CN1052717A - 定位工具 - Google Patents

Abstract

一种用于对钻井工具的滑动件进行定位的定位 工具器械，它包括：一具有一上端和一下端及具有一 条贯穿其内的纵向通道的滞动组件；一种分别由滞动 组件上、下端携持着的径向向内偏压的上、下啮合块； 一根可滑动地穿容在该纵向通道内的内心轴；两个分 别在上啮合块上方、下啮合块下方连接到内心轴上的 上、下楔块；和一J形槽和凸耳装置，用于将内心轴与 滞动组件互连在一起以便有选择地允许心轴在上、下 楔块沿径向分别向外推挤上、下啮合块的第一、第二 位置之间作相对于滞动组件的运动。

Description

本发明涉及一种用于对套筒浮阀这样的钻井工具的滑动件进行定位的定位工具，更准确地但不是限制地说，是涉及一种特别适合于供在具有如在水平钻井时出现的那种明显偏离垂直方向的偏斜部分的钻井内的套筒浮阀使用的定位工具。

众所周知，滑套式套筒浮阀可以放在井套内以便可以有选择地使套管内腔与靠近套筒浮阀的地下岩层之间保持连通。这样的套筒浮阀中的一种已公开在我们申请的美国专利第3768562号（Baker）中。贝克（Baker）的专利还公开了一种用于致动套筒浮阀的滑动套筒的定位工具。

我们的美国专利4880059号（Brandell）公开了采用用于致动在钻井偏斜部分中的滑套式套筒浮阀的定位工具的滑套式套筒浮阀的使用。

目前，我们已发明出一种用于啮合和操纵套筒浮阀的滑动套筒或其它类似钻井工具的改进的定位工具。

根据本发明提供了这样一种用于钻井工具的定位器械，该器械包括：一个具有一上端和一下端以及具有一条贯穿其内的纵向通道的滞动组件;一种由所述滞动组件的所述上端携持着的径向向内偏压的上啮合块;一种由所述滞动组件的所述下端携持着的径向向内偏压的下啮合块;一根可滑动地穿容在所述滞动组件的所述纵向通道内的内心轴;一个在所述上啮合块上方连接到所述内心轴上的上楔块;一个在所述下啮合块下方连接到所述内心轴上的下楔块;和一个J形槽和凸耳装置，该J形槽和凸耳装置将所述内心轴与所述滞动组件互连在一起，以便有选择地允许所述心轴在所述上楔块沿径向向外推挤所述上啮合块的第一位置和所述下楔块沿径向向外推挤所述下啮合块的第二位置之间作相对于所述滞动组件的运动。

本发明的定位器械可以被应用的一个特殊用途是对钻井内钻井工具的滑动件，例如套筒浮阀的滑动套筒进行定位。该定位器包括具有上述啮合块的操纵装置，操纵装置的多个开启块设置在滞动组件的一端上，而其多个闭合块则设置在滞动组件的另一端上。操纵装置还包括有上、下楔块，这些楔块最好是环形的，它们装接在带有滞动组件和带有位于内心轴和滞动组合之间的开启块和闭合块的内心轴上。在内心轴往复运动时，楔块中选择出的一块可以与开启块啮合或者与闭合块啮合，以便将它们向外推挤，使它们与套筒浮阀的滑动套筒操动啮合。

操纵装置还包括将内心轴和滞动组件互连在一起以便通过心轴相对于滞动组件的纵向位置的重复模式有选择地允许心轴相对于滞动组件移动的J形槽和凸耳装置。位置的重复模式最好应包括：开启块被向外推挤的一个位置，闭合块被向外推挤的另一个位置，和心轴必须在其开启位置和闭合位置之间通过的二个中间位置。在中间位置处，开启块和闭合块没有被向外偏压，因而，定位工具可以自由地通过套筒浮阀。

为了能对本发明有更加充分的理解，将参照附图，只是以举例的方式对本发明的图解实施例进行描述，其中：

图1是具有明显偏斜的钻井部分的钻井的立面剖视示意图。一个包括有一定位装置、一喷射工具组件、和一冲洗工具的作业套组正被插入钻井内。钻井的偏斜部分具有多个放在套管柱内的套筒浮阀。

图2A-2D是套筒浮阀一个实施例的立面剖视图。该套筒处在闭合位置，套孔和壳孔都被填塞着。

图3A-3E是本发明定位工具的一个实施例的立面剖视图，也是喷射工具和冲洗工具实例的立面剖视图。套筒浮阀、喷射工具和冲洗工具是与此申请同日提交并且分别基于文献USSN  435144，435305和435944的三个欧洲专利申请的主题。本申请应该参照这些专利申请。

图4A-4E是图3A-3E所示的位于图2A-2D所示套筒浮阀内适当位置处的工具套组的立面剖视图。套筒已移动到一开启位置，柱塞已从套孔和壳孔中喷挤掉。

图5是位于定位工具内的一个J形槽和凸耳装置的一个实施例的展开视图。

图6是类似于图1的视图，示出了钻井靠近每一套筒浮阀的部位破碎后的情况，一引喷工具套组处在钻井中适当位置处。

图7是类似于图1的视图，示出了在适当位置处通过最下的一个套筒浮阀开采岩层流的一个开采管柱。

图8和图9分别是经变更的啮合块的立面侧视图和立面前视图。

图10是图8和图9所示位于定位工具内适当位置处的啮合块的立面剖视图。

现参照附图，特别是参照图1，图中示出一个般用标号10表示的钻井。钻井10是通过在井眼14内放入一个套管柱12并且用以标号16所示的水泥将该套管柱固定在适当位置处的方法构造的。套管柱可以采用衬套形式代替图示的整体套管柱。套管柱12有一套管内腔13。

钻井10有一基本垂直部分18、一转弯部分20、和一象图中示出的基本上水平的钻井部分22那样的明显偏离垂直方向的偏斜部分22。虽然此所所述的工具被设计成特别适用于钻井的偏斜部分，它们当然也可以用于钻井的垂直部分。

沿套管柱12的偏斜钻井部分22间隔分布有多个套筒浮阀24、26和28。与套筒浮阀26和28一样的套筒浮阀24详细地示出在图2A-2D中。每一个套筒浮阀都位于靠近地下区域即分别如区域30、32和34那样的有意开采岩层的位置处。

