CN103492672A - 井下压力补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于与井下工具结合使用的井下压力补偿装置，该井下压力补偿装置包括：壳体，其具有腔室和内部中空区段；第一活塞，其将所述腔室分隔成第一区段和第二区段，所述第一区段与第一流体端口流体连通，所述第二区段经第二流体端口与井眼流体连通；以及第一弹簧，其配置在所述第二区段内，以在所述第一活塞上施加压力，从而能够保持所述第一区段中的过压。此外，所述装置还包括：第二活塞；配置在所述第一活塞与所述第二活塞之间的第二弹簧；以及布置在所述第一或第二活塞中的过压通道，该过压通道在所述第二弹簧处于压缩状态时提供所述第一和第二区段之间的流体连通。本发明还涉及一种井下系统，该井下系统包括：线缆；匹配工具，诸如驱动单元和/或操作工具；以及根据本发明的井下压力补偿装置。本发明还涉及一种井下系统，该井下系统包括：线缆；匹配工具，诸如驱动单元和/或操作工具；以及根据本发明的井下压力补偿装置。

Description

井下压力补偿装置

技术领域

本发明涉及一种用于使井下井工具中的压力均衡以避免工具的内爆或爆裂的压力补偿装置。

背景技术

井下工具如驱动单元、冲击器（stroker）、穿孔器等暴露于工具内部和外部之间的极端压差。为了避免由于工具的内爆或爆裂而引起的塌陷，所述塌陷可能既损坏工具又损坏井结构并且还引起井内的生产停止，数十年来在本领域内已公知压力补偿装置。为了适应压力补偿，通常允许井眼流体在压力补偿装置的一侧位于工具的内部并且通常被维持在井下工具内部的液压流体将位于另一侧，由此使压力补偿装置的每一侧的两种压力均衡。

已知在压力补偿机构中使用橡胶袋、膜片、波纹管和弹簧的各种压力补偿装置。然而，它们被设计成耐受一定压差，当超过所述压差时引起机构的崩溃。

用于在井眼中使用的压力补偿装置的提高的可靠性和更加自动防止故障的机构因此将引起优化的钻井和生产性能，由此使成本最小化并使井操作的回报最大化。由于几种类型的工具在井眼操作期间需要压力补偿，因此各种不同过程将受益于改善的压力补偿装置，这些全部将导致生产时间限制的风险最小化。

因此，需要能够在地下藏层如油气藏层的开采、生产和监视期间补偿井下工具中的压力。

发明内容

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术的以上劣势和缺点。更具体地，一个目的是提供一种用于在地下藏层如油气藏层的开采、生产和监视期间补偿井下工具中的压力的改进的系统。

