專利名稱：環(huán)隙的密封方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及密封管與管間環(huán)隙或管與鉆孔間環(huán)隙的方法。
傳統(tǒng)上，為了在管與鉆孔間實現(xiàn)密封，是對此環(huán)隙(套管與巖石/地層間的空隙)施加注水泥(或灌漿)作業(yè)。這種處理方法通常稱作預(yù)注水泥作業(yè)。預(yù)注水泥的幾個主要作用是隔離不同儲集層的流體流、通過提供結(jié)構(gòu)增強件以經(jīng)受作用于井上的外部與內(nèi)部壓力、防止化學(xué)性侵蝕流體腐蝕鋼套管。
灌注不良的工作會造成儲層流體的遷移，甚至?xí)?dǎo)致氣體遷移而通過井中的微環(huán)道，這不僅降低了井的成本效率，還有可能導(dǎo)致“井噴”，造成嚴重的損害。盡管可以進行修復(fù)工作(二次注水泥，實質(zhì)上即將更多的水泥強制灌入裂紋與微環(huán)道中)，但這通常需要很高的花費且并非總能達到所望結(jié)果。采用傳統(tǒng)的灌注材料例如G類水泥(如OPC，通常的波特蘭水泥)的主要缺點之一是，這類材料由于它固有的收縮率而不能實現(xiàn)氣密密封。此收縮率一般為4～6％(體積)，這樣的收縮率會造成氣體通過微環(huán)道遷移。
在有關(guān)的技術(shù)中已提出過采用水硬水泥與橡膠組份兩者的水泥漿的混合物，用以改進傳統(tǒng)的水泥灌漿材料的常規(guī)密封性能。但是，傳統(tǒng)的水泥灌漿材料的本征性質(zhì)仍在這類密封技術(shù)中部分地起作用。
水泥灌漿也可在兩個管件間進行，例如用以固定被侵蝕或受損的管道，或是用來提高已填充的管道的強度。
石油工業(yè)中周知的一種技術(shù)是所謂油井管擴張技術(shù)，通常是用來完成井下地層鉆孔中未下套管的部分，它的特點之一是能夠縮窄管件的外表面與套管和/或套管面向的巖石/地層之間的間隙。但并未見到而且實際上也不可能通過這種擴張作業(yè)來提供甚至是很小的密封效果。
歐洲專利說明書643 794中公開了一種將套管擴張向地下鉆孔壁的方法，其中的套管是由最好能有至少25％的單軸向應(yīng)變的塑性應(yīng)變的可延展材料制成，而套管則可由泵將擴張心軸抽送過或推過此套管得到擴張。但仍然未見有而且實際上也不可能有通過這種擴張作業(yè)來提供甚至是很小的密封效果。
在有關(guān)技術(shù)中還知道可給管件提供涂層(也稱作為“包層”)，這種涂層通常是用來提高管件對洗井液或其他循環(huán)物料(例如壓裂劑或侵蝕性礦水)負面沖擊的穩(wěn)定性。同樣，這種措施并未能對密封獲得任何改進。
新近，國際專利申請WO 99/02818提出了一種孔內(nèi)管道系統(tǒng)，這實質(zhì)上是以徑向可擴張的有縫管狀體為基礎(chǔ)，而在管狀體的外部上載有可變形材料，管狀體內(nèi)有用來與其內(nèi)表面結(jié)合的密封件。其中特別指出，為了不干擾石油的流入。在開縫處自然不應(yīng)有彈性體與巖石的接觸點。
于是，在WO 99/02818所述的系統(tǒng)應(yīng)視作為這樣一個系統(tǒng)，它允許流體在某些地方(由于開縫的存在而出現(xiàn)的)而不在另一些地方流動，而這是由于下述三個因素綜合的結(jié)果所致應(yīng)用了可擴張的管、在此管體的外部存在有可變形材料、在此可膨脹有縫管體內(nèi)應(yīng)用了密封件。
在WO 99/02818的描述中未涉及可擴張的無縫管。
在最近公布的國際專利申請WO 99/06670中讀到了用于在地下井系統(tǒng)的未下套管的部段的內(nèi)外之間，在存在有套管的井段相鄰處，形成油層隔離帶的方法。這種油層隔離是這樣實現(xiàn)的，即把可擴張的管插過既有的井管而進到未下套管的部段例如地下井系統(tǒng)的橫向分支，最后擴張此可擴張的管，以便一端壓向此井系統(tǒng)的未下套管的部段，同時使另一端的外表面壓抵到井的內(nèi)表面上以形成壓配合，而能在所述環(huán)繞表面間實現(xiàn)剪切粘附與液封。
