CN101675207A - 释放装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下系统，该井下系统包括用于驱动操作工具(2)的驱动单元(7)。驱动单元设置在所述系统的第一部分中，且操作工具设置在所述系统的第二部分中。所述系统还包括用于将操作工具和第二部分从该系统的第一部分释放的释放装置(12，13)。

Description

释放装置

技术领域

本发明涉及一种用于执行例如在井下地层中钻井的井下操作的井下系统。该系统沿纵向延伸，且包括设置在该系统的第一部分中的用于驱动操作工具的驱动单元、设置在该系统的第二部分中的用于执行井下操作的操作工具和设置在该系统的第一部分中的用于将第一部分从第二部分释放的释放装置。

背景技术

当执行例如在地下地层中钻井、清洗井等的井下操作时会使用井下系统。井下系统由专门用于待执行的操作的多个工具构成。即使井下系统是为了具体的操作而制造的，某些工具也可为了其它操作而重复使用。

一种井下系统是钻井系统，该钻井系统包括带有钻头的钻井工具和用于驱动钻井工具的马达。如果在钻井时钻头被卡住，则钻头可能被损坏；但是，该系统的其余部分可能仍未受损且因此可重复使用，除非该其余部分和钻头一起被卡住。

为了解决此问题，制造了多个释放装置，使得在钻井期间钻头被卡住时该钻头可从所述系统的其余部分释放。当从地面上的控制单元向系统中的动力单元发送信号时，钻头被释放，该动力单元随后将流体压入释放装置，其中加压流体用于钻头的机械释放。

如果从地面到该系统的通信被中断，那么就不能释放钻头。此外，如果动力单元被卡住，那么钻头也不能被释放。

发明内容

本发明的一个方面是至少部分地克服上述井下系统的缺点，并提供一种改进的井下系统，该井下系统即使在来自地面的动力被中断的情况下也能够释放被卡住的操作工具。

通过一种用于执行例如在井下地层中钻井的井下操作且具有纵向延伸(方向)的井下系统获得由下文描述中显出的所述方面和优点，该井下系统包括：

-设置在该系统的第一部分中的用于驱动操作工具的驱动单元，其中，操作工具设置在所述系统的第二部分中、用于执行井下操作、且具有连接装置，和

-设置在所述系统的第一部分中的释放装置，包括：

-一组臂部，该一组臂部沿相对于所述系统的纵向延伸(方向)基本为横向的方向可动，和

-推动装置，该推动装置沿所述系统的纵向延伸(方向)可动以用于沿横向方向推动臂部，以用于和操作工具的连接装置接合，

其中，推动装置由动力装置提供动力，以用于沿横向方向推动臂部且将臂部推动成与操作工具的连接装置接合，并在无动力时释放操作工具。

通过使得动力装置在推动装置上提供连续的作用力以便使得推动装置和连接装置接合，即使从所述系统切断电动力，井下系统也总是能够释放第一部分。这是因为当井下系统无动力时动力装置不能在推动装置上提供作用力。

