CN114761662A - 用于将井下工具固定到壳体的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于将井下工具固定到壳体的系统包括围绕底架放置的多个线性波形弹簧。该线性波形弹簧具有小于或等于环形间隙的不受应力高度。这减少了将底架插入壳体所需的插入力。线性波形弹簧被压缩以增加施加到底架和壳体的径向力的量。

Description

用于将井下工具固定到壳体的系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年10月9日提交的题为“Systems For Securing A DownholeTool To A Housing”的美国临时申请No.62/912686的权益，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

井下工具在地下钻井应用期间用于各种应用。一些井下工具包括传感器、处理器、通信设备、泵、马达、可扩展工具等。井下工具通常位于插入壳体的底架(chassis)上。在钻井操作过程中，冲击、振动和其他载荷从钻头和井下钻井系统的其他区域传递到壳体。冲击和振动通过壳体传递到底架。用于将井下工具固定到壳体的机构决定了冲击、振动和其它载荷如何传递到井下工具，这可能影响井下工具的性能和使用寿命。

发明内容

在一些实施例中，用于稳定井下工具的系统包括壳体，该壳体具有穿过其中的孔。底架具有围绕底架的外周布置的至少一个线性波形弹簧。线性波形弹簧由支撑构件支撑在第一端上。在第一构造中，底架位于壳体的外部。在第二种构造中，底架被插入到壳体中。在第三构造中，位于线性波形弹簧的第二端处的压缩构件向线性波形弹簧施加压缩力。

在其他实施例中，用于稳定井下工具的系统包括壳体，该壳体具有穿过其中的孔。底架具有围绕底架的外周布置的多个线性波形弹簧。该多个线性波形弹簧包括受应力状态和不受应力状态。在第一构造中，底架和多个线性波形弹簧位于壳体外部并且处于不受应力状态。在第二构造中，底架和多个线性波形弹簧位于壳体内部并且处于不受应力状态。在第三构造中，多个线性波形弹簧被置于受应力状态，并且在受应力状态下，多个线性波形弹簧在壳体和底架上推动。

在又一实施例中，一种用于固定井下工具的方法包括围绕底架放置多个线性波形弹簧。底架被插入壳体中，并且平行于壳体的纵向轴线的压缩力被施加到多个线性波形弹簧。

提供该概要以介绍在详细描述中进一步描述的概念的选择。该概述不旨在识别所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用作帮助限制所要求保护的主题范围。本公开的实施例的附加特征和方面将在本文中阐述，并且部分地从描述中将是显而易见的，或者可以通过这些实施例的实践来了解。

附图说明

为了描述可获得本公开上述及其他特征的方式，将参考附图中所示的其具体实施例进行更具体的描述。为了更好地理解，在各个附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。虽然一些附图可能是概念的示意性或夸大的表示，但是至少一些附图可以按比例绘制。应当理解，附图描绘了一些示例性实施例，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释这些实施例，在附图中:

图1是根据本公开的至少一个实施例的井下钻井系统示意图；

图2是根据本公开的至少一个实施例的井下工具稳定系统的表示的局部分解图；

图3-1是根据本公开的至少一个实施例的井下工具稳定系统在第一构造和第二构造之间转换(transition)的示意图；

图3-2是根据本公开的至少一个实施例的处于第二和第三构造的图3-1所示井下工具稳定系统的示意图；

图4-1是根据本公开的至少一个实施例的井下工具稳定系统的表示的横截面图；

图4-2是图4-1的井下工具稳定系统的另一个截面图；

图4-3是图4-1的井下工具稳定系统的另一个截面图；

图5是根据本公开的至少一个实施例的井下工具稳定系统的截面图；

图6是根据本公开的至少一个实施例的另一井下工具稳定系统的截面图；和

图7是根据本公开的至少一个实施例的用于稳定井下工具的方法的表示。

具体实施方式

本公开总体上涉及用于将井下工具固定到壳体的设备、系统和方法。井下工具可以位于壳体中。壳体可以保护井下工具免受与其他井下元件的撞击、冲击、振动、钻井液的损坏，并且可以将井下工具连接到其他井下工具、钻柱的其余部分或钻头。井下工具可以位于底架上，并且底架插入壳体的孔中。底架可以用一个或多个弹性构件(例如线性波形弹簧)支撑在壳体的孔中。通常，线性波形弹簧具有的不受应力高度大于壳体和底架之间的环形间隙。因此，当底架插入壳体的孔中时，线性波形弹簧在插入壳体时的受应力高度小于不受应力高度。以这种方式，线性波形弹簧可以径向地推靠壳体和底架，这可以将底架固定到壳体并且为底架提供一定程度的振动和冲击保护。

为了安装传统的底架，并因此压缩线性波形弹簧的高度，底架以平行于壳体和底架的纵向轴线的插入力插入壳体的孔中。随着线性波形弹簧的高度减小，压缩线性波形弹簧的高度可以增加线性波形弹簧的长度。插入底架和压缩线性波形弹簧所需的纵向插入力非常大，可能需要专门的设备。类似地，移除底架和井下工具需要很大的移除力。高纵向插入/移除力使得在传统底架中接近井下工具(例如用于维修或数据检索)既耗时又昂贵。

