(duì)ECP的彈性套筒4充氣。套管2的加壓使得封隔器心軸5中的單向充氣閥7的閥瓣打開(kāi)，并準(zhǔn)許所加壓的流體進(jìn)入心軸5和封隔器套筒4之間的空間，由此使得彈性套筒4充氣并膨脹與鉆孔I接觸。圖IC示出完全膨脹并接觸鉆孔I的壁的ECP的彈性套筒4。最終，通過(guò)膨脹的彈性套筒4的流體壓力差超過(guò)設(shè)計(jì)的閾值，因此激活易裂(frangible)灌漿閥6打開(kāi)并最初允許流體從套管2流入套管2和鉆孔I之間的環(huán)狀空間。如上所述，當(dāng)灌漿閥6打開(kāi)時(shí)，套管2中的壓力下降并關(guān)閉充氣閥。圖ID示出水泥漿17經(jīng)由灌漿閥13的端口 14泵送進(jìn)入套管頂部部件10的過(guò)程。水泥漿17向下通過(guò)套管2并從打開(kāi)的灌漿閥6中流出，從而裝滿環(huán)形空間在封隔器的上方且套管2和鉆孔I之間的部分。水泥漿17也向下流過(guò)ECP的心軸5，到球體16和關(guān)閉的閥座8。視圖IE示出灌漿閥13關(guān)閉時(shí)流體被泵送進(jìn)入端口 12通過(guò)充氣閥11。這個(gè)流體向下推動(dòng)水泥頂替塞15進(jìn)入套管2并進(jìn)入心軸5的頂部，直到水泥頂替塞15在灌漿閥6下面形成密封。在此，在水泥頂替塞15和閥座8中的球體16之間形成一液壓鎖。圖IF示出使用連到鉆柱18的末端的常用鉆頭19鉆穿水泥漿頂替塞15 (示出已經(jīng)鉆穿)，以及鉆穿套管2其余部分內(nèi)的水泥漿17、心軸5、和球體16及閥座8。當(dāng)以所述方式打鉆時(shí)，封隔器下方的開(kāi)采區(qū)偶聯(lián)封隔器上方的套管2。圖2示出ECP的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。如上所述,在所示的實(shí)施例中,ECP包括由加固彈性套筒4部分覆蓋或環(huán)繞的心軸5。套筒4由多種材料層構(gòu)造，從而實(shí)行這里所述的功能。彈性套筒4是多層的，并且通常會(huì)由自然或合成橡膠構(gòu)造。在封隔器頂部在外部硬質(zhì)套筒層23之下，套筒4結(jié)合到心軸5，但在套筒4長(zhǎng)度的其余部分不結(jié)合到心軸5。在封隔器扣環(huán)20和21之間，封隔器套筒4可響應(yīng)于內(nèi)部壓力向外膨脹，從而在鉆孔的環(huán)狀空間中形成密封。封隔器扣環(huán)20和21是用高強(qiáng)度鋼制造的，并且結(jié)合到彈性套筒4，并且由也結(jié)合到套筒4的上硬質(zhì)外套筒和下硬質(zhì)外套筒22和23束縛。硬質(zhì)外套筒22和23能夠由剛性材料或者金屬例如鋼構(gòu)造。示出心軸5在頂部26和底部27具有螺紋連接件，從而準(zhǔn)許連到位于封隔器上方和下方的套管部件。在封隔器的下端的加固彈性套筒4和心軸5之間沒(méi)有結(jié)合，允許套筒4的下端隨套筒4的充氣沿著心軸5向上滑動(dòng)。認(rèn)識(shí)到，當(dāng)對(duì)加固彈性套筒4充氣時(shí)，自然趨勢(shì)是總長(zhǎng)度變短。另一個(gè)替換例是充氣期間彈性套筒4的材料伸展，但是具有套筒4的加固結(jié)構(gòu)，套筒材料的伸展不是優(yōu)選的。下面更詳細(xì)地描述套筒4和心軸5之間的密封。心軸5的下端包括錐形閥座8，當(dāng)球體16沿著套管2向下掉落并且停留在圓錐形座位8上時(shí)其形成止回閥。錐形元件8能夠由混凝土或者其他適合的材料鑄成，從而降低制造成本。也示出如上所述的止回充氣閥7和灌漿閥6。下面更詳細(xì)描述的灌漿閥6由彈性灌漿閥套筒25覆蓋。圖3示出在關(guān)閉位置的灌漿閥6的細(xì)節(jié)。如上所述，灌漿閥用心軸5的側(cè)壁中形成的倒角端口 30構(gòu)造。倒角閥組件31位于端口 30中，在其優(yōu)選的實(shí)施例中，其是由金屬制成的并且連到易裂的剪切片32。