CN115552095A - 液压锁定工具 - Google Patents

Abstract

公开了一种井下工具和使用方法。井下工具具有可在液压压差的作用下在工具主体内滑动的套管组件。套管组件具有控制套环部，并且在控制套环部的第一端与主体之间设有了第一液压储存器，并且在控制套环部的第二端与主体之间设有第二液压储存器。在第一储存器和第二液压储存器之间延伸有排放导管和设有横设排放导管的机电控制阀，机电控制阀用于调节沿着排放导管的流体流动。机电控制阀可以与传感器通信，控制系统通过传感器传输到控制阀。

Description

液压锁定工具

技术领域

本发明涉及一种具有致动机构的井下工具，致动机构具有可选择性地锁定的液压活动构件。

背景技术

在石油和天然气行业，钻井作业为油气储量提供钻井。

与此类井相关的钻井、完井、维护和开采作业需要使用各种各样的设备在工作管柱上进入井内。这类设备通常包括机械工具，机械工具必须远离地面控制，例如在一个或多个状态之间切换该装置。

许多这样的操作需要流体循环到井的特定部分，例如钻井液，蒸汽或化学处理剂。流体通常通过工作管柱进行泵送。

对一些工具的控制可以使用工作管柱中的流体来实现，通过将例如球或镖(dart)的物体落入工作管柱中以选择性地阻塞工具的孔并施加背压以致动机构。例如，球可以落在座上，并且压力可以使座和相关联的套管向下移位或重新引导流体，以致动可操作地连接于套管的机构。许多工具使用这种通用致动装置，包括例如具有可通过移动套管而打开的循环端口的循环工具；或具有扩孔构件或清洁构件的扩孔器或清洁/刮削工具，通过移动套管来致动扩孔构件或清洁构件。

通过选择性地阻塞钻柱的钻孔来操作的工具的其中一个问题在于，钻孔随后不能用于其他操作。这可以通过将球或镖吹过孔来解决，但是由于典型的井只能容纳有限数量的此类物体，这又通常需要将球或镖抓住并收回，或者钻穿。

另一问题是，期望在单个工作管柱上运行多个工具，以最小化行程的次数。在若干工具通常具有相同的致动原理的情况下，这可能限制可一起运行的工具数量，从而增加井下作业的总时间和成本。

US2010/089583描述了一种扩孔工具，其中中心活塞被液压移动以利用工具的铣臂(milling arms)。在活塞和工具主体之间设有腔室，腔室由压力密封件分成上部和下部。当活塞移动时，流体通过通道在腔室的上部和下部之间流出，以适应其变化的容积。在通道中设有电磁阀，驱动电磁阀以打开通道并允许活塞移动。然而，这种布置占据了工具的相当大的径向厚度。

仍然需要一种致动或控制井下工具的装置来解决或减轻这些问题中的一个或多个。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种井下工具，井下工具包括：

主体，所述主体具有通孔；

套管组件，所述套管组件在液压压力和/或偏置装置的作用下在主体内在第一位置和第二位置之间滑动；

并且所述主体包括围绕套管组件设置的控制套环部；

其中在所述套管组件与所述主体之间设有第一液压储存器，所述控制套环部具有第一端和第二端，所述第一液压储存器位于所述控制套环部的所述第一端与所述主体上方，并且在所述套管组件与所述主体之间设有第二液压储存器，所述第二液压储存器位于所述控制套环部的所述第二端与所述主体下方；

其中控制套环部还包括：

排放导管，所述排放导管在所述第一液压储存器和所述第二液压储存器之间大体纵向延伸；和

横设在排放导管的机电控制阀，所述机电控制阀设置成用于调节沿着所述排放导管的流体流动。

第一液压储存器、排放导管和控制阀、以及第二液压储存器沿井下工具纵向间隔开。当控制阀打开时，储存器中的流体能够通过第一液压储存器和第二液压储存器之间的排放导管，以允许套管组件在液压压力和/或弹性偏压的作用下在第一位置和第二位置之间移动。当控制阀关闭时，流体不能在第一液压储存器和第二液压储存器之间通过，并且它们的体积不能变化。控制阀的打开和关闭由此可用于调节套管组件的移动。另外，控制阀可以关闭，以便将套管液压锁定在适当位置。此外，控制套环部，特别是排放导管和控制阀以及这些液压储存器的纵向布置是径向紧凑的。

本文中提及的在第一液压储存器和第二液压储存器之间纵向延伸的排放导管不同于现有技术布置，其中导管径向位于任何这种的缸或液压储存器的外部。也就是说，第一液压储存器和第二液压储存器可以具有围绕井下工具的纵向轴线的内部径向尺寸和外部径向尺寸，其中排放导管不会径向地通过沿其长度的任何部分的内部尺寸的内侧或外部尺寸的外侧。

控制套环部可包括整个排放导管。

第一液压储存器可以限定在控制套环部的第一端和主体之间。第二液压储存器可以限定在控制套环部的第二端和主体之间。

第一液压储存器和第二液压储存器可以部分地由套管组件的相邻表面限定。

井下工具可以包括一个或多个传感器，一个或多个传感器配置成用于检测信号或一系列信号。机电控制阀可以与一个或多个所述传感器通信，并且可操作机电控制阀以在所述一个或多个传感器检测到一个或多个预定的控制信号时打开和/或关闭。

