具有流體調節特徵的井下定位裝置的製作方法

2023-05-27 08:00:26

專利名稱：具有流體調節特徵的井下定位裝置的製作方法
技術領域：
本發明的技術領域是可以用在井下以在井筒中定位接箍和/或其它部件並給出這樣位置的地面信號的裝置，或者以顛倒方向可以被用於向井底鑽具組合(BHA)施加預定載荷的裝置。
背景技術：
套筒柱中接箍和/或其它部件在井筒中的具體深度經常需要根據 在地面指示接箍已經被恰當定位的信號而定位。在過去，利用在管柱 上傳送的具有一個或多個套爪的工具來完成該功能。套爪和支持它們 的心軸被構造成允許套爪保持在用於向井下下入的不受支撐位置。當 到達期望的接箍後，帶套爪的工具進一步向井下進給，越過該接箍中 的定位槽。接著，該工具向回提起以嚙合接箍。通過這樣做把套爪捕 獲到槽中，並施加向上拉力。對向上拉力的阻力在地面被檢測到。套 爪被設計成當達到預定水平的拉力之後被釋放。
這種設計具有幾個問題。在偏斜量很大的深井中，工作管柱有在 周圍管子中阻滯的風險，因此施加的向上拉力應該是與甚至還沒有落 入所述接箍的定位槽中的套爪上的拉力相抗的移動工作管柱所需的 力。由深度和井斜導致的阻滯效應通常稱作"打滑/卡阻效應"。如果存 在打滑/卡阻效應，在地面上就會沒有可確定的信號。另一個問題是可 以施加到位於定位槽中的套爪頭上的力的限制。儘管套爪結構可以被 製得較厚，但問題是在捕獲的套爪頭上能經受的應力水平方面材料受 限制。另一個問題是，把工具實際輸送到期望接箍所需要的空間和工 具直徑受限制。這樣，把部件製得較厚不足以有助於增加所需期望拉 力的總等級，或者沒有走這條路線所需的空間。基於套爪的系統的另 一個問題是， 一旦釋放就會有彈弓效應，因為當達到預定拉力時隨著 套爪變得沒有支撐，工作管柱上施加的拉力的儲存勢能突然釋放。
因此，本發明所需要和所解決的是能夠比基於套爪的設計應付更 大的施加力並能消除彈弓效應的工具。其它理想的特徵可以是內在的 延遲，以允許以一定的時間段施加更大的載荷，以確保接箍被恰當定 位而且已經克服了打滑/卡阻力。為了重複測試而在釋放後把工具迅速 重新設置備用也是一個特徵。該工具可以被顛倒和恰當調整，以便向 與海上鑽井應用所用的升沉補償器協同工作的井底鑽具組合施加預定 的向下的力。通過參考下面出現的優選實施例描述、附圖以及確定本 發明範圍的權利要求，本發明這些和其它特徵對於本領域技術人員將 變得很明顯。

發明內容
一種多用途的工具，其特徵是一個或多個能在井筒中與接箍槽或 限制接頭嚙合的掣爪。該掣爪可延伸通過在相反方向被偏壓並由心軸 支撐的套筒。該掣爪可以縮回進心軸槽中，以避開在下入井中時所遇 到的障礙。在直到剛剛通過的接箍的途中，該掣爪嚙合，而且心軸上 向上的拉力使流體通過節流裝置，以允許有足夠的時間來獲得向上拉 力的有意義的地面信號。其後，當該掣爪以較低的施加力被釋放時，
施加的力可以;陂減少，以減少彈弓效應。該工具可以;故顛倒，並用於 在使用升沉補償器的海上鑽井過程中在井底鑽具組合上保持恆定的 力。


附圖la-lb顯示了在中立下入位置的工具的橫截面；
附圖2a-2b顯示了處於在下入時避過障礙的位置的工具的橫截
面；
附圖3a-3b顯示了在釋放前處於載荷施加位置的工具的橫截面；
附圖4是沿附圖lb中4-4線的橫截面；和
附圖5是沿附圖la中5-5線的橫截面視圖。
具體實施例方式
心軸10由頂部接頭12、上部主體14、下部主體16和底部接頭 18構成。這些部件優選地螺紋連接在一起，但是可以以其它方式連接
在一起。可使用更多或更少的部件來限定心軸10。外部套筒20具有 用於每個使用的掣爪24的窗口 22。可以使用一個或多個掣爪24。掣 爪24在相對端部具有凸起26,在附圖5中看得最清楚，以限制掣爪 24相對於窗口 22的向外運動。附圖la顯示了掣爪24的橫截面。在 掣爪24的優選形式中，它基本上為U形，具有一對方向向裡的支腿 28和30。在下入井中的途中，掣爪24上的表面32將碰到障礙。在離 開井的途中，掣爪24上的表面34將碰到障礙。
