CN102197189B - 带有载荷转向系统的井下工具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下工具(10)，其用于在井眼内提供井下密封，以减少井下工具的密封构件(250)受到的加载。井下工具(10)可包括一对方向锁定构件(50、290)，至少其中一个构件可操作以通过井下工具的刚性部件传递井下工具(10)受到的加载，由此绕过密封构件(250)。

Description

带有载荷转向系统的井下工具和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2008年9月2日提交的US专利申请第13/203,013号的优先权，其全部内容在此援引加入。

技术领域

本发明涉及在井下位置固定井下工具，并更具体地涉及用于在井套管(casing)内固定例如封隔器之类的井下工具的方法。

背景技术

井下工具，例如封隔器、跨接封隔器、破裂塞(“压裂塞”)和桥塞，可固定在井下位置以使井眼的一个或多个部分与井眼的一个或多个其他部分隔离。

发明内容

根据一个方案的井下工具包括细长的工作筒、设在工作筒上的第一卡瓦组件和设在工作筒上的第二卡瓦组件。第一卡瓦组件可包括第一卡瓦和第一接合部，第一卡瓦能径向伸展以抓住(grip)井眼(井筒)壁。第一接合部可适合抓住工作筒阻止沿第一轴向的相反运动，并允许工作筒沿第二轴向的相对运动。第二卡瓦组件可包括第二卡瓦和第二接合部，第二卡瓦可径向伸展以抓住井眼壁。第二接合部可适合抓住工作筒阻止沿第一轴向的相对运动，并允许工作筒沿第二轴向的相对运动。井下工具还包括设在工作筒上的、适合接合井眼壁的密封元件。

另一方案包括一种用于在井下工具的密封工具周围沿第一方向将加载转向的方法。该方法包括通过工作筒沿第一方向施加设定载荷，以使密封元件伸展来接触相邻表面，并在密封元件的由第一方向指示的第一侧上与相邻表面形成第一抓住接合，且在密封元件的与第一方向相反的第二侧上与相邻表面形成第二抓住接合。该方法还包括通过密封元件和第一抓住接合，通过工作筒沿第一方向传递加载；以及通过第二抓住接合，通过工作筒沿第二方向并绕过密封元件传递加载。

另一方案包括可配置在未设定形态与设定形态之间并适合提供井下密封的井下工具。该井下工具包括细长的工作筒和设在工作筒上的第一卡瓦组件，第一卡瓦组件包括第一接合部、适合抓住井眼壁的第一径向可扩张接合构件和适合扩张第一径向可扩张接合构件的第一楔形件。井下工具还包括设在工作筒上的第二卡瓦组件，第二卡瓦组件包括第二接合部、适合抓住井眼壁的第二径向可扩张接合构件和适合扩张第二径向可扩张接合构件的第二楔形件。密封元件可设在工作筒上并布置在第一卡瓦组件与第二卡瓦组件之间。密封元件可适合径向扩张以接合井眼壁。第一载荷路径在设定形态下延伸通过第二接合部并绕过密封元件，以沿第一轴向引导施加到所述工作筒的加载；而且第二载荷路径在设定形态下延伸通过密封元件和第一接合部，以沿第二轴向引导施加到工作筒的加载。

各种方案可包括以下一个或多个特征。密封元件可位于第一卡瓦组件与第二卡瓦组件之间。第一卡瓦组件与第二卡瓦组件可协作，以在工作筒沿第一轴向被加载时形成绕过密封元件的第一载荷路径，而在工作筒沿第二轴向被加载时形成包括密封元件的第二路径。第一接合部或第二接合部之一可包括抓住工作筒的楔形件。第一卡瓦组件、第二卡瓦组件或密封元件中的至少一个可适合液力致动。第一卡瓦组件、第二卡瓦组件或密封元件中的至少一个可适合通过测井电缆致动工具(wireline actuation tool)致动。第一接合部或第二接合部中的至少一个可适合相对于工作筒沿第二轴向啮合(ratchet)。

各种方案还可包括以下一个或多个特征。相邻表面是井眼套管的内表面。与相邻表面形成第一抓住接合可包括在密封元件的第一侧上径向扩张第一接合构件，以抓住相邻表面；与相邻表面构成第二抓住接合可包括在密封元件的第二侧上径向扩张第二接合构件，以抓住相邻表面。径向扩张第一接合构件可包括在与第一方向相反的第二方向上，沿工作筒的长度啮合第二接合构件。径向扩张第二接合构件包括在与第一方向相反的第二方向上，沿工作筒的长度啮合第二接合构件。沿第一方向施加设定载荷可包括液力施加设定载荷。

