具有抗塌缩单元的环状屏障技术领域
本发明涉及一种待在井下于井管结构与井眼壁部之间的环空内膨胀
以在井眼的具有第一压力的第一区域和具有第二压力的第二区域之间提供
区域隔离的环状屏障。此外，本发明涉及一种井下系统和一种区域隔离方
法。
背景技术
在完井作业时，通过将具有环状屏障的套管柱浸入井眼或井的套管内
来提供生产区域。在套管柱位于井眼内或井眼中的另一套管内的正确位置
时，使环状屏障膨胀或扩张。环状屏障在一些完井作业中通过加压流体膨
胀，这需要一定量的附加能量。在其它完井作业中，环状屏障内的化合物
被加热以使所述化合物变为气态，从而增大其体积并因此使可膨胀套筒膨
胀。
为了密封在井管结构与井眼之间或在内管结构和外管结构之间的区
域，使用了第二环状屏障。该第一环状屏障在待密封的区域的一侧膨胀，
且该第二环状屏障在该区域的另一侧上膨胀，并且采用这种方式来密封该
区域。
当膨胀时，环状屏障可以经受呈井环境内的液压压力形式或呈地层压
力形式的、来自外侧的连续的压力或周期性的高压。在这些情况下，这样
的压力可以导致该环状屏障塌缩，这会给要通过该屏障密封的区域带来严
重的后果，因为，由于塌缩失去了密封性能。当该可膨胀套筒通过膨胀机
构例如液压流体膨胀时也可能会出现类似的问题。如果流体从该套筒泄漏，
则回压可能消失并且套筒自身会因此塌缩。
环状屏障的已膨胀套筒的抵抗塌缩压力的能力也因此受到许多变量
如材料强度、壁厚、暴露于塌缩压力的表面面积、温度、井筒流体等的影
响。
已膨胀套筒目前在某些井环境中可实现的塌缩等级不足以用于所有
井应用。因此，期望增加塌缩等级以使环状屏障被应用在所有井中，尤其
是应用在在生产和放空过程中具有高生产压差的井中。塌缩等级可通过增
加壁厚或材料的强度来增大，然而这将增加膨胀压力，这如已经提到的那
样是不期望的。
发明内容
本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不
足。更特别地，一个目的是提供一种改进的环状屏障，该环状屏障在无需
增加可膨胀套筒的厚度的情况下也不会塌缩。
从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优
点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过待在井下于井管结构与井眼
的壁部之间的环空内膨胀以在井眼的具有第一压力的第一区域与具有第二
压力的第二区域之间提供区域隔离的环状屏障来实现，该环状屏障包括：
-用于安装为所述井管结构的一部分的管状金属部件，该管状金属部件
具有外表面；
-可膨胀套筒，该可膨胀套筒环绕该管状金属部件并具有面向所述管状
金属部件的内表面和面向所述井眼的壁部的外表面，所述可膨胀套筒的每
个端部与所述管状金属部件连接；以及
-在所述可膨胀套筒的内表面与所述管状金属部件之间的环形空间，所
述环形空间具有空间压力，
其中，该环状屏障包括抗塌缩单元，所述抗塌缩单元包括至少能在第
一位置和第二位置之间运动的元件，该抗塌缩单元具有与所述第一区域流
体连通的第一入口和与第二区域流体连通的第二入口，并且该抗塌缩单元
具有与环形空间流体连通的出口，并且在所述第一位置，所述第一入口与
所述出口流体连通，使所述第一区域的第一压力与所述空间压力平衡，并
且在所述第二位置，所述第二入口与所述出口流体连通以使所述第二区域
的第二压力与所述空间压力平衡。
在一个实施例中，所述抗塌缩单元可以包括往复阀，并且所述元件可
以包含在所述往复阀内。
此外，所述抗塌缩单元可布置在所述管状金属部件的外表面上或布置
在所述井管结构的外表面上。
并且，所述抗塌缩单元邻近或邻接所述可膨胀套筒布置。
所述可膨胀套筒的一端或两端可借助连接部件与所述管状部件连接，
并且所述抗塌缩单元可以在所述环形空间外侧布置在所述连接部件附近或