在一个实施例中，所述一组臂部可自由移动，且仅通过连接装置和推动装置保持就位并与连接装置接合。

此外，动力装置无动力(状态)持续一段预定的时间时，推动装置可释放操作工具。

在一个实施例中，所述系统可具有定时器，该定时器控制动力装置以用于释放操作工具。此外，这种定时器可利用电力工作。

在一个实施例中，可通过缆线给所述系统提供动力，且该系统可具有检测装置以检测缆线中的电流变化。检测装置可以是非接触式装置，例如拾波器/拾音器、电容、或霍尔传感器。

在一个实施例中，动力装置可通过使用液力给推动装置提供动力，且驱动单元通过活塞驱动动力装置。

在另一实施例中，动力装置可通过由驱动单元驱动的齿轮装置给推动装置提供动力。

在又一实施例中，动力装置可通过使用电力经由控制单元给推动装置提供动力。

此外，所述一组臂部可以是管件的一部分，该管件的一端紧固于工具的第一部分，且在其另一端分成所述一组臂部。

此外，推动装置可在管件内延伸，以便沿基本为横向的方向推动所述一组臂部。

在一个实施例中，臂部可由例如金属材料制成，使得推动装置可沿横向方向弯曲该臂部。

此外，推动装置可以是心轴、锥体或管件。

此外，推动装置可从所述系统的第一部分朝向该系统的第二部分移动，以用于和连接装置接合。

此外，井下系统还可包括泵和/或流体清洁器。

此外，操作工具可以是封隔元件、钻井工具、射孔工具等。

此外，本发明涉及一种根据上文所述的释放装置，和这种用于将操作工具从井下系统的驱动单元释放的释放用途。

最后，本发明涉及一种操作方法，该操作方法包括以下步骤：

-向井下系统开启电动力，

-通过迫使井下系统的推动装置和操作工具的连接装置接合而将操作工具连接于井下系统，

-借助于操作工具进行井下操作，和

-当井下系统的动力被切断时自动释放操作工具。

附图说明

下面结合附图详细描述本发明，其中：

图1示出根据本发明的井下系统；

图2示出释放装置处于其被释放的位置的剖视图；

图3示出释放装置处于其未被释放的位置的剖视图；

图4示出释放装置的另一实施例处于其未被释放的位置的剖视图；

图5示出释放装置的另一实施例处于其未被释放的位置的剖视图；以及

图6示出释放装置的又一实施例处于其未被释放的位置的剖视图。

所述附图仅是示意性的且为了说明的目的而示出。

具体实施方式

图1示出包括钻头2和用于使钻头2旋转的驱动单元7的井下系统1的一个实施例。在驱动单元7和钻头2之间，该系统1包括控制单元6、流体清洁器5、泵4和根据本发明的释放装置3。

驱动单元7可以是任何类型的马达，优选是通过缆线8获得动力的电动马达。钻头2被驱动单元7驱动以特定的速度和特定的钻压(WOB)旋转，使得在钻井过程中钻头刃10朝向例如地层9的纵向位移(速度)保持不变。

马达7具有用于驱动钻头2的轴。该轴可通过齿轮连接部连接于钻头2。通过这种方法，一个钻头2可被另外的钻头2替换。

控制单元6由马达7提供动力以控制钻井过程，并且控制单元通过缆线8与地面通信，因此可以从地面控制所述控制单元。

此外，系统1包括用于在钻井过程中使钻井流体清洁的流体清洁器5和泵4。该泵4被驱动单元7驱动，以用于吸取流体通过流体清洁器5且通过钻头2中的出口11流出。为了提高钻井效率，流体被喷射通过出口11，以便使碎片从地层9脱落并将碎片从钻头2冲走。

在此实施例中，泵4还用于给释放装置3提供动力。该泵4可以是任何类型的合适的泵。在此实施例中，泵4是一级离心泵，但是在其它实施例中，泵4可以是多级离心泵、喷射泵或活塞泵。

图2和图3中示出根据本发明的释放装置3。在图2中，释放装置3显示为处于其释放位置，使得该系统1的第一部分从该系统1的第二部分释放。通过这种方法，被卡的工具例如钻头2可从系统1的其余部分释放，使得井下剩余的仅有的部分是被卡的钻头2。从而系统1中的工具其余部分可重复用于其它目的或连接于其它钻头2。

释放装置3包括在系统1的第一部分的壳体内，且自身包括一组用于连接于例如钻井工具2、封隔元件、射孔枪等的操作工具的连接装置14的臂部12。

因此，释放装置3可用于释放井下被卡的工具的一部分，但也可用于取回井下元件，例如封隔元件。通常封隔元件用于在井下封闭井，且通过工具留在井下。释放装置3的所述一组臂部12设计成适合大多数封隔元件的凸缘，以便能够将井下系统1的释放装置3连接于封隔元件并取回该元件，从而重新开启井。

所述一组臂部12沿相对于系统1的纵向延伸(方向)为基本横向的方向可动，且被推动装置13推动与连接装置14接合，该推动装置13沿系统1的纵向延伸(方向)可动。推动装置13由动力装置提供动力，以用于沿横向方向推动臂部12且将臂部推动成与操作工具2的连接装置接合，且因此在无动力时释放操作工具。

推动装置13可大致沿系统1的纵向延伸(方向)从系统1的第一部分向系统1的第二部分移动，以便迫使臂部12和连接装置14接合。动力装置通过在推动装置上提供连续的作用力来给推动装置13提供动力，以用于和连接装置接合。该连续的作用力在操作工具执行的操作期间可变。

在操作工具在井下被卡住的情况下，井下系统1的操作员通过控制单元6给动力装置发送信号，以便切断作用在推动装置13上的动力，在此之后推动装置13释放其与操作工具2的连接装置14的接合。在另一实施例中，操作员切断对井下系统1的电力连接，在此之后操作工具2被释放。