各种方案可进一步包括以下一个或多个特征。第一卡瓦组件和第二卡瓦组件可协作以径向扩张密封元件。第一卡瓦组件或第二卡瓦组件中的至少一个可适合沿第一轴向沿工作筒啮合。第一卡瓦组件、第二卡瓦组件或密封元件中的至少一个可适合被液力致动。第一接合部或第二接合部中的至少一个可包括锁定环，该锁定环布置成邻近工作筒并可操作以便在第一轴向上沿工作筒啮合。第一接合部或第二接合部中的至少一个可包括楔形件。井下工具可包括设在工作筒上的壳体，以及具有基本为零的内压且形成于壳体与工作筒之间的通道。第一接合部可适合抓住工作筒阻止沿第一轴向的相对运动，并允许工作筒沿与第一轴向相反的第二轴向的相对运动。第二接合部可适合抓住工作筒阻止沿第一轴向的相对运动，并允许工作筒沿与第一轴向相反的第二轴向的相对运动。

在附图和以下的描述中给出一个或多个实施方案的细节。其它特征、目的和优点将由描述、附图和权利要求而成为显而易见的。

附图说明

图1示出从地表延伸并且其中布置有井下工具的井眼的示意图。

图2A-图2C示出由测井电缆致动工具致动并自顶向下(top-down)设定的处于行进形态的示例性井下工具。

图3A-图3C示出处于设定形态的图2A-图2C的示例性井下工具。

图4示出图2A-图2C和图3A-图3C所示的井下工具的示例性卡瓦环的详细视图。

图5是锁定环系统的详细视图。

图6是图5的锁定环系统的各种部件的详细视图。

图7A-7D示出液力致动并自顶向下设定的处于行进形态的示例性井下工具。

图8A-图8D示出处于设定形态的图7A-图7D的井下工具。

图9A-图9D示出液力致动并自顶向下设定的处于行进形态的示例性井下工具。

图10A-图10C示出处于设定形态的图9A-图9D的井下工具。

具体实施方式

本发明包括一种用于隔离井眼的一部分的井下工具。图1示出井下工具的一种应用示例形态。图1示出从地表2延伸的井眼1。井眼套管3沿井眼1的至少一部分延伸。套管3可用水泥浇注或以其他方式在井眼1内固定就位。井下系统4延伸到井眼1中，并包括井下工具5，井下工具5例如从管形工作管柱、测井电缆或其他部件延伸出来。井下工具5可为密封工具，当井下工具5处于设定形态时，其是可操作的，用以密封或基本密封经过井下工具5与井眼套管3之间形成的环形件6的流动。一旦设定，井下工具5可操作用以沿通过井下工具的刚性部件的一个方向(因此绕过井下工具5的弹性密封元件6)，传递施加到井下工具5的力。在相反的方向，力通过井下工具5的弹性构件6来传递。

图2A-图2C和图3A-图3C示出可用作图1所示的井下工具5的示例性井下工具10。图2A-图2C示出处于未设定或者说“行进”形态的井下工具10的局部剖视图，而图3A-图3C示出处于设定形态的井下工具10。当井下工具10正在被置于井眼内的期望位置时，井下工具10维持在行进形态。设定形态表示井下工具10在井眼内被设定就位之后的情况。图2A-图2C所示的井下工具10是被测井电缆致动的工具。然而，在某些情况下，井下工具可适当地以其他方式致动，例如液力(水力和/或流体静力)致动、通过操纵联结到井下工具的油管来机械致动、和/或以其他方式致动。参照图7A-图7D、图8A-图8D、图9A-图9D和图10A-图10C更详细讨论液力致动井下工具10的示例。

在此描述的井下工具在一些情况下可为封隔器。在其他情况下，井下工具可配置为用于主要沿一个方向密封的压裂塞，在一些情况下，压裂塞可只包括一个扩张构件，例如扩张构件260，其位于例如弹性密封构件270之类的弹性密封构件的一侧上。在另一些情况下，在此描述的井下工具可通过堵塞管形工作筒(例如下述的管形工作筒20)的内部通道配置为桥塞。

再参考图2A-图2C和图3A-图3C，井下工具10包括管形工作筒20，管形工作筒20可由彼此联结的多个管形元件构成，多个管形元件例如通过螺接、焊接或其他结合技术彼此联结。可选地，管形工作筒20可以是符合制造要求的独立单元式管体。井下工具10还可包括管形壳体30，管形壳体30围绕着管形工作筒20并且可相对于管形工作筒20滑动。管形壳体30还可由多个连接的管形部构成，多个管形部例如通过螺接、焊接或其他结合技术连接。因为在将井下工具10置于设定形态时，使管形壳体30向井下移动而使管形工作筒20向井上移动，所以图2A-图2C和图3A-图3C所示的井下工具10被称为是“自顶向下”设定的。参考图2A-图2C和图3A-图3C，如果井上位置(即朝向地表的位置)被认为处于图的左侧(如示出的)，则在将井下工具10置于设定形态时，管形壳体30沿箭头110的方向移动和/或管形工作筒20沿箭头120的方向移动。因为在将井下工具10置于设定形态时，管形壳体30向井上移动(即移动到图9A-图9D和图10A-图10C的左侧)和/或管形工作筒20向井下移动(即移动到图9A-图9D和图10A-图10C的右侧)，其他实施方案可被认为是“自底向上(bottom-up)”设定的(例如图9A-图9D和图10A-图10C所示的井下工具10)。

