专利名称：具有轨道的裸井牵引器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于在井内传送设备的装置、系统和方法，更具体地，本发明涉及一种井下牵引器(downhole tractor)，其可在开敞井(open well)和下套管井(cased well)中使用，并且当在裸井(open hole)中使用时，适用于所有类型的土壤条件和地层坚实度，无论是软性的还是硬性的，或其它情况。
背景技术：
在油气工业中，公知在井内使用井下牵引器来传送设备，例如测井设备，并且当需要在高偏斜的和水平的钻井(well bore)中传送设备时，使用井下牵引器通常是特别有效。这样的井下牵引器的实例可参见1987年6月2日发布的Staron等人的美国专利No.4670862和2000年7月18日发布的Newman等人的美国专利No.6089323。现有的井下牵引器在很多方面有欠缺，所述方面包括在需要牵引器横穿多种土壤/地层坚实度(例如，软性、硬性、刚性等)的裸井中以及在具有变化的直径和不规则的孔剖面的井筒(borehole)中进行操作的领域。另外，现有的牵引器在增加传送在裸井中使用的用于地层评估的工具所需要的力的能力方面存在欠缺，所述工具通常要比在下套管井中使用的用于生产测井(production logging)的工具更重。现有牵引器存在缺陷的另一领域是当它浸没到处于高于150摄氏度的高温下的钻井泥浆中时的操作能力；这种情况部分是由于现有的牵引器不能有效散热而引起的。然而，从下述说明和讨论可见，本发明克服了上述装置存在的缺陷，并且提供一种改进的且更有效的井下牵引器。
发明内容
广义上，本发明可以是一种井下牵引器，其包括轨道组件，其包括可旋转轨道；电动机，其适于旋转所述轨道；下臂，其具有由牵引器外壳支承的第一端和连接到所述轨道组件的第二端；上臂，其具有由所述牵引器外壳支承的第一端和连接到所述轨道组件的第二端；致动臂，将其安装成在打开和闭合位置之间移动所述轨道组件。本发明的该方面的另一特征可以是，围绕安装到所述轨道组件的多个轮可旋转地设置所述轨道。本发明的该方面的另一特征可以是，所述轨道包括多个轮。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括可旋转的螺纹件和杆中的一个，并且所述致动臂包括枢转连接到所述螺纹件和杆中的一个的第一端以及枢转连接到所述轨道组件的第二端。本发明的该方面的另一特征可以是，所述轨道沿着由椭圆形、平行四边形、梯形或三角形的总体形状限定的路径旋转。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括连接在所述电动机和适于旋转所述轨道的从动轮之间的传动装置。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括直接或者间接地连接到所述致动臂的可旋转螺纹件，由此，当所述螺纹件在第一方向上旋转时，所述螺纹件使得所述致动臂将所述轨道组件移向它的打开位置，并且当所述螺纹件在第二方向上旋转时，所述螺纹件使得所述轨道组件移向它的闭合位置。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括连接到所述致动臂的杆，由此，当所述杆在第一方向上移动时，所述杆使得所述致动臂将所述轨道组件移向它的打开位置，并且当所述杆在第二方向上移动时，所述杆使得所述致动臂将所述轨道组件移向它的闭合位置。本发明的该方面的另一特征可以是，所述下臂的第一端设置成在所述牵引器外壳中的槽内移动。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还可以包括滑动组件，所述滑动组件连接到所述轨道组件和所述下臂，并且适于允许在所述轨道组件和所述下臂之间相对移动。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还可以包括滑动组件，所述滑动组件具有设置用以在外部构件的孔内移动的内部构件，所述内部构件和外部构件中的一个连接到所述上臂，而所述内部构件和外部构件中的另一个连接到所述轨道组件。本发明的该方面的另一特征可以是，所述致动臂包括与安装在所述牵引器外壳上的斜面接合的轮。本发明的该方面的另一特征可以是，所述轨道组件还包括直接或间接地耦接到所述电动机的从动轮。本发明的该方面的另一特征可以是，所述电动机直接或者间接地耦接到与所述轨道接合的可旋转螺纹件，由此，所述螺纹件旋转使得所述轨道旋转。
在另一方面，本发明可为一种井下牵引器，其包括轨道组件，其包括多个空转轮和围绕所述空转轮可旋转设置的连续轨道；电动机，其适于围绕所述空转轮旋转所述轨道；下臂，其具有枢转连接到牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；上臂，其具有枢转连接到所述牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；可旋转螺纹件和杆中的一个；以及连杆组件，其包括具有枢转连接到所述螺纹件和杆中的一个的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端的第一连杆，以及具有枢转连接到所述轨道组件的第一端和枢转安装到所述牵引器外壳上的第二端的第二连杆。本发明的该方面的另一特征可以是，所述第一连杆的第二端和所述第二连杆的第一端在所述轨道组件上的枢转点处枢转地安装到所述轨道组件上。本发明的该方面的另一特征可以是，所述下臂的第一端设置成在所述牵引器外壳中的槽内移动。本发明的该方面的另一特征可以是，所述轨道沿着由椭圆形、平行四边形、梯形或三角形的总体形状限定的路径旋转。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括连接在所述电动机和从动轮之间的传动装置。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括液压系统，其适于使得所述杆在所述轨道组件处于闭合位置的第一位置和所述轨道组件处于打开位置的第二位置之间移动。