井下致動器和工具的製作方法
2023-10-16 23:46:04 3
專利名稱：井下致動器和工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在地層中形成的井孔中執行井下操作的裝置。這樣的井下操作可以是任何要求一定量的機械功的操作，例如井管的擴張或者注射所選定的流體進入井眼。為執行這些操作已經提出了各種不同的系統，所有的均要求一些形式的來自地面的致動的控制。然而，因要執行操作的深度的原因從地面控制這樣的致動系統有時比較複雜。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種用於在地層形成的井孔中執行井下操作的改進裝置，它克服了現有技術各裝置中存在的問題。
按照本發明提供的裝置包含一個致動器，其通過施加在致動器外部的流體壓力有所選定的增加實現從第一構形到第二構形的移動；一個工具，其設置為由致動器驅動，目的是在致動器從第一構形到第二構形的移動時執行所述的井下操作。
因為井孔中流體壓力隨著深度增加而以已知的方式增加，該裝置能夠精確地設計成在需要的深度執行操作，以此需要的機械功能例如，通過裝置內外之間的壓力差被傳輸。在將裝置下放進井孔之前，裝置內部的壓力就能在地面上設定。
在裝置的一個優選實施例中，致動器包括一個盛氣體的容器，容器在所述第一構形時比在第二構形時有較大的容積，在所述第一結構時容器內的氣體壓力低於在管狀元件被擴張的深度處井孔內的流體壓力。
恰當地說，當致動器在第一構形時，容器內的氣體壓力基本上等於大氣壓。
在裝置的一個效果很好的實施例中，裝置被用來擴張井孔中的管狀元件。由此，工具是一種在致動器從第一構形到第二構形的移動時通過致動器沿管狀元件軸向驅動的擴張器。
在另一個效果很好的實施例中，裝置被用來向井孔中注射一種流體混合物。由此工具是一種在致動器從第一構形到第二構形的移動時向井孔中注射流體混合物的注射裝置。
發明將通過後面更詳細的例子進行說明，同時參考相應的附圖。
附圖1，是按照本發明設備的第一個實施例的縱向剖面示意圖；附圖2，是按照本發明設備的第二個實施例的縱向剖面示意圖；附圖3A，是在徑向擴張之前，包括一個橋塞的按照本發明設備的第三個實施例的縱向剖面示意圖；附圖3B，是在徑向擴張後，帶橋塞的第三個實施例的示意圖；附圖4，是按照本發明設備的第四個實施例的縱向剖面示意圖。
具體實施例方式
參考附圖1，表示了在地層2中形成的井孔1，井孔1充滿了適當的井孔流體(例如鑽井液)。採用套管4形式的管狀元件延伸到井孔1中，套管4能徑向擴張。用於擴張套管4的下部的擴張器6，被布置在套管4的下端部的下面，其具有圓錐形部分6a。擴張器6具有一個通孔7，用於在擴張器6的兩個相對端之間提供流體聯通。致動器8布置在套管4的內部，並在擴張器6的上面同裝置6相距短的距離，並且通過可鬆開式的固定裝置10與套管4固定連接。致動器8包括一個帶有缸14和活塞16的缸/活塞組件12，缸14在其上端通過端壁18被封閉。活塞16通過可鬆開式的連接杆20與擴張器6連接，活塞16能通過缸14軸向移動。活塞16通過剪切銷22被暫時地沿軸向限定在缸14內，剪切銷22被設計成在跨過活塞16的選定的壓力差處剪斷(shear off)。由缸14、端壁18以及活塞16包圍的空間24充滿了大氣壓力的氣體(比如空氣)。前面所提及的剪切銷22剪斷時的壓力差選定為等於大氣壓和下套管部要被擴張處的深度處的井孔中流體壓力的差。
在普通操作中，套管4被下放進井孔1中，其攜帶有布置在內的致動器8和通過連接杆20懸置在套管4下方的擴張器。當進行下放套管4時，因為增加了在井孔中的流體壓力，導致跨過活塞16的壓力差增加。在此需要指出的是，通孔提供了井孔中流體與活塞16外表面之間的流體聯通。當套管4的下端到達需要的深度時，跨過活塞16的壓力差等於所選定的壓力差，這樣剪切銷22剪斷，因此活塞16被推動而軸向在缸14內移動。由於這種移動，活塞16拉動擴張器6進入套管4的下端部，於是套管下部被徑向擴張。接著致動器8的固定裝置10被鬆開，連接杆20從擴張器6中鬆開，並且致動器8和連接杆20沿套管4向上移動。如果需要，套管4能夠以任何適當的方式進一步擴張。