将从以下说明变得显而易见的上述目的以及许多其它目的、优势和特征由一种用于结合井下工具使用的井下压力补偿装置通过根据本发明的方案来实现，所述井下压力补偿装置包括：

-壳体，其具有腔室和内部中空区段，

-第一活塞，其将所述腔室分隔成第一区段和第二区段，第一区段与第一流体端口流体连通，第二区段经第二流体端口与井眼流体连通，以及

-第一弹簧，其配置在第二区段内以在第一活塞上施加压力，从而实现第一区段中的过压的保持，

其中，所述装置还包括：

-第二活塞，

-第二弹簧，其配置在第一活塞与第二活塞之间，以及

-布置在第一或第二活塞中的过压通道，该过压通道在第二弹簧处于压缩状态时提供所述第一和第二区段之间的流体连通。

在一个实施例中，该井下压力补偿装置可包括与工具管柱中的匹配工具连接的至少一个压力连接部。

所述匹配工具可为驱动单元。

在另一实施例中，补偿装置的第二区段可与电动马达单元和/或液压泵单元的内部流体连通。

此外，第一弹簧、第二弹簧、第一活塞和第二活塞可与补偿装置的纵向中心轴线共轴地布置。

此外，第一弹簧、第二弹簧、第一活塞和第二活塞中的至少一者可已经与补偿装置的纵向中心轴线非共轴地布置，从而未包围内部中空区段。

根据本发明的补偿装置可与工具的纵向中心轴线非共轴地布置。

另外，第二活塞可部分地布置在第一活塞的内部。

而且，第一活塞可部分地布置在第二活塞的内部。

在一个实施例中，腔室的第一区段可被充填有具有预定特性（与井眼的条件匹配）的加压液压流体，诸如油。

此外，第一和第二弹簧可为盘绕弹簧、螺旋弹簧、波纹管、涡卷弹簧、板簧、气压弹簧或盘式弹簧。

根据本发明的井下压力补偿装置还可包括电传感器，其用于监视装置内部的温度和/或第一和第二区段中的压力和/或第一和第二活塞的位置以向控制系统产生反馈信号。

所述井下压力补偿装置还可包括至少一个开关，其中补偿装置可由连接到控制系统的至少一个开关控制，以基于反馈信号适应环境条件的变化。

此外，该装置可包括多个第一和/或第二弹簧。

此外，该装置可包括多个弹簧导向件。

而且，第二弹簧可布置在第一活塞内。

该装置可包括同心地布置在壳体中的多个第一弹簧。

在一实施例中，第二弹簧可在过压阀中布置在第一活塞内，过压阀包括第二弹簧和第二活塞。

另外，壳体可包括管状部件和可分离地连接的两个端部部件。

此外，本发明涉及一种井下系统，该井下系统包括：

-线缆，

-匹配工具，诸如驱动单元和/或操作工具，以及

-根据本发明的井下压力补偿装置。

本发明还涉及一种井下工具系统，该井下工具系统包括：

-至少一个匹配工具，诸如驱动单元和/或操作工具，以及

-根据本发明的井下压力补偿装置。

附图说明

下文将参考所附示意图更详细地描述本发明及其诸多优势，附图为了说明的目的而示出了一些非限制性的实施例，并且其中

图1示出压力补偿装置的剖视图，

图2a-2d示出在第一区段充填液压流体期间压力补偿装置的示意图，

图3a-3d示出在第二区段充填井眼流体期间压力补偿装置的示意图，

图4a-4d示出压力补偿装置的各种实施例的示意图，

图5示出包括非共轴地布置的弹簧的补偿装置，

图6示出与工具的中心轴线非共轴地布置的补偿装置，

图7示出包括压力补偿装置的井下系统，

图8示出包括压力补偿装置的井下工具管柱，

图9示出压力补偿装置的剖视图，

图10示出在用液压流体充填第一区段期间压力补偿装置的示意图，

图11示出在用井眼流体充填第二区段期间压力补偿装置的示意图，以及

图12示出压力补偿装置的剖视图。

所有附图均为高度示意性的且不一定按比例绘制，并且它们仅示出阐明本发明所需的那些部分，其它部分被省略或仅进行提示。

具体实施方式

图1示出用于补偿井下工具的内部和外部之间的压差以避免这种工具由于压差而内爆或爆裂的压力补偿装置20。压力补偿装置20附接到井下工具115上以便补偿压力变化。压力补偿装置20包括具有腔室101和内部中空区段102的壳体100。中空区段102可有利于布置在补偿装置20的每一端中并通过连接装置116连接到补偿装置20的两个工具115之间的电连接112。中空区段102中的压力由第一活塞103、第二活塞109、第一弹簧108和第二弹簧110调节。连接到补偿装置的每一端的两个工具的内部可与中空区段102的内部113流体连通，藉此可通过补偿装置20调节两个工具的内部压力。第一活塞103和第二活塞109将第一区段104与腔室101的第二区段105密封。当第一弹簧108布置在腔室的第二端面101b与第一活塞103的第二面103b之间时，第一弹簧108由此在腔室101的第二端面101b和第一活塞103的第二面103b上施力。第二弹簧110布置在第一活塞103与第二活塞109之间，第二弹簧110在第一活塞103和第二活塞109上施力。过压通道111布置在第一和/或第二活塞中，以在第一活塞103和第二活塞109朝它们在腔室101的每一端中的极端位置移位时提供腔室101的第一区段104和第二区段105之间的流体连接。图1示出第一弹簧108的压缩状态，并且如果第一活塞103和第二活塞109朝腔室101的第二端面进一步移动，则第二活塞109将在第一弹簧被压缩至一定程度时接合第二端面，由此使第二活塞109停止朝腔室101的第二端面移动。当第一活塞103继续朝第二端面移动时，第二弹簧110将开始压缩，并且在特定点过压流体通道将然后提供腔室101的第一区段104和第二区段105之间的通道，并且来自腔室101的第一区段104的流体将开始流经过压流体通道，从而进入腔室101的第二区段105。

