專利名稱：用可膨脹管狀部件嵌襯一段井眼的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉一種用可膨脹管狀部件嵌襯一段井眼的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)地，在形成井眼時，在井眼中安裝多根套管，以防止井眼壁坍塌，以及防止鉆井液不期望地流入地層中或者防止來自地層的流體流入井孔中。在各個層段中鉆出井孔，因此要安裝在下部井孔層段中的套管被下放穿過上部井孔層段的先前安裝的套管。由于這樣的操作過程，下部層段的套管具有比上部層段的套管小的直徑。因此，套管以嵌套方式布置，其中套管直徑沿向下方向減小。水泥環(huán)可設(shè)置在套管的外表面與井孔壁之間，以便將套管與井孔壁封隔開。 由于這種嵌套布置，在井眼的上部部分需要相對大的井孔直徑。由于套管處理設(shè)備重、鉆頭大以及鉆井液量和鉆屑量增大，這種大的井孔直徑牽涉到成本增加。而且，由于所需的水泥泵送、水泥硬化、因在鉆井過程中鉆出的孔直徑變化大而引起的必需進行的設(shè)備更換以及鉆出和移出的鉆屑量很大，導(dǎo)致鉆機時間增加。在井眼的地面端部處，井口形成為通常包括地面套管、多個生產(chǎn)和/或鉆井用的井口防噴裝置下的四通(drilling spools)、閥門組以及采油樹。通常,井口還包括同心布置的套管，該套管包括生產(chǎn)套管和一個或多個中間套管。這些套管通常使用位于地面上方的承載卡瓦來支承。傳統(tǒng)地，井眼套管不可能在井眼鉆進過程中形成。通常，鉆出井眼，然后將井眼套管引入井眼的新鉆出段中。這延遲了完井。而且，收回鉆柱并隨后放入套管所用的時間可能比一部分井眼壁發(fā)生坍塌所用的時間長。井眼壁的坍塌費用較高。由于隨著井眼深度的增加，收回鉆柱所用的時間增加，井眼壁坍塌的風(fēng)險也隨深度的增加而增大。在對已有井眼進行側(cè)鉆的過程中，這種風(fēng)險也很大。側(cè)鉆通過相對于初始井眼以一角度延伸到含油地層中可延長井眼的壽命。此外，當進行已有井眼的側(cè)鉆時，側(cè)鉆的彎曲可能阻止襯管進入，因此限制了側(cè)鉆的深度和/或構(gòu)型。已經(jīng)提出通過在井眼中安裝管狀部件并且隨后將管狀部件徑向膨脹到較大直徑來克服井眼套管內(nèi)徑逐步變小的問題。管狀部件可通過膨脹器進行膨脹，該膨脹器例如被牽拉、推動或泵送穿過管狀部件。W003/036025提供了一種用可膨脹管狀部件嵌襯一段井眼的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括延伸到井眼中的細長鉆柱。處于未膨脹形態(tài)下的管狀部件包圍鉆柱的下部部分。鉆柱在管狀部件的下端部處設(shè)有膨脹器。在鉆出一段新井眼之后，膨脹器被向上牽拉穿過管狀部件，從而使管狀部件膨脹。管狀部件的上端部延伸到井眼套管的下端部中。包括徑向膨脹裝置的錨定裝置使管狀部件的上端部分徑向膨脹以抵靠套管。鉆柱傳遞在牽拉膨脹器穿過可膨脹管狀部件時涉及的較大力。如果管狀部件的外部設(shè)有用于將管狀部件錨定到例如井眼壁或先前的襯管或套管段的錨定件，則所需的(牽弓I)力在錨定件位置處或附近甚至更大，這是因為錨定件必須被引入環(huán)繞管狀部件的材料中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于為一段井眼加襯管的改進系統(tǒng)。本發(fā)明因此提供一種用可膨脹管狀部件嵌襯一段井眼的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-延伸到井眼中的細長鉆柱，該鉆柱在其下端部附近包括加力器；-處于其未膨脹形態(tài)下的可膨脹管狀部件，該可膨脹管狀部件封裝加力器并且作為該加力器的殼體；和-用于使管狀部件膨脹的膨脹器，該膨脹器布置在加力器的下端部處；
可膨脹管狀部件是加力器的殼體。因此可顯著增加牽拉膨脹器穿過管狀部件的單個行程的長度。在一個實施例中，該系統(tǒng)包括設(shè)置在管狀部件外部的錨定裝置，該錨定裝置用于將管狀部件錨定在井眼中。可選地，與牽拉鉆柱相結(jié)合地，加力器能夠提供用于使管狀部件膨脹并且將錨定裝置固定在井眼壁中的合適力。本發(fā)明的系統(tǒng)因此消除了在膨脹可膨脹管狀部件之前固定該可膨脹管狀部件的需要。根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供一種用可膨脹管狀部件嵌襯一段井眼的方法，該方法包括以下步驟-用鉆柱鉆出一段井眼，其中該鉆柱包括-在鉆柱下端部附近的加力器；-處于其未膨脹形態(tài)下的可膨脹管狀部件，該可膨脹管狀部件至少封裝加力器并且用作該加力器的殼體；和-用于使管狀部件膨脹的膨脹器，該膨脹器布置在加力器的下端部處；該方法包括以下步驟-致動加力器以牽拉膨脹器穿過可膨脹管狀部件，以用于將管狀部件膨脹到其膨脹形態(tài)。在一個實施例中，管狀部件的外部設(shè)有用于將管狀部件錨定在井眼中的錨定裝置。除了使用加力器之外，該方法可包括在致動加力器的步驟中將鉆柱和膨脹器牽拉到可膨脹管狀部件中。用來驅(qū)動加力器的液壓壓力下降到閾值壓力以下可確認錨定裝置固定在井眼壁中。


