CN104704189B - 载荷交越滑动接合机构及使用方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于井筒中的井下工具组件，该工具包括：心轴组件，用于在下入到井筒的期间承受施加在工具组件上的主要的拉伸和旋转载荷；位移组件，用于承受主要的位移载荷并提供相对于心轴组件的相对动，该位移组件用于致动附接到心轴组件的可致动工具。该心轴组件具有位于位移组件的径向外部的上心轴以及位于位移组件的径向内部的下心轴。一载荷交越心轴在上心轴与下心轴之间传递拉伸和旋转载荷。该载荷交越心轴具有多个通道，这些通道允许位移组件的多个对应的杆滑过其中。这些杆将位移载荷从杆上方的致动器传递到这些杆下方的可致动工具。

Description

载荷交越滑动接合机构及使用方法

技术领域

本文提出了多种用于将工具组件上的拉伸和旋转载荷从外套筒心轴传递到内心轴的方法和装置。由于外部承载套筒使通常的工具接头(tool joint，钻具接头)能够进行组装和拆卸，因此这种装置使得在钻机(rig)或钻台上能够容易地构造长的工具组件。上部的外心轴套筒和下部的内心轴套筒通过载荷交越(load cross-over)接头连接，该载荷交越接头允许位移组件或下放组件的相对运动。

背景技术

油和气态烃类天然地存在于一些地层中。含有油或气的地层有时会被称为储层。储层可位于陆地或近海的下面。储层通常位于数百英尺(浅储层)至数千英尺(超深储层)的范围内。

为了产出烃类，人们钻凿出穿过储层中的含烃带的井筒。在套管井筒或其一部分中，套管被安置(通常是混凝土浇注)到井筒中以提供介于含烃带与井筒套管的内部之间的管状壁。随后可将管柱下入到或抽出该套管。类似地，可将管柱下入到无套管的井筒或井筒的一段中。本文中使用的术语“套管”是指插入井筒中的一系列相连接的管段、接头、筛、管坯(blank)、交越工具、井下工具等等，其在钻井、修井、生产、注入、完井等过程或其它过程中使用。此外，在许多情况下，如本领域技术人员应能预见到的，工具可在缆线或连续管上行进而不是在管柱上行进。井筒可以是(或者包括)竖直的、斜的或者水平的部分，也可以是直形的、弯曲的或分岔的。

在井筒部的裸井部段的完井期间，将完井管柱放置到井筒中。该管柱使得流体能够被引入井筒的远部或从井筒的远部流出。管柱是由多段管道连在一起而产生，通常是经由上段管道的底部处的右手阳螺纹和下端管道的顶部处的对应的阴螺纹来连接的。通过对上段管道施加右手力矩并同时使下端管道保持相对静止，使两段管道彼此连接。随后将连接后的多段管道下入到井 筒中。该过程被称为“装配”管柱。在管柱中使用的工具通常在钻台上被组装或装配。实际上，这样可能需要由标准钻台插入的较长的工具。

在烃类井中通常会“下放(set，设置)”或致动井下工具，如膨胀工具、封隔器、桥塞、规径悬挂器、跨式封隔(straddle)、井口塞、混凝土承转器(retainer)、过油管塞等。这些工具的下放通常与其它井筒作业一起进行。举例而言，将管柱下入到井筒中以悬挂可膨胀的衬管(liner，内衬)、在衬管周围进行混凝土浇注、然后使衬管膨胀。随后将管柱与已安装的衬管和悬挂器脱开并收回到地表。

在通常的衬管悬挂器(liner hanger，尾管悬挂器)工具管柱中，管柱上的拉伸载荷和旋转载荷是通过内部心轴来携带的。下放该工具和传递下放载荷所需的相对运动通常由非承载的外部缸或套筒来完成。举例而言，能够从哈利伯顿能源服务公司市场获得的Versaflex(商标名)下入工具(running tool)即具有这样的配置。如果这些工具在钻台上进行装配(例如成为两个半部)，这样的设置是笨重的，需要装配心轴组件及装配外部缸组件，包括装配密封件。对于大多数应用而言，使用带有密封件的已装配部件还需要在使用前进行压力测试。这样的测试在钻台上既棘手又耗时，甚至无法进行。

因此，需要对下入工具的设计、组装和使用提供一种改进的方式。

发明内容

提出一种用于井筒中的井下工具组件，该组件具有：心轴组件，用于在行进到井筒的期间承受施加在工具组件上的主要的拉伸载荷和旋转载荷；位移组件，用于承受位移载荷并提供相对于心轴组件的相对运动，该位移组件用于致动附接到心轴组件的可致动工具。该心轴组件具有位于该位移组件的径向外部的上心轴和位于该位移组件的径向内部的下心轴。一载荷交越心轴在上心轴与下心轴之间传递拉伸和旋转载荷。该载荷交越心轴具有多个通道，这些通道允许位移组件的对应的多个杆从其中滑过。这些杆将位移载荷从这些杆上方的致动器传递到这些杆下方的可致动工具。