在井下操作期间，系统1可松开其与地面上的电连接，或操作员可断开上述电连接。当不再为井下系统1供电时，动力装置松开其迫使推动装置13和连接装置14接合的动力，且推动装置13不再保持作用在推动装置13上的上述连续作用力。因此，推动装置13被从其与连接装置14的接合释放、操作工具2被释放、且不带操作工具2的所述工具的第一部分可从井下被拉回。

在电力被临时切断情况下，井下系统1可临时释放操作工具。但是，当电力恢复时，动力装置重新获得其动力以迫使推动装置13和连接装置14接合以用于紧固操作工具。在根据本发明的一些工具中，井下系统可存储一些备用电力。

这样，井下系统1可具有电池，该电池能够在一定的时间内给所述工具提供动力使得操作工具不被释放，直到电池的动力被用完为止。通过这种方法，电池能够补偿动力故障或中断以便防止不希望的释放。当电力恢复时，电池重新充电。

在一个实施例中，所述系统包括定时器，该定时器设定成在一段预定的时间后释放操作工具，该段预定的时间通常设定成比期望的操作时间长8-10小时。该定时器向动力装置发送信号，以便释放该动力装置作用在推动装置上的动力。

井下系统通过缆线提供动力。为了防止在动力故障期间操作工具被释放，所述系统具有检测装置以便检测缆线中的电流变化。如果没有电流，就开启备用电源，例如电池，且在动力恢复时再断开(备用电源)。

在一个实施例中，当在缆线或电线中检测到电流时，检测装置向定时器提供重设信号，从而定时器被重设。当井下系统丧失其电力动力，定时器被开启，且当定时器的预定时间段结束时，操作工具被释放。

在一个实施例中，定时器是电子定时器，但是，该定时器也可以是机械定时器。检测装置是例如拾取器、线圈、电容、或霍尔传感器等的非接触式装置。在另一实施例中，检测装置可以是与缆线或井下系统中任何其它电线中的电流相接触的伏特计等。

在图2和图3所示的实施例中，动力装置是液压装置，例如泵，该泵具有在活塞壳体中被驱动且被驱动单元7驱动的活塞。当该活塞在壳体中受迫向前以用于推动推动装置13向下朝向所述一组臂部12时，推动装置13迫使臂部12向外朝向井下系统1的周边。当驱动单元7，例如电动马达被电力断开时，该驱动单元不再能够驱动泵和从而驱动活塞在活塞壳体中向前以迫使推动装置13向下。因此，所述一组臂部12从操作工具的连接装置断开。

在另一实施例中，动力装置通过由驱动单元7驱动的齿轮装置给推动装置13提供动力。驱动单元7迫使齿轮装置的齿轮旋转，从而推动装置13朝向臂部移动且该臂部移动成与连接装置接合。当动力被切断时，驱动单元7不再能够迫使齿轮压靠于推动装置13，且齿轮反方向旋转，直到该齿轮返回至其初始位置为止。在另一实施例中，动力装置利用电力例如利用磁性通过控制单元6给推动装置13提供动力。

通过缆线8向驱动单元7提供动力，且当缆线8损坏时，驱动单元7不再能够给井下系统1的任何部分提供动力。在井下系统1被电力断开的情况下，释放装置3将操作工具从井下系统1的其余部分释放，且该系统1从而总是可被拖至地面使得可修复电力连接。

在操作工具2是射孔枪的情况下，该系统1可能在射孔操作期间损坏以致该系统1被电力断开。此外，如果操作工具是钻井工具且该工具在钻井操作期间被卡住，该系统1可过载且从而丧失来自地面的动力。即使该系统1与动力断开，释放装置3仍然能够释放操作工具2，使得该系统1的其余部分可被带至地面上。

当井下系统被修复时，可尝试将该系统重新置入(井下)并连接至操作工具，以便将该工具带至地面上，使得可开始新的操作。

在图2和图3中，所述一组臂部12构造为管件，该管件的一端紧固于所述系统1的第一部分，且在其另一端分开成一组臂部12。各个臂部具有突起，该突起在被推动装置13推动时能够向外机械锁定于连接装置14的凸缘中。每个臂部在其向内的一侧朝向释放装置的中央渐细，从而在推动装置13向下移动时，臂部12沿所述系统的纵向延伸方向的横向方向受力。这里，所述一组臂部12显示为四个臂部；但是该一组臂部也可仅包括两个或三个臂部。推动装置13设置在管件内，且可朝下移动以用于将臂部向外推动成与操作工具2的连接装置14接合。从而，臂部的一部分向外弯曲以和连接装置14接合。在此实施例中，连接装置14具有凸缘，该凸缘设置在与操作工具2的头部相对的端部。推动装置13是心轴，但其自身也可以是管件。

