CN112771244A - 用于操纵井眼完井产品的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

可以插入管件的维修工具，该维修工具包括具有闩锁机构的移位系统和具有主体的锚固系统，夹持组件容纳在主体内并联接到主体。通过利用闩锁机构的线性致动器系统施加轴向输入力，移位系统可以锁定成移位轮廓几何形状。锚固系统具有施加恒定的径向力的能力，而径向力不受井孔尺寸的影响。锚固系统还包括致动器，该致动器设置在主体的中心孔内并联接至夹持组件。夹持组件可以将维修工具的至少一部分锚固到管件，并且夹持组件包括设置在开口内并且可以相对于主体移动的多个锚固器臂。

Description

用于操纵井眼完井产品的系统和方法
相关申请的交叉引用
本公开要求2018年8月6日提交的标题为“System and Methods for Shifting”的美国临时专利申请号62/715186；2018年9月19日提交的题为“Systemand Methods forManipulating Wellbore Completion Products”的美国临时专利申请号62/733346；以及于2018年12月17日提交的题为“System and Methods for Manipulating WellboreCompletion Products”的美国非临时专利申请号16/222620的权益和优先权，它们出于所有目的通过引用全文并入本文。
背景技术
本公开涉及维修工具，尤其涉及用于训练、移位或移除完井产品的机械干预移位工具。该维修工具可用于通过单一构造来操纵各种类型和尺寸的完井产品，或者用于以最小的构造更改来扩展尺寸的完井产品。维修工具由三个系统组成：移位器、线性致动器和锚固器。移位器系统是一种闩锁机构，其经由按需控制作用在完井轮廓特征上的径向载荷，能够高精度和可靠地抓住完井移位轮廓特征。轴向推/拉载荷是通过线性致动器产生的，但也可以通过牵引器和/或缆线(wireline)产生。锚固器系统提供径向载荷，以对线性致动器产生的轴向载荷作出反应。移位器和锚固器系统均使用具有大扩展比的连杆设计，该设计能够通过小直径并展开(depoly)为大直径，同时保留产生高载荷的能力。此外，移位器和锚固器系统都是故障安全的，并且在断电的情况下(包括在高碎屑环境中)都能够完全缩回在工具的外径内。除故障安全或被动闭合外，锚固器还具有电源闭合或主动闭合的功能。锚固器机构能够施加恒定的径向载荷，该径向载荷与井孔尺寸和线性致动器产生的轴向载荷的影响无关。锚固器机构是自动居中的，可实现均匀的载荷分配。该维修工具使用力和位移传感器，能够实现该系统状态的准确实时反馈。本公开适用于维修工具，包括但不限于井下和地面应用。
本部分旨在向读者介绍可能与本技术的各个方面有关的本领域的各个方面，下面将对此进行描述和/或要求保护。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以有助于更好地理解本公开的各个方面。因此，应该理解的是，应当从这些角度来阅读这些陈述，而不是作为对现有技术的承认。
在维护和优化来自井的生产的过程中执行许多类型的机械操作。执行这些操作中的一些操作涉及将轴向力施加到完井部件中位于井下的井下工具上。例如，可以通过推动或拉动内部特征来打开或闭合位于生产管道中的隔离阀。在其他示例中，轴向力用于取回塞子或气阀以及用于各种打捞操作。
在打开或闭合隔离阀的情况下，使用线性致动器系统使移位器系统闩锁机构展开并轴向平移。闩锁机构经由可变压力系统控制，该可变压力系统能够准确定位换档器轮廓特征。一旦将闩锁机构可靠地闩锁到移位轮廓特征中，就可以使用可变压力系统增加闩锁机构径向载荷以将闩锁机构锁定到移位轮廓特征。在将闩锁机构锁定到移位轮廓特征之后，将锚固器系统夹持机构展开以向管件施加径向载荷，以对由线性致动器系统产生的轴向推拉载荷进行反作用。一旦锚固器系统被锚固，则线性致动器被展开以施加推动和/或拉动载荷以移动移位轮廓特征，因此打开或闭合隔离阀。
发明内容
下面阐述本文公开的某些实施例的概述。应当理解，提出这些方面仅仅是为了向读者提供这些某些实施例的简要概述，并且这些方面无意于限制本公开的范围。实际上，本公开可以包括下面可能没有阐述的多个方面。
本公开涉及维修工具，特别是用于训练、移位或移除完井产品的机械干预移位工具。该维修工具可用于通过单一构造来操纵各种类型和尺寸的完井产品，或者以最小构造改变来操纵用于扩展尺寸的完井产品。维修工具由三个系统组成：移位器、线性致动器和锚固器。移位器系统是一种闩锁机构，经由按需控制作用在完井轮廓特征上的径向载荷，其可以高精度和可靠地夹持完井移位轮廓特征。轴向推/拉载荷经由线性致动器产生，但也可以通过牵引器和/或缆线电缆产生。锚固器系统提供径向载荷，以对线性致动器产生的轴向载荷作出反应。移位器和锚固器系统均使用具有大扩展比的连杆设计，该设计能使通过小直径并扩展到大直径，同时保留产生高载荷的能力。此外，移位器系统和锚固器系统均是故障安全的，即使在高碎屑环境中，也可以在断电的情况下完全缩回工具外径内。除故障安全或被动闭合外，锚固器还具有电源闭合或主动闭合的能力。锚固器机构可以施加恒定的径向载荷，该径向载荷与井孔的大小和来自线性致动器产生的轴向载荷的影响无关。锚固器机构是自动居中的，能使均匀的载荷分布。该维修工具使用力和位移传感器，其能使对系统状态进行准确的实时反馈。本公开适用于维修工具，包括但不限于井下和地面应用。
