CN102482935A - 用于将可膨胀管锚定到钻井壁的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于将可膨胀管锚定到钻井壁的系统。所述系统包括支撑构件，其具有相对于所述管的外侧固定的第一端和包括斜坡面的第二端。锚构件具有相对于所述管的外侧固定的第一端和朝向所述支撑构件延伸的第二端，所述第二锚端相对于所述管的外侧可动。所述支撑构件包括沿所述锚构件方向逐渐缩减的斜坡面。所述可膨胀管的在所述第一支撑端和所述第一锚端之间的部分的膨胀引起轴向装置长度缩短，其中，长度差足够引起所述第二锚端径向向外移动，并且由于与所述斜坡面接合而与钻井壁接合。
Description
技术领域
本发明涉及用于形成在地层中的井眼内的可膨胀组件，所述组件包括用于在膨胀时获得增大径向膨胀的机构。更特别地，本发明涉及可径向膨胀的装置，其机械接合钻井壁，以形成锚。
背景技术
在钻油、气井时，使用在钻柱下端处被向下推动的钻头形成井眼。在钻预定深度之后，取出钻柱和钻头，并且通常使用称为套管的钢管的串为井眼加衬。套管提供对井眼的支撑，并且便于将井眼的一定区域隔离，例如将相邻的含油气地层隔离。套管通常从井的表面沿着井眼延伸到指定深度。因而环形区域限定在套管外侧和地层之间。该环形区域使用水泥填充，以将套管永久地安放在井眼中，并且便于井眼内不同深度处的生产区和流体的隔离。
可膨胀管状元件在油气钻井和生产领域获得不断增长的应用。井眼中可膨胀管元件的一个主要优点涉及与具有更传统的嵌套套管方案的常规井眼相比较，增加了用于流体生产或用于工具通过的井下的可用内径。通常，可膨胀管状元件通过将未膨胀管状元件下入井眼中，之后，将膨胀装置推动、泵送或拉动通过所述管状元件来安装。膨胀率为膨胀之后的直径与膨胀之前的直径的比率，由膨胀器的有效直径确定。
当可膨胀管下入井眼中时，其必须在期望深度处锚定到井眼内，以防止可膨胀管在膨胀过程中移动。将可膨胀管锚定在井眼内允许通过膨胀器工具将该一定长度的可膨胀管膨胀到井眼中。该锚定必须在可膨胀管和井眼的内径之间提供适当的接合，以稳定可膨胀管，防止膨胀过程中在井眼内发生旋转运动和纵向轴向运动。
可膨胀管通常在先前的套管串已经安放在井眼中之后下入井眼中。可膨胀管必须延伸穿过先前的套管串的内径，以到达准备要隔离的裸眼的井眼部分，所述裸眼井眼的部分位于先前安放的套管串下方。因此，所述锚和可膨胀管的外径必须小于为井眼加衬的全部先前的套管串，以延伸穿过衬管到达存在裸眼井眼的深度处。
另外，一旦当可膨胀管到达先前的套管或衬管下方的井眼的裸眼部分时，井眼的裸眼部分的内径通常大于先前的套管的内径。为了将可膨胀管在井眼的裸眼部分中保持在位，锚必须具有足够大的外径，以将可膨胀管在继续膨胀过程之前充分固定在裸眼井眼中的位置处。
US-7104322公开了在井眼内锚定可膨胀管的方法和设备。所述设备包括展开系统，其包括可充胀封隔元件。所述封隔元件布置在衬管内部，并且支撑在钻柱上。当充胀时，所述封隔元件使可膨胀管的锚定部分径向膨胀。锚定部分的外侧与井眼壁接合并形成锚。可膨胀管的其余部分可随后使用膨胀器工具膨胀。锚定部分的保持力和形状可通过改变封隔器的特性，例如改变封隔器的形状和壁厚来操纵。
但是，如US-7104322中公开的，管与地层的接合受管状元件的膨胀量限制，所述膨胀量通常受膨胀装置的机械限制条件约束。例如，在未膨胀管和井眼壁之间的环形空间比较大的情况下，可获得的机械膨胀量可能不足以使膨胀管与钻井壁接合。
另外，虽然管的外侧和井眼壁之间的将可膨胀管保持在位的摩擦力可抵抗由旋转的膨胀工具在可膨胀管上产生的作用力，但是在将膨胀器锥拉动通过可膨胀管时，该摩擦力可能不足以抵抗该作用力。如果摩擦力不够，则膨胀工具可在膨胀过程中沿轴向移动可膨胀元件，并且未膨胀管可能阻塞先前的套管。于是必须以相当高的代价取出未膨胀元件，或者所述阻塞可能甚至付出更大的代价，使井眼不可用。
因而，期望提供一种装置，其将在使管膨胀时，甚至在已膨胀的管自身不与钻井壁接合的情况下，仍与钻井壁机械接合。
发明内容
本发明提供一种管安装装置，其在管膨胀时，甚至在膨胀管自身不与钻井壁接合的情况下，与钻井壁机械接合。
