CN1087968A - 环形封隔器 - Google Patents

Abstract

环形封隔器用来封隔美国石油学会给定油管内 径。其圆筒形主体上有一对环形槽，在每个槽中设有 一对刚性的密封环。两个密封环基本上占据了环形 槽的整个长度，只是在两端有一小的间隙，以构成一 流体可以通过的小面积孔。每个环的外径大于美国 石油学会给定的油管内径。环上的切口在环被推入 井中时，允许环收缩直径与油管配合。舌和凹口的结 构使两环彼此不能相对转动，这样切口就不处在一直 线上。该环形封隔器不采用任何弹性密封材料。

Description

石油的第一次开采或具有高粘性重油的初次开采的一般方法是采用蒸汽喷射方法。二次开采的普通方法中包括一对油井或多个油井，其中某些井是用来注入高压高温蒸汽，使用另一组井采油，通过蒸汽迫使油从岩层中出来。蒸汽不但提供作用到石油上的压力，并使石油从注入井流向产油井，而且蒸汽给油加热，降低油的粘性，使油更容易从岩层流到产油井中。

用于蒸汽喷射的另一种方法是使用一口单井。临时采用喷入蒸汽来加热地层中的流体，然后中断喷射蒸汽，当生产石油时，由于压力差的作用受热的油开始流到该井中。单井也可以在一个高度使用蒸汽喷射，并在不同高度进行采油。这些井使用井底泵或杆式泵把油从井中抽出。

在蒸汽喷射过程中所发生的问题是岩层中的油被放空，蒸汽从岩层流入产油井。蒸汽从工业上所称的减饱和区穿入产油井使产量减少。流入产油井的任何蒸汽将增加产油井中的压力，从而减少了油的流出。另外，进入产油井套管中的蒸汽必须在地面上处理。蒸汽可以冷凝，水也可以重新用于蒸汽喷射。在这种情况下，这些损失的蒸汽代表着大量的能量消耗，并且为生产蒸汽而燃烧燃料所释放的污染物增加了。另一种办法是把达到地面的蒸汽排放掉，这不但耗损了能量，而且污染了环境。

所以需要把在减饱和区中的部分井隔离开，以阻止蒸汽进入井孔中。

在石油工业中，目前已研制出许多高级的封隔器，这些封隔器放到井管中以阻塞部分井管。它们具有复杂的机械和液压装置，以便在井里的油管中径向向前滑动，并将其固定在适当位置。它们通常具有弹性材料密封件，使密封件膨胀靠在油管的内壁，以便给油管提供密封。由于封隔器要求很高，因此它很贵。另外，由于在蒸汽喷射过程中遇到高温，因此弹性材料封隔器在使用中很快就被损坏。有时喷射出的蒸汽高达250-425℃，这将导致密封件被损坏而密封失效。

因此，需要提供一种用于油井的“自行展开”的封隔器或密封，该封隔器能迅速地插入井中而不需要复杂的设备，它制造经济，并能在蒸汽喷射的高温中使用。

这样，根据本发明的目前的最好的实施例，提供一种用于密封美国石油学会（API）给定直径的油管的环形封隔器。该封隔器至少有一对刚性密封环，一个至少带有一条环形槽的圆筒形心轴。一对密封环安装在该环形槽中，而且这两个环基本上占据了环形槽的全长。每个环的外径大于美国石油学会给定尺寸的油管的内径。每个环上有一纵向切口，以便环收缩直径配合插入油管中，并设有一装置，使两切口不处在一直线上，以避免形成泄漏通道。最好在环形封隔器中使用两对或多对环，这些环放在隔开的环形槽中。

本发明提供一种唯一知道的自行展开式封隔器，当安装在井中时不需要机械或液压装置将其展开。

本发明的上述及其他特点和优点，通过下面结合附图的详细描述将变得更加清楚明白。其中：

图1为安装在套管中的两个环形封隔器的纵向剖视图;