在图1中，一根具有多个连接在其下端的工具的管柱36正被降下到钻井套管柱12内。在管柱36和套管柱12之间构成有钻井环隙38。一个位于地面的防喷装置40是设置来封闭钻井环隙38的。一个泵42与管柱36相连接以便将流体泵入管柱36的下面。

图1所示的管柱36有一个定位工具器械44、一个喷射工具器械46、和一个冲洗工具器械48，它们都连到管柱36上。这一工具套组详细地示出图3A-3E中。

套筒浮阀24一般也可以称为滑套式套筒工具器械（sliding  sleeve  casing  tool  apparatus）24，它详细地示出在图2A-2D中。套筒浮阀24包括一个外壳50，它有一条贯通其自身的纵向通道52和一个带有多个外壳连通孔56的侧壁54，这些连通孔穿透侧壁54。

外壳50是由一上壳段58、一密封壳段60、一带有孔口的壳段62、和一下壳段64构成的。上、下装卸段65、67装在外壳50的两端以便于拆卸和将滑动式套筒工具24装进套管柱12内。装卸段65和67分别在标号69和71所示部位带有螺纹，以便与套管柱12连接。

套筒浮阀24还包括一个可滑动地放置在外壳50和纵向通道52内的滑动套筒66。滑套66可以在图2A-2D所示堵塞或盖住外壳连通孔56的第一位置和图4A-4E所示外壳连通孔56未被盖住而是与纵向通道52连通的第二位置之间有选择地相对外壳50滑动。

套筒浮阀24还包括纵向隔开的第一、第二密封圈68、70，它们放置在滑动套筒66和外壳50之间，并在滑动套筒66和外壳50之间构成密封着的环隙72。第一、第二密封圈68、70最好采用人字形密封件。这种型式的密封件可以提供较长寿命的密封，与许多其它型式的密封圈相比，这种密封圈对由象碎砂和岩层细屑那样的夹裹着的磨料造成的切割和/或研磨不太敏感。

设一个位置闩锁装置74，以便将滑动套筒66可松开地锁固在其第一和第二位置。该位置闩锁装置74设置在密封着的环隙72内。

位置闩锁装置74包括一个也可以称为弹簧加载闩锁装置（Spring  biased  lotch  means）76并装在滑动套筒66上以便该滑套66与它一起进行纵向移动的弹簧夹头76。

位置闩锁装置74还包括在外壳50内形成的面向径向内侧且纵向隔开的第一、第二凹槽78、80，它们分别与滑动套筒66的第一、第二位置相对应。

将弹簧夹头76放在密封的环隙72内，以防止水泥，砂子等等这类的碎料包裹在夹头周围而防碍夹头有效地工作，从而使夹头得到保护。

值得注意的是，位置闩锁装置74也可以通过设置一个装在外壳上的弹簧闩锁和在滑动套筒66上加工出第一、第二凹槽的形式构成，而不是采用象已经描述过的那种与其相反的形式构成。

第一人字形密封圈式密封件68托持在上壳段58的下端82和密封壳段60的面朝上的环形台肩84之间适当的位置处。

第二人字形密封圈式密封件70托持在带有孔口的壳段62的上端86和密封壳段60的面朝下的环形台肩88之间适当的位置处。

滑动套筒66有一贯通其自身的纵向滑套内腔90和有一个带有多个滑套连通孔94的滑套壁92，这些连通孔穿透滑套壁92。

所有的外壳连通孔56和滑套连通孔94都分别具有易碎裂柱塞96和98，这些柱塞最初是将外壳连通孔56和滑套连通孔94塞住的。

易碎裂柱塞96、98最好是分别由带螺纹的空心铝或空心钢可熔镶块120、122在其内部填充以可以从美国Gypsum公司购到的称为“Cal  Seal”那样的材料构成的，正如下面会进一步描述的那样，这些填料可由液体喷射流清除掉。

最初，把易碎裂柱塞装到连通孔56和94中，这样就可防止水泥和其它的细颗粒材料进入孔口并到达滑动套筒66和外壳50之间。

在滑套66相对于外壳50处在如图2A-2D所示的第一位置时，外壳连通孔56和滑套连通孔94彼此是没有对准的，并且滑套66和外壳50之间的第三人字形密封圈式密封件100将滑套连通孔94与外壳连通孔56隔离开。

滑套66可在图2A-2D所示的第一位置和图4A-4E所示每一个外壳连通孔56和一个与其对应的滑套连通孔94对准的第二位置之间有选择地相对外壳50滑动。

对正装置102可操纵地与外壳50和滑动套筒66相联结，以便在滑套66处在它的上述第二位置时，即弹簧夹头76与凹槽80啮合的情况下，保持滑套连通孔连通孔94与外壳连通孔56对准。正对装置102包括多条象设置在外壳50内以标号104、106所表示的那种纵向导向凹槽，和多个设置在滑套66上并容纳在它们的对应的凹槽104、106内的相应的凸耳108、110。

对正装置102位于在第一、第二密封圈68、70之间构成的密封的环隙72内。

凸耳108、110最好有贯穿其内使滑套内腔90与密封的环隙72连通的残液放出孔112、114，以便在第一、第二密封圈68、70之间进行压力平衡。凸耳108、110最好采用以螺接形式与穿通滑套壁92构成的径向孔口116、118配合的圆柱销。

值得注意的是，套筒浮阀24也可以构造成这样的形式，它能使凸耳或柱销装在外壳50上，并可使其容纳于在滑动套筒66内构成的纵向凹槽内，以便能够实现外壳连通孔56和滑套连通孔96之间的对正。

与现有技术的滑套式套筒浮阀相比，套筒浮阀24的滑动套筒66的套筒行程相当短。在套筒浮阀24的一个实施例中，所需要的套筒行程仅为10.75英寸（27.3厘米）。

滑动套筒66有一个在面朝下的上台肩126和面朝上的下台肩128之间构成的内径加大的内腔124。正如下面会进一步详细说明的那样，定位工具44将与上台肩126啮合以便能向上拉动滑套66，和与下台肩128啮合以便能向下拉动滑套66。

现转到图3A-3E，图中所示出的一工具套组是由定位工具44、喷射工具46、和冲洗工具48构成的。图4A-4E在示出了这些同样的构件处在套管柱12中的套筒浮阀24内的适当位置上。

