CN1009470B - 带密封机构的钻孔套管补缀件 - Google Patents

Abstract

一种用来连接两段钻孔套管的钻孔套管补缀件，它包括一个适于装在现有钻孔套管上的本体机构和一个由第二段钻孔套管向上移动而起作用，用来紧密地连接两段钻孔套管的滑动机构和一个也是由第二段钻孔套管向上移动而起作用，用来密封连接部分和承受高温高压条件下的流体压力的密封机构，密封构件包括在钻孔套管里边围绕套管的铅环和一个位于铅环下端，由可变形材料构成的中间部分和金属丝网构成两个端部的密封件。

Description

本发明是在油井或气井中把一段新的钻孔套管连接到老的钻孔套管上并加以密封的装置。更准确地说，本发明公开了一种用来连接在高温和高压条件下工作的两段钻孔套管，并把这两段套管进行密封的钻孔套管补缀件。

钻孔套管补缀件是用来连接和密封两组钻孔套管的，一般是在油井或气井那样的竖井里连接和密封具有同样直径的两组钻孔套管。竖井的钻孔套管经过一定时期，由于不利的竖井环境等影响可能被腐蚀和破坏而变得不能使用。在大多数情况下往往是用一个普通的钻孔套管切割工具切掉已破坏的钻孔套管上部，并用一个钻孔套管补缀件把一段新的钻孔套管连接到老的钻孔套管上。在另外一些情况下，当把钻孔套管下到竖井里去时它可能引起堵塞，为了继续正常的操作，此时就需要去掉这个堵塞的钻孔套管上部，并用钻孔套管补缀件重新接上一段新的钻孔套管。此外，一个钻孔套管可能已被封口，而过后又希望重新把竖井打开，这可以通过切除封口并接上一段新的钻孔套管来完成。在上述每种情况下都需要把新的钻孔套管紧紧地连接到老的钻孔套管顶部上，而这正是钻孔套管补缀件的作用。

本发明的目的是提供一种带密封机构的钻孔套管补缀件，这种补缀件能在两段钻孔套管间相互紧密地密封和连接，在高温和高压等各种不利的竖井环境中都能应用。

一般来说，本发明的钻孔套管补缀件包括一个本体机构，它适于安装在原来的钻孔套管上并把补缀件引导到位，一个 滑动机构，它是通过本体机构向上移动而起作用的，从而来紧密地连接两段钻孔套管;一个密封机构，它也是通过本体机构向上移动而起作用的，以此来密封两段钻孔套管的连接处並防止补缀件上流体压力损失，即使在高温高压条件下也是这样的结构。钻孔套管延伸部分把一段新的钻孔套管连接到一段老的上面，这段新的钻孔套管是供钻孔套管补缀件定位和安装之用。上述的滑动机构包括一个可伸缩的滑套和滑箍，它的作用是通过新的钻孔套管而夹住老的钻孔套管，由滑套和滑箍彼此相对移动来箍住现有的钻孔套管。当钻孔套管补缀件作用时，本体滑套紧密地箍住钻孔套管补缀件本体，从而把一段新的钻孔套管结合到一段老的钻孔套管上。在钻孔件施加的压力解除时，防止两段套管间的连接处松开。

本发明中的密封机构是通过对一段新的钻孔套管上加压而起作用，用来提供高温和高压下的密封以及防止补缀件上的泄漏。这个密封机构包括有一个绕在老的钻孔套管周长上、又位于钻孔套管补缀件上的铅环;並至少有一个圆柱形的密封件，这个圆柱形的密封件有一个由可变形材料构成的中央部分和两个金属丝网组成的端部。在一个实施例中，铅环和可变形材料部分可以是同一个元件。然而在最佳实施例里，可变形材料部分是橡胶，而铅环是一个独立的元件、位于圆柱形密封件的上端。在另一个实施例中，圆柱形密封件配设在铅环的上端和下端两侧上。当压缩两端金属丝网部分使密封机构起作用时，金属丝网部分先压缩形成一个包围可变形材料的空囊，然后再压缩可变形材料部分，並为钻孔套管补缀件和老的钻孔套管间提供了严密的密封。通过这段新的钻孔套管上继续施加的压力而引起铅环的压缩，从而为钻孔套管补缀件的内壁和老的钻孔套管延伸部分间提供了严密的初级密封。在密封件中所用的金属丝网有足够好的质量，在钻孔套 管补缀件作用时，根据金属丝网受压缩，它的质量足以保证为钻孔套管补缀件内壁和老的钻孔套管的外壁面之间提供固体金属密封。最好这个金属丝网由不锈钢或其他耐腐蚀的金属制造。上述的可变形材料部分也可以由耐竖井中流体腐蚀的和耐高温高压的材料构成，例如用碳氟橡胶，这种橡胶具有足以在竖井压力作用下使橡胶流动而又不发生剪断或裂开的延伸率，即大约有100%以上的延伸率，最好用具有约150%以上延伸率的。氟橡胶具有90丢洛（Duro），它就是一种具有150%延伸率的橡胶。金属丝网和可变形材料最好在它们制造过程中就结合在一起，即可用粘合或加压等方法将它们相结合，这样，它们就能象一个元件那样安装在一起。

