CN101044294A - 井下的可膨胀密封件 - Google Patents

Abstract

公开了一种对形成于地层中的井筒进行操作的方法。所述井筒配备有管状元件，井筒装置要在该管状元件中布置成井筒装置与管状元件的内表面密封接触，由此细长元件将延伸通过所述管状元件以便执行井筒操作。该方法包括：将细长元件延伸经过管状元件，从而执行所述井筒操作；将细长元件从管状元件移除；在井筒装置的外表面设置在接触选择流体时能发生膨胀的可膨胀密封件，并将井筒装置安装在管状元件中；以及通过将可膨胀密封件与选择流体相接触，导致可膨胀密封件发生膨胀。

Description

井下的可膨胀密封件

技术领域

本发明涉及对形成于地层的井筒(wellbore)进行操作的方法，所述井筒配备有管状元件，井筒装置要在该管状元件中布置成井筒装置与管状元件的内表面密封接触，由此细长元件将延伸经过所述管状元件以便执行井筒操作。

背景技术

在从井筒开采烃类流体时，通用的惯例是，开采出的烃类流体经由称之为生产油管的导管从钻井下部的产油带流向地面。该生产油管可以配备有一个或多个装置，譬如地面控制的地下安全阀、油管悬挂器、座放短节(landing nipple)、封隔器以及滑动式旁通孔。这些装置中的一些是可回收的并密封地安装在管柱中。油管柱由多个管状部分组装而成，由此在要安装上述可回收装置的管柱的各个位置，一个或多个座放短节结合在管柱中。为了确保各个可回收装置以期望深度布置在油管柱中，各个座放短节与其各自对应的可回收装置的尺寸相一致。可回收装置与座放短节内表面之间的密封通过合适的密封元件来获得，譬如V形密封件。为了获得充分的密封，座放短节的密封表面部分通常进行了抛光处理，由此提供非常光滑的密封表面。

可密封地容纳在管状元件中的井筒装置的另外一个例子是生产油管的密封组件。该密封组件由生产油管的下端部分形成，并被容纳在布置于井筒产油带附近的采油封隔器的抛光孔座(PBR)中。该密封组件可相对于PBR轴向地移动，由此允许生产油管的热膨胀/收缩。

此外，与生产油管和PBR一样，管状元件被用来传送执行井下操作(downhole operation)的装置。例如，在钢丝绳(wireline)传送作业时，井下装置可以在钢丝绳上下降经过生产油管或PBR。这类操作涉及钢丝绳(它可能有数千米长)高速经过生产油管或PBR的移动，由此钢丝绳会刮擦抛光的密封表面。其结果是，密封表面变得损坏，以致管状元件中装置的充分密封不再得到保证。在许多情况下，这种状况导致对钻井操作的严重限制，甚至可能危及钻井的安全性。对于表面控制型地下安全阀的密封表面的具体情况而言，其密封表面的损坏可能意味着钻井需要关闭。这种状况频繁发生，因为在将安全阀拉出以允许最大尺寸的工具下降到钻井中的钻井输入期间，安全阀座放短节的密封表面经常得不到保护。

因此，需要提供一种对井筒操作的改进方法，该方法能够克服上述缺陷。

发明内容

按照本发明，提供了一种对形成于地层的井筒进行操作的方法，所述井筒配备有管状元件，井筒装置要在该管状元件中被布置为井筒装置与管状元件的内表面密封接触，由此细长元件将延伸通过所述管状元件以便执行井筒操作，所述方法包括：