剪切片32優(yōu)選地由具有意義明確的抗剪強(qiáng)度的材料制成，例如塑料、金屬或者陶瓷。套筒充氣過(guò)程期間套管中流體的壓力所施加的力足夠?qū)μ淄?完全充氣，并且其后不久剪斷剪切片32。剪切片32經(jīng)由示出為螺絲的扣件33連接到閥組件31。彈性灌漿閥套筒25環(huán)繞心軸5，并且結(jié)合到灌漿閥組件31的外表面，而不是結(jié)合到心軸5的圖中所示灌漿閥6的右側(cè)的部分。然而，彈性灌漿閥套筒25在灌漿閥6的左側(cè)的位置結(jié)合到心軸5。在操作中，當(dāng)彈性套筒的充氣期間跨灌漿閥6的壓力差超過(guò)具體的設(shè)計(jì)值時(shí)，易裂爆裂片32的外周邊緣經(jīng)受應(yīng)力并最終剪斷，由此倒角灌漿閥組件31被激活并且從其放置位置移出，從而由此允許流體流過(guò)打開(kāi)的灌漿閥6。如下將述，在通過(guò)打開(kāi)充氣閥大彈性套筒的充氣期間，達(dá)到這樣的點(diǎn)，其中彈性套筒在環(huán)狀空間中完全充氣，然后灌漿閥6裂開(kāi)并打開(kāi)。這時(shí)，套管中的壓力突然下降，由此充氣閥關(guān)閉。為此，灌漿閥6的打開(kāi)起到用于對(duì)彈性套筒充氣的安全閥的作用。如圖4所示，當(dāng)對(duì)灌漿閥6施加力打開(kāi)時(shí)，彈性灌漿閥套筒25被施加力向外膨脹。在套管由充氣套筒固定之后，水泥漿能夠沿套管向下泵送。灌漿閥6上液化水泥漿的力使其打開(kāi)并允許在箭頭方向上流動(dòng)。一旦泵送具體容量的水泥漿混合物通過(guò)灌漿閥6并進(jìn)入鉆孔環(huán)狀空間，那么水泥漿泵送操作停止。然后膨脹的彈性灌漿閥套筒25收縮，該動(dòng)作用心軸5的倒角端口 30將倒角閥組件31和剪切片32的剩余部分返回進(jìn)入就座狀態(tài)(seated condition)。一旦由于圍繞心軸5的彈性灌衆(zhòng)閥套筒25的收縮灌漿閥6回到其就座狀態(tài)，那么在倒角灌漿閥組件31和心軸5的倒角端口 30之間提供密封。如上所述，圖4示出在打開(kāi)位置的灌漿閥6。示出易裂剪切片32，隨著其在ECP的設(shè)計(jì)充氣壓力下的斷裂，其周邊邊緣剪切掉。在流體流動(dòng)期間，包括水泥漿的流動(dòng)，彈性灌漿閥套筒25定位倒角閥組件31，以便當(dāng)流體流停止時(shí)，倒角閥組件31回到倒角閥端口 30的就座狀態(tài)。通過(guò)將彈性灌漿閥套筒25結(jié)合到倒角閥組件31的外表面并且在位置34結(jié)合到心軸5，達(dá)到灌漿閥組件31和閥端口 30的對(duì)齊。彈性灌漿閥套筒25能夠制造為封隔器套筒的延伸的部分，但這不是必需的。圖5示出封隔器套筒4的上區(qū)域、充氣閥7、扣環(huán)21和結(jié)合的彈性套筒4。加固彈性套筒4具有多層結(jié)構(gòu)，包括外部彈性材料層40、加固層41 (這里為了圖解方便示為單層，但能夠由嵌入彈性材料中鋼絲簾線或者鋼帶層制成)、和內(nèi)部彈性材料層42。分層的彈性套筒4在表面積43上方結(jié)合到心軸5的外部圓柱形表面。加固套筒4的外部彈性材料層40結(jié)合到硬質(zhì)外套筒23，其在位置44靠在封隔器扣環(huán)21上?？郗h(huán)21具有作用在其上的來(lái)自套筒加固層41的負(fù)載。這會(huì)傾向于向圖中右側(cè)軸向移動(dòng)扣環(huán)21。然而，硬質(zhì)外部套筒23束縛扣環(huán)21不向右移動(dòng)，因?yàn)槠浣Y(jié)合到彈性材料層40，彈性材料層40依次結(jié)合加固層41?？郗h(huán)21內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力包含封隔器扣環(huán)21上負(fù)載的徑向分量。