根据本发明的用于将可膨胀管锚定到钻井壁的系统包括：斜坡构件，所述斜坡构件具有位于一侧上的锚斜坡面和位于相反另一侧上的支撑斜坡面，所述斜坡构件相对于所述管的外侧固定；锚构件，所述锚构件具有相对于所述管的外侧固定的第一锚端，和朝向所述斜坡构件的锚斜坡面延伸的第二锚端，所述第二锚端相对于所述管的外侧可动；支撑构件，所述支撑构件具有相对于所述管的外侧固定的第一支撑端和朝向所述斜坡构件的支撑斜坡面延伸的第二支撑端，其中所述第二支撑端面与所述第一支撑端沿轴向间隔开距离LB，并且其中，所述支撑构件包括支架，所述支架在所述第一支撑端和所述第二支撑端之间延伸，所述支架和所述第二支撑端相对于所述管的外侧可动；所述第一锚端和所述第一支撑端限定在所述第一锚端和所述第一支撑端之间的初始轴向装置长度L1；其中，所述可膨胀管的在所述第一锚端和所述斜坡构件之间的部分的膨胀引起轴向装置长度充分缩短，以足以引起所述第二锚端径向向外移动，并且由于与所述锚斜坡面接合而与钻井壁接合，并且其中，所述可膨胀管的在所述斜坡构件和所述第一支撑端之间的部分的膨胀引起轴向装置长度进一步缩短，以引起所述第二支撑端径向向外移动，并且由于与所述支撑斜坡面接合而与第二锚端接合，除非所述钻井壁阻止缩短，于是将通过所述支架阻止所述可膨胀管进一步缩短。
本发明的锚定装置使所述管和支架能够设计成使所述可膨胀管的在所述斜坡面和所述第一支撑端之间的部分的膨胀引起所述轴向装置长度进一步缩短，除非所述钻井壁防止缩短，于是通过所述支架防止所述可膨胀管进一步缩短。施加在管壁上的径向力可因而被限制到预定最大径向力，以可防止所述管壁在膨胀过程中塌陷。此外，能够滑动到支撑斜坡侧上和在锚下方滑动的支架远离管并且朝向或进入地层延伸锚的径向可达距离。
附图说明
本发明可通过阅读下面参照附图对非限制性实施例的描述得到更好地理解，附图中，每一幅图的相似的部件由相同的附图标记标示，并且附图简要描述如下：
图1是在膨胀之前设置在井眼中的本发明第一实施例的示意性剖视图；
图2是处于中间膨胀水平的图1的装置的剖视图；
图3是在井眼中充分膨胀的图1的装置的剖视图；
图4是处于中间膨胀水平的本发明装置的第一替代实施例的剖视图；
图5是在井眼中充分膨胀的图4的装置的剖视图；
图6是适用于图4的系统中的锚的放大图；
图7-11是适用于本发明中的替代锚结构的放大图；
图12是膨胀之后的本发明的一个实施例的放大立体图；
图13是膨胀之后图10的装置的放大立体图；
图14是膨胀之后图11的装置的放大立体图；
图15是处于中间膨胀水平的本发明的另一个实施例的示意性剖视图；
图16是图15的装置的立体图；
图17A-F是显示图15的装置的操作的顺序的剖视图；
图18是处于中间膨胀水平的本发明的又一个实施例的示意性剖视图；
图19是图18的装置的立体图；
图20A-F是示出图18的装置的操作的顺序的剖视图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明第一实施例构造的用于将可膨胀管20锚定到井眼壁11的可膨胀锚定装置10。锚定装置10包括锚12和楔合构件16，其都安装在可膨胀管20的外侧上，并且以第一距离L1分开。可膨胀管20可包括单个管状元件，或任意数量的相互连接的管状元件。管状元件可使用本领域中已知的螺纹连接(未显示)相互连接。锚12包括固定端14，其优选通过焊接或防止固定端14和管20之间相对运动的其他方式固定到管20。锚12的另一端朝向楔合构件16延伸，但是不固定到管20的外侧，以使除固定端14之外，锚12的全部相对于管20自由运动。锚12可构造成使其内径与管20的未膨胀的外径相同，或优选大于管20的未膨胀的外径。
应可理解，锚12和固定端14能以单个一体的部件形成，所述单个一体的部件可由已经结合的分开的件构造，或包括没有机械结合的分开的件。优选至少固定端14可固定到管20，优选但不一定通过焊接。
类似地，楔合构件16优选通过焊接或防止其间相对运动的其他方式固定到管20。楔合构件20包括斜坡构件18，其朝向锚12延伸。斜坡18可构造具有任何期望的表面角度。
楔合构件16和锚12的厚度为设计要素，但是受膨胀之前系统的最大允许直径限制，所述最大允许直径小于先前的套管串的内径。
锚12和楔合构件16每一个可具有环形或分段结构。在分段结构中，锚12和/或楔合构件16可包括多个纵向带、杆或板。例如，可使用八条带，每一条带围绕管20的外圆周的45度或更小的角度延伸。或者，锚12和/或楔合构件16可既包括环形部分又包括分段部分。在后面的情况下，优选环形部分位于分开距离L1的外侧。
