[0002] 本申请
请求享有美国
专利申请No.13/114519的权益，该美国专利申请于2011年5月24日申请，其全部内容引入文中作为参考。
背景技术
[0003] 在钻井和完井领域中，封隔器或密封元件普遍应用于许多密封和封隔场合。许多类型的密封元件可应用于该领域，但是，由于遇到的情况在不断变化，因此该领域总是容易接受能提供密封能
力的新结构。
发明内容
[0004] 一种用于减小在径向上相邻的元件之间的径向间隙的组件，其包括调整构件和第一环形体。调整构件具有局部界定所述径向间隙的第一尺寸部，该调整构件包括从该第一尺寸部径向延伸的周向槽。第一环形体具有第二尺寸，调整构件可操作地被设置为与第一环形体接合；其中，增加调整构件与第一环形体的接合程度可使该组件的边界尺寸朝所述径向间隙扩大，从而减小该径向间隙；所述周向槽可操作地设置为：当调整构件完全与第一环形体接合时，该周向槽捕获第一环形体。
[0005] 一种包括一对组件的系统，每个组件包括调整构件、第一环形体和多个随后的环形体。所述调整构件具有局部界定径向间隙的第一尺寸部，调整构件包括从该第一尺寸部径向延伸的周向槽。第一环形体具有第二尺寸，调整构件可操作地被设置为与第一环形体接合；其中，增加所述调整构件与第一环形体的接合程度可使所述组件的边界尺寸朝所述径向间隙扩大，从而减小该径向间隙。所述周向槽可操作地被设置为：当调整构件完全与第一环形体接合时，该周向槽捕获第一环形体。所述多个随后的环形体被设置在第一和第二端部组件之间的密封区域中。
[0006] 一种用于减小在径向上相邻的元件之间的径向间隙的方法，该方法包括以下步骤：使第一环形体与调整构件接合，所述调整构件至少局部界定所述径向间隙并具有径向延伸的周向槽；增加调整构件与第一环形体的接合程度，其中增加调整构件与第一环形体的接合程度能使组件的边界尺寸朝所述径向间隙扩大，从而减小该径向间隙；以及，当所述调整构件完全接合第一环形体时，使第一环形体位于所述周向槽中。
附图说明
[0007] 下面将参照附图进行描述，下面的描述不应认为是限制性的，附图中的类似元件用类似标记表示：
[0008] 图1是用于减小
挤压间隙的组件或类似件的四分之一截面图，图中示出其处于预布置
位置；
[0009] 图2是图1中的组件处于布置位置时的四分之一截面图；
[0010] 图3是间隙减小组件的另一
实施例的四分之一截面图，图中示出其处于预布置位置；
[0011] 图4是图3中的组件处于布置位置时的四分之一截面图；
[0012] 图5是图3中的组件处于另一种布置位置时的四分之一截面图；
[0013] 图6是包括两个端部组件的系统的实施例的四分之一截面图，其中每个组件类似于图3-5所示组件，它们处于预布置位置；
[0014] 图7是图6中的系统处于布置位置时的四分之一截面图；
[0015] 图8是透视图，示出了管件或井筒的两个区域通过与图1和2所示的组件相似的组件被隔离；
[0016] 图9大体上沿图8中的线9-9示出了图8中的组件的四分之一截面图；以及[0017] 图10是组件的四分之一截面图，该组件类似于图9中的组件，但包括单独的密封元件。
具体实施方式
[0018] 文中将参照附图以阐释而非限制方式详细描述所公开的设备和方法的一个或更多个实施例。现在请参照附图，图1和2示出了组件10的四分之一截面。组件10包括工作筒12，该工作筒具有调整构件或楔体14。组件10位于环形空间16中，该环形空间形成在工作筒12的外周面18与井筒22的井壁20之间。但是，将能意识到，组件10可以安装在管件和/或井筒的任何布置结构之间形成的环形空间中。文中使用的术语“管件”通常包括任何类似管件的结构（不管其是否为圆柱体），例如包括管、管道、轴环、
套管、
导管、衬管等。