维修工具可以插入管件中，该维修工具包括锚固系统。锚固系统包括主体，该主体具有第一端、第二端和在第一端与第二端之间沿主体的一部分延伸的开口，以及容纳在主体内并联接到主体的夹持组件。夹持组件可以将维修工具的至少一部分锚固到管件，并且夹持组件包括设置在开口内并且可以相对于主体移动的多个锚固器臂。锚固系统还包括致动器，该致动器设置在主体的中心孔内并联接至夹持组件。致动器可以在第一方向上向夹持组件施加第一轴向输入力，以及在与第一方向相反的第二方向上施加第二轴向输入力。夹持组件的至少一部分响应于第一轴向输入力在第一方向上相对于主体移位，以将多个锚固器臂定位成径向扩展的锚固构造，并且坚持组件的该部分响应于第二轴向输入力相对于主体在第二方向上移位以将多个锚固器臂定位在径向收缩构造。
维修工具可以插入井孔中，该维修工具包括移位器组件。移位器组件包括具有多个闩锁长度的闩锁机构，这些闩锁机构可以将维修工具的至少一部分闩锁到完井部件闩锁或移位轮廓几何形状。维修工具还包括在第一端处设置在维修工具的主体内的第一活塞和在与第一端相对的第二端处设置在维修工具的主体内的第二活塞。第一活塞在主体内浮动，以使当维修工具沿第一方向移动完井部件闩锁时，第一活塞在第一端不与主体接触，第二活塞在第二端触底，以及第二活塞在主体内浮动，以使当维修工具沿与第一方向相反的第二方向上移动完井部件闩锁时，第二活塞在第二端不与主体接触，并且第一活塞在第一端触底。
一种用于搜寻并闩锁维修工具到移位轮廓几何形状的方法，该方法包括将干预维修工具插入烃储层中的管件中。干预维修工具包括锚固系统、移位系统和线性致动器系统，并且移位轮廓几何形状在第一位置处设置在管件内。该方法还包括将移位系统定位在移位轮廓几何形状的上方或下方，并致动移位系统的闩锁机构。致动闩锁机构包括使用线性致动器系统向闩锁机构施加轴向输入力，轴向输入力径向扩展或径向收缩闩锁机构的闩锁长度，并且闩锁长度当致动时施加径向力。该方法还包括调整由闩锁长度施加的径向力以定位移位轮廓几何形状。当定位移位轮廓时，闩锁机构顺应于管件的内部尺寸。该方法还包括将移位系统锁定到移位轮廓几何形状。由闩锁长度施加的径向力增加以将移位系统锁定到移位轮廓几何形状。该方法还包括将移位轮廓几何形状定位在与第一位置不同的第二位置处；以及在将移位轮廓几何形状定位在第二位置之后，从管件中移除干预维修工具。
可以相对于本公开的各个方面对上述特征进行各种改进。在这些各个方面中也可以并入其他特征。这些改进和附加特征可以单独存在或以任何组合存在。例如，以下关于一个或多个所示实施例讨论的各种特征可以单独地或以任何组合结合到本公开的任何上述方面中。上面提供的简要概述旨在使读者熟悉本公开的实施例的某些方面和上下文，而不限于所要求保护的主题。
附图说明
通过阅读以下详细描述并参考附图，可以更好地理解本公开的各个方面，在附图中：
图1是可采用在完井管柱中展开的维修工具的井场系统的示意图；
图2是根据一实施例的具有锚固系统、线性致动器系统和移位器系统的维修工具的示意图；
图3是根据一实施例的图2的锚固系统的透视图，锚固系统包括用于容纳夹持部件的主体；
图4是根据一实施例的图2的锚固器机构的透视图，其示出了锚固器臂的外垫，其中锚固器臂处于径向扩展构造；
图5是根据一实施例的图2的锚固系统的透视图，该锚固系统具有带有锚固器臂的夹持部件，该锚固器臂处于径向扩展构造；
图6是根据一实施例的图2的移位器系统的一部分的示意图，其中移位器系统包括闩锁机构，该闩锁机构经由具有液压缸的双浮动毂系统经由可变力螺线管操作的阀来致动；
图7是根据一实施例的用于致动图6的闩锁机构的移位器系统的可变力螺线管阀的示图；
图8是根据一实施例的可变力螺线管阀的电流反馈回路的图，其中电流反馈回路由设定的DC电压控制；
图9是根据一实施例的与图7的变力螺线管阀相关联的反馈压力对电流的图，其中反馈压力与电流成线性比例；
图10是根据一实施例的图2的移位器系统的顶视图，该移位器系统具有由图6的双浮动毂系统和可变压力螺线管操作的阀操作的多臂闩锁系统，其中，多臂闩锁系统使得能使在将维修工具锁定到管件之前的维修工具的居中；
图11是根据一实施例的与图1和2的维修工具一起使用的液压缸的示意图，其中，该液压缸包括压缩弹簧和载荷单元，该载荷单元用作位移传感器以使用弹簧特性和载荷单元输来测量活塞相对于液压缸的位置，该压缩弹簧处于未压缩构造；
图12是根据一实施例的图11的液压缸的图，其中压缩弹簧处于压缩构造；和
图13是根据一实施例的用于搜寻和闩锁图2的维修工具到移位轮廓几何形状中的方法的流程图。
具体实施方式
以下将描述本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例是当前公开的技术的示例。另外，为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可能没有描述实际实施方式的特征。应当理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，例如在任何工程或设计项目中，可以做出许多特定于实施方式的决策来实现开发者的特定目标，例如遵守与系统相关的约束和与业务相关的约束，这可能因实施方式而异。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言，这仍然是设计、制作和制造的例行工作。
当介绍本公开的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”和“该”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除所列元件之外，可能还有其他元件。另外，应该理解的是，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的其他实施例的存在。
如下面进一步详细讨论的，本公开涉及维修工具，尤其涉及用于训练、移动或移除完井产品的机械干预移位工具。该维修工具可用于通过单一构造来操纵各种类型和尺寸的完井产品，或者用最小构造改变操纵用于扩展尺寸的完井产品。维修工具由三个系统组成：移位器、线性致动器和锚固器。