下文將參照附圖、以舉例的方式更詳細地描述本發(fā)明，附圖中圖I示意性示出了根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施例的縱向截面；圖2A示意性示出了適用于圖I中的實施例的膨脹器的一個實施例在從可膨脹管狀部件的下端部釋放時的縱向截面；圖2B示意性示出了圖2A中的膨脹器在固定到可膨脹管狀部件的下端部時的縱向截面；圖3示意性示出了根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的另一個實施例；圖4示出了本發(fā)明系統(tǒng)的頂部錨定件的一個實施例的縱向截面；
圖5至圖8示出了根據(jù)本發(fā)明方法的相繼步驟的示意圖；圖9示意性示出了根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的再一個實施例的縱向截面；圖IOA示出了用于圖9中系統(tǒng)的致動機構(gòu)的一個實施例處于致動狀態(tài)下的縱向截面；圖IOB示出了圖IOA中的致動機構(gòu)沿線X_X的橫向截面；圖IlA示出了用于圖8中系統(tǒng)的致動機構(gòu)的一個實施例處于致動狀態(tài)下的縱向截面；圖IlB示出了圖IlA中的致動機構(gòu)沿線XI-XI的橫向截面；圖12示出了致動機構(gòu)的流體通道的另一個實施例的橫向截面；圖13示出了本發(fā)明系統(tǒng)的壓力室的一個實施例的縱向截面；圖14示意性地示出了本發(fā)明系統(tǒng)與井底鉆具組合的聯(lián)接的一個實施例的縱向截面；圖15示出了本發(fā)明系統(tǒng)的頂部錨定件的另一個實施例的縱向截面；圖16示出了圖14中的聯(lián)接的一個實施例的縱向截面；圖17示出了膨脹器與管狀部件的螺紋連接的一個實施例的縱向截面；圖18示出了夾緊器系統(tǒng)的一個實施例的縱向截面；圖19示出了夾緊器系統(tǒng)的夾持部段的表面的一個實施例的縱向截面；圖20示意性顯示出夾緊器系統(tǒng)的各部分之間的力；圖21示意性顯示出夾緊器系統(tǒng)的各部分之間的其它力；和圖22示意性示出了夾緊器系統(tǒng)的縱向截面。
具體實施例方式在下面的描述中，涉及到“套管”和“襯管”，它們在這種類型的管狀部件之間沒有隱含的區(qū)別。涉及“嵌襯”可以理解為是指在井眼中設(shè)置襯管或套管。根據(jù)本發(fā)明的可膨脹襯管鉆井系統(tǒng)(圖I)是一種使可膨脹管狀部件能被(定向)鉆進到地層中的鉆井系統(tǒng)。隨后，管狀部件在同一行程中被膨脹。圖I示出了延伸到井眼2中的鉆柱1，該井眼在地層3中形成。井眼2的上部部段設(shè)有具有縱向軸線5的套管柱4。還沒有設(shè)置套管的新鉆出的裸井部段6在套管柱4下方延伸。套管4的外部(例如在其下部部分處)設(shè)有錨定件7，該錨定件被固定在井眼2壁中或抵靠井眼壁。鉆柱I通常包括多個已連接的鉆柱段。可膨脹管狀襯管12環(huán)繞鉆柱I的下部部分10大致同心布置。鉆柱的下端部部分(即位于襯管12下方的部分)包括井底鉆具組合(BHA)14。井底鉆具組合例如包括可與擴眼器17聯(lián)接的鉆頭16 ;用于驅(qū)動鉆頭16的鉆井馬達18 ;以及隨鉆測量工具(MWD)20，用于在定向鉆井過程中幫助到達特定位置。作為與擴眼器17聯(lián)接的一種替代方案，鉆頭可以是雙心型或偏心型的。可以包括通常用于鉆井中的其它部件。鉆柱I還設(shè)有膨脹錐22。膨脹錐22布置在井底鉆具組合14上方，并且適合于通過將膨脹錐22運動穿過襯管12借助于塑性變形來使襯管12膨脹。鉆柱的下部部分10包括加力器100 (圖1、3)。加力器布置成在襯管12已經(jīng)被鉆入預(yù)定深度和位置之后啟動襯管的膨脹。
參考圖2A和圖2B，膨脹錐22例如設(shè)有用于支承襯管12的可釋放的支承裝置。支承裝置包括多個可伸縮保持塊24，這些保持塊沿膨脹錐22的外表面沿周向間隔開，并且定位于布置在膨脹錐22的錐形外表面中的相應(yīng)開口 26內(nèi)。相應(yīng)保持塊24的組合外表面形成螺紋圖案28，所述螺紋圖案與襯管12的底端部內(nèi)部上的互補螺紋圖案30相接合。螺紋圖案28與螺紋圖案30的接合通過使帶有螺紋圖案30的襯管12的下端部在可伸縮保持塊24的螺紋圖案28上滑動來實現(xiàn)。優(yōu)選的螺紋方向是逆時針方向。保護套筒32被附接到襯管12的下端部，以防止破壞膨脹錐22的外表面。膨脹錐22在其內(nèi)表面處設(shè)有環(huán)形件34，該環(huán)形件布置在膨脹錐22上的環(huán)形槽36內(nèi)。該環(huán)形件34可在環(huán)形槽36內(nèi)軸向滑動。在出發(fā)點處，環(huán)形件34例如通過彈簧力被向上推動(圖2B)。開口 26與環(huán)形槽36流體連通，并且環(huán)形件34和保持塊協(xié)作以使得環(huán)形件的向下滑動導(dǎo)致保持塊24徑向縮回。環(huán)形件34具有聯(lián)頂輪廓(landing profile)38,該聯(lián)頂輪廓與可被泵送穿過鉆柱I的封閉塞或封閉球(未示出)匹配。當封閉塞接合聯(lián)頂輪廓38時，阻塞通過鉆柱I的流體 循環(huán)通道。將流體連續(xù)泵送通過鉆柱I使得封閉塞上方的流體壓力升高并且由此使得環(huán)形件34向下滑動(圖2A)。結(jié)果，容許保持塊24徑向向內(nèi)縮回，以使得位于膨脹錐22的保持塊24外部的螺紋28從位于襯管12內(nèi)部的螺紋30釋放。如上所述，鉆柱包括加力器100。加力器適于牽拉膨脹錐22穿過襯管12。