使用分段筒狀部的能擴展工具的製作方法

2023-06-05 11:30:06

本發明涉及油氣開採作業。具體地說，本發明涉及用於在地下井中使用的能擴展工具。

背景技術：

一些井下工具需要貫穿直徑減小的區域下放到地下井中，並且需要具有一旦工具在井內已到達最終位置則使直徑擴展的能力。在工具的最終狀態下，期望的是，工具具有帶這樣內徑的孔：該內徑將允許穿過井下工具繼續進行井內的其它作業，或使貫穿該工具的開採液的流量最大化。

作為實例，在一些井中，使用跨式封隔器(straddlepackers)切斷區域以停止開採，或在封隔器上方或下方生成注入層段。跨式組件可以具有兩個封隔器，這兩個封隔器以將在這兩個封隔器之間的部分與組件上方和下方的區域隔開的方式彼此連接。跨式封隔器中的較大內徑提供較小的流動阻力，從而很少生成井下阻塞(downholechoke)。另外，跨式封隔器中的較大內徑允許用於諸如穿孔、測井或回堵等作業的井檢修工具在封隔器下方運行。

技術實現要素：

本發明的實施例提供了利用特殊形狀工具段的系統和方法，該特殊形狀工具段允許使用基本的旋轉操作、擴展操作和壓縮操作來擴展工具的直徑和設置工具。形成筒狀部的工具段的使用允許能擴展工具的這樣構造：可以將能擴展工具的外徑減小到能穿過小直徑管道進行布置的適當尺寸；並且還允許能擴展工具在已到達需要的深度後擴展到更大尺寸的直徑。本發明的實施例的擴展和收縮的範圍比一些現有技術更寬，並且本發明的實施例提供比一些現有技術更好的結構穩定性。

在本發明的實施例中，用於將能擴展工具布置在地下井中的方法包括：將處於收縮狀態的所述能擴展工具下放到所述地下井中。所述能擴展工具包括：工具框架，其位於所述能擴展工具的框架端處，並且能夠在框架收縮位置與框架伸出位置之間移動；以及多個工具段，其圍繞所述能擴展工具的中心軸線間隔開。所述多個工具段包括多個能移動工具段和多個固定工具段。通過使所述工具段中的每一個工具段徑向向外移動來增加所述能擴展工具的外徑，直至所述能擴展工具處於所述擴展狀態。旋轉所述能擴展工具，使得所述多個能移動工具段相對於所述工具框架旋轉並且所述多個固定工具段相對於所述工具框架保持固定，直至所述能擴展工具處於完全旋轉狀態。向所述能擴展工具施加軸向力，使得所述能移動工具段相對於所述工具框架沿軸向移動並且所述能擴展工具的軸向長度減小，直至所述能擴展工具處於最終狀態。

在替換實施例中，處於所述最終狀態的所述能擴展工具的內徑可至少與處於所述收縮狀態的所述能擴展工具的外徑一樣大(即，與能擴展工具的外徑一樣大或更大)。在所述收縮狀態下，所述多個能移動工具段與所述多個固定工具段可以沿軸向對準。在所述最終狀態下，所述多個能移動工具段與所述多個固定工具段可以沿周向對準。所述多個固定工具段中的每一個固定工具段可以緊固於所述工具框架，並且所述多個能移動工具段中的每一個能移動工具段能移動地連接於(linkedto)所述多個固定工具段中的至少一個固定工具段。向所述能擴展工具施加軸向力的步驟可以包括：使所述多個工具段中的每一個工具段與所述多個工具段中的同該工具段周向相鄰的一個工具段密封地接合。