将细长元件延伸经过管状元件，从而执行所述井筒操作；

将细长元件从管状元件移除；

在井筒装置的外表面设置有在接触选择流体时能发生膨胀的可膨胀密封件，并将该井筒装置安装在管状元件中；以及

通过将可膨胀密封件与选择流体相接触，促使可膨胀密封件发生膨胀。

由此可以获得的是，借助于可膨胀密封件在接触选择流体时发生膨胀，在管状元件由于经过其执行井筒操作而导致发生损坏的密封表面处，上述密封件膨胀成为不规则形。

本发明还涉及一种应用在形成于地层的井筒中的井筒装置，所述井筒配备有管状元件，井筒装置在该管状元件中被布置的方式为井筒装置与管状元件的内表面密封接触，由此细长元件将延伸通过所述管状元件以便执行井筒操作，上述井筒装置的外表面配备有可膨胀密封件，该密封件在接触选择流体时能发生膨胀。

在一个优选实施例中，所述管状元件是用于将从地层开采的烃类流体输送到地面的生产油管，或它的一部分，譬如用于井筒装置的座放短节(landing nipple)。在这类应用中，井筒装置譬如是安全阀组件，其用于对烃类流体经过生产油管的流动选择性地进行控制。

作为选择，所述管状元件可以是抛光孔座(PBR)，而所述井筒装置是生产油管的密封组件，所述生产油管用于将从地层开采的烃类流体输送到地面。

优选地，所述可膨胀密封件在接触烃类流体时发生膨胀，并包括选自以下的材料：天然橡胶、丁腈橡胶、氢化的丁腈橡胶、丙烯酸丁二烯橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、丁基橡胶、溴化丁基橡胶、氯化丁基橡胶、氯化聚乙烯、氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物橡胶、磺化的聚乙烯、乙烯丙烯酸酯橡胶、表氯醇环氧乙烷共聚物、过氧化物交联的乙烯-丙烯共聚物、硫交联的乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物橡胶、乙烯乙酸乙烯酯共聚物、氟橡胶、氟硅酮橡胶以及硅橡胶。

上述材料适当地选自以下：EP(D)M橡胶(过氧化物交联或者硫交联的乙烯-丙烯共聚物)、EPT橡胶(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物橡胶)、丁基橡胶、溴化丁基橡胶、氯化丁基橡胶以及氯化乙烯。

作为在接触烃类流体时发生膨胀的可膨胀密封件的替换或补充，可膨胀密封件还适于在与水接触时发生膨胀，并包括选自以下的材料：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、羧基丁腈橡胶、氟化橡胶、全氟橡胶、TPE/P橡胶或三元乙丙基橡胶(EPDM)。为了提高可膨胀元件即使处于盐水状态下的膨胀性能，上述材料适合是基体材料，其中可溶于水的化合物以下列方式结合在基体材料中：基体材料基本防止或限制化合物移离可膨胀密封件并允许水渗透进入可膨胀密封件，由此当水进入可膨胀密封件时促使可膨胀元件发生膨胀。所述化合物适合包括盐，譬如占基体材料和盐的总重的至少20％重量百分比的盐，优选占基体材料和盐的总重至少35％重量百分比的盐。为了防止或减少化合物滤出基体材料，优选基体材料对于所述化合物或其离子基本不渗透。所述化合物譬如以散布在基体材料中的多个化合物颗粒的形式存在所述基体材料中。

附图说明

参照附图，下面将通过示例更详细地描述本发明，在附图中：

图1示意性地显示了按照本发明的井筒装置的实施例；

图2示意性地显示了图1中井筒装置的细节A；

图3示意性地显示了管状元件的纵向剖面，该管状元件用于与图1中的井筒装置相结合；

图4示意性地显示了图1的井筒装置布置在图3的管状元件中的情形。

在上述附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

参看图1，显示了地面控制的地下安全阀组件1(以下称之为安全阀组件1)，其选择性地控制流体在用于开采烃类流体的井筒(未显示)中的流动。安全阀组件1包括筒状导管2，该筒状导管2具有用于所开采的烃类流体的通道4，通道4配备有用于选择性闭合通道4的阀6。阀6由液压控制系统所控制，这里仅示意性显示液压控制系统的液压控制管8、9和柱塞系统10。液压控制管8、9通过设在筒状导管2的壁上的孔11与安全阀组件1的外部流体连通。在安全阀组件1的上部，设有锁紧心轴12，其用于将安全阀组件1支承并锁定在下文提及的生产油管中。