可膨脹襯管12的外部可選地設(shè)有一個或多個用于將襯管錨定在地層3中(圖3)的錨定件102。一個錨定件102包括例如一個或多個加強的和/或有倒鉤的金屬結(jié)構(gòu)，當襯管被膨脹時，所述加強的和/或有倒鉤的金屬結(jié)構(gòu)可被推到地層中。在一個實施例中(未示出)，錨定件102包括例如圍繞襯管12的圓周布置的多個金屬條和相應(yīng)楔形部件。每個金屬條具有附接到襯管12的一個端部和未被附接的自由的相對端部。自由端部朝著其中一個楔形部件被引導(dǎo)。在膨脹過程中，襯管將縮短，導(dǎo)致金屬條的自由端部沿襯管的長度運動并到達楔形部件。楔形部件將迫使自由端部朝地層運動并至少部分進入地層中，從而安放錨定件。將錨定件102至少部分地引入地層中所需的力合計達到使襯管自身膨脹所需的力。所需的膨脹力因此在膨脹器22經(jīng)過錨定件102的位置時是最大的。加力器可提供用于牽拉膨脹錐22穿過襯管12并且經(jīng)過錨定件102的力。一旦錨定件102已經(jīng)接合井眼壁，錨定件就會將襯管固定到井眼壁。襯管的其余部分可隨后通過朝向地面牽拉鉆柱而被膨脹。例如在用來牽拉鉆柱和膨脹錐穿過套管的可用力不足時，諸如在井眼的密實位置或者之前的套管4與可膨脹套管12 (圖I)交疊的位置處，加力器100可協(xié)助牽拉膨脹器22穿過襯管。襯管12可被膨脹以抵靠地層3。這可消除對在襯管與井眼壁之間的環(huán)形空間104中引入水泥以用于層間隔離(圖I)的需要?？蛇x地，在已膨脹襯管與地層之間保持小間隙的情況下，可將水泥或?qū)Ｓ媚z引入環(huán)形空間104中以防止流體沿著襯管運動通過該環(huán)形空間 104。在圖3所示的實施例中，加力器100包括由牽拉軸106、流體密封件108、夾緊器系統(tǒng)110、111和致動機構(gòu)112構(gòu)成的配置。牽拉軸106構(gòu)成加力器的單接頭。加力器包括一個或多個(例如兩個)液壓級。牽拉軸106設(shè)有朝襯管12向外徑向延伸的凸緣114、116。每個液壓級由在凸緣114、116之一上的流體密封件108與夾緊器系統(tǒng)110、111上的流體密封件108之間形成的壓力室118、119組成。襯管12構(gòu)成壓力室的外殼或外壁，牽拉軸106構(gòu)成壓力室的內(nèi)壁。凸緣116設(shè)有兩個流體通道120、122。流體通道120將鉆柱I的位于致動機構(gòu)112上方的內(nèi)部流體通道204與壓力室119相連接。流體通道122將鉆柱和軸106的位于致動機構(gòu)112下方的內(nèi)部流體通道205與位于凸緣116上方的流體腔室124相連接。穿過軸106并且位于凸緣114與夾緊器系統(tǒng)110之間的流體通道126將鉆柱的內(nèi)部流體通道204與壓力室118相連接。致動機構(gòu)例如是包括接收表面的液壓致動機構(gòu)，該接收表面在凸緣116位置處布 置在軸106的內(nèi)部。接收表面(未示出)適合接收致動裝置130，諸如球或類似的用于阻塞流體通道204的阻塞件。球可被加壓流體泵送穿過鉆柱的內(nèi)部流體通道204?？蛇x地，軸106的頂部設(shè)有可釋放的連接部件或頂部錨定件132。連接部件132通過襯管而不是通過牽拉軸106來傳遞在井眼的鉆進過程中來自井底鉆具組合14的鉆井負荷和力矩。連接部件132固定到軸106上并且能夠可釋放地接合襯管的內(nèi)部。連接部件例如包括橡膠或類似材料。膨脹器22例如通過螺紋連接133連接到襯管12。在一個實施例中，膨脹器22的外表面包括緊急釋放套筒134。該緊急釋放套筒可沿著圓柱形接合表面135從膨脹器22的內(nèi)部部件23釋放。當緊急釋放套筒134分離時，錐22的內(nèi)部部件23可通過未膨脹的襯管收回，而緊急釋放套筒134將保留在井眼中。在一個示例性實施例中，如圖4所示,頂部錨定件包括具有楔合表面162的楔形部件160。軸106設(shè)有斜表面164，該斜表面是與楔合表面162配合的配合表面。包圍軸106的彈性部件166接合楔形部件的第一端部167并且迫使楔形部件160朝向斜表面。于是，斜表面迫使楔形部件朝向襯管的內(nèi)壁，直至楔形部件接合襯管壁。楔形部件的與第一端部相對的第二端部168接合套筒170，該套筒170包圍軸106并且沿該軸可軸向運動。穿過軸106的流體通路172將軸內(nèi)部的流體通道204連接到環(huán)形空間174。環(huán)形空間174是位于軸106的壁內(nèi)部的空腔，該空腔在一個軸向端部被套筒170封閉。在空間174中積累的壓力因此將作用于套筒170的頂端部上。圖4還示出了用于將軸106連接到鉆柱I的連接部件176。連接部件例如包括帶螺紋的銷構(gòu)件178。夾緊器系統(tǒng)110、111能夠可釋放地接合可膨脹襯管12的內(nèi)表面和軸106的外表面。每個夾緊器系統(tǒng)110、111包括由彈簧140、142加載的夾緊部件136、138。夾緊部件136、138例如是可沿軸向方向滑動到相應(yīng)的斜表面144、146上的楔形部件，第一夾緊部件136面向軸106。第二夾緊部件138面向管狀部件12。在初始狀態(tài)下，例如在井眼鉆進過程中，夾緊部件136、138可接合襯管12和軸106。在鉆出井眼的預(yù)定裸井段之后，加力器100通過將致動裝置130引入鉆柱(圖5)中而被致動。致動裝置可包括但不限于諸如可被泵送穿過鉆柱的球或塞。當致動裝置130接合致動機構(gòu)112的接收表面時，致動裝置130阻塞流體流動通過通道204。流體通道204內(nèi)流體的流體壓力隨后增加，由此，流體將由于相應(yīng)流體通道之間的壓力差而流過流體通道 172、120 和 126。
