CN102575507B

CN102575507B - 膨胀装置

Info

Publication number: CN102575507B
Application number: CN201080042679.0A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·K·布克纳
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2030-08-09
Also published as: CN102575507A

Abstract

一种用于井眼维修工具(10)的膨胀装置(48)，包括：楔形件(52)，包括具有顶端(88)的截头圆锥形壁，所述楔形件沿着中心轴线同轴地构造；多个卡瓦块(50)，每个卡瓦块包括具有倾斜表面的内表面；以及至少一个桥状件(94)，将每个倾斜表面连接至截头圆锥形壁。一种操作井眼维修工具的方法，包括：沿着中心轴线纵向地压缩膨胀装置；在充分压缩之后，使多个卡瓦块与楔形件分离；使楔形件相对于卡瓦块移动；在楔形件相对于卡瓦块的充分移动之后，使至少两个卡瓦块彼此分离。

Description

膨胀装置

技术领域

本发明涉及在井眼(wellbore)中使用的封隔器(packer)和桥塞式(bridgeplugtype)工具。

背景技术

封隔器工具和其他井眼分隔装置(wellboreisolationdevice)有时具有不期望地径向突出且不经意地接触井眼、井眼内的套管(casing)或其他物体的元件。这种接触有时导致封隔器工具受损和/或装置过早从试车(runin)构造过渡至设定构造。例如，一些井眼分隔装置的传统卡瓦块(slipsegment)通过使用一个或多个箍(band)有些紧密地抵靠心轴而固定在一起。这些箍可旨在起动工具时伸展或破裂以允许张开。然而，当井眼分隔装置经受不经意的扰动时，这些箍对不经意张开的抵抗力有限。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于井眼维修工具的膨胀装置，包括：楔形件，所述楔形件包括具有顶端的截头圆锥形壁，所述楔形件沿着中心轴线同轴地构造；多个卡瓦块，每个卡瓦块包括具有倾斜表面的内表面；以及至少一个桥状件(bridge)，将每个倾斜表面连接至截头圆锥形壁。

在另一方面中，本发明提供了一种操作井眼维修工具的方法，包括：沿着中心轴线纵向地压缩膨胀装置；在充分压缩之后，使多个卡瓦块与楔形件分离；使楔形件相对于卡瓦块移动；以及在楔形件相对于卡瓦块的充分移动之后，使至少两个卡瓦块彼此分离。

附图说明

图1是根据一实施例的处于其试车构造中的桥塞工具的斜视图；

图2是处于其试车构造中且位于井内的图1的桥塞工具的横截面图；

图3是图1的桥塞工具的膨胀装置的斜视图，此时膨胀装置处于其试车构造中；

图4是图3的膨胀装置的斜横截面图；

图5是图3的膨胀装置的正交横截面图；

图6是在井内处于其试车构造中的图1的桥塞工具的横截面图；以及

图7是可替代膨胀装置的正交横截面图。

具体实施方式

在以下附图和描述中，在整个说明书和附图中，相似部件通常分别用相同的参考标号标出。附图无需按比例绘制。为了清楚简明，本发明的某些特征可能以放大的比例示出或以某种示意性形式示出，并且常规元件的某些细节可能未示出。

除非另有说明，术语“连接(connect)”、“接合(engage)”、“联接(couple)”、“附接(attach)”、或任何其他描述元件之间的相互作用的术语的任何形式的任何使用都并非意在将此相互作用限制为元件之间的直接相互作用，而是还可包括所述元件之间的间接相互作用。在以下论述和权利要求书中，术语“包括(including)”和“包含(comprising)”以开放式使用，因此应解释为表示“包括但不限于...”。出于描述的目的，将参考上或下，其中“上(up)”、“上部(upper)”、“向上(upward)”、或“上游(upstream)”表示朝着井眼的表面，并且“下(down)”、“下部(lower)”、“向下(downward)”或“下游(downstream)”表示朝着井的终端，而不管井眼方位是怎样的。本文中使用的术语“层(zone)”或“油层(payzone)”表示指定用于作业或生产的井眼的分离部分，并可表示整个油气层或单个油气层的分离部分，诸如相同油气层的水平地和/或竖直地隔开的部分。