举例而言，将可膨胀的衬管悬挂器和浇注工具下入到井筒中。在浇注作业之后，利用膨胀锥或类似物使可膨胀衬管悬挂器膨胀。由工具管柱中的加压液体为膨胀提供动力，该工具管柱操作位移组件的多个活塞组件。活塞的 运动使得延伸穿过心轴组件的侧向延伸部中的通道的一组位移载荷杆发生移动。该心轴组件承受拉伸及扭转载荷，且具有位于位移组件的径向外部的上心轴、位于位移组件的径向内部的下心轴、以及在上心轴与下心轴之间传递载荷的载荷交越心轴。在一优选实施例中，载荷交越心轴限定数个纵向通道，位移组件的杆滑移穿过这些纵向通道。该工具管柱还可包括多个释放组件等等。该心轴组件的设置使得能够在钻台上进行快速且容易进行的组装或装配作业，且省去了对组装好的工具的压力测试的需求。

附图说明

为了更充分地理解本发明的多个特征和优点，现结合附图参引本发明的具体说明，其中在不同的图中对应的附图标记指代对应的部件，在附图中：

图1是根据本发明的一个方案的下入工具的示范性实施例的示意图，其中图1A是纵向剖视图，而图1B是径向剖视图；

图2根据本发明的一个方案的具有载荷交越接头的示范性工具的一个实施例的剖视图，其中图2A至图2R是根据本发明的方案的示范性工具的多幅连续剖视图；

图3是沿图2的3-3线截取并向下观看的剖视图；

图4是沿图2的4-4线截取并向上观看的剖视图；

图5是沿图2的5-5线截取并向上观看的剖视图；

图6是沿图2的6-6线截取并向下观看的剖视图；以及

图7是沿图2的7-7线截取并向上观看的剖视图。

本领域技术人员应理解的是，所用的方向性术语，如上方、下方、上、下、向上、向下等等均与多个说明性的实施例关联地使用的，如它们在附图中被描绘的那样，向上的方向朝向对应的附图的顶部，而向下的方向朝向对应的附图的底部。如果并非是这样的情况，或者某术语用于表示所要求的方位，那么在说明书中会加以陈述或对其做出澄清。

具体实施方式

虽然下文将详细论述本发明的各个实施例的制作和使用，但本领域的 从业者应能预见，本发明所提供的实用的创造性构思可在各种特定环境下来实施。本文所论述的特定实施例示出了本发明的制作和使用的多种特定方式，其并非旨在限制本发明的范围。本文的描述是参照竖直井筒来提供的；然而，本文公开的多个发明可用于水平井筒、竖直井筒或斜井筒中。本文中所使用的词语“包括”、“具有”、“包含”和它们的所有语法变形均意指开放的、非限制性的且不排除其它元件或步骤的含意。应理解的是，本文中所使用的“第一”、“第二”、“第三”等是随意指定的，仅在两个或更多个物件之间加以区分，而不表示顺序。而且，所用的术语“第一”并不需要“第二”之类。无论与竖直的、水平的还是斜的井筒关联使用，“井上”、“井下”等用语均分别是指接近或远离井口的移动方向。同样与井筒取向无关的是，术语“上游”和“下游”指的是关于流体流动的相对位置或方向。尽管本文的描述集中于在井筒中设置多种工具(如管柱、连续油管、或缆线)所用的特定手段，但本领域技术人员应当预见到能够利用替代性手段的情况。本文中所使用的“向上”和“向下”等词语用于表示部件的相对位置或移动的相对方向(通常是参照附图的方位)，而在使用中的方位与附图中的方位不同的情况下，不排除类似的相关位置、方向或移动。

本文所描述的发明的一个目的是极大地简化对长度延长的衬管悬挂器下入工具或类似物的钻台组装。虽然所提供的描述涉及衬管悬挂器下入工具，但本领域技术人员应当预见到的是，这些创造性特征可用于其它的下入工具和组件。通常的衬管悬挂器下入工具由传递膨胀力的外筒和传递下入工具载荷的内心轴组成。在钻台上装配上述下入工具的两个半部，需要装配内心轴和外筒。这过程不仅棘手而且很耗时。其它常用的装配连接需要在组装之后进行压力测试，压力测试在钻台上很难、甚至不可能进行。本发明仅需要装配简单的工具接头连接件，以在钻台上连接工具的两个半部，且不需要压力测试。一般而言，拉伸和扭转载荷通过内心轴进行传递，而外筒在膨胀锥上施加移位力。这种机构使得对于工具的力倍增部段，内构件和外构件的加载能够颠倒过来，这是因为外构件和内构件的功能通过交越体被逆返以提供正常的工具操作。

图1A是根据本发明的一个方案的带有载荷交越组件的示范性下入工具 的剖视图。图1A是根据本发明的一个方案的衬管悬挂器下入工具的示意性剖视图。图1B是沿图1A的1B-1B线截取的剖视图。总体示出的衬管悬挂器下入工具组件50具有位移组件100和拉伸及扭转载荷承载组件200，位移组件100(除其它功能外)在致动期间携带位移载荷，拉伸及扭转载荷承载组件200(除其它功能外)在进入和拉出井筒以及操作期间承受施加在工具上的拉伸及扭转载荷。下入工具组件50总体上分为上部52和下部54。

总体而言，拉伸及扭转载荷承载组件200包括大致呈筒形的上心轴202和大致呈筒形的下心轴204。所用的术语“心轴”并非表示该心轴在工具中位于径向向内、内部或沿轴向的位置；而是，“心轴”用于表示工具中的这样的部分：该部分携带通过该工具的拉伸载荷。当工具的部件被旋转锁定时，该心轴还携带作用于工具上的扭转载荷。术语“心轴”也并非旨在表示实心截面的心轴。实际上，本文描述的上心轴和下心轴均限定有用于传送流体、混凝土或类似物或者用于容置部分位移组件、活塞、活塞套筒或杆的内部通道。在现有技术的工具中，拉伸载荷承载心轴位于工具壳体的内部和位移组件(即位移组件的滑动套筒、活塞套筒等)的内部。