至今，都是用铅提供钻孔套管补缀件中的密封，由于铅对竖井中一般所要开采流体都具有惰性，因而它是一种最佳的密封材料。铅在加压下冷加工成密封件所需要的形状，这在有粗糙表面的老钻孔套管里特别有用。然而由于铅即使在室温下都能冷加工成形，在高温高压条件下就发生流动，从而使它完全失去密封的功能。在本发明中采取了由可压缩的金属丝网部分和可变形的材料所构成的密封件来防止铅沿钻孔套管纵向的流动，这样，即使在高温高压下，当通过由新的钻孔套管施加压力而使钻孔套管的补缀件作用时，铅仍然可用作初级密封。

对包括附图的详细说明进行研究之后本发明就一目了然了，附图中：

图1a和1b是本发明钻孔套管补缀件的横断面图。

图2是图1的A圆圈中钻孔套管补缀件的放大图。

图3是图1的B圆圈那部分横断面的放大图。

图4是本发明的一个高压密封件实施例的局部剖视图。

下面，说明本发明的最佳实施例。

由于附图只要基本上表示出本发明钻孔套管补缀件的新特征和它的安装方法，因此，如图所示的本发明的钻孔套管补缀件已删去了新的钻孔套管段的细节。

如图1a和1b所示的钻孔套管补缀件包含一个本体机构，它包括钻孔套管延伸部分11和一个本体构件1和一个下部导引构件3，上述的套管延伸部分是通过联接件12连接到顶部附属管2上的，附属管2适于连接到新的钻孔套管段上，例如通过如图所示的螺纹连接。在使用过程中常用一般的方法，即由新的钻孔套管使这个钻孔套管补缀件沿轴向降低或升高，以确定钻孔套管补缀件的位置並施加使套管补缀件起夹紧作用的压力。下部导引构件3适于装在竖井中现有的钻孔套管20的上部。两个配置在下部导引构件3的管壁凹槽中的密封环10，即为常用的“Polypacs”材料，为现有的钻孔套管20和下部导引构件3之间提供了下部密封。如果需要还可再加几个附加密封环，只要放入这些密封环的摩擦力允许钻孔套管补缀件滑到钻孔套管20上即可。

如图4所示，本发明的高压密封件是有金属丝网7构成的，並放在可变形密封件8两边形成可压缩环，它位于铅环9的下端。上述的可变形密封件8可以是橡胶或铅或其他可压缩材料。如图所示，另一个可压缩环配置在铅环9的上端。包括铅环9和金属丝网元件7和密封件8的上述密封件都安置在下部导引构件3的机加工部分中，而这个下部导引构件3内壁上的台肩28允许钻孔套管补缀件滑到钻孔套管20上。

把钻孔套管20的上部紧固到新的钻孔套管上的连接机构都配置在本体构件1的里面，即钻孔套管20的上部通过本发明的钻孔套管 延伸部分11和密封机构才能和新的钻孔套管相接。上述的连接机构含有滑套4、滑箍5和本体滑套6。滑套4是可滑动地装在滑箍5中。滑套4和滑箍5在它们各自的外表面和内表面上有相配的阶梯形倾斜坡道，即棘齿14和15，它可阻止相反方向上的移动。滑套4有一组狭缝22，即在它的纵向沿圆周间隔地切出六个狭缝，从而形成指状物27，这就使滑套4的下端能压缩，从而能箍住钻孔套管20。在滑套4的内表面上加工了螺纹或锯齿23，藉此来协助夹住钻孔套管20，滑套4外表面上的台肩26限制了滑箍5相对于滑套4的向上移动，钻孔套管延伸部分11的端部也限制钻孔套管补缀件中滑套4的向上移动。