國際專利申請WO 99/06670提出的方法顯然是針對機制的頗為規(guī)則的管件，而所形成的液封之所以有效是由于環(huán)繞表面的同心性質(zhì)。
現(xiàn)已認識到，在有更多要求的條件下，特別是當(dāng)多個或一個管件與鉆孔相互相對的同心性較差而且徑向尺寸上可以有變化時，通過直接擴張甚至是采周密封墊時都不再能提供適當(dāng)?shù)拿芊?。即使是對于多個或一個管件與鉆孔有同心或基本同心性質(zhì)致初始時有良好密封的系統(tǒng)，也會由于環(huán)境的變化如侵蝕、位移力等等而會隨著時間的流逝使其密封性質(zhì)惡化。這就是說，有需要設(shè)計一種能在實際條件下而且最好是在相當(dāng)長的距離上工作的密封系統(tǒng)。此外，這種密封系統(tǒng)還應(yīng)能在條件如上述可以變化的長時間內(nèi)執(zhí)行其密封職責(zé)。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)一種方法，它能根據(jù)熱固性或熱塑性材料，利用可擴張管件的擴展性質(zhì)來提供密封而形成優(yōu)質(zhì)的密封。
于是本發(fā)明涉及到用來密封兩無縫管之間或無縫管與鉆孔之間環(huán)隙這樣的方法，此方法包括應(yīng)用熱固性或熱塑性材料，在管件的至少部分外表面和另一管件的或井孔的至少部分內(nèi)表面之間形成密封，而此密封是通過擴張內(nèi)管形成的。
用在管件間或管件與井孔間實現(xiàn)密封的熱固性與熱塑性材料在本發(fā)明中確定為玻璃態(tài)和/或橡膠態(tài)的無定形聚合材料，這種無定形聚合材料的聚集狀態(tài)一般可相對于溫度借助其剛度確定，因為剛度是與聚集性差別有關(guān)的最重要參數(shù)。
剛度乃是用來實現(xiàn)一定變形所需的力。當(dāng)考慮每單位橫剖面積上的力(張力s)且將變形(e)用初始長度(l)表示為e＝Δl/l時，剛度便是這兩部分的商，同時也被稱作彈性模量而表示為E＝s/e，對各種聚合材料，可以在logE(Y軸)與溫度(X軸)之間繪制一曲線表明三個區(qū)域和相關(guān)的轉(zhuǎn)變點。這三個區(qū)域?qū)?yīng)于玻璃的(最低的溫度，最高的E)、橡膠的(較低的E和較高的溫度)和液體的(最低的E與最高的溫度)轉(zhuǎn)變范圍。轉(zhuǎn)變點通常稱之為玻璃轉(zhuǎn)變點(Tg)和熔體轉(zhuǎn)變點(Tm)。
用來形成本發(fā)明范圍內(nèi)的材料在擴張前具有玻璃的和/或橡膠的特性，而在它們完全或大范圍地保持這一特性時可以獲得良好的性能。由于這種溫度在也可能受到擴張中釋放出的摩擦力的影響，使得全部或部分的玻璃型的材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗南鹉z態(tài)。對于某些材料來說，從密封觀點來說，上述現(xiàn)象甚至?xí)蔀閮?yōu)點，因為橡膠型材料的彈性模量可以比相同材料在其玻璃型狀態(tài)下低100～1000倍。
無定形聚合材料可以具有某種程度的結(jié)晶性。結(jié)晶材料對玻璃型材料的影響是小的，特別是對其機械性質(zhì)的影響很小，然而對于橡膠型材料則較大，這是由于此種材料會延遲到橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變。
根據(jù)本發(fā)明，還能應(yīng)用含瀝青的聚合材料來提供密封。市售的含瀝青的彈性材料可以有益地用作可密封的材料。
能用于本發(fā)明方法的無定形聚合物的例子是聚丁橡膠和異戊二烯橡膠，它們在環(huán)境溫度下具有橡膠態(tài)，尤其是當(dāng)它們已硫化時更是如此。PVC與聚苯乙烯之類是在環(huán)境溫度下為玻璃型材料的代表性材料。橡膠質(zhì)材料與玻璃質(zhì)材料的共聚物同樣是與本發(fā)明方法有關(guān)的材料，它們的性質(zhì)主要由適當(dāng)?shù)木畚锏南鄬ω暙I決定。
在適當(dāng)情形下，用來形成所述密封的材料可以作為涂層存在于待擴張的(內(nèi))管件的外表面之上。這種涂層的厚度可以因所用材料的類型、擬密封的環(huán)隙以及所施加的擴張強度而變化?？梢赃m當(dāng)?shù)丶由?.02～10cm的涂層。采用0.05～2cm厚的涂層，對于小的尺度范圍可以取得良好的結(jié)果。