总体上参照图1，井系统20的一个实施例被示出为具有干预维修工具270。本公开的实施例还包括一种使用干预维修工具270可靠地锁定到井下完井产品(例如，管件32)中的方法。另外，所公开的方法可以在闩锁到井下完井产品的移位轮廓中时减轻缺少轮廓特征的情况。所公开的维修工具270可以利用重力输送到生产井(例如，井眼30)中或者可以通过牵引器系统的输送或电管线34来输送。但是，也可以使用其他类型的输送工具，例如连续油管或接头管来展开维修工具270。
图2是图1中的维修工具270的一实施例的示图，该维修工具可以被送入井30中。在一个实施例中，维修工具270可以是井下液压移位维修工具。维修工具270包括移位系统272、锚固系统274、液压动力单元276、遥测系统278和位于移位系统272与锚固系统274之间的线性致动器系统280。线性致动器280提供推/拉力，例如分别为轴向力401，并且可以包括致动器杆402。在某些实施例中，维修工具270可以包括井下牵引器而不是线性致动器280，以提供推/拉力。移位系统272可以包括用于将移位系统272锁定到完成产品移位轮廓特征中的锁定机构281。移位系统272可以基于来自表面控制系统的命令而展开或缩回。
电力和遥测由地面系统通过电线向下提供。电力被转换成可以在整个工具柱(例如，维修工具270)中使用的其他电源。遥测系统278可以连接在整个工具柱上，以提供来自地面系统的用于井下功能的命令。例如，该功能可用于控制锚固系统274、线性致动器系统280和/或移位系统272。与线性致动器280相关的力和位移可在井下测量，并且来自测量的信息被发送到地面以提供与完井部件(例如隔离阀)有关的信息。例如，与线性致动器力和位移相关联的信息可以提供关于完成隔离阀是打开还是闭合以及阀以什么速度打开和闭合的指示。
本公开总体上还涉及用于锚固井眼中的工具的系统和方法。该工具可以在沿着管道的任何适当/期望的位置处锚固在管件(例如套管或内部管道)内。在一些实施例中，该工具还可以被锚固在敞开的井眼中，其中在井眼中未安装金属管件。在其他实施例中，该工具可以设置在另一个工具或设备的内部，例如完成阀。该系统和方法论对于用于各种井相关工具，例如维修工具，使有用的。例如，可以使用锚固系统在井眼中牢固地锚固维修工具，使得维修工具能够施加轴向力以允许执行给定的操作。
所公开的锚固系统可以实现锚固工具的显著扩展和收缩，使得径向变化允许锚固工具穿过油管柱中的限制，例如，同时能使锚固在限制之下的较大部分中。除了用键控的锚固器锚固之外，该系统还能使锚固在各种直径的无特征油管中。然而，即使锚固工具具有较大的开口率，该工具仍保持相当高的锚固强度。
通常，锚固工具的作用是通过将一个或多个锚固器臂远离壳体或主体上延伸，直到一个或多个锚固臂或臂与锚固表面建立接触。每个臂都向锚固表面施加径向力以产生足够的牵引力，其将工具锚固就位。锚固表面可以是管状结构的内表面，例如生产油管、套管、管道、敞开的井眼或其他结构。内表面通常是圆柱形形状，但也可以具有更复杂的几何形状，例如井下结构内的三角形、矩形或其他形状。如下面更详细地描述的，每个锚固臂通过与具有一个或多个楔形特征的楔形部件的配合而向外延伸，该楔形特征在致动锚固工具时作用在臂上。当工具处于锚固构造时，当楔形部件与锚固表面接合时，楔形组部件还支撑这些臂。每个锚固臂通过在一个方向上引起锚固臂与楔形部件之间的相对移动而展开；并且每个锚固臂通过在另一相反的方向上引起相对移动而闭合或允许闭合。
如下面进一步详细讨论的，每个锚固臂在楔形部件和连杆部件的帮助下向外延伸。楔形部件包括楔形特征，当致动锚固系统时，楔形特征可向锚固臂施加力。连杆部件还可以通过销铰接件向锚固臂施加力。另外，当工具处于锚固构造时，当锚固臂与锚固表面接合时，楔形件和连杆部件均支撑锚固臂。在某些实施例中，锚固臂可包括多级剪刀机构。每个锚固臂经由销连接到另一个锚固臂。例如，多级剪刀机构的每个级可以包括两个锚固臂和销连接。
再次参考图1，井系统20的实施例可以进一步包括锚固系统24，该锚固系统24包括锚固工具26。在所示的实施例中，锚固工具26联接至井工具28，根据使用井工具28和锚固工具26的特定井应用，该井工具可以具有多种形式。例如，井工具28可以包括用于执行各种井下操作的维修工具。井工具28还可以包括完井工具、工具柱、处理工具或在井下展开的各种其他工具，以执行期望的操作。
在图1所示的实施例中，锚固工具26和井工具28在井下展开到管件32内的井眼30中。作为非限制性示例，管件32可以是井完井组件、套管、生产油管或其他井下结构。诸如维修的输送工具34用于将锚固工具26和井工具28从地面位置36展开到井眼30中。然而，例如连续油管或接头管的其他类型的输送工具也可用于展开锚固工具26和井工具28。
锚固工具26包括结构38，并具有锚固器机构40，该锚固器机构40包括一个或多个相对于结构38移动的锚固器臂42。例如，一个或多个锚固器臂42可以在径向收缩构造和径向扩展的锚固构造之间移动。一个或多个锚固器臂42的扩展和收缩分别允许锚固工具26在管件32内的锚固和移动。例如，在径向扩展的锚固构造中，锚固器臂42处于打开位置，以允许锚固工具26接触管件32的锚固表面，从而将锚固工具26保持(例如，锚固)到管件32上。在径向收缩的构造中，锚固器臂40处于闭合位置，远离管件32，使得锚固工具26可以相对于管件32移动。
图3示出了锚固工具26的一实施例，其中，锚固器臂42处于径向收缩或闭合的构造。在所示的实施例中，锚固工具26包括具有开口52的主体50，开口52的尺寸适于接收锚固器机构40。主体50可以具有有助于锚固工具26的展开和收回的任何合适的几何形状。例如，在所示的实施例中，主体50是圆柱形的。然而，在其他实施例中，主体50可以是矩形的、多边形的或任何其他合适的几何形状。在径向收缩构造中，锚固器臂40基本上容纳在主体50内。将锚固器机构40容纳在主体50中允许锚固工具26穿过管件32中的限制并且可以保持锚固工具26在锚固工具26的展开或收回期间不会被卡在或挂在管件32内的特征上。
