CN103140646B - 具有流体支路的磨料射孔器 - Google Patents
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Abstract
一种具有支路流动通道的磨料射孔工具。该工具包括管状体或者管状外壳，该管状体或者管状外壳的侧壁中具有射孔喷嘴。所述工具的中心孔内部的套筒组件提供对第一套筒和第二套筒顺次施用。施用套筒组件前，带压的流体能够途经所述工具以操作底部钻井组件中的所述射孔器下面的其他工具。第一套筒的施用将带压流体转移穿过所述喷嘴用以射孔。第二套筒的施用使得带压流体转向途经所述工具的出口以重新操作所述射孔器下面的其他工具。
Description
技术领域
本发明通常涉及一种井下工具，尤其是但不限于涉及一种磨料射孔工具。
附图说明
图1是根据本发明制造的包括具有磨料射孔工具的底部钻井组件的钻柱的局部侧视图；
图2显示根据本发明的第一优选实施方式制造的磨料射孔器的纵向剖视图；
图3A至图3B显示图2中的磨料射孔工具处于中性或者运行位置的顺次纵向剖视图；
图4A至图4B显示图2中的磨料射孔工具处于第一施用位置的顺次纵向剖视图；
图5A至图5B显示图2中的磨料射孔工具处于第二施用位置的顺次纵向剖视图；
图6是图2中的磨料射孔工具沿图3B中的线6-6剖切的剖视图；
图7是图2中的磨料射孔工具沿图4A中的线7-7剖切的剖视图；
图8显示根据本发明的第二优选实施方式制造的磨料射孔工具的局部纵向剖视图；
图9A至图9B显示图8中的磨料射孔工具处于中性或者运行位置的顺次纵向剖视图；
图10A至图10B显示图8中的磨料射孔工具处于第一施用位置的顺次纵向剖视图；
图11A至图11B显示图8中的磨料射孔工具处于第二施用位置的顺次纵向剖视图；
图12是图8中的磨料射孔工具沿图9A中的线12-12剖切的剖视图；
图13是图8中的磨料射孔工具沿图11B中的线13-13剖切的剖视图。
具体实施方式
在连续油管(coiled tubing)上的砂射孔(Sand perforating)作业已经被证明是爆炸射孔的非常有效的替代方案。最近在磨料射孔(abrasiveperforating)方面的创新包括一种工具，该工具在申请号为11/372527、名称为“Methods and Devices for One Trip Plugging and Perforating of Oil and GasWells”、于2006年3月9日提交、并且于2006年9月14日第一次公开、美国专利申请公开号为2006/0201675Al的美国专利申请中公开。所述工具具有两个位置——中性或者运行位置、以及施用(deployed)或者射孔位置。在运行位置中，射孔喷嘴被套筒阻塞，并且带压流体流经所述工具用以操作在工具串(tool string)中的所述工具的下方的其他工具。在施用或者射孔位置中，套筒移位以向喷嘴敞开流动路径。虽然所述工具表现出了在磨料射孔作业方面的重大改进，但所述工具需要从井道(well)中拉动工具串以重置或者移除射孔器，以重建带压流体使得流体途经用于后续的钻井作业的底部钻具组件(bottom hole assembly)。
本发明通过提供一种能够重建带压流体却无需从井道中移除的工具而包括了磨料射孔方面的进一步创新。因此，该射孔器允许射孔之后底部钻具组件中的该射孔器下方的其他流体驱动工具的作业，却无需从井道中移除工具串。例如，射孔器下方的底部钻具组件中可以包括电机或者冲洗喷嘴，在射孔作业完成后可以立即使用该电机或者冲洗喷嘴。
现在转向全部的附图且尤其是图1，图1中显示了由附图标记10所标注的磨料射孔工具。该工具10显示为底部钻井组件(“BHA”)12中的若干部件之一，底部钻井组件12悬挂在诸如连续油管的导管14的端部。此处所使用的“底部钻井组件”或者简写的“BHA”是指支撑在井道导管14的端部上的工具组件。此处所使用的“钻柱”是指与底部钻井组件12相连接的在此处通常由附图标记16所标注的为钻杆、连续油管、钢缆(wireline)或者其他井道导管14的柱状件或绳状件。