还优选的是，任何固定端和/或环形部分可由延展性材料形成，并且具有的厚度和长度可足以在不需要过分的力的情况下膨胀。适当的延展性材料例如为碳钢A333。所述材料相对于拉伸具有例如30或更大数量级的弹性模量，且相对于扭转具有11或更大数量级的弹性模量。
可膨胀锚定装置10用于与可膨胀管20结合使用，可膨胀管20又由膨胀装置30膨胀。如图所示，膨胀装置30可包括具有截头圆锥形膨胀表面32的锥，其在推动或拉动膨胀装置30通过管20时增大管20的内径，但是应可理解，膨胀装置30可包括用于将径向膨胀力施加到管20内部的任何适当机构。
参照图2和图3，可看到当膨胀装置30移动通过管20时，管20缩短。因而，当膨胀装置30从L1的一端移动到另一端时，楔合构件16和锚12的固定端14之间的距离减小。一旦当膨胀装置30已经移动经过楔合构件16时，达到楔合构件16和锚12的固定端14之间的最终距离，并且限定为距离L2。由于除了固定端14，锚12没有固定到管20，因此管20的缩短对锚12的长度实际上没有影响。
对于给定的管和膨胀率，可预测如果管在膨胀过程中没有受到约束的情况下将发生的缩短量。在一个优选实施例中，距离L1选择成使缩短量足够使锚12与楔合构件16重叠期望的纵向距离，所述缩短量可表达为L1和L2之间的差。L1和L2之间的差为膨胀率、膨胀模式的函数，以及，不用说，为原始管壁厚的函数，并且可根据这些参数预测。
在本文使用时，“膨胀模式”区分所谓的受拉膨胀和受压膨胀，受拉膨胀和受压膨胀又用于描述膨胀过程中管经受的应力状态。在受拉膨胀过程中，膨胀装置从固定可膨胀管的位置移动远离，所述位置例如为锚的位置。在受压膨胀过程中，膨胀装置朝向固定可膨胀管的位置移动。可膨胀管在受压膨胀过程中比在受拉膨胀过程中缩短约两倍多。本文中缩短表示管(的一部分)膨胀前后的长度差。在管膨胀过程中，膨胀模式可改变。另外，可膨胀管的重量可引起二阶效应。但是，如下面更详细描述的，通常膨胀模式已知。因而，可以并且期望计算和使用预定间距L1，其将导致期望的重叠和锚12的向外移动。
在根据本发明的可膨胀管状元件的膨胀过程中，管的设置有本发明的锚的部分优选在第一步中膨胀。在该第一步过程中，夹紧装置将未膨胀管状元件保持在预定位置中，直到锚与井眼壁接合。与膨胀装置结合操作的适当的夹紧装置例如在US-2009/0014172-A1中公开，所述专利在该方面以引用的方式并入本文中。在第一膨胀步骤中，夹紧装置与管壁接合。然后，致动器，包括例如液压致动器，将膨胀装置拉动通过管，直到使锚被启用。在随后的步骤中，一旦当锚已经与井眼壁接合时，管状元件的其余部分可通过将膨胀装置朝向表面拉动来膨胀。通过朝向表面拉动膨胀器的膨胀与其他膨胀方式相比较相对较快。使用夹具系统的膨胀可称为受压膨胀，其中，当锚被启用时时将膨胀器拉向表面称为受拉膨胀。因而，当锚被启用并且与井眼壁接合时，可改变膨胀模式。
作为夹紧系统的一种替代方案，可膨胀管状元件20的串可在其井下处封闭(未示出)，在封闭端和膨胀装置30之间形成封闭的流体压力室。即，在将包括封闭端的可膨胀管和膨胀装置引入井眼中之前，在表面处将井下端封闭。膨胀装置30将设置有连接其顶端和底端的流体通道。例如，中空管柱的管连接到流体通道的顶端，以使压力下的流体从表面通过膨胀装置进入流体压力室中，其中，流体压力室中的生成压力推动膨胀装置通过可膨胀管。利用膨胀装置下方的压力室的膨胀称为受拉膨胀。
现在参照图4、5和6，一个替代实施例包括锚42，其具有固定端44、带有切割端47的第一部分46、第二部分48、和布置在第一和第二部分4、48之间的铰接部45。铰接部45设置成使锚42在膨胀过程中塑性变形。当楔合构件16开始在锚42下方滑动时，切割端47将被径向向外推动。铰接部45将提供用于第一部分46相对于第二部分48的旋转点，允许切割端47朝向地层旋转。
在一个实施例中，一旦当铰接部45到达其旋转极限和/或楔合构件16到达铰接部45并且在锚42的第二部分48下面滑动时，第二部分48将开始径向向外旋转，由此增大切割端47与地层接合的角度。
在图4和6中，铰接部45显示为锚42外侧中的凹槽或沟槽。图5中，凹槽由于锚42弯曲而闭合。
图7-10显示了锚的替代实施例。图7中，锚52具有逐渐缩减的第一部分53。图8中，锚54具有厚度减小的第一部分55。图9中，锚56具有包括直线槽口57的铰接部。
