CN1304724C - 一种在地层中形成的井孔中执行井下操作的装置 - Google Patents

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Abstract

一种在地层中形成的井孔中执行井下操作的装置，该装置包含井下致动器(8)，通过有所选定地增加施加在井下致动器(8)外部的流体压力实现井下致动器从第一构形到第二构形的改变，以及由致动器驱动的工具，目的是在执行机构从第一构形改变为第二构形中执行井下操作。致动器(8)还可包含一个气体容器，工具可包含用于扩张管子的扩张器(37)或流体注射装置(90，81a)。

Description

一种在地层中形成的井孔中执行井下操作的装置
技术领域
本发明涉及一种在地层中形成的井孔中执行井下操作的装置。这样的井下操作可以是任何要求一定量的机械功的操作，例如井管的扩张或者注射所选定的流体进入井眼。为执行这些操作已经提出了各种不同的系统，所有的均要求一些形式的来自地面的致动的控制。然而，从地面控制这样的致动系统因要执行操作的深度的原因有时比较复杂。
背景技术
WO-A-0146551公开了一种在地层中形成的井孔中执行井下操作的装置，该装置包含致动器和工具，所述致动器能通过施加在致动器外部的流体压力的选定的增加从第一构形改变为第二构形，致动器被暂时约束在第一构形；所述工具设计为由致动器驱动，以在致动器从第一构形改变为第二构形时执行所述的井下操作。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于在地层中形成的井孔中执行井下操作的改进装置，它克服了现有技术各装置中存在的问题。
按照本发明提供的装置包含：
-致动器，该致动器通过选定地增加施加在致动器外部的流体压力能从第一构形改变为第二构形，致动器被暂时约束在第一构形；
-工具，该工具设计为由致动器驱动，以在致动器从第一构形改变为第二构形时执行所述的井下操作，通过选定地增加施加在致动器外部的流体压力，致动器从第一构形被释放。
由于井孔中流体压力随着深度增加而以已知的方式增加，该装置能够精确地设计成在需要的深度执行操作，以此需要的机械功能例如，通过装置内外之间的压力差被传输。在将装置下放进井孔之前，装置内部的压力就能在地面上设定。
在装置的一个优选实施例中，致动器包括一个盛气体的容器，容器在所述第一构形时比在第二构形时有更大的容积，在所述第一构形时容器内的气体压力低于在管状元件被扩张的深度处井孔内的流体压力。
恰当地说，当致动器在第一结构时，容器内的气体压力基本上等于大气压。
在装置的一个效果很好的实施例中，装置被用来扩张井孔中的管状元件。由此，工具是一种在致动器从第一构形到第二构形的改变时通过致动器沿管状元件轴向驱动的扩张器。
在另一个效果很好的实施例中，装置被用来向井孔中注射一种流体混合物。由此工具是一种在致动器从第一构形到第二构形的改变时向井孔中注射流体混合物的注射装置。
发明将通过后面更详细的例子进行说明，同时参考相应的附图。
附图说明
附图1，是按照本发明设备的第一个实施例的纵向剖面示意图；
附图2，是按照本发明设备的第二个实施例的纵向剖面示意图；
附图3A，是在径向扩张之前，包括一个桥塞的按照本发明设备的第三个实施例的纵向剖面示意图；
附图3B，是在径向扩张后，带桥塞的第三个实施例的示意图；
附图4，是按照本发明设备的第四个实施例的纵向剖面示意图。
具体实施方式
参考附图1，表示了在地层2中形成的井孔1，井孔1充满了适当的井孔流体(例如钻井液)。采用套管4形式的管状元件延伸到井孔1中，套管4能径向扩张。用于扩张套管4的下部的扩张器6，被布置在套管4的下端部的下面，其具有圆锥形部分6a。扩张器6具有一个通孔7，用于在扩张器6的两个相对端之间提供流体联通。致动器8布置在套管4的内部且在扩张器6上方一段短的距离处，并且通过可松开式的固定装置10与套管4固定连接。致动器8包括一个带有缸14和活塞16的缸/活塞组件12，缸14在其上端通过端壁18被封闭。活塞16通过可松开式的连接杆20与扩张器6连接，活塞16能通过缸14轴向移动。活塞16通过剪切销22被暂时地沿轴向限定在缸14内，剪切销22被设计成在跨过活塞16的选定的压力差处剪断(shear off)。由缸14、端壁18以及活塞16包围的空间24充满了大气压力的气体(比如空气)。前面所提及的剪切销22剪断时的压力差选定为等于大气压和下套管部要被扩张处的深度处的井孔中流体压力的差。
在普通操作中，套管4被下放进井孔1中，其携带有布置在内的致动器8和通过连接杆20悬置在套管4下方的扩张器。当进行下放套管4时，因为增加了在井孔中的流体压力，导致跨过活塞16的压力差增加。在此需要指出的是，通孔提供了井孔中流体与活塞16外表面之间的流体联通。当套管4的下端到达需要的深度时，跨过活塞16的压力差等于所选定的压力差，这样剪切销22剪断，因此活塞16被推动而轴向在缸14内移动。由于这种移动，活塞16拉动扩张器6进入套管4的下端部，于是套管下部被径向扩张。接着致动器8的固定装置10被松开，连接杆20从扩张器6中松开，并且致动器8和连接杆20沿套管4向上移动。如果需要，套管4能够以任何适当的方式进一步扩张。