在其它替換實施例中，所述多個能移動工具段中的每一個能移動工具段可以包括：徑向外層、徑向內層以及位於所述徑向外層與所述徑向內層之間的中間層。所述中間層可以沿軸向和周向偏離所述徑向外層和所述徑向內層中的每一者，從而限定端槽以及與所述端槽相反的端緣，並進一步限定側槽以及與所述側槽相反的側緣。在所述最終狀態下，使所述多個工具段中的每一個工具段的所述側緣可以位於所述多個工具段中的與該工具段周向相鄰的一個工具段的所述側槽內。向所述能擴展工具施加軸向力的步驟可以包括：使所述多個工具段中的每一個工具段的所述側緣在所述多個工具段中的與該工具段周向相鄰的一個工具段的所述側槽內滑動。在所述收縮狀態下，所述多個工具段中的選定(certain)工具段的所述端緣可以位於所述多個工具段中的與該選定工具段軸向相鄰的一個工具段的所述端槽內。旋轉所述能擴展工具的步驟可以包括：使所述多個工具段中的選定工具段的所述端緣在所述多個工具段中的與該選定工具段軸向相鄰的一個工具段的所述端槽內滑動。

在本發明的替換實施例中，用於將能擴展工具布置在地下井中的方法包括：將處於收縮狀態的所述能擴展工具下放到所述地下井中。所述能擴展工具包括：工具框架，其位於所述能擴展工具的框架端處，並且能夠在框架收縮位置與框架伸出位置之間移動；以及多個工具段，其圍繞所述能擴展工具的中心軸線間隔開。所述多個工具段包括多個能移動工具段以及固定於所述工具框架的多個固定工具段。通過使多個段組(segmentssets)徑向向外移動並且使所述工具框架從所述收縮位置移動到所述伸出位置，可以使所述能擴展工具的外徑擴展，直至所述能擴展工具處於擴展狀態。每個段組包括所述多個能移動工具段中的至少一個能移動工具段以及所述多個固定工具段中的一個固定工具段。旋轉所述擴展工具，使得每個段組的至少一個能移動工具段相對於該段組的所述固定工具段旋轉，直至所述能擴展工具處於完全旋轉狀態。可以向所述能擴展工具施加軸向力，使得所述能移動工具段相對於所述工具框架沿軸向移動，並且使所述能擴展工具的軸向長度減小，直至所述能擴展工具處於最終狀態。

在替換實施例中，增加所述能擴展工具的外徑的步驟可以包括：使所述能擴展工具的外徑增加，直至處於所述最終狀態的所述能擴展工具的內徑至少與處於所述收縮狀態的所述能擴展工具的外徑一樣大。向所述能擴展工具施加軸向力的步驟可以包括：使所述多個工具段中的每一個工具段與所述多個工具段中的同該工具段周向相鄰的一個工具段密封地接合。當能擴展工具處於所述收縮狀態時，每個段組中的多個能移動工具段中的至少一個能移動工具段可以與該段組的多個固定工具段中的所述一個固定工具段沿軸向對準。當能擴展工具處於最終狀態時，每個段組中的多個能移動工具段中的至少一個能移動工具段可以與該段組的多個固定工具段中的所述一個固定工具段沿周向對準。

在本發明的另一替換實施例中，在地下井中使用的能擴展工具包括：工具框架，其位於所述能擴展工具的框架端處，並且能夠在框架收縮位置與框架伸出位置之間移動。所述能擴展工具還包括：多個工具段，其圍繞所述能擴展工具的中心軸線間隔開。所述多個工具段包括多個能移動工具段和多個固定工具段，所述多個能移動工具段能在收縮狀態、擴展狀態、完全旋轉狀態以及最終狀態之間移動。自由端位於與所述能擴展工具的所述框架端相反的位置，在所述多個固定工具段相對於所述工具框架保持固定的同時，所述自由端能相對於所述工具框架旋轉，以使所述多個能移動工具段相對於所述工具框架旋轉，直至所述能擴展工具處於所述完全旋轉狀態。所述自由端還能夠響應於軸向力而移動，以使所述能移動工具段相對於所述工具框架沿軸向移動，直至所述能擴展工具處於所述最終狀態。

