本發(fā)明涉及一種井下環(huán)狀屏障，其待在井下于井管結(jié)構(gòu)與井孔壁部或另一井管結(jié)構(gòu)之間的環(huán)空中膨脹以在井孔的具有第一壓力的第一區(qū)域與具有第二壓力的第二區(qū)域之間提供區(qū)域隔離。此外，本發(fā)明涉及一種環(huán)狀屏障系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

環(huán)狀屏障常常在井下通過(guò)使加壓流體經(jīng)由環(huán)狀屏障環(huán)繞其延伸的管上的開(kāi)口進(jìn)入而膨脹，然而，油井操作人員越來(lái)越多地要求永久關(guān)閉這一開(kāi)口。

這一問(wèn)題的一個(gè)解決方案是在開(kāi)口中插入單向閥，但是，這種解決方案已證明是失敗的，因?yàn)槲畚锟赡芏略陂y座中，由此妨礙球正確關(guān)閉開(kāi)口。此外，例如在壓裂過(guò)程中，隨著溫度和壓力增加和降低時(shí)，在環(huán)狀屏障中被封住的流體的溫度和壓力也相應(yīng)增加和降低。在壓力增加期間，環(huán)狀屏障的膨脹程度超過(guò)預(yù)期，而在降壓期間，環(huán)狀屏障相應(yīng)收縮，并且隨時(shí)間推移，這樣的運(yùn)動(dòng)可能使環(huán)狀屏障破裂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是完全或部分克服現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)和不足。更具體的是，本發(fā)明的目的是提供一種能在環(huán)狀屏障膨脹后簡(jiǎn)單關(guān)閉基礎(chǔ)管上開(kāi)口的改進(jìn)的環(huán)狀屏障。

從下面的描述中將變得顯而易見(jiàn)的上述目的以及眾多的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征由根據(jù)本發(fā)明的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)一種待在井下于井管結(jié)構(gòu)與井孔壁部或另一井管結(jié)構(gòu)之間的環(huán)空中膨脹以在井孔的具有第一壓力的第一區(qū)域與具有第二壓力的第二區(qū)域之間提供區(qū)域隔離的井下環(huán)狀屏障來(lái)實(shí)現(xiàn)，該環(huán)狀屏障包括：

-適于安裝為井管結(jié)構(gòu)的一部分的管狀部件，該管狀部件具有外表面和內(nèi)側(cè)；

-可膨脹金屬套筒，該可膨脹金屬套筒環(huán)繞該管狀部件并具有面向該管狀部件的套筒內(nèi)表面和面向井孔壁部的套筒外表面，可膨脹金屬套筒的每個(gè)端部都與該管狀部件連接；以及

-在可膨脹金屬套筒的套筒內(nèi)表面與管狀部件之間的環(huán)形空間；

-與所述內(nèi)側(cè)流體連通的第一開(kāi)口；

-與所述環(huán)形空間流體連通的第二開(kāi)口；以及

-孔，該孔具有孔延伸方向且包括具有第一內(nèi)徑的第一孔部段和具有比第一孔部段的內(nèi)徑更大的內(nèi)徑的第二孔部段，

其中，所述第一開(kāi)口和所述第二開(kāi)口布置在第一孔部段中且沿孔延伸方向間隔布置，并且該環(huán)狀屏障還包括：

-布置在該孔中的活塞，該活塞包括外徑與第一孔部段的內(nèi)徑基本一致的第一活塞部分且包括外徑與第二孔部段的內(nèi)徑基本一致的第二活塞部分；以及

-斷裂元件，該斷裂元件在所述孔內(nèi)達(dá)到預(yù)定壓力之前阻止活塞的移動(dòng)。

該活塞具有布置在圓形孔內(nèi)的圓形橫截面，且活塞和孔都不是環(huán)狀的，這增加了匹配度以使得活塞和孔之間的空隙可被做得非常小，借此能避免不想要的泄露。