具有大约等于或小于壳体和底架之间的环形间隙的不受应力高度的线性波形弹簧可以允许底架以显著较低的插入力安装。这可以显著更容易地插入和移除底架和井下工具，同时为底架和/或井下工具提供相同或更好的支撑。更容易接近底架和井下工具可以允许在工作现场的现场接近和/或维修井下工具。这可以为井下钻井操作节省时间和金钱。

为了将底架固定到壳体，一旦底架被插入，线性波形弹簧可以使用压缩构件被纵向压缩。在无限制环境中，线性波形弹簧的纵向压缩可能导致线性波形弹簧的长度减小。减小线性波形弹簧的长度可能导致屈曲(buckling)，或线性波形弹簧的至少一个波形的振幅(例如，高度)增加。在壳体和底架之间的环形空间的受限环境中，这可能导致线性波形弹簧的峰部推压壳体，而线性波形弹簧的谷部以更大的径向力推压底架。通过压缩线性波形弹簧，可以实现对壳体和底架的更大径向压力。

井下工具可以位于底架中。在一些实施例中，井下工具可以包括一个或多个电子板。例如，电子板可以包括一个或多个传感器、一个或多个处理器、通信设备、其他电子设备以及前述的组合。在一些实施例中，井下工具可以包括其他井下工具和组件，例如MWD、LWD、泥浆脉冲发生器、井下发电机、RSS、可扩展工具、其他井下工具以及前述的组合。

在一些实施例中，底架可以包括第一(例如，顶部)底架部分和第二(例如，底部)底架部分。多个线性波形弹簧围绕底架的外周布置。在一些实施例中，底架可以包括一个或多个波形弹簧槽，并且至少一个线性波形弹簧可以插入到波形弹簧槽中。在一些实施例中，每个线性波形弹簧可以插入波形弹簧槽中。在一些实施例中，线性波形弹簧可以围绕底架均匀地间隔开。底架可以通过来自相对的线性波形弹簧的组合的向内径向力压靠在壳体上。施加到壳体的向外径向力和施加到底架的向内径向力可以围绕底架的外周和壳体的内圆周相等或大致相等，从而将底架固定到壳体。底架和壳体之间的高径向力可以提高壳体和底架之间的冲击和振动的传递性。改进的冲击和振动传递性可以减少共振振动、底架相对于壳体的振动、底架相对于壳体的移动以及前述的组合。这可以提高井下工具的使用寿命和/或性能，从而通过减少所需更换的数量来节省操作者的时间和金钱。

在一些实施例中，底架和壳体可以是圆柱形的，或者具有圆形横截面。在一些实施例中，底架和壳体之一或两者可以是非圆柱形的。例如，底架和壳体中的一者或两者可具有正方形或矩形横截面。在其他示例中，底架和壳体中的一者或两者可具有任何形状的横截面，包括三角形、五边形、六边形、七边形、八边形、9边形、10边形或任何其它形状。当井下工具的结构需要非圆柱形工具时，可以使用非圆柱形底架和/或壳体。

在一些实施例中，线性波形弹簧由支撑构件支撑。支撑构件可以在第一端(例如，井上端处连接到线性波形弹簧。支撑构件可包括具有围绕缘边的槽的环。每个线性波形弹簧的第一端可以插入槽中。在一些实施例中，支撑构件可以连接到底架。例如，支撑构件可以拧入(thread)到底架上、焊接到底架上、与机械紧固件连接、与另一个连接件连接以及前述的组合。在一些实施例中，支撑构件可以连接到壳体。例如，支撑构件可以拧入到壳体中、焊接到壳体上、用机械紧固件连接到壳体上，以及前述的组合。在一些实施例中，支撑构件可以连接到底架和壳体两者。通过将支撑构件固定到壳体，可以将纵向压缩力施加到线性波形弹簧，并且支撑构件可以防止线性波形弹簧相对于壳体纵向移动。

在一些实施例中，用于将井下工具固定到壳体的系统包括至少三种构造。在第一构造中，底架位于壳体的外部。线性波形弹簧放置在底架周围并处于不受应力状态。在不受应力状态下，线性波形弹簧具有不受应力高度。这意味着线性波形弹簧不会受到拉伸、压缩或以其他方式具有施加到它们上的任何外力。

壳体具有壳体内径，并且底架具有底架外径。壳体内径和底架外径之差的一半是环形间隙。在一些实施例中，线性波形弹簧的不受应力高度小于或等于线性间隙。在一些实施例中，线性波形弹簧的不受应力高度与线性间隙大致相同。在一些实施例中，不受应力高度略大于环形间隙。在一些实施例中，不受应力高度是环形间隙的不受应力高度百分比。在一些实施例中，不受应力高度百分比可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括50％、75％、80％、85％、90％、92.5％、95％、97.5％、98％、99％、100％、100.5％、101％、101.5％、102％、103％、104％、105％、110％、115％、120％、130％、140％、150％中的任一个，或它们之间的任何值。例如，不受应力高度百分比可能大于50％。在另一个示例中，不受应力高度百分比可以小于150％。在又一些示例中，不受应力高度百分比可以是在50％和150％之间的范围内的任何值。在一些实施例中，不受应力高度百分比为100％或更小以使底架能够顺利安装到壳体中可能是关键的。