經(jīng)由流體通路172，環(huán)形空間174內(nèi)的壓力將增加。當由環(huán)形空間內(nèi)的流體壓力施加到套筒170上的力大于由彈簧166施加到套筒上的力時，流體壓力將迫使套筒170朝彈簧運動，由此迫使楔形部件離開斜表面164。當楔形部件離開斜表面時，頂部錨定件132的楔形部件160從內(nèi)襯管表面釋放，從而使得襯管能夠相對頂部錨定件運動。經(jīng)由流體通道120、126，壓力室118、119分別被加壓。壓力室118、119內(nèi)的壓力作用在夾緊器系統(tǒng)110、111的相應(yīng)流體密封件108上，從而導(dǎo)致夾緊部件136(圖3)從軸106釋放。同時，夾緊部件138接合襯管12的內(nèi)部，即，襯管和夾緊器系統(tǒng)現(xiàn)在可相對于軸106運動。隨后，壓力室118、119中增加的壓力與流體腔室124、125、127中(較低的)壓力之間的壓差迫使凸緣114、116以及相應(yīng)的夾緊器系統(tǒng)110、111運動遠離彼此(圖5)。軸106與凸緣114、116 —起運動并且牽拉膨脹器22穿過襯管，由此使襯管的下部部分152膨脹。在夾緊器系統(tǒng)110與凸緣116之間的預(yù)定距離設(shè)定加力器行程長度的上限。在加力器已經(jīng)走完行程長度(圖6)時，流體150的流體壓力降低。流體150在流 體通道204中降低的壓力例如大約等于或低于在流體腔室124、125和/或127中的壓力。加力器通過使鉆柱I沿行程長度(圖7)向下運動而被復(fù)位用于下一行程。夾緊器系統(tǒng)110、111的夾緊部件138此時仍接合襯管12，而軸106可沿夾緊部件136滑動。在接下來的步驟中(圖8)，夾緊部件138被釋放，而夾緊部件136被致動以接合軸106。鉆柱I隨后被向上牽拉。加力器包括軸106和夾緊器系統(tǒng)110、111在內(nèi)隨鉆柱向上運動，直至膨脹器22接合可膨脹襯管12的未膨脹部分，即在已膨脹部分152的頂端部處(圖7)。如圖5至圖8所示，使用加力器的膨脹程序可被重復(fù)預(yù)定的次數(shù)。膨脹程序可例如重復(fù)執(zhí)行直至使基本整個襯管12膨脹。可替代地，該程序可被重復(fù)執(zhí)行直至襯管錨定件102已經(jīng)接合井眼壁，其中，接下來，襯管的其余部分可通過朝向地面牽拉鉆柱而被膨脹。如果需要，加力器還可與鉆柱的機械牽拉聯(lián)合使用。這可例如用來確認錨定裝置102是否固定在地層中。在流體壓力被供應(yīng)到加力器時，鉆柱I同時將膨脹器22機械地牽拉到襯管中，加力器中的流體壓力將顯著下降到零巴，此時錨定件102已經(jīng)接合并且固定在地層3中。在頂端部分處，襯管12與套管柱4 (圖I)的底端部分重疊。當膨脹錐22進入襯管的頂端部分時，加力器將進入套管4中。因為套管4的內(nèi)徑大于襯管12的內(nèi)徑，所以可以給加力器的腔室118加壓。襯管的頂部(至少包括與套管4重疊的襯管部分)可以因此具有減小的壁厚。襯管壁的減小的厚度確保牽拉膨脹器22穿過襯管并且使襯管的頂端部分膨脹抵靠套管4所需的力可通過將鉆柱牽拉到地面來提供。圖9示出了本發(fā)明系統(tǒng)200的另一個實施例。與圖3中的系統(tǒng)100的部件相當?shù)牟考褂孟嗤母綀D標記表示。系統(tǒng)200包括具有中心軸線203的可封閉流體通路202，該可封閉流體通路將鉆柱I的內(nèi)部流體通道204連接到一個或多個壓力室118、119。在頂端部附近，系統(tǒng)200的軸106設(shè)有致動機構(gòu)212(圖10A、11A)。致動機構(gòu)212包括具有開口 208、210的圓柱形套筒206。套筒206布置軸106內(nèi)部并且可沿其軸線5運動。軸106設(shè)有可封閉的排氣口 214，以將位于致動機構(gòu)212下方的牽拉軸106的內(nèi)部流體通道205連接到位于鉆柱I與襯管12之間的環(huán)形空間216。套筒206的內(nèi)表面設(shè)有用于接收致動裝置130的接收表面218。在未致動狀態(tài)中，例如在一段井眼的鉆進過程中，致動機構(gòu)212的套筒206封閉流體通路202和排氣口 214。當致動機構(gòu)被致動時(圖10A、11A)，接收表面218已經(jīng)接收致動裝置130。由于致動裝置130上方的流體壓力，套筒206將沿軸向移位，直至開口 208、210分別與流體通路202和排氣口 214對準，從而提供流體通道。在圖10B、圖IlB和圖12中示出了流體通路202的多個示例性實施例。軸106可以是具有兩個內(nèi)部縱向流體通路205、202 (圖10B)的桿。在另一個實施例中，軸106包括 緊緊包圍內(nèi)管222的外管220。內(nèi)管222內(nèi)的空心內(nèi)部空間構(gòu)成流體通路205。內(nèi)管222的外表面設(shè)有一個或多個縱向溝槽224，例如一起構(gòu)成流體通路202 (圖11B)的兩個縱向溝槽?？商娲?，軸106可以是管，其中流體通路202是布置在該管的空心內(nèi)部空間內(nèi)的較細的管，該空心內(nèi)部空間構(gòu)成流體通路205 (圖12)。