如本文中所使用的，术语“层间分隔工具”将用于表明可操作成在井眼内控制流体的流动或分隔压力层的任何类型的可致动装置，包括但不限于桥塞、压裂塞、以及封隔器。术语层间分隔工具可用于表示永久性装置或可回收装置。

如本文中所使用的，术语“桥塞”将用于表明一种井底工具，所述井底工具可设置并设定为分隔井眼的位于该井底工具以下的下部和井眼的位于该井底工具以上的上部。术语桥塞可用于表示永久性装置或可回收装置。

如本文中所使用的，术语“密封(seal)”、“密封(sealing)”、“密封接合(sealingengagement)”或“液压密封(hydraulicsealing)”旨在包括“完全密封(perfectseal)”、以及“非完全密封(imperfectseal)”。“完全密封”可表示这样一种流动限制(密封)，即，其防止所有流体流经或流过该流动限制，并迫使所有流体转向或停止。“非完全密封”可表示这样一种流动限制(密封)，即，其基本上防止所有流体流经或流过该流动限制，并迫使流体的绝大部分转向或停止。

在阅读了以下对实施例的详细描述之后并且通过参考附图，对于本领域技术人员而言，在本公开的帮助下，上述各种特征、以及下文更详细地描述的其他特点和特征将是显而易见的。

图1是处于未安装或试车构造中的层间分隔工具10的斜视图。在图2中，示出了井15中的处于未安装构造中的工具10。井15可以是如图2所示的通过水泥20将套管22粘合在其中的套管完井或是裸眼完井。在图6中示出了处于设定构造中的工具10。套管22具有内表面24。在套管22与工具10之间限定环形空间26。工具10具有封隔器心轴28，并由于通过径向定向的销32固定在封隔器心轴28内的塞子30而被称为桥塞。封隔器心轴28沿着工具10的纵向中心轴线40设置。内管42设置在封隔器心轴28中并通过销80固定至封隔器心轴以帮助支撑塞子30。应理解的是，虽然在本实施例中封隔器心轴28和内管42可以是分开的元件，但在其他实施例中封隔器心轴28和内管42可一体地形成为一个件。塞子30具有位于塞子30与封隔器心轴28的内径之间的密封装置34，以防止其间的流体流动。然而，整个工具10的结构可适于被称为封隔器的其他层间分隔工具，这些封隔器通常具有允许通过该工具的流体连通的至少一个装置。因此，封隔器可允许通过一个或多个阀机构对经过工具的流体进行控制，所述阀机构可与封隔器本体成一体，或者所述阀机构可从外部附接至封隔器本体。更具体地，封隔器工具的一些实施例可包括承载在工具而非塞子30内的止回阀装置，以选择性地允许流体通过封隔器心轴28。封隔器工具可运用在具有套管或其他这种其中可设置这些工具的环形结构或几何形状的井眼中。

工具10包括分隔环44，所述分隔环优选地通过剪切销46固定至封隔器心轴28。分隔环44提供用于轴向地保持膨胀装置48的支座(abutment)，所述膨胀装置围绕封隔器心轴28周向地定位。大体上，膨胀装置48包括多个卡瓦块50，这些卡瓦块一体地连接至设置在卡瓦块50下方的楔形件52。楔形件52最初通过剪切销54固定在位地定位。

封隔器元件组件56位于楔形件52下方，所述封隔器元件组件如图6所示包括至少一个封隔器元件57，或者如图2所示，可包括围绕封隔器心轴28设置的多个可膨胀封隔器元件58。封隔器元件组件56具有图1和图2所示的未安装构造和图6所示的设定构造。封隔器元件组件56具有上端60和下端62。

