CN103201454A - 多功能隔离工具及使用方法 - Google Patents

Abstract

在此提供了一种用于完成一口井的工具组件和方法。该工具被部署在管柱上并且包括一个流体处理组件，该流体处理组件在处理端口的上下方具有杯式密封件。可以打开或关闭压裂组件下面的一个平衡阀，以便控制流体通过复绕管与处理区域之间到达井眼下方。

Description

多功能隔离工具及使用方法

技术领域

本发明总体上涉及油气井的完成。更具体地说，本发明涉及一种在一个一次起下作业钻孔中对天然气、石油、或煤层甲烷井眼的多个层段进行穿孔、隔离和压裂时使用的工具组(tool string)。

背景技术

在完成井眼的过程中在井下使用的工具一般是众所周知的。例如，穿孔装置通常在井下被部署在钢丝绳、线缆或管柱上，并且通常使用桥塞和跨式封隔器等密封装置在流体处理过程中隔离井眼的多个部分。像这样，工具在使用过程中会暴露到不同的状况中，并且随着时间逐渐地演进出了许多改进措施以解决在井下典型地遇到的问题。

诸位申请人先前已经描述过一种在对多个井眼层段进行穿孔和处理时使用的工具和方法。该工具包括一个喷射穿孔装置和密封组件，这个组件中带有一个平衡阀，用于控制流体在该组件当中和周围的流动。沿着该井眼环形套筒向下应用流体处理以便对最上面的穿孔后的区域进行处理。

当要处理多个预先存在的穿孔时，不期望沿着该井眼环形套筒向下应用处理流体，因为用这种方法不能对穿孔进行选择性地处理。通常需要一种隔离装置。已知在跨式工具和其他隔离工具中使用杯式密封件，但是这种密封件不太适合那些需要在一次起下作业钻孔过程中反复使用的应用，原因在于工具组件若是在调整密封件时在井眼内发生滑动，可能会发生磨损和失效的风险。在井下存在砂石或者其他碎片的应用中，这种风险更大，因为在砂石或其他固体存在的情况下，杯式密封件可能无法抵靠着壳体充分进行密封，从而导致密封件发生滑动以及过早磨损。

在大量砂石或其他固体存在的情况下使用任何密封装置都增大了工具出现故障的风险。此外，若是处理期间发生固体阻塞，或者是在处理完成时释放该井眼环形套筒中的液压时地层排出固体的时候，该工具可能会卡在井下。典型的完成组件具有许多移动部件以便为各种井下功能提供致动，而这些致动机构内砂石或其他固体的存在，往往有着堵塞这些机构的风险，从而可能导致工具或井发生故障或者永久性损坏。要校正这种情况成本很高，而且给井的完成造成明显延迟。所以，井的运营方、压裂公司以及工具供应商/服务提供者在选择完成操作时使用的流体和工具的时候通常都非常谨慎。

发明内容

在第一方面中，本发明提供了一种用于部署在一个井眼内的管柱上的完成工具，该组件包括：上部和下部密封构件，这些上部和下部密封构件在这些上部和下部密封构件之间限定了一个跨越区域；位于该跨越区域内的一个或多个处理端口，这些处理端口随管柱延续，从而允许流体从地表递送到该井眼；一个安装在该下部密封构件下面的阀外壳，该阀外壳限定了一个随该管柱和该下部密封构件下面的井眼环形套筒延续的流体通道，从而允许其间的压力平衡；一个可在该阀外壳内在打开位置与密封位置之间滑动的旁通塞，在该打开位置中准许流体穿过该外壳，而在该密封位置中防止流体通过该外壳，该塞可在向该管柱施加了机械压力时致动来打开或密封该通道；以及一个可重调的锚装置，该锚装置以操作方式安装在该下部密封构件下面以便抵靠着一个井眼的壳体进行调整，该锚装置可通过向该管柱施加机械力来进行操作。

在各种实施例中，这些密封构件可以是杯式密封件、可膨胀密封元件、可压缩密封元件，或其他机械或液压致动的密封构件。

在一个实施例中，该锚装置包括围绕该锚装置的心轴安置的一个或多个锚定卡瓦、和一个致动锥体，该致动锥体可相对于该锚装置的心轴滑动从而与这些向内偏置的卡瓦相接合并且将所述卡瓦向外驱动以与壳体相接合，从而抵靠着该壳体锚定该工具组件。可以通过向该管柱施加机械力来从地表对该锚进行致动。在该管柱是复绕管的情况下，该机械力是一个向井上的力或向井下的力。

在另一个实施例中，通过向该管柱施加机械力来从地表对该锚进行致动。例如，向该管柱施加机械力可以驱动一根销在一个自动J形轮廓内移动，该自动J形轮廓具有对应于该锚装置的至少两个可操作位置的销停止位置。

在另一个实施例中，该锚装置进一步包括一个机械壳体套环定位件，用于提供摩擦阻力，可以通过从地表向该管柱施加机械力对抗该摩擦阻力来操作该锚装置。

在一个实施例中，该完成工具进一步包括在该组件内该阀外壳下方形成的一个或多个喷射穿孔喷嘴。

根据本发明的第二方面，提供一种用于部署在一个井眼内的管柱上的完成工具，该组件包括：一个包括上部和下部密封构件的跨越组件，这些上部和下部密封构件限定了一个跨越区域；在该跨越组件的跨越区域内的一个或多个处理端口，这些处理端口随管柱延续，从而允许流体从地表递送到该井眼；一个以操作方式附接在该跨越组件下方的喷射穿孔装置，该喷射穿孔装置包括一根管子，该管子具有随该管柱延续的一个或多个喷射穿孔喷嘴；在该跨越组件与该喷射穿孔装置之间的一个阀外壳，该阀外壳在该跨越组件与该喷射穿孔装置之间限定了一个流体通道；以及一个可在该阀外壳内在打开位置与密封位置之间滑动的旁通塞，在该打开位置中准许流体穿过该外壳到达该喷射穿孔装置，而在该密封位置中防止了流体穿过该外壳，该塞可在向该管柱施加了机械压力时致动以便打开或密封该通道。