图2为本发明的环形封隔器的一个实施例沿纵向半剖侧视图;

图3为本发明环形封隔器的另一实施例的局部纵向半剖侧视图;

图4为沿图3中线4-4剖开的环形封隔器横截面视图。

一口油井有一地面套管10，该套管10是一个从地面向下延伸到开采区附近的钢管。在开采区使用各种各样的技术从采油井中采油或将蒸汽注入到注入井中。图1所示的技术使用了一钢管11，它从地面套管的下面延伸到油井孔中的扩大的部分中。其中部分管子，通常称作衬管上具有孔，以便于生产流体流入井口。通常将砾石填在油井衬管周围，以便在衬管和围岩或储油层15之间形成一个高孔隙度区域，油是从该储油层15采出。对于这种开采方法，该衬管壁上有一个约0.5～2.5毫米宽、5厘米长的井中流体可以流过的切槽。

油井中使用的油管和套管都是采用由美国石油协会（API）制定的标准管径。这些标准管径都标有内径，这样油井司钻或操作者能够知道孔的直径，通过该孔进行油的回收工作。实际上，本发明所提供的油井密封工具或环形封隔器是专门为API特定尺寸的油管而设计的，例如，为直径为5 1/2 英寸（14厘米）、每英尺重17磅（25kg/m）的油管而设计的特殊的环形封隔器。该油管有特定的内径，而环形封隔器的外径仅仅与这种尺寸的油管配合使用。

图1和图2所示的是用在油井的地面套管中的环形封隔器12。将这个上部环形封隔器通过套管下落到普通衬管悬挂器或导向密封接头13上，衬管悬挂器或导向密封接头处在地面套管和油管之间。环形封隔器上端有一母螺纹14，它与井中的回采油管的一端连接。也可以将环形封隔器焊接在回采油管上。该环形封隔器用回采油管送入井中。将主体或心轴16的底部制成锥形以克服进入阻力。在心轴的上下端部附近设有一对环形槽17。这些槽可以在靠近心轴主体上部处加工出来，或者槽的一端用一个单独的轴套封住，该轴套可以与靠近心轴底部的剪切环18是一体的，剪切环18紧配合地固定在主体的外径周围。因此，在剪切环和主体之间即使有也只有少量的流体流过。

举例来说，在上槽中有一对刚性密封环19、21，它们总的长度仅比槽的长度略小。例如在具体的实施例中，该槽长度为10cm，而每个环的标称长度为5cm。环的两端与槽的两端之间的总的积累的间隙最大为0.25mm。换句话说，叠起的环的长度仅仅比槽的长度短四分之一毫米。由于这些密封环基本上完全装入槽中，因而在环的端部具有良好的限流作用。

如果一对环的两端与槽的两端之间的总间隙超过0.25mm，那么就可能发生重大的泄漏，而为了达到所需要的密封级别，就需要增加密封环。如间隙没有超过0.25mm，那么有两对密封环就足够了。两组每组两个密封环比一组四个密封环密封效果好。如需要可以使用多对密封环来提高其限流作用。

每个环的外径比所选用的美国石油学会油管内径大1.25mm。每个环上都有一槽或裂缝22（在图2中未示出，但在环形封隔器的另一实施例中，即在图4的横截面中表示出来）。在向井中插入过程中，当环被压入通过油管时被压成一个较小直径的环。由于环的静态直径比油管的内径大，所以环被紧紧地固定在油管中，并且压靠在油管上形成限流密封。将密封环端部稍稍做成斜角，当它们通过井时将有利于环的压入。

下环21上有一长方形舌23，它固定在上环19上配合的槽口中。其目的是避免上环上的缝与下环上的缝对齐，因为对齐将形成一条供流体流过密封环的通道。具体是舌设在从密封环上的缝顺时针转动90°处，槽口设在沿逆时针转动90°处。当把密封环装配好时，其两条缝相隔180°。