卡瓦环50布置在管形工作筒20与管形壳体30之间，接近于管形壳体30的第一端部40。在一些实施方案中，卡瓦环50可为楔形。卡瓦环50包括接合部60，接合部60由多个接合构件或齿70构成。图4示出卡瓦环50的详细视图。根据一些实施方案，齿70是多个不对称的齿。齿70可构成锯齿图案并配置为允许卡瓦环50相对于管形工作筒20沿一个方向运动，但是防止卡瓦环50相对于管形工作筒20沿相反方向运动。多个不对称的齿70可由形成于卡瓦环50的内表面上的多个同轴环形圈、或者一个或多个连续的螺旋状螺纹构成。如图所示，齿70的不对称形状可构成具有垂直或基本垂直的侧面90和倾斜的侧面100的锯齿图案。然而，图4所示的齿70的形状仅仅是一个示例。因此，齿70可呈其他形状。

卡瓦环50还可包括一个或多个狭缝(未示)；这些狭缝形成在卡瓦环50的边缘，沿卡瓦环的长度延伸穿过卡瓦环50并终止于一定距离处。在卡瓦环50上形成的交替的狭缝可具有位于卡瓦环50的两个相反边缘的起点，并具有位于卡瓦环50内接近卡瓦环的两个相反端部的终端。替代性地或附加性地，卡瓦环50可包括另一种狭缝，此另一种狭缝延伸完全穿过卡瓦环50的长度，造成卡瓦环50具有“C”形轮廓。上述的狭缝允许卡瓦环50径向弹性扩张而不发生塑性变形。可包括扣环125(图示处于管形壳体30中的凹槽130内)，以防止卡瓦环50在制造和/或组装期间从井下工具10移走，并沿管形工作筒20的外表面推动(驱动)卡瓦环50。

齿70的形态允许卡瓦环50沿箭头110的方向，沿管形工作筒20的外表面移动。然而，卡瓦环50沿箭头120的方向的运动造成齿“咬住”管形工作筒20，导致阻止运动的摩擦力增大。因此，卡瓦环50的齿70的定向限定了有利于卡瓦环50运动的方向。一般情况下，卡瓦环50能够沿对应于齿70的具有浅角度的侧面(本例中为侧面100)的方向移动，并阻止沿对应于齿70的具有垂直或基本垂直的侧面的侧面(本例中为侧面90)的方向运动。卡瓦环50与壳体30之间的界面限定的浅角度还有助于卡瓦环50沿一个方向卡住管形工作筒20、同时相对于管形工作筒20沿反方向移动的能力。

继续沿井下工具10，将第一卡瓦140保持在管形工作筒20周围，使第一楔形环150夹在第一卡瓦140与环形工作筒20之间。第一卡瓦140、楔形环150和卡瓦环50构成卡瓦组件155。类似于卡瓦环50，第一卡瓦140包括接合部160。如图2B所示，接合部160包括布置在第一卡瓦140的外表面上的多个接合构件或齿170。齿170的形状可以是不对称的。类似于上述的齿70，齿170包括倾斜的侧面180和垂直或基本垂直的侧面190。当第一卡瓦140处在伸展位置(extended position)时，齿170提供与井眼套管的锁定式接合。在伸展位置，第一卡瓦140阻止井下工具10沿对应于箭头120的方向，相对于井眼套管进行运动。齿170可由多个相邻的同轴环形圈构成，或由一个或多个连续的螺旋状螺纹构成。第一卡瓦140还包括多个纵向狭缝200，这些纵向狭缝200从第一卡瓦140的一个边缘延伸而结束于第一卡瓦140内接近第一卡瓦140的相反边缘的位置。相邻的狭缝200是从第一卡瓦140的相反的边缘延伸出来的。另外，第一卡瓦140包括另一狭缝210；另一狭缝210沿第一卡瓦140的全部长度纵向延伸穿过第一卡瓦140，使得第一卡瓦140形成“C”形轮廓。在狭缝210的相对的两侧上可设置有安全销220；安全销220用于在井下工具100设定在井眼套管内的适当位置之前，将第一卡瓦140在未设定形态或者说“行进”形态下保持就位。(应注意，由于图2B呈现的为局部剖视图，所以只示出了一个安全销220)。也就是说，当正在使井下工具10行进于井眼内并在放到井下的期望位置之前，安全销220将第一卡瓦140临时固定在适当位置。当井下工具10处于设定形态时，即井下工具10被固定在井眼套筒内时，狭缝200、210帮助第一卡瓦140径向向外扩张。第一楔形环150具有一对楔形凸部230，楔形凸部230嵌在形成于第一卡瓦140中的楔形凹部240内。第一楔形环150可包括更多或更少的楔形凸部，这些楔形凸部延伸进入形成于第一卡瓦140中的对应的楔形凹部内。