在一个实施例中，该完成工具进一步包括一个用于与井眼的壳体相接合的可重调的锚装置，该锚装置可通过向该管柱施加机械力来操作。

该锚装置可以包括围绕该锚装置的一根心轴布置的一个或多个锚定卡瓦、以及一个致动锥体，该致动锥体可相对于该锚装置的心轴滑动从而将这些向内偏置的卡瓦接合起来并且将所述卡瓦向外驱动以与壳体相接合，由此抵靠着该壳体锚定该工具组件。在一个特定实施例中，可以通过向该管柱施加机械力从地表对该锚进行致动，所述机械力驱动一根销在一个自动J形轮廓内移动，该自动J形轮廓具有对应于该致动锥体的至少两个可滑动位置的销停止位置。

在一个实施例中，该锚装置进一步包括一个机械壳体套环定位件，用于提供摩擦阻力，可以通过从地表向该管柱施加机械力对抗该摩擦阻力来操作该锚装置。

根据本发明的第三方面，提供一种处理井眼的方法，该方法包括以下步骤：

-提供一个工具组件，该工具组件包括：沿一根心轴安装的上部和下部密封构件，这些上部和下部密封构件在这些上部和下部密封构件之间限定了一个跨越区域；在该跨越区域内的一个或多个处理端口，用于将处理流体从该管柱递送到该井眼；一个安装在这些下部密封构件下面的阀外壳，该阀外壳限定了一个随该管柱和该下部密封构件下面的井眼环形套筒延续的流体通道，从而允许其间的压力平衡；一个可在该阀外壳内在打开位置与密封位置之间滑动的旁通塞，在该打开位置中准许流体穿过该外壳，而在该密封位置中防止了流体穿过该外壳，该塞可在向该管柱施加了机械力时致动来打开或密封该通道；以及一个以操作方式安装在该下部密封构件下面用于与井眼的壳体相接合的可重调的锚装置，该锚装置可通过向该管柱施加机械力来操作；将该完成工具定位在井下的一个位置中，在该位置中，这些上部和下部密封构件跨越一个有待处理的壳体穿孔；

-密封通过该阀外壳的流体通道；

-向该管柱施加机械力以调整该锚抵靠着该壳来；并且

-向该管柱施加处理流体以对该穿孔进行隔离和处理。

在一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：不密封通过该阀外壳的流体通道，以便使该下部密封构件上的液压平衡。

在另一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：将该锚从该壳体中松动。

可以按希望的在单个井眼内重复任何一个或多个步骤，而不从井眼移出该工具组件。

根据本发明的第四方面，提供了一种处理井眼的方法，该方法包括以下步骤：

-提供一个完成工具，该完成工具包括：一个包括上部和下部密封构件的跨越组件，这些上部和下部密封构件限定了一个跨越区域；在该跨越区域内的一个或多个处理端口，这些处理端口随管柱延续，从而允许流体从地表递送穿过这些处理端口；一个以操作方式附接在该跨越组件下方的喷射穿孔装置，该喷射穿孔装置包括一根管子，该管子具有随该管柱延续的一个或多个喷射穿孔喷嘴；在该跨越组件与该喷射穿孔装置之间的一个阀外壳，该阀外壳在该跨越组件与该喷射穿孔装置之间限定了一个流体通道；和一个旁通塞，用于可逆地密封通过该外壳的流体通道，该塞可在向该管柱施加机械压力时操作；

-将该完成工具定位在井下邻近于一个所关注的区域；以及

-向该管柱施加流体。

在一个实施例中，该跨越组件与该喷射穿孔装置之间的流体通道在流体被施加到该管柱时进行密封，从而使得该流体仅被施加到井眼中邻近于该跨越区域。

在另一个实施例中，该跨越组件与该喷射穿孔装置之间的流体通道在该流体被施加到该管柱时不进行密封，从而使得流体被施加到该井眼中邻近于该跨越区域，并且还穿过该喷射钻孔装置中的多个喷嘴。

在另一个实施例中，该工具进一步包括一个可重调的锚装置，该锚装置以操作方式附接在该下部密封构件下方，用于与井眼的壳体相接合以便使该工具稳定在该壳体内，该锚装置可通过向该管柱施加机械力而操作；并且其中该方法进一步包括以下步骤：向该管柱施加机械力以便调整该锚抵靠着该壳体。

根据本发明的第五方面，提供了一种对井眼进行穿孔和处理的方法，该方法包括以下步骤：

-提供一个部署在管柱上的底部孔组件，该底部孔组件包括：一个跨式隔离装置，一个喷砂穿孔装置，以及一个在该隔离工具与该喷砂穿孔装置之间的流体旁通阀；

-在井下围绕一个有待处理的穿孔来调整该跨式隔离装置；

-在该旁通阀关闭的情况下沿该管柱向下泵送流体，以便防止所述流体到达该喷射穿孔装置；

-一旦对该穿孔的处理完成，便打开该旁通阀以允许液压耗散在该跨越装置上。

在一个实施例中，调整该跨式隔离装置的步骤包括：围绕一个跨越区域调整上部和下部杯式密封件。

在一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

-鉴别一个有待穿孔的井眼层段；

-将该底部孔组件定位在有待穿孔的该井眼层段内；

-密封该旁通阀；以及

-沿该管柱向下泵送研磨剂流体以便在该井眼层段中穿孔。

在一个实施例中，该方法进一步包括在不将该完成工具从该井眼中移出的情况下重复任何一个或多个步骤。

在一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：致动一个可重调的锚装置抵靠着该井眼的壳体，以便使该工具稳定在该壳体内。致动该可重调锚的步骤可包括以下步骤：向该管柱施加机械力。