内。
此外，其中一个连接部件可以与所述管状部件滑动连接，并且另一个
连接部件可与所述管状部件固定连接。
此外，所述抗塌缩单元可以布置在所述固定连接的连接部件内或附近。
进一步地，所述抗塌缩单元的出口可以通过流体通道流体连接至所述
环形空间。
根据前述权利要求之一所述的环状屏障，其中，所述第一入口经所述
井管结构或所述管状部件的内部与所述第一区域流体连接，或者所述第二
入口经所述井管结构或所述管状部件的内部与所述第二区域流体连接。
并且，所述流体通道可以设置在所述连接部件内。
此外，所述流体通道可以设置在管或管道内。
此外，所述抗塌缩单元可以布置在所述第一区域或第二区域内。
进一步地，在所述环形空间内可封闭有化合物。
此外，所述化合物可以包含氮。
并且，所述化合物是在400℃的温度以下可热分解的。
在一个实施例中，所述井管结构可以包括对着所述第一区域的第一开
口和对着所述第二区域的第二开口，所述第二开口经所述井管结构的内部
与所述第一入口和所述第一开口流体连通。
此外，所述第一入口可以经延伸贯穿所述环形空间的管道与所述第一
区域流体连通。
并且，所述管道可围绕所述管状部件的外表面螺旋延伸。
此外，所述管道可以布置在所述管状部件的壁部内的通道内。
筛网可设置在所述管状部件的外表面上并且在所述第一入口和/或所
述第二入口的上游。
此外，所述管状部件可包括与第二管状部件连接的第一管状部件，所
述可膨胀套筒可以被连接至所述第一管状部件，并且所述抗塌缩单元可对
着所述第二管状部件布置。
进一步地，所述元件可以是于活塞壳体内能在所述第一位置与所述第
二位置之间运动的活塞，所述活塞壳体包括在所述活塞沿第一方向运动时
被压缩的弹簧。
此外，所述元件可以是于壳体内能在所述第一位置和所述第二位置之
间运动的球。
所述壳体可具有嵌入件，该嵌入件由比所述壳体的材料更有柔性的材
料制成。
并且，所述往复阀可具有壳体，所述壳体具有由金属、陶瓷、弹性体
材料或聚合物材料制成的嵌入件。
此外，所述管状部件可以包括与所述管状部件的内部和所述环形空间
流体连通的膨胀口。
上述环状屏障还可包括将所述膨胀口与所述环形空间流体连接以允
许在所述井管结构内的膨胀流体膨胀所述可膨胀套筒的剪切销组件。
此外，所述剪切销组件可具有第一位置和第二位置，在所述第一位置
处，允许膨胀流体流入所述环形空间，在所述第二位置处，所述膨胀口被
封堵，以阻止膨胀流体进入所述环形空间。
此外，所述剪切销组件可包括剪切元件，如剪切销或剪切盘，其适于
在某一压力下剪切并迫压所述剪切销组件从所述第一位置转换至所述第二
位置。
所述嵌入件包括与所述第一入口流体连接的第一通道和与所述第二
入口流体连接的第二通道，并且所述球可在所述第一或第二区域内的压力
变化时在所述第一和第二通道内运动。
此外，所述可膨胀套筒可以通过对所述井管结构的内部加压来膨胀，
并且所述压力可如此地被引入所述环形空间，即经所述第二开口和所述抗
塌缩单元的第一入口并从该第一入口经所述出口进入所述环形空间。
并且，化合物可封闭在所述环形空间内，所述化合物适于使所述环形
空间膨胀并因此使所述可膨胀套筒膨胀。
此外，所述管状部件可包括对着所述环形空间布置的膨胀口，并且可
在所述膨胀口内布置单向阀。
所述环状屏障还可包括剪切销组件，该剪切销组件具有在环状屏障的
膨胀过程中在一定压力下剪切的剪切销或剪切盘。
所述环状屏障的可膨胀套筒可由金属制成。所述管状部件可由金属制
成。
本发明还涉及井下系统，其包括：
-井管结构；以及
-根据前述权利要求中任一项所述的环状屏障。
所述井下系统进一步包括多个环状屏障。
并且，所述井下系统还可包括压裂端口。
本发明还涉及用于提供和维持在所述井眼的具有第一压力的第一区
域和具有第二压力的第二区域之间的区域隔离的区域隔离方法，该方法包
括以下步骤：
-将上述环状屏障定位在井管结构中；