密封组件250与第一卡瓦140和第一楔形环150相邻，当井下工具10处于设定形态时，密封组件250可扩张至与井眼套管密封接合。在一些实施方案中，密封组件250可以是封隔器。如图2B所示，密封组件250可包括扩张构件260和弹性密封元件270。扩张构件260可操作以消除或基本减少弹性密封元件270的轴向挤压。因此，扩张构件260可操作以在设定形态下展开时，为密封元件270提供零挤压间隙。

井下工具10还包括锁定环系统280，锁定环系统280包括布置在管形壳体30的一部分32与管形工作筒20之间的锁定环290。锁定环290具有贯通式狭缝(未示出)；该贯通式狭缝在锁定环290的全部长度上延伸，使得锁定环290具有“C”形轮廓。锁定环290还可包括多个狭缝，类似于以上关于第一卡瓦140描述的狭缝200。图5和图6示出锁定环系统280的示例性实施方案。

参考图5和图6，锁定环290包括多个粗大的不对称的齿300和较精细的多个不对称的齿310；齿300形成于锁定环290的外表面上，齿310则形成于锁定环290的内表面上。齿300接合匹配不对称的齿320，而齿310接合不对称的齿330；齿320形成于管形壳体30的部分32的内表面上，齿330则形成于管形工作筒20的外表面上。齿300-330中的任一个可按与上述齿70、170类似的方式形成。例如，齿300-330可由沿锁定环290形成的多个同轴环形圈构成，或可选地由一个或多个连续的螺旋状螺纹构成。应当明显的是，如果齿300或齿310由一个或多个连续的螺旋状螺纹构成，则匹配的齿320或齿330也将由一个或多个连续的螺旋状螺纹构成。类似地，如果齿300或齿310由多个同轴圈构成，则匹配的齿320或齿330也将由多个同轴圈构成。

在所示的示例性实施方案中，在匹配的齿300与齿320之间形成有间隙340；并且齿310、330具有相对的大小，使得两个齿330适配到形成于相邻的齿310之间的空间内。虽然所示实施方案只表现出一种可能的实施方案，但这并不意味着限制本发明的范围。例如，齿310、330的相对大小可使得多于两个或少于两个的齿330可处在形成于相邻的齿310之间的空间中。

此外，管形工作筒20的一部分、管形壳体30的部分32和构成锁定环系统280的锁定环290具有规定的刚度，使得锁定环系统280在管形壳体30的部分32与管形工作筒20沿规定的方向相对于彼此移动时，执行啮合动作(ratcheting action)。具体地，当管形壳体30沿箭头345指示的方向移动，并且当管形工作筒20根据箭头350指示的方向相对地移动时，齿320的垂直或基本垂直的侧面360接合齿300的垂直或基本垂直的侧面370。随着管形壳体30的部分32继续移动，齿310的倾斜部380在齿330的倾斜部390上滑动，使得锁定环290扩张到间隙340内，直到锁定环290移动一个齿330的距离为止。当锁定环290移动经过齿330时，齿310回落到形成于相邻的齿330之间的空间内，以允许锁定环290径向收缩。相反，当管形壳体30的部分32沿箭头345的反方向移动时，齿320的倾斜部400接合齿300的倾斜部410，造成齿310的垂直或基本垂直的侧面420接合齿330的垂直或基本垂直的侧面430。侧面420与侧面430的相互作用防止锁定环290相对管形工作筒20移动。此外，由于管形工作筒20、管形壳体30(例如部分32)和锁定环290的相对刚度，防止了管形工作筒20相对于锁定环290滑动。因此，锁定环290的壁厚、环形工作筒20、和管形壳体30的部分32以及齿300-330的几何尺寸的大小使得锁定环290弹性变形而不发生塑性变形，以允许管形壳体30的部分32仅沿一个方向相对于管形工作筒20运动。因此，锁定环系统280适合允许管形壳体30的部分32沿一个方向相对于管形工作筒20运动，同时防止沿相反方向的相对运动。

另外，井下工具10可包括销440；销440延伸穿过形成于管形壳体30的部分32中的开口445，并进入形成于锁定环290中的贯通式狭缝内。当管形壳体30的部分32和管形工作筒20彼此相对移动时(如上所述)，销440防止锁定环290相对于管形壳体30的部分32旋转。例如当成对的齿300与齿320和/或齿310与齿330由一个或多个连续的螺旋状螺纹构成时，可出现旋转趋势。