[0019] 楔体14具有外形尺寸24部，井筒22具有尺寸26，在楔体14的外形尺寸24部和井筒22的壁20之间形成间隙28。例如，尺寸24和26、或文中所指的任何其他尺寸可以是半径、主半径、次半径、直径、与参考点的距离等。如下面更详细所述，包括环形体30（或多个环形体30）以密封、阻塞、阻碍、封闭，或抑制或防止密封元件被挤入间隙28中。将能意识到，根据文中所述的实施例，术语“环形体”通常表示任何环形体、圆环或环状体，不论其截面形状如何，其主体可以是实心、空心、或者为其中填塞或填充有其他材料的空心结构。文中所述的环形体通常可伸展、可压缩、耐用、具有弹性，和/或能改
变形状、尺寸、厚度等。应用中，术语“环形体”可解释为比“圆环体”或“环”包括的范围更宽，“圆环体”或“环”均暗含周向连续。例如，文中所使用的术语“环形体”不仅包括周向连续的主体，还包括具有裂口、断口或开口端的主体，例如像“C”形的结构，这种结构在
活塞环或类似件中是普遍的。因此，通过至少部分地绕线旋转与该线位于相同平面上但不与其相交的截面形状而可形成环形体。例如，图1中的每个环形体30的截面形状为圆环，具有直径34，直径34界定每个环形体30的厚度，环形体与井筒、工作筒、管件等同轴布置。但是，应该理解为，截面形状和尺寸变化的环形体可一起使用在文中所述的实施例中。即，文中所述的任何组件可使用形状和尺寸一致的一些环形体，或形状和尺寸不同的一些环形体。例如，尽管文中所示的每个环形体具有基本上为圆环形截面形状，但是，可使用其他形状，如椭圆形、环形等。另外，“环形体”也表示被卷绕或盘绕或被编织的主体，如，
螺旋弹簧或夹紧盘簧。例如，每个环形体30可以是
螺旋弹簧的螺旋部分。
[0020] 文中使用的术语“楔体”表示调整构件或调整构件的元件或部分，这是因为图中示出调整构件为锥形或截头锥楔体形状。但是应该意识到，调整构件可以采用其他形状和结构。例如，为了让调整构件在环形体下方、环形体上接合或与环形体接合以移动、伸展、膨胀、压缩或以其他方式改变环形体的形状、尺寸和/或位置（即，用以调整环形体），调整构件可以包括离散层或台阶部分、圆形坡道或凸出部分、杆、膨胀部分等来取代锥形楔体。另外，应该意识到，调整构件不需要是周向连续的，例如，调整构件可以包括多个离散的部分（如，每个部分具有楔形截面），它们绕工作筒的外周分隔开。
[0021] 环形体30能单独起到
密封件的作用，可隔离井筒各区域。或者，环形体30可起到阻挡作用，可防止单独的密封元件被挤入间隙28中。在图1和2所示的实施例中，材料32与环形体30相关联，例如，材料32可填塞在环形体内侧或包围环形体、以及其他布置方式等。例如，材料32可以是填充材料、弹性体、包含环形体30的不锈
钢网，等等。
[0022] 为了阻塞间隙28以抑制或防止密封元件被挤入间隙28中，楔体14可在箭头35所示的方向上轴向移动。当楔体进一步朝环形体30插入时，这种轴向运动可引起环形体30接合楔体14并扩展。楔体14和环形体30之间的这种相互作用可有效地使组件10的最大外形尺寸增加，从而阻塞或堵塞间隙28。在图2中，所述最大外形尺寸等于井筒22的尺寸26。最大外形尺寸36由组件10的最外径向边界界定，在图2中最外径向边界为领先的环形体30a的外部分，在图1中最大外形尺寸36为楔体14的外形尺寸24。即，当楔体14插入时，领先的环形体30a扩展，直到该领先的环形体30a卡塞在楔体14和井筒22的井壁
20之间为止。将能意识到，仅为了方便描述，用标识符“a”来标识领先的环形体30a，对环形体30的任何描述通常适用于领先的环形体30a。领先的环形体30a扩展会引起间隙28堵塞，从而，如上所述那样，该领先的环形体可隔离井筒在间隙28相对侧的区域、或对单独的密封元件（其密封和隔离井筒22的区域）提供阻挡作用。在一个实施例中，密封元件采用位于领先的环形体30a之后的多个环形体30的形式，它们一起位于该领先的环形体30a后方。除了环形体30提供密封或阻塞作用以外，材料32通过进一步阻止
沉积物、
碳氢化合物、碎屑或井筒22中的任何其他物质或颗粒进入，也有助于阻塞或密封间隙28和/或环形空间16。
[0023] 楔体14还包括从楔体14的外形尺寸24部径向朝内延伸的周向槽38。如果一个环形体30经过楔体的整个锥形部分、并扩展至超出楔体外形尺寸24的范围，那么楔体14包括所述周向槽38以捕获环形体。这样会将环形体