定位工具器械44一般可以描述成一种用于对钻井工具的滑动件，例如，对套筒浮阀24的滑动套筒66进行定位的定位工具器械。

定位工具器械44的主要部件包括一滞动组件130、一内部定位心轴132、和一操纵装置134。

滞动组件130包括一个在带螺纹的连接段140处与滞动块壳段138连接的凸耳壳段136。多个径向向外加载的滞动块142、144由滞动块壳段携带着。滞动组件130有一条贯穿在凸耳壳段136和滞动块壳138范围内的纵向通道146。

定位心轴132置于通过滞动组件130的纵向通道146内，它可相对该滞动组件130作纵向移动，即定位心轴132可以在纵向通道146内滑上滑下。定位心轴132上装有一个用于在套筒浮阀24或套管柱12内对定位工具44进行定心的星形导向器或定心装置133。

操纵装置134提供了这样一种装置，它可以响应定位心轴相对于滞动组件130的纵向往复运动有选择可操纵地与套筒浮阀24的滑动套筒66相啮合。

更详细地说，操纵装置134包括一个连接在滞动组件130上用于可操纵地与套筒浮阀24的滑动套筒66相啮合的啮合装置148。操纵装置134还包括一个致动装置150，它连接在定位心轴132上用于致动啮合装置148，从而使啮合装置148可操纵地与套筒浮阀24的滑动套筒66相啮合。操纵装置134还包括一个位置控制装置152，该装置可操纵地与滞动组件130和定位心轴132相联结，以便允许定位心轴132作相对于滞动组件130的纵向往复运动，以及允许定位心轴利用致动装置150有选择地致动和不致动啮合装置148。

啮合装置148包括多个绕滞动组件130的纵轴156的周向间隔开的第一啮合块154，每一个啮合块154都有一在其一个端部构成的锥形凸轮面160，每一个啮合块154还都有一个在其上构成并面朝远离具有锥形凸轮面160那一端的方向的啮合台肩162。应该理解到，啮合块154是以环状方式置放在定位心轴132周围的扇形块。一个由多个片簧164构成的第一加载装置将多个第一啮合块154与滞动装置130的凸耳壳段136的上端相连接，以便沿径向向内朝着滞动组件130的纵轴线156方向对多个第一啮合块154施加弹性偏压。

啮合装置148进一步包括多个同样位于靠近滞动块壳段138的下端的第二啮合块166。每一个第二啮合块166都有一在其一个朝着远离多个第一啮合块154方向的端部构成的锥形凸轮面168。每一个啮合块166都有一个在其上构成的并且面朝多个第一啮合块154方向的啮合台肩170。啮合装置148还包括一个由多个片簧构成的第二加载装置172，每个片簧将多个第二啮合块166中的一块与滞动块壳段138相连接，以便沿径向向内朝着滞动组件130的纵轴线156方向对多个第二啮合块166施加弹性偏压。

一般说来，啮合装置148可以说成包括有分离的第一和第二啮合装置，即分别包括多个第一、第二啮合块154、166。

致动装置150分别包括上、下环形楔块174、176。

第一环形楔块174包括一与多个第一啮合块154的锥形凸轮面160成互补关系的锥形环状楔面178。环形楔块174被装定在定位心轴132上，以便在定位心轴132从图3A-3E所示的位置相对于滞动组件130向下移动到第一纵向位置时，环形楔面178将楔压向锥形凸轮面160，并将啮合块154沿径向向外偏压。

第二环形楔块176同样地也有一与多个第二啮合块166的锥形凸轮面168成互补关系的锥形环状楔面180。

第一、第二环形楔块174、176的锥形环状楔面178、180与位于它们之间的多个第一、第二啮合块154、166彼此面对面设置。

位置控制装置152包括一条在定位心轴132上构成的J形槽182，和多个连接到滞动组件130上的凸耳184、186，这些凸耳184、186被置放在J形槽182内。一般说来，J形槽可说成是在定位心轴132和滞动组件130中的一个上构成的，而凸耳则连接在定位心轴132和滞动组件130中的另一个上。不过，或许J形槽182在滞动组件130上构成，凸耳184连接到定位心轴132上的情况较好。

J形槽182在图5的展开图中表示得比较清楚，J形槽182是一闭环槽。

重新参见图3B，凸耳184、186是装在一个可转动环箍188内，该环箍夹在凸耳壳段136和滞动块壳段138之间，而轴承190、192位于可转动环箍188的上、下端部，这样可使凸耳184、186在定位心轴132作往复运动即相对于滞动组件130作纵向移动时相对于J形槽182进行转动，以便凸耳184、186可以横过闭环J形槽182。

位置控制装置152的J形槽182和凸耳184、186将定位心轴132和滞动装置130互连在一起，并至少部分地界定一种根据定位心轴132相对于滞动组件130的纵向往复运动可以获得的定位心轴132相对于滞动组件130的纵向位置的重复模式。位置的这种重复模式在图5中表示的比较清楚，其中凸耳184的不同位置是以虚线示出的。

先看由标号184A所表示的其中一个位置，该位置与这样一个位置对应，即在这个位置处，上环形楔块174以其楔面178与多个第一啮合块154啮合，并将其向外推挤，以便使其台肩162与滑动套筒66的台肩128啮合，从而将滑套66向下拉入套筒浮阀的外壳50内以便将滑动套筒66推向图2A至图2D所示的闭合位置。这样，啮合块154可以称为闭合块。正如图5所清楚地显示的那样，在此第一位置184A处，该位置并不是通过凸耳184与凹槽182的末端部的直接啮合界定的，而是通过上楔形块174与上啮合块154的啮合界定的。

接着向上拉管柱36和定位心轴132，滞动组件130就通过滞动块142、144与套管柱12或套筒浮阀24的摩擦啮合而夹持在适当位置处，这样，J形槽182会向上移动，使得凸耳184向下横移到图5所示位置184B上。在可称为中间位置的位置184B中，凸耳184与J形槽182末端部直接啮合，并允许滞动装置130在图3B-3C所示的未啮合位置与带有两套啮合块154和166的定位心轴130一起向上移动，以便定位工具44可以被向上牵拉出套筒浮阀24而不需操纵地啮合住它的滑动套筒66。

定位心轴132相对于滞动装置130的下一个向下的行程可将凸耳推进到位置184C处，该位置是另一个中间位置，在该位置处，凸耳184可与凹槽182的另一末端部直接啮合，以便定位心轴132和滞动装置130可以通过套管柱12和套筒浮阀24一起向下移动，而既不需致动上啮合块154也不需致动下啮合块166。

