[发明专利]用于膨胀管状元件的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于膨胀管状元件的装置和方法，所述管状元件适合于安装在例如油或气井中，或者是地面、海底或地下管道中的管。本发明进一步涉及采用这种用于膨胀管状元件的方法和装置的系统。

背景技术

管状元件(例如套管和完管)、筛和其他这样的设备在油气井领域很常见。为了将它们安装在井中，必要地，它们的外径要小于它们所安装的井孔的内径。事实上，由于井孔的内径可能改变且井孔的轨迹经常不直，因此最大的可能直径可能显著小于任意点处的井孔内径。

当井孔被钻进时，通常需要在钻进一定深度之后停下来，通过将钢管套管放置在井中并在位于套管外面和井孔壁之间的环带中填充水泥而稳固井孔。在井的钻进过程中，该过程可能需要重复好几次，每个接续的套管必须小于其前面套管的内径。这依次导致井的内部开口直径的逐级减小，进而限制井的最大深度及能够沿着井流动的流体数量。

为克服该问题，已经提议通过使井中的套管膨胀来减小环形空间。还提出在后套管的膨胀与在前套管的直径匹配，以避免传统套管技术中存在的直径逐级减小的问题。

典型地采用锥形的膨胀工具实现膨胀，该工具的最大直径比需要膨胀的套管的内径还要大。迫使膨胀工具通过套管(例如通过机械地推进或拖动或通过泵送流体)导致套管的膨胀。该操作中的一个困难在于：由于膨胀工具的外径大于套管内径，所以不能够将膨胀工具放置在套管中；而必须从顶部或底部出发并移动到另一端或回到其起始位置以从套管中被取出(或留在井中)。为解决这一问题，已经提出膨胀工具/锥体最初位于收缩状态，然后在移动通过套管之前被重构成它们(更大)的操作结构。然而，由于外径仍然大于套管的内径，因此必须在井的开口部或在更大直径部进行这一操作。最近可选的建议是在展开过程中工具施加足够的力以使套管膨胀。

本发明的目的在于提供一种方法，通过该方法可以在处于未膨胀状态的套管或其他管的一部分中开始进行膨胀，从而能够产生完全的膨胀或者在其中可以占看传统膨胀锥体的腔/膨胀部分。本发明通过采用挠性的套筒和可以装入到未膨胀的管状元件中的膨胀工具而实现该目的。

本发明的另一个目的在于提供膨胀装置的多种应用，其中的一些减少了在井中使用水泥的需求。

发明内容

本发明的一个方面提供用于使适于安装在井中的管状元件膨胀的方法，包括：

-将膨胀工具安装于该管状元件中，该膨胀工具包括：

挠性套筒，其具有小于或等于该管状元件的内径的外径，并由预定厚度的挠性材料制成；

锥体膨胀部分，所述套筒安装于其上，第一锥体具有第一狭窄端，装入在套筒里面，并从该第一狭窄端增加到基部的最大值，该最大值大于套筒的内径，但是小于管状元件的内径；和

第一细长心轴，其从在相对侧上的锥体膨胀部分的端部延伸到第一狭窄端；

-将包括套筒的膨胀工具放置在将要膨胀的管状元件的预定位置；

-将套筒的位置固定在该预定位置；

-迫使膨胀部分从套筒的一端通到另一端，从而使套筒在管状元件内膨胀，并依次引起管状元件膨胀，该膨胀部分被迫通过(最好得到润滑的)套筒，直至其从套筒的另一端出来；

-允许套筒收缩在第一心轴的周围，从而该套筒的外径小于管状元件未膨胀的内径；和

-使膨胀工具和位于第一心轴周围的套筒移动离开膨胀位置。

本发明的另一方面提供用于膨胀在井中的管状元件的装置，包括：

挠性套筒，其具有小于或等于管状元件的内径的外径，并由预定厚度的挠性材料制成；

锥体膨胀部分，套筒安装于其上，第一锥体具有第一狭窄端，装入在套筒里面，并从第一狭窄端增加到基部的最大值，该最大值大于套筒的内径，但是小于管状元件的内径；和

第一细长心轴，其从在相对侧上的锥体膨胀部分的端部延伸到第一狭窄端。

本发明允许管状元件的膨胀始于其正常尺寸，而无需提供局部的膨胀或太大尺寸的部分以允许膨胀工具的展开。

在一个实施例中，将套筒的位置固定在管状元件的预定位置的步骤包括使在膨胀工具上的锚定机构致动。在另一个实施例中，其包括可压缩环，例如由聚氨酯制成的环，其安装在膨胀工具上(例如，在其鼻端)，该锚定机构的致动包括轴向压缩该环，从而引起其外径增加，并使该套筒在管状元件上局部膨胀以对其进行锚定。还可能的是，该环的膨胀也引起管状元件的局部膨胀，这种情况下，可能需要移动元件以允许锥体在套筒保持静止的时候移动。

在可选的实施例中，将套筒位置固定在管状元件中预定位置的步骤包括将套筒迫压在管状元件内的地层构造上。