CN101275460A - 热致动器 - Google Patents

Abstract

本发明披露了热致动的致动器和方法。一个在井眼中期望的位置使得第一部件与第二部件分离的系统的实施例，包括含有膨胀材料的分离工具，该分离工具当膨胀材料响应于期望的位置的温度而出现确定的膨胀时，可从使得第一与第二部件相互连接的锁定位置致动至使得第一与第二部件分离的解锁位置。

Description

热致动器

技术领域

本发明主要涉及致动器，特别是一种热致动的致动器。

背景技术

油田工具和作业中通常使用致动器来移位构件，以获得期望的结果，如打开或关闭阀、移位套筒、加强密封(energizing a seal)、或者分离部件。在井下井眼(wellbore)作业中，目前的技术需要一种表面干预来致动该致动器。表面干预的例子主要包括操纵钻柱(well string：或井管柱)和通过钻柱给致动器施加液压。在至少一个分离装置中，使用诸如蒸汽或腐蚀剂的热流来溶化止动构件，从而分离相互连接的组件。

理想的是，为井下作业提供一种自备式致动器，其不需要表面干预来致动。更理想的是，提供一种致动装置，其由致动器所处的环境的周围条件来致动。更理想的是，提供一种致动器，其由材料响应于周围环境温度的膨胀或收缩而致动。

发明内容

由此，提供热致动的致动器和方法。在一个实施例中，致动器组件包括第一部分、第二部分、将第一部分和第二部分可释放地锁定在使得第一和第二部分相互连接的锁定位置、以及与锁定装置操作连接的膨胀材料，该膨胀材料响应于暴露在选定的温度中而膨胀，这致动(或移动)锁紧装置到使得第一部分与第二部分分离的解锁位置。

在井眼中期望的位置从第二部件分离第一部件的系统的实施例包括含有膨胀材料的分离工具，当膨胀材料响应于期望的位置的温度出现确定的膨胀(determined expansion)时该分离工具可以从使得第一和第二部件相互连接的锁定位置致动(或移动)至使得第一和第二部件分离的解锁位置。

在井眼中期望的位置从第二部件分离第一部件的方法的实施例包括步骤：提供具有第一部分、第二部分和含有膨胀材料的分离工具，该分离工具具有使得第一和第二部分相互连接的锁定位置和使得第一和第二部分分离的解锁位置；在锁定位置组装(making up)分离工具；将第一部件连接至第一部分，并将第二部件连接至第二部分；将分离工具定位在井中期望的位置；当膨胀材料响应于分离工具暴露在井眼中期望位置的温度而出现确定的膨胀时，使分离工具致动(或移动)至解锁位置。

上述内容大致描述了本发明的特征和技术效果，以更好地理解下面的对本发明的详细说明。下文中将描述形成本发明的权利要求的主题的其他特征和效果。

附图说明

结合以下附图，参考下文的本发明的具体实施例的详细描述，可以很好地理解上述以及本发明的其他特征和方面。其中：

图1是使用本发明的一个实施例的热致动器作为分离装置的井眼的示意图；

图2是在锁定位置的热致动器的一个实施例的示意图；

图3是在解锁位置的热致动器的一个实施例的示意图；以及

图4是热致动器的一个实施例的示意图，显示第一部件从第二部件分离。

具体实施方式

参考这些附图，其中描述的部件不必须依比例来显示，并且其中相同或相似的构件在全部的几幅图中用相同的附图标记来指明。

在此，术语“向上”和“向下”；“上面的”和“下面的”；以及其他类似的术语，指示一给定点或部件的相对的位置，用来更清楚地描述本发明的实施例的部件。通常，这些术语与一参考点相关，如钻井作业开始的表面为顶点，井的整个深度为最低点。

这里公开的内容教导了一种致动装置和方法，所述致动装置和方法利用该装置所处的位置的环境温度致动。在此所描述的本发明涉及在井眼作业中用于井下的分离装置(disconnect device)的实施例。然而，应认识到，该装置和方法也可以使用在各种作业和工序中，如切换阀构件、加强密封等。

图1是一井眼的示意图，其中热致动器10的一个实施例用作分离装置。井眼12从地面14钻到地下层16。热致动器10使得第一部件18和第二部件20相互连接，以使这些构件相互结合地下送到井眼12中。当将致动器10和构件18、20定位到井眼12中期望的位置时，使致动器10致动以分离构件18和20。

在图示的实施例，第一部件18是挠性油管，第二部件20是油管管柱。油管管柱20是主油管管柱(primary tubing string)，用来将挠性油管管柱18下送到位而不被破坏。一旦挠性管18到位，地下层16中的热量使致动器10致动至一分离位置，在该分离位置挠性管18与管柱20脱离。然后挠性管18可以从井眼12中移出，而将油管管柱20留在适当位置以便在下一作业中使用，或将油管管柱20留在不与主油管管柱20连接的位置。