扣環(huán)21上的負(fù)載的軸向分量經(jīng)由在位置44的接觸面?zhèn)鬟f到硬質(zhì)套筒23?？郗h(huán)21上的軸向負(fù)荷通過(guò)彈性材料層40中的剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)移回加固層41。接觸面44被視為銳角鄰接，以便硬質(zhì)套筒23在來(lái)自封隔器扣環(huán)21的負(fù)載下不脫開(kāi)。準(zhǔn)許流體膨脹封隔器套筒4的充氣閥系統(tǒng)，在位置48處裝設(shè)于心軸5中的同心凹陷中。盡管示出一個(gè)充氣閥7，但是應(yīng)當(dāng)理解圍繞沖模封隔器心軸5形成許多這種閥門。在位置48，在心軸5打鉆端口 47，從而提供充氣流體入口點(diǎn)。通過(guò)在位置45在心軸5的外表面上方結(jié)合的彈性環(huán)形閥瓣46提供充氣閥7的移動(dòng)。在金屬扣環(huán)21下方，彈性環(huán)形閥瓣46的環(huán)形末端結(jié)合到心軸5，從而維持閥瓣46的環(huán)形邊緣固定到心軸5。如圖所示，在封隔器套筒4的充氣期間，對(duì)流體充氣迫使彈性環(huán)形閥瓣46打開(kāi)。當(dāng)將封隔器充氣流體泵送到 指定壓力時(shí)，灌漿閥裂開(kāi)并打開(kāi)，因此套管中的壓力下降，由此使得彈性環(huán)形閥瓣46關(guān)閉各自的端口 47。充氣閥7由封隔器套筒4和心軸5之間包含的流體壓力保持在關(guān)閉狀態(tài)。灌漿過(guò)程期間，由對(duì)封隔器套筒4充氣所施加到關(guān)閉的彈性環(huán)形閥瓣46內(nèi)側(cè)上的力大于由沿著套管壓低的水泥漿施加在充氣閥瓣46的另一側(cè)上的流體力。因此，灌漿過(guò)程期間，水泥漿沒(méi)有迫使擋板閥46打開(kāi)。另外，水泥漿會(huì)進(jìn)入封隔器套筒4和心軸5之間。有利地是，以縱向分開(kāi)(split)的形式制成硬質(zhì)外套筒23，以便便于封隔器的組裝，而最小化硬質(zhì)外套筒23和彈性材料層40之間直徑的精確裕量的需要。在組裝期間，硬質(zhì)分開(kāi)式套筒23被夾住進(jìn)入下層彈性材料層40的適當(dāng)位置，從而準(zhǔn)許其之間形成結(jié)合。彈性材料結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，層的各種結(jié)合和分離部分有利于制成ECP。圖6示出充氣期間縮短的封隔器套筒4的下端的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。封隔器套筒4的下端包括滑動(dòng)密封件55、扣環(huán)20和外套筒層40。封隔器套筒4在其下端的設(shè)置包括內(nèi)部彈性材料層42、加固層41、外部彈性材料層40、扣環(huán)20、和硬質(zhì)外套筒22，所有這些在結(jié)構(gòu)上類似于上面結(jié)合圖5中的封隔器的上端所述的。主要差異是，制造內(nèi)部彈性材料層42，以便其能夠在心軸5上方在表面積53的軸向方向上隨著充氣期間封隔器套筒4的縮短而滑動(dòng)。不同于大多數(shù)具有滑動(dòng)液壓密封形式的封隔器，這里所公開(kāi)的封隔器利用由彈性材料構(gòu)成的環(huán)形套筒密封件55，其優(yōu)選地具有類似于套筒4的彈性材料結(jié)構(gòu)。在心軸5中形成的環(huán)形外部凹槽54中包括環(huán)形套筒密封件55。環(huán)形套筒密封件55在表面積58的上方結(jié)合到心軸5的外側(cè)，并且在表面積57的上方結(jié)合到封隔器內(nèi)部彈性材料層42的內(nèi)側(cè)。其他方面，套筒密封件55未被結(jié)合，而是在外部凹槽54內(nèi)在心軸5上自由地軸向滑動(dòng)。在圖中，示出封隔器套筒4處于充氣狀態(tài)，與鉆孔I接觸。