在第二构造中，底架被插入到壳体中。在插入壳体期间，线性波形弹簧保持不受应力。这意味着线性波形弹簧既不被压缩，也不被横向(例如，径向)或纵向拉长。换言之，第一构造和第二构造之间的转换不会在线性波形弹簧上施加任何径向压缩力。例如，线性波形弹簧的高度在第一构造中与在第二构造中相同。类似地，线性波形弹簧的长度在第一构造中与在第二构造中相同。因此，将底架插入壳体以在第一构造和第二构造之间移动所需的唯一力是将底架的质量和附接组件纵向移动到壳体中所需的力。这可以允许容易、简单和快速地将底架安装到壳体中。以这种方式，可以在现场接近底架和相关的井下工具。这可以在井下钻井操作期间节省操作员的时间和金钱。在一些实施例中，当线性波形弹簧具有的不受应力高度大于环形间隙时，可能需要一些力来插入底架。在这样的实施例中，线性波形弹簧的受压状态可能不足以将底架刚性地固定到壳体。此外，在这样的实施例中，与传统系统相比，将底架安装到壳体中可以相对容易、简单和快速。

在第三构造中，通过向线性波形弹簧施加压缩力将底架固定到壳体，从而将线性波形弹簧置于压缩状态。向线性波形弹簧施加压缩力可以导致线性波形弹簧的长度减小(即压缩)并推动(即施加径向压力)在底架和壳体上。因此，在第三构造和受压状态下，线性波形弹簧的长度可以小于第一构造和第二构造或不受应力状态下线性波形弹簧的长度。类似地，如果线性波形弹簧在第一和第二构造或不受应力状态下的高度小于底架和壳体之间的环形间隙，则第三构造中线性波形弹簧的高度可以大于第一和第二构造或不受应力状态下的线性波形弹簧的高度。

在一些实施例中，压缩构件可以将纵向(例如，压缩)力施加到多个线性波形弹簧。在一些实施例中，压缩力平行于壳体的纵向轴线。在一些实施例中，压缩构件可以包括压缩环。压缩环可以包括压缩环槽，线性波形弹簧的第二端插入到压缩环槽中。在一些实施例中，压缩环可以拧入到壳体中。当压缩环拧入到壳体中时，压缩环可以沿着壳体的长度行进。当支撑构件相对于壳体固定时，线性波形弹簧可随着压缩环相对于壳体移动而被压缩。在一些实施例中，压缩环可以通过活塞相对于壳体移动。例如，液压活塞可以推动压缩环以压缩线性波形弹簧。

在一些实施例中，压缩构件可以包括在线性波形弹簧的第二端处的压缩板。支撑构件可以包括在线性波形弹簧的第一端处的支撑板。一根或多个压缩杆可在支撑板和压缩板之间延伸。在一些实施例中，压缩杆可以包括机械紧固件，例如螺母。当螺母拧到压缩杆上时，螺母可以将压缩板推向支撑板，从而向线性波形弹簧施加压缩力。

在一些实施例中，压缩杆可以由形状记忆合金制成。井下工具支撑系统可以在加热温度下安装，并且形状记忆合金压缩杆在加热温度下可以具有第一长度的第一形状。当温度降低时，形状记忆压缩杆可以变成具有第二长度的第二形状。第二长度可以小于第一长度。因此，当温度降低时，形状记忆合金压缩杆可以压缩压缩构件和支撑构件之间的线性波形弹簧。

由于线性波形弹簧在第三构造中被压缩构件压缩，线性波形弹簧的长度可以减小。在一些实施例中，压缩构件可朝向底架纵向移动以压缩线性波形弹簧。因为支撑构件固定到壳体，所以随着压缩构件朝向底架移动，线性波形弹簧被压缩。在一些实施例中，在第二构造中，在底架和压缩构件之间存在压缩间隙。随着压缩构件朝向底架移动，压缩间隙可以减小。在一些实施例中，压缩构件可以移动到底架，使得压缩构件接触底架(例如，压缩间隙减小到零)。在一些实施例中，压缩构件可以朝向底架移动，使得压缩间隙仅部分闭合。因此，通过改变闭合的压缩间隙的量，可以调整线性波形弹簧上的压缩力的量，并因此调整施加到底架和壳体的径向力的量。这可以允许操作员定制或优化将底架连接到壳体的径向力，从而有助于提高井下工具的使用寿命。

在一些实施例中，线性波形弹簧的长度可以通过长度减少而减小。在一些实施例中，长度减少可以在具有下限值、上限值或下限和上限值的范围内，包括0.5毫米(mm)、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5毫米、4毫米、5毫米、6毫米、7毫米、8毫米、9毫米、10毫米中的任一个或它们之间的任何值。例如，长度减少可以大于0.5mm。在另一个示例中，长度减少可以小于10mm。在又一示例中，长度减少可以是0.5mm和10mm之间范围内的任何值。在一些实施例中，长度减少大于2mm以确保壳体和底架之间有足够的径向力可能是关键的。

当被压缩构件压缩时，线性波形弹簧的长度可以减小长度减小百分比，该百分比是基于线性波形弹簧长度的相对长度减小的百分比。在一些实施例中，长度减少百分比可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％中的任一个或它们之间的任何值。例如，长度减少百分比可以大于0.5％。在另一个示例中，长度减少百分比可以小于20％。在其他示例中，长度减少百分比可以是0.5％和20％之间范围内的任何值。在一些实施例中，长度减少百分比大于5％以确保壳体和底架之间有足够的径向力可能是关键的。