BHA12可以包括各种工具。在所显示的实施例中，BHA12包括连续油管连接器20、双背压阀22、液压拆装工具(hydraulic disconnect)24、本发明的支路射孔工具10、电机26以及端部的磨机(mill)28。
现在参考图2，将描述工具10A的第一优选实施方式。工具10A包括通常标注为100的管状工具外壳。优选地，外壳100包括以螺纹方式互连的顶部接头102(top sub)、底部接头104(bottom sub)以及壳体106，且它们之间具有密封件(诸如通常标注为110的O形圈)以提供流体密封通道。顶部接头102限定入口112，底部接头104限定出口114，壳体106包括侧壁116，该侧壁116限定了在入口和出口之间延伸的中心孔118。
至少一个且优选为若干个的喷嘴120支撑在外壳100的侧壁116中。这些喷嘴可以采取多种形式。这些喷嘴可以是将市场上销售的硬质合金喷嘴装入喷嘴孔中形成。这些喷嘴可以设置有耐磨板或者挡圈(collars)122。
套筒组件126支撑在中心孔116的内侧。套筒组件126包括第一套筒128和第二套筒130。第一套筒的尺寸适合于在中心孔118中从未施用位置滑动到施用位置，但是，在图2所示的中性或者未施用位置中，第一套筒128通过剪切销132可拆卸地固定在未施用位置，该剪切销132可以设置在底部接头104中。类似地，第二套筒130的尺寸适合于在中心孔118中从未施用位置滑动到施用位置，但是，在图2所示的中性或者未施用位置中，第二套筒130通过剪切销134可拆卸地固定在未施用位置，该剪切销134可以设置在顶部接头102的下端。由此，第一套筒128和第二套筒130以首尾相连的方式沿着壳体206的中心孔118安装。
在本实施方式中，第一套筒128的管腔138限定出第一流通路径的一部分，并且第二套筒130的管腔140使入口112与第一套筒128相连接，由此也形成第一流通路径的一部分。第一套筒128的下端通向底部接头104的出口114。因此，当第一套筒128和第二套筒130在未施用位置时，进入入口112的流体被全部地引导至出口114。
壳体106的管腔142和第一套筒128的外表面144限定出围绕第一套筒的环形腔146，该环形腔146与喷嘴120连通并由此部分地限定出第二流动路径，下文中将更加详细地阐述该第二流动路径。
继续参考图2，壳体的侧壁116限定出纵向流动通道150，从而至少部分地限定出第三流动路径，下文中将更加详细地阐述该第三流动路径。底部接头104可以包括与外壳侧壁116中的流动通道150流体连通的纵向流动路径152。
诸如滚珠(balls)154和156的执行件设置为启动第一套筒和第二套筒的顺次施用。该程序在下文中描述。可替代地，执行件可以使用其他形式，例如射针(darts)和插头。
图3A和图3B显示处于未施用或者中性位置的工具10A。如图所示，在该位置中，第一套筒128和第二套筒130都没有施用，并且第一套筒128和第二套筒130连同顶部接头102中的入口112和底部接头104中的出口114一起形成第一流动路径，在这些附图中该第一流动路径由箭头F1标注。所有进入入口112的流体直接到达出口114。
现在转向图4A和图4B，通过投下第一滚珠154启动射孔步骤。当第一滚珠154位于在第一套筒128的上端中形成的位置160(也可见于图3A)时，途经第一套筒的管腔138的流体被阻塞，并且流体的压力升高。优选地，第一滚珠154为陶瓷滚珠，以更好地承受射孔流体的研磨效果。当流体的压力大于剪切销132(图3B)的剪切力时，剪切销折断，并且套筒128向下移位直到第一套筒的底端164与在底部接头104的出口114中形成的突出部166相接触。也可见于图3B。
从图4A可以最好的看出，第一套筒128的向下移动使得第一套筒的上端168与第二套筒130的底端170分离。同时，途经第一套筒128的流体被滚珠154阻塞。这样，使得流体转移进入环形腔146中，并且沿着标注为F2的箭头所指引的第二流动路径流出喷嘴120。也可见于图6。由于沙子或者其他磨料通常在此处添加到流体，因此流体在该位置会导致磨损加快。所以，可以在顶部接头102的端部设置磨损漏斗172，用以使得流体呈流线型流动并且保护侧壁116使其免受过度磨损。