在定位心轴132相对于滞动装置130的下一个向上的行程中，凸耳184移动到实际上是由下环形楔块176与上啮合块组166的啮合所界定的位置184D，以便啮合块166被向外推挤，从而使该啮合块如图4C所示那样可操纵地与套筒浮阀24的滑动套筒66的台肩126相啮合。在这一向上行程中，滑套66可向上牵拉到开启位置。这样，啮合块166可以称为开启块。

定位心轴132的下一次相对滞动装置130的下移运动可将凸耳推进到位置184E，就定位心轴132相对于滞动装置130的纵向位置而论，位置184E实际上是位置184C的重复。定位心轴132的下一次上移运动可将凸耳推进到位置184F，就定位心轴132相对于滞动装置130的纵向位置而论，位置184F实际上是位置184B的重复。

接着，定位心轴132的下一次相对滞动装置130的下移运动，可将凸耳推动返回到位置184A，在该位置处，上楔块178将与上啮合块154啮合，以便将啮合块向外推挤，从而与滑动套筒66进行啮合并使得它可在内腔124内向下移动。

定位工具44还包括一个与第一、第二致动装置174、176中的每一个可操动联接的应急解锁装置194，用于解除第一、第二啮合装置154，166与滑动套筒66的操动啮合，而不需将定位心轴132推进到象184B、184C、184E或184F那样的中间位置中的一个上，该应急解锁装置194包括分别将第一、第二致动楔块174、176连接到定位心轴132上的第一、第二剪切式锁销组196、198。例如，如果定位工具44是处在如图4A-4E所示的与凸耳位置184D对应的位置，在该位置处下啮合块166被向外推挤并处在与滑动套筒66操动啮合状态，并且如果位置控制装置152比如说因凸耳与J形槽相互卡住而失效，那么，在管柱36上足够的向上牵拉力就会剪断剪切式锁销，这样，下环形楔块176就可沿定位心轴132的外表面199下滑，以致可使该楔块176从下啮合块166处脱开，使这些啮合块可向内偏压从而脱离与滑动套筒66的啮合。

图8、图9和图10示出了象上啮合块154那样的啮合块的替换型实施例。图8是经变更的啮合块154A的侧视图。图9是经变更的啮合块154A的前视图。图10是与定位工具44的周围部分组装在一起的经变更的啮合块154A的剖视图。

在图8和图9中，可以看到啮合块154A包括一个例T形的下端部分，它有一立杆155和一横杆157。一保险止动凸缘159从横杆157的后边缘向下伸出。

例T形部分155、157置于凸耳壳段136上构成的例T形槽161内，图9中的虚线部分对此表示得很清楚。

在图10中可以清楚地看出，凸耳壳段136上有一正好位于以标号161所示槽的下方的内侧凹进部分163，它尺寸大应可使其在啮合块154A的径向最外位置处紧靠止动凸缘159。

止动凸缘159和凸耳壳段136的相关结构配合在一起形成一保险止动装置，用以在片簧164断裂的情况下，保持啮合块154A和滞动组件130的凸耳壳段136之间的连接。这样，如果片簧164断裂，啮合块154A就不会从带有滞动组件130的其余部分的组件上脱落。相反，由于在T形槽161中的T形部分155、157与止动凸缘159一起所超的联锁效应，啮合块154A仍将保持在原来的位置处。

由于止动凸缘159的关系，啮合块154A必须通过将啮合块154A从凸耳壳段136的内侧滑入T形槽161中的方式与凸耳壳段136组装在一起。

喷射工具46一般可以描述成一种用于对象置于钻井10内的套筒浮阀24那样的钻井工具进行液体喷射的器械。

喷射工具46的构造与定位工具44的构造密切相关。当定位工具44啮合住套筒浮阀24的滑动套筒66并将它推进倒开启位置时，定位工具44和喷射工具46的构造尺寸应可使喷射工具46得到适当的对正，以便对在套筒浮阀中寻到的易碎裂柱塞进行液体喷射。

喷射工具46一般可以描述成一种喷射装置46，它以由一个旋转节201构成的旋转连接机构连接到定位工具44上，以便喷射装置46可相对于定位工具44和套筒浮阀24转动。这样，当喷射工具46相对于定位工具44和套筒浮阀24转动时，喷射工具46就可以用液体喷射方式将易碎裂柱塞从套筒浮阀24上喷挤掉。

喷射工具46包括一个喷射段头200，它有一在其内构成的流室202，流室上下分别有开口的上端204和开口的下端206。段头200有一周边壁208，该壁带有多个穿通壁而与流室202连通的喷射孔210。每一个喷射孔210都是在设置在喷射段头200的圆柱形外表面216的凹陷部分214内的螺纹嵌销212上构成的。

在流室202的下端设置有一个止回阀装置218，以便让向上的液流自由地流过流室202并且防止向下的液流从流室202的下端206流出，从而可使流经流室202的向下的液流通过喷射孔210转向。

止回阀装置218包括一个在流室202的下开口端206处构成的阀座220和一个尺寸大小可正好密封地啮合阀座220的球阀件222。该球阀件可不受限制地向上进入流室202内。

喷射段头200还包括一个位于段头200上开口端204中的球护圈224，以防止球阀件222被上升的液流冲出流室202。

该止回阀可使管柱36在进入钻井10时充满液流，以及可使液流通过冲洗工具48进行反向循环。此外，球阀件22是自定心的，以便于其在喷射工具46处在如钻井10的偏斜部分22中那样的水平位置时能比较容易处在阀座上。

位于喷射工具46下方的冲洗工具48正象下面将进一步描述的那样，也是与喷射工具46可操动地相联接。冲洗工具48一般可以描述成一种位于定位工具44和喷射工具46的下方，在反向回流流下钻井环隙38和上升通过冲洗工具48和喷射工具46时用来冲洗套管柱12内腔的冲洗装置。

旋转节201在图3A中表示得最清楚，它可以描述成一种用于提供前面已提到的在定位工具44和喷射工具46之间的转动连接机构和用于连接定位工具44和喷射工具46以使两者能相对于钻井10共同作纵向移动的回转装置201。