井下工具10还包括第二卡瓦450。第二卡瓦450可配置为类似于第一卡瓦140，具有分别对应于狭缝200、210的狭缝460、470。第二卡瓦450可包括或者可不包括安全销；该安全销设置在狭缝470的相对的两侧上，类似于安全销220。类似于第一卡瓦140，第二卡瓦450还包括接合部480，接合部480可包括多个接合构件或齿490。齿490可形状不对称。类似于齿170，齿490可由形成于卡瓦450的外表面上的一连串同轴环形圈构成，或可由一个或多个螺旋状螺纹构成。而且，齿490沿着与形成于第一卡瓦140上的齿170的相反方向定向。因此，第二卡瓦450沿箭头110的方向的运动造成齿490“咬住”井眼的套管。

第二楔形环500类似于第一楔形环150，布置成邻近管形壳体30和管形工作筒20。第二卡瓦450、第二楔形环500和锁定环系统280构成第二卡瓦组件505。类似于第一楔形环150，第二楔形环500包括两个楔形凸部510，这两个楔形凸部510嵌在形成于第二卡瓦450中的楔形凹部520内。可使用更多或更少的楔形凸部510和对应的楔形凹部520。管形壳体30的第二端部530固定到管形工作筒20，例如通过螺接、焊接或其他连接技术来固定。因此，防止管形壳体30的第二端部530相对于管形工作筒20移动。

例如用一个或多个安全销540或其他装置，将管形壳体30与管形工作筒20相对于彼此临时保持固定，直到期望管形壳体30与管形工作筒20相对于彼此运动为止。当期望相对运动时，施加大于安全销540的剪切强度的力，造成安全销540断裂，而且管形壳体30可操作以相对于管形工作筒20移动。

在操作中，致动联结到井下工具10的测井电缆致动工具(未示)。在一些实施方案中，测井电缆致动工具可接合管形工作筒20的轮廓或其他几何尺寸以及管形壳体30的轮廓或其他几何尺寸，以使管形工作筒20和管形壳体30相对于彼此移位。如上解释的，井下工具10具有自顶向下的设定形态，这使得测井电缆致动工具向管形壳体30施加沿箭头110的方向的力，并向管形工作筒20施加沿箭头120的方向的力。这个力大于安全销540的强度，造成这些安全销540被切断或以其他方式断裂，从而允许管形壳体30相对于管形工作筒20移动。因为管形壳体30的第二端部530固定到管形工作筒20，所以随着管形壳体30沿管形工作筒20向下移动，第二楔形环500的楔形凸部510迫使第二卡瓦450向外扩张并接合井眼套管的内表面。因为第二卡瓦450被推入井眼套管内，所以由于楔形凸部520与第二卡瓦450的楔形凹部的接合，防止了楔形环500沿管形工作筒20进一步行进。此外，第二卡瓦450的齿被定向，使得齿490“咬住”井眼套管的内壁。

当第二卡瓦450开始扩张，第二楔形环500沿管形工作筒20的运动开始放慢时，密封组件250在相对的台肩550、560之间受到挤压。扩张构件260和弹性密封元件270径向向外扩张，使得弹性密封元件270也接合井眼套管的内表面以形成密封。当第一卡瓦140被第一楔形环150的楔形凸部230向外推时，第一卡瓦140也径向向外扩张。

卡瓦环50还被附接到管形壳体30的扣环125向下推。因此，当管形工作筒20和管形壳体30彼此相对移动时，扣环125接触并沿管形工作筒20的外表面推卡瓦环50。齿70的定向允许卡瓦环50沿箭头110的方向沿管形工作筒20行进，而不粘合。

在设定形态，管形壳体30与管形工作筒20之间的相对运动被接合部70阻止。也就是说，管形壳体30相对于管形工作筒20沿箭头120的方向的运动造成齿70“咬住”并接合管形工作筒20的外表面。进一步，管形壳体30与管形工作筒20之间的相对运动被第一卡瓦140与第二卡瓦450阻止。此外，通过管形工作筒20施加的沿箭头110的方向的力通过井下工具10的刚性元件传递，由此绕过弹性密封元件270。