将每个环用键安在心轴上也能完成相同的功能，不过环相对心轴的转动是不重要的，而且制造带舌和槽口的环比在心轴上进行特殊的机械加工要更经济。

每个环上的槽口和固定在该槽口中的键销可防止两个环之间的相互转动。但最好有一个与环形成一整体用来防止转动的装置，从而不存在活动部件。

在环形封隔器中使用两对环，这是由于每个环上都有一条切口，当环装入油管时能将其压缩。如仅仅使用一个密封环，将存在一条通过该切口的泄漏通道。对于两个或多个密封环，能将这些切口错开，将经过这些切口发生的泄漏减至最小程度。

每个环的内径和相对应的槽17底部外径这样设计：当环形封隔器被推入井中时，油管压缩密封环的最大压缩量不小于油管的通径。通径是由API规定的油管内径的最小尺寸，因此穿过该油管的其它油管或物品将配合良好。

具体地讲，给定的通径比所给定油管的内径要小1/8英寸（3.175mm）。因此当环处于完全胀开状态时，其直径比油管的标称内径大1.25mm。当环完全压在槽底时，其直径方向被压缩了约4.4mm。换句话说，环静态下的内径比心轴上槽的外径大4.4mm左右。

具体地讲，槽的总深度大约与其中的环的壁厚相同。因此，环形封隔器主体外径（或第一个实施例中隔套筒29的外径）与其中所使用的油管的通径大致相同。剪切环的外径也接近油管的通径。密封环的壁厚将足够厚，以便在一个环被压缩，而相邻的环未压缩的情况下，这两个环将不会套叠在一起。

每个环的内径和槽的外径是这样的，当密封环完全被压到槽的底部时，该密封环仍处在自身的弹性极限之内，即不会发生塑性屈服。该塑性屈服限制环恢复到胀开的状态靠在油管内壁上。

每个环上的切口的宽度足以使环的直径从其静态状态压缩以便紧紧地压在心轴上的槽的底面上。这样，在一个典型的实施例中，环的外径比油管内径大1.25mm，通径比油管的标称内径小1/8英寸（3.175mm）。该缝最小宽度约为14mm，并一般更宽些。这样当缝被压缩至通径时仍存在一个约为2.5mm的间隙，以便在油管直径实际上比通径小的情况下获得较大的公差。

由于保留了约为2.5mm间隙宽度，因而不存在由热胀所带来的问题。正如所述，要求环形封隔器在非常高的温度下仍能保持密封。充裕的间隙使环被卡在井中的类似情况减至最少。

在靠近心轴底部的第二个槽17中设有第二对环26、27。这些环也有一舌和凹口结构28和基本上与上一对环19、21相同的切口（图中未示出）。通常心轴主体被加工成能将每组环分隔开来。在这个实施例中，套筒29将上下两对环分隔开。该套筒最好非常紧地套在心轴的外径周围，并且它有与油管通径大致相同的外径，该油管与环形封隔器一起使用。实际上将同一外径的心轴加工成具有两条槽17的结构。环和套筒的组件是通过剪切环18固定在心轴上，剪切环18通过旋在心轴主体上的剪切销子31将其固定在心轴上。

当环形封隔器在井中使用时，也可能被侵蚀或在环形封隔器和周围油管之间被砂堵住。这将可能引起密封环被卡在油管中，从而牵拉螺纹连接在心轴上的油管也不能迅速地将封隔器从井中取出。如果发生这样的情况，所设计的剪切销子会在连接封隔器和地面之间的油管的屈服强度的约3/4拉伸载荷作用下被剪断。这样环形封隔器主体能够取出，而仅仅将密封环、套筒和剪切环留在井中被打捞上来或被碾碎。