被称为斜口管鞋(muleshoe)78的倾斜部分位于工具10的最下端部分，所述斜口管鞋通过销80固定至封隔器心轴28。同样包括一体地连接至大体上设置在卡瓦块50下方的楔形件52的多个卡瓦块50的另一膨胀装置48位于斜口管鞋78正上方。下楔形件52同样通过剪切销54固定在位。工具10的最下端部分不必一定是斜口管鞋78，而可以是任何类型的将用来防止下膨胀装置48的向下移动并使工具10的结构终止或者用来使工具10和其他工具、阀或管道等连接的部件。本领域技术人员应理解的是，如果完全使用剪切销46和54，那么所述剪切销应预选为具有允许设置和运用工具10并承受在工具10的操作期间预期将在井15中遇到的力的剪切强度。

分段式推靠臂(backupshoe)66位于上膨胀装置48正下方。另一分段式推靠臂66位于下膨胀装置48正上方。如图1最佳所示，推靠臂66包括多段，例如在本实施例中是八段。每个推靠臂66的多段通过保持箍(retainingband)70在心轴28上保持在一起，所述保持箍承载在位于推靠臂66各段的外表面上的凹槽中。工具10还包括用于限制封隔器元件57和58的不期望挤压的多个挤压限制器68。

对于可钻孔桥塞和/或封隔器领域的技术人员而言，除膨胀装置48之外，本公开所描述的工具10的元件是已知的。另外，基本相似的工具及其操作的描述可在美国专利No.7,373,973中找到，将该专利整体通过引证结合于此。因此，以下论述进一步描述和解释了膨胀装置48的操作和使用，从而使这种膨胀装置48能用在桥塞、其他类型的封隔器、其中可结合有膨胀装置48的其他层间分隔工具和/或装置。

现在参考图3至图5，更详细地示出了膨胀装置48。最一般地，膨胀装置48构造为使得楔形件52包括大体上为截头圆锥形的壁82和形成截头圆锥形的底座的环状楔形底座84。应理解的是，虽然壁82和底座84被描述为分开的几何结构，但在本实施例中，壁82和底座84一体地形成。楔形件52还包括内表面86，所述内表面限定在形状上基本为圆柱形的空间并构造将封隔器心轴28同轴地接纳在其中。楔形件52的顶端88形成壁82的截头圆锥形的截平顶端。

总体地，卡瓦块50大体上构造为基本为圆柱形的管的角形块。在本实施例中，八个卡瓦块50的角阵列与中心轴线40平行地且距离中心轴线40等距地设置。但是对于以下更详细地描述的小部分材料，相邻卡瓦块50围绕中心轴线通过大体上与中心轴线40平行地延伸的相对薄的间隙51呈角度地彼此分离。每个卡瓦块包括形成为卡瓦块50的内表面92的凹入部分的倾斜表面90。倾斜表面90形成为具有与楔形件52的截头圆锥形壁82的倾斜角互补的倾斜角的大体上为截头圆锥形的倾斜部分。为允许膨胀装置48保持上述形状，多个卡瓦块50和楔形件52如下所述地一体地连接在一起。

应理解的是，每个卡瓦块50通过大体上径向地设置在楔形件52的截头圆锥形壁82与卡瓦块50的倾斜表面90之间的材料的桥状件94连接至楔形件52。在本公开中，术语“桥状件”意在表示与卡瓦块50和楔形件52一体地形成的材料的任何部分，并且所述桥状件用于将卡瓦块50连接至楔形件52。在本实施例中，桥状件94在靠近倾斜表面90邻接卡瓦块50的倾斜端96的地方基本上沿着内表面90的整个长度延伸。当然，在可替代实施例中，桥状件94可仅沿着上述圆周界面部分地延伸和/或多个桥状件94可使单个卡瓦块50连接至楔形件52。