本领域的普通技术人员在结合附图审阅了对本发明的特定实施例的以下描述后，将清楚本发明的其他方面和特征。

附图说明

现在将参照附图仅仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是根据一个实施例的工具组件的透视图；

图2是具有平衡阀和锚组件的工具组件的一部分的示意性截面图；

图3a是图2中所示的旁通塞51的示意性截面图；

图3b是图2中所示的平衡外壳55的示意性截面；

图4是图2中所示的用于对工具组件进行致动的J形轮廓的图；以及

图5是具有可滑动的上部杯式密封件的工具组件的上部部分的示意性截面图。

具体实施方式

总体上，提供了一种用于在不需要从层段之间的井眼中去除工具组就可以对井眼的多个层段进行压裂的井下组件和方法。这种系统总体上可以用于具有加套井眼的垂直、偏斜、水平、或分支的油气井。

在本说明书中，使用术语“上方/下方”和“上部/下部”是为了便于理解，并且它们总体上意在表示从地表看的井上和井下方向。但是，根据井眼的构型，这些术语在某些实施例中可能是不严密的。例如，在一个水平井眼中，一个装置可能并不是在另一个装置上方，而是离进入井眼的点更近(井上，上方)或者更远(井下，下方)。同样，术语“地表”意在表示进入井眼的点，也就是说，该组件插入到井眼中时所在的工作层面(work floor)。

在此提到的喷射穿孔是指一种以高速递送研磨剂流体以便在特定位置处对井眼壁进行腐蚀从而形成穿孔的技术。典型地，研磨剂流体是从安排在一个心轴周围的多个喷嘴中喷射出来的，这样高流速将会把研磨剂流体从喷嘴朝向井眼壳体喷射。喷砂是指使用砂石作为研磨剂(处于适当的载体流体中)的操作。例如，用于在喷砂组合物中使用的典型的载体流体可以包括以下各项中的一者或多者：水、烃基流体、丙烷、二氧化碳、氮气辅助水(nitrogen assisted water)等等。

目前描述的组件可以部署在井眼内的管柱、钢丝绳、线缆上或通过其他合适的悬架或支架进行布置。这些图中描绘的组件的实施例被示出和描述成部署在诸如复绕管等管柱上。但是，取决于其应用，其他类型的管子(例如，带螺纹的导管)或其他悬架系统(钢丝绳、线缆等)可能是合适的。

综述

总体上，该组件可以部署在连接导管、同心管、或复绕管的管柱上。该组件将典型地包括上部和下部隔离元件、一个位于这些隔离元件之间的压裂端口，以及一个位于该下部隔离元件下方的锚定装置。该下部隔离元件下方还可以存在一个喷射穿孔装置。

在某些实施例中，提供了一个锚定装置，用来在调整该工具的过程中保持稳定性，并且防止处理过程中工具组件在井眼内的滑动。此外，该锚定装置允许通过从地表对管柱施加机械压力而对外壳内的平衡阀/塞的进行受控致动。合适的锚定装置可以包括拖动块、机械卡瓦(mechanical slips)、封隔器(packers)、以及本领域已知的其他锚装置。总体上优选对锚的简单机械致动从而在该锚的调整上来提供对锚的调整适当的控制，并且可以使在调整和释放该锚的过程中的故障或与碎片相关的干扰最小化。锚组件的机械致动与旁通阀的致动有宽松的联系，从而允许两个可滑动机构之间的协调。一个机械壳体套环定位件、或者是能提供对抗壳体某种程度摩擦的其他装置的存在，有助于提供阻力，锚和旁通/平衡阀可以对抗这个阻力而受到机械致动。

多种用于在工具组件内使用以便隔离所关注区域的密封装置是可获得的，这些密封装置包括摩擦杯、可膨胀封隔器和可压缩密封元件。在此图解说明和论述的具体实施例中，摩擦杯被示出为跨在该工具的压裂/处理端口上。当该工具组件内还有一个喷射穿孔装置的时候，这些摩擦杯还可以在喷射穿孔的过程中用作该工具组件的锚，下文将予以描述。

虽然这里描述的实施例使用杯式密封件来隔离井眼层段，并且可以进一步结合一个锚组件以便在压裂之前将工具的位置固定在每个层段上，但是根据本技术领域中典型的变化和实验程度，可以对组件的部件做出可替代的选择和安排。

参见图1，提供了一个压裂或处理组件10，用于穿过管柱向所关注的井眼层段递送压裂流体(或其他处理流体)。两个杯式组件20、30跨在压裂组件10上，并且在加压的处理流体递送到井眼层段时抵靠着壳体进行密封。一个锚组件40在隔离的层段下方接合了该壳体。可以采用流体喷射装置80(当存在的时候)递送高速研磨剂流体穿过喷嘴81，以便在需要时在井眼中形成穿孔。

该工具组被组装和部署在井下的通往所关注的井眼层段的管(例如，复绕管或连接导管)上。然后，调整该锚抵靠着该壳体，并且在压力下沿管向下泵送流体，在压裂端口11处离开该管柱。这样致使摩擦杯20、30扩口，并且这些扩口后的杯抵靠在壳体上密封。

如果希望进行压裂或其他流体处理，那么就关闭旁通阀43并且使这些摩擦杯位于井眼的穿孔部分周围。关闭的旁通阀防止流体向下穿过该工具组到达喷射穿孔装置80。所以，被递送到该组件的流体将离开端口41，并且对被跨越的层段加压，从而通过这些隔离的穿孔而将处理流体递送到该区域。当处理结束时，将旁通阀43拉开，以便从隔离区域中释放压力，从而允许流体和碎片可以穿过工具组的底部部分而流到井下。在必要时，管柱内的压力也可以从地表耗散掉。一旦压裂区域内的压力得到释放，杯式密封件就会松弛到其工作位置。然后，使锚松动，并且工具组可以移动到下一个所关注的层段，或者从井眼中被取回。