上述涂層可以存在于待擴張管件的整個或部分外表面上，這種涂層還可包含突起或凹座，特別是當(dāng)環(huán)隙是在整個環(huán)件長度上要于幾個區(qū)域中密封時。
當(dāng)基本上或全部地阻止了軸向與徑向流兩者后，就實現(xiàn)了密封。本發(fā)明的密封方法的另一個優(yōu)點是，在管件與套管間進行密封時，此系統(tǒng)的初始塌縮率幾乎能或甚至能完全地恢復(fù)。已知的密封器件(具有有限的長度)只具有最起碼的能力來恢復(fù)其初始完整的塌縮率，而不考慮在只涉及邊緣應(yīng)力時可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)用這種器件(例如在截止水平井的出水段)的事實。
本發(fā)明包括許多可供選擇的方法，它們的使用需根據(jù)所遇到的地下結(jié)構(gòu)以及實際所需或所愿的密封量。
從原理上說，在情形允許(即在密封中涉及到管件的整個外表面)的情形下，能夠?qū)⒁还芗耐獗砻媾c另一管件的或井孔的內(nèi)表面之間的密封視作為連續(xù)的，但常常只需將管件整個(井下)外表面的通向油層隔離帶的某些部分視作為密封的便足夠了，甚至是最值的。在本說明書中當(dāng)有這樣的措詞“至少一部分外表面”是指，包括了整個外表面以及油層隔離帶兩者(除非另有說明)。
業(yè)已得知，可用本發(fā)明的方法在遠距離情形下形成密封，例如超過15m，特殊情形下超過25m時，而且還適用于達到數(shù)百米的更長的距離，較小的距離也是可以的，但本發(fā)明的方法特別適于密封大的距離。應(yīng)該指出，傳統(tǒng)的封隔器最高可以有約13m(約40ft)的長度。本發(fā)明還能夠為所涉管件的某些區(qū)域提供油層分離帶或形成與未密封區(qū)交錯的密封。
本發(fā)明方法的第一實施例特別有利于為具有大致圓形橫剖面(有時稱作“炮筒形”)的鉆孔提供密封，這種密封是這樣形成的將至少是部分涂有熱固性或熱塑性材料的可擴張管件置于鉆孔中，然后使管件擴張。
傳統(tǒng)的彈性材料可以適用于上述這種涂層目的。例如氮化物橡膠對于低溫到中溫的應(yīng)用就特別適合。低功能的含氟彈性材料(例如商品名為VITON的)能夠用于有更多需求的條件下?！疤厥夤δ堋钡暮鷱椥圆牧蟿t可用于極端嚴苛的環(huán)境下。適用的含氟彈性材料的例子例如有商品名為AFLAS或KALREZ的。硅樹脂與氟硅樹脂則是可以適用于本發(fā)明的環(huán)隙密封方法的其他材料例子。
上述彈性材料可以用這里不再作任何細敘的周知方法，例如用電纜制造中的傳統(tǒng)復(fù)繞技術(shù)等方法，將其涂布到管件上。
還能夠提高所涉及的彈性材料的可壓縮率，即在其中加入所謂的閉腔結(jié)構(gòu)，特別是用在薄層作業(yè)的情形；或在其中加入擴張的可延展的微氣囊。這樣，實際上是空心的微珠體起到類似微型氣袋的作用，在擴張過程給彈性材料提供額外的可壓縮率，并在擴張過程后補償管件部分回縮所造成的體積變化。適用的材料包括商品名為EXPANCELL與MICROSPHERE FE的。這類材料特別適用于在低壓下密封管件之間的環(huán)隙。
本發(fā)明方法的第二實施例特別適用于為具有大致橢圓形但無大范圍的不完整或其他顯著直徑變化的鉆孔提供密封，在形成這種彈性密封時是將至少部分涂有熱塑性彈料的可擴張管件置于鉆孔中，然后使此管件擴張。
在上述情形下，最好不用傳統(tǒng)的熱固性彈料(其中，在通過熔化加硫后，形狀實質(zhì)上是不能改變的)，而應(yīng)采用熱塑性彈料。此種方法最好依下述方式應(yīng)用，即在進行擴張過程時使井加熱。在此還可采用玻璃型材料。
適用于此特殊實施例中的熱塑性彈料包括硫化的EPDM/聚丙烯混合物如SARLINK(商品名)或聚醚以及聚醚酯例如ARNITEL(商品名)。