此外，活塞可具有中心軸線，該中心軸線位于管狀部件的壁中或位于將可膨脹金屬套筒與管狀部件連接的連接部件的壁中。

在一個(gè)實(shí)施例中，井下環(huán)狀屏障還可包括鎖定元件，該鎖定元件適于在活塞處于關(guān)閉位置時(shí)機(jī)械鎖定活塞，從而堵塞第一開(kāi)口。

此外，該鎖定元件可構(gòu)造成在活塞遠(yuǎn)離所述初始位置移動(dòng)時(shí)至少部分地徑向向外或徑向向內(nèi)移動(dòng)以防止活塞返回至活塞的初始位置。

此外，該鎖定元件可將活塞永久鎖定在所述關(guān)閉位置。

此外，該鎖定元件可構(gòu)造成在活塞遠(yuǎn)離所述初始位置移動(dòng)時(shí)徑向向內(nèi)移動(dòng)。

此外，該鎖定元件可構(gòu)造成在活塞遠(yuǎn)離所述初始位置移動(dòng)時(shí)徑向向內(nèi)移動(dòng)并抵接活塞的第二活塞端面。

此外，該鎖定元件可構(gòu)造成在活塞遠(yuǎn)離所述初始位置移動(dòng)時(shí)部分地徑向向外移動(dòng)。

此外，該鎖定元件可防止活塞返回至其初始位置。

此外，該鎖定元件可環(huán)繞活塞的一部分。

此外，該鎖定元件可被彈性件朝向活塞迫壓。

在一個(gè)實(shí)施例中，該環(huán)狀屏障可包括與環(huán)空流體連通的第三開(kāi)口。

此外，活塞可具有初始位置和關(guān)閉位置，在該初始位置，第一開(kāi)口與第二開(kāi)口流體連通，在該關(guān)閉位置，第二開(kāi)口與第三開(kāi)口流體連通以平衡環(huán)形空間與環(huán)空之間的壓力。

在第二開(kāi)口與第三開(kāi)口流體連通的關(guān)閉位置，環(huán)形空間與環(huán)空之間的壓力可被平衡。

活塞可包括為通孔的流體通道，該流體通道在第一孔部段與第二孔部段之間提供流體連通。

通過(guò)使活塞包括在第一孔部段與第二孔部段之間提供流體連通的、為通孔的流體通道，流體壓力作用在背離第一開(kāi)口的第二活塞端面上，并且因此，提供了使存在阻塞風(fēng)險(xiǎn)的流動(dòng)路徑最少化的非常簡(jiǎn)單的構(gòu)造。

此外，通過(guò)使活塞具有流體通道，提供了在第一孔部段與第二孔部段之間的流體連通，從而當(dāng)斷裂元件斷裂時(shí)活塞能夠移動(dòng)，從而導(dǎo)致與管狀部件內(nèi)側(cè)的流體連通被切斷。通過(guò)這種方式，便提供了一種無(wú)需其它流體通道的簡(jiǎn)單方案，并且由于第二活塞部分具有比第一活塞部分更大的外徑的事實(shí)，施加有流體壓力的表面積大于第一活塞部分的施加有流體壓力的表面積。因此，當(dāng)環(huán)狀屏障膨脹且壓力積累用于使斷裂元件斷裂(這使得活塞移動(dòng))時(shí)，該壓力使活塞移動(dòng)。

此外，該斷裂元件可以是與活塞接合的剪切銷。

此外，該斷裂元件可以是布置在流體通道或第一孔部段中的剪切盤(pán)，用于阻止流動(dòng)通過(guò)該盤(pán)。

此外，該盤(pán)可以堵塞流體通道或第一孔部段。

該孔可具有在第二孔部段中的第二孔端部和在第一孔部段中的第一孔端部，該盤(pán)布置在該第一開(kāi)口與該第二孔部段之間。

此外，活塞可具有在第一活塞部分上的第一活塞端部和在第二活塞部分上的第二活塞端部，第一活塞端部具有第一活塞端面且第二活塞端部具有第二活塞端面，第二活塞端面具有比第一活塞端面的表面積更大的表面積以使活塞向第一孔端部移動(dòng)。