-使所述环状屏障的可膨胀套筒膨胀以提供在所述井眼的第一区域和
第二区域之间的区域隔离；以及
-当所述第一区域的第一压力高于所述第二区域的第二压力时，通过借
助在所述第一位置处布置所述元件从而使所述第一入口与所述出口流体连
通来平衡所述第一区域的第一压力与所述空间压力，以维持在所述第一区
域与所述第二区域之间的区域隔离；以及
-当所述第二区域的第二压力高于所述第一区域的第一压力时，通过借
助在第二位置处布置所述元件从而使所述第二入口与所述出口流体连通来
平衡所述第二区域的第二压力与所述空间压力，以维持在所述第一区域与
所述第二区域之间的区域隔离。
在一个实施例中，所述区域隔离方法进一步包括当所述第一压力从高
水平下降时借助所述第一区域的第一压力来平衡所述空间压力和当所述第
二压力从高水平下降时借助所述第二区域的第二压力来平衡所述空间压力
的步骤。
最后，本发明涉及上述环状屏障用于在第一区域的第一压力或第二区
域的第二压力因水力致裂/水力压裂或射孔或者在生产过程中增大时在第
一区域和第二区域之间维持区域隔离的应用。
附图说明
下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示
意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：
图1示出了具有抗塌缩单元的环状屏障的剖视图；
图2示出了另一环状屏障的剖视图；
图3示出了具有在环状屏障内部延伸的管道的另一环状屏障的剖视图；
图4示出了包括螺纹连接的两个模块的另一环状屏障的剖视图；
图5示出了具有活塞元件的抗塌缩单元的剖视图；
图6示出了具有活塞元件的另一抗塌缩单元的剖视图；
图7示出了具有球元件的抗塌缩单元的剖视图；
图8示出了具有筛网的另一环状屏障的剖视图；
图9以立体图示出了另一环状屏障的局部视图；
图10示出了具有两个带抗塌缩单元的环状屏障的井下系统的剖视图；
以及
图11示出了又一环状屏障的剖视图。
所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐
明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。
具体实施方式
图1示出了已在井下于井管结构3与井眼6的内侧壁5之间的环空2
内膨胀以在井眼6的第一区域101与第二区域102之间提供区域隔离的环
状屏障1。该环状屏障1还可布置在套管内并且还可被用作井管结构3的
锚固件。在下文中，将就在井眼中的直接实施来公开本发明。环状屏障1
包括用于安装为井管结构3的一部分的管状金属部件7以及环绕管状金属
部件7的可膨胀套筒8。该可膨胀套筒8具有面向管状金属部件7的内表
面9和面向井眼6的内侧壁5的外表面10。可膨胀套筒8的每个端部12、
13与管状金属部件7连接以限定出在可膨胀套筒8的内表面9与管状金属
部件7之间的环形空间15。该环状屏障1还包括抗塌缩单元11，该抗塌缩
单元包括能至少在第一位置和第二位置之间运动的元件20。该抗塌缩单元
11具有与所述第一区域101流体连通的第一入口25、与第二区域102流体
连通的第二入口26以及与具有空间压力Ps的环形空间15流体连通的出口
27。在第一位置处，当第一压力P1高于空间压力Ps和第二压力P2时，第
一入口25与出口27流体连通，以使第一区域101的第一压力P1与空间压
力Ps平衡。在该第一位置，更多的流体进入该环形空间内，从而空间压力
Ps被增大至与第一压力基本相等。在第二位置处，当第二压力P2高于空间
压力Ps和第一压力P1时，第二入口26与出口27流体连通，以使第二区
域102的第二压力P2与空间压力Ps平衡。在该第二位置，更多的流体进
入该环形空间内，从而空间压力Ps被增大至与第二压力基本相等。以这种