另外，应理解的是，多个卡瓦块50在其远端98处通过卡瓦连接件(sliplink)100连接至卡瓦块50的径向阵列中的相邻卡瓦块50。卡瓦连接件100大体上形成为在相邻卡瓦块50之间延伸并大体上连续地覆盖远端98的材料的薄环形圈。当然，在可替代实施例中，卡瓦连接件100可仅沿着远端98部分地延伸和/或多个卡瓦连接件100可使单个卡瓦块50连接至相邻卡瓦块50。另外，虽然在本实施例中卡瓦连接件100包括倾斜端102，但可替代实施例可不包括这种倾斜端102。与连接卡瓦块50的径向最内部部分的卡瓦连接件100的较薄部分105相比，倾斜端102构造为连接卡瓦块50的径向最外部部分的卡瓦连接件100的较厚部分103。

应理解的是，在本实施例中如果没有桥状件94和卡瓦连接件100，呈角度地相邻的卡瓦块50则通过间隙51彼此分离。因此，从图3和图4可以看到，在本实施例中，间隙51从卡瓦连接件100连续地延伸至相应的桥状件94。当然，在可替代实施例中，小量材料可连接卡瓦块50的相邻壁，从而间隙51没有以上述方式连续。

在本实施例中，每个卡瓦块50还包括构造为接收互补形状的齿块(toothbutton)的多个接收件(receptacle)104，所述齿块从接收件104延伸以当卡瓦块50处于设定构造中时接合套管22。可替代地，如图6所示，接收件104可接收齿板组件106的安装柱(mountingpost)，以用于当卡瓦块50处于设定构造中时类似地接合套管22。应理解的是，无论将什么元件接收到接收件104中，在一些实施例中，限制这些元件的径向最外部部分以防止径向地延伸超出一临界距离，当超出这一临界径向距离时，这些元件可能不经意地接合套管22。也就是说，为了防止工具10从试车构造的不期望转变，在一些实施例中，可有利地径向限制由卡瓦块50承载的可能突出的距离元件。在可替代实施例中，齿或其他突出元件可与卡瓦块50一体地形成。

参考图1至图6，将描述工具10的操作。典型地通过附接至工具10的上端16的管道部件或连续油管的工作序列(workstring)将处于图1的试车构造中的工具10降低到井中。设定工具可以是工作序列的一部分。当工具10在井中处于期望深度时，致动设定工具，并且所述设定工具驱动分隔环44从其图1和图2的试车构造到图6所示的设定构造。随着这一过程的完成，剪切销46和54剪切。

随着分隔环44与斜口管鞋78之间的距离减小，纵向地压缩每个膨胀装置48。通过充分压缩以及由此产生的楔形件52与其所连接的卡瓦块50之间的充分相对移动，剪断桥状件94和/或多个桥状件94，从而使楔形件52与相关卡瓦块50分离。通过楔形件52与其所连接的卡瓦块50之间的后续进一步相对移动，这种移动通常在倾斜表面90沿着截头圆锥形壁82滑动时出现，楔形件52迫使单个卡瓦块50径向向外。通过卡瓦块的充分径向向外，剪断卡瓦连接件100的连接卡瓦块50的部分。因此，以上述方式，之前连接在一起的整体式楔形件52和卡瓦块50变得分离并移动到其所谓的设定构造中。当然，通过分隔环44与斜口管鞋78之间的距离的更进一步充分减小，封隔器元件57、58密封套管22和齿板组件106和/或由卡瓦块50承载的也接合套管22的其他夹持元件。图6示出了处于这种设定构造中的膨胀装置48与卡瓦块50彼此分离并与相关楔形件52分离。图6进一步示出了封隔器元件57和与套管22接合的齿板组件106。

现在参考图7，示出了作为膨胀装置108的膨胀装置的可替代实施例的正交横截面图。膨胀装置108在形状和功能上基本与膨胀装置48相似。但是，膨胀装置108部分地不同于膨胀装置48，因为桥状件94位于沿着倾斜表面90的距离卡瓦块50的倾斜端96的一偏移距离93处。类似地，桥状件94位于沿着截头圆锥形壁82的距离楔形件52的顶端88的一偏移距离95处。桥状件94的这种设置在卡瓦块50与楔形件52之间提供了增加的径向重叠。

