CN101484661B - 用于运行钻井工具的液压定量供应阀 - Google Patents

Abstract

用于运行在例如为打开和闭合构型的两个极端构型之间的有限增量内可轴向移动的滑动套筒阀或其他井下钻井工具(14)的方法和系统。本发明描述了一种定量供应装置，其具有一对活塞定量供应装置(36、38)，它们运行在并联的流道内。第一活塞定量供应装置(36)使钻井工具的套筒从完全闭合位置移动到零位。第二活塞定量供应装置可以重复地加压和减压，以连续地从致动器定量供应预定的流体量，用于以连续的增量将套筒阀的套筒移向完全打开位置。

Description

用于运行钻井工具的液压定量供应阀

技术领域

本发明通常涉及用于运行井下设备的液压定量供应装置(metering device)，例如滑动套筒阀。

背景技术

许多井下设备液压地运行。有时，响应于井下条件的改变，以步进方式运行这些设备是合意的。例如，生产管柱可以具有与生产接头相连的滑动套筒阀，以控制流体进入生产管柱中的流动。能够通过提升在打开和闭合位置之间移动滑动套筒，这是合意的。该调节将允许流体通过生产接头流进管柱，以与从其他生产接头流入所述管柱中的流体相平衡。

利用定量供应装置以步进方式可调节地运行井下设备的尝试已经做过。不幸的是，大多数这些装置证明在结构和运行上是复杂的。例如，Schultz等提出的题为“用于井下工具的液压控制系统”的PCT申请PCT/US00/12329号描述了用于多井工具装置的液压控制系统，其包括定量供应装置。该定量供应装置采用两个泵。其中一个泵响应于第二液压管路中的压力波动将流体从第一液压管路传送到钻井工具装置的致动器，并且另外一个泵响应于第一液压管路中的压力波动将流体从第二液压管路传送到致动器。该系统需要多个泵和相应的液压管路的事实使得该系统在实际中复杂和昂贵。

Purkis的美国专利6585051号描述了多个在井下环境下使用的定量供应装置，以排出已知容量的流体到钻井工具致动器。这些定量供应装置相对复杂，因此在使用中易于失效。此外，多个所述的定量供应装置结合有多个弹性O形圈，以在定量供应装置内产生流体紧密封。这些O形圈在运行过程中易于被磨损并失效，使得已知容量的定量供应不可靠。

此外，现有技术中的定量供应装置都对流到井下设备上的入口中的流体进行定量供应。这在一些情况下是有问题的。

本发明致力于现有技术中的这些问题。

发明内容

本发明提供用于运行滑动套筒阀或其他井下钻井工具的装置和方法，该滑动套筒阀或其他井下钻井工具在例如为打开和闭合位置的两个极端位置之间的有限数量的增量内可轴向移动。描述了一种定量供应装置，该定量供应装置具有一对活塞定量供应装置，它们运行在并联的流道内。第一活塞定量供应装置是“零位”活塞装置，当被致动时，其将钻井工具的套筒从完全闭合位置移动到零位。第二活塞定量供应装置是增量活塞装置，其可以重复地加压和减压，以连续地从致动器定量供应预定的流体量，用于以连续的增量将套筒阀的套筒移向完全打开位置。该套筒阀可以通过逆向加压该定量供应装置而移回到完全闭合位置。

在其他方面，本发明涉及采用液压定量供应装置运行井下工具、例如滑动套筒阀的方法，使得该工具在例如为打开和闭合位置的两个极端位置之间增量地调节。实际中，本发明的定量供应装置和方法不像现有技术中的定量供应装置那样复杂，其使用的组件的特性使得该定量供应装置不易产生由磨损导致的问题，例如弹性O形圈的磨损。

本发明的定量供应装置的另一个优点是，为了运行钻井工具，该定量供应装置能够可操作地连接到钻井工具致动器的或者“打开”管路(流体入口)或者“闭合”管路(流体出口)。在当前优选的实施例中，该定量供应装置连接到钻井工具致动器的流体出口，以已知的增量定量从致动器中流出的流体，致使钻井工具以步进、增量方式被致动。