在一些实施例中，在第三构造中由压缩构件施加到线性波形弹簧的压缩力可以在具有下限值、上限值或下限和上限值的范围内，包括1千牛顿(kN)、2kN、3kN、4kN、5kN、6kN、7kN、8kN、9kN、10kN、12kN、14kN、15kN、17.5kN、20kN中的任一个或它们之间的任何值。例如，压缩力可以大于1kN。在另一个示例中，压缩力可以小于20kN。在又一示例中，压缩力可以是在1kN和20kN之间的范围内的任何值。在一些实施例中，压缩力大于7kN以确保足够的径向力被施加到壳体和底架可能是关键的。

对于每个线性波形弹簧，压缩线性波形弹簧会导致对底架的向内径向力和对壳体的向外径向力。在一些实施例中，径向力的大小可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括0.5kN、1.0kN、1.5kN、2.0kN、2.5kN、3.0kN、4.0kN、5.0kN、6.0kN、7.0kN、8.0kN、9.0kN、10kN、15kN、20kN中的任一个或它们之间的任何值。例如，径向力可能大于0.5kN。在另一个示例中，径向力可以小于20kN。在又一示例中，径向力可以是在0.5kN和20kN之间的范围内的任何值。在一些实施例中，径向力大于5kN以适当地固定底架并保护其免受冲击和振动损坏可能是关键的。

多个线性波形弹簧可以包括任何数量的线性波形弹簧，包括2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个线性波形弹簧。在一些实施例中，多个线性波形弹簧在壳体和底架上具有组合的径向力。这是由多个线性波形弹簧施加的径向力的总和。在一些实施例中，组合径向力可以在以下的范围内，包括1.0kN、2.0kN、2.5kN、5.0kN、6.0kN、7.0kN、8.0kN、9.0kN、10kN、15kN、20kN、30kN、40kN、50kN、75kN、100kN、150kN、200kN中任一个或它们之间的任何值。例如，组合径向力可能大于1.0kN。在另一个示例中，组合径向力可以小于200kN。在又一示例中，组合径向力可以是在1.0kN和200kN之间的范围内的任何值。在一些实施例中，组合径向力大于10kN以适当地固定底架并保护其免受冲击和振动损坏可能是关键的。

组合径向力具有与压缩力的力比。在一些实施例中，力比可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括5:1、4:1、3:1、2:1、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5中的任一个或它们之间的任何值。例如，力比可以大于5:1。在另一个示例中，力比可以小于1:5。在又一示例中，力比可以是在5:1和1:5之间的范围内的任何值。在一些实施例中，力比大于3:1对于适当地固定底架并保护其免受冲击和振动损坏可能是关键的。

在一些实施例中，一种用于固定井下工具的方法包括围绕底架放置多个波形弹簧。底架可以插入壳体中。将底架插入壳体中可以包括用插入力插入底架。在一些实施例中，插入力可以在具有下限值、上限值或下限和上限值的范围内，包括1牛顿(N)、50N、100N、150N、200N、250N、300N、350N、400N、450N、500N、600N、700N、800N、900N、1,000N中的任一个，或它们之间的任何值。例如，插入力可以大于1N。在另一个示例中，插入力可以小于1,000N。在又一些其他示例中，插入力可以是在1N和1,000N之间的范围内的任何值。在一些示例中，插入力可以是将底架、井下工具和线性波形弹簧的组合质量纵向移动到壳体中所需的力。在一些示例中，插入力可包括移动组合质量所需的力加上沿壳体滑动底架所需的任何摩擦力。在一些示例中，插入力可以不包括径向压缩一个或多个线性波形弹簧所需的力。

压缩力可以施加在多个波形弹簧上。压缩力可以平行于壳体的纵向轴线。施加压缩力可以包括使多个波形弹簧向壳体施加径向力。此外，施加压缩力可以包括将压缩构件拧入壳体中。在一些实施例中，施加压缩力可以包括将多个波形弹簧的长度减少至少3mm。

现在参考附图，图1示出了用于钻井地层101以形成井眼102的钻井系统100的一个示例。钻井系统100包括用于转动钻井工具组件104的钻机103，钻井工具组件104向下延伸到井眼102中。钻井工具组件104可包括钻柱105、井底组件(“BHA”)106和钻头110，钻头110附接到钻柱105的井下端。

钻柱105可包括钻杆108的多个接头(joint)，其通过工具接头109端对端地连接。钻柱105通过中心孔传输钻井液并将旋转动力从钻机103传输到BHA106。在一些实施例中，钻柱105还可包括附加组件，例如短节、短接头等。钻杆108提供液压通道，通过该液压通道从地面泵送钻井液。钻井液通过钻头110中选定尺寸的喷嘴、射流或其他孔口排出，目的是冷却钻头110和其上的切割结构，并在钻井时将钻屑从井眼102中提起。

BHA106可以包括钻头110或其他组件。示例性BHA106可以包括附加的或其他的组件(例如，联接在钻柱105和钻头110之间)。其他BHA组件的示例包括钻铤、稳定器、随钻测量(“MWD”)工具、随钻测井(“LWD”)工具、井下马达、扩孔器、型材铣刀(sectionmill)、液压断开设备、震击器、振动或阻尼工具、其他组件或前述的组合。