参考图2，图2显示了在锁定位置的热致动器10的一实施例。热致动器包括与第二部分24可分离地连接的第一部分22，活塞26和热致膨胀材料28。

第一部分22为圆柱体，该圆柱体具有连接端30、反向颈(opposingneck)32、和内腔室34。颈32形成一通向腔室34的开口，其尺寸形成为可容纳活塞26的一部分。具有臂和膨胀部分或指状物38的套爪(collet)36从颈32大体上轴向延伸。

图示连接端30为与挠性油管18连接的带螺纹连接件(图1)。其他连接方式，如焊接等也可以用于连接端30。

第二部分24包括大致管状的外壳，该外壳形成一适于容纳颈32和活塞26的空腔50。第二部分24的内表面42轮廓形成为包括至少一个凹进部件44，当致动器10位于第一或锁定位置时，用于容纳套爪36的膨胀区域38。活塞26包括一个外部的，台阶形平台46，其具有一突出部分，当致动器10位于锁定位置时，该突出部分使膨胀区域38保持在凹进部件44中。活塞26还可以包括一个直径扩大端52。

当位于该锁定位置，第一部分22和活塞26通过机构48，通常为剪切机构(shear mechanism)，保持相互连接。剪切机构可以包括任何剪切、破裂、易碎或割裂型的装置，如销、螺钉、盘、或其他在施加一确定的力时就解开连接的装置。

活塞26、膨胀区域38和凹进部件44相互结合地运作，用作可释放的锁定机构60。锁定机构60在锁定位置使得第一和第二部分在相对于彼此固定的位置相互连接，以防止在工具下送到井眼内时第一和第二部分发生意外的或提前的分离。热致膨胀材料28操作连接至锁定机构60。如图3所示，当材料28做出确定的膨胀时，致动锁定机构60至解锁位置。

第二部分24也包括连接端40，其适用于与油管管柱20(图1)连接。对于图示和所描述的实施例，连接端40是适于焊接至油管管柱的接头(sub)。然而，应当认识到，连接端40可以包括其他接合方式，如攻丝，以符合所期望的应用。

热致膨胀材料28提供将锁定机构60移动至解锁位置的激发或致动能量。材料28可以包括任何响应于热能而膨胀的材料(液体、固体、或气体)。材料28的体积热膨胀系数必须是使材料响应于表面14(图1)的温度与地层16的期望深度处的温度之间的温度差而膨胀。虽然用于致动分离装置10的操作器可以供给热量，但通常期望当暴露在地层16中的期望位置的环境温度中时出现致动。膨胀材料的例子包括液压油(它容易适用于大多数的应用)、固体和气体。许多制造商都提供适用的液压油，例如壳牌公司(Shell)提供的名为TELLUS 32的液压油。材料28的选择、腔室34的体积、以及活塞26的移动范围，可以被调整以满足该表面与期望的致动位置之间的温度差。

现在说明在锁定或者下送位置组装热致动器10。活塞26与膨胀端部52定位在空腔50内。端部52位于距离空腔50的后壁54一定距离处，以留下一空间56。活塞26的外部平台46推动并保持所述套爪36的膨胀区域38在内表面42的凹进部件44中。保持机构58，如卡簧(snap spring)，可以从第二部分24定位成接合活塞26的膨胀端部52。第一部件18连接至第一部分22，且第二部件20连接至第二部分24。热致膨胀材料28设置在腔室34中，使其填满腔室34的体积，直至活塞26。对于本示例，填充0.25升液压油到腔室34中，直至活塞26。该表面或下送(run-in)温度是20摄氏度。期望的致动点处的预期温度是100摄氏度，在该点处液压油的体积将膨胀至0.267升。

现在参考图1至4描述热致动器10的操作。热致动器10在使得第一部件18和第二部件20相互连接的锁定位置组装。部件18、20和致动器10下送到井眼12中至期望的深度和位置。

暴露致动器，更确切地，暴露膨胀材料28至地层16中相对于表面14升高的温度中，使材料28膨胀。材料28膨胀，从而向轴向远离第一部分22和腔室34的方向推动活塞26。剪切机构48将活塞26保持在固定的位置，且第一第一部分22维持腔室34的体积大体上不变。材料28的膨胀产生的压力作用在活塞26的区域61上，从而在剪切机构48上施加一个力。腔室34中的压力上升，直到超过剪切机构48的能力，从而释放第一部分22与活塞26之间的连接。然后，材料28的膨胀带来的压力轴向移动活塞26。随着活塞26的移动，套爪36的膨胀区域38径向向内向着外部台阶46逐渐减小的直径部分移动，这从凹进部件44和第二部分24之间的接合松开区域38。图3显示位于解锁位置的致动器10。在锁定机构60解锁的情况下，第一部分22从第二部分24分离。