本体滑套6包含有许多楔形件，在本实施例中有十二个，其中每个楔形件都装在滑箍5外表面的楔形凹槽17内。如图2所示，这个本体滑套在和本体构件1内表面相应的支承面上开有锯齿16，藉此提供附加的夹紧力。

在使用过程中，运转钻孔套管补缀件之前用标准整修工具切削老的钻孔套管和整修钻孔套管，即精加工钻孔套管外部那段长度足以配合钻孔套管补缀件的部分，一般有几英尺长，例如六英尺长。然后把钻孔套管补缀件装到竖井中的新的一段钻孔套管内，直到补缀件和已准备好的老钻孔套管20相接。然后把这个钻孔套管补缀件下降，直到老的钻孔套管20接触到顶部附属管2中的支撑面24上。通过段新的钻孔套管把重达15，000到20，000磅那样大的重量加到钻孔套管补缀件上，藉此保证钻孔套管补缀件完全坐在钻孔套管20上。随后，操作人员提起上述那段新的钻孔套管，並施加15，000到20，000磅足以能安装好滑动机构的向上作用力。此力就把下部导引构件3向上拉，使台肩28靠在密封机构上並且继续向上运动 来移动密封机构和滑箍5。随着滑箍5移动，继续向上的力就使滑箍5相对于滑套4向上进一步移动，使棘齿14和15的坡道面发生滑动。当通过这段新的钻孔套管，就会压缩滑套4的指状物27，並使这些指状物挤压钻孔套管20，藉此箍住老的钻孔套管。此外，这施加到滑套4上的向上的力不仅使滑套紧紧地箍住钻孔套管，而且也使密封机构起密封作用。在本体构件1的内侧设置了台肩26，它防止滑套4过多地咬入钻孔套管20中。台肩26允许滑箍5移动一段预定的距离，这样滑套4下端所形成的指状物27就能啮合钻孔套管，要是滑箍5继续往上升，则指状物27将继续挤压钻孔套管20，严重的甚至可能被扎穿或挤瘪。

当滑动机构到位时，也就是说当滑箍5的支撑面碰到台肩26时，由这段新的钻孔套管所施加的继续向上的压力使密封机构起密封作用，它使金属丝网元件7和可变形元件8被压缩。例如施加50，000磅的力就足以挤压金属丝网，並在每个金属丝网元件7上形成对钻孔套管20的金属对金属的密封，同时在两个金属丝网元件7间所形成的包围可变形材料的空囊这就造成元件8也能对钻孔套管20起密封。该力也使铅环9流动或变形並产生初级密封。因此为钻孔套管补缀件、本体构件1、下部导引构件3和滑箍5与老的钻孔套管20的顶部间提供了严实的密封。本体滑套6通过它们的楔形和它们相对于本体构件1的外表面上的锯齿16防止滑箍5在本体构件1中滑下。此外，表面14和15则防止滑套4和滑箍5彼此相对地移动。

一旦如上所说的钻孔套管补缀件进行了啮合並使密封件起到密封作用，则钻孔套补缀件就要经受压力试验以验证其密封情况。在运转过程中钻孔套管的内表面是处于压力下，並被称为密封的高压侧。这 压力是围绕着滑套4所对着滑箍5的上表面和围绕着滑箍5所对着的密封件而施加。本体滑套6防止了滑箍5向下移动。此外，在运转中钻孔套管将承载高温流体，因而在整个运转时间间隔里都处于膨胀的状态下。由于钻孔套管是从上到下地固定在井洼上，这膨胀就引起一个向下的作用在钻孔套管补缀件上的力。同时，基本上和钻孔套管是一体的滑套4和滑箍5在起作用之后受到由内部压力而产生向上的力。此外，老的钻孔套管的膨胀也有助于延长该钻孔套管。总之，这些合力尽量要分开滑箍和密封机构。而在滑箍5和铅环9间的任何移动都能使密封件不起密封作用。因为这种分离卸去了使密封件起作用的压力並为铅环流动提供了空间。只要四分之一英寸的移动就能使密封件不起密封作用。本体滑套6会防止这种分离，並且在动作时保持有足够的压力施加到密封机构上，从而保证它起作用。例如，为了防止损耗超过20%，最好是防止使损失这压力的10%情况发生。通过此压力引起的对密封件所施加的力一定要大于由井中流体对密封件上施加的反压力。由可变形材料和可伸缩的金属丝网构成的密封件也起到防止铅环9流入钻孔套管20和本体构件1或下部导引构件3之间的作用。