在替換實施例中，處於所述最終狀態的所述能擴展工具的內徑可至少與處於所述收縮狀態的所述能擴展工具的外徑一樣大。在所述收縮狀態下，所述多個能移動工具段與所述多個固定工具段可以沿軸向對準。在所述最終狀態下，所述多個能移動工具段與所述多個固定工具段可以沿周向對準。所述多個能移動工具段中的每一個能移動工具段可以能移動地連接於所述多個固定工具段中的至少一個固定工具段。

附圖說明

參考在構成本說明書一部分的附圖中示出的本發明的實施例對以上簡要概括的系統和方法進行更具體的描述，從而可以獲得和更詳細地理解本發明的實施例的上述特徵、方面和優點及將變得顯而易見的其它特徵、方面和優點。然而，值得注意的是，附圖僅示出了本發明的優選實施例，因為本發明可以允許其他等效實施例，所以附圖不應被視為限制本發明的範圍。

圖1是具有根據本發明的實施例的能擴展工具的地下井的一部分的示意性局部剖視圖。

圖2是被示出處於收縮狀態的根據本發明的實施例的能擴展工具的透視圖。

圖3是被示出處於擴展狀態的圖2的能擴展工具的透視圖。

圖4是被示出在旋轉操作期間處於擴展狀態的圖2的能擴展工具的透視圖。

圖5是被示出在壓縮操作的早期部分期間處於完全旋轉狀態的圖2的能擴展工具的透視圖。

圖6是被示出在壓縮操作的後期部分期間處於完全旋轉狀態的圖2的能擴展工具的透視圖。

圖7是被示出處於最終狀態的圖2的能擴展工具的透視圖。

圖8是被示出處於收縮狀態的圖2的能擴展工具的剖視圖。

圖9是被示出處於最終狀態的圖2的能擴展工具的剖視圖。

圖10是根據本發明的實施例的能擴展工具的工具段的透視圖。

具體實施方式

包括優選實施例的發明內容、附圖說明和具體實施方式的說明書以及所附權利要求書涉及本發明的實施例的特定特徵(包括過程或方法步驟)。本領域技術人員應理解的是，本發明包括說明書中描述的特定特徵的全部可能的組合和使用。本領域技術人員應理解的是，本發明不限於說明書中給出的實施例的描述或不受說明書中給出的實施例的描述限制。本發明的主題並不受限而僅由說明書和所附權利要求書的要旨限定。

本領域的技術人員還應理解的是，用於描述特定實施例的術語不限制本發明的範圍或廣度。在對說明書和所附權利要求書的解釋中，應當以與每個術語的範圍一致的最寬泛的可能方式來解釋全部術語。除非另有定義，否則在說明書和所附權利要求書中使用的全部技術和科學術語具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同的含義。

除非文中另外明確指示，否則如在說明書和所附權利要求書中使用的，單數形式「a」、「an」和「the」包括多個指示對象。如所使用的，詞語「包括」、「具有」、「包含」以及所有其它語法變型均旨在具有不排除其它元件、成分或步驟的開放的、非限制性的含義。本發明的實施例可以適當地「包括」所公開的限制特徵、「由」所公開的限制特徵「組成」或「基本上由」所公開的限制特徵「組成」，並且可以在缺乏未公開的限制特徵的情況下實施。例如，本領域的技術人員可以認識到某些步驟可以結合到單個步驟中。

空間術語描述的是對象或對象組相對於另一對象或對象組的相對位置。沿豎直軸線和水平軸線應用該空間關係。包括「井上」、「井下」；「上方」和「下方」以及其它類似術語的方向和關係詞語是為了便於描述並且是非限制性的，除非另有指明。

在說明書和所附權利要求書提供值的範圍的情況下，應理解的是，區間涵蓋上限與下限之間的各居中值以及該上限和該下限。發明涵蓋並界定在進行所提供的任何特定排除後更小的區間範圍。