在图2和3中，示出了腔室101的两端中的过压通道的分步启用。

图2a-d示出第一和第二活塞由于腔室101的第一区段104的加压而朝第二端面101b移位。在将补偿装置20降下到井眼4中前，第一区段104可通过从第一流体端口106移开插塞124并用流体充填第一区段104而被充填流体，藉此第一区段104将被加压。图2a示出处于放松位置的第一弹簧108和第二弹簧110，其中第一活塞103和第二活塞109朝第一端面101a移位并且过压通道111被封闭。当加压流体经第一流体端口106进入第一区段104时，第一弹簧108如图2b所示被压缩。如在图2b中可见，第二弹簧110在该状态下仍未被压缩并且因此过压通道仍被封闭，从而使得第一区段104与第二区段105之间未流体连接。然而，如果第一区段104被进一步加压，则第二弹簧110将开始压缩，从而引起第二活塞109移动，而第一活塞103已停止移动，这在图2c中示出。如图2c中通过箭头所示，过压通道在第二活塞109移位超出特定点时提供第一区段104与第二区段105之间的流体连通，由此允许来自第一区段104的流体流入第二区段105中，从而解除第一区段104的过压。在图2d中，第一流体端口106被封闭，由此使加压流体停止流入第一区段104中。当第一流体端口106被封闭时，第二活塞109将随着流体经过压通道111离开第一区段104而朝其放松位置回移。当第二活塞109到达与第一活塞103有关的位置时，过压流体通道如图2d所示再次被封闭，并且然后第二活塞109将停止移动。该机制因此提供了对第一区段104中的压力的限制，这样所述压力不会超过一定最大压力。此外，该机制允许用户在将补偿装置20降下到井眼中之前每当第一区段104被加压时将第一区段104加压至预定压力。第一弹簧108和第二弹簧110的实际弹簧常数被选择成对应于该预定压力。因此，可通过更换弹簧或将弹簧预加载至一定程度来控制该预定压力，以适应补偿装置20匹配特殊井下条件的特殊压力要求。