图10中，锚58具有第一部分59，该第一部分具有减小的厚度和增强的切割端60，所述切割端包括楔状或叶片状尖头，所述尖头比第一部分59的其余部分更厚。两个或多个所述尖头可连续布置。
应可理解，前述仅为示例性实施例，并且两部件式锚可具有各种各样形状中的任何形状。在每一个例子中，第一部分和第二部分之间的接合部处出现的厚度的增大和因此弯曲力的增大限定铰接部，所述铰接部又限定弯曲和塑性变形的程度。因而，铰接部的位置和第一部分的相对长度决定进入地层的锚的可达距离。
图12显示了具有基本上恒定厚度的锚12，其在膨胀之后滑在楔合构件16上。锚的端部设置有增强切割端60，其包括楔状或叶片状尖头，所述尖头比锚的其余部分更厚。切割端60被朝向地层72推动，并且部分地被推动进入地层72中，以将衬管锚定在地层中。穿入深度示意性地以L3标示。斜坡构件18相对于管轴线的角度和接触长度设计用于在将膨胀装置拉动通过衬管过程中避免衬管的过大载荷。
可膨胀衬管20的膨胀过程致动本发明的锚定装置。由于在膨胀装置从L1的一端移动到另一端时衬管缩短，因此锚12滑动到楔合构件16的斜坡18上。在不存在铰接部的情况下，锚的自由端可与楔合构件16重叠期望的纵向距离L4(图12)。优选最小化重叠的长度L4，以限制膨胀力的增大。
切割端或尖头60将在衬管20膨胀过程中锚施加在地层上的径向力集中在尖头的端面上。因而，向每地层面积施加的径向力增大。地层的局部阻力或强度可表达为每面积的阻力(例如单位为psi或Pa)。井眼中的地层阻力范围可在500psi到16000psi，并且可例如测量或估计。这允许地层和尖头之间的接触面积以及尖头上相应的最大径向力设计成使尖头在管状元件膨胀过程中穿入地层中超过预定的最小穿入深度L3(图12)。
锚的改进的实施例在其受到外力时将其自身锁定在地层中。换句话说，锚的设计使得，锚的尖头端在受到这样的力时试图进一步地穿入地层中，与例如抵着井眼壁摩擦相反。这称为自锁定作用。外力包括例如当膨胀器超过锚定装置10的位置时在管20膨胀过程中由膨胀装置30传送到管20的向上的力。
图13显示了锚12，其设置有膨胀之后并且经受附加的外部载荷之后厚度减小的第一部分59。在受到力时，锚的尖头端相对于管20径向向外卷曲，并且进入地层中。
当作用在锚的尖头端上的力矩大于锚的最弱部分的弯曲力矩Mh时，尖头向外卷曲。在图13的实施例中，这是第一部分59。通常，力矩为管壁和地层72之间的距离L5、外力Fe和生成作用力Fr(图13)的函数。这里，Fr还取决于地层硬度和穿入深度L3，因为当每面积所需的力Fr超过地层强度(以psi或Pa表示)时，地层将破碎或粉碎。但是上述数值可能局部不同。大约当Mh＜L5＊Fr时，锚将提供自锁定作用。
在另一个实施例中，锚包括一个或多个铰接部57、62、66(图11、14)。现在，锚的弯曲阻力或强度在铰接部的位置处最低。与上面所述的实施例类似，当受到提供的力矩超过铰接部中的一个或多个的弯曲力矩的力时，锚的尖头端60将径向向外卷曲或弯曲，并且进入地层中。
参照图11和14，当受力时，锚12将例如首先在铰接部62的位置处弯曲，以使尖头60开始朝向地层并且远离管20卷曲。当铰接部62闭合时，锚将在铰接部66的位置处弯曲，以使尖头60和部分64将朝向地层并且远离管20卷曲。当铰接部66闭合时，锚将在铰接部57的位置处弯曲，以使尖头60、部分64和部分68朝向地层并且远离管20卷曲。当铰接部57闭合时，锚将达到图14中所示的状态。
在铰接部以凹槽或槽口(图6、9)提供的情况下，凹槽或槽口可在一些变形量之后闭合，因而停止作为铰接部的操作，限制进一步变形(图14)。这也称为自锁定，并且在一些情况下是期望的。
最大锚定力例如由弯折弯曲区59或铰接部所需的力、地层强度及锚与地层之间的垂直于管轴线的接触面积、穿入深度、围绕管状元件的圆周布置的锚的数量等中的一个或多个确定。
在其他实施例中，可提供不止一个铰接部，以使变形的锚具有例如图11和14中示出的形状。相邻的铰接部之间的相应部分的长度L6、L7决定锚沿径向方向的可达距离。铰接部之间的较厚的部分防止锚弯折(图14)，因而设定锚进入或朝向地层的可达距离。最大锚定力随着穿入深度而增大，因为锚定力取决于锚和地层之间的接触面积。