活塞的移動(dòng)可關(guān)閉第一開(kāi)口和第二開(kāi)口之間的流體連通。

此外，在活塞的初始位置，第一活塞部分可部分延伸進(jìn)入第二孔部段中并在活塞和孔的內(nèi)壁之間形成環(huán)狀空間。

根據(jù)本發(fā)明的井下環(huán)狀屏障還可包括在第二孔部段中的第三開(kāi)口，所述第三開(kāi)口可與環(huán)形空間和環(huán)空流體連通。

此外，可在第三開(kāi)口與環(huán)空之間布置換向閥，因此在環(huán)形空間與環(huán)空之間提供流體連通。

所述換向閥可在第一位置處提供環(huán)形空間與環(huán)空的第一區(qū)域之間的流體連通并且可在第二位置處提供環(huán)形空間與環(huán)空的第二區(qū)域之間的流體連通。

此外，第一活塞部分可包括布置在第一活塞部分的環(huán)形槽中的兩個(gè)環(huán)狀密封元件。

兩個(gè)環(huán)狀密封元件可布置成間隔預(yù)定距離，意味著在活塞的關(guān)閉位置，所述兩個(gè)密封元件布置在第一開(kāi)口的相反兩側(cè)。

此外，第二活塞端面可布置成在所述初始位置與第二孔端部相距一定距離。

此外，第二活塞部分可包括布置在環(huán)形槽中的至少一個(gè)密封元件。

此外，根據(jù)本發(fā)明的井下環(huán)狀屏障還可包括適于在活塞處于關(guān)閉位置時(shí)機(jī)械鎖定所述活塞從而堵塞所述第一開(kāi)口的鎖定元件。

通過(guò)這種方式，永久切斷了環(huán)形空間與井管結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)之間的流體連通。在已知的方案中，單向閥如球閥，被用于同樣的目的以使得流體進(jìn)入環(huán)狀屏障的空間內(nèi)但阻止流體再次流出。通過(guò)使用這類單向閥，環(huán)狀屏障內(nèi)側(cè)的流體被封住，并且在例如在一般使用溫度更低的流體來(lái)壓裂地層的地層壓裂期間，讓流體在例如300巴時(shí)進(jìn)入環(huán)狀屏障，該300巴為在可膨脹金屬套筒不破裂的情況下所測(cè)得的環(huán)狀屏障所能承受的最大壓力。當(dāng)使用具有300巴的壓力的冷流體進(jìn)行壓裂時(shí)，環(huán)狀屏障也同樣填充了壓力為300巴的冷流體。之后，當(dāng)壓裂結(jié)束時(shí)，環(huán)狀屏障被加熱，由于環(huán)狀屏障內(nèi)部的流體因單向閥而無(wú)法流出環(huán)形空間，使得環(huán)狀屏障內(nèi)的壓力升高到高于最大壓力，并且因此可膨脹金屬套筒處于破裂或斷裂的高風(fēng)險(xiǎn)中。因此，井下溫度每次發(fā)生改變時(shí)，環(huán)狀屏障內(nèi)部的壓力也隨之改變，并且因此套筒也會(huì)相應(yīng)發(fā)生膨脹或皺縮，這可能導(dǎo)致可膨脹金屬套筒的破裂或斷裂。通過(guò)永久阻斷環(huán)形空間和井管結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)之間的流體連通，可膨脹金屬套筒將不會(huì)經(jīng)歷這類巨大變化，這將大幅降低破裂風(fēng)險(xiǎn)。