套筒20被安裝成在心軸10上滑動。該套筒被抵在底部接頭18的 表面38上的彈簧36朝著井上方向偏壓。彈簧40抵在頂部接頭12的 表面42上，並向套筒20施加與彈簧36反作用的力。優選地，為了將 在下面解釋的原因，彈簧40比彈簧36弱。
上部主體14具有三個槽44、 46和48。這些槽足夠深，以^更當支 腿28和30在槽中時，掣爪24的外表面50後退到窗口 22的內部。通 過這種方式，該工具可以經過障礙物而向井下運動，並當釋放後被朝 井上方向移走。如果在井筒中行進時表面32遇到障礙物，隨著套筒 20和掣爪24停止向井下的運動，彈簧40被壓縮。心軸10繼續向井 下的運動不但壓縮彈簧40，而且使槽44和46與掣爪24的支腿28和 30對準，以允許支腿28和30縮回到更靠近中心軸線52的位置，且 優選地在套筒20內。這時，可以經過障礙物，而且彈簧40可以把套 筒20偏壓回到附圖1所示的中立位置。附圖2顯示了當避過向井下行 進時遇到的障礙物後，通過彈簧40的作用，支腿28和30以凸輪動作 的方式離開槽44和46。注意，斜面52和54利於支腿28和30在先 前壓縮的彈簧40的恢復力作用下從槽44和46中離開。當向井下行進 時遇到的障礙物被避開時，掣爪24恢復到附圖1所示的中立下入位置。
限定在套筒20和心軸IO之間並在附圖3中看的最清楚的是上部 流體貯存室56和下部流體貯存室58。填充口 60允許在地面充注流體。 在互連貯存室的這個封閉系統中的熱效應和流體靜壓力效應被活塞62 完全補償了，該活塞可由例如貝氏墊圏64或任何其它相當的裝置來偏 壓。本領域技術人員將理解到這樣補償對裝置結構的好處，尤其是當該裝置在大的深度和/或高溫場合應用時。附圖4顯示了補償特徵的這 種實施。附圖2b最好地顯示了這個貯存室系統的其它特徵。有一個限 流器66，其調節從l&存室58進入]i&存室56的流量。有一個止回閥68， 當流體在相反的方向從貯存室56向貯存室58流動時，該止回閥68允 許限流器66的旁通。 一個卸壓裝置70與限流器66成一直線，以便當 流體在從l&存室58到]^存室56的方向上受迫時，驅動壓力將不得不 有一壓升，以在任何流動開始之前使這樣的流動達到預定的水平。
一般地說，當掣爪24處於期望的位置，並且向心軸10上施加力 時，流體系統起作用以產生延遲，以便在掣爪24從定位槽(未示出) 中釋放之前為這樣的嚙合產生地面信號。該系統用於允許在釋放之前 減少施加的拉力，以減少釋放產生的彈弓效應。當與可選擇的卸壓裝 置70—起使用時，該工具可以;故顛倒，並被用於向井底鑽具組合施加 預定範圍的載荷，而不用擔心過早的釋放，例如在採用了升沉補償系 統的海上鑽井應用中。
既然已經描述了主要構件，下面將詳細描述該工具在不同應用中 的操作。附圖l顯示了下入位置，其中掣爪24的支腿28和30在任一 槽44、 46和48之外。優選地，掣爪24被偏壓到附圖1的位置，其中， 支腿28和30跨在槽46上，由於彈簧36壓過彈簧4C，從而把套筒 20移到附圖l的位置。隨著工具被帶入井下，障礙物首先碰到掣爪24 上的表面32。隨著掣爪24停止了套筒20的下降，心軸10將繼續向 井下運動。當槽44和46與支腿28和30對準，掣爪24將能夠充分縮 回以允許工具繼續通過障礙物。掣爪24可以儘可能必要的縮回在套筒 20內，以允許避過障礙物。在掣爪24暫時卡在障礙物上的情況下， 心軸10的前進將壓縮彈簧40。當障礙物被避過之後，彈簧40鬆弛， 以把工具從附圖2的位置恢復到附圖1的位置。應當注意到，當掣爪 24被障礙物阻礙時，使心軸向井下前進將導致套筒20使掣爪24抵抗 彈簧40的偏壓，從而使套筒20的下端部21離開套筒25的上端部23， 套筒相對於心軸IO的相對運動在其它時候產生了在貯存室56和58之 間的流體運動。在避開障礙物後把掣爪24恢復到附圖1位置的這種運動的量也非常少。