在充氣狀態(tài)，套筒密封件55從其占據(jù)外部凹槽54的總長(zhǎng)度的初始位置縱向壓縮。套筒密封件55被壓縮的距離示為尺寸G。圖中示出套筒密封件55已經(jīng)制造有加固層56。這優(yōu)選是偏置放置的端口編織網(wǎng)，以便其能夠軸向壓縮。加固網(wǎng)56會(huì)結(jié)合到彈性材料中并防止套筒密封件55的不均勻應(yīng)變，否則這會(huì)導(dǎo)致套筒密封件55的材料內(nèi)的扯裂。套筒密封件55由膨脹的套筒4中的流體壓力保持靠著凹槽54內(nèi)的心軸5，并且通過(guò)封隔器扣環(huán)20的緊密環(huán)形束縛防止從套筒4的內(nèi)部彈性材料42上撕開(kāi)。盡管已經(jīng)參考具體的套管外封隔器和其使用和制造的相關(guān)方法公開(kāi)了本發(fā)明的 優(yōu)選及其他實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以按照設(shè)計(jì)選擇的主題作出細(xì)節(jié)上的變化，而不偏離由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種使用充氣式封隔器系統(tǒng)對(duì)套管和鉆孔之間的環(huán)狀空間進(jìn)行水泥灌漿的方法，其包括 將連有套管外封隔器的套管放置在鉆孔中的一個(gè)位置，用于對(duì)位于所述套管外封隔器上方的所述鉆孔環(huán)狀空間的一部分進(jìn)行水泥灌漿； 對(duì)所述套管外封隔器的可充氣彈性套筒充氣，從而通過(guò)用充氣流體對(duì)所述套管加壓以阻塞所述鉆孔的所述環(huán)狀空間，這用所述加壓充氣流體打開(kāi)所述套管外封隔器中的單向充氣閥并對(duì)所述可充氣套筒充氣到預(yù)定壓力； 通過(guò)所述套管外封隔器和所述環(huán)狀空間之間放置的減壓閥確定預(yù)定壓力，所述減壓閥在所述預(yù)定壓力下打開(kāi)，然后變?yōu)閱蜗蚬酀{閥； 經(jīng)由所述打開(kāi)的單向灌漿閥向下泵送液化水泥漿混合物通過(guò)所述套管，所述灌漿閥位于一部分所述充氣的可充氣套筒上方的所述套管外封隔器中；和 使用連到所述封隔器的彈性組件將所述灌漿閥偏置到關(guān)閉位置，由此當(dāng)所述水泥漿混 合物的壓力在所述套管中降低時(shí)，所述彈性組件使得所述灌漿閥關(guān)閉并防止所述水泥漿混合物從所述環(huán)狀空間回流進(jìn)所述套管中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步地包括在給定壓力下裂開(kāi)或者剪開(kāi)一部分所述灌漿閥，從而打開(kāi)所述灌漿閥并準(zhǔn)許所述套管中的壓力下降。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步地包括使用所述套管中的壓力下降維持所述套筒充氣閥的閉合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步地包括對(duì)所述套管加壓從而打開(kāi)所述單向充氣閥并對(duì)所述可充氣套筒充氣，并且使用所述已加壓的套管剪斷所述灌漿閥的元件，從而當(dāng)對(duì)所述可充氣套筒充氣時(shí)，允許所述灌漿閥打開(kāi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)使用圍繞所述封隔器并連到所述灌漿閥的活動(dòng)部分的彈性套筒組件，由所述彈性組件將所述灌漿閥偏置到關(guān)閉狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括將所述灌漿閥的彈性套筒制造為所述可充氣彈性套筒的部分，由此當(dāng)所述灌漿閥打開(kāi)時(shí)所述彈性套筒組件徑向地向外伸展。