通常，钻井系统100可包括其他钻井组件和附件，例如特殊阀(例如，方钻杆旋塞、防喷器和安全阀)。包括在钻井系统100中的附加组件可以被认为是钻井工具组件104、钻柱105或BHA106的一部分，这取决于它们在钻井系统100中的位置。

BHA106中的钻头110可以是适用于破碎井下材料的任何类型的钻头。例如，钻头110可以是适合于钻井地层101的钻头。用于钻井地层的钻头的示例类型是固定切割器或刮刀钻头。在其他实施例中，钻头110可以是用于在井下去除金属、复合材料、弹性体、其他材料或它们的组合的磨机。例如，钻头110可以与造斜器一起使用以磨入衬在井眼102内的套管107中。钻头110也可以是用于磨掉井眼102内的工具、塞子、水泥、其他材料或其组合的垃圾磨机(junkmill)。通过使用磨机形成的切屑或其他切割屑可以被提升到地面，或者可以被允许落到井下。

图2是根据本公开的至少一个实施例的井下工具稳定系统212的表示的部分分解图。井下工具位于底架214内。在操作期间，底架214插入壳体216的孔中。多个线性波形弹簧218围绕底架214的外周定位。井下工具稳定系统212包括三种构造。在所示的构造或第一构造中，底架214和多个线性波形弹簧218位于壳体216的外部。例如，在井下工具稳定系统212的组装期间，底架214可以组装在壳体的外部。

在第二构造中，底架214被插入到壳体216中。为了将底架214插入到壳体中，底架214和壳体216沿着相同的纵向轴线220放置。插入力222，平行于纵向轴线220，被施加到底架214和/或壳体216以将底架214插入壳体216中。将底架214插入壳体216所需的插入力222可以通过选择线性波形弹簧218来减小，该线性波形弹簧具有小于或等于底架214和壳体216之间的环形间隙的高度。这可以减少将底架214安装在壳体216中所需的时间和精力。

图3-1是根据本公开的至少一个实施例的井下工具稳定系统312的示意图。在所示位置，底架314在底架314位于壳体316外部的第一构造和底架314位于壳体316的孔315内的第二构造之间转换。壳体316具有壳体内径324并且底架314具有底架外径326。壳体内径324和底架内径326之间的差异是环形空间。环形空间的一半是环形间隙328，它是底架314的外表面和壳体316的内表面之间的空间。

线性波形弹簧318具有不受应力高度330。不受应力高度330是当没有拉伸或压缩力施加到线性波形弹簧318时，线性波形弹簧318从线性波形弹簧318的谷部332到峰部334的高度。在一些实施例中，不受应力高度330是环形间隙328的不受应力高度百分比。在一些实施例中，不受应力高度百分比可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括50％、75％、80％、85％、90％、92.5％、95％、97.5％、98％、99％、100％、100.5％、101％、101.5％、102％、103％、104％、105％、110％、115％、120％、130％、140％、150％中的任一个或它们之间的任何值。例如，不受应力高度百分比可能大于50％。在另一个示例中，不受应力高度百分比可以小于150％。在又一示例中，不受应力高度百分比可以是在50％和150％之间的范围内的任何值。在一些实施例中，不受应力高度百分比为100％或更小以使底架能够顺利安装到壳体中可能是关键的。

当底架314插入壳体316中时，如果线性波形弹簧318的不受应力高度330大于环形间隙328，则可能需要平行于纵向轴线320的大插入力322以减小线性波形弹簧318的高度。如在所示实施例中，如果线性波形弹簧的不受应力高度330等于或小于环形间隙328，则需要低插入力322来将底架314插入壳体316中。低插入力322可以使组装井下工具稳定系统312变得容易。这可以允许操作员在现场拆卸和组装井下工具稳定系统312，从而减少在现场外组装它的时间和金钱。

在一些实施例中，插入力322可以在具有下限值、上限值或下限和上限值的范围内，包括1牛顿(N)、50N、100N、150N、200N、250N、300N、350N、400N、450N、500N、600N、700N、800N、900N、1,000N中的任一个，或它们之间的任何值。例如，插入力322可以大于1N。在另一个示例中，插入力322可以小于1,000N。在又一个示例中，插入力322可以是1N和1,000N之间范围内的任何值。在一些示例中，插入力322可以是将底架、井下工具和线性波形弹簧的组合质量纵向移动到壳体中所需的力。在一些示例中，插入力322可包括移动组合质量所需的力加上沿壳体滑动底架所需的任何摩擦力。在一些示例中，插入力322可以不包括径向压缩一个或多个线性波形弹簧所需的力。

图3-2是根据本公开的至少一个实施例的处于第二和第三构造的图3-1的井下工具稳定系统312的示意图。在第二构造中，底架314被插入壳体316中。在第三构造中，平行于纵向轴线320的压缩力336被施加到线性波形弹簧318。压缩力336可以导致无限制的线性波形弹簧318屈曲，或者峰部334和谷部332之间的距离增加。在壳体316和底架314之间的环形间隙328的范围内，压缩力336将导致向壳体316和底架314施加径向力(统称为338)。

径向力338包括抵靠壳体的向外径向力338-1和抵靠底架314的向内径向力338-2。向外径向力338-1和向内径向力338-1彼此相对以将底架314固定到壳体316。通过将压缩力336施加到线性波形弹簧318，可以将更大的径向力338施加到壳体316。更大的径向力338可以导致到底架314的更大的冲击和振动传递性，这可以防止底架314相对于壳体316的振动和移动，从而防止损坏位于底架内的井下工具。