當到達期望的深度時，該工具被向上提起，直到表面34嚙合到期 望的井下定位槽。在那時，來自工作管柱(未示出)的在心軸10上的 進一步向上的拉力將促使流體從貯存室58通過限流器66進入貯存室 56。這樣就可在施加力時調節心軸10的移動速度，以使地面人員有時 間來注意到這樣的信號期望的槽是否已經被嚙合，而且施加的力是 否遠超過在斜井中工作管柱上的由於打滑/卡阻效應的摩擦而產生的 潛在阻力。鑽機操作人員就可以在實際釋放發生之前實際上減少施加 的拉力，以減少釋放引起的彈弓效應。當心軸IO移動足夠的距離以使 槽46和48與支腿28和30對準從而允許掣爪24縮回並且工具被恢復 到附圖l位置之後，發生釋放。這種情況發生的原因是因為，當掣爪 24在定位槽中時，向井上的拉動將壓縮彈簧36，如圖3所示。掣爪 24的縮回允許彈簧36克服彈簧40的力，從而工具返回附圖1位置， 為下一個循環做好準備。通過使用可選擇的卸壓裝置70,地面人員可 以放心，達到預定水平的拉力將不啟動釋放序列。因此，在釋放之前 可以任意次地施加和取消力。本領域4支術人員可以意識到，在一種應 用中該工具可以以顛倒的方向4吏用並且類似地起作用，例如期望施加 在BHA上的壓力範圍在給定的範圍內而不用擔心啟動釋放序列。在 這樣的應用中，在掣爪24嚙合到容座中的情況下施加向井下的推力， 而不是向井上的拉力。與可選擇的卸壓裝置70結合使用時，在貯存室 56和58之間沒有流體流動，直到超過預定的力為止。這種結構可以 結合升沉補償器一起用於海上鑽井。
本領域技術人員現在可以意識到，描述的工具可以允許施加的力 為約IOO， OOO磅或更大，而夾頭設計過去更有限使得施加力降低為約 40, 000磅或更小。夾頭設計上的這些低的極限過去有時不足以超過 在極斜井眼中的工作管柱上的摩擦和打滑/卡阻效應。釆用穿過窗口的 掣爪結構，更具體地說具有使用支腿28和30的厚的上端部和下端部 的掣爪設計，至少部分地導致了例如施加更大的力以避開障礙以及檢 驗工具在特定接箍內的期望槽中的位置的能力。止回閥68的使用允許工具在釋放後迅速找到其中立位置，以便如果需要的話可以迅速地重
復檢驗。限流器66的使用允許地面具有更多的時間在釋放前保持力， 並且進一步允許在一段時間後但是在釋放前減少施加的力以減少釋放 帶來的彈弓效應。如果力保持在使卸壓裝置保持關閉的水平，卸壓裝 置70允許以任何期望的時間來施加力而不用擔心釋放。貯存室內使用 的流體可以是液體或氣體。補償器62是可選擇的部件。根據所需的用 途，該工具可在井中以相反的定向使用。儘管顯示了4個掣爪24,但 可以使用一個或多個這樣的掣爪。彈簧36和40的施加偏壓可以由等 同裝置實現。
儘管本發明在一定程度上以特例的形式被描述，但顯然可以在構 造細節和部件布置上進行很多改變而不偏離本公開的實質和範圍。應
當認識到，本發明不限於這裡給出的具體實施例，而是僅由所附權利
要求的範圍限制，權利要求的範圍包括每個部件具有的等同物的全部範圍。
權利要求
1.一種用於選擇性地在井下嚙合並在這樣選擇性嚙合時承受預定施加力的工具，包括具有縱軸線的心軸；安裝到所述心軸上的套筒，該套筒還包括至少一個窗口，通過該窗口安裝掣爪，該掣爪用於徑向延伸以在井下嚙合和在井下縮回以釋放。
2. 如權利要求l所述的工具，其中 所述套筒相對於所述心軸可相對移動。
3. 如權利要求2所述的工具，其中 所述相對運動的速度被調節。
4. 如權利要求3所述的工具，其中 所述相對運動在一個方向上比相反方向上調節得少。
5. 如權利要求3所述的工具，其中 所述調節包括驅動流體通過限流裝置。
6. 如權利要求5所述的工具，其中所述限流裝置調節在一個方向上貯存室之間的流動，並調節在相 反方向上旁通經過所述限流裝置的貯存室之間的流動。
7. 如權利要求6所述的工具，其中所述旁通是通過止回閥發生，該止回閥安裝在與所述限流裝置所 處的第二通道不同的位於所述貯存室之間的分立通道內。
8. 如權利要求7所述的工具，其中所述第二通道還包括卸壓裝置，該卸壓裝置防止貯存室之間的流 動，直到在其中一個所述貯存室中達到預定的壓力。