井的加熱可以用任何方便的加熱技術(shù)在擴張過程之前和/或之中進行。這方面的加熱技術(shù)的例子包括應(yīng)用熱的液體，而最好是可用常規(guī)技術(shù)重?zé)岬难h(huán)的熱液體，或是應(yīng)用由合適化學(xué)反應(yīng)生成的熱或是應(yīng)用電力于地下結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的熱。加熱的結(jié)果使得熱塑性彈料成為或是可轉(zhuǎn)變成半固態(tài)，從而有更多的機率充填橫剖面形狀頗不規(guī)則的井孔并且能作更大范圍的充填。
此外，通過將擴張的可延展的微氣囊用作填料，只要它們的外皮于擴張過程中涂布熱塑性彈料的熔化階段基本上保持原樣，就能增強它們的可壓縮性。最好采用有尼龍外皮的微氣囊。
本發(fā)明方法的第三實施例特別適用于在所謂“井孔”段提供密封，所謂的井孔段即管件本身處于高度不規(guī)則的部段(有時稱之為大的不完整段和/或塌陷段，而在形成彈性密封時是把現(xiàn)場硫化的彈性材料系統(tǒng)置于井孔，然后使此彈性材料處于鉆孔中管件擴張的影響下。還能夠采用其中以玻璃態(tài)為主的材料，例如部分飽和的聚酯(如相應(yīng)的乙烯基酯)、環(huán)氧樹脂、鄰苯二甲酸二丙烯酯(合適的材料包括稱之為DAP(“原”樹脂)與DAIP(“亞”樹脂的那些))、氨基型的甲醛類(如脲醛與蜜胺甲醛)、氰酸酯與熱固性聚酰亞胺(如二馬來亞酰胺)與其他熱固性酯類。
在最佳實施例中應(yīng)用了可在現(xiàn)場硫化的雙組份系統(tǒng)來形成合適的密封。存在著多種方式來獲得所設(shè)想的密封。
在第一種方式中，設(shè)想用此(液體)雙組份系統(tǒng)來填充環(huán)隙而讓管件(設(shè)有止回閥)浸漬到雙組份系統(tǒng)內(nèi)，并在管件進行擴張?zhí)幚碇笤试S雙組份系統(tǒng)固化。
在第二種方式中，擬在此雙組份系統(tǒng)固化之前進行管件的擴張?zhí)幚怼４藭r所完成的管件擴張系統(tǒng)是在所謂“顛倒”方式下完成的，在此是將尚未固化的彈性物質(zhì)溶液強制注入微環(huán)隙中以形成“橡膠密封圈”。
在這種現(xiàn)場硫化彈性物質(zhì)系統(tǒng)中的工作方式下適用的材料是所謂RTV(可室溫硫化的)雙組份硅橡膠，它可以在油和/或氣井中常常遇到的高溫與高壓環(huán)境下適當(dāng)?shù)販p緩其硫化過程。這類材料可以購自Dow Corning，商品牌號有3-4225、3-4230、3-4231、3-4232與4-4234。據(jù)信這種種材料能有利于提供所謂“增進硫化性質(zhì)”。還能采用基于環(huán)氧化合物的彈性化合物，例如可以購自shell的WELLSEAL(商品名)系列產(chǎn)品。
為了確切弄清上述各類化合物，可以參考EngineeredMaterials Hanclbcok，Desk Edition，Znd Print(1998)，ISBH0-87170-283-5，PP251～281。
還能夠?qū)M生產(chǎn)出的彈性密封墊施加預(yù)應(yīng)力，即通過下述方式使其膨脹加入“化合吹脹劑”如GENITOR(商品名)或應(yīng)用含有揮發(fā)性液體的微氣囊如EXPANCELL DU(商品名)。此外還可以適當(dāng)?shù)夭捎糜捎谠诟邷叵履芤蚬?固或固/液變換而有更大體積的填料。
本發(fā)明方法的優(yōu)點之一是能夠利用可卷繞或已卷繞的管件，這從包括邏輯觀點在內(nèi)的考慮上是極其有益的。正如以前指出過的，尤為最好的是采用可卷繞或已卷繞形式的能擴張管件，而且在把管件用于油層隔離帶時于管子的制造階段時在其外表面的整個或特殊部分上設(shè)置涂層。
事實上還最好能采用這樣的可卷繞或已卷繞管件，它在合適的包層內(nèi)已含有電纜和/或輸水管線，得以在把這種管件用于適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)方式下時允許進行所設(shè)想的遙測和/或遙控處理。在現(xiàn)場硫化方式下，還能將(鎧裝的)電纜和/或管線裝附于可卷繞或已卷繞管件的外部，以便進行遙測或井口控制作業(yè)。