仍然参考图7，膨胀装置108进一步不同于膨胀装置48，因为膨胀装置108包括从卡瓦连接件100和/或卡瓦块50的远端98纵向地延伸的突出件110。这种突出件110可接收在形成在工具10的相邻部件中的互补沟槽和/或接收件内。例如，斜口管鞋78和/或分隔环44可构造为在膨胀装置108处于试车构造中的同时接收突出件110。当突出件110被斜口管鞋78充分接收时，卡瓦块50可朝着纵向中心轴线40向内保持，从而防止卡瓦块50与井15的元件之间的不期望干扰。膨胀装置108的操作与膨胀装置48的操作基本相似，除在卡瓦块50的上述充分径向向外移动之后突出件110随连接卡瓦块50的卡瓦连接件100的剪断一起剪断之外。应理解的是，膨胀装置48、108可由复合材料(诸如玻璃纤维、金属(例如，铝、钢、铸铁、或镁))、或任何其他适合的材料构成。还应理解的是，膨胀装置可通过模塑、锻造、铸造、挤压、机加工和/或任何其他适合的构造技术构成。

公开了至少一个实施例，并且本领域普通技术人员所做的实施例和/或实施例的特征的变型、组合和/或修改落在本公开的范围内。通过组合、结合和/或删除实施例的特征而得到的可替代实施例也落在本公开的范围内。在明确表述了数值范围或限制的地方，这种明确的范围或限制应理解为包括落在明确表述的范围或限制内的相似量级的重复范围或限制(例如，从大约1到大约10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、012、0.13等)。例如，只要公开了下限为R_l且上限为R_u的数字范围，则明确公开了落在该范围内的任何数字。具体地，明确公开了该范围内的如下数字：R＝R_l+k*(R_u-R_l)，其中，k是以百分之一为增量的在百分之一到百分之一百范围内的变量，例如，k是百分之一、百分之二、百分之三、百分之四、百分之五、...、百分之五十、百分之五十一、百分之五十二、...、百分之九十五、百分之九十六、百分之九十七、百分之九十八、百分之九十九、或百分之一百。另外，还明确公开了由上文中限定的两个R数字所限定的任何数字范围。关于权利要求的任何元件的术语“可选地”的使用表示需要该元件，或者可替代地，无需该元件，这两种可替代方案均落在该权利要求的范围内。诸如包含(comprises)、包括(includes)、以及具有(having)的较广义术语的使用应理解成为诸如由...组成(consistingof)、主要由...组成(consistingessentiallyof)、以及基本上由...构成(comprisedsubstantiallyof)的较狭义术语提供支持。因此，保护范围不受限于上述描述，而是由以下权利要求限定，所述权利要求的范围包括权利要求的主题的所有等同物。每项权利要求都作为进一步的公开结合到说明书中，并且权利要求是本发明的实施例(多个实施例)。对本公开中的参考文献的论述并非承认其是现有技术，尤其是对于公开日在该申请的优先权日之后的参考文献。将本公开中所引用的所有专利、专利申请、以及出版物的公开整体通过引证结合于此。

Claims

1.一种用于井眼维修工具的膨胀装置，包括：

楔形件，所述楔形件包括具有顶端的截头圆锥形壁，所述楔形件沿着中心轴线同轴地构造；

多个卡瓦块，每个卡瓦块包括具有倾斜表面的内表面；以及

一个桥状件，径向地设置在所述倾斜表面和所述截头圆锥形壁之间，从而将每个所述倾斜表面连接至所述截头圆锥形壁，其中，所述桥状件在靠近所述倾斜表面邻接所述多个卡瓦块的倾斜端的地方基本上沿着所述倾斜表面的整个长度延伸，其中，所述桥状件与每个所述倾斜表面和所述截头圆锥形壁形成为一体，