参照图14，在包括一个或多个铰接部的实施例中，与相应铰接部相邻的相对较厚的部分64、68、58将限制这种卷曲运动。锚将在铰接部的位置处卷曲，但是该卷曲运动将在与相应铰接部邻接的较厚部分如图14中所示接触时结束。较厚部分68、64的长度L6、L7因而决定锚的最终形状。例如，在图14中所示的实施例中，长度L6决定锚的端部将延伸远离衬管多远，因为相邻的铰接部57、66将闭合，并且锚的进一步弯折仅在更大的力施加到其时才发生。因而，长度L6使得能够设定穿入深度L3和/或最小锚定力。锚12在地层72中的穿入深度L3部分取决于地层的强度或硬度。
在图15到17中所示的另一个实施例中，本发明的锚定装置目的在于提供最大的向上锚定力，以防止衬管移动，同时限制衬管上的径向向里的力，所述径向向里的力可导致衬管壁塌陷。锚12的与楔合构件重叠的部分接合地层并且被推到地层中，衬管的壁必须能够提供作用力。
参照图15，根据本发明第二实施例构造的锚定装置110包括锚112和楔合构件116，其都安装在可膨胀管20的外侧上，并且以第一距离L1分开。锚112包括固定端114，其优选通过焊接或防止固定端114和管20之间相对运动的其他方式固定到管20。锚112的自由的另一端朝向楔合构件116延伸，而不固定到管20的外侧，以使除固定端114之外，锚112的全部相对于管20自由运动。锚112可构造成使其内径与管20的未膨胀的外径相同，或大于管20的未膨胀的外径。
类似地，楔合构件116包括固定端117，其优选通过焊接或防止固定端117和管20之间相对运动的其他方式固定到管20。楔合构件116的自由的另一端朝向锚112延伸，并且限定长度为LB的支架115。支架115不固定到管20的外侧，并且相对于管20自由运动。在自由端处，楔合构件116包括斜坡构件118，其朝向锚112延伸。斜坡118可以任何期望的表面角度构造，并且可为与支架115一体或为与支架115分开的部件。
楔合构件116和锚112的厚度为设计要素，但是受膨胀之前系统的最大允许直径限制，所述最大允许直径小于先前的套管串的内径。
锚112和楔合构件116每一个可具有环形或分段结构。在分段结构中，锚112和/或楔合构件116可包括多个纵向带、杆或板。如图16中所示，锚112和楔合构件116每一个分别包括例如八条带122、124。八条带122、124围绕管20的外圆周延伸。可任选地，锚112和/或楔合构件116包括分段部分，所述分段部分包括多个带或指状物126，其具有比带122更小的宽度。所述锚和楔合构件可包括适合于管20的尺寸的任意数量的带122和/或相应指状物126。
可膨胀锚定装置110用于与可膨胀管20结合使用，可膨胀管20又由在图1-3中大体上示出的膨胀装置30膨胀。在膨胀过程中，膨胀装置沿箭头128的方向移动。
参照图17A到17F，可看到当膨胀装置(其位置由箭头30标示)移动通过管20时，管20缩短。首先，锚112的自由端接触斜坡构件118(图17A)。直到膨胀装置到达斜坡构件，缩短的结果为斜坡构件118和锚112的固定端114之间的距离减小。锚的自由端将滑动到斜坡构件上，并且朝向钻井壁11滑动，重叠在斜坡构件上，从管20延伸远离。优选地，锚112的长度选择成使其自由端在膨胀装置经过斜坡118时与钻井壁11接合(图17B)。
膨胀装置随后行进超过斜坡构件，并且管20在膨胀器的位置处继续膨胀和缩短。由于所述缩短，楔合构件116的固定端117朝向锚112移动，结果斜坡构件118推抵锚着112(图17C)。如果锚112的自由端上的径向力大于地层的局部阻力或强度，则自由端处的尖头60将进一步地穿入地层中(图17D)，其中所述径向力由管状元件20由于其膨胀而造成的缩短产生。
但是，如果所述径向力小于或等于地层的局部阻力或强度，则锚的尖头60将不能进一步地穿入地层中。在该情况下，锚112将由地层保持在位，并且斜坡构件118将又由锚112保持在位。由于楔合构件116的支架115不能沿管20的外侧进一步滑动，因此不可能发生进一步缩短。一旦当膨胀装置已经移动经过楔合构件116的固定端117时，就达到楔合构件116和锚112的固定端114之间的最终距离，并且限定为L8(图17D)。由于在膨胀过程的一部分过程中阻止管缩短，因此该实施例的最终总装置长度L8可能没有根据图1的实施例构造并且具有相同L1的装置的L2那样小。该差别是由于在管穿过支架115的长度LB的至少某部分时可能已经阻止管缩短。