进一步参看图2，安全阀组件1配备有彼此轴向间隔布置的两个环形密封装置14、16，由此孔11被设置在环形密封装置14、16之间。每个环形密封装置14、16均包括多个V形密封件18、以及由三元乙丙橡胶(EPDM)制成的可膨胀密封件20，这种EPDM橡胶在接触对阀6进行控制的液压控制系统中所用的液压油时能发生膨胀。

进一步参看图3，显示了呈座放短节22形式的管状元件，其结合在用于将通过井筒开采的烃类流体输送到地面的生产油管(未显示)中。座放短节22的内径要略微大于安全阀组件1的外径，由此允许安全阀组件1穿过座放短节22的轴向移动。座放短节22的内部配备有锁紧面24，该锁紧面24与锁紧心轴12的轮廓互补且协作，由此允许将安全阀组件1支承并锁定在座放短节22中。此外，座放短节22的内表面配备有抛光处理过的两个环形表面部分26、28，它们的直径要略微小于座放短节22的其余内表面。抛光表面部分26、28被布置为：当通过使锁紧心轴12和锁紧面24相协作，使得安全阀组件1锁定在座放短节22中时，环形密封装置14与抛光表面部分26相对，而环形密封装置16与抛光表面部分28相对。

在座放短节22的壁上处于抛光表面部分26、28之间的位置，设有孔30，该孔30通过沿着生产油管外表面延伸的液压控制管32与在地面上的液压控制单元(未显示)流体连通。应当理解，上述的地面液压控制单元、控制管32、孔30、孔11、液压控制管8和9，以及柱塞系统10都是用于控制阀6的液压控制系统的部件。

进一步参看图4，在正常使用期间，安全阀组件1被布置在生产油管的座放短节22中。烃类流体从井筒周围的地层开采出来、并通过生产油管输送到地面。由此，所开采的烃类流体流经安全阀组件1的通道4。如果需要关闭钻井(譬如当发生紧急情况时)，在地面操控的液压控制系统的控制下，阀6被导致关闭。烃类流体沿着安全阀组件1外侧的泄漏由于环形密封装置14、16而得以避免，这些密封装置将生产油管22的抛光表面部分26、28进行密封。

在从井筒连续开采烃类流体一段时间之后，可能需要暂停井筒并将安全阀组件1从生产油管拆除，以便利用从地面延伸经过生产油管的钢丝绳(未显示)来实施井下维修操作。在这类维修操作期间，钢丝绳高速移动经过生产油管，并因此经过座放短节22。钢丝绳由此会刮擦座放短节22的突出的抛光表面部分26、28。其结果是，抛光表面部分26、28易于变得损坏，以致安全阀组件1重新装回座放短节22中后，环形密封装置14、16的V形密封件18不再对这些表面部分充分地进行密封。然而，环形密封装置14、16的密封功能由于可膨胀密封件20而仍然得到保证，该可膨胀密封件借助于与存在于环形室中的液压油相接触而发生膨胀，所述环形室由安全阀组件1的外表面、座放短节22的内表面以及环形密封装置14、16所限定。这样，密封件20在膨胀后延伸到在损坏的表面部分26、28处形成的不规则部中，并由此将安全阀组件1相对于座放短节22充分地进行密封。

应当理解，本发明并不局限于管状元件是生产油管或其一部分(譬如，座放短节)的应用。其他有利的应用譬如包括：油管悬挂器、封隔器、抛光孔座以及滑动式旁通孔。

Claims (18)

1.一种对形成于地层中的井筒进行操作的方法，所述井筒配备有管状元件，井筒装置要在该管状元件中布置成井筒装置与管状元件的内表面密封接触，由此细长元件将延伸通过所述管状元件以便执行井筒操作，所述方法包括：