附图说明

本发明的优点和其他方面将通过下面结合附图的详细说明而更好地为本领域技术人员所理解，其中，在附图的这几个图中，类似的参考符号表述类似或相似的元件，其中：

图1是根据本发明的与液压定量供应阀相连的具有完全闭合的滑动套筒阀的钻井工具系统的示意图。

图2是图1所示的装置的示意图，其中的滑动套筒阀处于零位。

图3是图1和2所示的装置的示意图，其中的滑动套筒阀处于部分打开位置。

图4是图1-3所示的装置的示意图，其中的滑动套筒阀处于完全打开位置。

图5A-5B提供示例的液压定量供应阀的侧面剖视图，该阀根据本发明构造，使用于图1-3所示的钻井工具系统中并处于非受压条件下。

图6A-6B提供图5A-5B所描述的装置的侧面剖视图，现在处于受压条件下。

图7为在图5A-5B和6A-6B所示的装置中使用的自由活塞及其周围组件的放大的剖视图。

具体实施方式

图1-4描述了钻井系统10，该系统包括钻井致动器12和相应的钻井工具14。该钻井工具14是这样的工具，其可以在两个极端位置或构造之间以步进方式运行。需要注意的是，系统10的组件只是示意性地示出，在实际中，它们将整合到井孔生产管柱或类似钻井工具的一个或多个外壳或子件(未示出)中。合适的钻井工具致动器12的一个例子是可以从Baker Oil Tools of Houston，Texas购得的“HCM-A”滑动套筒阀液压致动器。该致动器12提供有液压“打开”管路16和液压“闭合”管路18。如同很快将详细描述的那样，为了将钻井工具14移向打开构造，液压“打开”管路16中的流体压力将上升，而为了将钻井工具14移向闭合构造，“闭合”管路18内的流体压力将升高。

在当前的优选实施例中，如在图1-4中所示的，钻井工具14包括现有技术中已知类型的滑动套筒阀。在本实施例中，该滑动套筒阀包括大致圆柱形的外壳20和可以相对于该外壳20移动的管状套筒22。可对齐的流体流口控制套筒阀14的外壳20的径向外部和外壳20的内部流孔24之间的流体流动。该外壳20包括流体流口26，内部流体密封件28位于其每个轴向端上。套筒22具有贯穿设置的横向孔30。在完全闭合位置，如图1所示，套筒22的口30不与外壳20的口26对齐，外壳20的径向外部和流孔24之间的流体流动被流体密封件28堵塞。在完全打开位置(图4)，套筒22的口30与外壳20的口26完全对齐，以允许最大量的流体流过套筒阀14。当套筒阀14用作生产管柱内的流体节流器时，能够在完全打开和完全闭合位置之间的中间位置以步进方式移动套筒22是符合需要的。这将允许流体流量根据改变的钻井条件而调节，例如从周围地层获得的生产流体内含水量增加，而需要平衡从一个地层获得的产品和从其他地层获得的产品。

液压定量供应装置，通常用附图标记32指示，与套筒阀致动器12的闭合管路或流体出口18相连。还是参考图1-4，该定量供应装置32通常包括上游过滤器34、一对活塞定量供应装置36、38、和下游过滤器40。下游过滤器40可操作地与延伸到井孔(未示出)表面的另外的液压控制管路42互连。液压流体管路44使上游过滤器34与第一活塞定量供应装置36互连，而液压流体管路46使上游过滤器34与第二活塞定量供应装置38互连。此外，液压流体管路48使第一活塞定量供应装置36与下游过滤器40互连，而液压流体管路50使第二活塞定量供应装置38与下游过滤器40互连。需要注意的是，上游和下游过滤器34、40用作流体过滤器，用于帮助排除系统内液压流体中的碎屑，还用于将流体流分为并联的流动路径。经由流体出口18而流出致动器12的流体将通过上游过滤器34分流，从而流体将流入第一活塞定量供应装置36和第二活塞定量供应装置38。相反地，流体以相反方向流过控制管路42，下游过滤器40将使流入并联流动路径内的流动流分流，该流入并联流动路径内的流动将通过第一活塞定量供应装置36和第二流体定量供应装置38。这样，有并联的流动路径通过定量供应装置32。

