CN1325478A - 包括管道和可膨胀装置的井孔系统 - Google Patents
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Abstract
一种系统,包括具有纵轴线管道,以及一个可相对于管道从一个收缩方式向一个膨胀方式径向膨胀的装置,在所述收缩方式中,所述装置与管道径向隔开,在所述膨胀方式中,所述装置径向胀靠在管道上,其中,所述装置包括一个形状记忆金属构件,该形状记忆金属构件在达到一个选择的温度时可从第一形状转变成第二形状,所述形状记忆金属构件设置得在所述形状记忆金属构件从第一形状向第二形状转变时使所述装置从所述收缩方式膨胀至所述膨胀方式。
Description
本发明涉及包括一条具有纵轴线的管道的系统，以及相对于管道可径向地从收缩方式向膨胀方式膨胀的装置，在收缩方式中装置与管道径向隔开，在膨胀方式中装置抵抗管道径向膨胀。这种系统例如应用在从地球构造生产烃类的工业中，从而将可膨胀的装置如可膨胀的封隔器或可膨胀的套管固定器应用在井孔管中。在这种应用中常常发生的问题涉及对于可膨胀装置的基本矛盾的要求。即，在收缩方式中，装置必须可相对于管道自由移动，以便将装置安装在需要的部位上，而在膨胀方式中，装置必须提供足够的轴向固定力(对于例如井孔封隔器来说)，或提供密封能力(对于井孔密封件来说)。对于准备将装置安装在遥远位置的场合来说，上述问题甚至更为突出。
本发明的目的是提供一种改进的可膨胀系统，它甚至在遥远位置上也能够从收缩方式向膨胀方式充分地径向膨胀，而且它也可提供足够的轴向固定力和/或对于高压场合的密封能力。
按照本发明，提供一种系统，包括具有纵轴线管道，以及一个可相对于管道从一个收缩方式向一个膨胀方式径向膨胀的装置，在所述收缩方式中，所述装置与管道径向隔开，在所述膨胀方式中，所述装置径向胀靠在管道上，其中，所述装置包括一个形状记忆金属构件，该形状记忆金属构件在达到一个选择的温度时可从第一形状转变成第二形状，所述形状记忆金属构件设置得在所述形状记忆金属构件从第一形状向第二形状转变时使所述装置从所述收缩方式膨胀至所述膨胀方式。
当装置处于收缩方式时，在装置的安装过程中，装置和管道之间的间距使装置可相对于管道轴向移动。然后加热或冷却形状记忆金属构件，使形状记忆金属构件达到选择的温度，从而使形状记忆金属构件从第一形状转变成第二形状，使装置从收缩方式膨胀至膨胀方式。另外，无需复杂的遥控膨胀设备来使装置膨胀，只需要一个加热或冷却源。形状记忆金属构件在转变时可提供一个大的力，从而实现足够的固定力，和/或在装置和管道用金属制成时，借助装置对着管道的膨胀可实现可靠的金属对金属的密封。
所述管道可以适当地是外管道和内管道之一，所述内管道共轴地伸入外管道，因而在外管道和内管道之间形成一个环形空间，其中，可膨胀的装置构成设置在所述环形空间中的密封装置，该密封装置在其径向膨胀方式中对着所述内管道及对着所述外管道膨胀。
在一个有利的实施例中，该系统还包括一个在地球构造中形成的分支井孔系统，该分支井孔系统包括一个设有主壳体的主井孔、一个设有支壳体的支井孔和一个壳体接合构件，该壳体接合构件具有一个主孔和一个与主孔流体通的支孔，主孔是主壳体的延伸部，支孔是支壳体的延伸部，其中，所述内管道是由支壳体构成的，所述外管道是由支孔构成的。这个实施例特别有利，它可对多侧向井孔系统的井孔接合部的密封问题提供适当的解决方案。
美国专利第5,318,122号公开了一种Y形壳体接合构件，它将主井孔的壳体连接于装在支井孔中的衬层上，壳体接合构件具有一个支构件，衬层的端部伸入所述支构件，一密封件设置在所述端部和所述支构件之间。但是，这种公知系统的一个问题在于，得不到能够承受一般可遇到的井孔高压的可靠密封件。因此，这种公知的壳体接合构件必须相对较深地设置在主井孔中，即，设置在储量区中或覆盖储量区的顶部岩层中，在那里壳体内、外之间的流体压力差相对较低，泄漏无关大局。与此相关，应注意的是，顶部岩层具有足够低的可渗透性以防止流体从储量区迁移至顶部岩层上方的过载层。