喷射工具46还包括一个通过连接管226固定装在喷射段头200上的可转动喷射心轴224。连接管226在螺纹段228处螺接到喷射心轴224上，定位螺钉230保持固定的连接。连接管226在螺纹连接段232处固定连接到喷射段头200上，并由定位螺钉234保持连接。一个“O”形密封圈236设置在喷射心轴224和连接管226之间，而在连接管226和喷射段头200之间则设置有一个“O”形密封圈238。

这样，喷射心轴224就由连接管226固定装在喷射段头200上，从而使喷射心轴224和喷射段头200可相对定位工具44一起转动。

喷射心轴224有一贯通于其内并与喷射段头200的流室202连通的喷射心轴内腔240。

喷射心轴224是同心地并可转动地穿容于定位工具44的定位心轴132的内腔242内。

喷射心轴224向上通过整个定位心轴44伸到旋转节201处。

旋转节201包括一旋转节壳体244，它在螺纹连接段246处连接到定位心轴132的上端上，这是用定位螺钉148保持连接的。一个“O”形密封圈250设置在旋转节壳体224和定位心轴132之间。旋转节壳体244是由在螺纹连接段256处相连接的一个壳段252和一个上壳段254构成的。

上、下壳段252、254构成旋转节壳体244的内环形凹槽258。

喷射心轴224包括一个以螺纹262连接到下喷射心轴部分上的上喷射心轴延伸段260。上喷射心轴延伸段有一个在其上构成并容纳在旋转节壳体244的环形凹槽内的环形台肩264。

上、下止推轴承266、268分别置于环形凹槽258内环形台肩264的上方和下方。上止推轴承266有一固定在旋转节壳体244上的外座圈270和一固定在喷射心轴延伸段260上的内座圈272。下止推轴承268包括一固定在旋转节壳体244上的外座圈274和一固定在喷射心轴224上的内座圈276。

喷射心轴延伸段260的上端部分278穿过上旋转节壳段254的上端伸出，在它们之间设置有一个“O”形密封圈280。

上联轴套管282以螺纹284连接到喷射心轴延伸段260的上端部分278上，在它们之间设置有一个“O”形密封圈286。上联轴套管282包括与图1所示管柱36连接的螺纹288，从而可使管柱36与喷射心轴224的内腔240液体连通。

如上所述，易碎裂柱塞96、98最好设计成有一个带外螺纹并填充以易碎裂材料的空心镶环120或122，这些材料最好是可从美国石膏公司（U.S.Gypsum  Company）购到的“Cal  Seal”牌号的材料。“Cal  Seal”是一种钙硫酸盐水泥，它具有2500磅/平方英寸（17.2MPa）左右的承压强度，即屈服强度。这种材料在受到压力为4000磅/平方英寸（27.6MPA）或更高些的洁净的水液喷射时很易碎裂，而这种高压水是可以很容易地由传统的管柱供给的。对由Cal  Seal材料构造的柱塞进行液体喷射最好是在约4000磅/平方英寸到约5000磅/平方英寸（27.6至34.5MPa）的液体压力范围内进行。

标准的传统管柱36可以输送高在12000磅/平方英寸（82.7MPa）的液压力。这样，为了能采用带有本发明各工具的传统管柱，易碎裂柱塞最好是由这样的材料构成的，这种材料要具有足够低的承压强度，以使它在受到小于12000磅/平方英寸（82.7MPa）左右的液体喷射时很容易发生碎裂。这样，为了使这种材料可以由本发明的各工具进行碎裂，只需采用具有传统管柱强度的管柱，而不需要使用任何磨料或酸性物或其它易挥发的材料。

应该理解到，最好用来将柱塞从连通孔中喷出的洁净的液流仅仅是相对意义的“洁净”。它只是意味着水中不含有大量的用以清除柱塞的磨料，也不需含有酸性物之类的物质。这样，较佳的柱塞材料由这样一种材料构成，这种材料所具有的承压强度使得它在受到压力小于12000磅/平方英寸左右的水液喷射时很容易碎裂，当然，用含有磨料或象酸性物那样的物质的液体进行喷射也可以令这样的柱塞碎裂。

大多数材料在受到净水液体喷射时都呈现出一个“阈压力”，该阈压力是指用液体喷射很容易就能使材料碎裂或很容易切除材料所需要的液压力。在压力低于该阈值时材料碎裂得很少，而在压力明显高于该阈值时材料将迅速碎裂。但压力进一步升高到大大超过此阈值并没有明显的好处。

给定材料的“阈压力”的值的大小在某种程度上取决于材料的性质。不过，在任何情况下，阈值压力总是要大于材料的承压强度。

例如，象“Cal  Seal”那样的一种钙硫酸盐水泥具有2500磅/平方英寸（17.2MPa）大小的承压强度，该种材料会在液压力约为4000磅/平方英寸（27.6MPa）的水液喷射下迅速碎裂。在这样的压力作用下，一个“Cal  Seal”柱塞的碎裂只不过是几分钟的事情。

从传统管柱一般能够承受的最大压力，即不大于12000磅/平方英寸（82.7MPa）的液压力来看，易碎裂的柱塞应该使用承压强度小于约5000磅/平方英寸（34.5MPa）的材料。这种材料一般可以由液压力为12000磅/平方英寸（82.7MPa）或再小一些的射流冲切掉。如果使用水泥型材料，这些材料的承压强度一般小于约3500磅/平方英寸。

除了“Cal  Seal”牌号的钙硫酸盐水泥外，在某些情况下，对于易碎裂柱塞的构造而言，据信还有许多材料也是适合的以共使用的待选料。经适当配方的普通水泥的承压强度为1000-3500磅/平方英寸（6.9至24.1MPa），其具体的强度值取决于它的配方、时效等因素，这种水泥可以在某些场合下使用。另外，由还可以采用某些塑料。同样，在环氧树脂载体中复合有象铁粉或其它的金属料末之类成分的复合材料也是可供选择的材料。

冲洗工具48一般可以描这成一种在管柱36上滑动用以清洗套管内腔13的器械，冲洗工具48包括一个在其上端带有螺纹292的冲洗工具壳体290，该螺纹一般可以描述成一种利用位于壳体290和管柱36之间的其它工具将壳体连接到管柱上的连接装置292。

冲洗工具48包括一个连接到壳体290上用来在壳体290和套管内腔13之间形成密封的上压紧装置294。

图4E中所示的上压紧装置294位于套管柱12内适当位置上。从图中可以看出，上压紧装置294在上压紧装置294的上方界定了钻井环隙38的上部38A。

冲洗工具48还包括一个下压紧装置296，它在上压紧装置294下方连接到壳体290上用来在壳体290和套管内腔13之间形成密封并在上、下压紧装置294、296之间界定钻井环隙38的中部38B，在下压紧装置296的下方界定钻井环隙38的下部38C。