如果希望井眼的穿孔，那就就开放旁通阀43，并且调整这些摩擦杯跨越有待被穿孔的区域上方的井眼。沿着该管柱向下泵送研磨剂流体，将流体优先递送穿过处理端口11，直到这些摩擦杯抵靠在井眼上进行密封为止。因为这个层段未被穿孔，所以这个层段保持被加压，并且因而充当一个锚，从而将该工具组件的位置固定在该井眼内。进一步的流体递送将到达穿孔装置，并且在喷嘴81处离开，从而使得抵靠着壳体喷射研磨剂流体以便穿孔在这些喷嘴附近的井眼。

因为本工具组的使用环境中可能带有砂石(由于地层特性、使用了研磨剂流体和/或带有支撑剂的处理流体)，所以有一个很明显的风险，即，碎片可能会在部署的过程积聚在该工具的孔口、狭槽、腔室、以及移动部分中。例如，固体可能会积聚在这些杯和锚的上方。所以，可以将碎片缓解特征结合到该工具中，如在共同未决的加拿大申请2,693,676中论述的。

组件

参见图1中所示的组件，上部20和下部30杯式密封件总体上限定了将要被隔离用于进行流体处理的区域。这些密封件的间距是在组装之前就预先确定的，并且可以针对每次向下钻孔来定制。上部密封件20可滑动地安置在压裂组件10上方，如图5所示。下部杯式密封件30组装在这些处理端口11与锚组件40之间。一个流体喷射装置80也可以组装在这些下部杯式密封件30下方。

所描绘的压裂组件10还包括一个或多个耐磨接头和一个定中心器。还可存在额外的工具组部件。压裂组件中的流体递送端口/压裂端口11允许将流体从地表递送到该井眼。

该锚组件40包括一个锚装置41和致动器组件(在本文的图中用锥体元件45表示)、一个旁通/平衡阀43，以及一个壳体套环定位件44。如图中所示，该锚装置41可以是一组机械卡瓦，这些机械卡瓦被向外驱动抵靠着壳体。在图中所示的实施例中，通过锥体元件45的向下移动来向外驱动这些卡瓦。通过向复绕管施加一个机械力而从地表控制图1中所示的旁通组件和锚致动器，这个机械力在一个自动J形轮廓74内围绕致动器组件心轴60驱动一根销73。这在图2和图4中被最清楚地示出。

合适的锚定装置可以包括可膨胀封隔器、可压缩封隔器、拖动块以及本领域已知的其他锚定装置。例如，已知的锚定装置包括具有锥体驱动的单向卡瓦或双向卡瓦的机械调整或液压调整的锚。

图中所示的锚装置41和致动器组件42是由机械调整的可压缩封隔器组件形成的。也就是说，封隔器经修改以用适当大小的不可压缩的钢锥体45来取代该可压缩的封隔器元件以便与这些卡瓦41接合。当被放置在井下的适当位置时，机械壳体套环定位件44的指状物通过向管柱施加力而提供用于操纵致动器组件42的自动J机构的足够的拖拽阻力。当销73被朝向它在该J形轮廓中的最下方的销停止件79a驱动时，该锥体45抵靠着这些卡瓦而驱动，从而迫使这些卡瓦向外抵靠着壳体，充当该井眼内的锚。当压裂完成或因其他原因不再需要进行锚定时，通过在J形轮廓内将这个销向释放位置79b操纵，可以使锥体45从与向内偏置的卡瓦的接合中移出，从而允许这些卡瓦41从壳体中缩回。在该井眼内锚定该组件，确保了流体处理的适当安置，并且还防止了这些杯式密封件在该井眼内滑动，这种滑动否则可能会导致过早磨损，因为这种滑动常常会造成其他工具中的杯式密封件的失效。

在喷射穿孔的过程中，该锚典型地是松动的，并且该旁通元件是开放的。当施加了流体压力时，这些杯式密封件将与壳体接合，并且该工具组将保持固定，从而在研磨剂流体通过喷嘴81喷射时使喷射接头保持稳定。

旁通阀的打开和关闭

该旁通组件是申请人的共同未决的加拿大申请2,693,676中描述的平衡阀的经修改的版本。值得注意的是，这个旁通元件提供了从管到下部井眼的一条中央流体通道。当对管柱施力时，旁通塞51在该组件内可滑动，从而打开和关闭这条通道。值得注意的是，虽然旁通元件和锚的状态都取决于从地表对管柱的施力，但是在销73于J形槽缝74内未有任何移动的情况下起初就对这个旁通塞进行了致动。

为了开始对所关注的井眼层段的隔离和处理，对锚进行调整，关闭该旁通阀并且使井眼保持稳定。在压力下会有一个体积的处理流体被递送穿过管柱，这将使得这些杯式密封件被调整抵靠着壳体。如希望的，进一步递送流体将会处理对该层段。当处理完成时，通过打开该平衡阀或旁通阀43，跨越该锚使来自隔离区域的压力得到平衡。当流体从隔离区域被递送通过该旁通阀以使跨越下部杯式密封件上的压差平衡时，这些杯式密封件将从壳体中松动。在上部杯式密封件不同时与下部杯式密封件松动的情况下，或松动不充分的情况下，通过调整锚来抵靠着壳体，以便维持该工具组件的位置。为了松动该锚，将向井上的力施加到管柱上，从而以物理方式将J形槽缝内的销向释放位置79b驱动。

当平衡阀是放开的并且锚是松动的时候，方便了工具组件向井上或井下的移动，因为井眼流体可以循环穿过该组件连同在井眼环形套筒内循环，从而限制了井眼跑进或跑出的液压阻力。