与上述情况相反，按照本发明的系统可以将壳体接合构件设置在任何部位，最好相对较高地设置在主井孔中，即，设置在过载层中。这是有利的，因为这样就可以使支井孔在地球构造中相对较高地从主井孔开始分支，因而对于支井孔的既定最大曲率来说，支井孔的下端可被钻至比传统技术来说离主井孔更大的水平距离，在那里主井孔和支井孔之间的接合部位于储量层或顶部岩层中。因此，借助本发明的系统的大的密封能力，主井孔和支井孔之间的接合部可设置在过载层，在那里过载层中的孔压和流过井孔系统的烃流压力之间的差是高的。
密封装置在其膨胀位置上最好形成金属对金属的密封。
在另一个有利的实施例中，装置是设置在管道中的套管固定装置，当处于径向膨胀方式时适于锚定在管道内表面上。
下面对照以下附图以举例方式详述本发明。
图1示意地表示按照本发明的井孔系统的一个实施例；
图2示意地表示图1系统的壳体接合构件；
图2A示意地表示沿图2中2A-2A线的横剖面；
图2B示意地表示沿图2中2B-2B线的横剖面；
图3示意地表示图2的壳体接合构件处于密封方式中；
图4示意地表示图3的细部结构A；
图5示意地表示按照本发明的井孔系统的另一实施例。
现在参阅图1，图1表示一个井孔系统1，该系统包括一个从地表面7的井口5通过过载层9和顶部岩层11延伸至含有烃流体的储量层14的主井孔3。顶部岩层11相对较不可渗透，可防止高压烃流体从储量层14迁移至过载层9。
主井孔3设有管状的钢的主壳体16，它借助水泥层17固定和密封在主井孔3中，并具有一个敞开的下端。一个支井孔18从位于过载层9中的井孔接合部19通过过载层9和顶部岩层11伸入储量层14。支井孔18设有支壳体20，支壳体具有敞开的下端，并借助与其成密封关系的壳体接合构件22连接于主壳体16，这将在下文详述。壳体接合构件22设在井孔接合部19上，即，位于过载层9中。支壳体20借助水泥层24密封在支井孔18中。或者，支壳体也可以借助任何适当的装置，例如，借助封隔器密封在支井孔中。
进一步参阅图2,2A,2B和3，壳体接合构件22具有一个具有纵轴线24a的管状主孔24，主孔24与主壳体16对准，以及一个具有纵轴线26a的管状支孔26。支壳体20伸入支孔26中，其间有一个环形空间28。一个环形密封装置30设置在空间28中，该密封装置30可在一个径向收缩方式和一个径向膨胀方式之间移动。在收缩方式中，密封装置与支孔26且与支壳体20径向间隔开来，如图2所示。在膨胀方式中，密封装置30对着支孔26和支壳体20膨胀，如图3所示。
壳体接合构件22是整体结构的，具有基本呈圆形的横截面，如图2A和2B所示。这种结构和形状使壳体接合构件22具有足够的抗塌陷性，其不应低于主壳体16的抗塌陷性。
在图4中表示图3的细部结构A。密封装置30包括一个具有两个密封圈36a,36b的金属环状体34，以及一个环形楔部38，该楔部设置在密封圈36a,36b之间，并与密封圈成工作关系，以便当楔部38轴向移入环状体34时，使密封圈36a压靠在支孔26上，并使密封圈36b压靠在支壳体20上。楔部38和密封圈36a,36b之间的接触面是锯齿状的，从而使楔部在发生上述向内的轴向移动时就锁紧在密封圈上。多根周向间隔开的棒40穿过楔部38中设置的相应的孔41，每根棒具有一个将棒连接于环形体34的螺纹端部40a，而另一端部则有一个T形头部40b。棒40是用形状记忆金属制成的，在低于选择的转变温度时呈现轴向伸展形状，而在高于转变温度时呈现轴向收缩的形状。在轴向伸展的形状中，楔部38处于初始位置，因而密封圈36a与支孔26的表面径向间隔开来，且密封圈36b与支壳体20的外表面径向间隔开来，在棒40的轴向收缩形状中，楔部38受到密封圈36a,36b之间的棒的拉动，因而使密封圈36a压靠在支孔26的表面上，且使密封圈36b压靠在支壳体20的外表面上，以便在支孔26和支壳体20之间形成金属对金属的密封。环状体34借助轴承44连接于锁紧螺母42，使锁紧螺母42可围绕纵轴线26a相对于环状体34转动。锁紧螺母42借助螺纹连接部46连接于支壳体20上。