如图4所示，当端部52向空腔50的后壁移动时，保持机构58向着活塞26径向向内移动。保持机构58的位置在空腔50内围绕活塞形成限制。该限制维持活塞26与第二部分24连接，从而防止活塞26释放至井眼中，并防止在锁定位置重新接合锁定机构60。图4显示当对第一部分22施加一向上的力时，第一部分22和第二部分24分离的情形。

从上述对本发明的具体实施例的详细描述，显然公开了一种新颖的热致动器。虽然在此详细公开了本发明的具体实施例，但这仅是为了描述本发明的各种特征和各个方面，而不是限制本发明的保护范围。可以预期：在不偏离所附权利要求书中限定的本发明的精神和保护范围的情况下，可以对这些公开的实施例做出各种替换、变化、和/或修改(包括但不限于这里所暗示的变型)。

Claims (20)

1、一种致动器组件，包括：

第一部分；

第二部分；

在使得第一和第二部分相互连接的锁定位置可释放地锁定第一部分和第二部分的装置；以及

与锁定装置操作连接的膨胀材料，该膨胀材料响应于暴露在选定的温度中而膨胀，从而致动锁定装置至使得第一部分与第二部分分离的解锁位置。

2、权利要求1的组件，其中所述膨胀材料包括液体、固体、或气体中的一种。

3、权利要求1的组件，其中所述膨胀材料包括油。

4、权利要求1的组件，其中所述锁定装置包括从第一部分延伸的构件，该构件具有当锁定装置处于锁定位置时接合第二部分的膨胀区域。

5、权利要求4的组件，其中所述锁定装置包括可在锁定位置和解锁位置之间轴向移动的活塞。

6、权利要求5的组件，还包括连接在第一部分与活塞之间的剪切机构，该剪切机构用于将锁定装置保持在锁定位置，直至膨胀材料发生确定的膨胀。

7、权利要求5的组件，还包括连接在第二部分和活塞之间的保持机构，当锁定装置在解锁位置时，该保持机构维持活塞与第二部分连接。

8、权利要求6的组件，还包括连接在第二部分和活塞之间的保持机构，当锁定装置在解锁位置时，该保持机构维持活塞与第二部分连接。

9、一种在井眼中期望的位置使得第二部件与第一部件分离的系统，该系统包括含有膨胀材料的分离工具，当膨胀材料响应于期望的位置的温度而出现确定的膨胀时，该分离工具能够从使得第一和第二部件相互连接的锁定位置致动至使得第一和第二部件分离的解锁位置。

10、权利要求9的系统，其中所述分离工具包括：

连接至第一部件的第一部分，该第一部分具有容纳该材料的内腔室和形成通向腔室的开口的颈；

连接至第二部件的第二部分，该第二部分具有空腔，在该工具位于锁定位置时所述空腔容纳该颈；以及

锁定机构，所述锁定机构将第一部分和第二部分可释放地保持在锁定位置。

11、权利要求10的系统，其中所述锁定机构包括当工具在锁定位置时连接至第一部分的活塞。

12、权利要求11的系统，还包括连接在第二部分和活塞之间的保持机构，当该工具在解锁位置时该保持机构保持活塞与第二部分连接。

13、权利要求9的系统，其中所述分离工具包括：

连接至第一部件的第一部分，该第一部分具有容纳该材料的内腔室和形成通向腔室的开口的颈；

连接至第二部件的第二部分，该第二部分具有容纳该颈的空腔；

具有膨胀区域的构件，该构件从颈轴向延伸至空腔内；

设置在颈和空腔内的活塞，当该工具在锁定位置时，所述活塞推动膨胀区域使其与第二部分接合；以及

当该工具在锁定位置时连接在第一部分与活塞之间的剪切机构，该剪切机构当膨胀材料出现确定的膨胀时释放该连接。

14、权利要求13的系统，还包括连接在第二部分和活塞之间的保持机构，当该工具在解锁位置时该保持机构保持活塞与第二部分连接。

15、权利要求9的系统，其中膨胀材料包括液体、固体、或气体中的一种。

16、权利要求13的系统，其中膨胀材料包括液体、固体、或气体中的一种。

17、一种在井眼中的期望的位置使得第一部件与第二部件分离的方法，所述方法包括如下步骤：

提供具有第一部分、第二部分和含有膨胀材料的分离工具，该分离工具具有使得第一和第二部分相互连接的锁定位置和使得第一和第二部分分离的解锁位置；

在所述锁定位置组装分离工具；

将第一部件连接至第一部分，且将第二部件连接至第二部分；

将分离工具定位在井中期望的位置；和

当膨胀材料响应于分离工具暴露在井眼中的所述期望位置的温度而出现确定的膨胀时，致动分离工具至所述解锁位置。

18、权利要求17的方法，进一步包括步骤：当使得第一部分与第二部分分离时保持活塞与第二部分连接。

19、权利要求17的方法，其中所述膨胀材料包括液体、固体、或气体中的一种。

20、权利要求18的方法，其中所述膨胀材料包括油。

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