CN103459766A - 具有非连续外径的可钻孔卡瓦 - Google Patents

Abstract

提供的是一种用于锚定井中的套管内的井下工具的卡瓦。卡瓦的外径约等于井的套管的内径。卡瓦被设置在工作筒周围并在施加力时径向地扩张。卡瓦上的棱边响应于力可变形地接合套管。

Description

具有非连续外径的可钻孔卡瓦

技术领域

本发明大体涉及用于油、气井眼的井下工具，以及在井眼的套管内锚定这类装置的方法。本发明具体地涉及改进套管或油管内的卡瓦元件的接合。这些卡瓦元件通常用于井下的可钻孔封隔器、桥塞和压裂塞工具的坐放或锚定。

背景技术

在进行油井的钻探或再作业时，使用许多种类的井下工具。例如（但不作为限制）常常期望通过沿油管向下泵送水泥或其它浆、并迫使油管的环空周围的浆离开或进入地层，来密封井的套管中的油管或其它管。因此，相对于井中的套管密封油管、并防止浆的液体压力使油管提升而离开井、或使井中的特定区段隔离就成为必要。被称为封隔器、桥塞和压裂塞的井下工具就是为这些通用目的而设计的，并在油气生产领域广为人知。

封隔器和桥塞被用来使井的处在封隔器或桥塞之下的部分与井的处在封隔器或桥塞之上的部分隔离。因此，封隔器和桥塞可经受较高压差，而且必须能抵抗压力，以使得封隔器或桥塞密封井，并且在坐放之后不在井中移动。

与井下工具一起使用的封隔器和桥塞利用了金属、或非金属两者的卡瓦组件或卡瓦，这些卡瓦组件或卡瓦最初被保持成紧密接近工作筒。在井下工具被坐放以接合裸井眼内被先前安装好的套管时，这些封隔器和桥塞被迫向外离开工作筒。在将井下工具定位在期望的深度或位置时，坐放工具或其它施力或加载装置在井下工具上迫使卡瓦破裂，并抵靠套管的内侧径向地向外扩张。这个动作使封隔器或桥塞锚定，以使得井下工具将不相对于套管移动。

为防止井下工具滑移，具有棱边（wicker）的卡瓦环被用来坐放井下工具并接合井中套管。这些棱边切入内侧套管壁并使内侧套管壁变形。很遗憾，卡瓦环和棱边的外径明显小于套管的内径。因此，棱边只部分地且不均匀地接合套管壁，由此允许井下工具在井内滑动。

发明内容

在第一方案中，本发明提供一种在井中使用的装置，该装置用于抵靠被设置在井中的套管来锚定井下工具，该装置包括：工作筒；卡瓦组件，位于工作筒上，该卡瓦组件具有至少一个卡瓦环；以及多个卡瓦台架（slip bank），被一体地形成在卡瓦环上；其中，卡瓦环具有至少一对圆周式的卡瓦台架，卡瓦台架具有纵向地位于每一对圆周式的卡瓦台架之间的凹槽；其中，卡瓦环的外径约等于套管的内径。

该装置的每个卡瓦台架可形成有多个棱边。每个棱边可具有在其上限定的并从卡瓦环径向地向外延伸的切割边缘。每个凹槽可限定破裂通道。卡瓦环可以是整体式卡瓦环。整体式卡瓦环可由可钻孔（drillable）材料形成。卡瓦环的外径可在小于套管的内径的约1/16英寸（0.159厘米）与约等于套管的内径之间。

在第二方案中，本发明提供一种在其中设置有套管的井中使用的整体式井下锚定器，套管具有内径，整体式井下锚定器包括：工作筒；卡瓦组件，位于工作筒上，卡瓦组件具有至少一个能够向外扩张的卡瓦环和至少一个卡瓦楔，卡瓦环是整体式卡瓦环；其中，当力被施加于卡瓦组件时，卡瓦楔和卡瓦环能够相对于彼此移动，由此卡瓦环将响应于这样的移动而径向地向外扩张；以及多个卡瓦台架，被圆周式地限定在卡瓦环上；其中，卡瓦环具有至少一对圆周式的卡瓦台架，该卡瓦台架具有纵向地位于每一对圆周式的卡瓦台架之间的凹槽；其中，卡瓦环的外径约等于标称内径。