在图2中示出了可扩张的管状塞30，其被布置在地层34中形成的井孔32的内部，井孔1充满了钻井流体。管状塞30在其上部被壁36封闭，在其下部提供有带圆锥形部分38的扩张器37，当扩张器37向管状塞30内轴向移动时，圆锥形部分用于扩张管状塞30。扩张器37通过剪切销39轴向上被暂时地限定在管状塞30内，剪切销39设计成在所选定的跨过扩张器37的压力差时剪断(shear off)。通过管状塞30、端壁36和扩张器37围成一空间，所述空间充满了为大气压的空气。剪切销39剪断时的压力差等于大气压与处于管状塞要被扩张处的深度处的井孔34中的流体压力的差。
在通常操作中，管状塞30以及以如图所示状态连接的扩张器37被下放进井孔32中。当下放管状塞30时，因为增加了在井孔1中的流体压力，导致跨过扩张器37的压力差增加。当管状塞37到达所选定的深度，跨过扩张器37的压力差等于所选定的压力差，于是剪切销剪断。结果是，由于跨过扩张器37的轴向压力差，扩张器37轴向被推入管状塞37中。扩张器37于是径向扩张管状塞30到接触井孔1的井壁，目的是相互密封位于管状塞30上面和下面的井孔部分。
在图3a中示出了另一个可扩张的管状塞40，其布置在地层中形成的井孔(没示出)的内部，井孔充满了适当的钻井流体。管状塞40在其前端被端壁42封闭，在内部提供有包含下面顺序的部分的扩张器44：直径减小的凸出部分46，第一锥形部分47，第一圆柱形部分48，直径减小的中间部分49，第二圆锥形部分50，第二圆柱形部分51。第一第二圆柱形部分48，51的直径稍微小于管状塞40的内径，并且通过适当的密封件(没示出)相对于管状塞40的内表面密封。管状塞内部有两个可扩张的固定连接于管状塞40的内表面的环53，55(如由合成橡胶制成)，在此，环53围绕扩张器44的凸出部分46延伸，环55围绕扩张器44的中间部分49延伸。环53在圆锥形部分47的一侧有一个与部分47的圆锥形表面互补的圆锥形表面57。类似地，环55在圆锥形部分50的一侧，有一个与部分50的圆锥形表面互补的圆锥形表面59。用于导向凸出部分46从其中通过的导向环60被固定布置在管状塞40的前端部分。充满大气压空气的空间62是由管状塞40、端壁42以及扩张器的凸出部分46包围成的。管状塞40、环53，55及扩张器44的组合设计为，当跨过扩张器44的压力差等于大气压和处于管状塞要被扩张的深度处的井孔中流体压力的差，扩张器沿轴向移动进入管状塞40中(并由此扩张环53，55和与所述环相对的管状塞40的相应部分)。
进一步参照图3B，在通常操作中管状塞40连同布置在内的扩张器44被下放进井孔中。在下放管状塞40的过程中，由于增加井孔中流体压力导致跨过扩张器44的压力差增加。当管状塞40到达所选定的深度时，跨过扩张器44的压力差变为沿轴向向管状塞40内移动扩张器44时所需要的压力差。结果是，扩张器44沿轴向移动进入管状塞40内，并扩张环53，55和管状塞40与环相对的部分到接触井孔壁，于是位于被扩张的塞40的上面和下面的井孔部分相互封闭。图3B表示了扩张后的管状塞40和扩张器44。
在图4中示出了另一种本发明的装置的实施例，用于向井孔中注射化学混合物(没示出)。此装置包括缸/活塞组件70，此组件包括一个可轴向沿缸72移动的活塞71。活塞71包括位于缸72的相应大内径部分76处的大直径部分74，和一个部分延伸进入缸72的相应小直径部分80的小直径部分78。缸的大直径部分76和小直径部分80足够长，以允许活塞71以选定的行程向内进入缸72。缸72的小内径部分80有带喷嘴81a的端壁81。适当的密封件82，84用于密封活塞部分74，78与相应的缸部分76，80。进一步说，活塞71通过剪切销86被暂时限定在缸72中，剪切销设计为在选定的跨过缸72的压力差时剪断。在活塞71的小直径部分78和缸72的大直径部分76之间形成环形空间88，所述空间88充满了大气压的空气。充满所选定的化学混合物(如水泥固化剂)的流体腔90，在由活塞71和端壁81之间的缸的小内径部分80内形成。剪切销86剪断时的跨过活塞71的压力差被选定为，当井孔中流体压力和大气压的差等于所选定的跨过活塞71的压力差时剪断发生。
在普通的操作过程中，缸/活塞组件70被下放进井孔中。当下放时，由于在井孔中流体压力的增加导致活塞跨过71压力差的增加，当组件70到达所选定的深度时，跨过活塞71的压力差等于所选定的压力差，于是剪切销86剪断。结果是，活塞71沿轴向移动进入缸72中。由于这种移动，活塞71的小直径部分78通过喷嘴81a向井孔中注射腔90内的化学混合物。在另一种可选的布置方案中(没示出)，活塞可被用来从不同的容器中注射不同的混合物，在互相混合时这些混合物发生反应。
在上述的详细说明中，由于装置到达井孔中的某一位置，在此处由于流体静态或流体动态压头流体压力为所选定的数值，致动器从它的第一构形改变到第二构形。在另一可选的布置方案中，致动器可被设置为，在流体压力稍微高于由于流体静态或流体动态压头产生的流体压力时，从第一构形改变到第二构形。在装置已经被下放到需要的深度时，通过增加在地面处的井孔压力而增加井孔中的流体压力以启动致动器，例如通过关闭防喷器(BOP)和操作流体压力泵。
不使用上述的剪切销，可采用弹簧加载装置启动致动器，例如像用在压力释放阀中的弹簧加载装置。