本發(fā)明的方法可以適當(dāng)?shù)赜糜谛迯?fù)或更新受損或是已磨耗的管件，特別是管道。一種簡便的方法包括給擬更新的部分或全部管道提供內(nèi)管而通過擴張內(nèi)管提供本發(fā)明方法的密封，在此用前述的熱固性或熱塑性材料通過內(nèi)管的擴張而形成密封。
以上所述的為獲得彈性密封而使管件強制進行擴張的方法可以按現(xiàn)下工藝水平所述的方法簡便地進行。為此可以參考包括專利申請公報WO 97/03489在內(nèi)的文獻，其中描述了管件特別是鋼種管件的擴張，擴張的結(jié)果使其應(yīng)變硬化。
上述擴張?zhí)幚韺嵸|(zhì)上是在管件(有時稱之為襯管)之內(nèi)使一沿其中于通過方向上呈錐形的擴張心軸通過，心軸的最大直徑大于管件的內(nèi)徑。當(dāng)心軸通過管件之后，可知管件的直徑加大了。為此，可以將擴張心軸向下推過管件，或更為適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菍⒊蠞u縮的擴張心軸拉過管件。
最好是使擴張心軸包含具有陶瓷錐形外表面的擴張段和一密封段，此密封段離開此擴張段一段距離，使得心軸被抽送過管件時該密封段能貼合此管件一可塑性擴張部分。還能采用含加熱裝置的心軸以促進擴張?zhí)幚怼?br> 陶瓷錐形表面的應(yīng)用能在擴張過程中減少摩擦，而具有可與已擴張管件貼合的密封段則能避免液壓力會造成管件的過度擴張。在這樣的情形下，最好是使擴張心軸包含有用來排出鉆孔中存在的任何流體的排送管線，而此管線在心軸的前方成為通至外表面的一根管子。
一般地說，最好采用半頂角為15～30°的心軸，這樣既便于防止有過大的摩擦力(在段下的角度下)，又能防止不適當(dāng)?shù)臒岷纳⒑驮谶@種裝置的前進運動中受到干擾。在某些應(yīng)用中，特別是在終端密封中，采用有較小錐角的心軸可能是有效的。此時適用的錐半頂角是10～15°。小的錐角有利于通過減緩塑性彎曲效應(yīng)來擴張內(nèi)部平齊的機械連接，由此確保擴張的連接是內(nèi)部平齊的。
借助推進心軸的這種擴張方法的固有特點是，已擴張的管的內(nèi)徑一般大于心軸的最大外徑。這種過量的變形稱之為超量擴張?？梢酝ㄟ^將心軸設(shè)計成拋物線形或橢圓形使超量擴張增大，由此將錐形的初始張開角增大到50°同時將平均半頂角保持為15～30°。超量擴張可以增大約5倍。這在事實上允許增大已擴張管和橡膠密封件間的界面壓力和提高環(huán)形密封能力。
可以將管件擴張成使所述外徑略小于鉆孔的或鉆孔內(nèi)任何套管的內(nèi)徑，而鉆孔內(nèi)與擴張心軸前面管件內(nèi)的任何流體便沿軸向上移，通過由于心軸擴張作用剛剛形成或正形成的密封件之上仍然可資利用的環(huán)隙，同時通過管件上抽。
本發(fā)明還涉及設(shè)有為本發(fā)明方法所密封的管件的井。這時的管件可用作生產(chǎn)管件，通過它將烴類流體輸送到地面，同時經(jīng)由它有選擇地將最好是可彎曲的操作和/或壓井管線通過至少是顯著部分管長，以讓流體向下抽送到鉆孔底部，同時經(jīng)過環(huán)繞的生產(chǎn)管件來生產(chǎn)烴類流體。
如上所述。本發(fā)明的方法特別適用于密封這樣的兩個無縫管件之間或一個無縫管件與一個鉆孔之間的環(huán)隙，其中至少是所述兩管件之一或者有可能是所述管件或是所述鉆孔的同心度較小同時還有可能在徑向尺寸上不同，使得以獲得剪切結(jié)合和液封為基礎(chǔ)的直接密封作業(yè)不再是適當(dāng)?shù)模词故抢昧藝H專利申請WO 99/06670中所述的密封圈材料時。
管道、管件與套管的技術(shù)規(guī)格通常給出有它們的制造公差。為此可以參考美國石油學(xué)會(1220 L street，Northwest Washington D.C.，2005)的出版物Specification for Line Pipe(APISPECIFICATION 5L，F(xiàn)ORTY-FIPST EDITION，April 1，1995)以及Specification for Casing and Tubing CAPI SPECIFICATION5CT FIFTH EDITION，April 1，(1995)。一般，這種公差設(shè)定為相應(yīng)直徑的至多1％。本發(fā)明的方法可以合適地用在涉及的材料(管件或是管件與套管)與制造廠給出的正常公差偏差達50％的情形。顯然可知，較大的偏差通常發(fā)生在現(xiàn)場條件下，而本發(fā)明的方法在偏差較時有較大的經(jīng)濟重要性。超過所給初始公差大于200％或大于500％甚至大于或等于1000％的情形也常會發(fā)生，從而需要本發(fā)明的方法所提供的密封。