位移组件100具有上位移组件102和下位移组件104。位移组件100在移位、下放或膨胀期间提供位移组件与拉伸载荷承载组件之间的相对运动，并携带位移载荷。在现有技术的工具中，位移组件(通常为一系列液压致动的活塞组件)位于内拉伸载荷承载心轴的径向外部或周围。

根据本发明的一个方案，上心轴202位于上位移组件102的外部或者从上位移组件102径向向外(延伸)。因此，下入工具组件的上部段(上部)52中的拉伸载荷被携带到上位移组件的外部。换言之，上位移组件102位于上心轴202中(且在其中相对移动)，且位移载荷被携带到上心轴的内部。如图所示，上心轴优选形成下入工具组件的外壳，然而，上心轴可具有位于其外部的保护套筒或其它构件。

下心轴204位于下位移组件104的内部或者从下位移组件104径向向内(延伸)。因此，下入工具组件的下部段(下部)54中的拉伸载荷被携带到下位移组件104的内部。换言之，下位移组件104位于下心轴204的外部(且在其外部相对移动)，且位移载荷被携带到下心轴的外部。下心轴优选为该工具沿着下部段的最内部，沿这一部段限定了通道56，然而，内心轴 (下心轴)可具有位于其径向内部的穿通式套筒等。

载荷交越接头300将拉伸载荷从上部外心轴(上心轴)202传递到下部内心轴(下心轴)204。载荷交越接头300还允许位移组件进行穿过其中的相对移动，有效地使可动的位移组件从上心轴的内部过渡到下心轴的外部。在优选实施例中，该交越接头是滑动接头。载荷交越接头还可以被称为交越心轴。经过该下入工具组件的拉伸载荷加载路径可被限定为：通过上心轴202、通过载荷交越接头300、到达下心轴204。类似地，位移载荷加载路径可被限定为：通过上位移组件102(绕过载荷交越接头/工具300)并进入下位移组件104中。

拉伸及扭转载荷承载组件200具体包括上心轴202，所示的上心轴202为大体呈筒形的构件。可将许多这种构件连接在一起来形成更长的上心轴。如图所示，上心轴202由第一上心轴构件210、第二上心轴构件212和第三上心轴构件214组成。构件210、212由拉伸载荷筒联结件215连接。类似地，第二构件212和第三构件214由工具接头联结件216连接。换言之，可认为上心轴包括第一上心轴构件210、第二上心轴构件212和第三上心轴构件214及它们的连接件，即拉伸载荷筒联结件215和工具接头联结件216的上构件及下构件。第三上心轴构件214附接到载荷交越接头300。

工具接头联结件216是许多油田工具中常用的装配接头。其容易被组装，且可在钻台上进行组装，而不需要相关的O型环或密封件，且因此不需要连接之后进行压力测试。工具接头联结件216具有可释放地连接到下工具接头联结件构件220上的上接头联结件构件218。

下心轴组件208具有附接到载荷交越接头300上的下心轴204。下心轴向下延伸并且与本领域公知的释放或夹持组件相互作用。下心轴组件可由多个构件组成，如用于提供所需长度的内心轴的附接加长件，或者如夹持套筒等具有附加功能的管状构件。

该心轴组件被设计为能够提供通常的内心轴所具有的承载能力。此示范性交越心轴的截面面积、材料、抗拉强度和其它性质足以承受施加在心轴上的拉伸载荷。举例而言，该心轴组件能够保持住衬管柱(liner string)。此外，在大多数实施例中，该心轴组件还能承受管柱上的扭转载荷。然而，与通常的心轴不同的是，该交越心轴在位移组件的外部、工具的上端处设 有拉伸载荷承载构件，且在位移组件的内部、工具的下端处设有拉伸载荷承载构件。在所示的实施例中，拉伸及旋转载荷承载路径经过以下构件：第一上心轴构件210、拉伸载荷筒联结件215、第二心轴构件212、上工具接头联结构件218、下工具接头联结构件220、第三心轴构件214、载荷交越接头300以及下心轴204。

心轴组件的多个构件还可具有其它多种功能。举例而言，拉伸载荷筒联结件215提供下表面232，活塞室(高压室)112a中的高压流体作用在下表面232上。如需要的话，可设置多个密封件115。上心轴202的内表面提供这样一表面，该表面能供活塞110a在其上移动且部分地限定(压力)室112a和116a。类似地，上工具接头联结件构件218和下工具接头联结件构件220部分地限定室116a和112b。诸如本领域中公知的细节不再予以详述。此外，多个心轴组件构件可提供运动限制表面和台肩、抵靠和停靠台肩、连接销等。

