CN107429551A - 井下冲程工具 - Google Patents

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Abstract

一种井下冲程工具(1)，其包括壳体(2)；第一腔室(3)；包括向所述腔室提供加压流体的泵单元(5)的第一工具部件(4)；贯穿该腔室的轴杆(6)；以及将该第一腔室分隔成第一腔室区段(8、8a)和第二腔室区段(9、9b)的第一活塞(7)。该活塞连接至壳体或形成为壳体的一部分并能相对于该轴杆滑动从而该壳体能相对于该轴杆移动，该壳体形成为第二工具部件(10)的一部分，该轴杆在所述第一腔室区段或所述第二腔室区段的加压期间相对于该泵单元静止，从而在该活塞上产生压力，其中，该轴杆与该第一工具部件固定连接，并且其中，该壳体能相对于该第一工具部件滑动并与该第一工具部件重叠。

Description

井下冲程工具
技术领域
本发明涉及一种用于提供沿轴向方向的轴向力的井下冲程工具，其包括壳体、第一腔室、包括向腔室提供加压流体的泵单元的第一工具部件、贯穿该腔室的轴杆、以及将该第一腔室分隔成第一腔室区段和第二腔室区段的第一活塞。此外，本发明涉及一种井下系统，该井下系统包括所述井下冲程工具和用于推进该系统在井中前进的驱动单元如井下牵引器，并且涉及井下冲程工具的用于拉动井中的塞子的用途。
背景技术
当在井中操作时，有时需要高轴向力来例如拉动塞子如桥塞。然而，目前已知工具未设计为产生足够大的力量来拉动某些塞子或因沉淀在塞子上的水垢而陷入井中的旧塞子。
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中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种改进的工具，该工具能提供比已知工具更高的轴向力以能够拉动所有类型的塞子。
从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过一种用于提供沿轴向方向的轴向力的井下冲程工具来实现，该井下冲程工具包括：
-壳体；
-第一腔室；
-包括向所述腔室提供加压流体的泵单元的第一工具部件；
-贯穿该腔室的轴杆；以及
-将该第一腔室分隔成第一腔室区段和第二腔室区段的第一活塞，
其中，该活塞连接至壳体或形成为壳体的一部分并能相对于该轴杆滑动从而使该壳体能相对于轴杆移动，该壳体形成为第二工具部件的一部分，该轴杆在所述第一腔室区段或所述第二腔室区段的加压期间相对于该泵单元静止，从而在活塞上产生压力，其中，该轴杆与该第一工具部件固定连接，并且其中，该壳体能相对于该第一工具部件滑动并与第一工具部件重叠。
通过使轴杆固定并使壳体与活塞滑动，通过井下冲程工具产生的力主要通过壳体传递而非如现有技术工具中那样地通过轴杆传递至例如塞子。通过使壳体相对于固定的轴杆和固定的第一工具部件移位，获得了井下冲程工具的更高的抗弯刚度。壳体沿其冲程通过活塞支承，借此井下冲程工具能够相比于现有技术工具在基本上无弯曲的情况下传递更高的轴向力。
在一个实施例中，该第一腔室区段和该第二腔室区段可流体连接至该泵单元。
以这种方式，来自泵单元的流体可进入第一腔室区段以使壳体移动远离该泵单元。
在另一实施例中，该工具还可包括压力增强器，该压力增强器布置在该泵单元的下游用以在流体被进给至该腔室之前增大该流体的压力。
通过具有压力增强器，该井下冲程工具能够产生比泵单元更高的流体压力，并因此，该井下冲程工具能提供比不带压力增强器的情况下更高的轴向力。由于井下的限制，泵单元的尺寸也受到限制。
该轴杆可具有用于允许导电机构延伸穿过该轴杆的通孔。
此外，通过使轴杆固定并使壳体与活塞滑动，轴杆在行程期间不传递任何力并且因此能具有用于流体通道和用于电气布线的多个通孔。
该井下冲程工具还可包括构造成与操作工具连接的连接器。
此外，该壳体可包括第一端部部分，该第一端部部分与该第一工具部件重叠。
据此，该壳体在往返移动期间是稳定的。
通过使该壳体与该第一工具部件重叠，获得了井下冲程工具的甚至更高的抗弯刚度，因为该壳体在行程期间还由该第一工具部件支承。
此外，该壳体可包括连接至该连接器的第二端部部分。
此外，该井下冲程工具还可包括与该壳体连接的操作工具。
此外，该操作工具可以是打捞颈、扳手工具或作放工具。
进一步地，该操作工具可被供电/可以是电力驱动的。