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步地包括將所述灌漿閥的所述彈性套筒的一部分結(jié)合到所述封隔器的心軸，并且將所述灌漿閥的彈性套筒結(jié)合到倒角灌漿閥組件，該組件作為所述灌漿閥的所述活動(dòng)組件。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步地包括在一個(gè)制造過(guò)程期間，形成所述彈性套筒組件作為所述可充氣彈性套筒的整體部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括使用彈性材料的套筒作為所述止回充氣閥的閥瓣組件，并且將所述彈性材料閥瓣組件套筒的一個(gè)環(huán)形邊緣結(jié)合到所述封隔器的心軸，允許所述彈性材料的套筒的另一個(gè)環(huán)形邊緣不受約束用于所述心軸中各端口的升起，從而準(zhǔn)許單向流體流。
10.一種在鉆孔環(huán)狀空間設(shè)置套管外封隔器從而在其中固定套管的方法，其包括 密封所述封隔器的基座； 通過(guò)使加壓的流體通過(guò)單向充氣閥進(jìn)入所述可充氣套筒，對(duì)所述封隔器加壓從而對(duì)圍繞一部分封隔器心軸的可充氣彈性套筒充氣； 通過(guò)使用所述封隔器中的減壓閥限制所述可充氣套筒的充氣壓力，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)的壓力降時(shí)，所述減壓閥釋放所述封隔器中的壓力到套管外側(cè)； 使用所述減壓閥作為單向閥，從而準(zhǔn)許水泥漿材料通過(guò)其流到所述鉆孔的所述環(huán)狀空間；和 關(guān)閉所述減壓閥，從而防止所述水泥漿材料從所述環(huán)狀空間倒流回所述封隔器中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，借此通過(guò)落下球體進(jìn)入位于所述封隔器的所述基座的座位中，密封所述封隔器的基座。
12.一種使用充氣式封隔器系統(tǒng)對(duì)鉆孔進(jìn)行水泥灌漿的方法，其包括 將附連有所述充氣式封隔器系統(tǒng)的套管下降進(jìn)入鉆孔中； 用流體加壓所述套管，以便所述加壓的流體進(jìn)入所述封隔器系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)單向充氣閥，從而對(duì)套筒充氣并阻塞所述鉆孔的環(huán)狀空間； 增加所述套管中的所述流體的壓力，直到一個(gè)或多個(gè)單向易裂灌漿閥裂開(kāi)，從而允許加壓的流體進(jìn)入所述封隔器系統(tǒng)上方的所述鉆孔環(huán)狀空間，借此所述套管的壓力下降并且所述單向充氣閥關(guān)閉并在所述鉆孔環(huán)狀空間中維持所述套筒的充氣； 泵送水泥漿向下通過(guò)所述套管并通過(guò)所述裂開(kāi)的單向灌漿閥進(jìn)入位于所述封隔器系統(tǒng)上方的所述鉆孔環(huán)狀空間的所述部分中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步地包括將預(yù)定體積的所述水泥漿沿著所述套管向下泵送并進(jìn)入所述鉆孔環(huán)狀空間，然后停止所述水泥漿的所述泵送，借此所述單向灌漿閥關(guān)閉并防止所述水泥漿從所述環(huán)狀空間的倒流回到所述套管中。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步地包括在將所述水泥漿沿著所述套管向下泵送之前密封所述封隔器系統(tǒng)的所述基座，從而防止所述水泥漿進(jìn)入所述封隔器系統(tǒng)下方的所述套管的打孔部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步地包括在所述預(yù)定體積的水泥漿已經(jīng)沿著所述套管向下泵送之后，迫使塞體向下通過(guò)所述套管，從而從所述套管清除至少一部分所述水泥漿并且迫使其通過(guò)所述單向閥灌漿閥并進(jìn)入所述鉆孔環(huán)狀空間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步地包括對(duì)所述水泥漿已經(jīng)在所述封隔器系統(tǒng)中固定的部分打鉆，從而從所述鉆孔的底部到所述套管的頂部提供采出流體的流動(dòng)途徑。