一种示范性的位移组件100具有一个或多个活塞组件106a-106b。如本领域中公知的，多个活塞组件106a-106b可设置为一纵向系列，以增大工具的移位力或行程长度。每个活塞组件106a/106b分别包括活塞杆或活塞套筒108a/108b、活塞110a/110b、高压室112a/112b、以及与对应的高压室液压连通的压力端口114a/114b。在该优选实施例中，通过对下入工具组件的内部通道56中的流体进行加压来供给液压。压力从内部通道通过多个压力端口被传递到高压室中。压力使活塞移动。在优选实施例中，高压室112a-112b被限定在心轴与位移套筒(活塞套筒)之间的环形空间中。在每个活塞附近与高压室112a-112b相对地设有多个低压的通风室116a-116b，通风室中的流体通过多个通风端口118a-118b被排放到工具的外部。如本领域公知的，在活塞套筒、活塞、联结件等部件之间可使用各种密封件115。

图1A中的实施例示出了两个活塞组件106a至106b，每个组件的对应部件均由对应的字母标识。可使用更多或更少的活塞组件，但是对于需要更大的移位力或更大行程的、较长的工具组件或应用，可预期的是将会使用许多个活塞组件。而且，所示的示范性实施例具有位于接头联结件组件400上方的活塞组件和位于其下方的一个活塞组件。这是一种示范性的设 置，在接头联结件组件的上方或下方可设置多个活塞组件。

位移组件100还包括将位移载荷传递到膨胀锥、封隔器滑动组件等的组件。此处所示的示范性位移组件104是膨胀组件。最下部的活塞组件(此处为活塞110b)将移位运动和力传递到上膨胀套筒120上。多个位移载荷传递构件122从上膨胀套筒向下纵向延伸。位移载荷传递构件(或者说“指状件”)将位移载荷传递到下膨胀套筒124上，并从而传递到膨胀锥126。膨胀锥126沿纵向移位以使衬管悬挂器(接头联结件组件)400膨胀。

图1B提供了载荷交越接头300的剖视图。位移载荷传递构件122穿过载荷交越接头300中对应的开口302。(图中)示出了示范性的载荷传递构件122，亦即四个构件延伸穿过四个对应的开口302。然而，可使用其它数量的载荷传递构件和开口。此外，虽然示出了构件122的优选截面形状，但可以采用其它形状。在一个示范性实施例中示出的载荷交越接头300限定外部环形部304、内部环形部306以及连接这些环形部并在相邻的开口302之间径向延伸的多个网部308。载荷交越接头300还限定内部通道56的一部分，以供流体从中通过。内部通道56可由数个构件限定，包括活塞套筒、联结件、活塞、交越心轴、下心轴、夹持套筒等。

在完成井下作业后，将下入工具组件从已膨胀或已下放的井下工具上释放。此处，下入工具与现已膨胀的衬管悬挂器脱开。本领域中公知有数种脱开组件，其中之一是夹持组件402。该夹持组件包括带有多个凸耳406的夹持件(collet)404，这些凸耳406被闩锁在悬挂器的内部上的对应的凹部408中。夹持螺帽410将该夹持件保持在衬管悬挂器的锁定位置中。通过在下入工具组件上放置重垂物(weight-down)使夹持件从衬管悬挂器上脱开。

还可采用本领域中公知的其它工具构件，如碎屑套筒412、穿通式套筒414等。

图2是根据本发明的一个方案的具有载荷交越接头的示范性工具的一个实施例的剖视图。图2A至图2R是根据本发明的方案的示范性工具的连续剖视图。

转至图2，其示出了具有位移组件1100(其包括位移载荷承载组件1101)和拉伸及扭转载荷承载组件1200的衬管悬挂器下入工具组件1050。如本文所论述的，图2A中示出的组件1050的上端是处于拉伸载荷承载筒或心轴的内部的活塞组件。未示出的(在组件的井上方向的)其它活塞组件、下入工具、工具管柱等是本领域公知的。活塞组件是本领域公知的，且可被堆叠或设置成多个系列以提供所需的附加行程力或移位。类似地，图2R的组件的井下部分未示出的还有本领域中公知的衬管悬挂器、衬管、脱离组件(如夹持组件)等。总体而言，所示的衬管悬挂器下入工具组件1050具有位移组件1100(其具有位移载荷承载组件1101)和拉伸及扭转载荷承载组件1200。下入工具组件1050总体上分为上部1052和下部1054。

总体而言，拉伸及扭转载荷承载组件1200包括大致呈筒形的上心轴1202和大致呈筒形的下心轴1204。在使用期间，上心轴和下心轴能携带施加在组件上的拉伸及扭转载荷。上心轴和下心轴均限定从其中穿过的流体流动通道，以使例如混凝土、处理流体、液压流体之类的流体能够通过心轴和组件。总体而言，通道1056从组件的上端延伸到组件的下端，且其多个部分可以由位移组件的内表面、心轴组件的内表面来限定，以及由(为此目的而)设于组件中的套筒等来限定。本文描述的上心轴和下心轴均限定有用于传送流体、混凝土及类似物或者用于容置位移组件、活塞、活塞套筒或杆等部件的多个部分的内部通道。

位移组件1100具有上位移组件和下位移组件1104。位移组件1100提供组件与拉伸载荷承载组件之间的相对运动，且在位于位移组件下方的被致动的工具的移位、下放或膨胀期间携带位移载荷。

上心轴1202位于外部上位移组件的外部，或者从上位移组件径向向外(延伸)。因此，下入工具组件1050的上部段(上部)1052的拉伸及扭转载荷被携带至上位移组件的外部。换言之，上位移组件位于上心轴1202中且相对于上心轴1202移动。位移载荷被携带至上心轴的内部。如所公知的，上心轴优选形成下入工具组件的外壳，然而，上心轴可在其外部具有保护套筒或其它构件。

