活塞與環(huán)空相連通的液壓坐封封隔器的制造方法
【專利摘要】一種液壓坐封封隔器，具有心軸，心軸具有內(nèi)孔以及將內(nèi)孔連通到心軸的外部的端口。設置在心軸上的封隔元件可以被活塞壓縮以與井眼接合?；钊诜飧粼牡谝粋仍O置于心軸上，并且在管內(nèi)壓力經(jīng)由心軸的端口連通至第一活塞腔中時抵靠著封隔元件運動。為了增加坐封力，設置在封隔元件與心軸之間的套筒限定有將封隔元件的相反側與活塞的第二壓力腔相連通的空間。在高壓力操作期間，封隔元件的第一側的高壓與活塞的第一側的高壓一起作用，以增強活塞從高壓力區(qū)向低壓力區(qū)的運動。本發(fā)明還涉及一種將封隔器液壓地坐封在井眼中的方法。
【專利說明】活塞與環(huán)空相連通的液壓坐封封隔器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于孔眼的液壓坐封的封隔器以及將封隔器液壓地坐封在井眼中的方法。
【背景技術】
[0002]在分段壓裂操作中，需要將地層的多個區(qū)域按次序隔離以進行處理。為了實現(xiàn)該目的，操作者將如圖1所示的壓裂組件20安裝在井眼10處。通常地，組件20具有將管柱12支撐于井眼10中的上部襯管封隔器(未示出)。裸眼封隔器50將井眼分隔成區(qū)域14，并且位于管柱12上的多個滑動套筒40可以選擇性將管柱12與多個區(qū)域14相連通。當區(qū)域14在打開后不需要關閉時，操作者可以使用單開滑動套筒30來進行壓裂處理。這些類型的套筒40通常為球致動的并且一旦被致動則鎖定為打開。另一種類型的套筒40也是球致動的，但是可以在打開后變化成關閉。
[0003]最初，滑動套筒40全部是關閉的。之后，操作者施用坐封球，以關閉井眼隔離閥(未示出)，其中井眼隔離閥將管柱12的井底端密封。在此時，通過用連接至井眼鉆機30的泵系統(tǒng)35泵送流體而液壓地坐封封隔器50。管柱12中的管內(nèi)壓力將封隔器致動，以將環(huán)空隔離成多個區(qū)域14。在封隔器50坐封的情況下，操作者配備好壓裂地面設備，并且沿管柱12向下泵送流體，以打開壓力致動套筒(未示出)，因此能夠處理第一區(qū)域。
[0004]隨著操作的繼續(xù)，操作者相繼向管柱14投下更大的球，以打開相繼的套筒40并泵送流體，從而分段處理單獨的區(qū)域14。當投下的球遇到滑動套筒40中的與該球相匹配的支座時，泵系統(tǒng)35將流體沿管柱12向下泵送并且壓靠座置的球。壓靠座置的球的被泵送流體將套筒40移位為打開。相應地，座置的球?qū)⒈槐盟土黧w轉(zhuǎn)向至套筒40中的端口外部，到達封隔器50之間的周圍井眼10，并且進入相鄰的區(qū)域14中，以防止流體流通到下方區(qū)域
14。通過相繼投下更大尺寸的球以致動相對應的套筒40，操作者可以精確地處理沿井眼10向上的每個區(qū)域14。
[0005]圖2A至2B示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的液壓坐封的裸眼封隔器50A至50B的兩個示例。首先參見圖2A，封隔器50A具有連接在管柱(12:圖1)上的心軸52，心軸52具有穿過心軸52的內(nèi)孔53。心軸52的端部具有在外部設置于心軸52上的端環(huán)56和58，并且心軸52的內(nèi)孔53具有用于與心軸52外部的流體相連通的一個或更多個流動端口 54a、54b。
[0006]在外部設置于心軸52上的活塞60在一端具有諸如主體鎖緊圈之類的棘輪機構66，以用于鎖定活塞60的運動。當活塞60被致動時，活塞60的另一端61將封隔元件70靠著心軸52上的固定端環(huán)58進行壓縮。
[0007]為了液壓地致動封隔器50A，沿心軸的孔53向下連通的流體經(jīng)由一個或更多個流動端口 54a進入位于活塞60內(nèi)部與心軸52之間的活塞腔64a。腔64a內(nèi)部的管內(nèi)壓力的積聚使活塞60沿著心軸52運動并且迫使活塞的端部61壓靠封隔元件70，封隔元件70在受壓縮時朝向周圍的井眼壁15向外延伸。當活塞腔64a的容積隨著活塞60的運動而增加時，棘輪機構66靠著心軸52上的鋸齒形表面鎖定,并且防止活塞60的反向運動。此外,活塞60與心軸52之間的容積隨著活塞60的運動而減小，并且流體能夠經(jīng)由外部端口 63而逸至井眼環(huán)空16。