在說明書和所附權利要求書涉及包括兩個或更多個限定步驟的方法的情況下，限定步驟可以以任何順序進行或同時進行，除非本文排除了該可能性。

參見圖1，地下井10可以延伸貫穿若干開採區12，諸如開採烴的區域等。地下井10的表層套管14可以是穿孔的，使得通過生產套管(productioncasing)或管道16可以將諸如油或氣等開採液開採到地面。在地下井的存續期間，可能存在需要隔離地下井10的一部分以形成隔離區域18的時候，例如當地下井10的隔離區域18正在產生不需要的水時。可替換地，可以將隔離區域18隔離，這是因為隔離區域18已被選擇為用於不期望與開採液混合的注入處理。

如在本發明中將描述的，可以布置能擴展工具20以用作跨式封隔器。在圖1的示例性實施例中，第一能擴展工具20a布置在隔離區域18的上端，並且第二能擴展工具20b布置在隔離區域18的下端。封隔器管道22可以從第一能擴展工具20a的上方延伸到第二能擴展工具20b的下方，使得可以連續開採來自第一能擴展工具20a上方的開採區12的烴和來自第二能擴展工具20b下方的開採區12的烴。同時，隔離區域18的流體(不論是水、處理藥劑或其它流體)將與通過管道16開採到地面的流體分開。位於接近管道16的下端的位置的標準封隔器25可以確保開採液通過管道16而不是在管道16的外徑與表層套管14的內徑之間所限定的環形空間朝向地面行進。適用時，表層套管14、管道16和能擴展工具20可以關於中心軸線ax同心地或共線地定位。

現在轉到圖2，示出了處於收縮狀態的能擴展工具20。能擴展工具20包括工具框架24。工具框架24位於能擴展工具20的框架端26處，並且能在框架收縮位置(圖2和圖8)與框架伸出位置(圖3至圖7以及圖9)之間移動。當能擴展工具20處於圖2的收縮狀態時，工具框架24處於框架收縮位置。工具框架24可以由與多個工具段28連接的連接式(jointed)細長部件形成。工具段28成形為互鎖並且允許工具段28之間的相對的軸向和縱向位移，同時當能擴展工具20處於最終狀態時，在工具段28之間提供密封表面。框架24可以用於使能擴展工具20擴展和收縮並且支撐工具段28。框架24的元件可以在擴展與收縮位置之間不發生變形，而是改變相對於彼此的位置。

在圖2的示例性實施例中，工具框架24包括四個腿部30。每個腿部30在腿部30的第一端處與每個其它腿部30樞轉地連接，並且在腿部30的相反第二端處與工具段28連接。每個腿部30具有接近於腿部30與工具段28的附接點的旋轉接頭。當處於框架收縮位置時，腿部30相對於彼此圍繞腿部30的共同附接點成角度。當處於框架伸出位置(圖3)時，腿部30可以在相同平面中從腿部30的共同附接點延伸，或與腿部30處於框架收縮位置的情況相比可以相對於彼此成更小的角度。

在替換實施例中，工具框架24可以包括活塞系統、伸縮部件或允許能擴展工具20在框架收縮位置(圖2和圖8)與框架伸出位置(圖3至圖7以及圖9)之間移動的其它類型框架。

附接於工具框架24的工具段28是固定工具段32。固定工具段32固定於腿部30中的一個腿部的第二端，使得固定工具段32不相對於附接這種固定工具段32的腿部30的該第二端旋轉或沿軸向移動。其它工具段28是能移動工具段34。能移動工具段34可相對於其它工具段28以及相對於腿部30中的一個腿部的第二端沿軸向和周向移動。以這種方式，多個固定工具段32中的每一個固定工具段緊固於工具框架24，並且多個能移動工具段34中的每一個能移動工具段能移動地連接於多個固定工具段32中的至少一個多個固定工具段。當框架24在擴展位置與收縮位置之間移動時，工具段28可不發生變形，而是改變相對於彼此的位置。