液压定量供应装置32的部分更清晰地描述在图5A-5B和图6A-6B中。第一活塞定量供应装置36称为“零位”活塞装置，并包括管状活塞外壳52，在外壳52相对轴向端上各自具有上、下端部子件54、56。活塞腔58限定在外壳52和端部子件54、56内。每个端部子件54、56包括其中限定出的轴向流体流道60，以允许流体进入或流出活塞腔58。这样，端部子件54用作活塞腔58的流体出口，而端部子件56提供流体入口。活塞腔58保留有“零位”自由活塞64，该活塞在腔58内可以可滑动地移动。该自由活塞64包括弹簧偏压单向阀66，该单向阀允许自由活塞64两边的流体单向流动。自由活塞64和单向阀66的结构细节通过参考图7将更显而易见。如同在那里所描绘的，单向阀66容纳在自由活塞64的本体68的流道67内，并包括通过可压缩弹簧74偏压于阀座72上的阀球元件70。需要注意的是，环形流体密封件76包围着自由活塞64的本体68以产生与外壳52的流体密封。

第二活塞定量供应装置38指示为增量活塞装置，并包括管状活塞外壳80，在外壳80相对轴向端上安装有上、下端部子件82、84。流体通道86设置为轴向通过每个端部子件82、84。增量活塞腔88限定在端部子件82、84之间的活塞外壳80内。端部子件84为腔88提供流体入口，而端部子件82提供流体出口。该活塞腔88包括增量活塞泵，大致表示在附图标记90处。该增量活塞泵90用于连续地转移预定的已知量的流体通过增量活塞装置38的活塞腔88，并包括径向地包围活塞件94的活塞套筒92。该活塞件以增大的压力接收端96、减小直径的轴部98和增大的活塞头为特征。该活塞件94相对于套筒92在回收位置(图5A)和延伸位置(图5B)之间可移动。当移动到延伸位置时，增大的活塞头100通过端部子件82的流体出口转移流体容量，并有基本相同容量的流体从致动器12抽入到端部子件84的入口中。活塞件94的增大的活塞头100接触压缩弹簧件104的端部102，该压缩弹簧件设置在腔88内。该弹簧104将活塞件94偏压向回收位置。尽管图中示例的弹簧104是螺旋型弹簧，本领域技术人员将认识到，其他可压缩弹簧设计也能够方便地使用，包括例如贝氏(Belleville)垫圈堆或流体弹簧，如本领域所已知的。当液压流体管路46内的流体压力升高时，流体压力承压在压力接收端部96，以迫使活塞件94相对于套筒92向延伸位置轴向移动，而弹簧件104被活塞头100压制(参见图6A)。需要注意的是，尽管活塞件94的压力接收端96可以以相对紧的配合设置在周围的套筒92内，但没有弹性件或其他流体密封件位于活塞件94和套筒92之间。这样，可以预期有一些流体压力将在运行过程中从活塞件94和套筒92之间渗出。

回到图1-4，现在将描述采用定量供应装置32的整个工具系统10的一般运行过程。该工具系统10进入井孔(未示出)中，而滑动套筒阀14如图1所示处于闭合位置。在开始过程中，该定量供应装置32处于如图5A-5B所示的初始的、未受压条件下。当想要将套筒阀14移动到部分打开位置时，液压控制管路42中的流体压力相对于液压管路18中的压力下降。这个压差将引起零位自由活塞64从与下端帽56接触的初始位置移动到图6A所示的受压位置。在该受压位置，自由活塞64与上端帽54接触或接近上端帽54。自由活塞64的该运动将引起致动器12轴向向下移动外壳20内的套筒22，从而套筒22的口30移动到与外壳20的口26接近重叠的点(如图2所示)。该位置指示为“零位”。在当前的优选实施例中，自由活塞64的运动将引起套筒22相对于外壳20移动10.604″。

第一和第二活塞定量供应装置36、38以液压并联方式互连。因此，在定量供应装置32两边上的压差也将引起增量活塞泵90从如图5A所示的初始位置移动到如图6A所示的受压位置，从而从致动器12转移另外容量的流体。然后套筒22将相对于外壳20移动另外的量，从而现在套筒22的口30与外壳20的口稍微重叠，以允许小量的流体通过套筒阀14。这样，套筒阀14将部分地打开。需要注意的是，当增量活塞泵90处于受压位置时，活塞件94的增大的压力接收端96将与轴108中通过套筒92本体的限制件106接合，从而限制活塞件94相对于周围的套筒92的运动。当活塞件94已经以这种方式移动时，弹簧104受压，如图6A所示。