其中，至少两个相邻卡瓦块每个包括与和所述倾斜表面相关的倾斜段相对的远端，并且其中，所述至少两个相邻卡瓦块的所述远端通过卡瓦连接件连接。

2.根据权利要求1所述的膨胀装置，其中，所述桥状件围绕所述中心轴线连续地延伸。

3.根据权利要求1或2所述的膨胀装置，其中，所述截头圆锥形壁的倾斜角基本等于至少一个所述倾斜表面的倾斜角。

4.根据权利要求1或2所述的膨胀装置，其中，至少一个所述卡瓦块包括与和所述倾斜表面相关的倾斜端相对的远端，并且其中，至少一个所述卡瓦块包括基本平行于所述中心轴线从所述倾斜端纵向向外地延伸的突出件。

5.根据权利要求1或2所述的膨胀装置，其中，至少一个所述卡瓦块包括与和所述倾斜表面相关的倾斜端相对的远端，并且其中，所述桥状件位于沿着所述倾斜表面的距离所述倾斜端的一偏移距离处。

6.根据权利要求1或2所述的膨胀装置，其中，所述桥状件位于沿着所述截头圆锥形表面的距离所述顶端的一偏移距离处。

7.根据权利要求1或2所述的膨胀装置，其中，至少一个所述卡瓦块包括与和所述倾斜表面相关的倾斜端相对的远端，其中，所述桥状件位于沿着所述倾斜表面的距离所述倾斜端的一偏移距离处，并且其中，所述桥状件位于沿着所述截头圆锥形表面的距离所述顶端的一偏移距离处。

8.根据权利要求1或2所述的膨胀装置，其中，至少一个所述卡瓦块包括用于接收齿板组件的一部分的接收件。

9.根据权利要求1或2所述的膨胀装置，其中，至少一个所述卡瓦块包括用于接收齿块的接收件。

10.根据权利要求9所述的膨胀装置，其中，所述卡瓦连接件围绕所述中心轴线连续地延伸。

11.根据权利要求9所述的膨胀装置，其中，所述卡瓦连接件连接所有多个卡瓦块。

12.一种操作井眼维修工具的方法，包括：

沿着中心轴线纵向地压缩膨胀装置，其中，所述膨胀装置包括：

多个卡瓦块，每个卡瓦块包括具有倾斜表面的内表面；以及

一个桥状件，径向地设置在所述倾斜表面和所述截头圆锥形壁之间，从而将每个所述倾斜表面连接至所述截头圆锥形壁，其中，所述桥状件在靠近所述倾斜表面邻接所述多个卡瓦块的倾斜端的地方基本上沿着所述倾斜表面的整个长度延伸，其中，所述桥状件与每个所述倾斜表面和所述截头圆锥形壁形成为一体；

在充分压缩之后，通过剪断所述桥状件使多个卡瓦块与楔形件分离；

使所述楔形件相对于所述卡瓦块移动；以及

在所述楔形件相对于所述卡瓦块的充分移动之后，使至少两个卡瓦块彼此分离，

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述膨胀装置包括围绕所述膨胀装置的所述中心轴线连续地延伸的桥状件。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，使所述楔形件相对于所述卡瓦块移动增大了所述卡瓦块与所述中心轴线之间的径向距离。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，在实现所述卡瓦块与所述中心轴线之间的径向距离的充分增大之后，使卡瓦块的一部分或由卡瓦块承载的装置中的至少一者接触套管和井眼中的至少一者。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，在使卡瓦块的一部分或由卡瓦块承载的装置中的至少一者接触套管和井眼中的至少一者之前，使封隔器元件密封地接合所述套管和所述井眼中的至少一者。

17.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述井眼维修工具是桥塞。

18.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述井眼维修工具是压裂塞。

19.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述井眼维修工具是层间分隔工具。