[0008]圖2A中的封隔器50A可以如圖所示地具有雙活塞布置。在此情況下，第二活塞68也可以通過經(jīng)由一個或更多個端口 54b而積聚在另一活塞腔64b中的管內(nèi)壓力而運動。該第二活塞68也作用為壓靠封隔元件70，從而使封隔元件70朝向周圍的井眼壁15向外延伸。
[0009]圖2B中的封隔器50B類似于以上參照圖2A而描述的封隔器50A，因此在類似的部件之間使用相同的附圖標記。圖2B中的這種封隔器50B具有封隔元件70的兩階段致動。當管內(nèi)壓力沿心軸的孔53向下供應并且供應至活塞腔64中時，壓力使第一階段坐封心軸65在封隔元件70的下方運動并且增加了元件的外徑。
[0010]一旦坐封心軸65在封隔元件70與心軸52之間完全伸展，使得心軸65的遠端甚至到達了固定端環(huán)58內(nèi)部，則由于現(xiàn)在活塞60通過相連通的壓力而運動，使封隔器50B的第二階段被啟動?；钊?0的端部61靠著固定端環(huán)58而壓縮封隔元件70，這導致元件70向外延伸并且靠著井眼壁15密封。如前所述，棘輪機構66的主體鎖緊圈將活塞60鎖定在適當位置，因此封隔器50B能夠保持為其上和其下具有不同的壓力。
[0011]上文所公開的并且在圖1的壓裂系統(tǒng)20中使用的液壓坐封封隔器50A至50B中的液壓活塞60僅在以下情況下向封隔元件70施加坐封力:封隔器心軸52中存在管內(nèi)壓力并且圍繞封隔器50A至50B的井上環(huán)空和井下環(huán)空中沒有顯著壓力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]液壓坐封封隔器具有心軸，心軸具有內(nèi)孔和將內(nèi)口連通到心軸的外部的端口。設置在心軸上的封隔元件能夠由活塞壓縮以與心軸接合?；钊诜飧粼牡谝粋仍O置于心軸上，并且當管內(nèi)壓力經(jīng)由心軸的端口而連通至第一活塞腔時抵靠著封隔元件運動。為了增加坐封力，設置在封隔元件與心軸之間的套筒限定出將封隔元件的相反側與活塞的第二壓力腔相連通的空間。在高壓力操作期間，來自封隔元件的相反側(例如井上側)的較低的環(huán)空壓力能夠壓靠活塞的第二側(背壓側)作用，同時較高的壓裂壓力壓靠著活塞的第一側(例如井下側)而作用。在特別的應用中，壓力能夠壓靠活塞的密封構件的兩側而作用。當發(fā)生這種情況時，作用的壓力增加了活塞的從高壓區(qū)域向低壓區(qū)域的運動。此外，來自壓裂操作或其它操作的環(huán)空壓力也可以與連通的管內(nèi)壓力一起作用，從而將封隔元件壓縮。
[0013]以上概述無意于總結本公開的每個潛在實施方式或每個方面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1示意性地示出了壓裂系統(tǒng)的具有多個套筒和井眼封隔器的管柱。
[0015]圖2A示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的液壓坐封的裸眼封隔器的局部截面。
[0016]圖2B示出了另一個根據(jù)現(xiàn)有技術的液壓坐封的裸眼封隔器的局部截面。
[0017]圖3A示出了根據(jù)本公開的處于未坐封狀態(tài)的液壓坐封的裸眼封隔器的局部截面。
[0018]圖3B示出了根據(jù)本公開的處于坐封狀態(tài)的液壓坐封的裸眼封隔器的局部截面?！揪唧w實施方式】
[0019]如前所述，在當前的諸如裸眼封隔器之類的液壓坐封封隔器中，液壓活塞僅當封隔器的心軸中存在壓力并且井上環(huán)空和井下環(huán)空中沒有顯著壓力時才對封隔元件施加坐封力。與這種常規(guī)的封隔器相對照，圖3A至3B中示出的液壓坐封裸眼封隔器在以下情況下允許來自封隔器的液壓活塞150的坐封力施加至封隔器的封隔元件170:當存在管內(nèi)壓力(在封隔器的心軸110中)、并且在井上環(huán)空和井下環(huán)空中的一者中存在壓力時。如下文還將詳細描述的，所公開的封隔器100允許來自受壓環(huán)空的壓力向封隔元件170上添加坐封力。