对于图2A-图2C和图3A-图3C所示的自顶向下设定的井下工具10而言，沿箭头110的方向通过管形工作筒20的力(即压缩载荷)绕过弹性密封元件270。相应的载荷路径如图3A-图3C中的箭头550所示。如图所示，压缩载荷从管形工作筒20经过锁定环系统280，进入第二卡瓦450。当压缩载荷施加到管形工作筒20时，因为卡瓦环50经由齿70锁定式地接合管形工作筒20，因此防止管形工作筒20和管形壳体30进行相对运动。如上所述，作为锁定环系统280的锁定功能的结果，压缩载荷经过锁定环系统280。该载荷从锁定环系统280传递到第二卡瓦环450，并传递到井眼套管。结果，弹性密封元件270的压力增加，避免分别在第一卡瓦140和第二卡瓦450与第一楔形环150和第二楔形环500之间，或者第一卡瓦组件760或第二卡瓦组件770与管形壳体30的相邻部分之间形成间隙。在井眼操作中，这种加载和工作筒运动可在载荷反向施加到工作管柱(例如图1中的工作管柱4)期间发生。当弹性密封元件270经历载荷和/或压力反向时，井下工具10还具有显著减少管形工作筒20的移动量的益处。此外，由于减少了应力和管形工作筒20的移动量，提高了弹性元件270的持久性，这最终提高了弹性密封元件270的长期可密封性，增加对管形工作筒坍塌的抵抗性，并增加对井眼套管破裂的抵抗性。另一方面，拉伸载荷，即沿箭头120的方向(显示为载荷路径560)对管形工作筒20的载荷，则从管形工作筒20、管形壳体30的第二端部530、第二卡瓦450、第二楔形环500、密封组件250、第一楔形环150经过并通过第一卡瓦140。在管形工作筒20受到拉伸载荷期间，管形工作筒20可相对于卡瓦环50移动。在示出的示例中，该移动将是向井上即朝向地表运动。一旦管形工作筒20向井上的运动停止，卡瓦环50再次抓住管形工作筒20，防止管形工作筒20返回至其在施加拉伸载荷之前的原始位置。

应注意，在井眼操作中，一般知道设定井下工具10之后管形工作筒20的最重要的加载方向。因此，具体应用中使用的井下工具10能够从自顶向下设定类型或自底向上设定类型中选择一种。以下根据图9A-图9D和图10A-图10C描述示例性的从底向上设定类型的井下工具。

图7A-图7D和图8A-图8D示出液力致动的井下工具10的另一实施方案。图7A-图7D和图8A-图8D所示的井下工具10被配置为自顶向下设定。井下工具10还具有管形工作筒20和围绕着管形工作筒20的管形壳体30。井下工具10可设置在管形工作管柱上，该管形工作管柱用于在井眼中将井下工具10运行到井下的位置。

管形壳体30的第一部分600和第二部分602例如通过螺接、焊接或任何其他联结技术联结到管形工作筒20。管形壳体30的第一部分600包括布置在端口620中的感压阀610。在一些实施方案中，感压阀是爆破片(rupturedisk)。爆破片可配置为当爆破片受到井下工具10的外部与爆破片的内压之间的期望压差时爆裂。在一些实施方案中，压差可选定为比预期的井下压力大1500psi至2000psi。管形壳体30的邻近第一部分600的活塞构件630可相对于第一部分600运动。如图所示，活塞构件630重叠第一部分600的端部。在第一部分600与活塞构件630之间，由一个或多个密封构件650形成第一密封装置640。根据一些实施方案，一个或多个密封构件650可以是一个或多个O型圈或其他弹性密封构件。在第一部分600的内表面与管形工作筒20的外表面之间同样形成有第二密封装置660。第二密封装置660可由一个或多个密封构件670形成。密封构件670可类似于或不同于密封构件650。在活塞构件630的内表面与管形工作筒20的外表面之间形成有第三密封装置680。密封装置680可由一个或多个密封构件690形成，密封构件690可类似于或不同于密封构件650和/或密封构件670。在第一部分600与管形工作筒20之间形成有环形通道672，而且环形通道672与端口620连通。环形通道672延伸到由第一部分600、活塞构件630和管形工作筒20界定的环形(环空)间隙674。环形通道672由第一密封装置640、第二密封装置660和第三密封装置680密封。

在活塞构件630与管形工作筒20之间形成有环形腔700。在一些实施方案中，环形腔700具有低内压。在一些实施方案中，环形腔700具有零压或基本零压。第三密封装置680形成在环形腔600的第一端710，第四密封装置720形成在环形腔700的第二端730。第四密封装置720可由一个或多个密封构件740形成，密封构件740类似于或不同于密封构件650、670和/或密封构件690。因此，第三密封装置680和第四密封装置720可操作以隔离环形腔700。

井下工具10还包括密封组件750，密封组件750在相反的侧部与第一卡瓦组件760和第二卡瓦组件770相接。密封组件750和第一卡瓦组件760、第二卡瓦组件770设置在管形工作筒20上。第一卡瓦组件760和第二卡瓦组件770基本相同，并且除了在所示实施方案中第一卡瓦组件760包括锁定环系统780而不是卡瓦环50之外，第一卡瓦组件760和第二卡瓦组件770操作类似于第一卡瓦组件155和第二卡瓦组件505。然而，根据其他实施方案，可使用类似于卡瓦环50的卡瓦环来代替锁定环系统780。因此，第一卡瓦组件760包括第一卡瓦790、第一楔形环800和锁定环系统780。第二卡瓦组件770包括第二卡瓦810、第二楔形环820和锁定环系统830。同样的，密封组件750可类似于密封组件250。因此密封组件750可包括弹性密封元件840，弹性密封元件840在其相反侧部上带有扩张构件850、860，不过扩张构件850、860可省略。

