CN101203659A - 具有流体调节特征的井下定位装置 - Google Patents

Abstract

一种多用途的工具，其特征在于一个或多个能在井筒中与接箍槽或限制接头啮合的掣爪(24)。该掣爪可延伸通过在相反方向被偏压的套筒(20)，并由心轴(10)支撑。该掣爪(24)可以缩回进心轴槽(44，46，48)中，以避开下入井筒途中遇到的障碍。在直到刚刚通过的接箍的途中，该掣爪啮合，而且在心轴上施加的向上拉力使流体通过节流装置，以允许有足够的时间来获得关于向上拉力的有意义的地面信号。其后，当该掣爪以较低的施加力释放时，施加的力可以被减少，以减少弹弓效应。该工具可以被颠倒，以用于在使用升沉补偿器的海上钻井过程中在井底钻具组合上保持恒定的力。

Description

具有流体调节特征的井下定位装置

技术领域

本发明的技术领域是可以用在井下以在井筒中定位接箍和/或其它部件并给出这样位置的地面信号的装置，或者以颠倒方向可以被用于向井底钻具组合(BHA)施加预定载荷的装置。

背景技术

套筒柱中接箍和/或其它部件在井筒中的具体深度经常需要根据在地面指示接箍已经被恰当定位的信号而定位。在过去，利用在管柱上传送的具有一个或多个套爪的工具来完成该功能。套爪和支持它们的心轴被构造成允许套爪保持在用于向井下下入的不受支撑位置。当到达期望的接箍后，带套爪的工具进一步向井下进给，越过该接箍中的定位槽。接着，该工具向回提起以啮合接箍。通过这样做把套爪捕获到槽中，并施加向上拉力。对向上拉力的阻力在地面被检测到。套爪被设计成当达到预定水平的拉力之后被释放。

这种设计具有几个问题。在偏斜量很大的深井中，工作管柱有在周围管子中阻滞的风险，因此施加的向上拉力应该是与甚至还没有落入所述接箍的定位槽中的套爪上的拉力相抗的移动工作管柱所需的力。由深度和井斜导致的阻滞效应通常称作“打滑/卡阻效应”。如果存在打滑/卡阻效应，在地面上就会没有可确定的信号。另一个问题是可以施加到位于定位槽中的套爪头上的力的限制。尽管套爪结构可以被制得较厚，但问题是在捕获的套爪头上能经受的应力水平方面材料受限制。另一个问题是，把工具实际输送到期望接箍所需要的空间和工具直径受限制。这样，把部件制得较厚不足以有助于增加所需期望拉力的总等级，或者没有走这条路线所需的空间。基于套爪的系统的另一个问题是，一旦释放就会有弹弓效应，因为当达到预定拉力时随着套爪变得没有支撑，工作管柱上施加的拉力的储存势能突然释放。

因此，本发明所需要和所解决的是能够比基于套爪的设计应付更大的施加力并能消除弹弓效应的工具。其它理想的特征可以是内在的延迟，以允许以一定的时间段施加更大的载荷，以确保接箍被恰当定位而且已经克服了打滑/卡阻力。为了重复测试而在释放后把工具迅速重新设置备用也是一个特征。该工具可以被颠倒和恰当调整，以便向与海上钻井应用所用的升沉补偿器协同工作的井底钻具组合施加预定的向下的力。通过参考下面出现的优选实施例描述、附图以及确定本发明范围的权利要求，本发明这些和其它特征对于本领域技术人员将变得很明显。

发明内容

一种多用途的工具，其特征是一个或多个能在井筒中与接箍槽或限制接头啮合的掣爪。该掣爪可延伸通过在相反方向被偏压并由心轴支撑的套筒。该掣爪可以缩回进心轴槽中，以避开在下入井中时所遇到的障碍。在直到刚刚通过的接箍的途中，该掣爪啮合，而且心轴上向上的拉力使流体通过节流装置，以允许有足够的时间来获得向上拉力的有意义的地面信号。其后，当该掣爪以较低的施加力被释放时，施加的力可以被减少，以减少弹弓效应。该工具可以被颠倒，并用于在使用升沉补偿器的海上钻井过程中在井底钻具组合上保持恒定的力。