[0020]封隔器100具有連接在管柱(12:圖1)上的心軸110，心軸110具有穿過心軸110的內(nèi)孔。心軸Iio還具有一個或更多個端口 114，如下所述，這一個或更多個端口 114將內(nèi)孔112連通到心軸110的外部。心軸110的端部具有在外部設置于心軸110上的端環(huán)120和130，并且設置在心軸110上的封隔元件170能夠壓縮以與周圍的井眼壁15接合。
[0021]活塞150在封隔元件170的第一側上設置于心軸110上。如下文詳細描述的，在本實施方式中活塞150具有連接在一起以形成活塞150的密封構件152、活塞筒156、以及筒端154，但也可以使用其它構型?；钊?50與心軸110限定了第一活塞腔160和第二活塞腔164。第一活塞腔160與心軸110中的一個或更多個端口 114相連通，以在封隔器坐封過程以及其它操作期間一例如在適用的情況下為壓裂操作期間一接收管內(nèi)壓力，管內(nèi)壓力流通貫穿封隔器的心軸110。流體壓力旁路180將封隔元件170的第二側與活塞150的第二活塞腔164相連通。如下文詳細描述的，旁路180將封隔元件170的一側(例如井上偵D的環(huán)空16A中的環(huán)空壓力連通至第二腔164。
[0022]為了液壓地坐封封隔器100，活塞150 (包括密封構件152、筒端154、以及活塞筒156)抵靠著封隔元件170運動，同時第一流體壓力經(jīng)由端口 114連通至第一活塞腔160，第二流體壓力經(jīng)由流體壓力旁路180連通至第二活塞腔164。第一流體壓力(也就是管內(nèi)壓力)可以是用于坐封封隔器的通常的壓力，例如為大約4000psi加上靜壓頭。第二流體壓力可以簡單地是井眼中的環(huán)空壓力或靜壓頭。
[0023]更詳細地觀察坐封過程，活塞150具有可動密封構件152，該可動密封構件152靠著心軸110密封并且具有聯(lián)接在可動密封構件152的各側的活塞筒156和筒端154?；钊?56可以抵靠心軸110上的一個固定端環(huán)130,并且筒端154抵靠封隔器100的封隔兀件170。
[0024]活塞筒156的內(nèi)部靠著固定密封構件158密封，其中固定密封構件158設置在心軸110上使得活塞150形成兩個活塞腔160和164。如上所述，第一活塞腔160經(jīng)由一個或更多個端口 114與心軸的內(nèi)孔112相連通。在坐封期間，從地面沿管柱和心軸的孔112向下供應的第一流體壓力(也就是管內(nèi)壓力)經(jīng)由一個或更多個端口 114進入第一活塞腔160，并且壓靠活塞150的可動密封構件152而作用。所施加的管內(nèi)壓力因而在第一活塞腔160的容積增加的同時使活塞150沿著心軸110運動。因此，活塞150的筒端154被迫壓抵靠封隔元件170，并且將封隔元件170抵靠著固定端環(huán)120進行壓縮。接下來，封隔元件170在其壓縮時向外延伸至周圍的井眼壁15。如圖3B所示，受壓縮的元件170將井眼密封成第一環(huán)空16A和第二環(huán)空16B，第一環(huán)空16A和第二環(huán)空16B可以是井上或井下的，這取決于封隔器100在井眼10中的定向。如此處所示，第一環(huán)空16A示出為井眼的井上環(huán)空16A。[0025]如上所述，本公開的封隔器100允許封隔器的心軸110中的管內(nèi)壓力以及井眼環(huán)空16A、16B中的壓力一起工作以將封隔元件170坐封。為此，來自第一環(huán)空16A(例如井上環(huán)空)的壓力經(jīng)由流體壓力旁路180與活塞150的一側(井上側)相連通(也就是與密封構件152的背壓側相連通)，使得管內(nèi)壓力和第二環(huán)空16B (井下環(huán)空)中的壓力可以作用在封隔元件170的相同的一側，并且一起工作以將元件170進一步坐封。使這些壓力一起作用的優(yōu)點在于在壓裂處理期間會是有益的，如下所述。總而言之，通過使這些壓力一起工作，可以增加封隔元件170上的總的坐封力，并且可以進一步確保合適的坐封和隔離。
[0026]為了使來自第一環(huán)空16A (井上環(huán)空)的壓力連通至密封構件152的背壓側，流體壓力旁路180具有套筒184，套筒在封隔元件170的下方裝配于心軸110上。套筒184限定了圍繞或沿著心軸110的外部的間隙、間隔、或是環(huán)形區(qū)域，其允許套筒184與心軸110之間的流體連通。作為附加的特征，可以在心軸110的外表面上、圍繞的套筒184的下方限定縱向溝槽118、槽口、或是類似物，以便于套筒184與心軸110之間的空間中的流體連通。