锁定环系统780实质上对应于图2B、图3B、图5和图6示出的锁定环系统280。因此，锁定环系统780适合允许第一卡瓦组件760相对于管形工作筒20沿箭头880的方向移动，而不是沿箭头870的方向移动。

在操作中，井下工具10放在期望的井下位置。井眼压力增加到引起感压阀610打开的压力。在所示实施方案中，井下压力增加到设计为使爆破片破裂的压力。井眼压力经过感压阀610通入端口620，经过环形通道672并且通入环形间隙674。井眼压力作用在表面675上。因为环形通道700内的压力为零或基本为零，对相对于管形工作筒20沿箭头880的方向移动的活塞构件630而言几乎没有阻力；因此，第一卡瓦组件760和第二卡瓦组件770相对于管形工作筒20移动，造成关联的卡瓦径向扩张并接合井眼套管。密封组件750也被致动以在井眼套管内形成环形密封。第一卡瓦组件760和第二卡瓦组件770的锁定环系统780、830分别允许管形壳体30沿管形工作筒20在箭头880的方向上运动，而不是在箭头870的方向上运动。因此，当井下工具10处于设定形态时，锁定环系统780、830将第一卡瓦组件760和第二卡瓦组件770以及密封组件750锁定到位。图8A-图8D示出处于设定形态的井眼工具10。

施加到管形工作筒20的压缩力被指引通过锁定环系统、通过第二卡瓦810并进入井眼套管，由此绕过密封组件750的弹性密封元件840，如载荷路径890所示。相反地，通过管形工作筒20施加的拉伸力经过管形壳体30的第二部分602、第二卡瓦810、第二楔形环820、密封组件750、第一楔形环800和第一卡瓦790进入套管壁，如载荷路径900所示。

图9A-图9D和图10A-图10C示出液力致动的井下工具10的另一实施方案。除了图9A-图9D和图10A-图10C的井下工具10是自底向上设定的之外，图9A-图9D和图10A-图10C的井下工具类似于图7A-图7D和图8A-图8D的井下工具10。结果，第一锁定环系统780与第二锁定环系统830的锯齿方向相反。一个或多个端口620与管形工作筒20的内部960相通。在一些情况下，感压阀610可布置在端口620中。端口620与环形通路910相通，环形通道910限定在管形壳体30的第二部分602与活塞构件630的端部920之间。环形通路910可通过密封装置940、950与井眼工具10的外部及环形通道700隔离。端部920夹在管形壳体30的第二部分602与管形工作筒20之间。环形腔700限定在活塞构件630与管形工作筒20的外表面之间。

因此，当流体压力施加到管形工作筒20的内部时，感压阀610打开(如果设置)，流体压力经由一个或多个端口620和环形通道910通到活塞构件630的端部920。活塞构件630相对于管形工作筒20沿箭头870的方向(井上，朝向地表)滑动，由此将井下工具10置于设定形态(在图10A-图10D示出)。在井下工具10已被置于设定形态之后，后续加至管形工作筒20的拉伸载荷沿着载荷路径890，通过第一锁定环系统780、第一楔形环800、第一卡瓦790并进入井眼套管，因此避开弹性密封元件840。另一方面，施加到管形工作筒20的压缩载荷经过弹性密封元件840，如载荷路径900所示，并通过第二卡瓦810。

已经描述了许多实施方案。虽然如此，但是将理解可进行各种更改而不背离本发明的精神和范围。例如，虽然未示出，但是测井电缆或油管柱上的以及自底向上设定的实施方案也在本发明的范围内。因此，其他实施方案处在所附权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种井下工具，包括：

细长的工作筒；

第一卡瓦组件，设在所述工作筒上，并具有第一卡瓦和第一接合部；所述第一卡瓦能径向伸展以抓住井眼壁；所述第一接合部适合抓住所述工作筒阻止沿第一轴向的相对运动，并允许所述工作筒沿第二轴向的相对运动；

第二卡瓦组件，设在所述工作筒上，并具有第二卡瓦和第二接合部；所述第二卡瓦能径向伸展以抓住所述井眼壁；所述第二接合部适合抓住工作筒阻止沿所述第一轴向的相对运动，并允许所述工作筒沿所述第二轴向的相对运动；

密封元件，设在所述工作筒上，适合接合所述井眼壁；

其中所述第一卡瓦组件和所述第二卡瓦组件协作，以在所述工作筒沿所述第一轴向被加载时形成绕过所述密封元件的第一载荷路径，并在所述工作筒沿第二轴向被加载时形成包括所述密封元件的第二载荷路径。