将所述细长元件延伸经过所述管状元件，从而执行所述井筒操作；

将所述细长元件从所述管状元件移除；

在所述井筒装置的外表面设置有在接触选择流体时能发生膨胀的可膨胀密封件，并将所述井筒装置安装在所述管状元件中；以及

通过将所述可膨胀密封件与所述选择流体相接触，促使所述可膨胀密封件发生膨胀。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述管状元件是生产油管，其用于将从地层开采的烃类流体输送到地面。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述管状元件包括用于容纳所述井筒装置的座放短节，并且上述将井筒装置安装在管状元件中的步骤包括将所述井筒装置安装在所述座放短节中。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述井筒装置是安全阀组件，其用于对烃类流体经过所述生产油管的流动选择性地进行控制。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述管状元件是抛光孔座，而所述井筒装置是生产油管的密封组件，所述生产油管用于将从地层开采的烃类流体输送到地面。

6.如权利要求1-5中任何一项所述的方法，其中所述选择流体是烃类流体，而所述可膨胀密封件包括选自以下的材料：天然橡胶、丁腈橡胶、氢化的丁腈橡胶、丙烯酸丁二烯橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、丁基橡胶、溴化丁基橡胶、氯化丁基橡胶、氯化聚乙烯、氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物橡胶、磺化的聚乙烯、乙烯丙烯酸酯橡胶、表氯醇环氧乙烷共聚物、过氧化物交联的乙烯-丙烯共聚物、硫交联的乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物橡胶、乙烯乙酸乙烯酯共聚物、氟橡胶、氟硅酮橡胶以及硅橡胶。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述材料选自以下：EP(D)M橡胶(过氧化物交联或者硫交联的乙烯-丙烯共聚物)、EPT橡胶(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物橡胶)、丁基橡胶、溴化丁基橡胶、氯化丁基橡胶以及氯化乙烯。

8.如权利要求1-5任何一项所述的方法，其中所述选择流体是水，而所述可膨胀密封件包括选自以下的材料：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、羧基丁腈橡胶、氟化橡胶、全氟橡胶、TPE/P橡胶或三元乙丙基橡胶。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述材料是基体材料，并且其中可溶于水的化合物以下列方式结合在基体材料中：基体材料基本防止或限制化合物移离可膨胀密封件并允许水渗透进入可膨胀密封件中，由此当水进入可膨胀密封件时促使所述可膨胀元件发生膨胀。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述化合物包括盐。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述可膨胀密封件包含占所述基体材料和盐的总重至少20％重量百分比的盐，优选包含占所述基体材料和盐的总重至少35％重量百分比的盐。

12.如权利要求9-11任何一项所述的方法，其中所述基体材料对于所述化合物或其离子基本不渗透。

13.如权利要求9-12任何一项所述的方法，其中所述化合物以散布在基体材料中的多个化合物颗粒的形式存在于所述基体材料中。

14.如权利要求1-5任何一项所述的方法，其中所述选择流体是液压油，而所述井筒装置由液压控制系统所控制，该液压控制系统通过与所述可膨胀密封件相接触的一股所述液压油进行操控，并且其中促使可膨胀元件发生膨胀的步骤包括将一股液压油供应给所述液压控制系统。

15.一种应用在形成于地层的井筒中的井筒装置，所述井筒配备有管状元件，井筒装置在该管状元件中被布置的方式为井筒装置与管状元件的内表面密封接触，由此细长元件将延伸通过所述管状元件以便执行井筒操作，所述井筒装置的外表面配备有可膨胀密封件，该密封件在接触选择流体时能发生膨胀。

16.如权利要求15所述的井筒装置，其中所述井筒装置被布置在所述管状元件中，所述管状元件的内表面由于执行细长元件延伸通过管状元件的井筒操作而受到损坏，并且其中所述可膨胀元件由于接触所述选择流体而发生膨胀，由此将所述井筒装置密封于所述管状元件的内表面。

17.一种参照附图基本上如上文所述的方法。

18.一种参照附图基本上如上文所述的井筒装置。

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