每个锚固器臂42包括有助于锚固器机构40相对于主体50径向移动的特征。例如，每个锚固器臂42包括一外垫56和一对外连杆60，该一对外连杆将该外垫56经由枢轴销68联接到枢轴基座62。此外，每个锚固器臂42包括内垫70和内连杆72，内连杆72经由内垫销75(参见图4)和枢轴销68将内垫70联接到枢轴基座62。枢轴基座62相对于主体50受到约束。也就是说，枢轴基座62固定在主体50上。
除了锚固器臂42之外，主体50还可以容纳锚固器机构40的其他部件。例如，锚固器机构40包括具有楔形件76和楔形帽78的楔形部件74，其位于开口52内并邻近锚固工具26的第一端80。第一端80与锚固器机构40的82的枢转端基本相对。如下面进一步详细讨论的，楔形件76可以与径锚固器臂42的径向向内表面相互作用以促进锚固器臂42的径向扩展。例如，楔形件76可相对于主体50移动，使得楔形件76与相应的锚固器臂42的径向向内表面接合，以使锚固器臂42从径向收缩构造移动到径向扩展构造。
楔形件76的移动可以通过一对槽键90和致动器杆92相对于主体50平移引导。在某些实施例中，致动器杆92也可以相对于主体50平移。致动器杆92向锚固器机构40提供轴向输入力(例如，推或拉)。例如，致动器杆92将第一轴向输入力94(例如，推动)传递到楔形件76以使垫56、70和连杆60、72相对于主体50径向移动到径向扩展构造。相反，致动器杆92向楔形件76提供第二轴向输入力96(例如，拉动)，以使垫56、70和连杆60、72相对于主体50径向移动到径向收缩的构造。
锚固器机构40可以部分地由于摩擦和坡道106的选定角度而是可向后驱动的。也就是说，如果第一轴向输入力和径向或输出力反向，则锚固器机构40将径向收缩。例如，如果输入力(例如，第二轴向输入力96)径向地和向内地施加在垫56、70上，则垫56、70，连杆60、72和楔形件76导致锚固器机构40径向收缩或闭合。因此，楔形件76相对于主体50平移并且远离枢转端82移向闭合位置。这样，锚固器机构40可防止在井下操作期间锚固工具26被卡住或卡在管件32内。例如，当径向力施加到管件32时，管件32可弹性变形并存储能量。因此，管件32的行为类似于压缩弹簧。一旦释放了由致动器杆92施加的第一轴向输入力94，则管件32就可以施加向内的径向力，该径向力使垫56、70和连杆60、72径向收缩并使楔形件76轴向移位，从而缩回锚固器机构40。垫56、70的径向平移使得能够在垫56、70和管件32之间建立大的接触表面(例如，在大约30％和95％之间)。因此，与现有的锚固器机构相比，载荷可以散布在较大的表面积上，并且可以减小局部应力、变形和对管件32的损坏。
在某些实施例中，锚固工具26可以包括具有多级剪刀机构的锚固器机构。例如，图5是根据本公开的实施例的具有用于将工具锚固到管件(例如，管件32)的多级剪刀机构的锚固工具26的透视图。图5示出了处于径向扩展或打开构造的锚固工具26。多级剪刀锚固器机构180包括锚固器臂42a’、42b’、42c’、42d’、42e’、42f’，其可以径向地扩展或收缩至锚固器或分别释放锚固工具26至期望的管件。多级剪刀锚固器机构180可包括2、4、6、8、10或更多个锚固器臂42’。
多级剪刀锚固器机构180的每个级可以具有形状像菱形的锚固器臂。每个锚固器臂42’通过销连接而连接至相邻的锚固器臂42’。例如，第一端锚固器臂42a’、42b’通过第一销184在第一枢轴端182处彼此联接。第一枢轴端182包括枢轴基座62，该枢轴基座62被固定至锚固工具26的主体50。枢轴基座62和第一端锚固器臂42a’、42b’均具有一开口，该开口有助于将第一端锚固器臂42a’、42b’联接到枢轴基座62。枢轴基座62和第一端锚固器臂42a’、42b’的相应开口对准，使得第一销184插入穿过相应的开口以将第一端锚固器臂42a’、42b’联接(例如附接)到枢轴基座62。类似地，第二端锚固器臂42c’、42d’在第二枢轴端186处经由第二销190彼此联接。第二枢轴端186包括固定至致动器杆92的第二枢轴基座194，并且可相对于主体50平移。致动器杆92向锚固器机构40提供轴向输入力(例如，推动或拉动)。例如，致动器杆92t传递第一轴向输入力94(例如推动；参见图3)至第二枢轴基座194。
每个端锚固器臂42a’，42b’，42c’，42d’包括联接端198，该联接端198能够联接到中心的锚固器臂42e’、42f’。例如，在所示的实施例中，端锚固器臂42a’，42d’的联接端198a、198d分别通过销206、208联接到中心锚固器臂42e’的联接端200、204。每个联接端200、204包括槽210，该槽的尺寸设置成适合端锚固器臂42a’、42d’的相应联接端198a、198d，使得联接端198a、198b“夹在”中心锚固器臂42e’的第一锚固器臂部分214和第二锚固器臂部分216之间。中心臂42f’的至少一部分也定位在(例如“夹在”)第一锚固器臂部分214和第二锚固器臂部分216之间。中心臂42e’、42f’经由中心销218彼此联接。