方式，在两区域中任意区域内的高压被平衡，从而防止了可膨胀套筒的塌
缩。
环状屏障1可以两种方式膨胀，即通过在空间15内封装化合物16以
及激活化合物以生成气体或超临界流体，或者借助来自井管结构3内的加
压流体。当环状屏障1的可膨胀套筒8膨胀时，井管结构3从内部膨胀并
且井管结构中的加压流体经抗塌缩单元11的第一入口25进入该空间15。
加压流体推动该元件20移动，以进入与空间15流体连接的出口27。当通
过化合物的分解或化学反应膨胀环状屏障1的可膨胀套筒8时，单向阀或
剪切盘/销可布置在与出口27流体连接的通道28内，以防止气体或超临界
流体在膨胀过程中从该空间中溢出。化合物是在400℃的温度以下可热分
解的。
在环状屏障1的可膨胀套筒8膨胀之后，第一区域101内的第一压力
P1例如可在压裂或生产过程中增大，并且随后空间压力Ps需要被平衡至与
第一压力P1大约相等，以避免可膨胀套筒8塌缩并因此打破在第一和第二
区域101、102之间的隔离。
在图2中，井管结构3在第一区域101内的第一开口31a经由井管结
构的内部30与管状金属部件7上的对着第二区域102的第二开口38流体
连通。第一开口31a因此与抗塌缩单元11的第一入口25流体连通，如由
箭头所指地，并且提供了到空间15的流体通路，第一压力P1应高于空间
压力Ps和第二压力P2。如果第二区域102的第二压力P2高于第一压力P1，
则通过第二入口26使空间压力Ps与第二压力P2平衡。第二压力P2移动抗
塌缩单元11中的元件20，从而提供与空间15的流体连通。
在图1和2中，可膨胀套筒8借助连接部件14与管状金属部件7连
接，以使得该可膨胀套筒8挤压在连接部件与管状部件7之间。在图3中，
可膨胀套筒8被焊接至该管状部件7。将抗塌缩单元11的出口27与空间
15连接的流体通道28在图1和2中位于连接部件14内并且在图3中以凹
槽或孔的形式在可膨胀套筒8的第二端13位于套筒8的第一部段21中。
因此，流体通道28可位于连接部件14或可膨胀套筒8的第二端中的管或
管道45内。
抗塌缩单元11可包括往复阀，并且元件20包含在该往复阀内并根据
在第一和第二区域101、102内的压力在第一位置和第二位置之间往复运动。
抗塌缩单元11布置在管状金属部件7的外表面4上或井管结构3的外表面
4上。如在图1和2中所示，抗塌缩单元11紧靠可膨胀套筒8的第二端13
的连接部件14地布置在可膨胀套筒8附近。在图3中，抗塌缩单元11邻
近可膨胀套筒8布置。在图11中，该抗塌缩单元11在环形空间15的外侧
布置在连接部件14内。
在图3中，抗塌缩单元11的第一入口25经延伸贯穿环形空间15的
管道45与第一区域101流体连通。此外，筛网44布置在管状部件7的外
表面上并位于第一入口25和第二入口26的上游。该管道45被紧固至可膨
胀套筒8的第一端12并经在可膨胀套筒8的第一端12中的通道并经靠近
可膨胀套筒8布置在空间15的外侧的筛网44或过滤器44与第一区域101
流体连通。来自第一区域101的流体流动经过筛网44，从而仅允许非常小
的颗粒随流体流入管道45内并进一步流入布置在第二区域102内的抗塌缩
单元11内。以相同的方式使来自第二区域102的流体在进入抗塌缩单元
11之前经过筛网44或过滤器44。
在图3和4中示出的管道45布置在空间15内并且绕管状部件7的外
表面4螺旋延伸。因此，管道45还在将环状屏障插入井眼的过程中充当抗
塌缩机构。在插入井管结构3的过程中，可膨胀套筒8可能会撞击井眼中
的突起，如果不存在管道45，则这可能会导致可膨胀套筒8向内略微塌缩。
管道45可以以不同于在图3中所示的另一横截面与抗塌缩单元11的第一
入口25连接。虚线示出了膨胀后的可膨胀套筒8的位置。
在图3中，可膨胀套筒8具有在第一部段21之间的第二部段22，并
且该第一部段具有大于第二部段22的第二厚度的第一厚度。因此，相比于