下面以非限制性實例闡述本發(fā)明。
實例1采用長30cm的試驗槽，其中設(shè)有1英寸(2.54cm)直徑的可擴張管件(擴張前)，此管件是在1.5英寸(3.81cm)的環(huán)隙之內(nèi)，且有2mm厚的SARLINK(商品名)涂層。擴張是使心軸于環(huán)境溫度下推過此可擴張管件內(nèi)進行的。所產(chǎn)生的密封強度是通過將壓力升高到發(fā)生漏泄時而測試的。所形成的環(huán)隙密封可以在環(huán)境溫度下經(jīng)受30bar的壓力。這意味著可以獲得高過約100bar/m的比壓差。
實例2重復(fù)例1所述的試驗，但所用的可擴張管件涂有厚1.5mm的可以購自Henkel Hot Melt Adhesive公司的EVA/聚烯烴材料、使心軸在150℃的擴張溫度下推過此可擴張管內(nèi)進行擴張。冷卻后，使壓力升高到發(fā)生漏泄時測試所生成的密封強度。所產(chǎn)生的環(huán)形密封可以在20℃時經(jīng)受80bar的壓力。這意味著可以取得高達約250bar/m的比壓差。
實例3用80cm長、4英寸(9.16cm)外徑的有5.7mm壁厚的無縫管，而用80cm長、5.25英寸(13.33cm)外徑的有7.2mm壁厚的無縫管為套管，進行了大尺寸試驗。心軸錐體的外徑是10.60cm，管件外表面有4個區(qū)域具有厚1mm(未拉伸)和寬10mm(未拉伸)的天然橡膠包層。施加到錐體上的力是29T。在此壓力試驗中，密封件置于7bar的凈空氣壓力下。
由于管件外表面上存在的噴涂層能對密封本領(lǐng)有負面影響，用類似的管件重復(fù)進行了試驗，但是使此管件首先經(jīng)機器清洗以除去0.5mm的初始壁厚，給出10.10cm的新的外徑。經(jīng)相同的擴張?zhí)幚砗?，?bar的凈空氣壓力下未發(fā)現(xiàn)漏泄。將此密封進行氮氣壓力試驗，暴露于100bar氮氣壓力下15分鐘未測出壓力降。
本發(fā)明方法的第四實施例特別有利于在所謂“井孔”段，即管件中極不規(guī)則部分的那些部段(有時稱之為左的不完整段和/或塌陷段)，還可以應(yīng)用熱塑性或熱固性彈性材料密封件的特殊形式，其中加入有包含了化學(xué)溶液的金屬或玻璃容器。
此第四實施例的典型設(shè)計由附圖給出，其中

圖1示意地表明了經(jīng)部分擴張的管件，在它的周圍設(shè)有一對熱塑性或熱固性套筒且于其中嵌埋著一列沿切向取向的可固管件的擴張而破裂的容器；圖2示意地表明了經(jīng)部分擴張的管件，在它的周圍設(shè)有一對熱塑性或熱固性套筒且于其中嵌埋著一列沿軸向取向的可固管件的擴張而破裂的容器；圖3是圖2的管件組合件的俯視圖。
圖1表明，在金屬基管1的擴張過程將同時發(fā)生兩個過程1)具有環(huán)形翅5的彈性熱固性或熱塑性封隔件2將壓向鉆孔壁3，而在此鉆孔取完善的圓形并具有嚴格確定的直徑時(如第一實施例中所述的情形)將形成密封，2)于此同時，由一列嵌埋于封隔件中且含有化學(xué)溶液的切向管4形成的可破裂容器，因上述擴張過程破裂而將其中的化學(xué)溶液濺射到鉆孔壁3與已擴張管1之間環(huán)隙6中存在的滯留的完井或洗井的液體中。
本實施例的特點是，上述化學(xué)溶液是一種特殊的激活劑，它與停滯的液體(具有潛存的液壓性質(zhì))起反應(yīng)，生成固體。
這類系統(tǒng)的例子是泥漿到水泥的轉(zhuǎn)換過程(例如描述于國際專利申請WO 94/09249、WO 94/09250、WO 94/09252、WO94/19574、WO 99/23046與WO 99/33763)。