如需要，在靠近环形封隔器下螺纹端设一管颈32。另一油管一般螺接到环形封隔器上，朝井里进一步延伸。管颈作为断裂的薄弱处，如下面油管被卡住，将可以取出封隔器。而仅仅把油管留在井中打捞或碾碎。

当环形封隔器被固在井管里时，密封环紧紧地贴在油管的内壁上，并有效地防止大量流体的流动。通过封隔器的任何流体都必须沿着心轴主体方向进入下环下方的迷宫通道，然后向内进入一对环的端部和下槽端之间，沿着环内侧和带槽的心轴主体之间的环形通道，从下面一对环的端部向外流出。然后沿着两对环之间的心轴主体流动，再从一对上环向里、纵向和向外流动，最后沿心轴主体的上部流出。

这些密封环头尾相连地紧贴在心轴主体上的槽中，这种布置实际上形成了一连串的限流的缝隙。环两端和槽两端之间的小间隙构成一缝隙。在密封环内径和心轴上槽的外径之间空间形成一缝隙，它串接在该对密封环两端缝隙之间。还有一个有效地缝隙，它是心轴主体和油管内壁之间的环形通道，该通道位于上、下两组环及两组环之间的旁边。通过这一连串的缝隙的流动阻力可以计算机出来，但其效果几乎没有提高。

根据上述提出的尺寸，可以将6 5/8 英寸（17cm）外径的环形封隔器计算出来。一对密封环的密封效率约为75-80%。换句话说，通过两个密封环的流体相对于没有密封环时减少75-80%。当采用图2所示的两组密封环时，环形封隔器的效率在95%以上。另外，堵在这些缝隙中的侵蚀或砂粒、废料或其它类似物将进一步提高其密封效果。

图1和3表示油井密封工具或环形封隔器36的第二个实施例，其横截面如图4所示。下环形封隔器的上端焊接在生产油管37上，该生产油管37从上环形封隔器12的下端穿过多孔衬管延伸到储油层15。在这个实施例中，该封隔器主体比开口管38小，开口管38焊在生产油管里面。另外，环形封隔器管的端部可以螺接到生产油管中。该环形封隔器的下端为一斜刮泥筒。在有些例子中，生产油管将延伸到下封隔器以下。

在环形封隔器38主体外表面上车出一对槽39。一对刚性密封环41紧贴在上槽中，一对相类似的密封环42紧贴在下槽中。每对密封环都有一舌和凹口结构，以防止两个环相对转动。正如上面所述这种结构可避免每个环上的切口22都对齐，切口22对齐会增加由各环形成的中间孔的有效面积。

与第一实施例中的密封环一样，每对密封环在槽中头尾之间间隙很小，并贴在心轴主体上，而且处于井中油管里面。在本实施例中，将密封环从它的静态直径张开，沿着密封主体纵向滑动，直到密封环突然咬合在各自的槽中为止，密封环就通过这样的方法安装在槽中。密封环必须具有足够的弹性，以便张开超过主体的外径而不发生永久变形。这是因为这些密封环不能安装在由象第一个实施例中所描述的隔套和剪切环形成的槽中。在具有高屈服强度的密封环中，约为5mm的壁厚就可以提供足够的弹性变形。

一对密封环的长度至少足以在多孔衬管11上的槽46的整个长度上延伸。正如上所述，标准的缝尺寸约为0.5-2.5mm宽、5mm长，且长度沿衬管纵向延伸。这样井液将从储油层流入该油井中。如密封环的总长度小于这些槽的长度，这些槽将形成泄漏流过环形封隔器的密封环，每个环也要做得足够长，以便它跨过管子接头之间的小小的间距。密封环上的缝不在一直线上、相距180°，密封环在进入油管时被压缩。这就意味着这些缝不能与衬管上的槽对齐，而且不允许泄漏物通过环形封隔器。