2.如权利要求1所述的井下工具，其中所述密封元件位于所述第一卡瓦组件与所述第二卡瓦组件之间。

3.如权利要求1所述的井下工具，其中所述第一接合部或所述第二接合部包括抓住所述工作筒的楔形件。

4.如权利要求1所述的井下工具，其中所述第一卡瓦组件、所述第二卡瓦组件和所述密封元件中的至少一个适合被液力致动。

5.如权利要求1所述的井下工具，其中所述第一卡瓦组件、所述第二卡瓦组件和所述密封元件中的至少一个适合通过测井电缆致动工具被致动。

6.如权利要求1所述的井下工具，其中所述第一接合部和所述第二接合部中的至少一个适合相对于所述工作筒沿所述第二轴向啮合。

7.一种用于在井下工具的密封元件周围沿第一方向将加载转向的方法，所述方法包括：

通过工作筒沿所述第一方向施加设定载荷，以使所述密封元件伸展来接触相邻表面，并在所述密封元件的朝向所述第一方向的第一侧上与所述相邻表面形成第一抓住接合，且沿与所述第一方向相反的第二方向在所述密封元件的第二侧上与所述相邻表面形成第二抓住接合；

通过与所述密封元件的第一侧相邻的第一卡瓦和与所述密封元件的第二侧相邻的第二卡瓦，来阻止所述工作筒沿所述第一方向的相对运动，同时允许所述工作筒与所述第一方向相反地运动；

通过所述密封元件和所述第一抓住接合，通过所述工作筒沿所述第一方向传递加载；以及

通过所述第二抓住接合并绕过所述密封元件，通过所述工作筒沿所述第二方向传递加载。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述相邻表面是井眼套管的内表面。

9.如权利要求7所述的方法，其中与所述相邻表面形成所述第一抓住接合包括：在所述密封元件的所述第一侧上径向扩张第一接合构件，以抓住所述相邻表面；并且其中与所述相邻表面形成所述第二抓住接合包括：在所述密封元件的所述第二侧上径向扩张第二接合构件，以抓住所述相邻表面。

10.如权利要求9所述的方法，其中径向扩张所述第一接合构件包括：在与所述第一方向相反的第二方向上，沿所述工作筒的长度啮合所述第一接合构件。

11.如权利要求9所述的方法，其中径向扩张所述第二接合构件包括：在与所述第一方向相反的第二方向上，沿所述工作筒的长度啮合所述第二接合构件。

12.如权利要求7所述的方法，其中沿所述第一方向施加所述设定载荷包括：液力施加所述设定载荷。

13.一种井下工具，其能配置在未设定形态与设定形态之间并适合提供井下密封，所述井下工具包括：

细长的工作筒；

第一卡瓦组件，设在所述工作筒上，包括第一接合部、第一径向可扩张接合构件和第一楔形件，所述第一径向可扩张接合构件适合抓住井眼壁，所述第一楔形件适合扩张所述第一径向可扩张接合构件；

第二卡瓦组件，设在所述工作筒上，包括第二接合部、第二径向可扩张接合构件和第二楔形件，所述第二径向可扩张接合构件适合抓住井眼壁，所述第二楔形件适合扩张所述第二径向可扩张接合构件；

密封元件，设在所述工作筒上并布置在所述第一卡瓦组件与所述第二卡瓦组件之间，所述密封元件适合径向扩张以接合所述井眼壁；

第一载荷路径，在所述设定形态下延伸通过所述第二接合部并绕过所述密封元件，以沿第一轴向引导施加到所述工作筒的加载；以及

第二载荷路径，在所述设定形态下延伸通过所述密封元件和所述第一接合部，以沿第二轴向引导施加到所述工作筒的加载。

14.如权利要求13所述的井下工具，其中所述第一接合部适合抓住所述工作筒阻止沿所述第一轴向的相对运动，并允许所述工作筒沿与所述第一轴向相反的所述第二轴向的相对运动。

15.如权利要求13所述的井下工具，其中所述第二接合部适合抓住所述工作筒阻止沿第一轴向的相对运动，并允许工作筒沿与所述第一轴向相反的第二轴向的相对运动。

16.如权利要求13所述的井下工具，其中所述第一卡瓦组件和所述第二卡瓦组件协作以径向扩张所述密封元件。

17.如权利要求13所述的井下工具，其中所述第一卡瓦组件和所述第二卡瓦组件中的至少一个适合在所述第一轴向上沿所述工作筒啮合。

18.如权利要求13所述的井下工具，其中所述第一卡瓦组件、所述第二卡瓦组件或所述密封元件中的至少一个适合被液力致动。

19.如权利要求13所述的井下工具，其中所述第一接合部和所述第二接合部中的至少一个包括锁定环，所述锁定环布置成邻近所述工作筒并能操作以在所述第一轴向上沿所述工作筒啮合。

20.如权利要求13所述的井下工具，其中所述第一接合部和所述第二接合部中的至少一个包括楔形件。

21.如权利要求13所述的井下工具，还包括：壳体，设在所述工作筒上；以及通道，具有基本为零的内压，形成于所述壳体与所述工作筒之间。