使套筒8的第二部段22膨胀所需的膨胀压力，用于使套筒8的第一部段
21膨胀需要更高的膨胀压力。此外，可膨胀套筒8的第一部段21具有第
一内径，并且可膨胀套筒的第二部段22具有第二内径。第二内径大于第一
内径。当第一内径小于第二内径时，用于使具有第一内径的套筒段膨胀所
需的压力高于用于使具有第二内径的段膨胀所需的压力。在环形空间15
内的化合物16产生一定量的膨胀能，并且如果该井眼6的内径小于在环状
屏障1待膨胀位置所预期的，则会存在多余的膨胀能。则这种多余的膨胀
能还可被用于使具有较小内径和/或较大厚度的套筒段膨胀。因此，该套筒
的第一部段21起到了被动压力补偿的作用，因为该段的膨胀是发生在存在
多余的膨胀能时。
图4中所示的管状部件7被分成与第二管状部件7b连接的第一管状
部件7a。可膨胀套筒8被连接至第一管状部件7a并且抗塌缩单元11被连
接至第二管状部件7b。第一管状部件7a和第二管状部件7b螺纹连接，并
且将出口27与空间15连接的流体通道28由借助连接件39连接至出口27
的管形成。以这种方式，环状屏障1可由环状屏障模块和包括抗塌缩单元
11的附加模块组装而成。环状屏障需要鉴定以允许被插入井下，并且当环
状屏障已经鉴定并且抗塌缩模块是环状屏障中的非一体成型模块时，可大
幅度简化单独的抗塌缩模块的鉴定程序。
在图5中，抗塌缩单元11是往复阀，并且该阀的元件20是可在活塞
壳体29内于第一位置和第二位置之间运动的活塞20a。活塞壳体29具有
膛孔32，弹簧31布置在该膛孔32内。弹簧31在活塞20a沿第一方向朝
第二入口26运动时被压缩并且第一压力高于空间压力和第二压力。活塞
20a运动直至提供通向出口27的通路，并且因此直至提供出与空间的流体
连通。当空间压力已与第一压力平衡时，弹簧31迫压活塞20a返回，从而
切断在第一入口25与出口27之间的流体连通，并且允许在第二区域与空
间之间的流体连通。
在图6的抗塌缩单元11中，元件20包括活塞20a和活塞杆33。第二
入口26设置有密封机构34，从而该活塞杆33接合该密封机构并为围绕活
塞20a的O形环提供备用密封。通过提供活塞杆33，弹簧31还在压缩过
程中被引导，这防止其被卡住。
如在图7中所示，元件20还可以是能于壳体29内在第一位置和第二
位置之间运动的球20b。壳体29具有嵌入件35，该嵌入件由这样的材料
制成，该材料比壳体的材料更具有柔性，如弹性体材料。以这种方式，嵌
入件35起到密封件的作用，并且球20b擦去该密封件上的小颗粒。嵌入
件35具有第一通道36a和第二通道36b，并且当该嵌入件在使用过程中磨
损时，球20b被分别进一步迫压到第一或第二通道内。通过具有由弹性材
料制成的这样的细长的第一和第二通道，抗塌缩单元11能够实现比常规往
复阀更多的重复次数。
在图8中，环状屏障1的管状部件7包括对着环形空间15布置的膨
胀口41。为了防止流体在压力平衡过程中从空间15中溢出，在该膨胀口
中设置有单向阀42。
如在图9中所示，环状屏障1还包括剪切销组件37。剪切销组件37
具有经筛网44从井管结构3的内部接收流体的端口A。端口A在膨胀过
程中与端口D流体连接，导致井管结构内的膨胀流体使可膨胀套筒8膨胀。
当可膨胀套筒8被膨胀以紧贴井眼壁部时，压力增大并且在剪切销组件内
的剪切销或盘剪切关闭与端口A的流体连接并打开在端口B与端口C之
间的流体连接，从而来自第二入口的流体可被允许经剪切销组件进入该空
间内。当第一区域内的第一压力增大时，来自与为第一入口25的端口I
连接的端口E的流体推动该元件运动，从而在端口I与为出口的端口H之
间提供流体连通，并且因此进一步经端口B和C并经端口D进入空间内。
当第二区域内的第二压力增大时，该元件沿相反方向被迫压，并且提供在
端口G与端口H之间的流体连通，即在抗塌缩单元11的第二入口与出口