整体式井下锚定器可还包括被限定在卡瓦台架上的多个棱边。在向卡瓦组件施力时，多个棱边能够可变形地接合套管。凹槽可以是破裂通道。每个棱边可由卡瓦环一体地形成。

在第三方案中，本发明提供一种用于将井下工具锚定在井中的均匀坐放锚定装置，井中固定套管，该装置包括：工作筒；至少一个卡瓦组件，位于工作筒上，该卡瓦组件具有至少一个卡瓦环和至少一个卡瓦楔；其中，每个卡瓦环具有多个能够径向扩张的卡瓦台架；多个棱边被限定在每个卡瓦台架上；其中，每个棱边具有从此延伸的切割边缘；其中，棱边被设置为响应输入力抵靠套管壁的内壁而均匀地坐放。

套管可具有内径，卡瓦环具有约等于该内径的外径。套管可具有内径，而且卡瓦环的外径等于该内径。卡瓦环可以是整体式卡瓦环。卡瓦台架可还包括至少一对圆周式的卡瓦台架，卡瓦台架具有纵向地位于卡瓦台架之间的凹槽。凹槽可限定破裂通道。每个棱边可抵靠套管的内壁而均匀地坐放，由此能够变形地接合套管的内壁。

在第四方案中，本发明提供一种用于高压井中的井下工具的锚定装置，高压井具有套管，并且套管具有内径，该锚定装置包括：工作筒；卡瓦组件，位于工作筒上，该卡瓦组件具有至少一个卡瓦环；以及卡瓦台架，被限定在卡瓦环上；其中，卡瓦台架具有至少一个与其一体地形成的棱边，棱边被设计成接合并锚定高压井中的套管内的井下工具。

高压井可具有介于约8,000磅每平方英寸（约55兆帕）与约12,000磅每平方英寸（约83兆帕）之间的压力。卡瓦环的外径可约等于套管的内径。外径可以是大约1/16英寸（0.159厘米）或小于该内径。卡瓦环的外径可等于套管的内径。外径可以是1/16英寸（0.159厘米）或小于该内径。棱边可具有被限定在其上且径向的向外延伸的切割边缘。

在第五方案中，本发明提供一种在井中使用的装置，该装置用于抵靠被设置在井中的套管来锚定井下工具，该装置包括：工作筒；卡瓦组件，位于工作筒上，该卡瓦组件具有至少一个卡瓦环；以及多个卡瓦台架，被一体地形成在卡瓦环上；其中，卡瓦环具有至少一对圆周式的卡瓦台架，卡瓦台架具有纵向地位于每一对圆周式的卡瓦台架之间的凹槽；其中，卡瓦环的外径约等于套管的内径。

多个卡瓦台架中的每个卡瓦台架可形成有多个棱边。每个棱边可具有在其上限定的并从卡瓦环径向地向外延伸的切割边缘。每个凹槽可限定破裂通道。卡瓦环可以是整体式卡瓦环。整体式卡瓦环可由可钻孔材料形成。卡瓦环的外径可在小于套管的内径的约1/16英寸（0.159厘米）与约等于套管的内径之间。

在第六方案中，本发明提供一种在其中设置有套管的井中使用的整体式井下锚定器，套管具有内径，整体式井下锚定器包括：工作筒；卡瓦组件，位于工作筒上卡瓦组件具有至少一个能够向外扩张的卡瓦环和至少一个卡瓦楔，卡瓦环是整体式卡瓦环；其中，当力被施加于卡瓦组件时，卡瓦楔和卡瓦环能够相对于彼此移动，由此卡瓦环将响应于这样的移动而径向地向外扩张；以及多个卡瓦台架，被圆周式地限定在卡瓦环上；其中，卡瓦环具有至少一对圆周式的卡瓦台架，该卡瓦台架具有纵向地位于每一对圆周式的卡瓦台架之间的凹槽；其中，卡瓦环的外径约等于标称内径。