井下工具可以包括任何合适的传感器或传感器的组合。井下工具可以包括一个或多个传感器，一个或多个传感器配置成用于检测井下条件，例如压力、流速以及温度等。井下工具可以包括压力传感器、流量传感器、加速度计、声学传感器等。

因此，其中井下工具包括压力和/或流量传感器，对机电控制阀的控制可能从表面受到泵送的影响，以便增加通孔中的流体静压力和/或在通孔中和/或工具外部产生流体流动。其中井下工具包括加速度计，对机电控制阀的控制可能受到纵向地或旋转地移动井下工具的影响；在使用中，受到敲击或旋转井下工具所连接的工作管柱的影响。

在一些实施例中，机电控制阀连接到或可连接到线缆，并且在使用中，控制信号可经由线缆传输。

井下工具还可以包括控制系统，控制系统配置为打开和关闭控制阀。控制系统可以与机电控制阀和所述一个或多个传感器或线缆通信，视情况而定。

应当理解，机电控制阀或特别是控制系统可以配置成响应于这些控制信号的组合和/或来自至少一个传感器的信号的组合，以帮助消除机电控制阀的任何不期望的致动。

在一些实施例中，例如，井下工具包括加速度计，加速度计配置成检测旋转信号，并且控制系统配置成响应于由预定时间间隔分开的一系列两个或更多个旋转和/或反向旋转的周期来致动机电控制阀。

对于本领域技术人员来说，实现控制系统对机电控制阀的这种控制所需的处理资源或逻辑控制是已知的。

通过作用在套管组件和主体之间的弹性偏压构件(或多个弹性偏压构件)，套管组件可以朝向第一位置和第二位置的其中一个弹性偏压。例如，在第一液压腔室和/或第二液压腔室中可设有弹簧件或其他合适的弹性偏压构件。弹性偏压可以在第一液压储存器和/或第二液压储存器内的相对的边沿或搁板(例如环形边沿)之间，或在本领域中已知的任何其他合适的构造之间。可以设有一个或多个弹性偏压构件，以在井下工具内除液压储存器之外的其他地方的主体和套管组件之间起作用。

套管组件可以在通孔内的流体静压力的作用下滑动，也就是说，在通孔和井下工具主体的外部之间有静压差。因此，可以通过对通孔加压来移动套管。

在一些实施例中，第一液压储存器可以与通孔连通并且第二液压储存器可以与主体的外部连通(例如通过穿设于主体的一个或多个排放口)。在使用中，可以对通孔加压以在通孔与主体的外部之间产生压力差，从而使套管组件朝向该第二位置移位(当控制阀打开时)。

工具还可以包括第一三级液压储存器和/或第二三级液压储存器，第一三级液压储存器和/或第二三级液压储存器至少部分地限定在套管组件和主体之间，第一三级液压储存器和/或第二三级液压储存器分别位于第一液压储存器和第二液压储存器的上方和下方。

第一三级液压储存器可以与通孔连通。第二三级液压储存器可以与主体的外部连通。第一和第二三级液压储存器的设置将第一和第二液压储存器与通孔或井中的流体分离，并且可以防止碎屑或化学处理剂进入第一和第二液压储存器，否则在某些井下应用中，碎屑或化学处理剂可能导致排放导管和控制阀的堵塞或损坏。

第一三级液压储存器的上端可以是至少部分开口的。第一三级液压储存器可以通过穿设于套管组件的一个或多个压力端口与通孔连通。

第一三级液压储存器可以通过第一平衡活塞与第一液压储存器分离。

第一平衡活塞可以与套管组件的相邻部分一体地形成，或者第一平衡活塞可以固定于套管组件的相邻部分。例如，第一平衡活塞可以总体上形成为围绕套管组件的套环，套环由固位螺钉、螺栓等部件来约束。

第一平衡活塞可相对于套管组件和主体在第一上端部止动件和第一下端部止动件之间滑动。这种滑动的关系可以提供一定程度的阻尼。

第二三级液压储存器可以通过第二平衡活塞与第二液压储存器分离。第二平衡活塞可以与套管组件的相邻部分一体形成，或者第二平衡活塞可以固定于套管组件的相邻部分。

第二平衡活塞可相对于套管组件和主体在第二上端部止动件和第二下端部止动件之间滑动。

套管组件可以在动态压差的作用下滑动。套管组件可以在动态压差的作用下沿着井下工具(即纵向地)滑动。套管组件可以通过由套管组件限定的通孔内的限流件在动态压差的作用下滑动。

流过通孔的流体产生足以移动套管组件的动态压差。

通孔长度的至少一部分可以由套管组件限定。由套管组件限定的通孔的至少一部分，并且在一些实施例中由套管组件限定的通孔的所有部分可以具有小于工作管柱的上游部分的直径，不管该上游部分是井下工具的上游部分，还是井下工具管状上游的一段等。

提供以下各项：限流件；第一液压储存器(或视情况而定的第一三级液压储存器)与通孔的连通；以及第二液压储存器(或视情况而定的第二三级液压储存器)与主体外部的连通；使套管组件在通孔中的流体静压力或动态压差的作用下移动，如本文所公开的。

本领域技术人员将理解，流体的泵送可增加井下工具中的流体静压力并产生动态压降。因此，当泵送流体时，提供第二液压储存器或第二三级液压室与工具外部的连通可以更好地促进套管组件的移动。例如，这可以允许相对最小的流量限制，以便通过对流经工具的流体进行泵送或进行循环来移动套管组件。