该旁通阀包括一个可在平衡阀外壳55内滑动的旁通塞51(参见图3a和图3b)。通过在管上进行推拉从地表对此类可滑动移动进行致动，该管通过一根主拉管59被锚定到该组件上。这根主拉管总体上是圆柱形的，并且提供了从该管穿过该外壳而流体连通的一条开放的中央通道。该旁通塞51被锚定在拉管59上方，从而形成了一个上部肩台51a，这个上部肩台限制了旁通塞51在阀外壳55内的行进范围。具体地说，一个上部锁紧螺母被附接到阀外壳55上，并且抵靠着拉管59的外表面进行密封，从而限定一个抵靠在旁通塞的上部肩台51a上邻接的停止件53a。

该阀外壳55的下端被锚定在锚心轴60上方，限定了一个下限，旁通塞51可以在阀外壳55内行进至这个下限。该旁通塞51在其下端54a处关闭，并且该旁通塞覆盖有一个粘结密封件54b。这个实心塞端部54a和粘结密封件54b的大小被确定成与锚心轴60的内径相接合，从而防止当旁通塞51已经达到行进下限的时候在井眼环形套筒/管柱与下部井眼之间发生流体连通。

该粘结密封件54b在心轴60内的接合防止了流体通过，但是可以通过向复绕管施加足够的拉力来移开该接合从而打开心轴。此拉力小于松动该锚所需的拉力，因为旁通塞51可在外壳内在心轴60与拉管停止件53a之间滑动。所以，通过在将锚装置调整抵靠着井眼壳体的同时向管柱施加拉力，可以打开该平衡阀。这允许来自隔离区域的压力得到平衡，并且松动了这些杯式密封件，而不会在对压力进行平衡的过程中对这些杯式密封件造成滑脱和损坏。

用于调整和松动锚的机制包括向复绕管施加力(或者向井上或井下)，这个力被转移到拉管59上。也就是说，围绕组件心轴60形成了一个J形轮廓74。例如通过一个一件式或两件式离合器环76将销73保持在该心轴上方的合适位置(在该J形轮廓内)。J形销在该J形轮廓内的旋转移动与管柱无关，因此不会导致在管柱内累积力矩。该离合器环和J形轮廓可以各自具有碎片释放开口，用于允许流体和固体在销73于J形轮廓74内滑动的过程中通过。

适合于对井下装置进行致动的各种J形轮廓在本领域内是已知的。图4中示出了一个合适的J形轮廓74，这个轮廓有三个围绕该心轴重复的顺序位置。J形轮廓内的不同位置上可以有碎片释放孔口78，以便准许在销73于J形轮廓内滑动时将沉淀下来的固体排出。J形槽缝74还单独地比往往一般基于销长度所需的更深，这进一步给碎片积聚和释放提供了空间，并且不会抑制对密封装置的致动。

参见图4中所示的J形轮廓，示出了三个销停止位置，即，锚调整位置79a、释放位置79b、以及跑合位置79c。组件心轴60联结到拉管59上，这根拉管59可相对于底部子心轴50滑动，这个底部子心轴50保持着该销73。机械壳体套环定位件44总体上抵靠着壳体进行拖拽，并且在从地表操纵拉管59时提供足够的阻力从而允许销73在J形轮廓74内滑动。

在图中所示的实施例中，有利的是该拉管在不同的力下既对旁通阀又对锚装置的J机构致动从而允许选择性致动。但是，本领域的技术人员现在可能清楚其他用于提供此功能性的机构，并且这些机构是处于本传授内容的范围内。

部件可以在该组件内重复调整，并且按照需要加以放置，例如通过在该组件内连接一个或多个耐磨接头。此间距可用于保护这些工具组件部件不受井下的研磨损害，例如当在加压处理之后从穿孔排出固体时。例如，这些耐磨接头可以定位在该组件内，以便在处理结束并且工具被朝向井上拉出时接纳从这些穿孔中排出的初始研磨剂流体。

利用本领域操作人员的典型知识和经历，还可能有利用本文描述的工具组(加以修改或不加修改)进行穿孔处理的其他方法。

穿孔方法

通过该J形轮廓中的销73处于跑合位置79处，使该工具组件进入该井眼中。在这停止时，该锚被保持在一个不使该锚的机械卡瓦与壳体接合的位置上。所以，通过向管柱施加重量，克服该机械壳体套环定位件和拖动垫在这些卡瓦上的拖拽，从而使该组件向井下滑动到一个希望的处理位置上。可注意到，由于拉管上的向下压力和套环定位件的阻力的作用，旁通塞往往被密封在该锚的心轴内。所以，在进入该井时，这个旁通元件通常是关闭的。

为了使递送到管柱上的流体到达喷嘴81，旁通阀必须处在打开位置。已注意到，在使用期间，当流体被高速递送到旁通阀时，该阀内的压力典型地会驱动该阀开放。也就是说，应当例如通过对锚进行调整，施加一个物理力使该阀保持关闭。所以，当希望进行喷射穿孔时，通过将管柱向井上拉到穿孔位置来将该阀打开。当通过使旁通阀开放来开始流体递送时，施加到管柱上的液压(且通过压裂端口)将使得这些杯式密封件抵靠着壳体进行密封。如果在该层段内不存在穿孔，则这些杯之间将维持着该层段内的液压，从而将该工具组件锚定在井眼内。因而，被递送到管的其他加压流体将不会被隔离的层段吸收，而是将迫使/喷射穿过喷嘴81。从喷嘴喷射的流体将对壳体穿孔或腐蚀，并且在持续施加流体时，这些流体可以向井眼下传递并离开井眼，例如通过穿孔、开孔或井眼中的其他机械放置的开口进入地层中。典型地，从喷嘴81喷射的流体将是研磨剂流体，如一般在现有技术中已知的喷砂穿孔技术中使用的。应注意，在本方法中，该工具组件在喷射期间通过所调整的杯式密封件来锚定，并且因此，在壳体中喷射出多个集中的穿孔。这与典型的现有技术方法形成对照，典型的现有技术方法并不允许在研磨剂穿孔方法期间锚定该喷射组件，并且典型地因装置在喷射期间移动而在壳体中形成槽缝或其他形式的宽穿孔。