在圖2中示出了可擴張的管狀塞30，其被布置在地層34中形成的井孔32的內部，井孔1充滿了鑽井流體。管狀塞30在其上部被壁36封閉，在其下部提供有帶圓錐形部分38的擴張器37，當擴張器37向管狀塞30內軸向移動時，圓錐形部分用於擴張管狀塞30。擴張器37通過剪切銷39軸向上被暫時地限定在管狀塞30內，剪切銷39設計成在所選定的跨過擴張器37的壓力差時剪斷(shear off)。通過管狀塞30、端壁36和擴張器37圍成一空間40，所述空間充滿了為大氣壓的空氣。剪切銷39剪斷時的壓力差等於大氣壓與處於管狀塞要被擴張處的深度處的井孔34中的流體壓力的差。
在通常操作中，管狀塞30以及以如圖所示狀態連接的擴張器37被下放進井孔32中。當下放管狀塞30時，因為增加了在井孔1中的流體壓力，導致跨過擴張器37的壓力差增加。當管狀塞37到達所選定的深度，跨過擴張器37的壓力差等於所選定的壓力差，於是剪切銷剪斷。結果是，由於跨過擴張器37的軸向壓力差，擴張器37軸向被推入管狀塞37中。擴張器37於是徑向擴張管狀塞30到接觸井孔1的井壁，目的是相互密封位於管狀塞30上面和下面的井孔部分。
在圖3a中示出了另一個可擴張的管狀塞40，其布置在地層中形成的井孔(沒示出)的內部，井孔充滿了適當的鑽井流體。管狀塞40在其前端被端壁42封閉，在內部提供有包含下面順序的部分的擴張器44直徑減小的凸出部分46，第一錐形部分47，第一圓柱形部分48，直徑減小的中間部分49，第二圓錐形部分50，第二圓柱形部分51。第一第二圓柱形部分48，51的直徑稍微小於管狀塞40的內徑，並且通過適當的密封件(沒示出)相對於管狀塞40的內表面密封。管狀塞內部有兩個可擴張的固定連接於管狀塞40的內表面的環53，55(如由合成橡膠製成)，在此，環53圍繞擴張器44的凸出部分46延伸，環55圍繞擴張器44的中間部分49延伸。環53在圓錐形部分47的一側有一個與部分47的圓錐形表面互補的圓錐形表面57。類似地，環55在圓錐形部分50的一側，有一個與部分50的圓錐形表面互補的圓錐形表面59。用於導向凸出部分46從其中通過的導向環60被固定布置在管狀塞40的前端部分。充滿大氣壓空氣的空間62是由管狀塞40、端壁42以及擴張器的凸出部分46包圍成的。管狀塞40、環53，55及擴張器44的組合設計為，當跨過擴張器44的壓力差等於大氣壓和處於管狀塞要被擴張的深度處的井孔中流體壓力的差，擴張器沿軸向移動進入管狀塞40中(並由此擴張環53，55和與所述環相對的管狀塞40的相應部分)。
進一步參照圖3B，在通常操作中管狀塞40連同布置在內的擴張器44被下放進井孔中。在下放管狀塞40的過程中，由於增加井孔中流體壓力導致跨過擴張器44的壓力差增加。當管狀塞40到達所選定的深度時，跨過擴張器44的壓力差變為沿軸向向管狀塞40內移動擴張器44時所需要的壓力差。結果是，擴張器44沿軸向移動進入管狀塞40內，並擴張環53，55和管狀塞40與環相對的部分到接觸井孔壁，於是位於被擴張的塞40的上面和下面的井孔部分相互封閉。圖3B表示了擴張後的管狀塞40和擴張器44。
在圖4中示出了另一種本發明的裝置的實施例，用於向井孔中注射化學混合物(沒示出)。此裝置包括缸/活塞組件70，此組件包括一個可軸向沿缸72移動的活塞71。活塞71包括位於缸72的相應大內徑部分76處的大直徑部分74，和一個部分延伸進入缸72的相應小直徑部分80的小直徑部分78。缸的大直徑部分和小直徑部分76，80足夠長，以允許活塞71以選定的行程向內進入缸72。缸72的小內徑部分80有帶噴嘴81a的端壁81。適當的密封件82，84用於密封活塞部分74，78與相應的缸部分76，80。進一步說，活塞71通過剪切銷86被暫時限定在缸72中，剪切銷設計為在選定的跨過缸72的壓力差時剪斷。在活塞71的小直徑部分78和缸72的大直徑部分76之間形成環形空間88，所述空間88充滿了大氣壓的空氣。充滿所選定的化學混合物(如水泥固化劑)的流體腔90，在由活塞71和端壁81之間的缸的小內徑部分80內形成。剪切銷86剪斷時的跨過活塞71的壓力差被選定為，當井孔中流體壓力和大氣壓的差等於所選定的跨過活塞71的壓力差時剪斷髮生。