控制套环部可以与主体的相邻部分一体形成。控制套环部可以附接至主体，例如通过螺纹穿过主体至控制套环部中的锁键或通过任何其他合适的装置(例如焊接，平头螺钉或管路)。

第一液压储存器和第二液压储存器可以部分地由控制套环部的上端和下端、以及套管组件的相邻表面限定。控制套环部可以包括向外径向延伸的第一凸缘部分和第二凸缘部分，其中第一凸缘部分的上表面限定第一液压储存器的下端；并且其中第二凸缘部分的下表面限定第二液压储存器的上端。

控制套环部，特别是控制套环部的第一凸缘部分和第二凸缘部分可以设有一个或多个密封件，用于密封主体的内表面，例如一个或多个O形圈。控制套环部可以包括一个或多个内密封件，用于在控制套环部与套管组件的相邻部分之间可滑动地密封，例如压力密封件。

排放导管可大致纵向地延伸穿设于控制套环部的一个或多个部分。第一凸缘部分和第二凸缘部分可以包括排放导管的上端区域和下端区域。排放导管的中间区域可以由一个或多个液压管路限定，液压管路可选择地连接到这些凸缘部分(例如通过螺纹压缩配件)，或者延伸穿过这些凸缘部分。机电控制阀可以连接于一个或多个液压管路。

控制套环部可以包括位于控制套环部的上端与下端之间的一个或多个凹部，或者一个或多个直径减小部分。控制套环部可以包括位于第一凸缘部分与第二凸缘部分之间的一个或多个凹部，或者一个或多个直径减小部分。

凹部或者直径减小部分设有用于容纳附加装备的空间。至少排放导管的中间区域可位于凹部或者直径减小部分中。在一些实施例中，机电控制阀位于凹部或直径减小部分中。在一些实施例中，控制系统可以位于凹部或直径减小部分中。

如上所述，机电控制阀可以由来自地面的线缆供电并通过线缆控制。

然而，在一些实施例中，机电控制阀是电池供电的。因此，井下工具可包括电池组。控制套环部可包括电池组。电池组可位于控制套环部的凹部或直径减小部分中。

在存在的情况下，控制系统和一个或多个传感器通信于电池组并由电池组供电。

套管组件在第一位置和第二位置之间的移动可使井下工具在停用状态和启动状态之间变化。

井下工具可以包括一个或多个循环端口。套管组件在第一位置和第二位置之间的移动可以打开和关闭一个或多个循环端口(即，在停用(关闭)和启动(打开)之间改变端口)。

套管组件可包括一个或多个套管端口，套管端口与穿设于套管组件到套管组件外部的通孔连通。主体可以包括一个或多个循环端口，循环端口穿设于主体径向地延伸到主体的外部。

在套管组件的第一位置和第二位置的其中一个位置中，一个或多个套管端口和一个或多个循环端口可纵向错开，使得井下工具处于停用状态，停用状态下通孔中的流体不与主体的外部连通。

在套管组件的第一位置和第二位置的另一个位置中，一个或多个套管端口和一个或多个循环端口可彼此纵向对准，或与限定在套管组件和主体之间的中间腔室纵向对准，使得工具处于启动状态，在启动状态下通孔中的流体与主体外部的流体连通。在启动状态下，流体可通过工作管柱泵送并经由一个或多个套管端口和一个或多个循环端口循环至井下工具的外部。

套管组件可以可操作地连接有致动器，例如线性致动器或液压驱动活塞致动器，以便改变另外的设备在停用状态和启动状态之间的状态。套管组件可以直接可操作地连接到另外的设备，以改变该设备在停用状态和启动状态之间的状态。

另外的设备可以包括任何井下设备，包括但不限于可扩张的稳定器、可扩张的封隔器、可展开的清洁设备、铣削或刮削设备、扩孔设备的可展开臂、可展开锚、造斜器或其他井筒分离工具。本领域技术人员会熟知其他井下设备的范围以及可操作地连接到滑动套管的可用装置。

在一些实施例中，该工具可用作壳体清洁器或刮刀，其具有通常如PCT/EP2015/056540或PCT/EP2019/053345中所述的滑动套管-可展开的清洁元件，其通过引用并入本文。在一些实施例中，套管组件从第一位置到第二位置的移动将向外弹簧偏压的清洁元件从停用状态释放到启用位置，在停用状态下，清洁元件凹陷入主体内，在启动位置，清洁元件从主体径向延伸，并清洁元件可用于清洁或刮擦壳体。如在审的PCT/EP2019/053345中所公开的，在套管组件的第一位置，清洁元件可以锁定到处于停用位置的套管组件，并且套管组件移动到第二位置释放锁件(latch)。

井下工具可包括一个或多个循环端口和套管端口，并且套管可操作地连接到附加的井下设备。例如，井下工具可以包括如本文所公开的可展开的清洁元件和可选择性地打开的循环端口。

井下工具可以包括至少一个另外的井下设备。

套管组件在第一位置和第二位置之间的移动可以改变至少一个井下设备的状态，或者可以改变一个或多个另外的井下设备和循环端口在其各自的停用状态和启动状态之间的状态。

当套管组件在第一位置和第二位置之间移动时，相应的循环端口和/或另外的井下设备的状态通常可以同时改变。

在一些实施例中，套管组件可操作以在第一位置和第二位置以及一个或多个限定的第三位置之间移动。套管组件可以是可操作的，以在第一位置、第二位置以及限定的第三位置之间移动，其中限定的第三位置位于第一位置和第二位置之间。井下工具包括至少一个停用状态和至少一个对应的启动状态，在一些实施例中可以通过在第一位置和第二位置的其中一个位置与第三位置之间移动套管组件来实现在停用状态与启动状态之间的改变。在套管组件在第一位置和第三位置之间运动时，井下工具例如可以设置成致动井下设备，例如可展开的清洁元件，并且在套管组件在第三位置和第二位置之间运动时打开循环端口或致动另外的井下设备。