此外，第二活塞部分可包括布置在活塞的第二活塞端部上的鎖定元件，該鎖定元件為彈性元件，當(dāng)活塞移動(dòng)以堵塞第一開(kāi)口時(shí)，該彈性元件在被釋放時(shí)向外突伸。

該鎖定元件可以是在活塞第二活塞端部上形成的彈性?shī)A頭。

當(dāng)使用機(jī)械鎖定裝置防止活塞反向移動(dòng)時(shí)，當(dāng)環(huán)狀屏障內(nèi)部壓力升高時(shí)，不需要使用單向閥來(lái)防止活塞的反向移動(dòng)。通過(guò)這種方式，消除了污物阻礙單向閥關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)狀屏障的環(huán)形空間內(nèi)壓力增加迫使活塞反向移動(dòng)并再次提供與管狀部件的內(nèi)側(cè)的流體連通的風(fēng)險(xiǎn)。在使用單向閥的已知方案中，當(dāng)使用較冷的流體如海水壓裂地層時(shí)，可膨脹金屬套筒具有破裂或斷裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)永久切斷環(huán)形空間與井管結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)之間的流體連通，可膨脹金屬套筒將不會(huì)承受如此大的溫度和壓力改變，這顯著降低了破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，該鎖定元件可布置成環(huán)繞第二活塞部分。

此外，該孔可具有第三孔部段，第二孔部段布置在第一孔部段和第三孔部段之間，第三孔部段具有比第二孔部段內(nèi)徑更大的內(nèi)徑，該鎖定元件布置在第三孔部段中。

此外，該鎖定元件可以是圍繞第二活塞端部布置在第三孔部段中的多個(gè)插入件。

該鎖定元件還可包括布置在插入件的外表面上的周向槽中的至少一個(gè)彈性件，這樣，當(dāng)活塞移動(dòng)以阻斷與管狀部件內(nèi)側(cè)的流體連通時(shí)，所述插入件被保持在一起并被徑向向內(nèi)迫壓。

本發(fā)明還涉及一種包括壓力源以及如上所述的井下環(huán)狀屏障的井下環(huán)狀屏障系統(tǒng)。

所述壓力源可以布置在地面或海床處或者布置在井口或防噴器處。

附圖說(shuō)明

下面將參考后附的示意圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明及其許多優(yōu)點(diǎn)，所述示意圖出于示例目的僅示出了一些非限制性的實(shí)施例，其中：