以类似的方式，每个端锚固器臂42b’、42c’分别经由销228、230联接到中心锚固器臂42f’的联接端220、224。端锚固器臂42b’，42c’每个包括槽232，该槽232的尺寸设置成适合中心锚固器臂42e’、42d’的各自的联接端220、224。这样，中心锚固器臂42e’、42f’的联接端220、224被“夹在”端锚固器臂42b’、42c’的第三锚固器臂部分240和第四锚固器臂部分242之间。因此，在所示的实施例中，二级剪刀式锚固器机构180包括总共六个锚固器臂42’和七个销(例如销184、190、206、208、218、228、230)，从而将每个锚固器臂42’联接到相邻的锚固器臂42’。在一个实施例中，销184固定在主体50上，并且销190沿着锚固工具26来回驱动。这样，当致动器杆92施加第一轴向输入力94(图3)时，端锚固器臂42c’、42d’朝着端锚固器臂42a’,42b’移动。锚固器臂42’绕相应的销184、190、206、208、218、228、230枢转，使得锚固器臂42’径向远离主体50并朝管件延伸，以展开锚固器机构180。即，锚固器臂42’以类似于手风琴的方式移动。当致动器杆92施加第二轴向输入力96(图4)以将锚固器臂42’远离管件拉向锚固工具26的主体50时，锚固器臂42’可径向收缩，从而缩回锚固器机构180。
如图5所示，当致动器杆92展开多级剪刀锚固器机构180时，锚固器臂42’形成菱形。菱形角250可以在大约35度和60度之间，并且轴向力和径向力基本相同。公开的二级剪刀锚固器机构180可具有4的机构优势，这部分是由于因为轴向力而使四个大小基本相同的径向力作用在外壳上。因此，对于1lbf的第一轴向输入力，大约有4lbf的锚固径向力。应当注意，具有多于二级的锚固器机构也在本公开的范围内。
移位系统272可以由液压动力单元276(如图2所示)内的液压泵液压控制。例如，图6示出了可以用于液压控制移位系统272的液压示意图。该液压系统包括具有液压泵282和压力计284的液压动力单元。该液压系统还包括先导式止回阀290、止回阀292和可变力螺线管操作阀294。压力计284可测量移位系统272的打开压力(例如，流回压力)。止回阀290、292可允许液压流体进入移位系统272的液压缸296，而可变力螺线管操作阀294控制液压缸296输出的流体量。
液压缸296可以彼此刚性联接，如图6中的虚线所示。液压缸296可以称为双浮动毂系统。在操作中，由可变前螺线管操作阀294控制的加压液压流体进入每个液压缸296，从而打开移位闩锁机构(例如，闩锁机构281)。如在所示的实施例中示出的，闩锁机构281可以包括键槽300，该键槽300与完井设备移位轮廓上的互补特征相匹配，以便于将移位系统272闩锁到完井设备移位轮廓特征上。
如图7所示，可变力螺线管操作阀294的孔开口通过调整螺线管中的电流来控制。在所示的实施例中，可变力螺线管操作阀294处于打开构造。然而，在某些实施例中，也可以使用可变力螺线管操作阀294处于闭合的构造。如果失去动力，可变力螺线管操作的阀294可提供安全机构以平衡移位系统272内的压力。
如下面进一步详细讨论的，存在三个主力可以确定可变力螺线管操作阀294的孔开口打开。例如，第一力可以来自液压泵282中的液压(Fp)500，来自于弹簧的第二力(Fs)501确定可变力螺线管操作阀294的正常位置，以及在阀电枢上的磁力(Fm)502可以来自线圈304的电磁力。当可变力螺线管操作阀294打开时，则液压流体可能会流入箱306中。
可以经由电流反馈回路来控制磁力(Fm)501。例如，图8示出了可用于控制磁力(Fm)501的电流反馈回路308的实施例。通常可通过调整DC电压来控制螺线管。因此，在某些实施例中，可以通过调整DC电压来控制电流反馈回路308。这可以通过使用调制电压来完成。调制电压是一种占空比方法，以改变电压开启时间与其闭合时间。这样，本文公开的方法允许在井下电源的最大电压内调整电压。可以通过期望的电流设定点来控制调制电压，该期望的电流设定点在井下电子设备上直接测量。
图9是作为电流316的函数的回流压力312的曲线图310，其示出了可变力螺线管阀294的特定特性。如所示的，回流压力312与电流316成线性比例。回流压力与电流的关系曲线可被编程到井下电子系统中，以将回流压力和电流相关联以调整至期望的回流压力。因此，可变力螺线管阀294可以被液压控制并且基于电流反馈来操作。电流与所需压力或孔开口成正比，并通过电流传感器进行测量。可以基于控制调制电压来选择电流。
本实施例包括限制进入闩锁机构281的压力以减小或减轻施加到闩锁机构的径向力。在某些实施例中，可变力螺线管操作阀，也称为比例溢流阀，可以用于控制进入闩锁机构的压力。可变力螺线管阀是移位液压系统的一部分，可以进行液压控制。通常，可变力螺线管操作阀是打开的并且基于电流反馈来操作。电流与所需压力或节孔开口成正比，并通过电流传感器进行测量。可以基于控制调制电压来设置期望电流。
如上所述的，移位系统包括闩锁垫，以促进将移位系统闩锁或联接至完井产品移位轮廓。当将移位系统闩锁到完井产品移位轮廓上时，可能需要居中移位系统。目前已经认识到，通过使用双浮动毂机构来致动多组闩锁垫和/或锚固器臂，更好的居中度、更大的径向扩展比以及在进入和退出管件的故障安全条件都实现。图10是(移位系统272的)闩锁机构281的实施例的顶视图，该闩锁机构281具有三组连杆臂324和闩锁垫326。尽管在闩锁机构281的背景下讨论了图10，但是所公开的双重浮动毂机构可以与包括锚固系统的任何其他合适的维修工具一起使用，以将维修工具闩锁和/或锚固到管件。如下所述的，移位系统272包括双浮动毂机构以致动连杆臂324和闩锁垫326。所公开的双浮动毂机构可使用在相同压力线上操作的两个活塞。随着压力增加，活塞可移动至闩锁机构281的中心。活塞向移位系统272的中心的移动可激活连杆臂324，使得连杆臂324径向扩展或打开，直到闩锁垫326与被操纵的管件(例如，套管/油管)或阀移位轮廓特征接触。具有多于两个的连杆臂324可有助于使闩锁机构281居中，同时还减小径向力以保持闩锁机构281闩锁至管件或轮廓特征。因此，可以使用较小的力来拉动连杆臂324穿过管件。