一旦喷射完成，流体递送典型地就结束了，并且管柱和被跨越的层段内的压力就被耗散掉。于是，可以移动该工具以开始另一次穿孔或一种处理操作。

压裂方法

通过向管柱(并且因此向拉管)施加拉力以便将地锚旋转到释放位置79b中，来调整该锚。在此拉力期间该旁通阀因此被打开，因为用于操作该旁通元件的机械阈值力小于在自动J形轮廓内旋转该销所需的力。施加到该管柱的进一步的向井下的力将使该旁通阀再次关闭，并且此外将销73朝向锚调整位置79a驱动，从而使经修改的封隔器元件45降低，直到该元件与机械卡瓦41接合为止，从而使这些机械卡瓦抵靠着壳体向外驱动。一旦该工具组件在井下的位置由此被锚定并且该旁通元件关闭，就通过泵送流体穿过复绕管而将希望体积的流体递送到地层。当到复绕管的流体递送速率导致自压裂端口11的高压流体递送时，该压裂组件上的液压将超过一个杯式密封件阈值压力，并且这些杯式密封件将变为向外扩口，从而抵靠着该壳体进行密封。因而，井眼的剩余部分与处理层段被隔离开，以便剩余部分的处理应用。

一旦处理被成功地递送到隔离的层段，就可以通过对该管柱进行拉动来松动旁通塞。这将开始允许该隔离层段与该锚下的井眼之间的压力得到平衡。还可以在地表上释放管柱内的压力。通过使该销73向J形轮廓中的释放位置79b滑动，管柱上的进一步拉力将会使该锚松动。于是，该组件可以向井上移动以便对另一个层段进行穿孔和处理。

为了检验这些杯式密封件和平衡/旁通阀的运转是否适当，可以在使用之前或在各个处理之间在未穿孔的井眼区段中进行压力测试。也就是说，在递送流体的同时对环形套筒压力进行监测，以确保这些杯被正确地密封。还可以对进入穿孔中的流体流动进行测试。

通常，该流体旁通元件将是一个可在该阀外壳内滑动的平衡塞。参照图中所示的实例，该塞可以从一个密封位置和一个未密封位置移动，在该密封位置中该圆柱形塞54a和粘结密封件54b在下部心轴60内接合，在该非密封位置中，流体可以传递到该下部井眼并且从该层段传递到该下部井眼。该塞以操作方式附接到拉管59上，这个拉管可以从地表进行致动来控制平衡塞51在阀外壳55内的位置。

上部杯20可相对于下部杯30滑动，如图1和图5中所示。在碎片已堆积在上部杯式密封件上的情况下，仍然可以将向井上的力施加到管柱上，从而使锚因该可滑动的上部密封件组件而移开。也就是说，当高压流体被首次递送穿过这些压裂端口时，该上部杯式密封件将在抵靠着壳体进行密封之前向井上滑动。所以，在处理之后，如果上部杯无法松动，或者倘若上部杯式密封件上方有过多碎片，那么施加到该管柱上的拉力将使上部杯沿着工具向下滑动到其下限位置。这些上部杯式密封件的位置中的此少量游隙将工具的与碎片相关的失效的风险减到最小。

提供了一种用于部署和利用上述工具组件以便对井眼进行穿孔和压裂的方法。该方法典型地包括以下步骤：

·将工具组向井下跑到一个预定深度，该工具组有一个位于上部与下部密封构件之间的带端口的心轴、一个位于这些密封构件下方的旁通阀、一个位于这些下部密封构件下方的机械壳体套环定位件、以及一个或多个位于该旁通阀下方的喷射穿孔喷嘴；

·调整这些密封构件抵靠着井眼壳体，以便隔离井眼在这些密封构件之间的部分；

·沿着该工具组向下泵送流体穿过这些压裂端口到该隔离的井眼；

·打开该旁通阀以便使该下部密封构件上的压力平衡；并且

·将该工具组在同一井眼内移动，并且重复任何或所有以上步骤。

在希望对壳体进行穿孔的位置，例如，如果先前放置的端口或穿孔是关闭的，或者如果新的井眼层段需要穿孔，那么在该流体旁通元件是开放的时候将研磨剂流体沿着该管柱向下递送到该组件。该研磨剂流体将经由压裂端口被同时递送到井眼，从而调整上部和下部杯式密封件，并且以极小程度通过喷嘴。一旦这些杯式密封件将这些杯式密封件之间的井眼层段调整成隔离，这个无穿孔的隔离区域就将受到加压，从而允许研磨剂流体在高压下递送穿过喷射穿孔喷嘴。所以，新穿孔将在该隔离层段下方被喷射出。于是，该工具组件可以向井下移动，以便在旁通阀关闭的情况下对新形成的穿孔进行隔离和处理。

当存在锚组件时，这个锚组件被用来使工具组件在压裂期间的位置得到稳定。相反，在喷砂操作期间在旁通阀保持开放时典型地不对锚进行调整。但是，当开始喷砂操作时，被递送到管柱的流体将首先在压裂端口上离开，调整上部和下部杯式密封件抵靠着壳体。由此，经调整的这些上部和下部杯式密封件作为喷砂操作的锚起作用，从而使工具组件在井下的位置保持稳定以便能提供多个集中的穿孔。