图4进一步表示一个设置在支孔26和支壳体20之间的一个锁紧和定心组件48，该组件48包括一个自胀锁紧环50，该环支承在一个形状记忆金属致动环52，该致动环则支承在一个圆锥形支承环54。支承环54放置在支壳体20上的环形肩部55上，并具有一个外部环形槽56，在该槽中设置形状记忆金属构件的开口致动环58。组件48固定在一个环形固定环60和一个设在支壳体20的外表面上的环形肩部62之间。固定环60可冷缩装配、螺纹接合、咬合或焊接在支壳体20上。致动环52在低于选择的转变温度时呈现轴向收缩的形状，而在高于转变温度时则呈现轴向膨胀的形状。开口致动环58在低于选择的转变温度时设置在支孔26中，如果致动环52,58低于它们的转变温度，那么，组件48带有一些轴向和径向间隙地装配在支孔26中。如果致动环52,58高于其转变温度，那么，锁紧环50则借助轴向膨胀的致动环52压靠在肩部62上，支承环54借助致动环58的径向膨胀在支孔26中定心。致动环52,58的转变温度选择得稍低于棒40的转变温度。
在井孔系统1正常工作期间，钻出主井孔3，将内部装有壳体接合构件22的主壳体16降下并粘接于主井孔3中。在安装和粘接过程中，支孔26在其下端由一个塞子(未画出)封闭，该塞子可以被钻出。然后，将一个造斜器(未画出)设置在主壳体16和壳体接合构件22中，以便使钻杆组(未画出)插入支孔26中。一个可卸除的磨损套(未画出)暂时设置在支孔26中以防止钻杆组与支孔26的表面接触。然后将钻杆组穿过主壳体16降下，并由造斜器导入支孔26。钻杆组转动以钻掉塞子并钻出支井孔18。在完成钻削操作后，将磨损套从支孔26卸下，将支壳体20穿过主壳体16降下，并由造斜器(或任何其它的导向装置)导入支井孔18，直至自胀锁紧环50锁入环形槽64。支壳体受到支承环54和肩部55的支承。
密封装置30通过主壳体16降下，并被导入支孔26，从而使环状体34进入环形空间28，直至锁紧螺母42到达支壳体20的上端。然后，借助适当的装配工具(未画出)将锁紧螺母42拧在支壳体上，从而轴承44可使环状体34在锁紧螺母转动时不转动。借助密封装置30的结构，楔部38和密封圈36a,36b精确地设置在环形空间28中。使用装配工具逆向进行上述过程可使密封装置30从环形空间28退出，以便例如安装一个新的密封件。
一个加热装置(未画出)通过主壳体16降下，并被导入支孔26、热量从加热装置传至形状记忆金属构件52,58和40。在达到其各自的转变温度时，致动环52轴向膨胀，致动环58径向膨胀，从而实现支壳体20在支孔26中的轴向锁紧和径向定心。棒40在达到其转变温度时轴向收缩，从而在密封圈36a,36b之间拉动楔部38，使密封圈36a压靠在支孔26的表面上，并使密封圈36b压靠在支壳体20的外表面上，从而在支孔26和支壳体20之间形成金属对金属的密封。楔部38借助楔部38和密封圈36a,36b之间的锯齿形接触面锁紧在密封圈36a,36b上。当加热装置关闭，棒40的温度降至其转变温度以下时，棒通过楔部38的孔41轴向膨胀，而楔部仍锁紧在密封圈上。水泥泵送在支壳体20和支井孔18之间以形成将支壳体密封在支井孔18内的水泥层24。
在完成井孔系统1之后，开始进行从储量区14的烃流体如高压天然气的生产。流体从储量区14流入主壳体16和支壳体20，并经过这些壳体流向井口5，从井口流体进一步送往适当的处理设施(未画出)。由密封装置30提供的这种金属对金属的密封可防止流体通过环形空间28漏至过载层9。水泥层17和24在其各自的井孔中密封主壳体16和支壳体20，因而也可防止天然气从储量区14沿壳体16,20漏至过载层9。按照这种方式可实现通过壳体16,20的天然气生产而无需传统的生产管线，也消除了天然气从储量区14向过载层9泄漏的危险。