在一个实施例中，该壳体可具有与第一工具部件的外径基本一致的内径。
此外，该壳体可具有内径，该内径与第一工具部件的沿与壳体重叠的第一工具部件的外径基本一致。
此外，该轴杆和/或该壳体可包括一个或多个流体通道，所述一个或多个流体通道用于在该第一腔室区段或该第二腔室区段的加压期间向和/或从该腔室提供流体，借此在该活塞上产生压力。
在一个实施例中，该第一工具部件可具有用于提供与该壳体间的密封的至少一个密封元件。
此外，该工具可包括阀组，该阀组用于控制向哪个腔室区段进给加压流体并且因此控制该井下冲程工具是提供上冲程运动还是下冲程运动。
此外，该壳体可传递轴向力。
该井下冲程工具还可包括被第二活塞分割的第二腔室。
此外，该第二腔室可包括第一腔室区段和第二腔室区段。
此外，该第一腔室和该第二腔室可包含在该壳体中。
此外，该轴杆可包括中间部件，该中间部件将该第一腔室与该第二腔室分离或分隔。
该中间部件可支承该壳体，从而允许该壳体相对于该中间部件滑动。
在一个实施例中，该工具可由工具中的电池供电并且因此是无线的。
此外，该泵单元可通过从地面经过管、连续油管或套管的高压流体供电。
该井下冲程工具还可包括锚固区段，该锚固区段具有用于将该井下冲程工具固定/安装在井中的可突伸的固定单元。
在一个实施例中，该锚固区段可连接至该第一工具部件并且被构造成将该第一工具部件锚固在井中。
本发明还涉及一种井下系统，该井下系统包括上述井下冲程工具和用于推进该系统在井中前进的驱动单元如井下牵引器。
此外，本发明涉及一种井下系统，该井下系统包括上述井下冲程工具和包括环状屏障的金属井管结构，该环状屏障用于将环绕该金属井管结构的环空中的第一区域和第二区域隔离。
此外，该环状屏障可包括管状金属部件和可膨胀金属套筒，该管状金属部件安装为金属井管结构的一部分，该可膨胀金属套筒与该管状金属部件连接从而限定出可膨胀的空间。该环状屏障可包括在管状金属部件中的膨胀开口，加压流体经由该膨胀开口进入以膨胀该可膨胀金属套筒。
此外，该井下冲程工具可包括膨胀区段，该膨胀区段具有布置在该膨胀开口的各侧上用于隔离出对着该膨胀开口的膨胀区域的周向密封元件。
在一个实施例中，工具端部元件可与该膨胀区段连接，该工具端部元件包括在该第二腔室区段与对着膨胀区域的膨胀区段中的开口之间提供流体连通的流体通道。这是为了向可膨胀的空间中提供加压流体并膨胀该环状屏障。
此外，该井下冲程工具的轴杆的流体通道可与膨胀区段的密封元件流体连接以借助来自泵单元的加压流体来膨胀所述密封元件。
在另一实施例中，该井下冲程工具的第二工具部件、壳体和活塞与该膨胀区段的区段轴杆的第一端连接，并且该区段轴杆的第二端可连接至在区段壳体中滑动的活塞，该活塞将该区段壳体分隔成第一腔室区段和第二腔室区段，该第一腔室区段与该膨胀区段中的开口流体连通以向环状屏障中提供加压流体。
此外，该膨胀区段的开口可设置有单向阀或止回阀。
此外，该第一区段腔室可借助第二流体通道与金属井管结构的内部的一部分流体连接，金属井管结构的内部的该部分并不形成被隔离的区域的部分。
此外，该第二流体通道可设置有单向阀或止回阀，用于从金属井管结构摄入流体。
最后，本发明涉及上述井下冲程工具的用于拉动井中的塞子的用途。
附图说明
下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：
图1示出了在井内套管中的井下冲程工具；
图2示出了井下冲程工具的局部剖视图，其中，该工具处于准备提供下冲程位置的完全上冲程位置；
图3示出了图2的井下冲程工具的局部剖视图，其中，该工具正执行下冲程运动；
图4示出了具有压力增强器的另一井下冲程工具的局部剖视图；
图5示出了该井下冲程工具的局部剖视图，该井下冲程工具具有通孔，该通孔用于为操作工具提供电力；
图6示出了具有两个腔室的井下冲程工具的局部剖视图；
图7示出了具有井下冲程工具、锚固区段和驱动单元的井下系统；
图8示出了井下系统的局部剖视图；以及
图9示出了另一井下系统的局部剖视图。
所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。
具体实施方式
图1示出一种井下冲程工具1，该井下冲程工具提供例如用以拉动塞子41和套管45的、沿该工具的轴向方向的轴向力，该工具的轴向方向也是井的轴向方向。井下冲程工具1包括壳体2、在该工具内部的第一腔室、和第一工具部件4，该第一工具部件包括用于向该腔室提供加压流体的泵单元5。井下冲程工具1还包括电动马达42和用于控制该工具的功能的电子区段43。工具1是通过电缆44供电的。