当射孔作业完成后，流体可以途经所述工具绕过喷嘴重建。如图5A和图5B所示，这是通过降落位于球座174中的第二滚珠156实现的。也可见于图3A和图4A。第二滚珠可以是钢珠。当流体压力超过折断剪切销134(图3A和图4A)所需的压力时，第二套筒130向下移位直到其底端170与第一套筒128的顶端168接触。这样就阻塞了进入环形腔146中的流体的通道。
顶部接头102和壳体106形成为使得当第二套筒130位于未施用位置时，存在环绕第二套筒130的环形空间180。该空间180随着横向端口182穿过顶部接头102的颈部184，使得入口112与在壳体106的侧壁116中形成的纵向通道150流体连通。也可见于图7。由此，进入入口112的流体沿着标注为F3的箭头所指引的第三流体路径转向进入到纵向通道150。
现在转向图8，其中显示的是本发明的磨料射孔工具的第二种优选实施方式，该磨料射孔工具通常标注为附图标记10B。该工具10B包括通常标注为200的管状工具外壳。优选地，外壳200包括以螺纹方式互连的顶部接头202、底部接头204以及壳体206，且它们之间具有密封件(诸如通常标注为110的O形圈)以提供流体密封通道。顶部接头202限定入口212，底部接头204限定出口214，壳体206包括侧壁216，该侧壁216限定出在入口和出口之间延伸的中心孔218。
至少一个和优选为若干个的喷嘴220支撑在外壳200的侧壁216中。这些喷嘴可以采取多种形式。这些喷嘴可以是将市场上销售的硬质合金喷嘴装入喷嘴孔中形成。这些喷嘴可以设置有耐磨板或者挡圈222(图9A)。
套筒组件226支撑在中心孔216的内侧。套筒组件226包括第一套筒228和第二套筒230。第一套筒228的尺寸适合于在中心孔218中从未施用位置滑动到施用位置，但是，在图8(也可见于图9A和图9B)所示的中性或者未施用位置中，第一套筒228通过剪切销232可拆卸地固定在第二套筒230中。
在本实施方式中，第二套筒优选地包括上端部件234、下端部件236、以及在上端部件234和下端部件236之间延伸的套筒体238，该套筒体238限定出管腔240。第二套筒230的尺寸也适合于在中心孔218中从未施用位置滑动到施用位置，不过，在图8、图9A和图9B所示的中性或者未施用位置中，第二套筒230通过剪切销242可拆卸地固定在未施用位置，该剪切销242可以设置在底部接头204和下端部件236中。
第二套筒230的上端部件234的上端可滑动地容纳在放大的直径部分246中(图11A)，并且第一套筒228的上端可滑动地容纳在第二套筒的扩大的直径部分248中(图10A)。第一套筒230的下端250可滑动地容纳在在底部接头204中形成的狭窄的直径部分252中(图8和图9A)。通过这种方式，当第一套筒228和第二套筒230都没有处于施用位置时，第二套筒的上端部件234的管腔256和第一套筒的管腔258连同入口212和出口214一起限定出第一流动路径，该第一流动路径由箭头F1标注(图9A和图9B)。在该位置中，带压的流体可以途经工具10B而无需操作喷嘴；即，进入入口212的所有流体通过第一流动路径F1被引导至出口214。
现在在本实施方式中将会看到，第一套筒228和第二套筒230沿着外壳200的中心孔218同心地安装。第一套筒228和第二套筒230的尺寸设置为使得第一套筒的侧壁的外表面和第二套筒的管腔240限定出环形腔260。第二套筒230可滑动地容纳在壳体206内部，第二套筒230和壳体206之间具有相对的紧公差并且通过O形圈210密封。第二套筒230中的端口262设置成允许流体从环形腔260流动至喷嘴220。
现在转向图10A和图10B，通过投入第一滚珠266启动射孔步骤。当第一滚珠266位于在第一套筒228的上端中形成的位置268(也可见于图3A)时，途经第一套筒的管腔258的流体被阻塞，并且流体的压力升高。从图9B中可以最好地看出，当流体的压力大于剪切销232(图9B)的剪切力时，剪切销折断，并且套筒228向下移位直到第一套筒上的环形突出部270与在底部接头204的出口214中形成的突出部272相接触。