如果需要进一步打开套筒阀14以允许更大的流体流，这通过首先减小定量供应装置32两边的压差再将其升高而实现。当压差减小时，增量活塞装置38的弹簧104将迫使活塞件94回到其初始的、未受压位置，如图5A所示。由于在活塞件94的增大端96和周围的套筒92之间没有弹性密封件或其他流体密封件，流体可以在活塞件94和套筒92之间渗出并使压力相等，从而允许弹簧104将活塞件94弹回到其初始位置。零位活塞定量供应装置36的自由活塞64将保持在其受压位置，如图6A-6B所示。

在该点上，定量供应装置32两边的压差增加以引起增量活塞泵90再次被致动，从而活塞件94移动到如图6A所示的延伸位置。该致动从致动器12定量供应另外的流体量，将套筒阀14的套筒22向如图4所示的完全打开位置移动另外的增加量。本领域技术人员将认识到，定量供应装置32两边的压差可以重复地升高和下降，用于以步进方式将套筒22移动到如图4所示的完全打开的位置。

为了使滑动套筒阀14回到其完全闭合的位置，液压流体被泵送到流体管路42中，以在定量供应装置32两边形成反向压差。零位自由活塞64将通过增加的流体压力的作用而移动到如图5A所示的位置。进入到零位活塞定量供应装置36中的液压流体也将迫使单向阀66的阀球件70离开阀座72并允许流体流过自由活塞和进入端部子件56的流道60及到达致动器12。该流体将引起致动器使套筒阀14回到图1所示的完全闭合的位置。滑动套筒阀14可以在任何时候以这种方式移动到完全闭合的位置，而不考虑套筒阀14所处的构型(也即，零位、部分打开、完全打开)。

在所述的实施例中，定量供应装置32可操作地与流体出口、或致动器12的“闭合”管路28连通。然而，通过把定量供应装置安装在流体入口、或致动器12的“打开”管路16处来运行钻井工具致动器也是可以的，从而定量供应流体从定量供应装置32进入致动器12。需要理解的是，不管是在致动器12的入口侧还是在致动器12的出口侧互连，定量供应装置32通过定量供应已知量的流体通过该定量供应装置32以步进方式运行钻井工具14。

根据本发明构造的定量供应装置结构简单、运行可靠。此外，由于只需要很少的弹性件、例如O形圈密封件用于运行定量供应装置，因此使得装置能够更加耐受磨损相关的问题或与高温井下环境相关的问题。

本领域技术人员将认识到，可以对这里所述的示例的设计和实施例进行许多修改和变形，本发明只受限于后面的权利要求及其中的任何等同方案。

Claims (15)

1.一种定量供应装置，通过使流体定量穿过该定量供应装置，以步进方式运行可操作地连接的钻井工具，该定量供应装置包括：

a)用于定量供应第一流体容量的第一活塞定量供应装置，该第一活塞定量供应装置包括：

活塞外壳，该活塞外壳具有流体入口和流体出口以及限定在该外壳内的活塞腔；

自由活塞，该自由活塞可移动地设置在该活塞腔内；

b)用于定量供应第二流体容量的第二活塞定量供应装置，该第二活塞定量供应装置包括：

活塞外壳，该活塞外壳具有流体入口和流体出口以及限定在该外壳内的增量活塞腔；和

增量活塞泵，该增量活塞泵用于连续地转移第二流体容量通过该增量活塞腔。

2.根据权利要求1所述的定量供应装置，其中，所述增量活塞泵包括：

设置在该增量活塞腔内的套筒，该套筒具有轴向地从中通过的流体通路；

可移动地设置在该套筒的流体通路内的活塞件，该活塞件具有压力接收端部，用于接收来自流体入口的流体压力，该活塞件还可以在回收位置和延伸位置之间移动，在所述延伸位置中，所述第二流体容量被转移；和

用于将活塞件朝其回收位置偏压的弹簧。

3.根据权利要求1所述的定量供应装置，其中，所述自由活塞包括流体通路，以允许流体流动通过该自由活塞，并且还包括该流体通路内的单向阀，以允许流体单向流动通过该流体通路。