同樣可以采用的其他(基于波特蘭水泥、鋁酸鹽或鼓風(fēng)爐渣水泥的)系統(tǒng)，例如由BJ Services描述為“可存儲的水泥系統(tǒng)”的則描述于國際專利申請WO 95/19942與WO/27122中，它們通常也是由添加化學(xué)激活劑激化(即感生至固化)。
還可以應(yīng)用雙組份樹脂系統(tǒng)，例如部分飽和的聚酯(如相應(yīng)的乙烯基酯)、鄰苯二甲酸二丙烯酯[合適的材料包括稱之為DAP(“原”樹脂)與DAIP(“亞”樹脂)的那些]、氰酸酯與任何其他熱固化性酯類、氨基型的甲醛類(如脲醛與蜜胺甲醛)以及熱固性聚酰亞胺類(如二馬來亞酰胺)與環(huán)氧樹脂。通常，管4應(yīng)含有激活劑(交聯(lián)劑)，而充填到金屬管1與鉆孔壁3間環(huán)隙6中的“完井液”則構(gòu)成此雙組份系統(tǒng)的其他試劑。
另一種方式是，金屬管1與鉆孔壁3之間的環(huán)隙6中包括可在現(xiàn)場硫化的雙組份硅氧烷與氟硅氧烷系統(tǒng)，例如美國Midlcnd的Dow corning公司出售的產(chǎn)品DC-4230，這種產(chǎn)品通?？梢酝ㄟ^添加一種催化劑(例如鉑乙烯基硅氧烷)來激活井中存在的潛在彈性材料，以固化成固體橡膠密封物質(zhì)。
上述化合物系統(tǒng)只作為將機械密封作業(yè)與化學(xué)固化過程相結(jié)合的例子。上述液壓潛在的洗井液或完井液將轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的氣密屏障。這種屏障件是由管件的機械擴張過程直接形成，此過程激發(fā)了從封埋于彈性封隔件的軸向或徑向容器中排射出激活劑，從而與管件的機械擴張過程直接關(guān)聯(lián)。
參看圖2，其中所示的可擴張管10的上部10A未擴張而下部10B已擴張。
此上部10A為一彈性材料的熱固性或熱塑性封隔件11A包圍，其中嵌埋有一列軸向取向的可破裂容器12A。此下部10B則已擴張并為另一熱固性或熱塑性封隔件圍繞，其中嵌埋有一列軸向取向的可破裂容器12B，它們由于擴展過程而被擠扁，使得化學(xué)激活劑14釋放到管形成環(huán)隙13中。環(huán)隙13中充填有液體水泥或其化學(xué)試劑15，它們通過與激活劑14反應(yīng)而固化。如果反應(yīng)是放熱式的而封隔件11B包括熱固性材料，則封隔件11B也將固化而在管形成環(huán)隙13中形成牢靠的不透流體密封，這種密封只在管件10擴張后才形成而不需如常規(guī)注水泥過程那樣在預(yù)定時間內(nèi)進行管件安裝與擴展過程。
權(quán)利要求
1.密封兩個無縫管之間的或一個無縫管與一個鉆孔之間的環(huán)隙的方法，此方法包括應(yīng)用熱固性或熱塑性材料于一管件的至少一部分外表面和另一管件的或和此鉆孔的至少一部分內(nèi)表面之間形成密封，其中此密封是通過擴張此內(nèi)管形成。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述密封是這樣形成的將至少是部分包涂有彈性材料的可擴張管置于鉆孔內(nèi)，然后使此管擴張。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述密封是這樣形成的，將至少是部分包涂有彈性材料的可擴張管置于另一管內(nèi)，然后使此可擴張管擴張。
4.權(quán)利要求2或3所述的方法，其中應(yīng)用包含閉腔結(jié)構(gòu)的彈性材料。
5.權(quán)利要求2至4中一或多項所述的方法，其中應(yīng)用的彈性材料還包含已擴張的可延展的微氣囊。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述彈性密封是這樣形成的，即將至少是部分包涂有熱塑性彈性材料的可擴張管件置于所述鉆孔或另一管件內(nèi)，然后擴張此可擴張管件。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中至少是部分所述鉆孔或部分另一管件是在前述管件擴張之前和/或擴張之間加熱。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述加熱是通過熱的液體、化學(xué)反應(yīng)或電力提供。