在一個實施例中，流體通路202包括多個流體通道，如圖10AU1A所示。第一流體通道230將開口 208連接到環(huán)形空腔232。環(huán)形空腔連接到第二流體通路234，該第二流體通路連接到壓力室118。環(huán)形空腔232還連接到第三流體通路236，該第三流體通路延伸到第二壓力室119和可能有的其它壓力室(未示出)。在圖IlA所示的實施例中，軸106的一部分包括圖IlB中所示的使用內(nèi)管和外管的配置。第三流體通路236連接到另一環(huán)形空腔238，該環(huán)形空腔將第三流體通路連接到溝槽224。溝槽224提供朝向第二壓力室119的流體通路。膨脹錐22設(shè)有一個或多個流體通道250。這些流體通道將流體腔室127連接到膨脹錐22下方的空間中，從而平衡膨脹錐上方的壓力。類似地，頂部錨定件132可設(shè)有一個或多個流體通道152，以將流體腔室125連接到環(huán)形空間216，從而平衡頂部錨定件上方的壓力。圖13示出了壓力室118的一個更詳細的實施例，其中附圖標記標示上面描述的部件。在另一個實施例中，如圖14所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括用于將井底鉆具組合(BHA)14連接到膨脹器22的聯(lián)接構(gòu)件或接頭280。接頭280包括例如將井底鉆具組合14直接連接到膨脹器22的管282。接頭的外直徑等于或小于膨脹器的外直徑。軸106的下端部設(shè)有基座部分284?；糠值耐庵睆酱笥谳S106的外直徑，其中基座部分提供軸肩286。軸可在膨脹器22內(nèi)滑動，并且因此基座部分284可連同該軸在管282內(nèi)軸向運動。該軸向運動由箭頭288表示。膨脹器22的底部290構(gòu)成用于軸肩286的軸向運動的上限。L1、L2和L3分別表示基座部分284的長度或高度、基座部分與膨脹器的底部290之間的長度以及管282的長度。在另一個實施例中，如圖15所示，頂部錨定件132包括錨定件主體300和錨定件套筒302。錨定件主體包括截錐形的頂部部分304和圓柱形的主要部分306。圓錐形頂部部分304具有漸縮的外表面308。錨定件套筒通過將頂部錨定件沿箭頭310方向壓入套筒中被壓縮在錨定件主體300與管狀件12之間，直至主要部分306與頂部部分304之間的界面312大約位于套筒的中間。頂部部分304連接到鉆柱I，而主要部分306連接到軸106。加力器100可用來將頂部錨定件壓到錨定件套筒302上。L4、L5和L6分別表示錨定件套筒203的長度、錨定件套筒的底部與界面312之間的長度和錨定件主體300的底部與錨定件套筒302的頂部之間的長度。管狀襯管12、壓縮套筒302和錨定件主體300之間的摩擦力是預(yù)定的，以使得這些摩擦力大于最大鉆進力。在此鉆進力表示反作用力，諸如由于致動井底鉆具組合14所引起的振動而產(chǎn)生的力矩和力。因此，頂部錨定件將經(jīng)由管狀襯管12傳遞的鉆進力引導(dǎo)到鉆柱
I。本發(fā)明的系統(tǒng)可例如通過使用圖1 4所示的接頭而被保護以免受所述鉆進力的影響，其中軸106在鉆井過程中可在膨脹錐22內(nèi)自由滑動，以使得接頭將來自井底鉆具組合14的鉆進力引導(dǎo)至襯管12。圖15所示的頂部錨定件132可通過致動加力器100、200而釋放。當壓力室118、119被加壓時，將迫使包括錨定件主體300的軸106將沿箭頭310的方向向上。通過增加壓力室118、119內(nèi)的流體壓力，所述向上的力增加。當該向上的力大于將錨定件主體300保持在壓縮的錨定件套筒302內(nèi)的摩擦力時，錨定件主體將開始滑動穿過錨定件套筒302。當本發(fā)明的系統(tǒng)將圖15中所示的頂部錨定件132與圖14中示出的接頭相結(jié)合時，長度L2優(yōu)選大于長度L6。然后，軸106可自由地滑動穿過膨脹器22，以使得整個錨定件主體300可滑動穿過錨定件套筒302。由于軸106具有比主體部分306小的外直徑，當整個錨定件主體300已經(jīng)滑動穿過錨定件套筒302時，頂部錨定件將被釋放。錨定件套筒302例如可由彈性材料制成，以使得當錨定件主體300已經(jīng)被移走時，錨定件套筒的直徑將縮小。本發(fā)明的系統(tǒng)可隨后如上所述開始使襯管12膨脹。合適的彈性材料包括一些類型的鋼，諸如工具鋼和彈簧鋼。彈簧鋼是具有相對高的屈服強度的低合金中碳鋼。這允許由彈簧鋼制成的物體即使有很大的彎曲、扭曲或膨脹也能恢復(fù)到它們的初始形狀。如圖16所示，圖14的接頭的一個實施例包括位于膨脹器與管狀構(gòu)件282之間的螺紋連接320。第二螺紋連接322將管狀構(gòu)件282連接到附加的接頭部件324，該附加的接頭部件例如是相對于管狀構(gòu)件282具有增加的壁厚的圓柱形加強部件。該加強部件324在其下端部處包括可連接到井底鉆具組合14的螺紋連接部分326。膨脹器可使用螺紋連接330連接到襯管12，該螺紋連接在圖17中詳細示出。膨脹器22包括錐形膨脹表面332。膨脹器的上部部分334具有配合在未膨脹的襯管內(nèi)的外直徑，該上部部分334在其外表面上設(shè)有螺紋336。螺紋336連接到襯管12內(nèi)表面上的匹配螺紋338。無論何時膨脹器22向井下運動，螺紋336將接合螺紋338。然而，螺紋336將成形為使得當膨脹器沿相反方向運動時，由加力器100、200產(chǎn)生的力將超過釋放螺紋連接330所需的力。