之间的流体连通，并且因此，使流体经端口B、C和D进入该空间内。
在图11中，其中一个连接部件14与管状部件7滑动连接，并且另一
个连接部件与管状部件固定连接。
如所提到的，化合物16可被封闭在环形空间15内，并且化合物适于
使环形空间和因此可膨胀套筒8膨胀。当困在该可膨胀的空间内的化合物
16在400℃的温度以下化学反应或热分解，从而生成气体或超临界流体时，
可膨胀套筒8被膨胀直至套筒8的外表面10挤压井眼6的内表面5，如在
图1中所示。当使用在空间15中封闭的化合物16和由金属制成的可膨胀
套筒8时，可膨胀套筒8可在无需连接部件的情况下被焊接或以其他方式
固定连接至管状金属部件7。
包含在该空间15内的化合物16可以包含氮并且可选自重铬酸铵、硝
酸铵、亚硝酸铵、叠氮化钡、硝酸钠或其组合。这些含氮化合物在例如借
助通过加热管状金属部件7来加热化合物16的、用热蒸汽或加热的流体冲
洗所述套管的方式被加热时分解。在许多井场，可使用热蒸汽，因为热蒸
汽被用于将含烃流体从储层中提升，并且因此热蒸汽还可被用于使环状屏
障膨胀。
所述空间15中的化合物16可以以粉末、分散在液体中的粉末或溶解
在液体中的粉末的形式存在。因此，化合物16可以是固体或液体状态，并
且该液体可以是水、泥浆或井筒流体。当化合物16被加热时，化合物分解
成气体或超临界流体和水，并且可膨胀套筒8因此被膨胀。是气体还是超
临界流体取决于井下压力和温度。如果压力高于预期，则所述分解可能会
产生超临界流体，而不是气体。
图10示出了井下系统100，其包括两个环状屏障，每个环状屏障具有
抗塌缩单元11。布置在环状屏障之间的抗塌缩单元11具有第一入口25和
第二入口26，第一入口25经开口流体连接至井管结构3的内部30，第二
入口26与在环状屏障之间的第二区域102a流体连接。布置在其中一个环
状屏障1的另一侧的第二区域102a内的抗塌缩单元11具有经在环状屏障
的空间内延伸的管道与在环状屏障之间的区域102a流体连接的入口和与
第二区域102b流体连接的第二入口26。
本发明因此还涉及用于提供和维持在井眼6的具有第一压力P1的第一
区域101和具有第二压力P2的第二区域102之间的区域隔离的区域隔离方
法。首先将环状屏障1定位在井管结构3中，之后使环状屏障的可膨胀套
筒8膨胀以提供在井眼的第一区域和第二区域之间的区域隔离。当第一区
域的第一压力高于第二区域的第二压力时，通过借助在第一位置处布置元
件20从而使第一入口与出口流体连通来使第一区域的第一压力与空间压
力平衡以维持在第一区域与第二区域之间的区域隔离。当所述第二区域的
第二压力高于所述第一区域的第一压力时，通过借助在第二位置处布置元
件从而使第二入口与出口流体连通来使第二区域的第二压力与空间压力平
衡以维持在第一区域与第二区域之间的区域隔离。
流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天
然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井
中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含
油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的
其它元素或物质。
套管是指井下使用的与石油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、
管结构、衬管、管柱等。
尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不
背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领
域技术人员来说将是显而易见的。