整体式井下锚定器可还包括被限定在卡瓦台架上的多个棱边。在向卡瓦组件施力时，多个棱边可能够变形地接合套管。凹槽可以是破裂通道。每个棱边可由卡瓦环一体地形成。

在一个实施例中，提供的是一种在井中使用的装置。该装置用于抵靠被设置在井中的套管来锚定井下工具。该装置包括工作筒和卡瓦组件。卡瓦组件位于工作筒上。卡瓦组件具有至少一个卡瓦环。卡瓦环上形成有多个卡瓦台架。卡瓦台架具有纵向地位于每一对圆周式的卡瓦台架之间的凹槽。卡瓦环的外径约等于套管的内径。

在另一实施例中，提供的是一种在其中设置有套管的井中使用的整体式井下锚定器。套管具有内径。整体式井下锚定器包括工作筒和卡瓦组件。卡瓦组件位于工作筒上。卡瓦组件具有至少一个能够向外扩张的卡瓦环和至少一个卡瓦楔。卡瓦环是整体式卡瓦环。当力被施加于卡瓦组件时，卡瓦楔和卡瓦环能够相对于彼此移动，由此卡瓦环将响应于这样的移动而径向地向外扩张；多个卡瓦台架被圆周式地限定在卡瓦环上。卡瓦环具有至少一对圆周式的卡瓦台架。卡瓦台架具有纵向地位于每一对圆周式的卡瓦台架之间的凹槽。卡瓦环的外径约等于标称内径。

在又一实施例中，提供的是一种将井下工具锚定在井中的均匀坐放锚定装置，井中固定有套管。装置包括工作筒和至少一个位于工作筒上的卡瓦组件。卡瓦组件具有至少一个卡瓦环和至少一个卡瓦楔。每个卡瓦环具有多个能够径向地扩张的卡瓦台架。每个卡瓦台架上限定有多个棱边。每个棱边具有从此延伸的切割边缘，其中，棱边被设置为响应输入力抵靠套管的内壁而均匀地坐放。

在又一实施例中，提供的是一种在高压井中使用的井下工具锚定装置。高压井具有套管，套管具有内径。该装置包括工作筒和卡瓦组件。卡瓦组件位于工作筒上。卡瓦组件具有至少一个卡瓦环。卡瓦台架被限定在卡瓦环上。卡瓦台架具有至少一个与其一体地形成的棱边。棱边被设计成接合并锚定高压井中的套管内的井下工具。

附图说明

图1是被设置在具有卡瓦组件的井中的井下工具的剖视图。

图2是被设置在具有卡瓦组件的井中的可选的井下工具的剖视图。

图3是卡瓦的底部立体图。

图4是卡瓦的顶部立体图。

图5是卡瓦的仰视图。

图6是沿图5的剖面线6-6截取的卡瓦的剖面图。

图7是从图5截取的卡瓦台架的细节图。

图8是图3的卡瓦的可选构造。

图9是可选卡瓦的底部立体图。

图10是可选卡瓦的顶部立体图。

具体实施方式

参照附图，图1示出具有井眼12的井10，在井眼12中具有以水泥胶固的套管14。套管14具有内壁16。井下工具18包括工作筒20，工作筒20具有外表面22和内表面24。

作为非限制性的示例，图1示出的井下工具18指的是封隔器，且其允许流体连通。示出的封隔器可被用作压裂塞。在另一非限制性的示例中，图2示出的井下工具18指的是桥塞。关于这第二个非限制性的示例，井下工具18具有可选的塞子26，塞子26通过径向定向销28被钉在工作筒20内。塞子26具有位于塞子26与工作筒20之间的密封件30。若没有塞子26，则井下工具18适合被用作并被称为封隔器。

如图1和图2所示，隔离环32借助销34被安装到工作筒20。卡瓦组件36位于工作筒20上和/或被设置在工作筒20周围。隔离环32提供对接件，其用于轴向地保持卡瓦组件36。如图1和图2所示，井下工具18具有两个卡瓦组件36，即第一卡瓦组件和第二卡瓦组件，为便于参考，第一卡瓦组件和第二卡瓦组件在图1和图2中被标识为第一卡瓦组件36a和第二卡瓦组件36b。卡瓦组件36a和36b使井下工具18锚定到井10内的套管14。卡瓦组件36a、36b的结构相同，只有在井下工具18上的取向和位置不同。如图2所示，每个卡瓦组件36包括至少一个卡瓦环38和至少一个卡瓦楔40。卡瓦环38具有倾斜/楔形的第一表面42，倾斜/楔形的第一表面42被设置成接近卡瓦楔40的倾斜/楔形的互补的第二表面44。卡瓦组件36在图2被示出为借助销46被钉而就位。