在图2中，井下冲程工具1包括贯穿腔室3的轴杆6和将该腔室分隔为第一腔室区段8和第二腔室区段9的第一活塞7。活塞7形成为壳体2的一部分，该壳体形成为第二工具部件10的一部分。第二工具部件10、壳体2和活塞7能相对于轴杆6和第一工具部件4滑动，以使得在该第一或第二腔室区段8、9的加压期间该壳体相对于该轴杆移动且该轴杆相对于泵单元5静止。流体经由第一工具部件4中的流体通道19和轴杆6中的流体通道19被进给至其中一个腔室区段8、9，以用于在第一或第二腔室区段8、9的加压期间向腔室3中提供流体和/或从腔室3提供流体，从而在活塞7上产生压力。
第一腔室区段8的加压在活塞7上产生压力并产生其中壳体2向下移动远离泵单元5的下冲程运动，如图3所示。当流体被进给到第一腔室区段8中时，流体从第二腔室区段9中被压出。当向第二腔室区段9中提供加压流体时，在活塞7上产生压力，从而提供其中壳体2从图3中所示位置向图2中所示位置移动并因此朝向泵单元5移动的上冲程运动。轴杆6与第一工具部件4固定连接，并且壳体2能相对于该第一工具部件滑动并且该壳体的第一端部部分16与该第一工具部件重叠。当重叠时，壳体2部分地由该第一工具部件4支承，因为该第一工具部件具有与壳体的内径IDH基本相同的外径ODT。壳体2包括连接至连接器15的第二端部部分17，该连接器由虚线示出。连接器15还可连接至操作工具18，该操作工具也由虚线示出。
通过使轴杆6固定并使壳体2与活塞是可滑动的，通过井下冲程工具1产生的力主要通过壳体传递而非如现有技术工具中那样地通过轴杆传递至例如塞子。当在工具1的中心附近传递高的力时并且当工具与它所挤压于其上的元件未完全对准时，轴杆6比与该元件对准时更容易弯曲。当主要通过壳体2传递高轴向力时，该力进一步远离中心地传递并因此消除了当相对于所述元件偏离中心时发生弯曲的风险。本发明的工具1因此能够传递更高量的力，因为在传递高的力时发生轴杆弯曲的风险被显著降低。在现有技术工具中通过轴杆传递所产生的轴向力，该轴杆在力超过某一水平时弯曲。增大轴杆直径减小了活塞的面积并因此减小了活塞所能提供的力。现有技术工具无法提供实质上高于50,000磅的力，但本发明的工具1能够提供100,000磅的力。此外，通过使壳体2相对于静止的轴杆6和静止的第一工具部件4移动，获得了井下冲程工具的更高的抗弯刚度。壳体2沿其冲程/行程通过活塞7支承，借此井下冲程工具1能够相比于现有技术工具在基本上无弯曲的情况下传递更高的轴向力。
此外，通过使轴杆6固定并且使壳体2和活塞滑动，该轴杆不会传递任何力并因此不必须具有特定直径，并且因此，轴杆直径可被减小并且活塞面积增大，从而使工具1能够产生更高的轴向力。
在另一实施例中，工具1由工具中的电池供电，并且因此工具是无线的。在另一未示出的实施例中，该泵单元可通过从地面向下经过管、连续油管或套管的高压流体供电。
在图4中，井下冲程工具1还包括压力增强器11，该压力增强器布置在泵单元5的下游用以在流体被进给至腔室3之前增加该流体的压力。压力增强器11包括增强器活塞36，该增强器活塞具有最靠近泵单元5的一个表面积，该表面积比最靠近腔室3的另一表面积大。压力增强器11还包括用于向压力增强器11或自压力增强器11提供流体的流体通道26，并且包括至少一个阀37。
通过具有压力增强器，该井下冲程工具能够产生比泵单元更高的流体压力，并因此，该井下冲程工具能提供比不带压力增强器的情况下更高的轴向力。由于井下的限制，泵单元的尺寸也受到限制。
在图4中，第一工具部件4具有用于提供与壳体2间的密封的至少一个密封元件32。密封元件32布置在第一工具部件4的最靠近活塞7的凹槽中，以便即使在壳体移动时也能提供密封。轴杆6的第一端33固定地布置在第一工具部件4中，并且轴杆6的第二端部部分34紧固在工具端部元件35中，该工具端部元件限定出腔室3的一端并且该第一工具部件4限定出另一端。另一密封元件32布置在工具端部元件35中的周向凹槽中，以便在滑动的壳体2与工具端部元件35之间提供密封。
在图4中，工具1还包括阀组31，该阀组用于控制哪个腔室区段8、9被进给加压流体并且因此控制井下冲程工具1是提供上冲程运动还是提供下冲程运动。