圖1示出了環(huán)狀屏障的橫截面視圖，

圖2a示出了圖1中的環(huán)狀屏障的具有孔的部分的橫截面視圖，此時(shí)，活塞處于初始位置，

圖2b示出了處于其關(guān)閉位置的圖2a中的活塞，

圖3a示出了處于其初始位置的活塞的另一實(shí)施例，

圖3b示出了處于其關(guān)閉位置的圖3a中的活塞，

圖4示出了鎖定元件的透視圖，

圖5示出了圖3a中活塞的透視圖，

圖6示出了與第二井管結(jié)構(gòu)抵接的環(huán)狀屏障的橫截面視圖，

圖7示出了換向閥的透視圖，

圖8示出了處于其初始位置的活塞的另一實(shí)施例，

圖9示出了處于其初始位置的活塞的再一實(shí)施例，

圖10示出了環(huán)狀屏障系統(tǒng)的部分橫截面視圖，

圖11a示出了處于其初始位置的活塞的另一實(shí)施例，以及

圖11b示出了處于其關(guān)閉位置的圖11a中的活塞。

所有的附圖是高度示意性的，未必按比例繪制，并且它們僅示出了闡明本發(fā)明所必需的那些部件，省略或僅暗示了其它部件。

具體實(shí)施方式

圖1示出了井下環(huán)狀屏障1，該井下環(huán)狀屏障將在井下于井管結(jié)構(gòu)3與井孔6的壁部5之間的環(huán)空2中膨脹，以在井孔的具有第一壓力p1的第一區(qū)域101與具有第二壓力p2的第二區(qū)域102之間提供區(qū)域隔離。該環(huán)狀屏障包括管狀部件7，該管狀部件適于安裝為井管結(jié)構(gòu)3的一部分并具有為該井管結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)的內(nèi)側(cè)并且因此與井管結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)流體連通。環(huán)狀屏障1還包括可膨脹金屬套筒8，該可膨脹金屬套筒環(huán)繞管狀部件7且具有面向管狀部件的套筒內(nèi)表面9和面向井孔6的壁部5的套筒外表面10，并且，在圖1所示的已膨脹位置，該套筒外表面抵接所述壁部?？膳蛎浗饘偬淄?的每個(gè)端部12都與管狀部件7相連接，從而在可膨脹金屬套筒的套筒內(nèi)表面9與管狀部件之間形成環(huán)形空間15。環(huán)狀屏障1具有與井管結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)流體連通并因此與管狀部件的內(nèi)側(cè)流體連通的第一開(kāi)口16，并且，環(huán)狀屏障的第二開(kāi)口17與環(huán)形空間15流體連通。當(dāng)在管狀部件7的內(nèi)側(cè)加壓時(shí)，流體流入環(huán)形空間15，借此將可膨脹金屬套筒8膨脹至已膨脹位置，如圖1所示。

環(huán)狀屏障1還包括孔18，該孔具有孔延伸方向并且包括具有第一內(nèi)徑(圖2a中的id1)的第一孔部段19和具有比第一孔部段的內(nèi)徑大的內(nèi)徑(圖2a中的id2)的第二孔部段20。第一開(kāi)口和第二開(kāi)口布置在第一孔部段19中且沿該孔延伸方向相隔一定距離。環(huán)狀屏障1還包括布置在孔18中的活塞21，該活塞包括具有與第一孔部段19的內(nèi)徑基本一致的外徑(圖2b中的odp1)的第一活塞部分22，并且包括具有與第二孔部段20的內(nèi)徑基本一致的外徑(圖2b中的odp2)的第二活塞部分23。該環(huán)狀屏障1還包括斷裂元件24，該斷裂元件在孔18內(nèi)達(dá)到預(yù)定壓力之前阻止活塞21的移動(dòng)。該斷裂元件的強(qiáng)度基于作用于活塞端部區(qū)域上的預(yù)定壓力而設(shè)定，并且因此，外徑之間的差值導(dǎo)致在壓力超過(guò)預(yù)定壓力時(shí)的活塞的運(yùn)動(dòng)。活塞21包括為通孔的流體通道25，流體通道25在第一孔部段19和第二孔部段20之間提供流體連通。

通過(guò)使活塞具有流體通道，提供了第一孔部段和第二孔部段之間的流體連通，從而當(dāng)斷裂元件斷裂時(shí)，活塞能夠移動(dòng)，從而導(dǎo)致與管狀部件的內(nèi)側(cè)之間的流體連通被切斷。通過(guò)這種方式，獲得了不需要其它流體通道的簡(jiǎn)單的解決方案，并且由于第二活塞部分具有比第一活塞部分更大的外徑這一事實(shí)，則施加有流體壓力的表面積就大于第一活塞部分的施加有流體壓力的表面積。因此，當(dāng)環(huán)狀屏障膨脹且壓力積聚用于破壞斷裂元件24(這允許活塞移動(dòng))時(shí)，壓力使活塞移動(dòng)。如圖2a所示，環(huán)形空間15(示于圖6)通過(guò)孔洞61與井孔流體連接，因此環(huán)形空間中的壓力得以緩解。