在一些实施例中，一个或多个第三位置可以通过关闭机电控制阀并且将套管组件液压地锁定在限定的第三位置中来限定。井下工具可包括传感器，例如光学传感器或机械开关，以检测套管组件何时处于第三位置并使机电控制阀关闭。

井下工具可以配置成使机电控制阀在某些情况下自动关闭。例如，机电控制阀可以配置成在自机电控制阀打开起经过了预定的时间之后关闭。

替代地或附加地，可以配置成当套管组件到达第一位置和/或第二位置时自动关闭。

井下工具可以配备有一个或多个传感器以用于检测套管组件的位置。在一些实施例中，用于检测控制信号的加速度计或声学传感器也可配置成检测套管组件的位置，例如当套管组件接触有端部止动件并产生振动或声音时。

控制系统可以配置成实现机电控制阀的这种自动关闭。

套管组件可以是整体结构(具有任何辅助装置，例如密封件等)。

套管组件可包括单个套管，平衡活塞可选择地安装于套管上。

套管组件可以包括多个首尾相连的套管；例如彼此螺纹连接。

主体可以是整体结构(即，形成为单件，可选地，除了控制套环部以及(在存在的情况下)可以安装或连接到主体的任何井下装置之外)。主体可以是大致管状的心轴。主体可包括多个彼此首尾相连的主体部分。

主体可包括用于将井下工具连接到井下工具上方和下方的工作管柱的连接器。可以使用任何合适的连接器，例如本领域技术人员已知的螺纹销连接器。

根据本发明的第二方面，提供了一种在第一位置和第二位置之间移动井下工具的滑动套管组件的方法，其中在所述套管组件和所述井下工具的主体之间设有第一液压储存器，所述第一液压储存器位于所述主体的控制套环部的第一端上方，并且在所述套管组件和所述主体之间设有第二液压储存器，所述第二液压储存器位于所述控制套环部的第二端下方；其中所述控制套环部包括排放导管，排放导管在第一液压储存器与第二液压储存器之间大体纵向延伸；

该方法包括：

在所述通孔与所述井下工具的外部之间产生流体静压差；和/或在穿设于所述井下工具或穿设于所述套管组件所限定的限流件的所述通孔中产生动态压差；

打开控制阀(例如机电控制阀)；

通过所述控制阀使液压流体沿所述排放导管在所述第一液压储存器和第二液压储存器之间大体纵向流动；以及

关闭所述控制阀以将所述套管组件液压锁定在所述第一位置或所述第二位置。

这些步骤可以以任何合适的顺序进行。例如，可以在控制阀打开之前或之后产生压力差。

该方法可包括发出一个或多个控制信号以打开和/或关闭所述控制阀。该方法可以包括向与机电控制阀通信的一个或多个传感器发出一个或多个控制信号。该方法可以包括创建井下条件，以便向所述传感器发出控制信号。井下条件可以例如包括对通过通孔泵送流体的通孔进行加压，纵向和/或旋转地移动工具，例如，如本文关于第一方面所公开的，通过敲击工作管柱或旋转工作管柱。

例如，井下工具可以包括与机电控制阀通信的加速度计，并且该方法可以包括通过旋转工具向加速度计发出旋转信号。

在一些实施例中，机电控制阀或与机电控制阀通信的控制系统配置成响应于一个或多个旋转信号序列(或其他井下条件或线路信号)，例如由非旋转周期分隔的旋转和/或反向旋转的预定序列。

该方法可以包括经由线路连接来控制机电控制阀。该方法可以包括通过井下条件或线路的至少一个来对控制阀进行控制。

套管组件可以朝向第一位置或第二位置的其中一个位置弹性地偏压。因此，该方法可以包括在液压压差或弹性偏压构件的作用下，将套管组件从第一位置移动到第二位置；以及在液压压差或弹性偏压构件中的另一个的作用下将套管组件从第二位置移动到第一位置。

在该方法包括在第一位置和第二位置之间移动套管组件的多个步骤的情况下，应当理解，该方法可以包括打开和/或关闭控制阀的附加步骤。

压力差可以是通孔和工具外部之间的流体静压差。该方法可以包括通过在通孔内产生流体静压力来产生流体静压差。

因此，该方法可以包括使流体在第二液压储存器(或者，在一些实施例中，如本文所公开的第二三级液压储存器)和井下工具外部(例如，经由排放口)之间流动。

压力差可以是动态压差。该方法可包括在井下工具上或在套管组件限定的限流件上产生动态压差。

井下工具可以包括一个或多个循环端口。套管组件在第一位置和第二位置之间的移动可以打开和关闭一个或多个循环端口。

该方法可包括通过在第一位置和第二位置之间移动套管组件来打开和/或关闭一个或多个循环端口。该方法例如可以包括通过在第一位置和第二位置之间移动套管组件，使从通孔延伸穿设于套管组件的一个或多个套管端口与延伸穿设于主体至井下工具外部的一个或多个循环端口对准和错开。该方法可以包括通过在第一位置和第二位置之间移动套管组件，使套管端口与连通于循环端口的中间腔室对准和错开。