[0027]在使用期間，第一環(huán)空16A (井上環(huán)空)中的流體壓力(也就是環(huán)空的靜壓頭壓力)可以經(jīng)由頂部端環(huán)120中的端口 182而連通至套筒184，并且可以經(jīng)由位于套筒184與心軸110之間的間隙以及可選的溝槽118而連通至活塞150的第二壓力腔164。筒端154的遠端上的密封部155與套筒184的外部接合，使得連通的環(huán)空壓力可以被容納在第二壓力腔164中并且可以壓靠密封構件152的背壓側而作用。
[0028]如圖可見，當活塞150抵靠著封隔元件170運動時，第一活塞腔160的容積增加。同時，當活塞150抵靠著封隔元件170運動并且筒端154在套筒184上方進一步運動時，第二活塞腔164的容積基本上保持相同。
[0029]第一環(huán)空(井上環(huán)空)壓力經(jīng)由端口 182、套筒184、以及第二壓力腔164而進行的連通使得在坐封過程期間壓力能夠均衡，這是由于第一腔160中的較高的管內(nèi)壓力壓靠著可動密封構件152的一側而作用，并且第二腔164中的較低的環(huán)空壓力壓靠著可動密封構件152的另一側而作用，以使活塞150運動。當活塞150從高壓力區(qū)朝向低壓力區(qū)運動時，這些壓力允許活塞150得到附加的坐封壓力。
[0030]還設想到，第二環(huán)空16B (井下環(huán)空)中的壓力能夠壓靠著封隔元件170而作用，以進一步作用為使封隔元件170坐封。特別地，在壓裂處理期間，心軸的孔112中的管內(nèi)壓力可以增加至IOOOOpsi或以上，這是由于該壓力經(jīng)由滑動套筒或類似物(見例如圖1中的套筒40)而連通至井下環(huán)空16B。井下環(huán)空16B中的壓力以及活塞腔160中的壓力將增加并且壓靠著封隔元件170和活塞150而進一步作用，從而使元件170壓縮。
[0031]盡管沒有清楚地示出，但是要了解的是，封隔器100可以具有用在井底封隔器上的任何其它常規(guī)的特征。例如，例如在圖2A至2B中示出的主體鎖緊圈66之類的棘輪機構(未示出)可以設置在活塞筒156或活塞端154與心軸110之間，以對活塞150在心軸110上朝向封隔元件170的運動進行鎖止。封隔器100可以具有設置在封隔器100上的任何類型的封隔元件170，封隔器100可以具有一個或更多個套筒、抗擠壓環(huán)等，所述一個或更多個套筒、抗擠壓環(huán)等可以由合適的材料組成，例如彈性體、塑料、金屬、或類似物。封隔器100的各種部件可以由常規(guī)地用于這種井底部件的材料組成。
[0032]最后，盡管已經(jīng)將封隔器100描述為用于壓裂操作的裸眼封隔器，然而基于本公開的教示的封隔器100可以是套管井封隔器，并且可以用于井眼中的任何數(shù)量的井下操作。
[0033]優(yōu)選實施方式和其它實施方式的以上描述不旨在限定或限制由 申請人:構思的發(fā)明理念的范圍或用途。根據(jù)本公開的優(yōu)點，要了解的是，根據(jù)所公開的主體的任何實施方式或方面的上述特征可以單獨地應用、或是與所公開的主體的任何其它實施方式或方面中的任何其它描述的特征相結合地應用。
[0034]作為將本文所包含的發(fā)明理念進行公開的交換， 申請人:主張由所附權利要求所給予的全部專利權利。因此，所附權利要求意在包括落入以下權利要求或權利要求的等同方式的范圍內(nèi)的最大程度的所有改型和變型。
【權利要求】
1.一種用于井眼的液壓坐封的封隔器，包括: 心軸，所述心軸具有內(nèi)孔以及端口，所述端口將所述內(nèi)孔連通到所述心軸的外部； 封隔元件，所述封隔元件設置在所述心軸上并且能夠壓縮從而與所述井眼接合； 活塞，所述活塞在所述封隔元件的第一側設置于所述心軸上，并且與所述心軸限定出第一活塞腔和第二活塞腔，所述第一活塞腔與所述端口相連通；以及 流體壓力旁路，所述流體壓力旁路將所述封隔元件的第二側與所述活塞的所述第二活塞腔相連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的封隔器，其中，在施加了經(jīng)由所述端口而連通至所述第一活塞腔的第一流體壓力、并且施加了經(jīng)由所述流體壓力旁路而連通至所述第二活塞腔的第二流體壓力的情況下，所述活塞能夠抵靠著所述封隔元件運動。