附图说明

附图1a-1b显示了在中立下入位置的工具的横截面；

附图2a-2b显示了处于在下入时避过障碍的位置的工具的横截面；

附图3a-3b显示了在释放前处于载荷施加位置的工具的横截面；

附图4是沿附图1b中4-4线的横截面；和

附图5是沿附图1a中5-5线的横截面视图。

具体实施方式

心轴10由顶部接头12、上部主体14、下部主体16和底部接头18构成。这些部件优选地螺纹连接在一起，但是可以以其它方式连接在一起。可使用更多或更少的部件来限定心轴10。外部套筒20具有用于每个使用的掣爪24的窗口22。可以使用一个或多个掣爪24。掣爪24在相对端部具有凸起26，在附图5中看得最清楚，以限制掣爪24相对于窗口22的向外运动。附图1a显示了掣爪24的横截面。在掣爪24的优选形式中，它基本上为U形，具有一对方向向里的支腿28和30。在下入井中的途中，掣爪24上的表面32将碰到障碍。在离开井的途中，掣爪24上的表面34将碰到障碍。

套筒20被安装成在心轴10上滑动。该套筒被抵在底部接头18的表面38上的弹簧36朝着井上方向偏压。弹簧40抵在顶部接头12的表面42上，并向套筒20施加与弹簧36反作用的力。优选地，为了将在下面解释的原因，弹簧40比弹簧36弱。

上部主体14具有三个槽44、46和48。这些槽足够深，以便当支腿28和30在槽中时，掣爪24的外表面50后退到窗口22的内部。通过这种方式，该工具可以经过障碍物而向井下运动，并当释放后被朝井上方向移走。如果在井筒中行进时表面32遇到障碍物，随着套筒20和掣爪24停止向井下的运动，弹簧40被压缩。心轴10继续向井下的运动不但压缩弹簧40，而且使槽44和46与掣爪24的支腿28和30对准，以允许支腿28和30缩回到更靠近中心轴线52的位置，且优选地在套筒20内。这时，可以经过障碍物，而且弹簧40可以把套筒20偏压回到附图1所示的中立位置。附图2显示了当避过向井下行进时遇到的障碍物后，通过弹簧40的作用，支腿28和30以凸轮动作的方式离开槽44和46。注意，斜面52和54利于支腿28和30在先前压缩的弹簧40的恢复力作用下从槽44和46中离开。当向井下行进时遇到的障碍物被避开时，掣爪24恢复到附图1所示的中立下入位置。

限定在套筒20和心轴10之间并在附图3中看的最清楚的是上部流体贮存室56和下部流体贮存室58。填充口60允许在地面充注流体。在互连贮存室的这个封闭系统中的热效应和流体静压力效应被活塞62完全补偿了，该活塞可由例如贝氏垫圈64或任何其它相当的装置来偏压。本领域技术人员将理解到这样补偿对装置结构的好处，尤其是当该装置在大的深度和/或高温场合应用时。附图4显示了补偿特征的这种实施。附图2b最好地显示了这个贮存室系统的其它特征。有一个限流器66，其调节从贮存室58进入贮存室56的流量。有一个止回阀68，当流体在相反的方向从贮存室56向贮存室58流动时，该止回阀68允许限流器66的旁通。一个卸压装置70与限流器66成一直线，以便当流体在从贮存室58到贮存室56的方向上受迫时，驱动压力将不得不有一压升，以在任何流动开始之前使这样的流动达到预定的水平。

一般地说，当掣爪24处于期望的位置，并且向心轴10上施加力时，流体系统起作用以产生延迟，以便在掣爪24从定位槽(未示出)中释放之前为这样的啮合产生地面信号。该系统用于允许在释放之前减少施加的拉力，以减少释放产生的弹弓效应。当与可选择的卸压装置70一起使用时，该工具可以被颠倒，并被用于向井底钻具组合施加预定范围的载荷，而不用担心过早的释放，例如在采用了升沉补偿系统的海上钻井应用中。

既然已经描述了主要构件，下面将详细描述该工具在不同应用中的操作。附图1显示了下入位置，其中掣爪24的支腿28和30在任一槽44、46和48之外。优选地，掣爪24被偏压到附图1的位置，其中，支腿28和30跨在槽46上，由于弹簧36压过弹簧4C，从而把套筒20移到附图1的位置。随着工具被带入井下，障碍物首先碰到掣爪24上的表面32。随着掣爪24停止了套筒20的下降，心轴10将继续向井下运动。当槽44和46与支腿28和30对准，掣爪24将能够充分缩回以允许工具继续通过障碍物。掣爪24可以尽可能必要的缩回在套筒20内，以允许避过障碍物。在掣爪24暂时卡在障碍物上的情况下，心轴10的前进将压缩弹簧40。当障碍物被避过之后，弹簧40松弛，以把工具从附图2的位置恢复到附图1的位置。应当注意到，当掣爪24被障碍物阻碍时，使心轴向井下前进将导致套筒20使掣爪24抵抗弹簧40的偏压，从而使套筒20的下端部21离开套筒25的上端部23，套筒相对于心轴10的相对运动在其它时候产生了在贮存室56和58之间的流体运动。在避开障碍物后把掣爪24恢复到附图1位置的这种运动的量也非常少。