在普通的操作過程中，缸/活塞組件70被下放進井孔中。當下放時，由於在井孔中流體壓力的增加導致活塞跨過71壓力差的增加，當組件70到達所選定的深度時，跨過活塞71的壓力差等於所選定的壓力差，於是剪切銷86剪斷。結果是，活塞71沿軸向移動進入缸72中。由於這種移動，活塞71的小直徑部分78通過噴嘴81a向井孔中注射腔90內的化學混合物。在另一種可選的布置方案中(沒示出)，活塞可被用來從不同的容器中注射不同的混合物，在互相混合時這些混合物發生反應。
在上述的詳細說明中，由於裝置到達井孔中的某一位置，在此處由於流體靜態或流體動態壓頭流體壓力為所選定的數值，致動器從它的第一構形移動到第二構形。在另一可選的布置方案中，致動器可被設置為，在流體壓力稍微高於由於流體靜態或流體動態壓頭產生的流體壓力時，從第一構形移動到第二構形。在裝置已經被下放到需要的深度時，通過增加在地面處的井孔壓力而增加井孔中的流體壓力以啟動致動器，例如通過關閉防噴器(BOP)和操作流體壓力泵。
不使用上述的剪切銷，可採用彈簧加載裝置啟動致動器，例如像用在壓力釋放閥中的彈簧加載裝置。
權利要求
1.一種在地層中形成的井孔中執行井下操作的裝置，裝置包含-一個致動器，其通過施加在致動器外部的流體壓力的選定的增加實現從第一構形到第二構形的移動；-一個工具，其設置為由致動器驅動，以在致動器從第一構形到第二構形的移動時執行所述的井下操作。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於致動器包括一個盛氣體的容器，容器在所述第一構形時比在第二構形時有較大的容積，在所述第一構形時容器內的氣體壓力低於在管狀元件要被擴張的深度處井孔內的流體壓力。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於在所述第一構形，容器內的氣體壓力基本上等於大氣壓。
4.如權利要求2或3所述的裝置，其特徵在於所述容器通過缸/活塞裝置形成，缸/活塞裝置包括沿缸軸向移動的活塞，所述致動器設計為通過活塞進入缸的向內運動實現從第一構形到第二構形的移動。
5.如權利要求1-4中任何一項所述的裝置，其特徵在於所述裝置是用於擴張井孔中的管狀元件的裝置，所述工具是設置為在致動器從第一構形到第二構形的運動時，通過致動器軸向移動通過管狀元件的擴張器。
6.如權利要求5所述的裝置當從屬於權利要求4時，其特徵在於所述活塞與擴張器連接，以致所述的活塞進入缸的向內運動導致擴張器軸向運動通過管狀元件。
7.如權利要求5或6所述的裝置，其特徵在於所述擴張器被設置為，在致動器從第一構形到第二構形的運動時，通過致動器軸向移動通過管狀元件的端部。
8.如權利要求5-7中任何一項所述的裝置，其特徵在於所述管狀元件是橋塞，橋塞被設置成當擴張器通過致動器通過管狀元件軸向移動時堵住井孔。
9.如權利要求5-8中任何一項所述的裝置，其特徵在於所述管狀元件內部提供有至少一個有中心開口的擴張環，所述擴張器設置為當擴張器沿管狀元件軸向移動時穿過所述中心開口，於是擴張器擴張該擴張環。
10.如權利要求1-4中任何一項所述的裝置，其特徵在於所述裝置是向井孔中注射流體混合物的裝置，所述工具是設置為當致動器從第一構形到第二構形運動時，向井孔中注射流體混合物的注射器。
11.一種基本上參考如前所述附圖的裝置。
全文摘要
一種井下致動器(8)，通過有所選定地增加施加在井下致動器(8)外部的流體壓力實現井下致動器從第一構形到第二構形的移動，以及一種由致動器驅動的工具，目的是在執行機構從第一構形到第二構形的移動中執行井下操作。致動器(8)還可包含一個氣體容器(24，28)，工具可包含用於擴張管子的擴張器(37)或流體注射裝置(90，81a)。
文檔編號E21B27/00GK1575370SQ02820988
公開日2005年2月2日 申請日期2002年10月23日 優先權日2001年10月23日
發明者韋爾赫爾姆斯·C·M·洛貝克 申請人:國際殼牌研究有限公司