锁定到楔体上，从而环形体实质上就成为了楔体的一部分，经过整个楔体14的其他环形体可与被锁定的环形体接合并在其周围扩展。下面将参照图5对此进行更详细描述。
[0024] 参照图3-5，示出了该组件（总体上标识为组件40）的第二实施例。组件40在一些方面与组件10类似，除非文中另有
声明以外；因此，对组件10的元件的任何描述总体上适用于组件10的相应元件。组件40包括工作筒42，该工作筒具有由内楔体46和外楔体48构成的楔体装置44。即，内楔体46基本上位于外楔体48的径向内侧。在图3所示的实施例中，组件40位于井筒54的井壁52和工作筒42的外表面56之间的环形空间50内。内楔体46和外楔体48基本上为锥形或截头锥形，分别包括锥形肩部58和60。在所述的该实施例中，环形体62在轴向上位于楔体装置44的前方，该环形体的外形尺寸64大致等于楔体装置44的外形尺寸66。
[0025] 如图3所示，内楔体46和外楔体48最初被设置成使内楔体46位于外楔体48的径向内侧。最初的这种布置结构可防止环形体62与内楔体46的肩部58接合，直到楔体装置44被调整为止。由于楔体装置44的外楔体48的肩部60的最小外形尺寸68位于环形体62的截面形状的中心70的径向外侧（如，在图3中，所示的圆环是构成环形体的截面形状），因此，还可防止环形体62与外楔体48的肩部60接合。
[0026] 通过使内楔体46在图4所示的箭头72的方向上朝环形体62轴向移动，楔体装置44的内楔体46可朝环形体62的径向内侧插入，从而使环形体62接合内楔体46的肩部58。内楔体46例如可通过电动式、液压式和/或机械式致动结构移动，在一个实施例中，致动结构将
载荷施加在内楔体46的径向突出部或凸缘74上。内楔体46被进一步加载时，环形体62绕楔体装置44径向朝外扩展，有效地增加了组件40的最大外形尺寸，从而关闭或阻塞形成在楔体装置44和井筒54的壁52之间的间隙76。图4示出了领先的环形体62a，该领先的环形体与外楔体48的肩部60接合，并通过肩部60的作用而扩展以致该领先的环形体62a还与井筒54的井壁52接合。换句话说，因为间隙76的尺寸小于环形体62a的截面尺寸78，因此，楔体装置44使所述领先的环形体62a卡塞在外楔体48和井筒54的井壁
52之间的间隙76中。与领先的环形体30a类似，仅为了方便描述，用标识符“a”来标识领先的环形体62a，对环形体62的任何描述通常适用于领先的环形体62a。因此，通过比较图
3和4可以发现，组件40的最大外形尺寸已经从楔体44的外形尺寸66变化为所述领先的环形体62a的外形尺寸，由于领先的环形体62a已经
接触井筒54的井壁52，因此，此时最大外形尺寸等于井筒54的尺寸80。
[0027] 例如，由于所述领先的环形体62a阻碍外楔体48向前运动，从而内楔体46和外楔体48之间可发生相对运动。内楔体46的径向伸展凸缘74起到止动件的作用，通过接收外楔体48的径向伸展凸缘82，从而可限制内楔体46和外楔体48之间的相对运动量。由于内楔体46和外楔体48包括互补的棘齿84，因而可防止它们在相反方向上相对运动。互补配置的棘齿84仅限制内楔体46在箭头72所示方向上相对于外楔体48轴向运动。从而，一旦外楔体48的凸缘82已经接触内楔体46的凸缘74，两个楔体部分就基本上锁定在一起，从而肩部58和60形成一个单一斜面，用于使环形体62扩展（如图4和5所示）。
[0028] 在图5中，示出井筒54具有尺寸80'，其大于图3和4所示的尺寸80。例如，如果井筒54之后被清洗，那么就会出现上述这种情况。因此，图5中的间隙76'大于图3和4中的间隙76，也大于环形体62的截面形状尺寸78。因此，所述领先的环形体62a也能完全经过外楔体48的肩部60。在外楔体48中包括类似于槽38的周向槽86。另外，与槽38类似，如果一个环形体62（如，领先的环形体62a）经过外楔体48的整个肩部60，该环形体将被锁定在周向槽86中。例如，图5中示出了领先的环形体62a被锁定在周向槽86中。