图3-图8中所示的卡瓦环38是可扩张的卡瓦环38，并具有多个卡瓦台架48。卡瓦台架48由凹槽50分离，凹槽50也是破裂通道52。凹槽50和破裂通道52为在卡瓦环38中形成薄弱点，以使这些卡瓦台架48在充分的力被径向地施加在卡瓦环38的内部时彼此裂开。不限制本发明，卡瓦环38可包括多个卡瓦台架48。卡瓦台架48具有外弓形边缘53。共同地，所有卡瓦台架48组成圆周式的卡瓦环38。优选地，卡瓦环38具有至少一对圆周式的卡瓦台架48，至少一个凹槽50或破裂通道52被设置在一对卡瓦台架48之间。如图3-图8所示，卡瓦环38具有八个卡瓦台架48。而且如图所示，卡瓦环38是整体式的卡瓦环，其无需使用易碎的固定环。

优选地，每个卡瓦台架48上形成有至少一个棱边54。如图所示，每个卡瓦台架48上形成有多个棱边。每个卡瓦台架48上的棱边54的数量由套管14的尺寸确定，而且压力卡瓦环38被设计成用以阻挡。图3-图7示出的非限制性示例示出每个卡瓦台架48上形成有五个棱边。棱边54具有从此延伸并被定向成朝向套管的内壁16的切割边缘56。优选地，棱边54是由卡瓦环38一体地形成的。可替代地，棱边54可通过其它本领域技术人员公知的方法被固定到卡瓦环38，或插入卡瓦环38内。

棱边54位于卡瓦台架48上，使得每个切割边缘56能够抵靠套管的内壁16被均匀地坐放。由此，每个切割边缘在套管内壁16施加几乎相等的力。因此，每个切割边缘56能够更好的刺入和/或变形地切入套管的内壁16内。此动作牢固地锚定井下工具18。

卡瓦环38（包括棱边54和切割边缘56）的外径58约等于套管14的内径60。图3-图7示出非限制性的示例，其中套管14的标称直径大约为4.5英寸（11.43厘米），而套管内壁16的标称内径60大约为4.04英寸（10.26厘米）。类似地，外径58也大约在约3.98英寸（10.1厘米）与约4.04英寸（10.26厘米）之间，或约0.0625英寸（0.159厘米），0.0625英寸大约为1/16英寸。为本发明的目的，卡瓦环38的外径58约等于套管14的内径60。本领域技术人员将理解，当术语“约等于”被用来描述卡瓦环的外径和套管的内径时，该术语可意味着这两个直径“基本上相同”或“基本上相等”。将理解术语“约等于”可意味着卡瓦环的外径和套管的内径“相等”。在一实施例中，卡瓦环的外径可“约等于”套管的内径，但是小于“等于”套管的内径。在另一实施例中，卡瓦环的外径可处于套管的内径的95%到小于或等于100%的范围内、处于套管的内径的96%到小于或等于100%的范围内、处于套管的内径的97%到小于或等于100%的范围内、处于套管的内径的98%到小于或等于100%的范围内、处于套管的内径的98.5%到小于或等于100%的范围内、或处于套管的内径的99%到小于或等于100%的范围内。

卡瓦环38由可钻孔材料形成，而且卡瓦环例如可以是铸铁或模塑酚醛（molded phenolic）。卡瓦环38可由其它可钻孔材料制成，例如可钻孔金属、合成物和工程级塑胶。卡瓦组件36的剩余部分和工具的其它部件可同样地由可钻孔材料制成。