如图4所示，推动装置13也可以是管件的形式。在此实施例中，推动装置推靠在一组两个臂部12的外侧，以便将臂部12向内按压成与操作工具2的凸缘接合。当推动工具13不再迫使臂部向内时，臂部12被弹簧装置15迫使向外，该弹簧装置设置成将臂部12从与操作工具2的凸缘14的接合撤回。臂部被连接以用于绕穿过两个臂部的多槽/键轴的形式的点16旋转。当释放装置处于未释放的位置时，操作工具和井下系统的第一部分的壳体17还通过密封装置20密封。

图5中推动装置13是锥体13的形式，该锥体推动一组臂部12的一端24，以用于将臂部12的另一端25和操作工具2的连接装置14相连。锥体13连接于活塞，该活塞密封地连接于活塞壳体19。各臂部12被连接以便绕穿过各个臂部12的多槽/键轴的形式的点16旋转。弹簧装置15迫使臂部12的一端24向内朝向系统1的中央，从而可在推动装置13不再推动臂部的一端24时释放操作工具2。弹簧装置15连接于系统1的壳体17。每个臂部具有突起26，该突起用于通过将连接装置接合进凸缘下方的凹槽中而将凸缘机械地锁定。

图4和图5所示的连接装置具有凸缘和凹槽，但可以是具有一个或多个用于和各个臂部的钩或突起接合的突起的任何形状。

在图6中示出的另一实施例中，锥体形推动装置13压迫一组臂部12，使得各个臂部被沿横向的径向方向推动，以用于和操作工具的连接装置接合。连接装置14部分地是设有凹槽的管件的形式，该凹槽用于接纳臂部12以与臂部接合。当臂部12和连接装置14接合时，连接装置14的管件部分被密封地连接于工具22的外壳。弹簧15将锥体13推向臂部12。弹簧15封闭在活塞壳体19中，在该活塞壳体中安置有锥体13的活塞部分。活塞壳体19和锥体13的活塞部分构成一腔室21，该腔室被密封装置20密封，且该腔室填充有气体，例如空气。

为了将臂部12从连接装置14释放从而将操作工具2从系统1的其余部分释放，孔口18被致动，使得流体通过孔口18进入以便涌入腔体23，臂部置于该腔体中。该腔体23形成于连接装置和锥体之间。所述流体取自系统的外侧，且由于该系统没入井下而具有高压。从而，流体的高压能够按压锥体13从而将活塞压入活塞壳19中，并能够克服弹簧15的作用力。

当操作工具2被从驱动单元释放时，臂部12离开系统并和操作工具一起保留在井中，在此之后该系统的其余部分被拖至地面。

通过位于孔口18中的阀执行孔口的致动。检测装置位于系统的第二部分中的电线周围，且检测电线中是否有电流。当检测装置在电线中检测到电流时，检测装置重设定时器；当电线中不再出现任何电流时，定时器向阀发送信号以使得(阀)开启，以便使得流体流入工具。定时器和阀由电池供电。定时器通常设置成在一段预定的时间段后发送释放信号，使得动力故障不释放工具。

所述阀可以是可借助于电动力操作的任何形式的阀，例如电磁阀。

孔口18也可通过从各孔口去除塞子而被致动。该塞子由一物件保持就位，当此物件被去除时，该塞子从该孔口掉出且流体能够涌入系统。

在一个实施例中，所述物件被电磁阀保持就位，该电磁阀在定时器给出信号时释放物件；在另一实施例中，该物件被熔化掉。

系统1被构造成用于不同的目的，因此包括不同的工具，例如泵4、流体清洁器5、钻井工具、射孔枪、封隔元件等。在系统1的一些设计中，系统1构造成使得在系统1的第二部分中设置有其它工具，在操作工具2在井下被卡住的情况下，所述其它工具和操作工具2一起被释放。

根据本发明，钻头2可以是任何类型的钻头。在此实施例中，钻头2是具有三个钻头刃10的排列体，所述排列体位于其上的钻头2旋转以使得钻头刃10从地层切下碎片。在另一实施例中，钻头2具有三个带有多个钻头刃10的轮，该轮在钻井期间相对于彼此旋转。在钻头2的又一示例中，钻头2具有带有多个钻头刃10的两个臂部，该臂部在钻井时旋转。