在一些实施例中，施加到第三构造中的线性波形弹簧318的压缩力336可以在具有下限值、上限值、或下限值和上限值的范围内，包括1千牛顿(kN)、2kN、3kN、4kN、5kN、6kN、7kN、8kN、9kN、10kN、12kN、14kN、15kN、17.5kN、20kN中的任一个或它们之间的任何值。例如，压缩力336可以大于1kN。在另一个示例中，压缩力336可以小于20kN。在又一示例中，压缩力336可以是在1kN和20kN之间的范围内的任何值。在一些实施例中，压缩力336大于7kN以确保施加足够的径向力338以将底架314固定到壳体316可能是关键的。

对于每个线性波形弹簧318，压缩线性波形弹簧318导致抵靠底架314的向内径向力338-2和抵靠壳体的向外径向力338-1。在一些实施例中，径向力的大小(统称为338)可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括0.5kN、1.0kN、1.5kN、2.0kN、2.5kN、3.0kN、4.0kN、5.0kN、6.0kN、7.0kN、8.0kN、9.0kN、10kN、15kN、20kN中的任一个或它们之间的任何值。例如，径向力338可以大于0.5kN。在另一个示例中，径向力338可以小于20kN。在又一示例中，径向力338可以是在0.5kN和20kN之间的范围内的任何值。在一些实施例中，径向力338大于5kN以适当地固定底架并保护其免受冲击和振动损坏可能是关键的。

多个线性波形弹簧318在壳体316和底架314上具有组合径向力338。这是由多个线性波形弹簧318施加的各个径向力338的总和。在一些实施例中，组合径向力338可以在以下的范围中，包括1.0kN、2.0kN、2.5kN、5.0kN、6.0kN、7.0kN、8.0kN、9.0kN、10kN、15kN、20kN、30kN、40kN、50kN、75kN、100kN、150kN、200kN中的任何一个或它们之间的任何值。例如，组合径向力338可以大于1.0kN。在另一个示例中，组合径向力338可以小于200kN。在又一示例中，组合径向力338可以是在1.0kN和200kN之间的范围内的任何值。在一些实施例中，组合径向力338大于10kN以适当地固定底架并保护其免受冲击和振动损坏可能是关键的。

组合径向力338具有与压缩力336的力比。在一些实施例中，力比可以在具有下限值、上限值或下限和上限值的范围内，包括5:1、4:1、3:1、2:1、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5中的任一个或它们之间的任何值。例如，力比可以大于5:1。在另一个示例中，力比可以小于1:5。在又一示例中，力比可以是在5:1和1:5之间的范围内的任何值。在一些实施例中，力比大于3:1对于适当地固定底架并保护其免受冲击和振动损坏可能是关键的。

图4-1是根据本公开的至少一个实施例的井下工具稳定系统412的截面图。在所示实施例中，井下工具稳定系统412处于第二和第三构造。换言之，底架414插入到壳体416中。多个线性波形弹簧418在多个线性波形弹簧418的第一端442处连接到支撑构件440。支撑构件440纵向固定多个线性波形弹簧418到壳体416。因此，当压缩力436被施加到多个线性波形弹簧418时，支撑构件440防止多个线性波形弹簧418纵向移动。这允许多个线性波形弹簧418响应于压缩力而被压缩并且因此向壳体416施加径向力。

在所示的实施例中，支撑构件440是通过螺纹连接纵向固定到壳体416的环形环。线性波形弹簧418的第二端446插入支撑构件440的端部中的环443中。以该方式，当支撑构件440被拧入壳体416时，线性波形弹簧418的第二端446可以沿着环443滑动。

图4-2是根据本公开的至少一个实施例的处于第二构造的图4-1的井下稳定系统412的截面图。压缩构件444连接到线性波形弹簧418的第二端446。在所示视图中，井下稳定系统412处于第二构造。换言之，压缩构件444不向线性波形弹簧418施加压缩力。因为图4-1中所示的支撑构件440不相对于壳体416移动(例如，固定)，因为压缩当构件444朝向底架414移动时，线性波形弹簧418被压靠在支撑构件440上。

在底架414的第二端447和压缩构件444的底部之间存在压缩间隙448。压缩间隙448是线性波形弹簧418可以被压缩的纵向距离。换言之，线性波形弹簧418的不受应力长度(如图4-2所示)长于线性波形弹簧418的应力长度(如图4-3所示)。随着压缩构件444朝向底架414移动，线性波形弹簧418的长度减小，从而向线性波形弹簧施加压缩力。

图4-3是根据本公开的至少一个实施例的处于第三构造的图4-1的井下稳定系统412的截面图。在所示的位置，压缩构件444已经向底架414移动。这已经闭合了压缩间隙448，使得压缩构件444接触底架414。通过闭合压缩间隙448，线性波形弹簧418已经减小长度。在所示的实施例中，压缩构件444拧入壳体416中。通过在壳体416的螺纹中旋转压缩构件444，压缩构件444可朝向底架414移动，从而压缩线性波形弹簧418。