下心轴1204位于下位移组件1104的内部或者从下位移组件1104径向向内(延伸)。因此，下入工具组件的下部段(下部)1054中的拉伸载荷被携带至下位移组件1104的内部。换言之，下位移组件1104位于下心轴1204的外部(且在其外部相对移动)，且位移载荷被携带至下心轴的外部。 下心轴优选为工具的沿着下部段的最内部，沿着这一部段限定通道1056。然而，内心轴可具有位于其径向内部的穿通式套筒、阀(比如落球式座阀)，支撑套筒、销和接头等。

载荷交越接头1300将拉伸载荷从外部上心轴1202传递到内部下心轴1204。载荷交越接头1300还允许位移组件进行穿过其中的运动，有效地使可动的位移组件从上心轴内部过渡到下心轴的外部。经过该下入工具组件的拉伸载荷加载路径T可被限定为：通过上心轴1202、通过载荷交越接头1300到达下心轴1204来。类似地，位移载荷加载路径D可被限定为：通过上位移组件(绕过载荷交越接头/工具1300)并进入下位移组件1104。

具体而言，拉伸及扭转载荷承载组件1200包括上心轴1202，所示的上心轴1202为大体呈筒形的构件。可将许多这种构件连接在一起来形成更长的上心轴。如图所示，上心轴1202由第一上心轴构件1210，第二上心轴构件1212和第三上心轴构件1214组成。第一和第二上心轴构件1210、1212由拉伸载荷筒联结件1215连接。类似地，第二上心轴构件1212和第三上心轴构件1214通过工具接头联结件1216连接。第三上心轴构件1214附接到载荷交越接头1300。

工具接头联结件1216是许多油田工具中常用的装配接头。其容易被组装，且可在钻台上进行组装，而不需要相关的O型环或密封件，且因此不需要连接之后进行压力测试。工具接头联结件1216具有可释放地连接到(在连接件1219处)下工具接头联结件构件1220上的上接头联结件构件1218。上工具接头联结件1218包括本领域公知的多个部件，包括螺纹、密封件、多个连接销组件1221、多个接触表面1223等。类似地，下工具接头联结件1220包括接触表面1225、螺纹、多个连接销组件1227。

下心轴组件1208具有附接到载荷交越接头1300的下心轴1204。下心轴向下延伸并且与诸如本领域公知的释放或夹持组件、膨胀锥等相互作用。

该心轴组件被设计为能够提供通常的内心轴所具有的承载能力。此示范性交越心轴的截面积、材料、抗拉强度和其它性质足以承受施加在心轴上的拉伸载荷。举例而言，该心轴组件能够保持住衬管柱。此外，在大多数实施例中，该心轴组件还能承受管柱上的扭转载荷。然而，与通常的心轴 不同的是，该交越心轴在位移组件的外部、工具的上端处设有拉伸载荷承载构件，且在位移组件的内部、工具的下端处设有拉伸载荷承载构件。在所示的实施例中，拉伸及旋转载荷承载路径经过以下构件：第一上心轴构件1210、拉伸载荷筒联结件1215、第二上心轴构件1212、上工具接头联结构件1218、下工具接头联结构件1220、第三上心轴构件1214、载荷交越接头1300以及下心轴1204。

该心轴组件的多个构件还可具有其它多种功能。举例而言，拉伸载荷筒联结件1215提供向下的表面1232，活塞室(高压室)1112a中的高压流体作用于向下的表面1232上。拉伸载荷筒联结件1215还包括多个螺纹连接件1215a，以提供从第一上心轴构件1210通过拉伸载荷筒联结件1215并进入第二上心轴构件1212中的拉伸载荷加载路径。设有多个销组件1215b(如力矩销组件)，以将拉伸载荷筒联结件1215旋转锁定且连接到第一和第二上心轴构件1210和1212。如本领域所公知的，可以使用其它多种等效的载荷筒联结件或附接件。可根据需要在多个部件之间设置多个密封件1115。示范性的拉伸载荷筒联结件1215在表面1215c处可滑动地结合到活塞杆1108a上。

上心轴1202的内表面提供一表面，以供活塞1110a在其上移动，且部分地限定(压力)室1112a和1116a。类似地，上工具接头联结构件1218和下工具接头联结构件1220分别在表面1218a和1220a处部分地限定室1116a和1112b。此外，心轴组件构件可提供运动限制台肩等。

示范性的位移组件1100具有一个或多个活塞组件1106a-1106b。如本领域所公知的，多个活塞组件1106a-1106b可设置为多个系列，以使工具的移位力或行程长度增大。每个活塞组件1106a/1106b分别包括活塞杆或活塞套筒1108a/1108b、活塞1110a/1110b、高压室1112a/1112b、以及与对应的高压室液压连通的压力端口1114a/1114b。在该优选实施例中，通过对下入工具组件的内部通道1056中的流体进行加压来供给液压。压力从内部通道1056通过多个压力端口1114a/1114b被传递到多个高压室1112a/1112b中。压力使得活塞1110a-1110b进行相对移动。在优选实施例中，高压室1112a-1112b被限定在心轴与位移套筒(活塞套筒)之间的环形空间中。优选地，在每个活塞附近、与高压室1112a-1112b相对地设有多 个低压的通风室1116a-1116b，通风室中的流体通过多个通风端口1118a-1118b被排放到工具的外部。如本领域公知的，在活塞套筒、活塞、联结件等部件之间可使用各种密封件1115。