在某些应用中，井眼可能含有现存的需要压裂或其他流体处理的穿孔。但是，可能还需要额外的穿孔。目前描述的完成工具提供了作为跨式隔离和处理工具操作以及作为喷砂穿孔装置操作的多用性。也就是说，当旁通阀关闭时，就有效地选择跨式隔离和处理功能。万一在特定区域的处理过程中出现问题，简单地通过在适当时调整工具的位置、打开旁通阀和将研磨剂穿孔流体递送到管柱，可以用极少的时间和成本在该区域内形成一个额外穿孔。一旦层段已经被再次穿孔(通过喷射装置)，便移动该工具组以围绕新穿孔来定位这些杯，并且可以继续进行处理。值得注意的是，这样可以实时就地对该井眼的处理计划进行调整，不需要新工具跑入井中，也不需要另外的支持人员被叫到现场。

虽然图中所示的工具结合了机械壳体套环定位件(MCCL)，但是应理解，可以使用其他深度控制装置，并且还有MCCL的结合有双重功能，既能辅助旁通塞的致动，又能辅助锚装置(如果存在的话)的致动。MCCL的定位指状物典型地旨在在该工具向井上或井下移动时沿壳体拖拽。照这样，此拖拽提供一了个极小程度的摩擦阻力，这有助于响应于从地表施加到管上的机械力而在该J形槽缝内驱动该销。现场人员将监视该销在该J形槽缝内的位置，并且在将该销转动到用于致动该锚装置所希望的J形槽缝位置上的过程中利用MCCL的拖拽。

本发明的上述实施例预期仅仅是实例。根据在此提供的传授内容的基本精神，上述实施例的每个特征、要素和步骤都可以用任何合适的方式进行组合。本领域的普通技术人员在不脱离本发明的范围的情况下可以做出多种更改、修改和变更，本发明的范围仅由所附权利要求书来限定。

Claims (27)

1.一种用于部署在井眼内的管柱上的完成工具，该组件包含：

-上部和下部密封构件，这些上部和下部密封构件在这些上部和下部密封构件之间限定了一个跨越区域；

-在该跨越区域内的一个或多个处理端口，这些处理端口随管柱延续，从而允许流体从地表递送到该井眼；

-一个安装在该下部密封构件下面的阀外壳，该阀外壳限定了一个随该管柱和该下部密封构件下面的井眼环形套筒延续的流体通道，从而允许其间的压力平衡；

-一个可在该阀外壳内在打开位置与密封位置之间滑动的旁通塞，在该打开位置中准许流体通过该外壳，而在该密封位置中防止流体通过该外壳，该塞可在向该管柱施加了机械压力时致动来打开或密封该通道；以及

-一个可重调的锚装置，该锚装置以操作方式安装在该下部密封构件下面从而调整抵靠着一个井眼的壳体，该锚装置可通过向该管柱施加机械力来操作。

2.如权利要求1所述的完成工具，其中这些上部和下部密封构件是杯式密封件、可膨胀密封元件或可压缩密封元件。

3.如权利要求1所述的完成工具，其中该锚装置包括围绕该锚装置的心轴来布置的一个或多个锚定卡瓦、以及一个致动锥体，这个致动锥体可相对于该锚装置的心轴滑动以便与这些向内偏置的卡瓦相接合并且将所述卡瓦向外驱动以与该壳体相接合，从而抵靠着该壳体锚定该工具组件。

4.如权利要求1所述的完成工具，其中通过向该管柱施加机械力从地表来致动该锚。

5.如权利要求4所述的完成工具，其中向该管柱施加机械力会驱动一根销在一个自动J形轮廓内移动，该自动J形轮廓具有对应于该锚装置的至少两个可操作位置的销停止位置。

6.如权利要求3所述的完成工具，其中通过向该管柱施加机械力从地表来致动该锚，所述机械力驱动一根销在一个自动J形轮廓内移动，该自动J形轮廓具有对应于该致动锥体的至少两个可滑动位置的销停止位置。

7.如权利要求1到6中任何一项所述的完成工具，其中该锚装置进一步包括一个用于提供摩擦阻力的机械壳体套环定位件，可以通过从地表向该管柱施加机械力对抗该摩擦阻力来操作该锚装置。

8.如权利要求1到7中任何一项所述的完成工具，进一步包括在该组件内形成的位于该阀外壳下方的一个或多个喷射穿孔喷嘴。

9.一种用于部署在井眼内的管柱上的完成工具，该组件包括：

-一个包括上部和下部密封构件的跨越组件，这些上部和下部密封构件限定了一个跨越区域；

-在该跨越组件的跨越区域内的一个或多个处理端口，这些处理端口随管柱延续，从而允许流体从地表递送到该井眼；

-一个以操作方式附接在该跨越组件下方的喷射穿孔装置，该喷射穿孔装置包括一根管子，该管子具有随该管柱延续的一个或多个喷射穿孔喷嘴；

-在该跨越组件与该喷射穿孔装置之间的一个阀外壳，该阀外壳在该跨越组件与该喷射穿孔装置之间限定了一个流体通道；

-一个可在该阀外壳内在打开位置与密封位置之间滑动的旁通塞，在该打开位置中准许流体穿过该外壳到达该喷射穿孔装置，而在该密封位置中防止流体穿过该外壳，该塞可在向该管柱施加了机械压力时来致动以打开或密封该通道。

10.如权利要求9所述的完成工具，进一步包括一个用于与井眼的壳体相接合的可重调的锚装置，该锚装置可通过向该管柱施加机械力来操作。

11.如权利要求10所述的完成工具，其中该锚装置包括围绕该锚装置的心轴布置的一个或多个向内偏置的锚定卡瓦、以及一个致动锥体，该致动锥体可相对于该锚装置的心轴滑动以便与这些向内偏置的卡瓦相接合并且将所述卡瓦向外驱动以与该壳体相接合，从而抵靠着该壳体锚定该工具组件。