現在轉到圖10，示出了工具段28。圖10的示例性實施例的工具段28包括三層：徑向外層36、徑向內層38和中間層40。中間層40位於徑向外層36與徑向內層38之間。徑向外層36、徑向內層38和中間層40可以一體地形成或可以是彼此固定的三個單獨部件。中間層40與徑向外層36和徑向內層38這兩者沿軸向和周向偏離，從而限定端槽42以及與端槽42相反的端緣44，並且還限定側槽46以及與側槽46相反的側緣48(圖8)。端槽42和側槽46是位於徑向外層36與徑向內層38之間的腔體。端緣44和側緣48是中間層40的延伸越過徑向外層36和徑向內層38的外邊緣的部分。在替換實施例中，端槽42、側槽46、端緣44和側緣48可以具有諸如配合式型面部分(matingprofiledsections)等其它形狀。

再次參見圖2，在收縮狀態下，多個能移動工具段34與多個固定工具段32沿軸向對準。作為實例，一個或多個能移動工具段34從每個固定工具段32沿軸向延伸以形成段組50。在圖2的實例中，示出了四個段組50，每個段組50具有一個固定工具段32和兩個能移動工具段34。因此，圖2的實例總共包括十二個工具段28。在替換實施例中，每個段組50可以包括更多或更少的工具段28，並且可以有多於或少於四個的段組50，只要在最終狀態下，工具段28可以被取向和對準以便當能擴展工具20處於最終狀態時形成大致筒狀能擴展工具20即可。然而，能擴展工具20不需要具有完美的筒狀最終狀態，只要能擴展工具20能夠實施預期的井下功能即可。在其它替換實施例中，工具段28可以具有在工具段28之間變化的形狀。

在收縮狀態下，多個工具段28中的選定工具段的端緣44位於多個工具段28中的與該工具段軸向相鄰的一個工具段28的端槽42內。在圖2的實例中，固定工具段32中的每一個固定工具段的端緣44位於軸向相鄰的能移動工具段34的端槽42內，並且該軸向相鄰的能移動工具段34的端緣44位於另一軸向相鄰的能移動工具段34的端槽42內。如可以在圖8中最佳觀查的，工具段28中的每一個工具段的側緣48位於任何側槽46的外部，因此儘管每個段組可以彼此接觸，但每個段組50僅通過腿部30與每個其它段組50固定。

參見圖1和圖8，在收縮狀態下，能擴展工具20的外徑為最小外徑52，最小外徑52小於管道16的最小內徑54。在某些實施例中，管道16的最小內徑54可以是被工具、裝備或其它障礙物所減小的內徑，使得能擴展工具20可以從地面下放貫穿管道16到達隔離區域18。

現在轉到圖3，工具框架24可以移動到擴展狀態。通過使工具段28中的每一個工具段徑向向外移動來增加能擴展工具20的外徑，直至能擴展工具20處於擴展狀態。框架24可以用於使能擴展工具20擴展。作為實例，這種擴展操作可以是液壓驅動的或電驅動的。工具框架24的每個腿部30可以使段組50中的一個段組徑向向外移動。可以使能擴展工具20的外徑增加，直至能擴展工具的內徑為最大內徑56(圖9)，最大內徑56至少與當能擴展工具20處於收縮狀態時能擴展工具20的最小外徑52一樣大。這將允許通過能擴展工具20繼續進行井下作業，且能擴展工具20不會進一步對實施這種作業所需的任何其它工具或管或裝備的外徑進行限制。

參見圖4，可以旋轉能擴展工具20，使得多個能移動工具段34相對於工具框架24旋轉。多個固定工具段32相對於工具框架24保持固定。可以繼續旋轉操作直至能擴展工具20處於完全旋轉狀態。能擴展工具20的自由端58與能擴展工具20的框架端26相反，並且可以通過使自由端58相對於工具框架24旋轉來進行旋轉操作。在旋轉操作期間，工具段28的端緣44中的選定端緣在多個工具段28中的與該端緣軸向相鄰的一個工具段28的端槽42內滑動。在圖4的實例中，能移動工具段34關於軸向相鄰的工具段28旋轉30度。作為實例，旋轉操作可以是利用布置工具而液壓驅動或電驅動的。