举例而言，活塞1110a是封装在上心轴1202与环形活塞杆或活塞套筒1108a之间的环形活塞。活塞1110a在表面1113a处与心轴滑动接合。活塞1110a在台肩1115a处抵靠活塞杆1108a，使得活塞杆的向下移动驱动活塞下移。活塞1110a还在台肩1117a处抵靠下活塞杆1108b，使得活塞的向下移动将活塞杆向下移动。来自管柱中的孔1056的流体被加压并通过多个压力端口1114a压力连通到高压室1112a。活塞的多个向上的表面1111a受到高压的作用，从而使活塞向下移动。在此实施例中，高压室1112a由上心轴1202的内表面、活塞杆1108a的外表面、拉伸载荷筒联结件1215的下表面1232及活塞1110a的上表面和其它表面限定。随着活塞向下移动，其使通风室1116a中的压力增大。通风室中的流体经由多个通风端口1118a离开工具。通过筛、迂回路径等可进行干涉以防止碎屑问题。在所示的实施例中，在通过上工具接头联结件1218并经过初级端口1119a之后，流体从通风室1116a经过上心轴1202中的通风端口1118a离开工具。

图2中的实施例示出了两个活塞组件1106a-1106b，每个组件的对应部件均由对应的字母来标识。可使用更多或更少的活塞组件，但是对于需要更大移位力或更大行程的、较长的工具组件或应用，可预期的是将会使用许多个活塞组件。而且，所示的示范性实施例的一个活塞组件在接头联结件组件1400的上方，另一个的活塞组件在其下方。这是一个示范性的设置，在接头联结件组件的上方或/或下方可以设置许多个活塞组件。

位移组件1100还包括将位移载荷传递到膨胀锥、封隔器滑动组件等的组件。此处所示的示范性位移组件1104是膨胀组件，但是仅示出了膨胀组件的一部分。最下部的活塞组件(此处为活塞1110b)将位移运动和力传递到上膨胀套筒1120。上膨胀套筒在台肩1121处邻靠于穿通式位移构件(组件)1122。

在优选实施例中，穿通式位移组件1122具有多个(此处为4个)纵向延伸的位移载荷传递构件1122a-1122d，或者称作“指状件”。穿通式位移组件被如此命名，是因为其经过拉伸载荷交越组件传递位移载荷和运动。 位移载荷指状件将位移载荷传递到下膨胀套筒1124，并从此处传递到膨胀锥(未示出)。下膨胀套筒1124可由许多构件1124a-1124b组装而成，且抵靠在配合的台肩1125上。膨胀锥被纵向向下移位，以使可膨胀的衬管悬挂器(接头联结件组件)1400膨胀。穿通式位移组件可包括许多相连接或相抵靠的、结构与该示范性实施例所示的不同的部件。在一个实施例中，穿通式位移组件包括在许多指状件之间延伸且连接到这些指状件的一个或多个环形构件。为组装或者为传递位移力的目的，这些环形构件可移除地附接到指状件上，例如通过螺纹、销等进行附接。这些环形构件还可用于例如提供台肩或相互作用部件以限制移位。

穿通式位移组件载荷传递构件1122a-1122d在下入工具组件的移位或致动期间受到载荷作用。传递构件的截面较宽(例如与上膨胀套筒1120相比)，以支撑位移载荷。而且，由于指状件会趋于屈服于载荷而失效，所以沿径向的支撑由位于径向内部的上交越心轴引导件1203以及位于指状件的径向外部、并从载荷交越接头1300延伸到碎屑套筒1412的外部的径向支撑套筒1205来提供。

示范性的载荷交越接头1300将拉伸及扭转载荷从上心轴1202(位于套筒(第三上心轴构件)1214处)传递到下心轴1204。载荷交越接头(或交越心轴)在螺纹1310处螺接到上心轴1202上，并在多个构件之间传递拉伸载荷。而且，销孔处1312的多个销(未示出)在上心轴与交越心轴之间传递力矩。载荷交越接头1300优选形成为具有由多个径向延伸的网1308连接的外部环圈或外环圈1304以及内部环圈或内环圈1306。这些网和环限定四个穿通式开口1302，这些穿通式开口允许穿通式位移组件(位移载荷指状件)1122穿过其中进行纵向移动。下内心轴(下心轴)1204纵向向下延伸。纵向向上延伸、并由多个销或类似物附接到连接件1311处的接头上的是交越心轴引导件1203，其还作为指状件的径向支撑套筒。如图所示，交越心轴引导件和下内心轴(下心轴)优选大致呈筒形，进一步限定通道1056。而且，交越心轴引导件和下心轴两者均优选地与纵向槽或花键相配合，而这些槽或花键与指状件(穿通式位移组件)1122配合。另见参照图3至图7的描述。

图3是工具组件沿图2K的3-3线截取并向下观看的剖视图。相似的附 图标记表示相似的部件，且不会在此处全部示出。应强调的是，所示的位移载荷传递构件1122a-1122d(指状件)的上表面与交越心轴引导件1203的对应的纵向花键1320及槽1322相配合。

图4是工具组件沿图2L的4-4线截取并向上观看的剖视图。相似的附图标记表示相似的部件，且不会在此处全部示出。应强调的是，所示的指状件(穿通式位移组件)1122与交越心轴引导件1203的对应的花键1320及槽1322相配合。