壳体290有一在其内构成的上液流旁通装置298，它用来连通钻井环隙的上部38A和中部38B。以便向下泵入钻井环隙38内的液流绕过上压紧装置294导入钻井环隙38的中部38B，从而在钻井环隙的中部38B内冲洗套管内腔13。

壳体290还有一在其内构成的下液流旁通装置300，它用来连通钻井环隙38的中部38B和下部38C，以使从钻井环隙中部38B旁流来的液流绕过下压紧装置296导入钻井环隙的下部38C，从而冲洗在下压紧装置296下方的套管内腔13。

壳体290还有一贯穿其内带有一下开口端304的纵向壳体内腔302，以便使钻井环隙的下部38C内的液流可以通过冲洗工具壳体内腔302和管柱36回升，从而将水泥颗粒之类的残余物带到套管内腔13外面。

上压紧装置294是一个面向上的压紧杯体294，下压紧装置296是一个面向下的压紧杯体296。

冲洗工具壳体290包括一内心轴壳段306，它有一个贯通其内的纵向内腔302。

壳体290还包括一个压紧心轴组件308，它同心地放置在内心轴壳段306的周围，并在它与内心轴壳段306之间构成一工具环隙310。在内心轴壳段306和压紧心轴组件308之间设置了一个密封装置312，用来将工具环隙310分成上工具环隙部分314和下工具环隙部分316两部分，它们分别是上、下旁通装置298、300的一部分。

压紧心轴组件308包括一上压紧心轴318，一中间压紧心轴320和一下压紧心轴322。

内心轴壳段306包括一个靠近其下端且面朝上的环形支承台肩324，下压紧心轴322支承在该下端处。上压紧心轴318则容纳在冲洗工具壳体290的上螺纹接套328的凹陷环形槽326内。

螺纹接套328和内心轴壳段306在330处螺接在一起，压紧心轴组件308和上、下压紧杯体294、296紧紧夹在螺纹接套328和内心轴壳段306之间适当的位置上。

上压紧杯体294有一锚环部分332，它设置在上压紧心轴318的直径缩小的外表面334附近并夹在上压紧心轴318和中间压紧心轴320之间。

下压紧杯体296有一锚环部分336，它设置在下压紧心轴322的直径缩小的外表面338附近并夹在中间压紧心轴320和下压紧心轴322之间。

一个“O”形密封圈340设置在上压紧心轴318和中间压紧心轴320之间，而在中间压紧心轴320和下压紧心轴322之间则设有一个“O”形密封圈342。

壳体290的上液流旁通装置298包括多个穿过上压紧心轴的输送孔344，以便使上钻井环隙部分38A与上工具环隙部分314连通。上液流旁通装置298还包括多个也可称为上冲洗孔346的射流孔346，它们穿通中间压紧心轴320以便使上工具环隙部分314与钻井环隙的中部38B连通，向下倾斜的射流孔346以锐角348指向内心轴壳段306的纵轴线156。

下液流旁通装置300包括多个回流孔350，它们在射流孔346的下方穿通中间压紧心轴320以便使中间钻井环隙38B与下工具环隙部分316连通。下液流旁通装置300还包括多个下冲洗孔352，它们穿通下压紧心轴322以便使下工具环隙部分316与钻井环隙的下部38C连通。

射流孔346提供了一种用来朝钻井环隙的中部38B内的套管内腔13喷射液流的装置。射流孔以锐角348指向下方以便对着回流孔350向下冲洗从中间钻井环隙部分38B内的套管内腔13中冲洗出的残余物。

冲洗工具壳体290的内心轴壳段306包括多个在其下端构成的齿354，以便在壳体290转动时，齿354将粉碎套管内腔13内的残余物，例如残余的水泥。

冲洗工具48是按以下方式使用的。当冲洗工具通过套管柱12下降时，它借助管柱36的转动而转动，与此同时，液流向下磁入钻井环隙38内。

转动齿354将在套管内腔的一部分内的残余物打松。通过套筒环隙38向下回流的钻井液流分别通过穿通装置298、300绕过上、下压紧杯体294、296，并流出下冲洗孔352，以便冲洗掉内转动齿354产生的粹屑并利用回升的钻井液流使那种粹屑通过纵向壳体内腔302和管柱36反向循环。

在最初由齿354接触的内腔的那部分由下冲洗孔352冲洗后，下压紧杯体296在冲洗工具48通过套管柱12下移时会触擦套管内腔13的那部分。

套管内腔13已由压紧杯体296触擦过的那部分接着由射流孔即上冲洗孔346的液流进行喷洗。

刚刚描述的这种方法是一种连续的方法，其中在残余物正被打松和正从套管内腔的一部分向钻井上方反向循环时，套管内腔的另一部分正被抹擦，而且套管内腔还有另一部分正被喷洗。这些步骤在套管内腔的不同部分是同时进行的，而且是按上面所提到的套管内腔各个对应部分的顺序进行的。

此外，值得注意的是：在流出射流孔346时喷洗套管内腔的一部分的钻井液流有时接着用来使残余物反向循环从套管内腔上靠近下冲洗孔352的下端部分流出。

在高度偏斜的钻井井腔部分22中的套筒浮阀24与图3A-3E所示的工具套组的一起使用提供了一种用于高度偏斜的钻井的完井系统，该系统可以通过消除打孔操作和通过使用压紧器和空心柱塞来消除设立区域隔离的需要，大大降低完井成本。一般说来，该系统可大大减小钻井完进过程中的钻井时间。

采用这种系统的钻井10的完井方法，开始是用标号16所示的水泥对放入井眼14内的开采套管柱12进行固定。特别是，钻井在有价值区域的壁面涂上水泥，以标号24、26和28所示的套筒浮阀在将套管柱12导入钻井中之前放置在这些区域处。采用这种系统，如标号24所示的套筒浮阀即可设置在钻井10中靠近象地下岩层30、32和34那样的某些有价值地下岩层的每一部位以进行引喷作业。这些有开采价值的部位是根据钻井测量记录和其它贮存的分析数据事先确定的。采用在水平井眼应用场合进行固井的可行的作法是将带有适当数量的如标号24所示套筒浮阀的套管柱或衬套柱12在井眼14内对中并粘固在井眼14内的适当位置上。