从图10A中可以最好的看出，第一套筒228的向下移动使得第一套筒228的上端276与第二套筒230的上端部件234的底端278分离。同时，途经第一套筒228的流体被滚珠266阻塞。这样，使得流体沿着标注为F2的箭头所指引的第二流动路径转移进入环形腔260中。第一套筒228的上端276可以是锥形，用以减小对进入到环形腔260中的流体的阻力。由于第二套筒230中的端口262，使得环形腔260中的流体全部地到达喷嘴220。也可见于图12。
当射孔作业完成后，流体可以途经所述工具10B避开喷嘴220重建，如图11A和图11B所示。这是通过投入位于球座282中的第二滚珠280实现的，从图9A和图10A可以最好的看出。如图11B所示，当流体压力大于折断剪切销242(图9B和图10B)所需的压力时，第二套筒230向下移位直到套筒上的环形突出部286(图9B和图10B)与底部接头206的环形突出部288(图9B和图10B)相接触。这样会引起上端部件234向下移出顶部接头202的扩大的直径部分246，从而允许流体流动进入到形成在顶部接头和上端部件的外径之间的环形空间290中。
如图11A所示，空间290使得入口212与在壳体206的侧壁216中形成的纵向流动通道292流体连通。纵向流动通道292也可以形成在底部接头204中。如图11B所示，壳体206的下端中的扩大的直径部分和相邻的底部接头204的上端构成另一个环形空间296，该环形空间296允许流体从壳体206中的通道292流动到底部接头204中的通道294然后流出出口214。也可见于图13。因此，入口212、上部环形空间290、壳体206中的纵向流动通道292、下部环形空间296、以及底部接头204中的纵向流动通道294一起形成图11A和图11B中的沿着标注为F3的箭头所指引的第三流动路径。
在此处所示的两种实施方式中，通过在工具壳体的侧壁和底部接头中形成纵向通道，可以建立第三流动路径或者喷嘴支路流动路径。在所示的实施方式中，这些通道使用枪钻钻头(gun drill)形成在固体管状钢中。不过，可以使用其他技术形成这些通道。另外，可以通过使用“管中管”的外壳结构来形成通道，即，在紧密配合的内部管状件和外部管状件的外面形成外壳，并且在内部管状件的外径中和外部管状件的内径中的一者或者两者中形成纵向槽。本发明包括这些和其他用于在工具中提供周围(peripheral)的纵向通道的结构和方法。
现在，明显地，本发明的磨料射孔工具具有诸多优点。一个优点是在射孔之后能够重新获得流过工具的高速率的流体。这样允许彻底清洗井道，这一点使用现有技术很难实现。另一个优点是在射孔作业完成之后能够操作所述射孔工具下面的电机或者其他流体驱动工具，却无需移除工具串。
因此，本发明还包括一种用于处理井道的方法。该方法包括首先在井道下运行工具串。该工具串包括导管和底部钻井组件，该底部钻井组件包括磨料射孔工具。当底部钻井组件定位在预期的深度时，流体途经工具串但不进行射孔。上述的射孔工具允许带压的流体在射孔之前流动以完成其他的井道程序，或者操作底部钻井组件中的射孔工具下面的其他流体驱动工具，或者两者兼而有之。
在井道处理程序中的预期的节点，即，使流体途经工具串但不进行射孔之后，可以磨料射孔井道而无需移除工具串。可以这样实现：投入优选的磨料工具中的第一滚珠以使流体转移至喷嘴，并且将流体改变为含磨料流体。
射孔过程完成后，磨料流体停止流动，并且使另一种合适的井道处理流体在射孔之后继续再次途经工具串，且无需移除工具串。可以这样实现：投入上述的射孔器中的第二滚珠，以绕过喷嘴并且重新使流体流过所述工具的出口。再有，上述射孔工具允许带压的流体在射孔之后流动以进行另外的井道程序，或者操作底部钻井组件中的射孔工具下面的其他流体驱动工具，或者两者兼而有之。
此处所使用的术语“上”、“向上”、“上部”、“井上”以及类似的术语通常是指最接近表面的钻杆柱的端部。类似地，“下”、“向下”、“下部”、“井下”以及类似的术语通常是指离井口最远的钻杆柱的端部。这些术语不限于严格意义上的竖直尺寸。事实上，很多本发明的工具的应用包括非竖直井道的应用。
申请号为11/372527、名称为“Methods and Devices for One Trip Pluggingand Perforating of Oil and Gas Wells”、于2006年3月9日提交、并且于2006年9月14日第一次公开、美国专利申请公开号为2006/0201675Al的美国专利申请的内容作为参考合并于此。