如上所述的，维修工具，例如移位系统270、锚固系统274和线性致动器系统280，可以使用液压活塞来致动锚固/闩锁系统，该锚固/闩锁系统夹持或闩锁维修工具的至少一部分到管件，或提供轴向推/拉力。液压活塞在诸如使用重型设备移动大载荷的应用中会是有用的。通常，液压活塞由操作员控制，该操作员目视观察液压缸的伸展和位置并相应地操作控制机构。但是，这种方法可能不准确，并导致液压设备和所使用的工具损坏。此外，在操作者无法看到液压缸的操作中，不得使用操作者控制的液压活塞。因此，已经认识到，通过使用位移传感器来测量液压活塞在液压缸中的位置，可以减轻操作者控制的液压活塞的不良影响。
存在各种类型的位移传感器，其可以用于测量活塞在液压缸中的相对位置。但是，在恶劣环境中以适当程度的可靠性远程测量绝对位移的位移传感器可能是复杂且昂贵的。例如，本技术可以使用磁致伸缩传感器，该磁致伸缩传感器使用机械信号沿着封装在密封金属管中的一对细线的飞行时间。机械信号可能会基于致动器杆的机械特性从磁致伸缩引起的变化中反射回来。
可以使用的其他技术包括绝对旋转编码器，该绝对旋转编码器是感测旋转的传感器。平移到旋转转换通常使用可以从弹簧加载的鼓中解开的齿轮或电缆/带进行。绝对编码器往往会受到有限的范围和/或分辨率的影响。包括振动水平的恶劣环境通常不考虑绝对蚀刻的玻璃鳞片(scale)，部分原因是由于严格的对准要求、易脆裂性、不耐起雾和灰尘。此外，此特定技术可能需要将频率重新调零。
此外，用于通过随着时间将体积流量积分到缸中来计算缸的平移的红外位移技术可能会遇到一些困难。例如，采用这些特定技术的设备可以是增量的和/或需要频繁的手动测量变量以提供准确的位移测量。此外，对流量进行积分以确定位移可能会导致测量结果不准确，并受到流量测量传感技术的动态感测范围的限制。可能高于或低于动态感测范围的流量可能容易出错。因此，目前认识到，使用在液压缸内使用载荷单元和回弹弹簧来确定活塞相对于液压缸的位置的线性位移传感器可以减轻红外位移技术的不良影响并改善测量的准确性。在公开的实施例中，活塞的位移可以与弹簧的偏转相关。弹簧的偏转与压缩力成正比，可以使用载荷单元和处理信号单元测量液压活塞的位移。线性位移技术的当前实施例可以不限于井下工具和液压缸应用。所公开的系统和方法可以与其他载荷单元设备结合使用，并且弹簧、拉伸或压缩技术可以被用作位移传感器，如下面进一步详细描述的。
维修操作可以包括油井干预、储层评估和管道回收。当执行这些维修操作时，诸如工具26之类的维修工具可以下降到烃储层(例如，井眼30)中。对于某些传感器，烃储层的温度和压力可能高于阈值。例如，在某些实施例中，烃储层的压力和温度可以等于或高于大约20,000磅每平方英寸(psi)并且高于大约350℃。烃储层的压力和温度可以高于适合于使用具有小包装(例如，大约1.5英寸和3.5英寸，行程超过6英寸，并能够承受20,000psi静水压和温度高达约350°F的能力)的位移传感器的压力和温度。然而，通过使用具有载荷单元和弹簧的维修工具，使得可以将拉伸力和压缩力用作位移传感器，与某些现有技术相比，可以以更高的精度确定活塞杆相对于液压缸的位置。
如上所述的，液压缸是机械致动器，其可用于通过单向冲程施加单向力。液压缸可用于多种应用，特别是在建筑设备(工程车辆)、制造机械和土木工程中。诸如油之类的加压液压流体可以向液压缸提供动力。现在参考图11和图12，液压缸350包括缸筒352，其中连接到活塞杆360的活塞356相对于缸筒352来回移动。缸筒352在第一端362由缸底部364(也称为盖)封闭，缸筒352的第二端368由缸头370(也称为压盖)封闭，在该缸盖370上活塞杆360从液压缸350中出来。活塞356可包括滑动环和密封件，以阻止流体泄漏并维持压力。活塞356可将液压缸350的内部划分为两个室，即底部室374(盖端)和活塞杆侧室376(杆端/头端)。图11示出了处于未位移构造的活塞356。图12示出了处于位移构造的活塞356。
弹簧复位缸包括压缩弹簧382，如果没有压力施加到活塞356，该压缩弹簧382将活塞杆360驱动回一侧。在某些实施例中，不是使用压缩弹簧382，该弹簧可以是拉伸弹簧。活塞杆360的位移，ΔL，可以与弹簧382的偏转相关。活塞杆360的相对位移(ΔL)可以等于弹簧的初始长度(L0)386减去压缩长度L390，如图12所示。根据胡克定律，由压缩弹簧382施加的力与弹簧偏转ΔL成比例。比例常数k称为弹簧常数。它可以用等式表示为F＝kΔL，其中F是由压缩弹簧382施加的力，k是弹簧常数，而ΔL是弹簧偏转。
因此，可以通过测量由压缩弹簧382施加的压缩力F并通过使用弹簧常数k来推导活塞356和活塞杆360的位移(例如，ΔL)，其也是压缩弹簧382的偏转。弹簧常数可以取决于弹簧的几何形状和材料特性，并且可以使用通用公式来计算，并且通常由弹簧的制造商提供。因此，活塞杆360的位移ΔL等于由压缩弹簧F施加的力除以弹簧常数k，并相应地由以下等式表示：
ΔL＝F/k. (等式1)
在所示的实施例中，载荷单元394联接至液压缸350的压缩弹簧382以测量弹簧F的压缩力。载荷单元394可以是用于产生电信号的换能器，该电信号的大小与被测力成正比。可以根据以下等式表示电信号：
Vmeas＝αF (等式2)
其中F是施加的力，α是载荷单元增益常数，Vmeas是以伏特为单位产生的电信号。产生的信号与作用在载荷单元394上的复位压缩弹簧(例如，压缩弹簧382)的测得力成比例。压缩弹簧力与弹簧偏转成正比，弹簧偏转也就是活塞356和活塞杆360的位移ΔL。因此，由载荷单元394产生的电压与活塞杆360的位移成正比。电信号也可以根据以下等式表示：
Vmeas＝αkΔL (等式3)
其中Vmeas是载荷单元394以伏特为单位测量的电信号，α是载荷单元增益常数，k是弹簧常数，ΔL是活塞356和活塞杆360的位移。
可以使用诸如微控制器之类的信号处理单元来从载荷单元394获取所产生的电信号并计算活塞356和活塞杆360的位移。该位移可以从以下等式确定：
ΔL＝Vmeas/(αk) (等式4)