12.如权利要求10所述的完成工具，其中向该管柱施加机械力来驱动一根销在一个自动J形轮廓内移动，该自动J形轮廓具有对应于该锚装置的至少两个可操作位置的销停止位置。

13.如权利要求11所述的完成工具，其中通过向该管柱施加机械力从地表来致动该锚，所述机械力驱动一根销在一个自动J形轮廓内移动，该自动J形轮廓具有对应于该致动锥体的至少两个可滑动位置的销停止位置。

14.如权利要求10到13中任何一项所述的完成工具，其中该锚装置进一步包括一个用于提供摩擦阻力的机械壳体套环定位件，可以通过从地表向该管柱施加机械力对抗该摩擦阻力来操作该锚装置。

15.一种处理井眼的方法，该方法包括以下步骤：

-提供一个工具组件，该工具组件包括：沿一根心轴安装的上部和下部密封构件，这些上部和下部密封构件在这些上部和下部密封构件之间限定了一个跨越区域；在该跨越区域内的一个或多个处理端口，用于将处理流体从该管柱递送到该井眼；一个安装在该下部密封构件下面的阀外壳，该阀外壳限定了一个随该管柱和该下部密封构件下面的井眼环形套筒延续的流体通道，从而允许其间的压力平衡；一个可在该阀外壳内在打开位置与密封位置之间滑动的旁通塞，在该打开位置中准许流体穿过该外壳，而在该密封位置中防止流体穿过该外壳，该塞可在向该管柱施加机械力时来致动以打开或密封该通道；以及一个以操作方式安装在该下部密封构件下面用于与井眼的壳体相接合的可重调的锚装置，该锚装置可通过向该管柱施加机械力来操作；

-将该完成工具定位在井下的一个位置中，在该位置中这些上部和下部密封构件跨越了一个有待处理的壳体穿孔；

-密封通过该阀外壳的流体通道；

-向该管柱施加机械力以调整该锚抵靠着该壳体；并且

-向该管柱施加处理流体以对该穿孔进行隔离和处理。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：不密封穿过该阀外壳的流体通道，以便使在该下部密封构件上的液压平衡。

17.如权利要求15或16所述的方法，进一步包括以下步骤：将该锚从该壳体上松动。

18.如权利要求15到17中任何一项所述的方法，其中重复该方法的一个或多个步骤而不将该工具从该井眼中移出。

19.一种处理井眼的方法，该方法包括以下步骤：

-提供一个完成工具，该完成工具包括：一个包括上部和下部密封构件的跨越组件，这些上部和下部密封构件限定了一个跨越区域；在该跨越区域内的一个或多个处理端口，这些处理端口随管柱延续，从而允许流体从地表递送穿过这些处理端口；一个以操作方式附接在该跨越组件下方的喷射穿孔装置，该喷射穿孔装置包括一根管子，该管子具有随该管柱延续的一个或多个喷射穿孔喷嘴；在该跨越组件与该喷射穿孔装置之间的一个阀外壳，该阀外壳在该跨越组件与该喷射穿孔装置之间限定了一个流体通道；以及一个旁通塞，用于可逆地密封穿过该外壳的流体通道，该塞可在向该管柱施加机械压力时来操作；

-将该完成工具定位在井下邻近于一个所关注的区域；并且

-向该管柱施加流体。

20.如权利要求19所述的方法，其中将该跨越组件与该喷射穿孔装置之间的流体通道在流体被施加到该管柱中时进行密封，从而使得该流体仅被施加到该井眼中邻近于该跨越区域。

21.如权利要求19所述的方法，其中将该跨越组件与该喷射穿孔装置之间的该流体通道在该流体被施加到该管柱时不进行密封，从而使得流体被施加到该井眼中邻近于该跨越区域并且还通过该喷射穿孔装置中的喷嘴。

22.如权利要求19所述的方法，其中该工具进一步包括一个可重调的锚装置，该锚装置以操作方式附接在该下部杯式密封件下方，用于与井眼的壳体相接合以便使该工具稳定在该壳体内，该锚装置可通过向该管柱施加机械力来操作；并且其中该方法进一步包括以下步骤：向该管柱施加机械力以便调整该锚抵靠着该壳体。

23.一种用于对井眼进行穿孔和处理的方法，该方法包括以下步骤：

-提供一个部署在管柱上的工具组件，该工具组件包括：一个跨式隔离装置，一个喷砂穿孔装置，以及一个在该隔离工具与该喷砂穿孔装置之间的流体旁通阀；

-将该跨式隔离装置在井下围绕一个有待处理的穿孔进行调整；

-在该旁通阀关闭的情况下沿该管柱向下泵送流体，以便防止所述流体到达该喷射穿孔装置；

-一旦对该穿孔的处理完成，便打开该旁通阀以允许液压耗散该跨越装置上。

24.如权利要求23所述的方法，其中该跨式隔离装置包括围绕一个跨越区域的上部和下部杯式密封件。

25.如权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤：

-鉴别一个有待穿孔的井眼层段；

-将该工具组件定位在有待穿孔的井眼层段内；

-打开该旁通阀；

-通过旁通阀和该喷射穿孔装置沿该管柱向下泵送研磨剂流体，以便在该井眼层段中穿孔。

26.如权利要求23到25中任何一项所述的方法，其中重复该方法的一个或多个步骤而不将该工具从该井眼移出。

27.如权利要求23到26中任何一项所述的方法，其中该工具进一步包括一个可重调的锚装置，该锚装置用于与井眼的壳体相接合以便使该工具稳定在该壳体内，该锚装置可通过向该管柱施加机械力而操作；并且其中该方法进一步包括以下步骤：向该管柱施加机械力以便调整该锚抵靠着该壳体。

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