在一些实施例中，线性波形弹簧418的长度可以通过长度减少而减小。在一些实施例中，长度减少可以在具有下限值、上限值或下限和上限值的范围内，包括0.5毫米(mm)、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm中的任一个或它们之间的任何值。例如，长度减少可以大于0.5mm。在另一个示例中，长度减少可以小于10mm。在又一示例中，长度减少可以是0.5mm和10mm之间范围内的任何值。在一些实施例中，长度减少大于2mm以确保壳体和底架之间有足够的径向力可能是关键的。

当被压缩构件压缩时，线性波形弹簧418的长度可以减小长度减少百分比，该百分比是基于线性波形弹簧长度的相对长度减少的百分比。在一些实施例中，长度减少百分比可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％中的任一个或它们之间的任何值。例如，长度减少百分比可以大于0.5％。在另一个示例中，长度减少百分比可以小于20％。在其他示例中，长度减少百分比可以是0.5％和20％之间范围内的任何值。在一些实施例中，长度减少百分比大于5％以确保壳体和底架之间有足够的径向力可能是关键的。

图5是根据本公开的至少一个实施例的底架514的横截面。在所示的实施例中，底架514包括第一底架部分514-1和第二底架部分514-2。六个线性波形弹簧518布置在底架514周围。在所示实施例中，线性波形弹簧围绕第一底架部分514-1和第二底架部分514-2等间距放置。每个线性波形弹簧位于底架514的外表面中的波形弹簧槽549中。夹在第一底架部分514-1和第二底架部分514-2之间的是井下工具支撑构件550。井下工具支撑件构件550支撑第一电子板552-1和第二电子板552-2。

当线性波形弹簧518被置于受应力状态时(例如，当线性波形弹簧518被压缩时)，线性波形弹簧518可导致第一底架部分514-1和第二底架部分514-2抵靠壳体彼此推动，从而使井下工具支撑构件550处于压缩状态。这可以将井下工具支撑构件550和附接的电子板552-1、552-2固定到底架514。由压缩线性波形弹簧518可能增加的径向力可以更牢固地连接井下工具支撑构件及电子板552-1、552-2到底架514，这可以提高电子板552-1、552-2的性能。

图6是根据本公开的至少一个实施例的井下工具支撑系统612的表示的横截面图。在所示实施例中，多个压缩条654延伸底架614的长度。多个线性波形弹簧618连接到支撑构件640和压缩构件644。压缩构件644包括一个或多个板656，压缩条654延伸穿过该一个或多个板。

压缩条654由形状记忆合金制成。因此，压缩条654在低温下具有第一形状和/或长度，在高温下具有第二形状和/或长度。第二长度比第一长度长。因此，如果井下工具支撑系统612在高温下组装，当井下工具支撑系统612降低到低温时，压缩条654的长度会减小，从而在支撑构件640和压缩构件644之间施加压缩力。压缩构件644和支撑构件640可以将该压缩力传递到线性波形弹簧618，这可以导致线性波形弹簧618的长度减小并对底架614和壳体616施加径向力。

图7是根据本公开的至少一个实施例的用于固定井下工具的方法760的表示。方法760包括在762处围绕底架放置多个波形弹簧。在764处可将底架插入壳体中。将底架插入壳体中可包括以一插入力插入底架。在一些实施例中，插入力可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括1牛顿(N)、50N、100N、150N、200N、250N、300N、350N、400N、450N、500N、600N、700N、800N、900N、1,000N中的任一个或它们之间的任何值。例如，插入力可以大于1N。在另一个示例中，插入力可以小于1,000N。在又一些其他示例中，插入力可以是在1N和1,000N之间的范围内的任何值。在一些示例中，插入力可以是将底架、井下工具和线性波形弹簧的组合质量纵向移动到壳体中所需的力。在一些示例中，插入力可包括移动组合质量所需的力加上沿壳体滑动底架所需的任何摩擦力。在一些示例中，插入力可以不包括径向压缩一个或多个线性波形弹簧所需的力。

在766处，压缩力可以施加在多个波形弹簧上。压缩力可以平行于壳体的纵向轴线。施加压缩力可以包括使多个波形弹簧向壳体施加径向力。此外，施加压缩力可以包括将压缩构件拧入壳体中。在一些实施例中，施加压缩力可以包括将多个波形弹簧的长度减少至少3mm。

用于固定井下工具的系统的实施例已经主要参考井眼钻井操作进行了描述；在此描述的用于固定井下工具的系统可以用在除了井眼的钻井之外的应用中。在其他实施例中，根据本公开的用于固定井下工具的系统可以在井眼之外使用或者可以在用于勘探或生产自然资源的其他井下环境中使用。例如，本公开的用于固定井下工具的系统可以用在用于放置公用管线的钻孔中，或者可以用在生产系统的井下。因此，术语“井眼”、“钻孔”等不应被解释为将本公开的工具、系统、组件或方法限制于任何特定的行业、领域或环境。

本文描述了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。此外，为了提供对这些实施例的简明描述，并非实际实施例的所有特征都可以在说明书中描述。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，将做出许多特定于实施例的决策以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统相关和与业务相关的约束，这可能因实施例而异。此外，应当理解，这样的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来说，仍然是设计、制作和制造的常规工作。

此外，应当理解，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列举的特征的附加实施例的存在。例如，关于本文中的实施例描述的任何元素可以与本文中描述的任何其他实施例的任何元素组合。本文所述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及“大约”或“近似”所述值的其他值，如本公开的实施例所涵盖的本领域普通技术人员将理解的。因此，所述值应被解释得足够宽泛，以涵盖至少足够接近所述值以执行所需功能或实现所需结果的值。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的值。