在圖1中，斷裂元件24是剪切盤(pán)，在圖2a、2b、11a和11b中，該斷裂元件是剪切銷。在圖11a中，該剪切銷是未受損壞的并且延伸貫穿活塞和插入件43，并且在圖11b中，該剪切銷被剪切且使得活塞移動(dòng)，且插入件43已向孔18的中心移動(dòng)。取決于提供井下隔離所需的隔離方案，斷裂元件24基于膨脹壓力被選擇以使得斷裂發(fā)生的壓力高于膨脹壓力但低于使可膨脹金屬套筒破裂或破壞其他井下完井部件功能的壓力。在圖1中，孔18和活塞21布置在將可膨脹金屬套筒8與管狀部件7連接的連接部件26內(nèi)。在圖2a和2b中，孔18和活塞21布置在管狀部件7內(nèi)。

在圖2a和2b中，活塞21具有在第一活塞部分22處的第一活塞端部27和在第二活塞部分23處的第二活塞端部28，第一活塞端部具有第一活塞端面29且第二活塞端部具有第二活塞端面30。此外，第二活塞端面30的表面積比第一活塞端面29的表面積大，以使活塞21朝向第一孔部段19移動(dòng)。表面積之差使得作用在活塞21上的力存在差值，導(dǎo)致活塞移動(dòng)以切斷第一開(kāi)口16和第二開(kāi)口17之間的流體連通。

如圖2a所示，在活塞21處于初始位置時(shí)，第一活塞部分22部分延伸進(jìn)入第二孔部段20內(nèi)并在活塞與孔的內(nèi)壁32之間形成環(huán)狀空間31。當(dāng)?shù)诙钊糠?3到達(dá)第一孔部段19時(shí)，活塞21的在流體壓在第二活塞端面30上時(shí)的移動(dòng)停止，這導(dǎo)致第二活塞部分停靠到由第一孔部段19和第二孔部段20之間內(nèi)徑差所形成的環(huán)形表面33上，如圖2b所示。環(huán)狀空間31與在井管結(jié)構(gòu)與井孔內(nèi)壁之間的環(huán)空流體連接，因此通過(guò)孔洞61釋放/緩解壓力，借此使得活塞21移動(dòng)。

第一活塞部分22包括兩個(gè)環(huán)狀密封元件34，每個(gè)環(huán)狀密封元件都布置在第一活塞部分22上的環(huán)形槽35內(nèi)。兩個(gè)環(huán)狀密封元件34布置成相隔預(yù)定距離并借此在活塞21處于關(guān)閉位置時(shí)布置在第一開(kāi)口16的相對(duì)兩側(cè)，如圖2b所示。此外，第二活塞部分23包括兩個(gè)布置在環(huán)形槽35b內(nèi)的密封元件34b。

在圖2a和2b中，環(huán)狀屏障還包括適于在活塞處于關(guān)閉位置時(shí)機(jī)械鎖定活塞21的鎖定元件38，從而阻塞第一開(kāi)口16，如圖2b所示。

在已知的方案中，單向閥如球閥，被用于相同目的，也即讓流體流入環(huán)狀屏障的空間內(nèi)但阻止流體再次流出。通過(guò)使用這類單向閥，環(huán)狀屏障內(nèi)部的流體被封住，并且在例如一般使用溫度更低的流體來(lái)壓裂地層的地層壓裂期間，讓流體在例如300巴時(shí)流入環(huán)狀屏障，300巴為在可膨脹金屬套筒不破裂的情況下所測(cè)得的環(huán)狀屏障所能承受的最大壓力。當(dāng)使用具有300巴的壓力的冷流體進(jìn)行壓裂時(shí)，環(huán)狀屏障也同樣填充了壓力為300巴的冷流體。之后，當(dāng)壓裂結(jié)束時(shí)，環(huán)狀屏障被加熱，由于環(huán)狀屏障內(nèi)部的流體因單向閥而無(wú)法流出環(huán)形空間，使得環(huán)狀屏障內(nèi)的壓力升高到高于最大壓力，并且因此可膨脹金屬套筒處于破裂或斷裂的高風(fēng)險(xiǎn)中。因此，井下溫度每次發(fā)生改變時(shí)，環(huán)狀屏障內(nèi)部的壓力也隨之改變，并且因此套筒也會(huì)相應(yīng)發(fā)生膨脹或皺縮。通過(guò)永久切斷環(huán)形空間與井管結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)之間的流體連通，可膨脹金屬套筒將不會(huì)經(jīng)歷這類巨大的改變，這將會(huì)大幅降低破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在圖2a中，第二活塞部分23包括布置在活塞21的第二活塞端部28處的鎖定元件38。鎖定元件38可以是這樣的彈性元件39，即所述彈性元件在活塞21處于初始位置時(shí)向外突伸但被抑制在第三孔部段36內(nèi)，并且所述彈性元件在活塞移動(dòng)以阻塞第一開(kāi)口16時(shí)被釋放，因此所述彈性元件徑向向外突伸，如圖2b所示。因此，鎖定元件38是在活塞21的第二活塞端部28處形成的彈性?shī)A頭。第二孔部段20布置在第一孔部段19和第三孔部段36之間，第三孔部段具有比第二孔部段更大的內(nèi)徑。