在固井后，应该用一个钻井和稳定固定器尽可能多地铲掉和清除积存在水平段22的套管柱12底部的残余水泥屑，所采用钻头的尺寸大小应该是可以使钻头安全穿过套管柱12的最大直径。在通过钻除残余水泥的方式清理过钻井的全深后，如果在固井过程中置换最后的水泥柱塞时套管柱12内的液流还未更换，那么就应该将这些液体全换成适合于完井的过滤过的洁净完井液体。

下入钻井内的下一串装置是图3A-3E中的工具串，它如图1所示意的那样包括定位工具44、喷射工具46和冲洗工具48。在图1中，所示出的这一工具组件正开始下入钻井10的垂直部分18内。该工具组件将通过钻井10的转弯部分20进入到钻井10的水平部分22。工具组件首先应该滑行至正好在最下的套筒浮阀28的下方。

然后，开始用过滤过的洁净完井液体进行液体喷射。液体喷射是用喷射工具46通过将液体向下泵入管柱36使液体从喷射孔210中喷出，以便让高压液体射流冲刷套管内腔13的方式实现的。在喷射工具46通过套筒浮阀28上移的同时，管柱36将作转动，以便从套筒浮阀28内径的所有凹槽处清除所有残留的水泥。当套筒浮阀28位于倾斜的钻井部分时，这一占是特别重要的，因为沿套筒浮阀28下内侧表面会积有大量的水泥。这些水泥必须清除掉以确保定位工具44与滑套66的良好啮合。在此喷射作用过程中，定位工具44应该移到象由凸耳位置104B和104F所代表的它的中间位间中的一个位置处，以便定位工具44可以穿过套筒浮阀28上移，而不与套筒浮阀28的滑动套筒66接触。

值得注意的是，当“向上”和“向下”用于表示钻井内的运动方向时，这两个词分别用来指沿钻井轴线的出井或下井运动，在许多情况下，这并不是真正指沿垂直方向运动，实际上，可以指在钻井的水平方位部分内的水平运动。

在对套筒浮阀28的内腔进行液体喷射后，定位工具44可穿过套筒浮阀28回降，并移动到由凸耳位置184D所表示的位置。将定位工具向上拉起，以便使下楔块176与下啮合块166相啮合，从而将它们沿径向向外推挤，这样它们面向上的台肩170就与滑动套筒66的台肩126相啮合。向上拉动管柱36，以便对套筒浮阀28的滑动套筒66施加10000磅（44000牛顿）左右的向上的作用力。最初与阀壳50的第一凹槽78啮合的内夹头76由于10000磅（44000牛顿）的向上的位力作用而压挤第一凹槽78从而滑离该凹槽。当内夹头76压挤第一凹槽78并滑离该凹槽的时候，地面上会注意到向上的作用力减小了，从而预示着开启程序的开始。滑动套筒66继续受到抽拉从而移动到其满行程位置，这一情况会在滑动套筒66的顶部如图4B所示那样抵压到上装配段65的底端部63时由地面上的重量指示器示出重量突然增加而得到证实。在此刻，夹头76就啮合住第二闩锁凹槽80。

这时，管柱上向上的位力会减小，以便在开启块166上保持有约5000至8000磅（2200至3500牛顿）向上的作用力。在保持那一向上的拉力，从而使开启块166与滑动套筒66的台肩126保持操动接触的同时，作业柱36的转动开始保持尽可能达到的最低转速。当管柱36转动时，由喷射心轴224连接到管柱36上的喷射工具46也作转动。在慢慢地转动作业柱36和喷射工具46的同时，高压液体被泵入管柱36内并流出喷射孔210外面。

当滑动套筒66如刚刚所述的那样向上滑移到其开启位置时，每一个滑套连通孔94都如图4D所示的那样处在与外壳连通孔56中与其对应的那一个孔对准的位置。同样，喷射工具46的多个喷射孔210会与多个纵向间隔开的用于布置套孔56和壳孔94的平面354、356、358和360相对正（参见图4D）。图4D所示的平面354至360是垂直于画有图4D的纸面的直立平面。

在保持喷射孔210与平面354-360对正的同时转动喷射工具46，以便最初位于外壳连通孔56和滑套通孔94内的易碎裂柱塞96、98能反复受到从喷射孔210喷出的高速液流的冲击，从而令柱塞碎裂。

在为清除连通孔易碎裂材料而对柱塞进行足够长时间的液体喷射后，如果需要而且可行的话则可以根据预知的岩层破碎压力和防喷装置40及套管柱12的压力限定值，关闭防喷装置40（见图1）和对钻井10进行增压以便将液体泵入靠近套筒浮阀28的岩层34内，从而确认柱塞的清除。

一旦完成对柱塞的喷射和完成压力试验，可以将定位工具44移到由凸耳位置184A所示的位置，其中定位心轴132相对于滞动组件130下滑到上楔块174啮合住闭合块154为止。当定位工具44穿过套筒浮阀28下移时，闭合块54会被向外推挤，它们面朝下的台肩162将与滑动套筒66的台肩128相啮合。然后在滑动套筒66上施加约1000磅（4400牛顿）的向下作用力，以使夹头76产生纵弯曲，从而与上凹槽80脱离啮合。滑套66接着将下滑直至夹头76与下凹槽78相啮合，而浮阀除了其柱塞现已被冲碎并且已从套孔94和壳孔56中清除之外，再一次处在图2A-2E所示的位置。

如果需要的话，可以再次关闭防喷装置40并可对套管作压力试验以确认套筒浮阀28实际处在关闭状态。

然后，使工具套组上移至如套筒浮阀26处的倒数第二个套筒浮阀外，重复上述程序。在套筒浮阀26以刚刚所述的这种方式处理过后，工具套组再次上移到再下一个套筒浮阀处，直到所有的套筒浮阀为清除残余的水泥都已进行液体喷射，并且接着都已打开且将柱塞从其上喷射掉，然后将这些浮阀再关闭为止。