图3a-d示出在井眼中的压力建立期间如何补偿压力。如上所述，第一区段104在将补偿装置20降下到井眼中之前被加压。因此，补偿装置20在降下到井眼中时的初始状态是图2d所示的状况。当补偿装置然后接着进入井眼时，来自井眼的压力经第二流体端口107传递至第二区段105，并且第二区段105中的压力随着井眼中的压力升高而升高。在图3a中，井眼压力已朝腔室101的第一端面迫压第一活塞103和第二活塞109，从而给第一弹簧108减压。通过第一活塞103的这种移动，补偿了压力，即，压力补偿装置20的第一和第二区段中的压力被均衡化。由于第一区段104与工具的内部流体连通，因此工具将以此方式被压力补偿并由此在井眼中的压力建立期间不会被毁坏。问题在于，如果工具内部的压力变得比工具的外部高得多或低得多，则工具的体积将增大或减小。为了避免工具的这种体积变化，工具的内部连接到压力补偿装置，使得如果井眼中（即，第二区段105中）的压力变得比与第一区段104流体连通的工具中高得多，则第一区段104的体积可减小。另一方面，如果井眼中的压力比工具中低得多，则第一区段104的体积可增大。图3b示出第一活塞已朝第一端面达到其最大位移并由于第二区段105中起因于井眼中的压力升高而升高的压力而抵接第一端面的状况。如果第二区段105中的压力升高超出图3b所示的点，则第二活塞109将开始朝第一端面移动并且第二弹簧110将开始压缩。如图3c所示，第二区段105中的过压在第二活塞109已朝第一端面足够长地移动时开启第一区段104与第二区段105之间的流体连接，这允许来自第二区段105的流体进入第一区段104。一般而言，这是非期望的状况，因为来自井眼的脏流体被允许进入补偿装置20的内部并由此进入与补偿装置20的第一区段104流体连通的工具的内部。然而，替代选择要糟糕得多，因为工具在它们无法补偿井眼压力的情况下可能由于内爆而完全毁坏。此外，这种内爆导致的变形可能导致压力补偿装置和/或附接到其上的工具堵塞在井眼的内部，从而引起井生产完全停止。因此，补偿装置20的第一区段104和因此工具涌入脏井眼流体保护压力补偿装置和正被压力补偿的工具两者免于塌陷。因此，允许井眼流体位于第一区段104内部的可能性起到用于压力补偿装置20的自动防止故障（fail-safe，失效保护）的作用。如果自动防止故障被启用并且第一区段104的液压流体被脏的井眼流体污染，则通常将从井眼收回压力补偿装置20和潜在被污染的工具两者并对其彻底清洗。

在图3d中，第二活塞109已朝第二端面回移，由此在第一区段104和第二区段105中的压力已被均衡化之后封闭过压通道。

补偿装置20关于补偿该压力起到另一种作用。当补偿装置20被降下到井眼中时，温度根据井眼的深度和对岩浆层的接近而升高。当第一区段104中的加压流体的体积由于温度升高而增大时，第一活塞103和第二活塞109上的压力升高。如果该压力超过由第一弹簧108和第二弹簧110为了开启过压通道而限定的压力，则来自第一区段104的液压流体释放到第二区段105和井眼中。同样，补偿装置20起到防止补偿装置和/或附接到补偿装置上的工具由于压力补偿装置20中的液压流体的热膨胀而塌陷或鼓出的自动防止故障作用。通常，已通过仅部分地充填现有技术补偿装置以避免鼓出来处理该问题。该现有技术方案具有以下两个主要缺点。第一缺点是，即使补偿装置仅被部分地充填以避免由于热膨胀而鼓出，其也仍取决于低于临界温度的温度。这归咎于温度可能例如在岩浆层附近局部地变动至极高温度的事实。因此，即使在补偿装置中保守地充填液压流体（使得如果补偿装置不能耐受热膨胀后的液压流体的压力则工具不论如何都将鼓胀），也可能危及补偿装置的安全性。第二缺点是，液压流体起到耐受起因于井眼压力的压力的作用——井眼压力也随井眼中深度和局部条件而升高。通过仅部分地充填现有技术补偿装置，即，减小补偿器中的液压流体的量，补偿工具中的压力的能力由于在第一区段中可获得较少的液压流体而下降。该能力降低的原因在于，液压流体的体积通过与腔室的第一区段流体连通的泄漏部（例如通过工具中的泄漏部）而在压力补偿期间减小，这通常发生在井内操作期间。

图4a-d示出根据本发明的不同实施例。图4a示出根据本发明的补偿装置20，其中过压通道111是第一活塞103内的孔。通过将过压通道布置在第一活塞103的内部，过压通道的开口可布置成远离第二弹簧110。图4b示出补偿装置20，其中过压通道已部分地布置在第二活塞109中并且部分地布置在第一活塞103中，并且当第二弹簧110被充分地压缩时，过压通道对齐并且允许流体从腔室101的一个区段104、105流到另一区段。图4c示出补偿装置20，其中第一活塞已部分地布置在第二活塞109的内部并且过压通道已布置在补偿装置20的壳体100中。图4d示出补偿装置20，其中第一活塞103已部分地布置在第二活塞109的内部并且过压通道已部分地布置在第二活塞109中且部分地布置在第一活塞103中，并且当第二弹簧110被充分压缩时，过压通道对齐并且允许流体从腔室101的一个区段104、105流到另一个区段。