上面，已对本发明具体装置的原理作了描述，但须明白这些描述只是作为实施例来说明，这並不能对本发明的范围有所限制。

Claims (9)

1、一种钻孔套管补缀件，它适于在井孔里运转，用来把装在钻孔套管补缀件上的第一段钻孔套管连接到井里的第二段钻孔套管上，并且当第一段钻孔钻孔套管向上施加压力时，为接头部分提供紧密的密封，其特征在于钻孔套管补缀件包括：

本体机构，其内表面装在第二段钻孔套管外表面上，

滑动机构，它装在第二段钻孔套管外表面上的本体机构中，当由第一段钻孔套管施加压力时，把第一段钻孔套管和第二段钻孔套管紧密地连接，

密封机构，它装在上述第二段钻孔套管外表面上的导引构件中，由第一段钻孔套管施加压力而起作用，用来密封第一段和第二段钻孔套管间的接头部分，

滑动机构包括一个环形的滑套和一个环形的滑箍，当滑套和滑箍之间相对移动时，上述的滑套在滑箍上滑动，并藉此在径向收缩上述滑套的端部，以紧密地箍住第二段钻孔套管的外表面，

密封机构包括一个铅环和一个可压缩的密封构件，这个可压缩的密封构件由第一环形的金属丝网环与第二环形的金属丝网环及一个在第一与第二金属丝网环之间的可变形材料的环构成，密封机构配置在本体机构中，使可压缩的密封构件在铅环下端，而且密封机构围绕着第二段钻孔套管周围，这样，当第一段钻孔套管施加上述的压力时，本体机构就压缩第一和第二金属丝网环，形成本体机构内表面和第二段钻孔套管外表面间的金属密封，而在第一和第二金属丝网环间形成一个包围可变形材料的密封空囊，当压力继续施加时铅环发生流动，以形成内表面和外表面之间的密封，而这时可变形材料被压缩，形成了第二段钻孔套管的外表面和导引构件内表面之间的密封，由此来防止铅环在内表面和外表面间向下的流动，并藉此限制滑箍相对于滑套的向上移动。

2、如权利要求1所述的钻孔套管补缀件，其特征在于在所述滑套外表面上设有一台肩，用来限制滑箍相对于滑套的向上移动并由此限制滑套的箍紧力，防止滑套端部径向收缩时把第二段钻孔套管挤瘪。

3、如权利要求2所述的钻孔套管补缀件，其特征在于上述的本体机构形成一个腔室，该腔室含有滑套、滑箍和密封机构，

腔室有一个靠近密封机构的下部支撑面，当由第一段钻孔套管施加上述压力时，使滑套和滑箍相对移动，从而使滑套箍住第二段钻孔套管的外表面，并压缩密封机构。

4、如权利要求3所述的钻孔套管补缀件，其特征在于用来径向地收缩滑套端部的机构包括在滑套上的一组纵向狭缝，这些纵向狭缝在滑套端部上形成许多指状物，当滑套和滑箍相对移动时就使指状物紧紧地箍住第二段钻孔套的外表面。

5、如权利要求4所述的钻孔套管补缀件，其特征在于上述的滑套和滑箍都是环形的，并具有内部的和外部的环形相匹配，适于彼此滑动而形成用来弯曲指状物机构的表面，上述相配的表面除弯曲上述的指状物外还防止当钻孔具的压力解除时滑套和滑箍间的移动。

6、如权利要求5所述的钻孔套管补缀件，其特征在于上述的用来防止滑箍和密封机构之间分离的机构至少有一个在上述滑箍环外表面上的凹槽和用来防止滑动机构相对于本体机构向下移动的位于凹槽中的楔形本体滑套。

7、如权利要求5所述的钻孔套管补缀件，其特征在于可变形的材料是铅。

8、如权利要求5所述的钻孔套管补缀件，其特征在于可变形的材料是橡胶。

9、如权利要求2所述的钻孔套管补缀件，其特征在于密封机构包括位于铅环上端的第二个可压缩的密封件构件。