图1和图2所示的卡瓦组件36a、36b由封隔器元件组件62分离开。如图所示，封隔器元件组件62包括至少一个可扩张的封隔器元件64，可扩张的封隔器元件64位于卡瓦楔40之间。封隔器靴（packer shoe）66可对封隔器元件组件62的端部提供轴向支撑。

参照图3-图10示出的示例，卡瓦台架48是一个圆的一部分，其中卡瓦台架48的外弓形边缘68被限定在凹槽中心线70之间。外弓形边缘68的介于第一卡瓦台架边缘74与第二卡瓦台架边缘76之间的角度72为180°或小于180°。如图5所示，角度72大约为45°。

关于图6，其示出图5的剖视图，并为卡瓦环38提供了示例性的角度与尺寸，卡瓦环38被设计用于外径4.5英寸（约11.43厘米）的套管中。在本示例中，卡瓦环38的外径78大约为3.5英寸（8.89厘米），而高度80大约为1.95英寸（4.95厘米）。卡瓦环38还具有第一端82和第二端84。第一端82适合接纳卡瓦楔40。

卡瓦环38具有实际中心线86和偏置中心线88。偏置中心线88是卡瓦台架48被卡瓦楔40破裂之后卡瓦环38的中心线。如图7所示，每个卡瓦台架48具有机加工形成的外弓形边缘68，且具有半径90。半径90是从偏置中心线88测量出的，并且对于本示例而言，半径90大约为2.02英寸。半径92是针对未破裂的卡瓦环38，在每个卡瓦台架48上从实际中心线86到切割边缘56的中心94的半径。

关于图8，其示出图3所示的卡瓦环38的替代实施例。在此替代型的卡瓦环38中，在每个棱边54的每个切割边缘上限定有附加的纵向通道96。纵向通道96设置用于附加的非连续式棱边分段。

图9和图10示出卡瓦环38的另一替代实施例。在这个替代实施例中，卡瓦环38被设计用于5.5英寸（13.97厘米）外径的套管。在体积较大的本实施例中，包括了额外的一排棱边以提供附加的抓力。图9和图10所示的卡瓦环38是可在高压井中使用的示例。高压井的一个非限制性示例可具有介于约8,000磅每平方英寸（约55兆帕）与约12,000磅每平方英寸（约83兆帕）之间的压力。然而，井的压力可更大和更小，卡瓦环38也被设计用于其它井。因此，如前所述，每个卡瓦台架48上的棱边54的数量由套管14的尺寸来确定，压力卡瓦环38被设计成用以阻挡。

在操作中，井下工具18借助例如测井电缆的坐放工具被设置在期望的深度或位置。测井电缆在卡瓦组件36之上施加初始力或第一力，引起卡瓦楔40和卡瓦环38相对于彼此移动，这在卡瓦环38之上施加内部的径向力。卡瓦楔40上限定有倾斜表面42。随着互补的第二表面44抵靠卡瓦楔40的倾斜的第一表面42滑动，卡瓦环38径向地向外扩张。互补的第二表面44抵靠倾斜的第一表面42滑动的效应引起卡瓦环38迫使卡瓦台架38上限定的棱边54的切割边缘56抵靠套管的内壁16。随着径向力增大，棱边54的切割边缘56刺入套管的内壁16。这一径向力足以刺入所使用的套管级的具体套管14，由此坐放井下工具18。

经过考虑本文公开的说明书或本发明的实践，本发明的其它实施例将对本领域技术人员明显。因此，前述的说明书仅仅被考虑为本发明的示例，本发明的真实范围由以下权利要求书限定。

Claims (23)

1.一种在井中使用的装置，所述装置用于抵靠被设置在所述井中的套管来锚定井下工具，所述装置包括：

工作筒；

卡瓦组件，位于所述工作筒上，所述卡瓦组件具有至少一个卡瓦环；以及

多个卡瓦台架，被一体地形成在所述卡瓦环上；其中，所述卡瓦环具有至少一对圆周式的卡瓦台架，所述卡瓦台架具有纵向地定位于每一对圆周式的卡瓦台架之间的凹槽；其中，所述卡瓦环的外径约等于所述套管的内径。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个卡瓦台架中的每个卡瓦台架具有与其一起形成的多个棱边。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述多个棱边中的每个棱边具有在其上限定的并从所述卡瓦环径向地向外延伸的切割边缘。