轉到圖5，當能擴展工具20已完全旋轉時，工具段28中的選定工具段的側緣18將與選定的其它工具段的側槽46對準。在圖5的實例中，每個固定工具段32的側緣48與軸向相鄰的能移動工具段34的側槽46對準，並且該軸向相鄰的能移動工具段34的側緣48與另一軸向相鄰的能移動工具段34的側槽46對準。該另一軸向相鄰能移動工具34的側緣48將與周向相鄰的固定工具段32的側槽46對準。

參見圖5至圖6，在壓縮操作期間可以向能擴展工具20施加軸向力，使得能移動工具段34相對於工具框架24且相對於固定工具段32沿軸向移動。在壓縮操作期間，使能擴展工具20的軸向長度減小，直至能擴展工具20處於最終狀態。在圖5至圖6的實例中，在壓縮操作期間，多個工具段28中的每個工具段的側緣48在多個工具段28中的與該工具段周向相鄰的一個工具段的側槽46內滑動。當能擴展工具20移動到最終狀態時，工具段28將與周向相鄰的工具段28密封地接合。如可以在圖8至圖9中最佳觀察的，每個工具段28的側部60是漸縮的。這種漸縮將有助於側緣48與側槽46對準，並且還將有助於形成相鄰工具段28之間的密封。作為實例，壓縮操作可以利用布置工具而液壓驅動或電驅動的。

在圖7的最終狀態下，多個能移動工具段34與多個固定工具段32沿周向對準，並且最大內徑56(圖9)保持為至少與當能擴展工具20處於收縮狀態時能擴展工具20的最小外徑52一樣大。多個工具段28中的每一個工具段的側緣48保持為位於多個工具段28中的與該工具段周向相鄰的一個工具段28的側槽46內。側緣48與側槽46的相互作用以及工具段28的側部60的漸縮形狀將提供每個工具段28之間的密封。當能擴展工具20處於最終狀態時，可以移除框架24。

在操作的實例中，參見圖1至圖2，為了在地下井10中布置能擴展工具20，可以利用纜繩、e管線(e-line)或連續油管將能擴展工具20下放到地下井10中。當能擴展工具20被下放到地下井10中時，能擴展工具20將處於收縮狀態。轉到圖3，當能擴展工具20在地下井10內處於期望的最終位置時，可通過使工具段28中的每一個工具段徑向向外移動來增加能擴展工具20的外徑，直至能擴展工具20處於擴展狀態。如圖4所示，然後可以旋轉能擴展工具20，使得多個能移動工具段34相對於工具框架24旋轉，並且多個固定工具段32相對於工具框架24保持固定。旋轉能擴展工具20直至能擴展工具20處於完全旋轉狀態。參見圖5至圖6，隨後向能擴展工具20施加軸向力，使得能移動工具段34相對於工具框架24沿軸向移動，並且使能擴展工具20的軸向長度減小。使能擴展工具20的軸向長度減小，直至能擴展工具20處於如圖7所示的最終狀態。

在最終狀態下，能擴展工具20的外徑足以與表層套管14的內徑接合，並且工具段28將彼此密封地接合，使得沒有流體可以在能擴展工具20的軸向底部與能擴展工具20的軸向頂部之間穿過。為了取回能擴展工具20，可以使操作反過來，使得能擴展工具20返回到收縮狀態並且被向上拉出地下井10。

儘管在本文中已將能擴展工具20描述為用作跨式封隔器，但在本文中描述的能擴展工具20的實施例可以替換地用於要求工具(例如，井下錨、套管補貼件(casingpatches)、防砂篩管、擴孔器、刷和刮刀)穿過受限直徑然後擴展到最終位置的其它井下應用。

因此，在本文中描述的系統和方法非常適於實現上述目的，並且獲得所提到的目的和優點以及系統和方法中固有的其它目的和優點。儘管出於公開的目的已給出本發明的當前優選實施例，但為了完成所期望的結果在過程的細節中還存在許多變化。本領域的技術人員將容易想到這些或其他類似的修改，並且這些或其他類似的修改意在被包括在本文中所披露的本發明的要旨和所附權利要求書的範圍內。