本发明系统的另一优点是可选择地可括一条从井口(井口设有喷出防止装置)通过主壳体伸入壳体接合构件的支孔的副管道，副管道与所述支孔成密封关系。例如，副管道可以是烃流体生产管道，用于例如在主井孔和支进孔之前存在高的流体压差的情形中从支井孔和主井孔分开地生产烃流体。或者，副管道也可以是服务衬套，用于将井孔工具从地面导入支井孔，例如用于进一步钻支井孔的钻杆组。应用这种服务衬套的优点在于，当支井孔中的井孔操作通过将这种操作与主井孔的其余部分和其它支井孔隔绝开来时，通过主井孔的流体生产继续进行。副管道最好设有锁入机构，可锁入支孔中。
支壳体也可以在其上端设置一个流量控制阀，该流量控制阀可以借助钢丝绳或盘管可恢复至表面(retrievable to surface)。该流量控制阀控制通过支管体的烃流体的流量，并通过遥测技术或借助受控流体的一个选择的性质工作。
另外，一个安全阀可安装在支壳体的远端部分中，它借助遥测技术或借助受控流体的一种性质，例如，横过安全阀的选择的压差来工作。
上述流量控制阀和安全阀各自具有一条道流旁路，在横过阀出现选择的逆流压差时使流体可逆流。
现在参阅图5，图中表示井孔(未画出)中的具有纵轴线71的管道70内设置的一个套管固定装置68。套管固定装置可从收缩方式相对于管道70径向膨胀至膨胀方式，在收缩方式中套管固定装置68与管道70径向间隔开来，而在膨胀方式中，套管固定装置68膨胀抵靠管道70。套管固定器68包括一个圆筒形体72，它纵向装配在管道70,以及径向可变形的环状套管固定器74,76设置在圆筒形体72的相对两端。一个楔状的环形胀圈78装配在套管固定器74中，一个类似的楔状的环形胀圈80装配在套管固定器76中。胀圈78,80借助多根周向间隔开来的、形状记忆金属制成的棒82相互连接。每根棒82穿过胀圈78中的一个相应的孔84，并且具有在孔84的外端的一个T形头部86，并且借助螺纹连接部88连接于胀圈80。胀圈78和套管固定器74的接触面，以及胀圈80和套管固定器76之间的接触面是锯齿状的，以便当胀圈78,80向内轴向移动时将胀圈78,80锁定在各自的套筒固定器74,76上。棒82可以低于选择的转变温度时的伸展形状转变成高于选择的转变温度时的收缩形状。在棒82的伸展形状中，胀圈78,80处于初始轴向距离，因而套管固定器74,76与管道70的内表面径向间隔开来。当棒82转变成收缩形状时，棒82将胀圈78,80轴向地相向拉动，从而使套管固定器74,76对着管道70的内表面径向变形，因而锁定在管道70上。
在正常工作中，一个加热器在圆筒形体72中下降并工作，以便将棒82的温度升至转变温度，从而使棒收缩以相向拉动胀圈78,80，从而使套管固定器74,76径向胀靠在管道70的内表面上。胀圈78,80借助锯齿状接触表面锁定在各自的套管固定器74,76上。当温度再次降至低于转变温度时，棒82可通过孔84自由膨胀。
现在参阅图1-5，取代从单一储量区的主井孔和支井孔生产，这些井孔可以从相互间隔开来的储量区进行生产。
上面的详细说明涉及一个主井孔和一个支井孔，这是为简化说明。显然，本发明也同样适用于多条支井孔。
也可以用分离的部件组装起来取代整体结构的壳体接合构件。另外，接合构件的横截面形状也可以为椭圆形或多边形来替代圆形。
另外，也可以采用需冷却而达到其各自的转变温度的形状记忆金属构件来取代需要加热来达到转变温度的形状记忆金属构件。在这种情形中，一个冷却装置降入井孔系统中以取代加热装置。
Claims (15)