图5示出补偿装置，其中两个第二弹簧110已与工具的中心轴线非共轴地布置以使两个第二活塞103离开腔室101的第二端面101b。

图6示出补偿装置20，其中补偿装置与工具的中心轴线非共轴地布置。这样，补偿装置20可平行于另一装置、工具或如图6所示的空的空间121布置。与中心轴线不共轴地布置补偿装置的自由在井下工具管柱中的空间的设计优化中增加了补偿装置的通用性。在图6中，空的空间121可提供有利于液压流体经过补偿装置而不进入补偿腔室101或中空区段102的内部113的可能性。此外，图6示出包括多个第一和/或第二弹簧的补偿装置的一实施例。其它实施例可包括更大数量的单独的弹簧。图6所示的补偿装置包括布置在第一流体端口106中的单向阀122和一组开关123，以便能够给控制系统提供反馈信号，这允许用户检查活塞和弹簧在弹簧的压缩或减压期间何时达到极端位置。

当安装补偿装置时，其形成如图7和8所示的井下工具管柱10的一部分。在图7和8中，工具管柱可包括驱动单元11、补偿装置20和操作工具12等。工具管柱10包括在地层2的井或井眼5中布置在具有内部4的套管6中的工具115，诸如驱动单元11。井下工具管柱10通过经由顶部连接器13与工具连接的线缆9被提供动力。该井下工具在向驱动液压泵18的电动马达17供电之前还包括具有模式转换电子装置15和控制电子装置16的电子区段。驱动单元11可经连接器14与操作工具12连接。

如图9-10所示，第二弹簧110可在过压阀120中布置在第一活塞103内，该过压阀包括第二弹簧110和第二活塞109。由于典型的过压阀120仅为了沿一个方向流动而打开，因此中空区段102中的凹部119可有利于第一区段104中的过压的释放，如下文将说明的。过压通道111布置在第一活塞中，以在第二活塞109朝第二弹簧110的最大压缩移位时提供腔室101的第一区段104和第二区段105之间的流体连接。

图9示出诸如在充填补偿装置之前处于未压缩状态的第一弹簧108。第一活塞103在如在图2b中所述用加压流体充填第一区段104之前朝腔室101的端部被迫压。

图10示出在用加压流体充填第一区段104期间图9的补偿装置。当第一活塞103到达凹部119的位置时，允许加压流体从第一区段104流入第二区段105中，从而解除第一区段104的过压。当压力释放至第二区段105时，加压流体将离开第二流体端口107并且用户知道第一区段104中的压力已达到期望水平。

在图11中，示出了当井眼流体经第二流体端口107进入第二区段105并且第二区段105中的压力随着井眼中的压力升高而升高时在第二区段105中的压力建立期间图9和10的补偿装置20。在图11中，井眼压力已朝第一端面101a迫压第一活塞103，从而使第一弹簧108减压。通过第一活塞103的这种移动，补偿了压力，即，压力补偿装置20的第一和第二区段中的压力被均衡化。由于第一区段104与工具的内部流体连通，因此工具将以此方式被压力补偿并由此在井眼中的压力建立期间不会被毁坏。图11示出第一活塞已朝第一端面101a达到其最大位移并由于第二区段105中起因于井眼中的压力升高而升高的压力而抵接第一端面101a的状况。如果第二区段105中的压力继续升高，则第二活塞109将开始朝第一端面移动并且第二弹簧110将开始压缩。如图所示，第二区段105中的过压在第二活塞109已朝第一端面101a足够长地移动时开启第一区段104与第二区段105之间经过压通道111的流体连接，这允许来自第二区段105的流体进入第一区段104。