套管组件可操作地连接到一个或多个另外的井下设备。该方法可以包括如本文关于第一方面所公开的，通过在第一位置和第二位置之间移动套管组件，改变一个或多个另外的井下设备在停用状态和启用状态之间的状态。

该方法可包括井下工具连接有工作管柱。该方法可包括将工作管柱下入井中。

该方法可以包括使用本发明第一方面的井下工具。

本发明的每个方面的可选特征对应于本发明的任何其他方面的可选特征。具体地，本发明的第二方面的方法可以包括使用关于本发明的第一方面的工具描述的任何特征；并且本发明的第一方面的工具可以包括执行本发明的第二方面的方法所需的任何特征或设备。

术语“纵向”是指大致沿工作管柱的取向，因此是指大致沿井下工具的长度即在井下工具的上端和下端之间的取向。应当理解，井下工具通常为圆柱形结构，因此可以认为圆柱形结构具有沿着该工具延伸的纵向轴线。术语“径向”是指垂直于纵向定向的取向，例如相对于纵向轴线径向。虽然井下工具可以具有纵向轴线，但是它不需要围绕纵向轴线完全对称，并且井下设备、控制套环部的部件等可以围绕纵向轴线不对称地分布。

本文提及的井下工具的特征的“端部”(例如第一端或第二端)，例如主体、套管组件、控制套环部等与纵向尺寸有关。因此，给定特征的第一端必须与第二端纵向间隔开。

诸如“上方”和“下方”等术语用于描述相对于工作管柱或井下工具的纵向取向。其中特征位于另一特征上方是指沿着工作管柱(或井下工具)定位成更靠近地面，而特征位于另一特征下方是指沿着工作管柱(或井下工具)定位成更远离地面，无论井或通孔相对于垂直方向的定向如何。

附图说明

现在将结合以下附图描述非限制性示例实施例，其中：

图1A示出了具有套管组件的井下工具的实施例中上部的纵向剖视图，其中套管组件处于第一位置；

图1B示出了具有套管组件的井下工具的实施例中上部的剖视图，其中套管组件处于第二位置；

图2示出了井下工具的套管组件的立体图，为清楚起见省略了控制套环部；

图3示出了井下工具的控制套环部的立体图；以及

图4示出了井下工具主体的立体剖视图。

具体实施方式

参照图1A，1B和2－4，井下工具包括主体100和通孔102、102a。主体包括控制套环部15，在所示的实施例中控制套环部形成为独立的单元(见图3)，控制套环部15通过锁键6固定于主体100内，在控制套环部15的外表面上设有与锁键6相配合的凹陷31。

套管组件200(在图2中以立体图示出)通常包括上套管4和下套管8，通过上套管的相应外螺纹区域19和下套管8的内螺纹区域20使上套管4螺纹连接于下套管8。上套管4具有六边形结构74，下套管8具有六边形结构71，以便于这种连接。在替代的实施例中，套管组件可包括单个套管或更多数量的套管。

通孔102的一部分102a由套管组件限定。穿设于套管组件的通孔102a的直径小于套管组件上方和下方的通孔102的直径，其中通孔102由主体100限定。

控制套环部15围绕上套管4的下部区域74设置。

如图4所示，在所示的实施例中，主体100包括下主体部分1，中间主体部分2和上主体部分3，它们通过常规的阳销连接器25和阴销连接器24螺纹连接在一起。为了清楚起见，图1A和1B中省略了上主体部分和下主体部分。

在套管组件200和主体100之间设有第一液压储存器29，第一液压储存器29位于控制套环部15上方(在图1A和1B中的左侧)。在套管组件200和主体100之间设有第二液压储存器30，第二液压储存器30位于控制套环部15下方(在图1A和1B中的右侧)。

在所示的实施例中，第一液压储存器29与第二液压储存器30由控制套环部的上端60和下端61、上套管4的相邻外表面和主体100的内表面限定。第一液压储存器与第二液压储存器也部分地由第一和第二平衡活塞的端部限定，其功能将在下面进一步详细讨论。

套管组件200可在主体100内在第一位置(如图1A所示)和第二位置(如图1B所示)之间滑动。在第一位置，上套管4的上端33邻接上主体部分3的下端32，其用作端部止动件。

在第二位置，上套管4围绕有止动肩部13，止动肩部13相遇(encounter)有相对止动肩部14，相对止动肩部14从控制套环部15的上端60延伸。

套管组件200通过螺旋弹簧23朝图1A所示的第一位置弹簧偏压。螺旋弹簧设置在第一液压储存器29中，并作用在控制套环部15的上端面60和围绕上套管4的肩部204之间。

井下工具还包括第一平衡活塞10和第二平衡活塞5。在所示实施例中，第一平衡活塞10和第二平衡活塞5可相对于套管组件200和主体100滑动，并且第一平衡活塞10和第二平衡活塞5相应地包括内密封件58和外密封件59。应当理解，这些平衡缸是可选的并且在替代实施例中被省略，并且在另外的实施例中相对于套管组件固定。

第一平衡缸10的下端限定第一液压储存器29的上端。第一平衡缸10的上端在主体和上套管4之间限定第一三级液压储存器108的下端。在上套管4和上主体部分3之间设有环形空间，第一三级液压储存器在其上端通过环形空间与通孔100连通。