当包括斜坡构件118的楔合构件116的自由端由锚保持在位时，施加到衬管20的壁的最大载荷约等于所谓的固定-固定载荷。所述固定-固定载荷为当膨胀器在固定衬管的两点之间移动时施加到衬管壁的局部载荷，其中衬管在所述两点固定以使衬管不可能在所述两点之间缩短。由于固定-固定载荷可提前确定，例如在实验室测试过程中确定，因此本发明的锚定装置10可设计成使施加在地层上的径向力不超过管20的壁的最大径向载荷。因而，本发明的锚定装置确保管壁可具有足够强度来在膨胀过程中抵抗最大径向力，以使壁在锚与地层接合时，将基本上保持圆柱状，即圆形。
由于管壁上的最大载荷不会超过固定-固定载荷，因此图15到17中所示的实施例允许可膨胀管设计成甚至在地层太硬以致于不能接纳锚112的情况下，仍避免塌缩，其中所述固定-固定载荷可计算或至少通过经验确定。这将防止管壁在膨胀过程中塌陷、断裂或类似损坏。如上所述，如果可膨胀元件损坏，则可能使得整个井下部分不能用，于是必须以相当大的代价取出。本发明的可膨胀管方案因而在该方面大大提高可靠性。
膨胀过程中作用在衬管上和地层上的径向载荷例如取决于斜坡118的表面角度、楔合构件116和衬管20之间的摩擦力、楔合构件116和锚112之间的摩擦力、地层硬度、膨胀过程中管壁和地层之间的距离等中的一个或多个。斜坡的表面角度优选设计成施加最大径向力，同时径向载荷保持在衬管的径向塌陷载荷范围内。
由于管壁上的径向和轴向载荷受限，因此图15到17的实施例适用于较硬的地层，例如强度或硬度例如为3000(20MPa)到4000psi(28Mp)或更大的地层。另外，管壁上的径向载荷可能通过限制锚和楔合构件之间的重叠部分和/或通过限制锚和地层之间的接触面积来限制。锚和地层之间的垂直于管半径的接触面积最小化来减小衬管上的径向载荷。在一个实际的实施例中，斜坡118的表面角度在30到60度范围内，例如约45度。
参照图18，根据本发明又一个实施例构造的锚定装置210包括锚212和楔合构件216，其都安装在可膨胀管20的外侧上。锚212包括固定端214，其优选通过焊接或防止固定端214和管20之间相对运动的其他方式固定到管20。锚212的自由的另一端朝向楔合构件216延伸，但是不固定到管20的外侧，以使除固定端214之外，锚212的全部相对于管20自由运动。锚112可构造成使其内径与管20的未膨胀的外径相同，或大于管20的未膨胀的外径。
同样，楔合构件216包括固定端217，其优选通过焊接或防止固定端217和管20之间相对运动的其他方式固定到管20。楔合构件216的自由的另一端朝向锚212延伸，并且不固定到管20的外侧，以使除固定端217之外，楔合构件216的全部相对于管20自由运动。楔合构件216可构造成使其内径与管20的未膨胀的外径相同，或大于管20的未膨胀的外径。
斜坡构件218布置在锚212的自由端和楔合构件216的自由端之间。斜坡构件218包括锚斜坡面219a，其沿锚216的方向逐渐缩减；和楔合斜坡面219b，其沿楔合构件216的方向逐渐缩减。斜坡构件218优选固定到管20的外侧，以防止其间相对移动。
锚212的自由端可设置有尖头60，所述尖头60具有面向管20的倾斜侧部280。倾斜侧部280与锚斜坡面219a配合。楔合构件216的自由端可设置有增厚端282，其具有倾斜顶部表面284和倾斜底部表面286。倾斜顶部表面284与锚218配合，如图18中所示。倾斜底部表面与楔合斜坡面219b配合。
锚212和楔合构件216每一个可具有环形和/或分段结构。在分段结构中，锚212和/或楔合构件216可包括多个纵向带、杆或板。如图19中所示，锚212和楔合构件216每一个分别包括例如八条带222、224。八条带122、124围绕管20的外圆周延伸。可任选地，锚212和/或楔合构件216的带包括分段部分，所述分段部分包括多个带或指状物225、226，其具有小于带122的宽度。锚和楔合构件可包括适合于管20的尺寸的任意数量的带222和/或相应的指状物226。
参照图20A到20F，可看到当膨胀装置(其位置由箭头30标示)移动通过管20时，管20缩短。首先，锚212的自由端接触斜坡面219a(图20A)。直到膨胀装置到达斜坡构件，缩短的结果为斜坡构件218和锚212的固定端214之间的距离减小。锚的自由端将滑动到斜坡构件的斜坡面219a上，并且朝向地层滑动，重叠在斜坡构件上，从管20延伸远离。优选地，锚212的长度选择成使其自由端接触或延伸到地层中(图17B)。