以上所显示的和描述的实施方式是示例性的。在本领域中很多细节是常见的，并且因此，很多这样的细节没有显示和描述。此处并未声称所有描述的和显示的细节、部分、元件或者步骤都是本发明。虽然在附图和相应的文字中已经对本发明的很多特征和优点进行了描述，但这些描述仅仅是说明性的。在细节方面可以进行改变，尤其是在部件的形状、尺寸和部件的安装方面，在本发明的原理范围内通过术语的广义含义来表征完整的范围。此处的具体实施方式的描述和附图没有指出侵犯本专利将会如何，而是提供了如何使用和进行本发明。同样地，依权利要求确定的摘要并非以限定本发明为目的，也不以以任何方式限定本发明的范围为目的。更确切地说，本发明的限定和专利的保护范围由以下的权利要求来衡量和限定。
Claims (25)
1.一种磨料射孔工具，该磨料射孔工具包括：
管状工具外壳，该管状工具外壳包括入口和出口以及在所述入口和出口之间延伸的侧壁，该侧壁限定出在所述入口和出口之间延伸的中心孔；
至少一个喷嘴，该喷嘴在所述侧壁中；
第一套筒，该第一套筒能够从未施用位置移动至施用位置；
第二套筒，该第二套筒在所述第一套筒已经被施用之后能够从未施用位置移动至施用位置；
其中，当所述第一套筒和第二套筒位于所述未施用位置时，进入所述入口的流体通过第一流动路径被全部地引导至所述出口；
其中，当所述第一套筒被施用且所述第二套筒未被施用时，进入所述入口的流体通过第二流动路径被全部地引导至所述至少一个喷嘴；
其中，当所述第二套筒被施用时，进入所述入口的流体通过第三流动路径被全部地引导至所述出口；
执行件，该执行件用以顺次启动施用所述第一套筒和第二套筒。
2.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，所述第一套筒和第二套筒的每一个都在其入口端具有球座，并且其中，所述执行件为滚珠。
3.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，所述第一套筒具有管腔，且所述第一套筒的所述管腔部分地限定出所述第一流动路径。
4.根据权利要求2所述的磨料射孔工具，其中，所述第二套筒具有管腔，且所述第二套筒的管腔部分地限定出所述第一流动路径。
5.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，所述第二套筒具有管腔，且所述第二套筒的管腔部分地限定出所述第一流动路径。
6.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，所述第一套筒包括具有外表面的侧壁，并且其中，所述第一套筒的侧壁的外表面部分地限定出所述第二流动路径。
7.根据权利要求6所述的磨料射孔工具，其中，所述第二套筒具有管腔，且所述第二套筒的管腔和所述第一套筒的侧壁的外表面限定出环形腔，该环形腔围绕所述第一套筒并且部分地限定出通向所述喷嘴的所述第二流动路径，所述第二套筒具有端口，该端口用于允许流体从所述环形腔流过所述喷嘴。
8.根据权利要求6所述的磨料射孔工具，其中，所述外壳具有管腔，且所述外壳的管腔和所述第一套筒的侧壁的外表面限定出环形空间，该环形空间围绕所述第一套筒并且部分地限定出通向所述喷嘴的所述第二流动路径。
9.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，所述外壳的侧壁限定出纵向流动通道，该纵向流动通道部分地限定出所述第三流动路径。
10.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，所述第一套筒和第二套筒通过剪切销保持在所述未施用位置。
11.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，在所述外壳的中心孔中，所述第一套筒和第二套筒布置成首尾相连。
12.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，在所述外壳的中心孔中，所述第一套筒和第二套筒同心地布置。