沿相对于所述系统的纵向延伸(方向)基本为横向的方向可动的一组臂部12表示能够和操作工具2的连接装置14接合的任何装置，例如任何并不紧固于周围物体而是仅通过其周围物体——例如通过连接装置和推动装置——保持就位且与连接装置14接合的装置。

在图1中，井下系统1显示为包括流体清洁器和泵；但是该系统可包括其它工具，该工具取决于待执行的操作。因此，井下系统1并不一定需要包括流体清洁器或泵。

如上所述，操作工具2可以是封隔元件或射孔枪。但是，在另一实施例中，操作工具2可以是例如清管器的其它元件，该元件要被从管线或套管带出。因此，(在该实施例中)井下系统只需包括释放装置3和驱动单元。

如果井下系统1不能完全没入套管，可使用井下牵引机推动井下系统1在井中完全就位。井下牵引机是能够在井下推拉所述工具的任何一种驱动工具，例如Well

Claims (21)

1.一种用于执行例如在井下地层中钻井的井下操作且具有纵向延伸方向的井下系统(1)，包括：

-设置在该系统的第一部分中的用于驱动操作工具(2)的驱动单元(7)，其中操作工具设置在所述系统的第二部分中、用于执行井下操作、且具有连接装置，和

-设置在所述系统的第一部分中的释放装置(3)，该释放装置包括：

-一组臂部(12)，该一组臂部沿相对于所述系统的纵向延伸方向基本为横向的方向可动，和

-推动装置(13)，该推动装置沿所述系统的纵向延伸方向可动以用于沿横向方向推动臂部，以用于和操作工具的连接装置接合，

其中，推动装置由动力装置提供动力，以用于沿横向方向推动臂部且将臂部推动成与操作工具的连接装置(14)接合，并在无动力时释放操作工具。

2.根据权利要求1所述的井下系统，其特征在于，所述一组臂部可自由移动，且仅通过连接装置和推动装置保持就位并与连接装置接合。

3.根据权利要求1所述的井下系统，其特征在于，当动力装置无动力持续一段预定的时间时，所述推动装置可释放操作工具。

4.根据权利要求1所述的井下系统，其特征在于，所述系统具有定时器，该定时器控制动力装置以用于释放操作工具。

5.根据权利要求4所述的井下系统，其特征在于，所述定时器利用电力工作。

6.根据权利要求4或5所述的井下系统，其特征在于，可通过缆线给所述系统提供动力，且所述系统具有检测装置以检测缆线中的电流变化。

7.根据权利要求6所述的井下系统，其特征在于，所述检测装置是非接触式装置。

8.根据权利要求7所述的井下系统，其特征在于，所述非接触式装置是拾取器、电容、或霍尔传感器。

9.根据前述权利要求中的任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述动力装置通过使用液力给推动装置提供动力，且驱动单元通过活塞驱动动力装置。

10.根据权利要求1-8中任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述动力装置通过由驱动单元驱动的齿轮装置给推动装置提供动力。

11.根据权利要求1-8中任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述动力装置通过使用电力经由控制单元给推动装置提供动力。

12.根据前述权利要求中的任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述一组臂部是管件的一部分，该管件的一端紧固于工具的第一部分，且在其另一端分成所述一组臂部。

13.根据前述权利要求中的任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述推动装置可在管件内延伸，以便沿基本为横向的方向推动所述一组臂部。

14.根据前述权利要求中的任何一项所述的井下系统，其特征在于，臂部可由例如金属的材料制成，使得推动装置可沿横向方向弯曲该臂部。

15.根据前述权利要求中的任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述推动装置可以是心轴、锥体或管件。

16.根据前述权利要求中的任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述推动装置可从该系统的第一部分向该系统的第二部分移动，以用于和连接装置接合。

17.根据前述权利要求中的任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述井下系统还包括泵和/或流体清洁器。

18.根据前述权利要求中的任何一项所述的井下系统，其特征在于，所述操作工具(2)是封隔元件、钻井工具、射孔工具等。

19.一种根据前述权利要求中的任何一项所述的释放装置。

20.一种根据前述权利要求中的任何一项所述的释放装置的用于将操作工具从井下系统的驱动单元释放的用途。

21.一种操作方法，该操作方法包括以下步骤：

-向井下系统开启电动力，

-通过迫使井下系统的推动装置和操作工具的连接装置接合而将操作工具连接于井下系统，

-借助于操作工具进行井下操作，和

-当井下系统的动力被切断时自动释放操作工具。

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