该环形封隔器没有很复杂的运动部件，并且很容易加工。对于多数检修站来说，能够用便宜的冷轧钢来制造心轴和密封环。在第二实施例中密封环弹性弯曲地贴在环形封隔器主体上，可以用热处理合金钢做密封环以便得到较高的弹性变形，该弹性变形在心轴的屈服强度以下。用玻璃纤维和高温树脂及全国电气制造商协会G-7或青铜制作的密封环也是合适的。

实际上，可以将两个环形封隔器安装在图1所示的井中。在这个实施例中，上环形封隔器12隔离了地面套管，并隔离了储油层15中的减饱和地层47和井的环状通道。下环形封隔器36布置在减饱和区48，该减饱和区48在图中用斜影线来表示。这种布置被使用在与蒸汽喷射井隔开的生产井中。当这种环形封隔器单独使用在喷射井中，就可以使用一个封隔器，或仅仅在喷射井的有限深度使用多个封隔器。

通过连接将这些环形封隔器布置在生产油管的适当位置，该生产油管插在用于回采石油的井中。将封隔器完全推入井孔中，正如上所说密封环被压缩，从而沿井管的长度方向滑动。把这些环形封隔器完全推到所需的深度。由于这些密封环被弹性压缩，因而与井管内壁继续处于几乎完全密封状态。流体仅能沿封隔器主体流过封隔器，进入槽的端部与一对密封环的端部之间，在该对密封环内纵向流动，然后从另一槽的端部与另一对密封环的端部之间向外流出。密封环两端之间的缝隙大大地阻碍了流动的流动。这种封隔器在不需要完全密封并允许一些泄漏的情况下使用。

通过反向拉生产油管可以将环形封隔管取出来。

当按图所示布置时，石油能从储油层流入砂砾充填带，然后穿过多孔衬管上的缝口。石油是通过泵（图中未示）从井孔中采出。来自减饱和区的蒸汽穿过多孔衬管上的槽进入井孔中。下封隔器大大地防止了蒸汽流入生产油管中，上封隔器大大地阻止蒸汽流入生产油管和地面套管之间的环形空间。

环形封隔器还有其它用途，如隔离砂堆集的井段。还可以在逐渐下沉的储油层中使用这种环形封隔器来隔离减饱和区。

这种便宜的封隔装置非常有效。它被用在每天产量约为60桶的生产油井中，其中约有30桶为石油（一桶等于159升）。在安装这种封隔器之后，每天总产量将上升到约160至170桶，石油产量增加三倍，约为每天95桶。普通封隔器不适用的原因在于它的成本高和弹性材料密封的寿命有限。这里所棕的环形封隔器不需要弹性材料，而使用了刚性的密封环。

环形封隔器在蒸汽喷射中还节省了相当的能量。在使用几个环形封隔器的情况下，生产井中的套管压力从约2.8kg/cm降到约0.7kg/cm。由这个压力差所表示的蒸汽不需要冷凝和再加热，或排到大气中去。因此，需要产生的蒸汽体积显著减少了。由于产生的蒸汽少，燃烧的燃料少，并减少了燃烧物的释放。在允许排出的地方，也减少了由排出的蒸汽携带的污染物。

但尽管在这里已描述和展示了本发明的环形封隔器的两个具体实施例，对于普通专业技术人员来说，对本发明作出许多修改或变化将是显而易见的。环形封隔器的下端可以用柳条来制作，以便插入泄漏导管密封接头中。该环形封隔器的上端有普通的左旋连接工具螺纹。另外该封隔器下端可以车出螺纹，以便安装在衬管上和替代导向密封接头。

如果需要可以在环形封隔器主体上设三组密封环。但发现有两组就足够了。甚至在某些地方使用一对密封环就够了。各种其它结构形状也是显而易见的，而且也是容易理解的。在所附的权利要求的范围内，除有特殊描述之外，就可以实施本发明。

Claims (15)