当到达期望的深度时，该工具被向上提起，直到表面34啮合到期望的井下定位槽。在那时，来自工作管柱(未示出)的在心轴10上的进一步向上的拉力将促使流体从贮存室58通过限流器66进入贮存室56。这样就可在施加力时调节心轴10的移动速度，以使地面人员有时间来注意到这样的信号：期望的槽是否已经被啮合，而且施加的力是否远超过在斜井中工作管柱上的由于打滑/卡阻效应的摩擦而产生的潜在阻力。钻机操作人员就可以在实际释放发生之前实际上减少施加的拉力，以减少释放引起的弹弓效应。当心轴10移动足够的距离以使槽46和48与支腿28和30对准从而允许掣爪24缩回并且工具被恢复到附图1位置之后，发生释放。这种情况发生的原因是因为，当掣爪24在定位槽中时，向井上的拉动将压缩弹簧36，如图3所示。掣爪24的缩回允许弹簧36克服弹簧40的力，从而工具返回附图1位置，为下一个循环做好准备。通过使用可选择的卸压装置70，地面人员可以放心，达到预定水平的拉力将不启动释放序列。因此，在释放之前可以任意次地施加和取消力。本领域技术人员可以意识到，在一种应用中该工具可以以颠倒的方向使用并且类似地起作用，例如期望施加在BHA上的压力范围在给定的范围内而不用担心启动释放序列。在这样的应用中，在掣爪24啮合到容座中的情况下施加向井下的推力，而不是向井上的拉力。与可选择的卸压装置70结合使用时，在贮存室56和58之间没有流体流动，直到超过预定的力为止。这种结构可以结合升沉补偿器一起用于海上钻井。

本领域技术人员现在可以意识到，描述的工具可以允许施加的力为约100,000磅或更大，而夹头设计过去更有限使得施加力降低为约40,000磅或更小。夹头设计上的这些低的极限过去有时不足以超过在极斜井眼中的工作管柱上的摩擦和打滑/卡阻效应。采用穿过窗口的掣爪结构，更具体地说具有使用支腿28和30的厚的上端部和下端部的掣爪设计，至少部分地导致了例如施加更大的力以避开障碍以及检验工具在特定接箍内的期望槽中的位置的能力。止回阀68的使用允许工具在释放后迅速找到其中立位置，以便如果需要的话可以迅速地重复检验。限流器66的使用允许地面具有更多的时间在释放前保持力，并且进一步允许在一段时间后但是在释放前减少施加的力以减少释放带来的弹弓效应。如果力保持在使卸压装置保持关闭的水平，卸压装置70允许以任何期望的时间来施加力而不用担心释放。贮存室内使用的流体可以是液体或气体。补偿器62是可选择的部件。根据所需的用途，该工具可在井中以相反的定向使用。尽管显示了4个掣爪24，但可以使用一个或多个这样的掣爪。弹簧36和40的施加偏压可以由等同装置实现。

尽管本发明在一定程度上以特例的形式被描述，但显然可以在构造细节和部件布置上进行很多改变而不偏离本公开的实质和范围。应当认识到，本发明不限于这里给出的具体实施例，而是仅由所附权利要求的范围限制，权利要求的范围包括每个部件具有的等同物的全部范围。

Claims (26)