[0029] 一旦一个环形体62被锁定在周向槽86中，该环形体就有效地成为楔体装置44的一部分。即，该领先的环形体62a被锁定时起到类似于斜面的作用，可实质上增加楔体装置44的尺寸，从而，随后的环形体（如，第二环形体62b）就可与其接合并在其周围扩展。与上述标识符“a”类似，应该意识到，标识符“b”也仅用于方便讨论，对环形体62的任何描述通常适用于第二环形体62b。因此，在图5所示的实施例中，第二环形体62b（不是所述领先的环形体62a）通过与井筒54的井壁52接合而阻塞间隙76'。应该意识到，最多三个环形体可堆叠在一起而形成稳定的弓形结构，从而可桥塞间隙（如间隙76或76'）。因此，在楔体装置44的外形尺寸66（在图3-5中的任一图中测得）和井筒54的井壁52之间测得的间隙76或76'的尺寸最多可等于环形体62的截面形状尺寸78的三倍。
[0030] 图6和7中示出了封隔器装置90。封隔器装置90包括工作筒92，该工作筒具有第一端部组件94和第二端部组件96。第一端部组件94和第二端部组件96都基本上与楔体装置44相似，相似之处在于，它们都包括两个锥形或截头锥形楔体部分，通过两个部分的相对运动可使这两个部分被设置为单一的斜面。具体而言，第一端部组件94包括内楔体98和外楔体100，第二端部组件96包括内楔体102和外楔体104。类似于楔体装置44，第一端部组件94和第二端部组件96均可包括互补布置在相应内外楔体之间的棘齿、和/或径向突起，从而可如上所述那样限制相应内外楔体之间相对运动。
[0031] 与上述组件相似的是，封隔器装置90位于井筒110的井壁108和工作筒92的外表面112之间形成的环形空间106中。另外，封隔器装置90与环形体114接合以引起环形体114密封、阻隔、阻塞或封闭一系列间隙116和118，这些间隙分别位于井筒110的井壁108与第一和第二端部组件94和96之间。领先的第一环形体114a位于第一端部组件94前方，领先的第二环形体114b位于第二端部组件96前方，多个其他环形体114位于领先的第一环形体114a和领先的第二环形体114b之间。
[0032] 第一端部组件94类似于楔体装置44运行。调整装置在箭头120所示方向上对第一端部组件94轴向施压，以沿工作筒92推动第一端部组件94。与楔体装置44不同的是，第一端部组件94包括挡
块122，该挡块例如被容纳在内楔体98的孔124和外楔体100的凹口126中，从而可限制内楔体98和外楔体100相对运动。从而，当第一端部组件94经过接收区域128时，挡块122可掉落下来，从而使内楔体98和外楔体100能够相对运动（如上面参照图3-5所述，至少直到棘齿和/或径向伸出凸缘再次限制这种相对运动为止）。
[0033] 第一端部组件94的内楔体98通过连接元件130连接到第二端部组件96的外楔体104，连接元件130例如可以是长度固定的
不锈钢网。内楔体98运动将会施加作用力给领先的第一环形体114a，然后通过多个环形体114和所述领先的第二环形体114b将作用力传递给外楔体104。由于内楔体98固定到连接元件130上，因此，内楔体98的运动将导致连接元件130也运动，进而将使外楔体104在箭头120所示方向上运动。外楔体104的运动会使内楔体102的锥形肩部露出，从而，所述领先的第二环形体114b将与内楔体102的肩部接合并扩展。由于内楔体102在锚
定位置132固定到工作筒92上，因此内楔体102不运动。
[0034] 一旦挡块122释放到接收区域128中、内楔体98和外楔体100能进行相对运动时，外楔体100将远离环形体114运动，使内楔体98的锥形肩部暴露给环形体114，从而，当内楔体98插入多个环形体中时，领先的环形体114a与内楔体98的肩部接合并扩展。在箭头120所示方向上压内楔体98，直到领先的第一环形体114a和领先的第二114b分别阻塞间隙116和118为止，如图7所示。另外，外楔体100和104可分别包括周向槽134和136，周向槽134和136的作用与槽38和86相同。因此，如果领先的环形体被锁定在相应槽134或136中，其他环形体114可在所述领先的第一环形体114a或领先的第二环形体114b上扩展，最多三个环形体114能桥接成稳定的弓形结构以阻塞间隙116和118。