本领域普通技术人员应当认识到，鉴于本公开，等效结构不脱离本公开的精神和范围，并且可以对在此公开的实施例进行各种变化、替换和变型，而不脱离本公开的精神和范围。包括功能性“设备加功能”条款的等效结构旨在覆盖本文描述为执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物和提供相同功能的等效结构。申请人的明确意图是不对任何权利要求援引“设备加功能”或其他功能声明，但“用于...的设备”一词与相关功能一起出现的权利要求除外。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改都将包含在权利要求中。

如本文所用，术语“大约”、“约”和“基本上”表示接近所述量的量，该量在标准制造或工艺公差内，或其仍执行所需功能或实现所需结果。例如，术语“大约”、“约”和“基本上”可以指小于所述量的5％、小于1％内、小于0.1％内和小于0.01％内。进一步地，应当理解，前述描述中的任何方向或参考系仅是相对的方向或运动。例如，对“上”和“下”或“上方”或“下方”的任何引用仅是对相关元素的相对位置或移动的描述。

在不背离其精神或特征的情况下，本公开可以以其他特定形式实施。所描述的实施例被认为是说明性的而不是限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是由前述描述表示。在权利要求等效的含义和范围内的变化将被包含在其范围内。

Claims (20)

1.一种用于稳定井下工具的系统，包括：

壳体，该壳体具有穿过其中的孔；

底架；

围绕底架的外周布置的多个线性波形弹簧，该多个线性波形弹簧由支撑构件支撑在第一端上；

第一构造，其中底架和多个线性波形弹簧位于壳体的外部；

第二构造，其中底架和多个线性波形弹簧插入壳体中；和

第三构造，其中在多个线性波形弹簧的第二端处的压缩构件向所述多个线性波形弹簧施加压缩力。

2.根据权利要求1所述的系统，第一构造中的多个线性波形弹簧的第一长度小于第二构造中的多个线性波形弹簧的第二长度。

3.根据权利要求1所述的系统，第一构造中的多个线性波形弹簧的第一高度与第二构造中的多个线性波形弹簧的第二高度相同。

4.根据权利要求1所述的系统，底架包括第一底架部分和第二底架部分，并且其中在第三构造中，第一底架部分通过来自多个线性波形弹簧的组合的向内径向力压靠在第二底架部分上。

5.根据权利要求1所述的系统，所述支撑构件被拧入所述壳体中。

6.根据权利要求1所述的系统，所述压缩构件被拧入所述壳体中。

7.根据权利要求1所述的系统，在第三构造中，所述压缩构件对所述多个线性波形弹簧施加12千牛顿(kN)的压缩力。

8.根据权利要求1所述的系统，在第三构造中，多个线性波形弹簧对所述壳体施加径向力，并且所述压缩构件向多个线性波形弹簧施加压缩力，所述压缩力与所述径向力的力比约为1。

9.根据权利要求1所述的系统，所述壳体是非圆柱形的。

10.根据权利要求1所述的系统，所述压缩构件包括位于壳体的孔中的板、在所述板和所述支撑构件之间延伸的杆，该杆在所述压缩构件和所述支撑构件之间施加压缩力。

11.一种用于稳定井下工具的系统，包括：

壳体，该壳体具有穿过其中的孔；

底架；

围绕底架的外周设置的多个线性波形弹簧，该多个线性波形弹簧包括受应力状态和不受应力状态；

第一构造，其中底架和多个线性波形弹簧位于壳体的外部并且多个线性波形弹簧处于不受应力状态；

第二构造，其中底架和多个线性波形弹簧被插入到壳体中并且多个线性波形弹簧处于不受应力状态；和

第三构造，其中所述多个线性波形弹簧被置于受应力状态，并且其中在所述受应力状态下，所述多个线性波形弹簧中的每个线性波形弹簧都推动所述壳体和所述底架。

12.根据权利要求11所述的系统，所述多个线性波形弹簧包括处于不受应力状态的不受应力高度和处于受应力状态的受应力高度，所述不受应力高度等于或小于所述受应力高度。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，第一构造和第二构造之间的转换不径向地压缩所述多个线性波形弹簧中的一线性波形弹簧。

14.根据权利要求11所述的系统，所述多个线性波形弹簧中的一线性波形弹簧对所述壳体和所述底架施加至少2千牛顿(kN)的力。

15.根据权利要求11所述的系统，所述多个线性波形弹簧包括在第一构造中的不受应力长度和在第二构造中的受应力长度，所述不受应力长度比所述受应力长度长。

16.一种用于固定井下工具的方法，包括：

在底架周围放置多个线性波形弹簧；

将底架插入壳体中；

将多个线性波形弹簧插入壳体中；和

在将底架和多个线性波形弹簧插入壳体之后，对多个线性波形弹簧施加压缩力，该压缩力平行于壳体的纵向轴线。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，施加所述压缩力包括使所述多个线性波形弹簧向所述壳体施加径向力。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，施加所述压缩力包括将压缩构件拧入所述壳体中。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述底架插入到所述壳体中包括以在0和250N之间的力来插入所述底架。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，施加所述压缩力包括将所述多个线性波形弹簧的长度减小至少3mm。

Images