3.根據(jù)權利要求2所述的封隔器，其中，在施加了與所述封隔元件的第一側相連通的環(huán)空壓力的情況下，所述封隔元件能夠進一步壓縮。
4.根據(jù)權利要求1所述的封隔器，其中，所述流體壓力旁路包括設置在所述心軸上的套筒，所述心軸的外部與所述套筒限定出用于將所述第二流體壓力與所述第二壓力腔相連通的空間。
5.根據(jù)權利要求4所述 的封隔器，其中，所述心軸沿著所限定的空間在所述心軸的外部限定了溝槽。
6.根據(jù)權利要求4所述的封隔器，其中，所述流體壓力旁路包括端環(huán)，所述端環(huán)設置在所述心軸上并且至少部分地設置在所述套筒的端部上，所述端環(huán)具有將位于所述套筒與所述心軸之間的所限定的空間同所述井眼的環(huán)空相連通的至少一個端口。
7.根據(jù)權利要求4所述的封隔器，其中，所述活塞包括密封部，所述密封部靠著所述套筒密封并且容納所述第二活塞腔。
8.根據(jù)權利要求1所述的封隔器，其中，所述活塞限定第一密封構件，所述第一密封構件設置在所述活塞上并且能夠與所述活塞一起運動，所述第一密封構件靠著所述心軸的外表面密封并且將所述第一活塞腔與所述第二活塞腔分隔開。
9.根據(jù)權利要求8所述的封隔器，其中，所述心軸包括設置在所述心軸上的第二密封構件，所述第二密封構件靠著所述活塞的內(nèi)表面密封并且容納所述第一活塞腔。
10.根據(jù)權利要求1所述的封隔器，其中，當所述活塞抵靠著所述封隔元件運動時，所述第一活塞腔的第一容積增加。
11.根據(jù)權利要求1所述的封隔器，其中，當所述活塞抵靠著所述封隔元件運動時，所述第二活塞腔的第二容積基本上保持相同。
12.一種用于井眼的液壓坐封的封隔器，包括: 心軸，所述心軸具有內(nèi)孔以及端口，所述端口將所述內(nèi)孔連通到所述心軸的外部； 封隔元件，所述封隔元件設置在所述心軸上并且能夠壓縮從而與所述井眼接合； 套筒，所述套筒設置在所述封隔元件與所述心軸之間，并且所述套筒限定出與所述封隔元件的第一側和第二側相連通的空間；以及 活塞，所述活塞在所述封隔元件的第一側設置于所述心軸上，所述活塞能夠抵靠著所述封隔元件運動，并且與所述心軸限定出第一活塞腔和第二活塞腔，所述第一活塞腔與所述心軸中的所述端口相連通，所述第二活塞腔與由所述套筒限定的所述空間相連通。
13.一種用于將封隔器液壓地坐封在井眼中的方法，所述方法包括: 在井下布置封隔器； 將管內(nèi)壓力連通至活塞的第一側，其中所述活塞設置于所述封隔器上的封隔元件的第一端; 將所述封隔元件的第二端處的環(huán)空壓力與所述活塞的第二側相連通；以及 通過連通的壓力使所述活塞抵靠著所述封隔元件運動。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，將管內(nèi)壓力連通至活塞的第一側包括:將所述管內(nèi)壓力經(jīng)由所述封隔器的內(nèi)孔的一個或更多個端口而連通至位于所述活塞的第一側的第一壓力腔。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，將所述封隔元件的第二端處的環(huán)空壓力與所述活塞的第二側相連通包括:將所述環(huán)空壓力經(jīng)由所述封隔元件與所述封隔器的心軸之間的空間而連通至位于所述活塞的第二側的第二壓力腔。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，將所述環(huán)空壓力經(jīng)由所述封隔元件與所述封隔器的心軸之間的空間而連通至位于所述活塞的第二側的第二壓力腔包括:通過設置在所述心軸與所述封隔元件之間的套筒而形成所述空間。
【文檔編號】E21B33/127GK103982157SQ201410045347
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月7日 優(yōu)先權日:2013年2月7日
【發(fā)明者】邁克爾·C·德爾比 申請人:韋特福特/蘭姆有限公司