在图5中，轴杆6具有通孔12，导电机构14在该通孔12中延伸穿过该轴杆以向例如操作工具18提供电力。轴杆6因此包括流体通道和用于电气机构的通孔两者。通过使轴杆6固定并使壳体2与活塞7滑动，轴杆不传递任何力并且因此能具有用于流体通道和用于电气布线的多个通孔。因此，操作工具18可通过延伸穿过轴杆6的导电机构14来供电。操作工具18可以是塞子连接器、打捞颈、扳手工具或作放工具。
根据图6的井下冲程工具1还包括被第二活塞22分割的第二腔室21。第二腔室21包括第一腔室区段8b和第二腔室区段9b。第二腔室21的第一腔室区段8b和第二腔室区段9b具有与第一腔室3的第一腔室区段8a和第二腔室区段9a相同的构型，因为它们均由活塞分割。第一和第二腔室3、21均包含在壳体2中，并且第一活塞7和第二活塞22均连接至壳体2或形成为壳体2的一部分并且沿壳体滑动。轴杆6包括中间部件23，该中间部件分离出或分割出所述第一和第二腔室3、21并且形成第一和第二腔室二者的端部。因此，第一腔室3由第一工具部件4、壳体2、轴杆6和中间部件23限定出。第二腔室21由中间部件23、壳体2、轴杆6和工具端部元件35限定出。中间部件23支承壳体2，并且同时该壳体能相对于该中间部件滑动。如能看到的，轴杆6具有多个流体通道，一个与第一腔室3的第二腔室区段9a流体连通，并且一个与第二腔室21的第二腔室区段9b流体连通。第二流体通道与第二腔室21的第一腔室区段8b流体连通。与第二腔室21的第二腔室区段9b的流体连通可以是在单独的流体通道中。
在图7中，井下冲程工具1还包括锚固区段51，该锚固区段具有用于将井下冲程工具固定在井101A中的套管45中的可突伸的固定单元55。
图7公开一种包括井下冲程工具1和驱动单元52的井下系统100，该驱动单元例如为井下牵引器，其用于推进该系统在井101A中前进。
在图8中，井下系统包括井下冲程工具1和金属井管结构45。金属井管结构45包括环状屏障71，该环状屏障在围绕该金属井管结构的环空72中被膨胀以将第一区域101与位于环状屏障的相反侧的第二区域(未示出)隔离开。环状屏障71包括管状金属部件73和可膨胀金属套筒74，该管状金属部件73安装为金属井管结构45的一部分，该可膨胀金属套筒74与该管状金属部件连接，从而限定出可膨胀的空间78。环状屏障71包括膨胀开口75，加压流体经由该膨胀开口进入以膨胀该可膨胀金属套筒。井下冲程工具1包括膨胀区段76，该膨胀区段具有布置在膨胀开口75的两侧的周向密封元件77，用以隔离出对着膨胀开口的膨胀区域103。与膨胀区段连接的工具端部元件35包括流体通道70，流体通道70提供第二腔室区段9与对着膨胀区域103的隔离区段76B中的开口73B之间的流体连通。这是为了向可膨胀的空间提供加压流体并且膨胀环状屏障71。随着活塞7和壳体2的移动，第二腔室区段9中的流体被迫压经过工具端部元件35中的流体通道70并进一步进入膨胀区段76并且通过加压对着膨胀开口75的区域103而进入环状屏障71中。
在图9中，井下冲程工具1的轴杆6中的流体通道19与膨胀区段76的密封元件77流体连接，以借助来自泵单元5的加压流体膨胀所述密封元件。因此，井下冲程工具1的第二工具部件10、壳体2和活塞7与膨胀区段76的区段轴杆82的第一端81连接。区段轴杆82的第二端连接至活塞84，活塞84在区段壳体85中滑动从而将区段腔室80分隔成第一腔室区段86和第二腔室区段91，该第一腔室区段86与膨胀区段76中的开口79流体连通以向环状屏障中提供加压流体。膨胀区段76的开口79设置有单向阀87或止回阀。第一腔室区段86借助第二流体通道88与金属井管结构的内部89的一部分流体连接，金属井管结构的内部的该部分并不形成被隔离的区域的部分。第二流体通道设置有单向阀87或止回阀，用以从金属井管结构摄入流体但阻止流体流出腔室80。当工具壳体2使膨胀区段76的活塞84移动时，第一腔室区段86内部的流体被迫压离开该腔室并进入被隔离的区域103并进一步进入环状屏障71的空间78以使其膨胀。因此，图8和9的井下冲程工具1被用于隔离出对着环状屏障71的区域并使环状屏障的可膨胀金属套筒74膨胀。
流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。
套管、生产套管或金属井管结构是指井下使用的与油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。