4.根据权利要求1所述的定量供应装置，其中，所述第一和第二活塞定量供应装置以液压并联方式互连。

5.一种钻井工具系统，包括：

a)钻井工具，该钻井工具能够通过在两个极端构型之间的有限增量内移动该钻井工具中的组件而运行；

b)液压定量供应装置，该液压定量供应装置可操作地互连到钻井工具，以在流体量通过该定量供应装置定量供应时增量地移动所述组件，该定量供应装置包括：

用于转移第一流体容量通过该定量供应装置的第一活塞定量供应装置；和

与该第一活塞定量供应装置并联的用于转移第二流体容量通过该定量供应装置的第二活塞定量供应装置；其中，

所述第一活塞定量供应装置包括：活塞外壳，该活塞外壳具有流体入口和流体出口以及限定在该外壳内的活塞腔；和自由活塞，该自由活塞可移动地设置在该活塞腔内；并且

所述第二活塞定量供应装置包括：活塞外壳，该活塞外壳具有流体入口和流体出口以及限定在该外壳内的增量活塞腔；和增量活塞泵，该增量活塞泵用于连续转移所述第二流体容量通过该增量活塞腔。

6.根据权利要求5所述的钻井工具系统，其中，所述钻井工具包括滑动套筒阀，所述组件包括在该滑动套筒阀内的套筒，并且所述两个极端构型包括打开和闭合构型。

7.根据权利要求5所述的钻井工具系统，还包括用于所述钻井工具的致动器，并且其中所述液压定量供应装置与所述钻井工具可操作地互连，以通过从该致动器定量供应出流体以移动该钻井工具组件。

8.用于运行井下钻井工具的方法，该钻井工具具有在闭合和打开构型之间的有限增量内能够轴向移动的组件，该方法包括步骤：

a)将液压定量供应装置与钻井工具连通，使得在流体通过该定量供应装置定量供应时该钻井工具的组件移动，其该定量供应装置包括：用于转移第一流体容量通过该定量供应装置的第一活塞定量供应装置；和与该第一活塞定量供应装置并联的用于转移第二流体容量通过该定量供应装置的第二活塞定量供应装置；其中，所述第一活塞定量供应装置包括：活塞外壳，该活塞外壳具有流体入口和流体出口以及限定在该外壳内的活塞腔；和自由活塞，该自由活塞可移动地设置在该活塞腔内；并且所述第二活塞定量供应装置包括：活塞外壳，该活塞外壳具有流体入口和流体出口以及限定在该外壳内的增量活塞腔；和增量活塞泵，该增量活塞泵用于连续转移所述第二流体容量通过该增量活塞腔；

b)在井眼内设置该钻井工具和定量供应装置，该钻井工具处于闭合构型；

c)致动该定量供应装置，以将该钻井工具的组件从其闭合构型移动到中间的、部分打开构型。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，致动该定量供应装置以将该钻井工具的组件移动到中间的、部分打开构型的步骤包括：

转移第一容量的流体通过该定量供应装置的第一活塞定量供应装置，以移动该组件，使得该钻井工具处于零位；和

转移第二容量的流体通过该定量供应装置的第二活塞定量供应装置，以移动该组件，使得该钻井工具处于部分打开位置。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括进一步致动该定量供应装置以将该钻井工具移动到完全打开位置的步骤。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，转移第一容量的流体通过第一活塞定量供应装置的步骤包括在该第一活塞定量供应装置的活塞腔内液压地移动自由活塞。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，转移第二容量的流体通过第二活塞定量供应装置的步骤包括在该第二活塞定量供应装置的活塞腔内液压地移动自由活塞。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，该液压定量供应装置与用于钻井工具的致动器的流体出口连通，并且当流体从该致动器定量供应出来时，该钻井工具移向打开构型。

14.根据权利要求9所述的方法，还包括将钻井工具移动到完全闭合位置的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，将钻井工具移动到完全闭合位置的步骤包括：

使流体流入到该第一活塞定量供应装置内；

打开在该第一活塞定量供应装置内的自由活塞中的单向阀，以使流体流动通过该自由活塞并进入到用于钻井工具的致动器中，从而闭合该钻井工具。

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