图12示出包括同心地布置在补偿装置20中的两排第一弹簧108的另一补偿装置20。第一排第一弹簧108a布置在第二排第一弹簧108b内。每排弹簧包含仅仅通过一定数量的弹簧导向件129分离的四个单独的弹簧。该一定数量的弹簧导向件129已沿着两个第一弹簧108布置，以避免弹簧在压缩期间的非期望的弯曲，所述弯曲可能引起同心地布置的两排第一弹簧108的纠缠。

在本发明的一些实施例中，弹簧可属于不同于附图所示的常规盘绕弹簧的类型。这些类型可以是螺旋弹簧类型、波纹管类型、涡卷弹簧类型、板簧类型、气压弹簧类型或盘式弹簧类型。

第一和第二流体端口可通过阀如球阀、蝶阀、节流阀、止回阀或逆止阀、膜阀、膨胀阀、闸阀、球心阀、刀阀、针阀、活塞阀、夹管阀或塞阀可控地密封。

尽管上文已结合本发明的优选实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离如通过以下权利要求限定的本发明的前提下，可以设想若干个改型。

Claims (15)

1.一种用于与井下工具结合使用的井下压力补偿装置（20），包括：

-壳体（100），其具有腔室（101）和内部中空区段（102），

-第一活塞（103），其将所述腔室分隔成第一区段（104）和第二区段（105），所述第一区段与第一流体端口（106）流体连通，所述第二区段经第二流体端口（107）与井眼（4）流体连通，以及

-第一弹簧（108），其配置在所述第二区段内以在所述第一活塞上施加压力，从而实现所述第一区段中的过压的保持，

其中，所述井下压力补偿装置还包括：

-第二活塞（109），

-第二弹簧（110），其配置在所述第一活塞与所述第二活塞之间，以及

-配置在所述第一活塞或所述第二活塞中的过压通道（111），该过压通道在所述第二弹簧处于被压缩状态时提供所述第一区段和所述第二区段之间的流体连通。

2.根据权利要求1所述的井下压力补偿装置，包括与工具管柱（10）中的匹配工具（11，17，18，20）连接的至少一个压力连接部。

3.根据权利要求2所述的井下压力补偿装置，其中，所述匹配工具为驱动单元（11）。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的井下压力补偿装置，其中，所述井下压力补偿装置的所述第二区段与电动马达单元（17）和/或液压泵单元（18）的内部流体连通。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的井下压力补偿装置，其中，所述第一弹簧、所述第二弹簧、所述第一活塞和所述第二活塞与所述井下压力补偿装置的纵向中心轴线共轴地布置。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的井下压力补偿装置，其中，所述第一弹簧、所述第二弹簧、所述第一活塞和所述第二活塞中的至少一者已与所述井下压力补偿装置的纵向中心轴线非共轴地布置，从而未包围所述内部中空区段。

7.根据权利要求6所述的井下压力补偿装置，其中，所述井下压力补偿装置与所述工具的纵向中心轴线非共轴地布置。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的井下压力补偿装置，其中，所述第二活塞部分地布置在所述第一活塞的内部。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的井下压力补偿装置，其中，所述第一活塞部分地布置在所述第二活塞的内部。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的井下压力补偿装置，其中，所述腔室的所述第一区段被充填具有预定特性的加压液压流体，诸如油。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的井下压力补偿装置，还包括电传感器，所述电传感器用于监视所述井下压力补偿装置内部的温度和/或所述第一和第二区段中的压力和/或所述第一和第二活塞的位置以向控制系统产生反馈信号。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的井下压力补偿装置，还包括至少一个开关，其中所述井下压力补偿装置可由连接到所述控制系统的所述至少一个开关控制，以基于所述反馈信号适应环境条件的变化。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的井下压力补偿装置，其中，所述井下压力补偿装置包括多个第一和/或第二弹簧。

14.一种井下系统，包括：

-线缆（9），

-匹配工具，诸如驱动单元和/或操作工具，以及

-根据权利要求1-13中任一项所述的井下压力补偿装置。

15.一种井下工具系统，包括：

-至少一个匹配工具，诸如驱动单元和/或操作工具，以及

-根据权利要求1-13中任一项所述的井下压力补偿装置。

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