1.一种用于选择性地在井下啮合并在这样选择性啮合时承受预定施加力的工具，包括：

具有纵轴线的心轴；

安装到所述心轴上的套筒，该套筒还包括至少一个窗口，通过该窗口安装掣爪，该掣爪用于径向延伸以在井下啮合和在井下缩回以释放。

2.如权利要求1所述的工具，其中：

所述套筒相对于所述心轴可相对移动。

3.如权利要求2所述的工具，其中：

所述相对运动的速度被调节。

4.如权利要求3所述的工具，其中：

所述相对运动在一个方向上比相反方向上调节得少。

5.如权利要求3所述的工具，其中：

所述调节包括驱动流体通过限流装置。

6.如权利要求5所述的工具，其中：

所述限流装置调节在一个方向上贮存室之间的流动，并调节在相反方向上旁通经过所述限流装置的贮存室之间的流动。

7.如权利要求6所述的工具，其中：

所述旁通是通过止回阀发生，该止回阀安装在与所述限流装置所处的第二通道不同的位于所述贮存室之间的分立通道内。

8.如权利要求7所述的工具，其中：

所述第二通道还包括卸压装置，该卸压装置防止贮存室之间的流动，直到在其中一个所述贮存室中达到预定的压力。

9.如权利要求3所述的工具，其中：

所述心轴和所述套筒之间的所述相对运动产生了驱动流体从第一贮存室到第二贮存室的压力，所述调节从所述贮存室之间的限流器发生。

10.如权利要求9所述的工具，其中：

在所述掣爪在井下径向延伸并啮合的情况下，响应于施加到所述心轴的力，一预定的相对运动允许所述掣爪缩回；

所述限流器控制允许所述掣爪发生缩回的所述相对运动的时间，以在所述掣爪缩回之前有足够时间允许施加力的下降。

11.如权利要求1所述的工具，其中：

所述心轴包括多个凹槽，以在所述掣爪在井下径向延伸而啮合的情况下，当在相反的方向上向所述心轴施加力时，允许所述掣爪缩回。

12.如权利要求11所述的工具，其中：

所述掣爪包括朝井上端部和朝井下端部以及与所述朝井上端部和朝井下端部相邻的支腿，所述支腿选择性地横跨或进入所述凹槽。

13.如权利要求12所述的工具，其中：

所述支腿使所述掣爪基本上为U形。

14.如权利要求1所述的工具，其中：

当所述掣爪在井下径向延伸和啮合时，所述掣爪能承受施加在所述心轴上的至少约100,000磅的拉力。

15.如权利要求1所述的工具，其中：

所述套筒在两相反方向被偏压。

16.如权利要求15所述的工具，其中：

在一个方向上的所述偏压超过在另一个方向上的所述偏压。

17.如权利要求1所述的工具，其中：

不管所述工具的哪个端部朝向井下，所述工具都起作用。

18.一种用于选择性在井下啮合并在这样选择性啮合时承受预定施加力的工具，包括：

具有纵轴线的心轴；

至少一个掣爪，其安装到所述心轴上，以相对于所述轴线选择性地并径向地移动，以在井下啮合和释放；

调节装置，当所述掣爪被啮合而且力施加到所述心轴时，该调节装置控制所述心轴和所述掣爪之间相对运动的速度。

19.如权利要求18所述的工具，其中：

所述调节装置包括互连的贮存室，贮存室之间由流体限流器隔开；

因此当所述掣爪在井下啮合时向所述心轴施加力产生了在所述贮存室之间的流动。

20.如权利要求19所述的工具，其中：

所述限流器安装在第一通道内，带有止回阀的旁通通道安装在第二通道内。

21.如权利要求20所述的工具，其中：

所述掣爪通过套筒中的窗口安装，所述套筒可滑动地安装在所述心轴上，因此在流体被促使通过所述限流器的这样一个方向对所述心轴和所述套筒之间的相对运动速度进行限制，而在流体旁通通过所述限流器并流经止回阀的这样一个相反方向不进行限制。

22.如权利要求21所述的工具，其中：

卸压装置与所述限流器安装成一直线，以防止流动通过限流器，直到在所述掣爪在井下啮合的情况下预定的力施加到所述心轴为止。

23.如权利要求21所述的工具，其中：

所述套筒在两相反方向上被偏压，其中在一个方向上的偏压超过在另一个方向上的偏压。

24.如权利要求21所述的工具，其中：

所述掣爪包括向着所述心轴延伸的至少一个支腿，所述心轴包括至少一个凹槽，以当所述心轴和所述套筒之间的充分相对运动使所述支腿与所述凹槽对准时，允许所述掣爪向着所述套筒缩回。

25.如权利要求19所述的工具，其中：

所述贮存室在所述贮存室内流体的热效应和井筒内的流体静压力方面被补偿。

26.如权利要求9所述的工具，其中：

当工具被下入井筒中时，随着所述套筒避开井筒内的障碍物，当所述相对运动发生时不产生驱动流体的所述压力。

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