其中，ΔL是活塞杆的位移，Vmeas是由载荷单元394以伏特为单位测量的电信号，α是载荷单元增益常数，并且k是弹簧常数。在某些实施例中，活塞杆360的位移测量值可以被传输到用于显示的用户界面或另一电子系统。
在一实施例中，压缩弹簧382可以处于未压缩构造，使得活塞356的位置处于非压缩构造。由于锚固器机构的开口与活塞杆的位移成正比，因此最终使用此方法来测量锚固器机构的开口位移。
本实施例还包括一种方法，该方法用于可靠且准确地搜寻并闩锁维修工具270的移动系统272到完井产品移位轮廓特征中。图13是示出用于搜寻并闩锁移位系统(例如移位系统272)到完井产品移位轮廓中的方法410的实施例的过程流程图。如所示的，方法410包括将干预维修工具插入管件中(框412)并调整线性致动器系统以致动移位系统的闩锁机构(框414)。例如，如上所述的，线性致动器系统(例如，线性致动器系统280)展开并轴向平移移位系统的闩锁机构(例如，闩锁机构281)。线性致动器系统包括致动器杆(例如，致动器杆402)，其在第一方向上提供推力(例如，第一轴向输入力)以缩回闩锁机构，以及在与第一方向相反的第二方向上提供拉力(例如，第二轴向力输入力)以使闩锁机构伸出。通过调整线性致动器，维修工具的操作者可以将维修工具移动或固定在管件内。
在线性致动器系统的调整之后，方法410包括将移位系统定位在完井产品移位轮廓特征的下方或上方(框416)。一旦移位系统相对于完井产品移位轮廓特征定位，则方法410包括致动锚固系统的夹持机构(框418)。例如，如上所述的，锚固系统(例如，锚固系统274)将干预维修工具锚固/固定到管件(例如，管件32)。线性致动器系统可以将推力施加到夹持机构(例如，锚固器机构40)的径向扩展的锚固器臂(例如，锚固器臂42)，并将夹持机构置于打开位置。锚固器臂将径向力施加到管件的表面，从而将干预维修工具锚固到管件。
一旦将干预维修工具锚固到管件上，方法410包括致动闩锁机构并激活移位系统的搜寻模式(框420)。在搜寻模式期间，线性致动器系统将推/拉力施加到闩锁机构，以调整通过移位系统的闩锁机构施加到管件的径向力。这样，当闩锁机构响应于线性致动器系统施加的推/拉力而轴向平移时，闩锁机构是顺应性的并且可以促进导航穿过管件的各种内部特征。例如，管件的内部尺寸可以沿其长度变化。当干预维修工具在管件上上下移位以搜寻完井产品的移位轮廓时，闩锁长度(例如，闩锁臂324)可以扩展和缩回以调整由闩锁机构施加的径向力。以这种方式，移位系统可以导航穿过管件以定位顺应性产品移位轮廓。尽管在使用定位或搜寻完井闩锁轮廓的线性致动器系统的上下文中描述了所公开的方法，但是在某些实施例中，使用了缆线电缆或缆线牵引器。
方法410还包括监视闩锁事件(框422)。例如，干预维修工具可包括在移位系统上的一个或多个传感器(例如，压力传感器)，其检测何时移位系统的闩锁机构被闩锁在完井产品移位轮廓上。如本文所使用的，“闩锁事件”旨在表示其中闩锁机构被闩锁到完井部件闩锁或移位轮廓几何形状上的事件。
一旦已经检测到闩锁事件，则方法410包括激活移位系统的移位模式(框424)。在移位模式下，由闩锁机构施加的径向力增加，以将移位系统锁定到移位轮廓几何形状的完井部件闩锁。因此，在移位模式下，移位系统变成刚性系统而不是顺应系统，就像在搜寻模式下一样。在移位模式下，线性致动器展开以施加推力和/或拉力来移动移位轮廓特征几何形状，并因此分别打开或闭合移位轮廓特征几何形状(流动或隔离控制设备)。
在检测到闩锁事件并且移位系统被锁定到完井部件闩锁之后，该方法包括利用管件将移位轮廓特征几何形状移动到期望的位置(框426)。线性致动器系统可以在干预维修工具内移位，以将移位轮廓特征几何形状从第一位置移动到与第一位置不同的期望的第二位置。在某些实施例中，如果需要超过12英寸才能将移位轮廓特征几何形状移至第二位置并完成移位操作，则可以重新设置夹持机构。
方法410还包括确定移位轮廓特征几何形状的构造(框430)。例如，干预维修工具可以包括一个或多个传感器(例如，压力传感器)，其可以监视何时移位轮廓特征几何形状已经到达行进的结束(例如，第二位置)。移位轮廓特征几何形状的行进结束表示移位轮廓特征几何形状处于完全打开构造或完全闭合构造。
在确定移位轮廓特征几何形状的构造(例如，完全打开或完全闭合)之后，方法410包括闭合锚固系统的夹持机构和移位工具的闩锁机构(框432)并从管件上移除干预维修工具(框434)。
本质上，以上维修工具包括有助于井眼操作的井下干预的多个特征。所公开的系统和方法改进了维修工具闩锁至完井轮廓特征并将维修工具或锚固器保持在管件上的方式。管件可以是套管或井眼的一部分。另外，所公开的维修工具的特征可以促进展开和缩回诸如锚固工具和闩锁工具的维修工具的可移动部件。
已经通过示例的方式示出了上述特定实施例，并且应当理解，这些实施例可能易于进行各种修改和替换形式。应当进一步理解，权利要求书不旨在限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本公开的精神内的修改、等同形式和替代形式。

Claims (20)

1.一种构造为插入管件中的维修工具，该维修工具包括：
锚固系统，其中，该锚固系统包括：
主体，该主体具有第一端、第二端和在第一端和第二端之间沿主体的一部分延伸的开口；
夹持组件，该夹持组件容纳在主体内并联接到主体，该夹持组件构造成将维修工具的至少一部分锚固到管件，其中，夹持组件包括多个锚固器臂，该多个锚固器臂设置在开口内并构造成相对于主体移动；和
致动器，该致动器设置在主体的中心孔内并联接至夹持组件，其中，致动器构造成向夹持组件施加在第一方向上的第一轴向输入力和在与第一方向相反的第二方向上的第二轴向输入力，其中夹持组件的至少一部分响应于第一轴向输入力在第一方向上相对于主体移位，以将多个锚固器臂定位成径向扩展的锚固构造，并且其中夹持组件的该一部分响应于第二轴向输入力在第二方向上相对于主体移位，以将多个锚固器臂定位成径向收缩的构造。