Claims (10)

1.一种在地层中形成的井孔中执行井下操作的装置，该装置包含：
-致动器(8，30，40，70)，该致动器通过选定地增加施加在致动器外部的流体压力能从第一构形改变为第二构形，致动器被暂时约束在第一构形；
-工具(6，38，78，47，50)，该工具设计为由致动器驱动，以在致动器从第一构形改变为第二构形时执行所述的井下操作，其特征在于，通过选定地增加施加在致动器外部的流体压力，致动器从第一构形被释放。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：致动器包括一个盛气体的容器，容器在所述第一构形时比在第二构形时有更大的容积，在所述第一构形时容器内的气体压力低于在管状元件要被扩张的深度处井孔内的流体压力。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：在所述第一构形处，容器内的气体压力基本上等于大气压。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述容器通过缸/活塞组件(12，70)形成，缸/活塞组件包括能沿缸(14，72)轴向移动的活塞(16，71)，所述致动器设置为通过活塞进入缸的向内部运动实现从第一构形改变为第二构形。
5.如权利要求1-3中任何一项所述的装置，其特征在于：所述装置是用于扩张井孔中的管状元件(4，30，40)的装置，所述工具是设置为在致动器从第一构形改变为第二构形时，通过致动器而轴向移动通过管状元件的扩张器(6，37，44)。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述装置是用于扩张井孔中的管状元件(4，30，40)的装置，所述工具是设置为在致动器从第一构形改变为第二构形时，通过致动器而轴向移动通过管状元件的扩张器(6，37，44)，所述活塞(16，71)与扩张器(6，37，44)连接，以致所述的活塞进入缸(14，72)的向内运动导致扩张器轴向运动通过管状元件。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述扩张器(6，37，44)被设置为，在致动器从第一构形改变为第二构形时，通过致动器轴向移动通过管状元件(4，30，40)的端部分。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述管状元件是管状塞(30，40)，该管状塞被设置为当扩张器通过致动器轴向移动通过管状元件时堵住井孔。
9.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述管状元件(40)内部提供有至少一个有中心开口的扩张环(53，55)，所述扩张器(44)设置为当扩张器轴向移动通过管状元件时穿过所述中心开口，于是扩张器扩张该扩张环。
10.如权利要求1-3中任何一项所述的装置，其特征在于：所述装置是向井孔中注射流体混合物的装置，所述工具是设置为当致动器(71)从第一构形改变为第二构形时，向井孔中注射流体混合物的注射器(70)。
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