當(dāng)使用機(jī)械鎖定裝置防止活塞反向移動(dòng)時(shí)，當(dāng)環(huán)狀屏障內(nèi)部壓力升高時(shí)，不需要使用單向閥來(lái)防止活塞的反向移動(dòng)。通過(guò)這種方式，消除了污物阻礙單向閥關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)狀屏障的環(huán)形空間內(nèi)壓力增加迫使活塞反向移動(dòng)并再次提供與管狀部件的內(nèi)側(cè)的流體連通的風(fēng)險(xiǎn)。在使用單向閥的已知方案中，當(dāng)使用較冷的流體如海水壓裂地層時(shí)，可膨脹金屬套筒具有破裂或斷裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)永久切斷環(huán)形空間與井管結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)之間的流體連通，可膨脹金屬套筒將不會(huì)承受如此大的溫度和壓力改變，這顯著降低了破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在圖3a中，環(huán)狀屏障1包括環(huán)繞第二活塞部分23布置的鎖定元件38。該孔還包括在第二孔部段20中的第三開(kāi)口37，該第三開(kāi)口與環(huán)形空間15和環(huán)空2流體連通。第三開(kāi)口37可布置成如此地與換向閥49(如圖7所示)流體連通，以使得換向閥布置在第三開(kāi)口與環(huán)空之間，從而在環(huán)形空間和環(huán)空之間提供流體連通。在第一位置處，換向閥49提供環(huán)形空間與環(huán)空的第一區(qū)域101(如圖1所示)之間的流體連通，并且在第二位置處，換向閥提供環(huán)形空間與環(huán)空的第二區(qū)域102(如圖1所示)之間的流體連通。

在圖7中，具有帶活塞的孔的組件51具有通過(guò)篩子54接收來(lái)自井管結(jié)構(gòu)3的內(nèi)側(cè)的流體的第一開(kāi)口16。在膨脹期間，第一開(kāi)口16與第二開(kāi)口17流體連接，導(dǎo)致井管結(jié)構(gòu)3內(nèi)的膨脹流體使可膨脹金屬套筒8膨脹。當(dāng)可膨脹金屬套筒8膨脹至抵接井孔壁部時(shí)，壓力積累并且組件內(nèi)的斷裂元件剪切從而切斷與第一開(kāi)口16的流體連接并經(jīng)由第三開(kāi)口37打開(kāi)與換向閥49的流體連接37a。當(dāng)?shù)谝粎^(qū)域101(見(jiàn)圖1)的第一壓力p1增加，來(lái)自第一區(qū)域的流體與換向閥連接并使得流體流入環(huán)形空間。當(dāng)?shù)诙^(qū)域102(見(jiàn)圖1)的第二壓力p2增加時(shí)，換向閥移位并使流體從第二區(qū)域流入環(huán)形空間內(nèi)。