4.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，每个所述凹槽限定破裂通道。

5.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述卡瓦环是整体式卡瓦环。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述整体式卡瓦环由可钻孔材料形成。

7.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述卡瓦环的外径在小于所述套管的内径的约1/16英寸（0.159厘米）与约等于套管的内径之间。

8.一种在其中设置有套管的井中使用的整体式井下锚定器，所述套管具有内径，所述整体式井下锚定器包括：

工作筒；

卡瓦组件，位于所述工作筒上，所述卡瓦组件具有至少一个能够向外扩张的卡瓦环和至少一个卡瓦楔，所述卡瓦环是整体式卡瓦环；其中，当力被施加于所述卡瓦组件时，所述卡瓦楔和所述卡瓦环能够相对于彼此移动，由此所述卡瓦环将响应于这样的移动而径向地向外扩张；以及

多个卡瓦台架，被圆周式地限定在所述卡瓦环上；其中，所述卡瓦环具有至少一对圆周式的卡瓦台架，所述卡瓦台架具有纵向地定位于每一对圆周式的卡瓦台架之间的凹槽；其中，所述卡瓦环的外径约等于标称内径。

9.根据权利要求8所述的整体式井下锚定器，还包括被限定在所述卡瓦台架上的多个棱边。

10.根据权利要求9所述的整体式井下锚定器，其中，在向所述卡瓦组件施力时，所述多个棱边能够变形地接合所述套管。

11.根据权利要求8、9或10所述的整体式井下锚定器，其中，所述凹槽是破裂通道。

12.根据权利要求8、9、10或11所述的整体式井下锚定器，其中，每个棱边由所述卡瓦环一体地形成。

13.一种用于将井下工具锚定在井中的均匀坐放锚定装置，所述井中固定有套管，所述装置包括：

工作筒；

至少一个卡瓦组件，位于所述工作筒上，所述卡瓦组件具有至少一个卡瓦环和至少一个卡瓦楔；其中，每个卡瓦环具有多个能够径向地扩张的卡瓦台架；

多个棱边，被限定在每个卡瓦台架上；其中，每个所述棱边具有从此延伸的切割边缘；其中，所述棱边被设置为响应输入力抵靠所述套管的壁的内壁而均匀地坐放。

14.根据权利要求13所述的均匀坐放锚定装置，其中，所述套管具有内径，并且所述卡瓦环的外径约等于该内径。

15.根据权利要求13或14所述的均匀坐放锚定装置，其中，所述卡瓦环是整体式卡瓦环。

16.根据权利要求13、14或15所述的均匀坐放锚定装置，其中，所述卡瓦台架还包括至少一对圆周式的卡瓦台架，所述卡瓦台架具有纵向地位于所述卡瓦台架之间的凹槽。

17.根据权利要求16所述的均匀坐放锚定装置，其中，所述凹槽限定破裂通道。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的均匀坐放锚定装置，其中，每个棱边抵靠所述套管的内壁而均匀地坐放，由此能够变形地接合所述套管的内壁。

19.一种用于高压井中的井下工具的锚定装置，所述高压井具有套管，并且所述套管具有内径，所述锚定装置包括：

工作筒；

卡瓦组件，位于所述工作筒上，所述卡瓦组件具有至少一个卡瓦环；以及

卡瓦台架，被限定在所述卡瓦环上；其中，所述卡瓦台架具有至少一个与其一体地形成的棱边，所述棱边被设计成接合并锚定所述高压井中的所述套管内的所述井下工具。

20.根据权利要求19所述的锚定装置，其中，所述高压井具有介于约8,000磅每平方英寸（约55兆帕）与约12,000磅每平方英寸（约83兆帕）之间的压力。

21.根据权利要求19或20所述的锚定装置，其中，所述卡瓦环的外径约等于所述套管的内径。

22.根据权利要求21所述的锚定装置，其中，所述外径大约为1/16英寸（0.159厘米）或小于所述内径。

23.根据权利要求19、20、21或22所述的装置，其中，所述棱边具有被限定在其上且径向地向外延伸的切割边缘。

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