13.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，所述第二套筒包括上端部件和下端部件以及所述上端部件和下端部件之间的套筒体；其中，所述下端部件可拆卸地固定至所述外壳；其中，所述上端部件包括凹部，该凹部用于在所述第一套筒未被施用时容纳所述第一套筒的上端，以将流体从所述入口引导通过所述第一套筒，并且其中，所述第一套筒同心地设置在所述套筒体中形成环形腔，当所述第一套筒被施用且第二套筒未被施用时所述环形腔使得所述入口与所述至少一个喷嘴流体连通，所述第二套筒中具有端口用以允许流体从所述环形腔流动至所述至少一个喷嘴。
14.根据权利要求13所述的磨料射孔工具，其中，当所述第二套筒被施用时，所述上端部件向下移位以允许流体从所述入口流入所述第三流动路径到达所述出口。
15.根据权利要求14所述的磨料射孔工具，其中，所述管状外壳包括顶部接头和底部接头以及所述顶部接头和底部接头之间的壳体；其中，所述壳体和所述底部接头限定出纵向流动通道，该纵向流动通道部分地限定出所述第三流动路径。
16.根据权利要求1所述的磨料射孔工具，其中，所述管状外壳包括顶部接头和底部接头以及所述顶部接头和底部接头之间的壳体；其中，所述壳体和所述底部接头限定出纵向流动通道，该纵向流动通道部分地限定出所述第三流动路径。
17.一种底部钻井组件，该底部钻井组件包括根据权利要求1所述的磨料射孔工具。
18.一种工具串，该工具串包括根据权利要求17所述的底部钻井组件。
19.一种处理井道的方法，该方法包括：
在井下运行钻柱，所述钻柱包括井道导管以及包括磨料射孔工具的底部钻井组件，其中
所述磨料射孔工具包括至少一个喷嘴、第一套筒和第二套筒，所述第一套筒和所述第二套筒顺次处于施用位置，所述第一套筒和所述第二套筒的每个能够从未施用位置滑动到施用位置，
当所述第一套筒和第二套筒位于所述未施用位置时，流体通过第一流动路径流经所述射孔工具而无需操作至少一个所述喷嘴，
其中，当所述第一套筒被施用且所述第二套筒未被施用时，进入所述射孔工具的流体通过第二流动路径被全部地引导到至少一个所述喷嘴，
其中，当所述第一套筒和所述第二套筒均被施用时，流体通过第三流动路径流经所述射孔工具；
在无需施用所述第一套筒和所述第二套筒中的任意一个的情况下，流体沿所述第一流动路径流经所述钻柱但不进行射孔；
在使流体流经所述钻柱但不进行射孔之后，施用所述第一套筒以引导流体沿所述第二流动路径流经所述射孔工具，并且对所述井道进行磨料射孔但不移除所述钻柱；
对所述井道进行磨料射孔之后，施用所述第二套筒，并且在所述第一套筒和所述第二套筒被施用的情况下，流体沿所述第三流动路径流经所述钻柱但不进行射孔并且不移除所述钻柱。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，除了所述磨料射孔工具外，所述钻柱还包括第二流体驱动工具，并且其中，在对所述井道进行磨料射孔之前和使流体流经所述钻柱但不进行射孔的步骤中，所述磨料射孔工具允许带压的流体流动以操作所述磨料射孔工具下面的所述第二流体驱动工具。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二流体驱动工具包括电机。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第二流体驱动工具还包括端部上的磨机。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，除了所述磨料射孔工具外，所述钻柱还包括第二流体驱动工具，并且还包括在射孔作业完成之后操作所述磨料射孔工具下面的所述第二流体驱动工具，却无需移除所述钻柱。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第二流体驱动工具包括电机。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第二流体驱动工具还包括端部上的磨机。
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