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步地包括圍繞所述封隔器系統(tǒng)的心軸主體形成彈性套筒，其中所述套筒的環(huán)形頂部緊固到所述心軸并密封到所述心軸，并且隨著所述套筒的充氣，所述套筒的底部沿著所述心軸可滑動(dòng)并且密封到所述心軸。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在所述單向灌漿閥上方形成一部分所述彈性套筒，以便所述套筒的彈性使所述單向灌漿閥移動(dòng)進(jìn)入在所述心軸中形成的各端口中的關(guān)閉位置。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步地包括使用圍繞所述心軸夾住所述套筒的扣環(huán)將所述套筒的頂部緊固到所述心軸，并且通過(guò)使用覆蓋所述心軸中形成的各端口的彈性擋板形成所述單向充氣閥，其中所述擋板在其一端緊固到所述扣環(huán)下面的所述心軸。
20.一種用于灌漿鉆孔環(huán)狀空間的充氣式封隔器系統(tǒng)，所述封隔器系統(tǒng)包括 心軸，形成所述封隔器系統(tǒng)的主體，所述心軸適合于連到套管，所述心軸在其中為各灌漿閥形成一個(gè)或多個(gè)端口，并且為各充氣閥形成一個(gè)或多個(gè)端口 ； 座位，在所述心軸的底部部分中形成，其中所述座位適合于通過(guò)沿套管落下的球體被阻塞； 彈性套筒，圍繞所述心軸并且圍繞所述充氣閥端口形成； 錨固密封件，在所述充氣閥端口上方以及所述灌漿閥端口下方圍繞所述心軸在所述彈性套筒頂部形成； 滑動(dòng)密封件，沿著所述心軸在所述彈性套筒的底部形成； 一個(gè)或多個(gè)單向充氣閥，每個(gè)所述單向充氣閥位于所述一個(gè)充氣閥端口上方，每個(gè)所述單向充氣閥適合于允許充氣流體穿過(guò)所述充氣閥端口并且進(jìn)入所述彈性套筒，而在相反方向上不允許； 一個(gè)或多個(gè)單向灌漿閥，每個(gè)所述單向灌漿閥位于一個(gè)所述灌漿閥端口上方，每個(gè)所 述單向灌漿閥適合于允許水泥漿穿過(guò)所述灌漿閥端口并且進(jìn)入所述鉆孔環(huán)狀空間，而在相反方向上不允許；和 每個(gè)所述單向灌漿閥用易裂組件形成，其響應(yīng)于預(yù)設(shè)充氣流體壓力裂開(kāi)，借此當(dāng)將所述彈性套筒充氣到所述預(yù)設(shè)流體壓力時(shí)，所述易裂組件裂開(kāi)從而啟動(dòng)所述單向灌漿閥操作，并且所述單向充氣閥關(guān)閉，從而允許所述彈性套筒維持預(yù)先設(shè)定的充氣流體壓力。
全文摘要
一種用于使用套管外封隔器(ECP)為鉆孔區(qū)域灌注水泥的方法和儀器。該方法包括用掉落到座位中的球體密封ECP的基座，然后對(duì)套管加壓從而通過(guò)單向閥對(duì)彈性封隔器套筒充氣。當(dāng)達(dá)到通過(guò)套管和彈性套筒的設(shè)計(jì)壓力下降時(shí)，封隔器上部的灌漿閥打開(kāi)，從而限制套筒充氣壓力并提供單向閥，水泥漿通過(guò)單向閥，從而準(zhǔn)許對(duì)套管和鉆孔之間的環(huán)狀空間進(jìn)行灌漿。
文檔編號(hào)E21B34/00GK102741497SQ201080052564
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者伊安·格雷 申請(qǐng)人:伊安·格雷