當本發(fā)明的系統(tǒng)包括圖14和17所示的接頭時，該系統(tǒng)的操作將相對于上述參考圖5至圖8所描述的操作稍有變化。然而，壓力室被以類似的方式加壓，以迫使軸106相對于襯管12運動。在初始狀態(tài)下，在膨脹之前，基座部分可位于井底鉆具組合14附近。在第一步驟中，如參考圖15所述，迫使包括基座部分的軸向上以釋放頂部錨定件。此時，長度L3大于長度L6，使得整個錨定件主體可滑動穿過錨定件套筒302以釋放頂部錨定件132。在第二步驟中，包括基座部分的軸106繼續(xù)向上運動，直至軸肩286接合膨脹器的底部290。在第三步驟中，包括基座部分的軸繼續(xù)向上運動，其中基座部分284迫使膨脹器22向上運動通過襯管12。此時，螺紋連接330將被松開。軸106繼續(xù)向上運動直至壓力室118、119滿足與圖6中所示出的狀態(tài)相當?shù)囊粋€完整行程的極限。當系統(tǒng)復(fù)位用于與圖7中相當?shù)南乱粋€行程時，軸106將滑動穿過膨脹器22。此時，管282的長度L3優(yōu)選比一個行程的最大長度長。與圖7和圖8相比，在這個實施例中，膨脹器22將其位置保持在襯管12的已膨脹部分152與未膨脹部分之間的界面處，而該軸106將滑動穿過膨脹器。在系統(tǒng)復(fù)位后，基座部分284將再次接合膨脹器的底部290，并且系統(tǒng)可繼續(xù)進行接下來的膨脹行程。在另一個實施例中，如圖18所示，夾緊器系統(tǒng)110、111可包括牽拉軸夾緊器同步裝置350。同步裝置350包括包圍牽拉軸106的圓筒形罩殼352?？v向空腔354布置在罩殼352內(nèi)，這些縱向空腔在一端部與開口 356對齊。一個或多個彈簧358布置在所述空腔內(nèi)，彈簧在一端部支承在相應(yīng)空腔的壁上而另一端部連接到銷360的頭部。銷自身延伸穿過相應(yīng)的開口 356并且可滑動穿過所述開口。銷360的與所述頭部相對的端部連接到斜表面構(gòu)件362，該斜表面構(gòu)件包括面向軸106的斜表面144。罩殼352的與銷360相對的端部連接到下部流體密封件366的支承構(gòu)件364上，該下部流體密封件是位于膨脹器側(cè)部的壓力室118的流體密封件108。密封件108自身被布置在圓筒形套筒366上并包圍該圓筒形套筒，該圓筒形套筒連接到支承構(gòu)件364。夾緊器系統(tǒng)110還包括與斜表面144配合的內(nèi)夾緊部件或者牽拉軸夾緊器部件136 ;和用于給牽拉軸夾緊器部件136預(yù)加載的加載彈簧140。襯管夾緊器楔形件368包括斜表面146，該斜表面與襯管夾緊器部段138配合。襯管夾緊器部段138通過襯管夾緊器預(yù)加載彈簧142進行預(yù)加載。斜表面構(gòu)件362通過連接器370連接到襯管夾緊器楔形件368，所述連接器可包括任何合適的連接器，諸如螺栓。下面描述牽拉軸夾緊器同步裝置的操作。當壓力室118被加壓時，密封件366朝向斜表面構(gòu)件362推動同步裝置350，其中兩個部件之間的間隙372減小，以使得牽拉軸夾緊器部件136被推向襯管夾緊器楔形件368。結(jié)果，牽拉軸夾緊器部件136與牽拉軸脫開接合，這允許牽拉軸106相對于牽拉軸夾緊器部件136運動，通常沿部段136的鎖定方向(即朝向圖18中的左邊)運動。如圖5至圖8所示以及上文中的相應(yīng)描述，利用以下步驟序列操作膨脹系統(tǒng)A)膨脹行程(圖6);B)將夾緊器系統(tǒng)110、111復(fù)位并且閉合高壓壓力室118、119 (圖7);以及C)將膨脹工具串滑動穿過襯管12，直至錐22被牽拉抵靠襯管的已膨脹內(nèi)表面(圖8)。在步驟C期間(向圖18中的左邊)，在牽拉軸106的滑動作用期間，壓力室的下部密封件366由于摩擦將力施加到同步裝置350上。在滑動作用期間，同步裝置的彈簧354保持同步裝置350與斜表面構(gòu)件362之間的間隙372敞開。彈簧354中的預(yù)張力至少等于在步驟C的滑動作用期間在相應(yīng)壓力室的下部密封件366與襯管12之間的最大摩擦力。此外，牽拉軸夾緊器楔形件362的形狀防止在釋放載荷時牽拉軸夾緊器部段136處于自鎖狀態(tài)。 當在步驟C中將牽拉載荷施加到牽拉軸106時，部段136自鎖。彈簧140的彈簧預(yù)張力推動牽拉軸夾緊器部段136朝向下部密封件366，其中楔形件362的形狀推動部段136朝向牽拉軸，從而產(chǎn)生夾緊作用。優(yōu)選在牽拉軸夾緊器部段的外表面上施加摩擦材料，這增加了部段136與牽拉軸106之間的摩擦(例如，摩擦系數(shù)m=0. 3-0. 5)。這種摩擦材料不會破壞牽拉軸106的表面。牽拉軸夾緊器的預(yù)加載彈簧140以特定值設(shè)定，該特定值在牽拉軸夾緊器部段136上產(chǎn)生足夠的預(yù)加載荷。所述載荷使得在步驟B中將夾緊器系統(tǒng)復(fù)位的過程中，部段136與牽拉軸106之間的摩擦是最小的。當楔形件362被加載時，襯管夾緊器楔形件368同樣被加載。襯管夾緊器楔形件368朝向襯管夾緊器部段138的移位導(dǎo)致襯管夾緊器部段138徑向向外運動，這導(dǎo)致在襯管12的內(nèi)表面上的徑向載荷，從而相對于襯管錨定部段138。