图5是工具组件沿图2N的5-5线截取并向上观看的剖视图。相似的附图标记表示相似的部件，且不会在此处全部示出。应强调的是，所示的指状件1122与载荷交越接头(交越心轴)1300的对应的花键1324和槽1326相配合。应强调的是，这些花键和槽优选地提供与对应指状件的所有四个侧面相配合的表面。然而，还应强调的是，在此剖面图中，交越心轴1300限定内部环圈1306，并同时限定多个外部环形截面空间1307。1312表示多个销组件。

图6是工具组件沿图2N的6-6线截取并向下观看的剖视图。相似的附图标记表示相似的部件，且不会在此处全部示出。应强调的是，所示的指状件1122与对应的多个通道1302相配合。交越心轴限定了外部环圈1304、内部环圈1308以及位于这些环之间的多个径向延伸的网1308。

图7是工具组件沿图2P的7-7线截取并向上观看的剖视图。相似的附图标记表示相似的部件，且不会在此处全部示出。应强调的是，以剖面图示出的下心轴1204具有对应于指状件1122的多个相配合的花键和槽。这些指状件的底面是可见的。本文描述的相配合的花键、槽和指状件使得部件之间能够进行纵向相对运动，同时为指状件提供旋转锁定和径向支撑。

在完成井下作业后，将下入工具组件从已下放的井下工具上释放。本领域中公知数种脱开组件，其中之一是夹持组件。所示的夹持套筒1403通过连接件1401连接到下心轴1204上。通过在下入工具组件上设置重物(weight-down)使夹持件从衬管悬挂器上脱开。该夹持组件在图2中未示出，且不做详细论述。

可采用本领域中公知的其它工具构件，如碎屑套筒1412、穿通式套筒1414等。

关于现有技术的活塞组件的公开内容(特别是力倍增活塞组件)，参见美国专利申请公开文本2012/0186829(Brock)，其说明了用于保护活塞入口等的活塞倍增器的使用和可选方法及装置，该专利文献以所有目的通过援引合并于本文。还可参见美国专利文本5,437,330(Gambertoglio)、5,553,672(Smith、Jr.等人)、5,170,844(George等人)、7,562,712(Cho)以及美国专利申请公开文本2002/0070032(Maguire)、2009/0107686(Watson)；以上所有专利文献均以所有目的通过援引合并于本文。

关于衬管柱在井筒套管中的安装的更多公开内容，参见美国专利申请公开文本2011/0132622(Moeller)，该专利文献以所有目的通过援引合并于本文。关于混凝土浇注过程及工具的更多公开内容，参见合并于本文的其它援引文献。关于膨胀锥组件及其功能的公开内容，参见美国专利文本7,779,910(Watson)，该专利文献以所有目的通过援引合并于本文。关于液压设置衬管悬挂器的更多公开内容，参见美国专利文本6,318,472(Rogers)，该专利文本以所有目的通过援引合并于本文。

本文中未详细描述夹持组件，因为这种组件是本领域公知的。关于夹持件的更多公开内容，参见提交于2011年11月1日的美国专利申请13/587,596(Stautzenberger)，该文本以所有目的通过援引合并于本文。关于释放夹持组件的公开内容也可参见合并于本文的其它援引文献。油气作业中的数种工具包括夹持件(collet)和夹持柱，如膨胀工具收回工具。总体而言，夹持件配合在心轴的外部周围。夹持件通常包括至少一个同心环和从该环伸出的多个夹持指。夹持件附接和释放的对象大体包括对应于夹持指上的凸耳的凹部。夹持指被偏压以接触于心轴的外径周围。夹持柱用于将夹持指保持在所需位置，直至需要致动。可包括夹持件的工具的另一个示例是膨胀工具。在膨胀之前，管柱(比如衬管)可从夹持件经由与管柱中的凹部接合的夹持指凸耳悬吊。夹持指是刚性的，且仅当夹持柱位于夹持件下方时可支撑管柱的重量。这些工具通常包括外筒和内心轴。通常，外筒和内心轴被台肩式连接件阻止而不能相对管柱移动。一旦所需的工具操作完成后(比如管柱膨胀)，将台肩式连接件分离，且外筒或内心轴相对于管柱可自由移动。根据台肩式连接件的分离，夹持柱可以移动(或者说掉落)。通常，这是通过或者将内心轴、或者将外筒相对于管柱向下移动来完成的。 外筒或内心轴的移动使得夹持柱从夹持件的下方移出。夹持柱落到夹持件下方，所以夹持指能够朝向下心轴屈曲。该工具与下入工具管柱脱开，且该管柱被从井筒中拉出。

现已描述了本发明的多种示范性方法和用途，且应理解的是，本发明仅受权利要求的界定和限制。本领域技术人员应能预见到其它步骤、步骤的不同顺序，并且并非所有的步骤对于实施本发明的描述而言都是必须的。

在多个优选实施例中，描述了如下的方法；这些步骤并非排它性的，且可以各种方式结合。一种在延伸穿过含烃层的地下井筒中执行油田作业的方法，所述方法包括下列步骤：将井下工具组件设置在工作管柱上，该井下工具组件具有用于承受组件上的拉伸和旋转载荷的心轴组件以及用于相对于心轴组件移动的位移组件；沿着位于位移组件的上部的径向外部的加载路径承受井下工具组件上的拉伸和旋转载荷；沿着位于位移组件的下部的径向内部的加载路径承受井下工具组件上的拉伸及扭转载荷；以及使位移组件相对于心轴组件移动。该方法还包括：沿着径向穿过位移组件的加载路径承受工具组件上的拉伸及扭转载荷的步骤；使位移组件的一部分纵向移动穿过心轴组件中的配合通道的步骤；使多个位移载荷传递杆纵向移动通过多个对应的通道(这些对应的通道通过心轴组件的径向延伸部)的步骤。