在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器52可具有带轮子57的可突伸的臂部56，其中，轮子接触套管的内表面，用于在套管内推进该牵引器和该工具前进。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如
尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (18)

1.一种井下冲程工具(1)，该井下冲程工具用于提供沿轴向方向的轴向力，该井下冲程工具包括：
-壳体(2)；
-第一腔室(3)；
-包括向所述第一腔室提供加压流体的泵单元(5)的第一工具部件(4)；
-贯穿该第一腔室的轴杆(6)；以及
-将该第一腔室分隔成第一腔室区段(8、8a)和第二腔室区段(9、9b)的第一活塞(7)，
其中，该活塞连接至该壳体或形成为该壳体的一部分并能相对于该轴杆滑动从而该壳体能相对于该轴杆移动，该壳体形成为第二工具部件(10)的一部分，该轴杆在所述第一腔室区段或所述第二腔室区段的加压期间相对于该泵单元静止，从而在该活塞上产生压力，其中，该轴杆与该第一工具部件固定连接，并且其中，该壳体能相对于该第一工具部件滑动并与该第一工具部件重叠。
2.根据权利要求1所述的井下冲程工具，其中，该第一腔室区段和该第二腔室区段被流体连接至该泵单元。
3.根据权利要求1或2所述的井下冲程工具，还包括压力增强器(11)，该压力增强器布置在该泵单元的下游用以在流体被进给至该第一腔室之前增大该流体的压力。
4.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，该轴杆具有用于允许导电机构(14)延伸穿过该轴杆的通孔(12)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，还包括构造成与操作工具(18)连接的连接器(15)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，其中，该壳体包括第一端部部分(16)，该第一端部部分与该第一工具部件重叠。
7.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，还包括与该壳体连接的操作工具(18)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，其中，该操作工具是电力驱动的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，其中，该壳体具有与该第一工具部件的外径(ODT)基本一致的内径(IDH)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，其中，该轴杆和/或该壳体包括一个或多个流体通道(19)，所述一个或多个流体通道用于在该第一腔室区段或该第二腔室区段的加压期间向所述腔室和/或从所述腔室提供流体，从而在该活塞上产生压力。
11.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，其中，该壳体传递所述轴向力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，还包括被第二活塞(22)分割的第二腔室(21)。
13.根据权利要求10所述的井下冲程工具，其中，该第一腔室和该第二腔室包含在该壳体中。
14.根据权利要求10或11所述的井下冲程工具，其中，该轴杆包括中间部件(23)，该中间部件分隔该第一腔室与该第二腔室。
15.根据前述权利要求中任一项所述的井下冲程工具，还包括锚固区段(51)，该锚固区段具有用于将该井下冲程工具固定在井(101A)中的可突伸的固定单元(55)。
16.根据权利要求15所述的井下冲程工具，其中，该锚固区段被连接至该第一工具部件并且被构造成将该第一工具部件锚固在井中。
17.一种井下系统，该井下系统包括根据权利要求1-16中任一项所述的井下冲程工具(1)，和用于推进该系统在井中前进的驱动单元(52)如井下牵引器。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的井下冲程工具(1)的用于拉动井中的塞子的用途。
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