襯管夾緊器部段138的徑向外表面，即面向襯管12的內(nèi)表面的表面，可設(shè)有一個或多個齒狀部380 (圖19)。所述齒狀部被成形為當襯管夾緊器部段138被推向膨脹錐22(向圖18中的右邊)時接合襯管12，而當部段138沿相反方向滑動時以很低的摩擦力相對于襯管滑動。在此，齒狀部被設(shè)計成保持襯管的潤滑。襯管夾緊器部段138的長度使得當夾緊件受到最高的預(yù)定工作載荷時，襯管12不會塑性膨脹。襯管夾緊器部段138接合斜表面146的表面使得在釋放同步裝置350上的載荷時形成非自鎖狀態(tài)。齒狀部380具有以下功能性I.在本發(fā)明的工具被推入鎖定方向382時，將襯管夾緊件138錨定到襯管12 ;和2.在低摩擦力下沿方向384滑動穿過襯管12，而不會破壞襯管的潤滑以及因此阻礙膨脹性能。在一個實施例中，齒狀部380具有相對于襯管夾緊器138的高度tteeth 386。高阻力壁388可相對于襯管夾緊器138大致垂直地延伸?；瑒颖?90可相對于襯管夾緊器138以一角度延伸。高阻力壁388與滑動壁390之間的角度β可以在約60度到89度之間。高度ttMth稍大于0，例如在約O. I毫米到約3毫米的范圍內(nèi)。襯管夾緊器預(yù)加載彈簧142以特定值設(shè)置，以確保襯管夾緊器部段138與襯管12之間的充分摩擦，以便在襯管夾緊器部段被推向膨脹錐時引發(fā)夾持力。夾緊器系統(tǒng)110有兩個主要部件，即襯管夾緊器系統(tǒng)和牽拉軸夾緊器系統(tǒng)。襯管夾緊器系統(tǒng)的目的是在步驟A和B期間沿向下方向(與膨脹方向相反的方向)產(chǎn)生對襯管的錨定。襯管夾緊器能夠經(jīng)得起所需的最大力，但不會破壞管或管的潤滑。襯管夾緊器可在步驟C中用最小的牽拉力(例如小于膨脹工具串的負載能力1%的力)向上(沿著膨脹的方向)牽拉。在這種滑動作用下，襯管12的內(nèi)表面上的潤滑將保持原樣，以消除對膨脹過程的負面影響。牽拉軸夾緊器系統(tǒng)的目的是在沒有力施加在高壓力室內(nèi)并且系統(tǒng)在步驟C中被向上(沿膨脹方向)牽拉時產(chǎn)生對牽拉軸的錨定。所需的夾緊力等于整個夾緊器系統(tǒng)的重量和滑動摩擦力。夾緊作用不會破壞牽拉桿的表面。兩種夾緊器系統(tǒng)都是非自鎖的，即在釋放載荷之后，每個夾緊器部段返回預(yù)張緊狀態(tài)。可如下操作膨脹工具I.在步驟A中，將壓力施加到壓力118。結(jié)果，下部密封件366將向下運動并且對同步裝置350加載；
2.當同步裝置上的載荷大于同步裝置中的彈簧354的預(yù)張力時，間隙372將減小;3.所需的最小間隙距離等于部段136釋放牽拉軸夾緊器所需的位移；4.當同步裝置350施加到牽拉軸部段136上的載荷大于彈簧140的預(yù)張力時，牽拉軸夾緊器將被釋放；5.當同步裝置350與斜表面構(gòu)件362之間的間隙372閉合時，下部密封件366的載荷也將施加到襯管夾緊器楔形件368上。這導(dǎo)致襯管夾緊器部段138徑向向外運動，這隨后將襯管夾緊器部段138錨定到襯管12上；6.現(xiàn)在開始膨脹行程A (參見圖6);7.在膨脹行程A之后，壓力室118內(nèi)的壓力被釋放。同步裝置350與楔形構(gòu)件 362之間的間隙372恢復(fù)原狀并且牽拉軸夾緊器楔形件362和襯管夾緊器楔形件368上的載荷被移除；8.在步驟B中，牽拉軸106被朝向膨脹錐22向下推動。此時，牽拉軸夾緊器與牽拉軸之間的摩擦力由于襯管夾緊器彈簧142的預(yù)張力而很低。在襯管夾緊器部段138上的齒狀部380將仍然接合襯管12的內(nèi)表面。9.在步驟C中，牽拉軸106被沿相反方向牽拉。此時，牽拉軸夾緊器將在牽拉軸夾緊器部段136與牽拉軸之間產(chǎn)生錨定。襯管夾緊器部段138將由于齒狀部380的特定形狀而滑動穿過襯管。在步驟C結(jié)束時，錐22被牽拉抵靠襯管的已膨脹內(nèi)表面，從步驟I開始重復(fù)該程序。在一個實際的實施例中，可以得到如下文中具體化的設(shè)計準則。圖20示出了作用在由楔形件400和部段402構(gòu)成的組件上的力平衡，楔形部件和部段均水平布置。將力Fa施加到楔形部件400產(chǎn)生夾緊力Fr。移走力Fa將導(dǎo)致系統(tǒng)的自動釋放作用。自動釋放在下述條件下產(chǎn)生Fr*sin ( a ) >Fw [I]其中Fw是楔形件和部段之間的摩擦力。鑒于水平和垂直的力平衡以及方程式I所表示的必需條件，可得出用于自動釋放系統(tǒng)的下述表達式
sin{a) *cos(cr + f>) ^…
> IL j
sifi(0'在此，tan((p)= 岵，其中μ wedge是形件與部段之間的摩擦系數(shù)。圖21示出了當由楔形件400和部段402構(gòu)成的組件被豎向布置時作用在該組件上的力平衡。在此S=彈簧預(yù)加載荷[N]N=作用在楔形件上的膨脹載荷[N]Gs=部段的重量[N]Gw=楔形件的重量[N]楔形件與部段之間的摩擦系數(shù)μ wedge可表示為
權(quán)利要求