第一平衡缸10可沿着上套管4在肩部204和上主体部分3的下端之间滑动。

第二平衡缸5的上端限定第二液压储存器30的下端。第二平衡缸5的下端限定有第二三级液压储存器34的上端。第二三级液压储存器通过中间主体部分2经由排放口11与主体的外部连通。第二三级液压储存器34的下端由压力密封件74限定。

第二平衡缸可在中间主体部分2的内肩部104和控制套环部15的下端面61之间沿上套管4的下部区域74滑动。

主体100包括填注端口28、22，第一液压储存器以及第二液压储存器通过填注端口28、22填充液压流体。然后堵塞填注端口和填充端口。第一三级液压储存器108填充有通孔100中的流体，第二三级液压储存器34填充有来自井眼的流体。第一和第二平衡活塞10、5隔离第一和第二液压储存器29、30，防止不需要的流体或碎屑进入。

在替代实施例(未示出)中，第一和第二液压储存器29、30各自与井下工具的通孔、井下工具的外部连通。其他实施例包括完全密封的第一和第二液压储存器。

图3更详细地示出了控制套环部15。

控制套环部15进一步包括排放导管，排放导管在第一液压储存器29与第二液压储存器30之间延伸。排放导管部分地由延伸穿设于控制套环部15的开孔限定，部分地由液压管路限定。

在控制套环部15的第一端设有上凸缘部分15a，并且在控制套环部15的第二端设有下凸缘部分15b。上凸缘部分15a、下凸缘部分15b分别限定控制套环部15的第一端60和第二端61。设置有上通道56延伸穿设于上凸缘部分，在上凸缘部分15a与下凸缘部分15b之间设有凹部15c，上通道56从上端面60延伸、在凹部15c处完毕。类似地，设置有下通道57延伸穿设于下凸缘部分15b，从下端面61延伸并在凹部15c处完毕。因此，上通道、下通道与第一液压储存器29、第二液压储存器30连通。这些位于凹部15c内的液压管路53通过螺纹压缩接头52连接于上通道56和下通道57。每个液压管路53还连接于电磁阀51，电磁阀51具有螺线管54。

因此，排放导管的端部区域由上通道56和下通道57限定，并且排放导管的中间区域由液压管路53限定，其中电磁阀51定位在排放导管中。

第一液压储存器29和第二液压储存器30各自具有最小半径和最大半径，并且排放导管的整个长度在这些液压储存器的最大半径和最小半径内。

电磁(即机电式)阀51包括加速度计(未示出)和控制系统(未示出)，通过控制系统，对电磁阀51的控制可通过由加速度计接收的旋转信号来实现，如本文所公开的。

控制套环部15还包括电池组55，电池组55与电磁阀51连通并为电磁阀51供电。在控制套环部15的上凸缘部分和下凸缘部分之间设有相邻的凹部，电池组容纳于凹部内。

控制套环部具有中心孔，中心孔的尺寸设计成可滑动地容纳套管组件200(并且特别是上套管4的下部区域74)。上凸缘部分15a和下凸缘部分15b的尺寸可容纳在主体100内。在上凸缘部分15a和下凸缘部分15b均环设有内密封件58，用于在控制套环部15和主体100之间进行密封。在控制套环部15和套管组件200之间滑动密封有外密封件59。

现在将参照图1A和1B描述套管组件在第一位置和第二位置之间的运动。

在使用中，井下工具将连接于工作管柱并进入井中。

通过旋转井下工具(从地面，经由工作管柱)来打开机电控制阀，以将旋转控制信号传输到加速度计。

流体通过工作管柱泵送。

通孔102的区域26由位于套管组件200的上端33上方的上主体部分3限定，通孔102的区域26的直径比穿设套管组件的通孔102b更宽。通过通孔102流到由套管组件200限定的较窄部分102a的流体产生动态压差。通孔102、102a中的流体静压力也增加，导致通孔和主体外部的井眼之间的静压差。当静压差、动态压差或它们的组合效应克服螺旋弹簧23的阻力时，套管组件向第二位置移动。

在控制阀51打开的情况下，液压流体能够大致纵向地从第二液压储存器30沿着排放导管57、53、56流动到第一液压储存器。

应当注意的是，如果阀51关闭，这种通过工作管柱泵送的流体(可能需要其他井下作业，例如关于在工作管柱上运行的其他设备)将不会引起套管组件的移动，因为流体将不能在第一液压储存器和第二液压储存器之间流动，并且套管组件将被液压锁定。

如通常情况那样，如果这些平衡缸是在各自的上端部止动件处，或者在各自上端部止动件和下端部止动件之间，则流体也被移入第一三级液压储存器108中并从第二三级液压储存器34中排出。第一液压储存器和第二液压储存器之间的流体交换，以及流入和流出第一三级液压储存器和第二三级液压储存器的流体交换中的其中一种可以是限制速率的(通常可以对通孔进行泵送/加压以使得通过排放导管的流动是限制速率的)，使得独立于上套管4的浮动平衡缸10、5的运动提供一定程度的阻尼。

当套管组件200到达图1B所示的第二位置时(并且第二平衡缸5和第一平衡缸10处于各自的下端部止动件处)，电磁控制阀51关闭。这防止了流体沿着排放导管流动，并将套管组件液压锁定在第二位置。随着电磁控制阀关闭，在通孔100或工具外部的井眼中的后续压力发生变化，其作用于第二平衡缸5和第一平衡缸10，不能引起套管组件的进一步移动。