膨胀装置随后行进超过斜坡构件218，并且管20在膨胀器的位置处继续膨胀和缩短。由于所述缩短，楔合构件216的固定端217朝向斜坡构件218移动，结果底部表面286滑动到斜坡面219b上，其中顶部表面284推抵着锚212(图20D、20E)。如果锚212的自由端上的径向力超过地层的局部阻力或强度，则自由端将进一步地穿入地层中(图20D)，其中所述径向力由管状元件20由于其膨胀造成的缩短产生。但是，如果在锚212自由端处的所述径向力小于或等于地层的局部阻力或强度，则锚的尖头60将不能穿入地层中。在该情况下，锚212将由地层保持在位，并且楔合构件216的自由端将又将抵靠着锚212固定。由于斜坡构件218的自由端不能沿管20的外侧进一步滑动，因此不可能发生进一步缩短。一旦当膨胀装置已经移动经过楔合构件216的固定端217时，就达到楔合构件216的自由端和锚212的固定端214之间的最终距离，并且限定为L9(图20D)。由于在膨胀过程的一部分过程中阻止管缩短，因此对于给定的L1，L9不如L2那样小。
当楔合构件216的自由端由锚保持在位时，施加到衬管20的壁的最大载荷约等于所谓的固定-固定载荷。所述固定-固定载荷为当膨胀器在固定衬管的两个位置之间移动时施加到衬管壁的局部载荷，其中衬管在所述两个位置固定以使衬管不可能在所述两个位置之间缩短。由于固定-固定载荷可提前确定，例如在实验室测试过程中确定，因此衬管壁可设计成具有足够强度来在膨胀过程中抵抗载荷，从而可防止可膨胀管的壁塌陷。因此，图18-20的装置适用于软和硬地层。但是由于楔合构件216可将锚朝向地层推动，并且推入地层中，因此锚212可比锚12、112进一步延伸远离管壁并且进入地层中。锚212可延伸到地层中例如约两到三倍远。
在一个实际的实施例中，可膨胀管状元件可膨胀以使其半径增大高达约30％，例如约10％到15％。管的长度可缩短例如5％到10％。
对于外径为九又八分之五(9又5/8)英寸的管状元件，锚和/或楔合构件的厚度可在0.3到1英寸(1到2.5cm)范围内，例如约0.5英寸(1.2cm)。斜坡相对于管状元件的轴线的角度可通常为30到60度数量级，例如约45度。重叠距离L4为例如0.5到2英寸(1到5cm)。锚的长度可在3到16英寸(7.5到40cm)范围内。支架的长度LB可在4到20英寸(10到50cm)范围内。最小穿入深度L3可在0.2到1英寸(5到25mm)范围内。长度L5可在1到4英寸(2到10cm)范围内。长度L6可在1到8英寸(2到20cm)范围内。
围绕管的圆周设置的单个锚定装置可提供高达例如3到4MN例如约2MN的锚定力。管可设置有任意数量的连贯的锚定装置，以增大最大锚定力。本发明的锚定装置可放大或缩小，以与任何尺寸的在油气钻井时通常使用的可膨胀管状元件匹配。使可膨胀管状元件膨胀所需的力可沿本发明的锚定构件的长度局部增大例如约5％到50％。在焊接部14、17的位置处，膨胀力增大例如约10％到20％。在斜坡构件位置处，当尖头60与地层接合时，膨胀力可增大约20％到40％。在固定-固定膨胀过程中，如针对图17和20所述的，膨胀力可增大约5％到20％的范围，例如约10％。
在图18-20中所示的装置的一个实际实施例中，锚斜坡面219a相对于管轴线的角度可在40到45度范围内，例如约45度。楔合斜坡面219b相对于管轴线的角度例如在25到40度范围内，例如约30度。
倾斜顶部表面284相对于管轴线的角度在30到45度范围内，例如约38度。该角度选择用于在锚212和楔合构件216之间形成足够大的区域，以避免两个部件屈服并且促进这两个部件的相对滑动。倾斜底部表面286相对于管轴线的角度约等于楔合斜坡面219b的角度(例如约45度)，以确保两个部件之间在膨胀过程中充分接触。
上面提供的全部示例性尺寸和形状可缩放并且适于通常用于开发和生产油气的任何可膨胀管状元件的外径。
本发明不限于其上述实施例，其中，可想到落在所附权利要求范围内的许多修改形式。相应实施例的特征可例如组合。
Claims (17)
1.一种用于将可膨胀管锚定到钻井壁的系统，包括：
斜坡构件，所述斜坡构件具有位于一侧上的锚斜坡面和位于相反另一侧上的支撑斜坡面，所述斜坡构件相对于所述管的外侧固定；
锚构件，所述锚构件具有相对于所述管的外侧固定的第一锚端，和朝向所述斜坡构件的锚斜坡面延伸的第二锚端，所述第二锚端相对于所述管的外侧可动；
支撑构件，所述支撑构件具有相对于所述管的外侧固定的第一支撑端和朝向所述斜坡构件的支撑斜坡面延伸的第二支撑端，