9.權(quán)利要求6至8中一或多項所述的方法，其中應(yīng)用的彈性材料還包含已擴張的可延展的微氣囊。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述彈性密封是通過將現(xiàn)場硫化的彈性材料置于所述鉆孔或另一管件內(nèi)，然后再擴張此可擴張管件而形成的。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中采用雙組份可室溫硫化的彈性材料來提供上述密封。
12.權(quán)利要求10或11所述的方法，其中在所述管件擴張之前進行此彈性材料的固化。
13.權(quán)利要求10或11所述的方法，其中所述彈性材料的固化是在所述管件擴張后完成。
14.權(quán)利要求10至13中一或多項所述的方法，其中應(yīng)用可于室溫下硫化的硅橡膠。
15.權(quán)利要求10至14中一或多項所述的方法，其中應(yīng)用的彈性材料還包含化學(xué)吹脹劑和/或已擴張的可延展的微氣囊。
16.上述任一項權(quán)利要求中一或多項所述的方法，其中應(yīng)用了卷繞的管件。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中應(yīng)用了至少是部分包涂有彈性材料的卷繞的管件。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中在上述彈性材料的涂層中存在有電纜和/或液壓管線。
19.權(quán)利要求1～18中一或多項所述的方法，其中所述可擴張管件的至少一段是由包括熱塑性或熱固性材料的套筒所環(huán)繞，而于其中則嵌埋有許多可破裂的容器，這些容器則包括有化學(xué)激活劑，它被釋放到環(huán)繞已擴張管件的環(huán)隙內(nèi)，與水泥(Lement)或其他化合物和/或所述套管反應(yīng)，使得所述化合物和/或套管隨著所述管件的擴張而固化。
20.權(quán)利要求19所述的方法，其中應(yīng)用具有截頭錐形、拋物線形或橢圓形的心軸。
21.權(quán)利要求19或20所述的方法，其中應(yīng)用加熱的心軸。
22.權(quán)利要求1～21中一或多項所述的方法，其中當(dāng)與制造廠所設(shè)定的管件的公差的偏差是此設(shè)定的公差的至少50％時，在管件之間或管件與鉆孔之間提供密封。
23.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述公差的偏差至少是此設(shè)定公差的200％。
24.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述公差的偏差至少是此設(shè)定公差的1000％。
25.設(shè)有依據(jù)上述一或多項權(quán)利要求所述密封管件的井，其中此管件用作生產(chǎn)管件，通過它將烴類流體輸送到地面，同時經(jīng)由它有選擇地將操作和/或壓井管線(Kill line)通過至少是大部分管長，而通過此管線讓流體向下抽送到鉆孔底部同時經(jīng)過環(huán)繞的生產(chǎn)管件來生產(chǎn)烴類流體。
26.設(shè)有密封到權(quán)利要求1～24中一或多項所述管件上的內(nèi)管的管件，其中所述內(nèi)管用作可輸送流體的輸送裝置。
全文摘要
密封兩個無縫管之間的或一個無縫管與一個鉆孔之間環(huán)隙的方法,此方法包括應(yīng)用熱固性或熱塑性材料于一管件的至少一部分外表面和另一管件的或和此鉆孔的至少一部分內(nèi)表面之間形成密封,其中此密封是通過擴張此內(nèi)管形成。
文檔編號E21B33/14GK1346422SQ00806079
公開日2002年4月24日 申請日期2000年4月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月9日
發(fā)明者馬丁·G·R·博斯馬, 埃里克·K·科內(nèi)利森, 威廉默斯·C·M·洛貝克, 弗朗茨·馬爾凱特茨 申請人:國際殼牌研究有限公司