一旦所有的套筒浮阀都已经喷射清除和再关闭，就应该将作业柱提升到衬管的顶部，或者拉到套管柱12的倾斜部分22的顶部，并对其进行回洗。回洗是利用反向回流，使其通过冲洗工具48的旁流道298、300进入钻井环隙38，然后回到冲洗工具48的内腔302内，接着再通过管柱36上升来实现的。在准备初次引喷作业中，在使工具套组通过钻井下移的同时，套管柱受到向下方向的回洗，直到套管柱为将所有的从液体喷射作业中留下的残余物清除掉而回洗到它的总深度处为止。一旦回洗完成，就得作业柱从钻井中抽出以便为引喷作业，即破碎作业，而换成所需要的工具组件。

图6示出了一种引喷工具套组，在该情况下，它是一种位于钻井10内适当位置处的破碎用工具套组。用于破碎作业的作业套组包括装在定位工具44底部上的冲洗工具48，定位工具44位于压紧装置362的下方，所有的工具都悬吊于管柱36上。如安全阀之类的其它附属设备也可以设置在该作业套组中。

图6所示的作业套组滑去套管柱12的底部，最下面一个套筒浮阀28将与定位工具44相啮合以便将套筒浮阀28的滑动套筒66移至开启位置，其中它的滑套连通孔94是与其外壳连通孔56对准的。孔中已喷射掉了柱塞，因此，当滑套66移动到开启位置时，套管柱12的内部就通过开口孔94和56与周围的岩层34连通。

然后，定位工具44从滑动套筒66上脱开，作业套组上升到在套筒浮阀28上方需要开采的井段处，在该部位设置压紧装置362。接着，区域34按要求进行引喷。利用破碎套柱，将破碎用的液体通过套筒浮阀28的孔口泵入周围的岩层以形成裂缝364。可以理解，许多其它类型的引喷作业也可以通过套筒浮阀28在岩层34上施行，例如酸化处理之类的作业等。

在引喷作业后，可以对区域34进行清理并可进行作为通过管柱36所要求的开采支承部位试验。在试验之后，为保持对钻井的控制而放弃区域34，并松开压紧装置362。然后，通过冲洗工具48再次对套管内腔12的内部和套筒浮阀28的内部进行回洗，以便将粉碎的砂粒和岩层碎屑从套管内腔12的内部和从套筒浮阀28的内部清除掉。接着，套筒浮阀28再次与定位工具44啮合，而该套筒浮阀28的滑动套筒66则移动到闭合位置。

之后，作业套组上移到倒数第二个套筒浮阀26，重复作业过程：使岩层破碎，接着回洗套筒浮阀26，然后重新关闭套筒浮阀26。接着，作业套组上移到下一个套筒浮阀24，再一次重复这一作业过程。

在完成了所有的地下岩层30、32和34的引喷之后，如果需要的话，在滑入开采压紧装置或者准备使用开采套连接器的准备中，可以有选择地重新打开套筒浮阀24、26和28，然后从钻井中抽出图6所示的破碎套组。

图7示意性的示出了仅仅是钻井10下部区域34的选择性完井方法，在移走图6所示作业套组前，最下面的套筒浮阀28的滑动套筒66已移至开启位置。然后，在图6所示作业套组移走之后，将一个开采管柱366和一个开采压紧装置368滑入并置于套筒浮阀28的上方。接着，从地下岩层34处开采的井液通过套筒浮阀28和通过开采管柱366向上回流。

由此可见，本发明很容易获得上述目的和优点以及本发明所固有的优点。由于为了充分公开已对本发明的若干优选实施例作了图解和描述，所以熟悉本技术的人员可以做出许多种变化。

Claims (9)

1、一种用于钻井工具的定位器械，该器械包括：一个具有一上端和一下端以及具有一条贯穿其内的纵向通道(146)的滞动组件(130)；一种由所述滞动组件的所述上端携持着的径向向内偏压的上啮合块(154)；一种由所述滞动组件的所述下端携持着的径向向内偏压的下啮合块(166)；一根可滑动地穿容在所述滞动组件的所述纵向通道内的内心轴(132)；一个在所述上啮合块上方连接到所述内心轴上的上楔块(174)；一个在所述下啮合块下方连接到所述内心轴上的下楔块(176)；和一个J形槽(182)和凸耳装置(184、186)，该J形槽和凸耳装置将所述内部心轴与所述滞动组件互连在一起以便有选择地允许所述心轴在所述上楔块沿径向向外推挤所述上啮合块的第一位置和所述下楔块沿径向向外推挤所述下啮合块的第二位置之间作相对于所述滞动组件的运动。

2、如权利要求1所述的器械，其特征在于：所述J形槽（182）和凸耳装置（184、186）可有选择地允许所述心轴（132）相对于所述滞动组件（130）移动到第三、第四位置，在所述位置中，所述心轴和所述滞动组件沿纵向一起上下移动，在两者之间不存在相对的纵向运动并且所述两组啮合块（154、166）中的任一组均未与所述楔块（174、176）相啮合。

3、如权利要求1或2所述的器械，其特征在于：所述J形槽（182）和凸耳装置（184、186）部分地界定一种根据所述内心轴（132）相对于所述滞动组件（130）的纵向往复运动可以获得的所述内心轴相对于所述滞动组件的纵向位置的重复模式。

4、如权利要求3所述的器械，其特征在于，所述重复模式包括：所述第一、第二、第三和第四位置，所述位置的变化顺序为第一位置、第三位置、第四位置、第二位置、第四位置和第三位置。

5、如权利要求4所述的器械，其特征在于，所述重复模式只包括：所述第一、第三、第四、第二、第四和第三位置。

6、如权利要求1至5中任一项所述的器械，其特征在于：所述滞动组件（130）和所述内心轴（132）中的一个包括一个其上具有所述J形槽（182）和所述凸耳装置（184、186）之中相应的一个的转动环箍（188），以便在所述滞动组件和所述内心轴之间有相对的纵向运动时允许在所述J形槽和所述凸耳之间有相对转动。

7、如权利要求1至6中任一项所述的器械，其特征在于：该器械进一步包括与所述上楔块（174）、下楔块（176）中的每一块可操动联接的应急解锁装置（194），用于解除所述上、下楔块与所述内心轴（132）的刚性连接。

8、如权利要求7所述的器械，其特征在于：所述应急解锁装置（194）包括分别将所述上楔块（174）、下楔块（176）连接到所述内心轴（132）上的上剪切销（196）和下剪切销（198）上。

9、如权利要求1至8中任一项所述的器械，其特征在于：所述内心轴（132）包括用于对所述井腔内的所述器械进行定心的定心装置（133）。

Images