本领域技术人员应能预见到本文中提供的多种方法的上述步骤和细节的各种组合和顺序。虽然本发明是参照所示实施例进行描述的，但这样的描述不应被理解为具有限制意义。在参照此描述后，所示的实施例的各种变型和结合以及本发明的其它实施例对本领域技术人员是显而易见的。因此，随附的权利要求理应涵盖任何这类变型或实施例。

Claims (20)

1.一种用于井筒中的井下工具组件，所述组件包括：

心轴组件，用于在下入到井筒期间主要地承受施加在所述工具组件上的拉伸和旋转载荷；

位移组件，用于主要地承受位移载荷并提供相对于所述心轴组件的运动，所述位移组件用于致动附接到所述心轴组件的可致动工具；以及

其中，所述心轴组件具有：位于所述位移组件的径向外部的上心轴；位于所述位移组件的径向内部的下心轴；以及载荷交越心轴，该载荷交越心轴连接在所述上心轴与所述下心轴之间，并且能够操作为在所述上心轴与下心轴之间传递拉伸和旋转载荷。

2.如权利要求1所述的井下工具组件，其中，所述位移组件具有：位于所述载荷交越心轴的纵向上侧的上位移组件；位于所述载荷交越心轴的纵向下侧的下位移组件；以及位于所述上位移组件与所述下位移组件之间的穿通式位移组件，该穿通式位移组件能够操作为在所述上位移组件与所述下位移组件之间传递位移载荷。

3.如权利要求2所述的井下工具组件，其中，所述载荷交越心轴包括纵向延伸穿过其中的多个通道，且其中，所述穿通式位移组件包括延伸穿过对应的所述多个通道的对应的多个位移载荷传递构件。

4.如权利要求3所述的井下工具组件，其中，所述多个位移载荷传递构件是纵向延伸的多个杆。

5.如权利要求1所述的井下工具组件，其中，所述位移组件包括至少一个活塞组件，所述活塞组件能够操作为使所述位移组件相对于所述心轴组件移动。

6.如权利要求5所述的井下工具组件，其中，所述活塞组件能够响应于井筒流体的变化而进行操作。

7.如权利要求1所述的井下工具组件，其中，所述位移组件包括具有活塞杆和活塞的至少一个活塞组件，所述至少一个活塞组件能够响应于井筒流体压力的增大而进行操作。

8.如权利要求7所述的井下工具组件，其中，所述心轴组件和位移组件限定了纵向延伸穿过其中的工具孔，所述工具孔能够操作为将井筒流体的变化从地面传送到井下位置。

9.如权利要求2所述的井下工具组件，其中，所述上位移组件和所述下位移组件是套筒。

10.如权利要求2所述的井下工具组件，其中，所述上位移组件、所述下位移组件和所述穿通式位移组件的外径基本一致。

11.如权利要求1所述的井下工具组件，其中，所述交越心轴限定内环圈、外环圈和多个延伸通过所述交越心轴的纵向通道，以与对应的位移组件载荷传递构件配合。

12.如权利要求1所述的井下工具组件，其中，所述井下工具组件连接到可膨胀的衬管悬挂器工具管柱，所述位移组件能够操作为使所述衬管悬挂器膨胀，且所述心轴组件支撑用于将所述管柱从所述衬管悬挂器上释放的释放工具。

13.如权利要求2所述的井下工具组件，其中，所述井下工具组件能够在钻台上被组装。

14.如权利要求13所述的井下工具组件，其中，所述上位移组件包括工具接头。

15.如权利要求14所述的井下工具组件，其中，所述工具组件的组装不需要压力测试。

16.如权利要求14所述的井下工具组件，其中，至少一个活塞组件位于所述工具接头上方，且其中至少一个活塞组件位于所述工具接头下方，所述活塞组件能够操作为使所述位移组件相对于所述心轴组件移动。

17.一种在延伸穿过含烃层的地下井筒中执行油田作业的方法，所述方法包括下列步骤：

将井下工具组件设置在工作管柱上，所述井下工具组件具有用于承受所述组件上的拉伸和旋转载荷的心轴组件以及用于相对于所述心轴组件移动的位移组件；

沿着位于所述位移组件的上部的径向外部的加载路径承受所述井下工具组件上的拉伸和旋转载荷；

沿着位于所述位移组件的下部的径向内部的加载路径承受所述井下工具组件上的拉伸及扭转载荷；以及

使所述位移组件相对于所述心轴组件移动。

18.如权利要求17所述的方法，还包括沿着径向穿过所述位移组件的加载路径承受所述工具组件上的拉伸及扭转载荷的步骤。

19.如权利要求18所述的方法，还包括使所述位移组件的一部分纵向移动穿过所述心轴组件中的配合通道的步骤。

20.如权利要求19所述的方法，还包括使多个位移载荷传递杆纵向移动穿过对应的多个通道的步骤，所述对应的多个通道通过所述心轴组件的径向延伸部。