1.一種用可膨脹管狀部件嵌襯一段井眼的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 -延伸到井眼中的細長鉆柱(1)，所述鉆柱在其下端部附近包括加力器(10); -處于其未膨脹形態(tài)下的可膨脹管狀部件(12)，所述可膨脹管狀部件封裝至少所述加力器并且用作至少所述加力器的殼體；和 -用于使所述可膨脹管狀部件膨脹的膨脹器(22)，所述膨脹器布置在所述加力器的下端部處。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述加力器包括 -牽拉軸(106)，所述牽拉軸被包含在所述鉆柱的下部部分中； -一個或多個夾緊器系統(tǒng)(110、111)，每個所述夾緊器系統(tǒng)是可控制的，以便夾緊或釋放所述可膨脹管狀部件和/或所述牽拉軸；和 -一個或多個壓力室(118、119)，所述一個或多個壓力室適合與所述一個或多個夾緊器系統(tǒng)配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述牽拉軸包括一個或多個凸緣(114、116)，每個壓力室形成在所述凸緣之一與所述夾緊器系統(tǒng)之一之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的系統(tǒng)，其中所述可膨脹管狀部件(12)構(gòu)成所述一個或多個壓力室的外殼或外壁。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其中所述一個或多個凸緣和所述一個或多個夾緊器系統(tǒng)設(shè)有流體密封件(108 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，包括同步裝置，所述同步裝置布置在所述一個或多個壓力室與所述一個或多個夾緊器系統(tǒng)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中每個同步裝置包括 -罩殼，所述罩殼連接到所述壓力室和所述夾緊器系統(tǒng)中的一個； -彈簧，所述彈簧布置在所述罩殼內(nèi)；和 -銷，所述銷通過所述彈簧被預(yù)加載，并且連接到所述壓力室和所述夾緊器系統(tǒng)中的另一個。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，包括 -縱向流體通道(204)，所述縱向流體通道穿過所述鉆柱以用于將加壓流體提供到所述壓力室；和 -致動機構(gòu)(112)，所述致動機構(gòu)用于使從流體所述縱向流體通道改向到所述壓力室。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，還包括錨定裝置(102)，所述錨定裝置設(shè)置在所述可膨脹管狀部件的外部，用于將所述可膨脹管狀部件錨定在井眼中。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述可膨脹管狀部件的上端部用布置在所述井眼中的外部管狀部件(4)圍住。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述鉆柱(I)適合與所述加力器配合以便牽拉所述膨脹器穿過所述可膨脹管狀部件。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述管狀部件在其頂端部處壁厚度減小。
13.一種用可膨脹管狀部件嵌襯一段井眼的方法，所述方法包括以下步驟 -使用鉆柱(I)鉆出一段井眼(2 )，其中所述鉆柱包括-在所述鉆柱下端部附近的加力器(100)； -處于其未膨脹形態(tài)下的可膨脹管狀部件(12)，所述可膨脹管狀部件封裝至少所述加力器并且用作至少所述加力器的殼體；和 -用于使所述可膨脹管狀部件膨脹的膨脹器(22)，所述膨脹器布置在所述加力器的下端部處； 所述方法包括其它步驟 -致動所述加力器以便牽拉所述膨脹器穿過所述可膨脹管狀部件，以用于使所述可膨脹管狀部件膨脹到其膨脹形態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述加力器包括一個或多個壓力室(118、119)，所述可膨脹管狀部件(12)構(gòu)成所述壓力室的外殼或外壁。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中所述可膨脹管狀部件的外部設(shè)有錨定裝置(102),所述錨定裝置用于將所述可膨脹管狀部件錨定到所述井眼(2)的壁。
16.根據(jù)權(quán)利要求13-15中的任一項所述的方法，所述方法包括在致動所述加力器的步驟期間，將所述鉆柱和所述膨脹器牽拉到所述可膨脹管狀部件中。
17.根據(jù)權(quán)利要求13-16中的任一項所述的方法，該方法包括以下步驟確認當所述加力器中的液壓壓力下降到閾值壓力以下時所述錨定裝置(102)錨定在井眼中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用可膨脹管狀部件嵌襯一段井眼的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括細長的鉆柱(1)，該鉆柱在其下端部附近具有加力器(10)，該加力器容納在可膨脹管狀部件(12)內(nèi)。用于使管狀部件膨脹的膨脹器(22)布置在加力器的下端部處。錨定裝置(110、111)設(shè)置在管狀部件的外部，用于將管狀部件錨定在井眼中。使用加力器牽拉膨脹器穿過可膨脹管狀部件可以與向上牽拉鉆柱相結(jié)合。加力器中液壓壓力的突然下降將確認錨定裝置固定在井眼壁上。
文檔編號E21B43/10GK102667055SQ201080051730
公開日2012年9月12日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者A·L·M·維本, D·H·澤斯林, E·J·范里特, F·韋恩斯特拉, J·H·范德爾瓦爾 申請人:國際殼牌研究有限公司