在从打开起经过足以使套管移动的预定时间之后，控制阀的关闭可以自动发生。可替代地或另外地，可以将其他的旋转信号传输到加速度计以关闭控制阀51。加速度计(或可选地其他传感器或跳闸开关)还可设置为检测套管在第二位置处的着陆。控制阀的控制系统可设置为在任何或所有这些情况下实现阀门的关闭。

当控制阀51再次打开(通过井下工具的旋转)，并且通孔100中的流体的泵送/循环已经停止时，螺旋弹簧23将套管推回到图1A所示的第一位置，并且流体从第二液压储存器30沿着排放导管56、53、57流回到第一液压储存器29中。

流体也通过排放口11被吸入第二三级液压储存器34。在停止泵送引起工具外部和通孔100之间出现负压差的情况下，浮动平衡活塞5、10可相对于套管4朝向各自的上端部止动件独立地移动，从而使套管阻尼运动。

在使用中，如上所述，第一液压储存器29和第二液压储存器30的总体积是恒定的，并且第一三级液压储存器108的体积增加对应于第二三级液压储存器34的体积减少。

套管在第一位置和第二位置之间的移动将井下工具的状态从停用状态改变为启动状态。所示的实施例是流体循环工具。

参照图2和4，套管组件200包括一排套管端口18，套管端口18延伸穿设于下套管8到通孔102a。套管端口18通过压力密封件72与第二三级液压储存器34隔开，压力密封件72设置有抵靠主体的外密封件58(外密封件58固定于主体，大致如以上关于控制套环部所描述)和围绕下套管8的内密封件(未示出)。

下主体部分1设置有一组向上定向的循环端口7。在循环端口7两侧设置有内密封件59，内密封件59围绕下套管8密封。

当套管处于第一位置时，套管端口18与循环端口7错开并位于循环端口7上方，并且套管端口18通过内密封件59a与循环端口7隔开。内密封件59a将通孔102a与循环端口7隔离，从而将通孔102a与工具的外部隔离。当套管处于第一位置时，流体循环工具处于停用状态。

当套管组件处于第二位置时，套管端口18移动成与循环端口7对准，使得通孔102a经由循环端口7、套管端口18与工具的外部连通，并且流体循环工具处于启动状态。

在替代实施例中，流体循环工具可设置成当井下工具处于第二位置时处于停用状态。

在替代实施例中，套管可操作地连接到附加的井下设备，例如随着套管的移动而向外移动的切削器或刮具元件。例如，套管的外表面或者一个或多个清洁元件的内表面可以是倾斜的。

有稳定器元件可以类似地可操作地连接到套管。在又一实施例中，扩孔器臂或本领域已知的其他各种井下设备可连接到主体上，通过套管的运动来致动。

虽然本文描述了示例性实施例，但是这些实施例不应被解释为限制在本发明范围内可能的修改和变化，如本文所公开和在所附权利要求中所描述的。

Claims (29)

1.一种井下工具，其特征在于，所述井下工具包括：

主体，所述主体具有通孔；

套管组件，所述套管组件在液压压力和/或偏置装置的作用下在主体内在第一位置和第二位置之间滑动；

并且所述主体包括围绕套管组件设置的控制套环部；

其中在所述套管组件与所述主体之间设有第一液压储存器，所述控制套环部具有第一端和第二端，所述第一液压储存器位于所述控制套环部的所述第一端与所述主体上方，并且在所述套管组件与所述主体之间设有第二液压储存器，所述第二液压储存器位于所述控制套环部的所述第二端与所述主体下方；

其中控制套环部还包括：

排放导管，所述排放导管在所述第一储存器和所述第二液压储存器之间大体纵向延伸；和

横设在排放导管的机电控制阀，所述机电控制阀设置成用于调节沿着所述排放导管的流体流动。

2.根据权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述第一液压储存器限定在所述控制套环部的所述第一端和所述主体之间，和/或所述第二液压储存器限定在所述控制套环部的所述第二端和所述主体之间。

3.根据权利要求1或2所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具包括与所述机电控制阀通信的一个或多个传感器和/或线缆，其中可操作所述机电控制阀以在由所述一个或多个传感器检测到或经由所述线缆接收到预定的一个或多个控制信号时打开和/或关闭。

4.根据权利要求3所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具包括加速度计，可通过纵向和/或旋转地移动所述井下工具来控制所述机电控制阀。

5.根据权利要求3或4所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具包括控制系统，所述控制系统与所述机电控制阀、所述一个或多个传感器或线缆通信，其中所述控制系统设置成打开和关闭所述机电控制阀。

6.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其特征在于，通过作用在所述套管组件和所述主体之间的弹性偏压构件，所述套管组件朝向所述第一位置和第二位置中的其中一个弹性偏压。

7.根据权利要求6所述的井下工具，其特征在于，其中所述弹性偏压构件包括弹簧件，所述弹簧件设置在所述第一液压腔室和/或所述第二液压腔室中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具还包括第一三级液压储存器和/或第二三级液压储存器，所述第一三级液压储存器和/或所述第二三级液压储存器分别在所述第一液压储存器和所述第二液压储存器的上方和下方，所述第一三级液压储存器和/或所述第二三级液压储存器至少部分地限定在所述套管组件和所述主体之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其特征在于，在所述通孔与工具的所述主体的外部之间的流体静压差的作用下，所述套管组件是可滑动的。