9. 如權利要求3所述的工具，其中所述心軸和所述套筒之間的所述相對運動產生了驅動流體從第一 貯存室到第二貯存室的壓力，所述調節從所述貯存室之間的限流器發
10. 如權利要求9所述的工具，其中在所述掣爪在井下徑向延伸並嚙合的情況下，響應於施加到所述 心軸的力， 一預定的相對運動允許所述掣爪縮回；所述限流器控制允許所述掣爪發生縮回的所述相對運動的時間， 以在所述掣爪縮回之前有足夠時間允許施加力的下降。
11. 如權利要求l所述的工具，其中所述心軸包括多個凹槽，以在所述掣爪在井下徑向延伸而嚙合的 情況下，當在相反的方向上向所述心軸施加力時，允許所述掣爪縮回。
12. 如權利要求11所述的工具，其中朝井下端部相鄰的支腿，所述支腿選擇性地橫跨或進入所述凹槽。
13. 如權利要求12所述的工具，其中 所述支腿使所述掣爪基本上為U形。
14. 如權利要求l所述的工具，其中當所述掣爪在井下徑向延伸和嚙合時，所述掣爪能承受施加在所 述心軸上的至少約100， OOO磅的拉力。
15. 如權利要求l所述的工具，其中 所述套筒在兩相反方向被偏壓。
16. 如權利要求15所述的工具，其中 在一個方向上的所述偏壓超過在另一個方向上的所述偏壓。
17. 如權利要求l所述的工具，其中 不管所述工具的哪個端部朝向井下，所述工具都起作用。
18. —種用於選擇性在井下嚙合並在這樣選擇性嚙合時承受預定 施加力的工具，包括具有縱軸線的心軸；至少一個掣爪，其安裝到所述心軸上，以相對於所述軸線選擇性 地並徑向地移動，以在井下嚙合和釋放；調節裝置，當所述掣爪被嚙合而且力施加到所述心軸時，該調節 裝置控制所述心軸和所述掣爪之間相對運動的速度。
19. 如權利要求18所述的工具，其中所述調節裝置包括互連的貯存室，貯存室之間由流體限流器隔開； 因此當所述掣爪在井下嚙合時向所述心軸施加力產生了在所述歌 存室之間的流動。
20. 如權利要求19所述的工具，其中所述限流器安裝在第一通道內，帶有止回閥的旁通通道安裝在第 二通道內。
21. 如權利要求20所述的工具，其中所述掣爪通過套筒中的窗口安裝，所述套筒可滑動地安裝在所述 心軸上，因此在流體被促使通過所述限流器的這樣一個方向對所述心 軸和所述套筒之間的相對運動速度進行限制，而在流體旁通通過所述 限流器並流經止回閥的這樣一個相反方向不進行限制。
22. 如權利要求21所述的工具，其中卸壓裝置與所述限流器安裝成一直線，以防止流動通過限流器， 直到在所述掣爪在井下嚙合的情況下預定的力施加到所述心軸為止。
23. 如權利要求21所述的工具，其中所述套筒在兩相反方向上被偏壓，其中在一個方向上的偏壓超過 在另一個方向上的偏壓。
24. 如權利要求21所述的工具，其中所述掣爪包括向著所述心軸延伸的至少一個支腿，所述心軸包括 至少一個凹槽，以當所述心軸和所述套筒之間的充分相對運動4吏所述 支腿與所述凹槽對準時，允許所述掣爪向著所述套筒縮回。
25. 如權利要求19所述的工具，其中所述貯存室在所述貯存室內流體的熱效應和井筒內的流體靜壓力 方面糹皮補償。
26. 如權利要求9所述的工具，其中當工具被下入井筒中時，隨著所述套筒避開井筒內的障礙物，當 所述相對運動發生時不產生驅動流體的所述壓力。
全文摘要
一種多用途的工具，其特徵在於一個或多個能在井筒中與接箍槽或限制接頭嚙合的掣爪(24)。該掣爪可延伸通過在相反方向被偏壓的套筒(20)，並由心軸(10)支撐。該掣爪(24)可以縮回進心軸槽(44，46，48)中，以避開下入井筒途中遇到的障礙。在直到剛剛通過的接箍的途中，該掣爪嚙合，而且在心軸上施加的向上拉力使流體通過節流裝置，以允許有足夠的時間來獲得關於向上拉力的有意義的地面信號。其後，當該掣爪以較低的施加力釋放時，施加的力可以被減少，以減少彈弓效應。該工具可以被顛倒，以用於在使用升沉補償器的海上鑽井過程中在井底鑽具組合上保持恆定的力。
文檔編號E21B47/09GK101203659SQ200680018720
公開日2008年6月18日 申請日期2006年4月12日 優先權日2005年4月12日
發明者M·P·科羅納多 申請人:貝克休斯公司