2.根据权利要求1所述的维修工具，其中，多个锚固器臂包括联接至第一连杆的内垫；以及联接至第二连杆的外垫；以及定位成与外垫和内垫相邻的楔形件。
3.根据权利要求2所述的夹持组件，其中，楔形件在所述第二方向上相对于主体移位，并且其中外垫和内垫响应于第二轴向输入力而收缩并且径向地远离所述管件并且朝向所述主体移动。
4.根据权利要求1所述的维修工具，其中，夹持组件包括多个销，该多个销构造成串联地联接所述多个锚固器臂，使得多个锚固器臂中的每个锚固器臂联接至相邻的锚固器臂，其中，每个锚固器臂均构造为围绕相应的销相对于相邻的锚固器臂枢转。
5.根据权利要求4所述的维修工具，其中，多个销中的第一销在第一端处固定至主体，并且多个销中的位于主体的第二端处的第二销相对于主体是可移动的。
6.根据权利要求1所述的维修工具，其中，夹持组件包括第一枢轴基座，该第一枢轴基座固定到主体，邻近第一端；以及第二枢轴基座，该第二枢轴基座邻近第二端，其中，第二枢轴基座，其中多个锚固器臂的第一部分联接到第一枢轴基座，并且多个锚固器臂的第二部分联接到第二枢轴基座，以及其中第二枢轴基座被构造为响应于第一轴向输入力和第二轴向输入力而相对于主体移动。
7.根据权利要求1所述的维修工具，包括移位器组件，其中，该移位器组件包括闩锁机构，该闩锁机构构造成将维修工具闩锁到完井部件闩锁或移位轮廓几何形状。
8.一种构造为插入井孔中的维修工具，该维修工具包括：
移位器组件，其中该移位器组件包括：
闩锁机构，该闩锁机构包括多个闩锁长度，该多个闩锁长度构造成将所述维修工具的至少一部分闩锁到完井部件闩锁或移位轮廓几何形状；
第一活塞，该第一活塞在第一端处设置在维修工具的主体内；和
第二活塞，该第二活塞在与第一端相对的第二端处设置在维修工具的主体内，其中，第一活塞在主体内浮动，使得当维修工具在第一方向上移动完井部件闩锁时，第一活塞在第一端不与主体接触并且第二活塞在第二端触底，以及其中第二活塞在主体内浮动，使得当维修工具在与第一方向相反的第二方向上移动完井部件闩锁时，第二活塞在第二端不与主体接触并且第一活塞在第一端触底。
9.根据权利要求8所述的维修工具，包括液压系统，该液压系统构造成控制所述闩锁机构，所述液压系统包括联接至闩锁机构的液压动力单元，其中，该液压动力单元包括第一液压缸、第二液压缸、液压泵、压力传感器和多个阀，该多个阀构造成控制通过第一液压缸、第二液压缸或两者的流体的流动，其中第一活塞位于第一液压缸内，第二活塞位于第二液压缸内。
10.根据权利要求9所述的维修工具，其中，所述多个阀中的至少一个阀是可变力螺线管操作的阀。
11.根据权利要求9所述的维修工具，其中，第一活塞、第二活塞或两者均构造为响应于第一液压缸和第二液压缸的压力而将闩锁长度远离主体移动，以将维修工具闩锁到完井部件闩锁或移位轮廓几何形状。
12.根据权利要求8所述的维修工具，其中，闩锁机构包括键槽，该键槽构造成在将所述维修工具闩锁至所述完井部件闩锁或移位轮廓几何形状期间，与所述完井部件闩锁或移位轮廓几何形状上的互补特征接合。
13.一种用于将维修工具闩锁成移位轮廓几何形状的方法，所述移位轮廓几何形状设置在烃储层中的管件内，该方法包括：
定位包括锚固系统、移位系统和线性致动器系统的干预维修工具，以使移位系统位于移位轮廓几何形状的上方或下方，其中，移位轮廓几何形状设置在管件内的第一位置；
致动移位系统的闩锁机构，其中致动闩锁机构包括使用线性致动器系统将轴向输入力施加到闩锁机构，其中轴向输入力径向扩展或径向收缩该闩锁机构的闩锁长度，以及其中所述闩锁长度在被致动时施加径向力；
调整由闩锁长度施加的径向力以定位移位轮廓几何形状，其中当定位移位轮廓时，闩锁机构顺应于管件的内部尺寸；
将移位系统锁定到移位轮廓几何形状，其中增加由闩锁长度施加的径向力以将移位系统锁定到移位轮廓几何形状；
将移位轮廓几何形状定位在不同于第一位置的第二位置；和
在将移位轮廓几何形状定位在第二位置后，从管件中移除干预维修工具。
14.根据权利要求13所述的方法，包括在定位所述移位系统之后致动所述锚固系统的夹持机构，以将所述干预维修工具锚固至所述管件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，从所述管件中移除所述干预维修工具包括在所述移位轮廓几何形状定位之后，停用该闩锁机构和夹持机构。
16.根据权利要求15所述的方法，包括在停用该闩锁机构和夹持机构之前，使用一个或多个传感器来确定所述移位轮廓几何形状从第一位置到第二位置的行进的结束。
17.根据权利要求13所述的方法，包括当使用定位在所述移位系统上的一个或多个传感器来调整所述径向力以定位所述移位轮廓几何形状时，监视闩锁事件，其中该闩锁事件指示所述闩锁机构被闩锁到移位轮廓几何形状上。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述线性致动器系统包括线性致动器、缆线电缆或缆线牵引器。
19.根据权利要求13所述的方法，包括使用液压系统来控制所述闩锁机构，所述液压系统包括联接至所述闩锁机构的液压动力单元，其中所述液压动力单元包括具有第一活塞的第一液压缸、具有第二活塞的第二液压缸、液压泵、压力传感器和多个阀。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，第一活塞在所述干预维修工具的主体内浮动，使得当干预维修工具在第一方向上移动所述移位轮廓几何形状时，第一活塞在第一端不与主体接触并且第二活塞在第二端触底，以及其中第二活塞在主体内浮动，使得当干预维修工具在第二方向上移动所述移位轮廓几何形状时，第二活塞在第二端不与主体接触并且第一活塞在第一端触底。
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