10.根据权利要求9所述的井下工具，其特征在于，所述第一液压储存器与所述通孔连通，所述第二液压储存器通过穿设于所述主体的一个或多个排放口与所述主体的外部连通。

11.根据权利要求9所述的井下工具，在其从属于权利要求8时，其特征在于，所述第一三级液压储存器与所述通孔连通，所述第二三级液压储存器与所述主体的外部连通。

12.根据权利要求11所述的井下工具，其特征在于，所述第一三级液压储存器的上端是开口端；或者第一三级液压储存器通过穿设于所述套管组件的一个或多个压力端口与所述通孔连通。

13.根据前述权利要求的任一项所述的井下工具，在其从属于权利要求6时，其特征在于，所述第一三级液压储存器通过第一平衡活塞与所述第一液压储存器分离，并且所述第二三级液压储存器通过第二平衡活塞与所述第二液压储存器分离。

14.根据权利要求13所述的井下工具，其特征在于，所述第一平衡活塞和/或第二平衡活塞可相对于所述套管组件和所述主体在各自的上端部止动件和下端部止动件之间滑动。

15.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述套管组件可在动态压差的作用下沿所述井下工具或通过由所述套管组件限定的所述通孔内的限流件在所述第一位置和所述第二位置之间滑动。

16.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述排放导管大致纵向地延伸穿设于所述控制套环部的一个或多个部分，一个或多个液压管路限定所述排放导管的至少一个中间区域，其中所述机电控制阀连接于一个或多个所述液压管路。

17.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述控制套环部包括一个或多个凹部，或者一个或多个直径减小部分，所述凹部或所述直径减小部分位于所述控制套环部的上端和下端之间；其中所述排放导管和所述机电控制阀的中间区域装载于所述凹部或所述直径减小部分中。

18.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述套管组件在所述第一位置和所述第二位置之间的运动可使所述井下工具在停用状态和启动状态之间改变。

19.根据权利要求18所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具包括一个或多个循环端口，所述套管组件在所述第一位置和所述第二位置之间的移动打开和关闭所述一个或多个循环端口。

20.根据权利要求19所述的井下工具，其特征在于，所述套管组件包括一个或多个套管端口，所述一个或多个套管端口与穿设于所述套管组件到所述套管组件外部的所述通孔连通，并且所述主体包括一个或多个循环端口，所述一个或多个循环端口穿设于所述主体径向延伸到所述主体的外部；

在所述套管组件的所述第一位置和所述第二位置的其中一个位置中，所述一个或多个套管端口和所述一个或多个循环端口纵向地错开，使得所述井下工具处于停用状态，在所述停用状态中，所述通孔中的流体不与所述主体的外部连通；以及

在所述套管组件的所述第一位置和所述第二位置的另一个位置中，所述一个或多个套管端口和所述一个或多个循环端口彼此纵向对准或者与限定在所述套管组件和所述主体之间的中间腔室纵向对准，使得所述井下工具处于启动状态，其中所述通孔中的流体与所述主体外部的流体连通。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述套管组件可操作地连接到另外的井下设备，以在所述套管组件在所述第一位置和所述第二位置之间移动时，改变所述另外的井下设备在所述停用状态和所述启动状态之间的状态。

22.根据前述任一项权利要求所述的井下工具，其特征在于，所述套管组件是可操作的，以在所述第一位置、所述第二位置以及一个或多个限定的第三位置之间移动，其中一个或多个限定的第三位置可选择地通过关闭所述机电控制阀并将所述套管组件液压锁定在所述限定的第三位置来限定。

23.一种在第一位置和第二位置之间移动井下工具的滑动套管组件的方法，其特征在于，在所述套管组件和所述井下工具的主体之间设有第一液压储存器，所述第一液压储存器位于所述主体的控制套环部的第一端上方，并且在所述套管组件和所述主体之间设有第二液压储存器，所述第二液压储存器位于所述控制套环部的第二端下方；其中所述控制套环部包括排放导管；

所述方法包括：

沿所述井下工具或通过限流件产生动态压差，限流件设于由所述套管组件限定的所述通孔内，和/或在所述通孔与所述井下工具的外部之间产生流体静压差；

打开诸如机电控制阀的控制阀；

通过所述控制阀使液压流体在所述第一液压储存器和第二液压储存器之间大体纵向沿所述排放导管流动；以及

关闭所述控制阀以将所述套管组件液压锁定在所述第一位置或所述第二位置。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法包括发出一个或多个控制信号以打开和/或关闭所述控制阀。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括使所述一个或多个控制信号发送至与所述机电控制阀通信的一个或多个传感器。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述井下工具包括加速度计，所述加速度计与所述机电控制阀通信，并且所述方法包括通过旋转所述井下工具向所述加速度计发出旋转信号。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过在所述通孔内产生流体静压力并使流体在所述第二液压储存器(或者可选地，第二三级液压储存器)和所述井下工具的外部之间流动来产生所述流体静压差。

28.根据权利要求23至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述套管组件在所述第一位置和所述第二位置之间的移动打开和关闭一个或多个循环端口。

29.根据权利要求23至28中任一项所述的方法，其特征在于，所述套管组件可操作地连接有一个或多个另外的井下设备，并且所述方法包括通过在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述套管组件，改变所述一个或多个另外的井下设备在停用状态和启动状态之间的状态。

Images