1．一种系统，包括具有纵轴线管道，以及一个可相对于管道从一个收缩方式向一个膨胀方式径向膨胀的装置，在所述收缩方式中，所述装置与管道径向隔开，在所述膨胀方式中，所述装置径向胀靠在管道上，其中，所述装置包括一个形状记忆金属构件，该形状记忆金属构件在达到一个选择的温度时可从第一形状转变成第二形状，所述形状记忆金属构件设置得在所述形状记忆金属构件从第一形状向第二形状转变时使所述装置从所述收缩方式膨胀至所述膨胀方式。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述管道是外管道和内管道之一，所述内管道共轴地伸入所述外管道，从而在外管道和内管道之间形成一个环形空间，其中，所述膨胀装置构成在所述环形空间中的密封装置，该密封装置在其径向膨胀方式中胀靠在所述内管道和所述外管道上。
3．如权利要求2所述的系统，其特征在于：还包括一个在地球构造中形成的分支井孔系统，所述分支井孔系统包括一个设有主壳体的主井孔、一个设有支壳体的支井孔和一个壳体接合构件，该壳体接合构件具有一个主孔和一个与主孔流体连通的支孔，所述主孔是主壳体的延伸部，所述支孔是支壳体的延伸部，其中，所述内管道是由所述支壳体构成的，所述外管道是由所述支孔构成的。
4．如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述地球构造包括一个烃流体储量区、一个位于储量区上方的过载层和一个在储量区和过载层之间的顶部岩层，其中，所述壳体接合构件位于所述过载层中。
5．如权利要求3或4所述的系统，其特征在于：还包括一条副管道，所述副管道穿过所述主壳体伸入所述支孔，与所述支孔成密封关系。
6．如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述副管道是烃流体生产管道和服务管道之一，在支井孔中进行操作的井孔工具伸入其中。
7．如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述副管道是服务管道，一钻杆组穿过该服务管道，以便进一步钻支井孔。
8．如权利要求2-7中任一项所述的系统，其特征在于：所述密封装置在其收缩方式中与外管道和内管道径向间隔开来。
9．如权利要求2-8中任一项所述的系统，其特征在于：还包括一个设置在所述环形空间中的定心装置，它使内管道在外管道中定心。
10．如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述定心装置可从一个收缩方式膨胀至一个膨胀方式，在所述收缩方式中，所述定心装置与外管道和内管道中至少一个径向间隔开来，在所述膨胀方式中，所述定心装置径向胀靠在内管道和外管道上，以便使内管道在外管道中定心，所述定心装置包括一个形状记忆金属构件，所述形状记忆金属构件在达到一个选择的转变温度时可从第三形状转变成第四形状，并且设置得在从第三形状转变成第四形状时使定心装置从所述收缩方式膨胀至所述膨胀方式。
11．如权利要求2-10中任一项所述的系统，其特征在于：所述密封装置在其膨胀方式中在内管道和外管道之间形成金属对金属的密封。
12．如权利要求1-11中任一项所述的系统，其特征在于：所述装置包括一个楔形的胀圈，用于在胀圈的选择的轴向移动时径向膨胀所述装置，其中，形状记忆金属构件用于在形状记忆金属构件从第一形状向第二形状转变时引起胀圈的所述选择的轴向移动。
13．如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述装置是设置在管道中的套管固定装置，适于在径向膨胀方式中锚定在管道内表面上。
14．如权利要求13所述的系统，其特征在于：所述管道构成在地球构造中形成的井孔系统的一部分。
15．基本如前面对照附图描述的那种系统。
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