[0035] 从图8和9中可以清楚看出如何使用根据本发明的系统来隔离井筒或管件的各区域。例如，示出组件140包括多个位于密封区域144中的环形体142，密封区域144以密封方式隔离第一区域146和第二区域148。在图8和9中，具体示出环形体142为夹紧盘簧的结构形式，其位于第一楔体150和第二楔体152之间。环形体142被设置为阻塞密封区域144和第一区域146及第二区域148之间的挤压间隙。例如，图9示出了间隙154，其位于楔体150和井筒158的井壁156之间，被多个环形体142阻塞。楔体150和152可分别包括槽160和162。槽160和162与槽38和86相似，作用相同。根据图8和9将能意识到，工作筒166和井筒158之间的环形空间164的密封，可通过将许多环形体142一起填充并卡塞在环形空间164中来实现。
[0036] 图10示出了装置140的替换实施例，总体上表示为装置140'。具体而言，与图8和9的实施例相比，密封区域144中的许多环形体142用密封元件168取代。密封元件168可以是与封隔器组件一起使用的任何合适密封元件。通过图10可进一步意识到，环形体142起到阻挡作用，阻止密封元件168被挤入间隙154中，从而密封元件168可密封工作筒
166和井筒158之间的环形空间164。
[0037] 当然，将能意识到，文中所述各实施例中的元件可与其他变形实施例中的相应或类似元件互换，或与任何其他等同元件或替代元件互换，这些改进均落入本发明的范围内。例如，第一和第二楔体150和152可被文中讨论的任何其他组件替代，或者，密封区域144可填充有不锈钢网、钢丝
棉、弹性体、填充材料等，或被不锈钢网、
钢丝棉、弹性体、填充材料等包围。另外，将能意识到，文中所述的任何组件可同时用作为阻挡件和密封元件，或用作为用于单独的密封元件的阻挡件。
[0038] 也应该理解到，尽管上述实施例涉及到使环形体扩展以阻塞径向外侧的间隙，但是，尺寸结构关系可以是相反或倒置的。即，例如，调整构件不采用锥形楔结构，可采用布置在环形体径向外侧的漏斗结构形式，用于压缩环形体以阻塞位于径向内侧的间隙。例如，环形体可由可部分压缩的材料制成，或可采用预拉伸或塑性变形的夹紧盘簧结构。请注意，这些结构倒置的实施例实质上与图中所示的实施例相同，因为它们的截面或四分之一截面实质上镜像对称。因此，根据本发明的实施例，增加环形体与合适调整构件的接合程度（无论是通过扩展还是压缩方式），会导致调整构件改变环形体（如扩大或压缩），从而，通过朝待被阻塞的间隙径向扩大组件的边界尺寸而可改变组件的边界尺寸（如，最大外形尺寸、最小内尺寸等）。
[0039] 尽管已经参照典型实施例描述了本发明，但是，本领域的普通技术人员将能理解到，在不脱离本发明范围的情况下，可对本发明进行各种改变，可用等同件取代本发明的元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，根据本发明提供的相关技术知识可进行各种改进以适应特定情况或材料。因此，本发明应该不局限于实施本发明的最佳具体实施方式，本发明将包括落入
权利要求书范围内的所有实施方式。另外，在附图和
说明书中，已经公开了本发明的示例性实施例，尽管使用了特定术语，但是它们仅具有通常的描述意义，并没有限制目的，除非文中另有声明，因此，这些特定术语并没有限制本发明的范围。另外，使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何次序或重要性，仅用于将一个元件与另一个元件区分开。另外，文中定冠词的使用并没有限制数量，仅表示存在至少一个所提及的元素。