其中所述第二支撑端面与所述第一支撑端沿轴向间隔开距离LB，并且其中，所述支撑构件包括支架，所述支架在所述第一支撑端和所述第二支撑端之间延伸，所述支架和所述第二支撑端相对于所述管的外侧可动；
所述第一锚端和所述第一支撑端限定在所述第一锚端和所述第一支撑端之间的初始轴向装置长度L1；
其中，所述可膨胀管的在所述第一锚端和所述斜坡构件之间的部分的膨胀引起轴向装置长度充分缩短，以足以引起所述第二锚端径向向外移动，并且由于与所述锚斜坡面接合而与钻井壁接合，并且
其中，所述可膨胀管的在所述斜坡构件和所述第一支撑端之间的部分的膨胀引起轴向装置长度进一步缩短，以引起所述第二支撑端径向向外移动，并且由于与所述支撑斜坡面接合而与第二锚端接合，除非所述钻井壁阻止缩短，于是将通过所述支架阻止所述可膨胀管进一步缩短。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二支撑端包括倾斜顶面，所述倾斜顶面沿着所述锚构件的方向逐渐缩减以与所述锚构件配合。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二支撑端包括倾斜底面，所述倾斜底面沿着所述支撑斜坡面的方向逐渐缩减以与所述斜坡构件配合。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二锚端包括倾斜侧部，所述倾斜侧部沿着所述锚斜坡面的方向逐渐缩减以与所述锚斜坡面配合。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述倾斜顶面相对于管轴线的角度处于30到45度的范围内。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述倾斜底面相对于管轴线的角度约等于楔合斜坡面的角度。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，L1小于LB的两倍或约为LB的两倍。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，L1为LB的约1.2到约1.6倍。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述锚构件和/或支撑构件包括沿所述可膨胀管纵向延伸的至少两个段。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少两个段包括基本上围住所述可膨胀管的圆周的多个带或板。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述段中的至少一个包括分段部分，所述分段部分包括宽度小于相应段的宽度的多个带或指状物。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述锚构件和所述支撑构件中的至少一个包括至少一个铰接部，其中，在所述铰接部处弯曲所述锚构件或所述支撑构件所需的弯曲力矩小于弯曲其另一部分所需的弯曲力矩。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述铰接部包括位于所述锚构件外侧上的厚度减小部分。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述厚度减小部分具有的尺寸便于在已进行预定量的弯曲之后停止作为铰接部的操作。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述铰接部具有的尺寸便于在邻接厚度减小部分相对两侧的较厚部分彼此接触时停止操作。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述锚构件包括轴向间隔开的至少两个铰接部。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，至少两个相邻铰接部之间的距离L6选择成用于一旦在所述管通过所述系统的膨胀完成时，提供锚构件的预定量的径向延伸。
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Application publication date: 20120530 |