當(dāng)活塞21移動(dòng)到關(guān)閉位置時(shí)，如圖3b所示，在第二活塞部分23內(nèi)的凹口48提供第二開(kāi)口和第三開(kāi)口之間的流體連通，從而在活塞21的關(guān)閉位置，在環(huán)形空間15與第三開(kāi)口之間提供流體連通。在活塞21上的凹口48還在圖5中示出。

在圖3a中，斷裂元件24是布置在流體通道內(nèi)的剪切盤(pán)，但在另一個(gè)實(shí)施例中，剪切盤(pán)可布置在第一孔部段19中用于阻止流動(dòng)通過(guò)該盤(pán)。剪切盤(pán)因此阻塞流體通道或第一孔部段19。在圖3a中，該孔具有在第二孔部段20中的第二孔端部42和在第一孔部段19中的第一孔端部41，并且在初始位置，第二活塞端面30布置成與第二孔端部42相隔一定距離。在如圖3b所示的關(guān)閉位置，第二活塞端面30與第二孔端部42之間的距離增加。

在圖3a和3b中，鎖定元件38是環(huán)繞第二活塞端部布置在第三孔部段中的多個(gè)插入件43。插入件43通過(guò)環(huán)45如o形環(huán)、簧環(huán)、開(kāi)口環(huán)或鍵環(huán)(keyring)保持在一起。當(dāng)活塞21從圖3a所示的初始位置移動(dòng)到圖3b所示的關(guān)閉位置時(shí)，插入件43向內(nèi)收攏并阻止活塞返回且確保永久切斷第一開(kāi)口16與環(huán)狀屏障的環(huán)形空間15之間的流體連通。插入件43在圖4中以透視圖示出。

在圖8中，鎖定元件38還包括布置在插入件43的外表面的周向槽46中的至少一個(gè)彈性件45，從而當(dāng)活塞21移動(dòng)以切斷與管狀部件7的內(nèi)側(cè)的流體連通時(shí)，插入件被保持在一起并徑向向內(nèi)地被迫壓。

在圖9中，鎖定元件38是彈性件47，如螺旋彈簧、鍵環(huán)(keyring)或卡環(huán)，該彈性件在初始處置膨脹，并且當(dāng)活塞21移動(dòng)時(shí)彈簧力被釋放，從而彈性件收縮至較小的外徑。

在圖6中，環(huán)狀屏障1被膨脹至抵接第二井管結(jié)構(gòu)3a，剪切盤(pán)24布置在第一開(kāi)口16和第二孔部段20之間。

圖10示出了井下環(huán)狀屏障系統(tǒng)100，其包括兩個(gè)井下環(huán)狀屏障1以及布置在地面或海床處或者在井口或防噴器處的壓力源60。

可膨脹金屬套筒由柔性材料如彈性體、橡膠或金屬制成，從而該套筒可被膨脹并提供區(qū)域隔離。管狀部件由金屬制成。

因此環(huán)狀屏障是金屬環(huán)狀屏障，其具有由金屬制成的可膨脹套筒和由金屬制成的管狀部件兩者。該環(huán)狀屏障還可包括以抵接并環(huán)繞可膨脹金屬套筒方式布置的環(huán)狀密封元件。

流體或井筒流體是指存在于油井或氣井井下的任何類型的流體，如天然氣、石油、油基泥漿、原油、水等。氣體是指存在于井、完井、或裸井中的任何類型的氣體組分，并且油是指任何類型的油組分，例如原油，含油流體等。氣體、油和水流體可因此均分別包括除氣體、油和/或水之外的其它元素或物質(zhì)。

套管是指井下使用的與石油或天然氣生產(chǎn)有關(guān)的任何類型的管、管道、管結(jié)構(gòu)、襯管、管柱等。

盡管上面已經(jīng)結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不背離如下面的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的情況下可想到的若干變型對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的。