1、一种环形封隔器，它包括一管状主体，其特征在于：

在主体的外表面上设有环形槽；在环形槽中设置一对刚性密封环，每个环上有一纵向延伸的切口，以便于环的弹性张开和压缩；和防止两环之间相互转动的装置，使相邻两环上的切口不处在一直线上。

2、一种用于封隔美国石油学会给定直径的油管的环形封隔器，它包括一圆柱形心轴和在心轴上端用来将心轴连接到管子上的装置，其特征在于：在心轴上至少有一环形槽;在该槽中至少有两个刚性密封环;这两个密封环基本上占据环形槽的整个全长，每个环的外径都比美国石油学会给定的油管的内径要大;

每个密封环上有一纵向切口，便于其直径被压缩到能配合插入所给定油管中;

使相邻两环上的切口不和睛直线上的装置。

3、一种用于封隔美国石油学会给定直径的油管的环形封隔器，它包括一圆柱形钢体，钢体的上端有一连接管子的装置，其特征在于：

在钢体的外表面上有许多槽;

每个槽中有一对刚性环，每个环的外径大于给定油管的内径，环有一壁厚，环的壁厚与环形槽度部主体直径之和大约等于所给定油管的通径，每对环基本上占据各自的槽的全部长度，

每个环上设有一纵向切口，它允许环收缩后其直径小于给定油管的内径，和

其中一个环上设有一舌，在另一环上设有一配合的凹口，以防止两环相互转动，当舌与凹口配合时，两环上的切口彼此相隔大约180°。

4、根据权利要求1所述的环形封隔器，其特征在于它还包括：

一个与第一环形槽纵向间隔的第二环形槽，和

在第二环形槽中的第二对密封环，每个密封环有一纵向延伸的切口，它允许密封环弹性涨开和收缩，和

防止两环相对转动的装置，使相邻两环上的切口不处在一直线上。

5、根据权利要求2所述的环形封隔器，其特征在于它还包括：

一个与第一环形槽纵向间隔的第二环形槽，和

在第二环形槽中的第二对密封环，第二对密封环基本占据了整个第二环形槽的钻，每个环的外径大于美国石油学会给定的油管的内径，

每个环上有一纵向切口，它允许密封环收缩到一个直径，从而配合插入所给定的油管中，和

使相邻两环上的切口彼此不处在一直线上的装置。

6、根据权利要求1或2所述的环形封隔器，其特征在于主体有一相同的外径，第一和第二环形槽是由两对密封环之间的隔套所构成，隔套的内径紧配合在两对环之间的主体的外径上。

7、根据权利要求1或2所述的环形封隔器，其特征在于还包括一剪切环，它连接在密封环下面，以便在该封隔器被卡在井中的情况下被拉断。

8、根据权利要求1或2所述的环形封隔器，其特征在于使两密封环上的切口不处在一直线的装置与两环形成一整体。

9、根据权利要求1或2所述的环形封隔器，其特征在于使两环上切口不处在一直线上的装置包括设在一个环上的舌和设在另一环上的相配合的凹口。

10、根据权利要求1或2所述的环形封隔器，其特征在于密封环两端与环形槽两端之间的间隙形成了一流体流动孔，当环安装在井中时其孔面积小于环的内径与主体外径之间的面积。

11、根据权利要求1或2所述的环形封隔器，其特征在于环形槽的深度大约与密封环的壁厚相同。

12、根据权利要求1或2所述的环形封隔器，其特征在于每个环的内径略大于环形槽底部主体的外径，以防止当密封环紧收缩在环形槽底部时密封环的塑性屈服。

13、根据权利要求2所述的环形封隔器，其特征在于环形槽底部直径加上密封环的壁厚大约等于所给定油管的通径。

14、根据权利要求1或2所述的环形封隔器，其特征在于当两密封环上的舌和凹口配合时，其上的切口彼此间隔约180°。

15、根据上述权利要求中的任一项所述的环形封隔器，其特征在于：一对密封环两端和相应环形槽两端之间的最大间隙为0.25mm。

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