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括第二电动机，其适于在第一方向旋转所述螺纹件，使得所述轨道组件移向打开位置，并且适于在第二方向旋转所述螺纹件，使得所述轨道组件移向闭合位置。本发明的该方面的另一特征可以是，所述螺纹件和杆中的一个适于在大体平行于所述牵引器外壳的中心轴的方向上移动所述第一连杆的第一端。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括滑动组件，其连接到所述轨道组件和所述下臂，并且适于允许在所述轨道组件和所述下臂之间相对移动。本发明的该方面的另一特征可以是，所述轨道组件还包括直接或间接地耦接到所述电动机的从动轮。本发明的该方面的另一特征可以是，所述电动机直接或者间接地耦接到与所述轨道接合的第二可旋转螺纹件，由此，所述螺纹件旋转使得所述轨道旋转。
另一方面，本发明可以为一种井下牵引器，其包括轨道组件，其包括多个空转轮和围绕所述空转轮可旋转设置的连续轨道；电动机，其适于围绕所述空转轮旋转所述轨道；下臂，其具有枢转连接到牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；上臂，其具有枢转连接到所述牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；可旋转螺纹件和杆中的一个；以及致动臂，其具有枢转连接到所述螺纹件和杆中的一个的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端，以及与连接到所述牵引器外壳的斜面接合的轮。本发明的该方面的另一特征可以是，所述下臂的第一端设置成在所述牵引器外壳中的槽内移动。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括连接在所述电动机和从动轮之间的传动装置。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括液压系统，其适于使得所述杆在所述轨道组件处于闭合位置的第一位置和所述轨道组件处于打开位置的第二位置之间移动。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括第二电动机，其适于在第一方向旋转所述螺纹件，使得所述轨道组件移向打开位置，并且适于在第二方向旋转所述螺纹件，使得所述轨道组件移向闭合位置。本发明的该方面的另一特征可以是，所述螺纹件和杆中的一个适于在大体平行于所述牵引器外壳的中心轴的方向上移动第一连杆的第一端。本发明的该方面的另一特征可以是，所述牵引器还包括滑动组件，其连接到所述轨道组件和所述下臂，并且适于允许在所述轨道组件和所述下臂之间相对移动。本发明的该方面的另一特征可以是，所述轨道组件还包括直接或间接地耦接到所述电动机的从动轮。本发明的该方面的另一特征可以是，所述电动机直接或者间接地耦接到与所述轨道接合的第二可旋转螺纹件，由此，所述第二可旋转螺纹件旋转使得所述轨道旋转。本发明的该方面的另一特征可以是，所述装置还包括一第二井下牵引器，该第二井下牵引器与所述井下牵引器间隔开大于钻井的冲蚀井段(washed out section)的长度的距离。
另一方面，本发明可以为一种在钻井中传送物体的方法，其包括如下步骤提供一种井下牵引器，其包括具有可旋转轨道的轨道组件、适于旋转所述轨道的电动机、具有枢转连接到牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端的下臂、具有枢转连接到牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端的上臂以及安装成在打开和闭合位置之间移动所述轨道组件的致动臂；将物体连接到所述牵引器；使得所述轨道与所述钻井的内表面接合；启动电动机；并且沿着所述表面移动所述牵引器。本发明的该方面的另一特征可以是，所述方法还包括以下步骤提供第二井下牵引器，所述井下牵引器与所述井下牵引器间隔开大于钻井的冲蚀井段(washed outsection)的长度的距离。
本发明的其它特征、方面和优点将通过下面的描述更加显见。
图1是根据本发明构成的裸井牵引器的一特定实施例的侧视图。
图2是根据本发明构成的裸井牵引器的更详细的侧视图。
图3是示出图2所示的牵引器中的轨道组件的细节的侧视图。
图4显示了换向齿轮的一个实施例。
图5显示了换向齿轮的一个实施例。
图6是显示可通过枢转地设置在一槽中的臂部来连接轨道组件而使该轨道组件大体沿着牵引器的中心轴移动的方式的侧视图。
图7是显示一致动臂的侧视图，该致动臂附接到轨道组件(图示为闭合位置)，以便在打开位置和闭合位置之间移动所述轨道组件，并且向所述轨道组件施加大致恒定的向外的力。
图8是类似于图7的视图，但是其中示出了位于打开或者接合位置的轨道。
图9是显示图7和图8描绘的致动臂和其它部件的俯视图。
图10是显示本发明的一特定实施例的横截面图，其中牵引器可包括两个轨道组件。
图11是显示本发明的另一特定实施例的另一横截面图，其中牵引器可包括三个轨道组件。
图12是显示图10的实施例的另一横截面图，其中，所述牵引器可构成为在椭圆形的钻井中使用。
图13是描绘本发明的牵引器的一特定实施例的一部分的侧视图，其中描绘了滑动组件。
图14是本发明的一特定实施例的侧视图，其中示出了使用串联连接的两个牵引器。
图15是本发明的另一特定实施例的侧视图，其中示出了安装在可枢转连接到牵引器的一臂部中的电动机和齿轮箱，以便在打开和闭合位置之间移动轨道。
图16是具有冲蚀井段的井筒的纵截面图，其中三个牵引模块连接在一起。
图17是示出当本发明的多个牵引器(模块)串行连接时力和速率之间的关系的图表。
图18是本发明一特定实施例的侧视图，示出了轨道组件的一个实例。
图19是类似于图18的本发明一特定实施例的侧视图，其示出了平行四边形形状的轨道组件。
图20是类似于图18-19的本发明一特定实施例的侧视图，示出了梯形形状的轨道组件。
图21是类似于图18-20的本发明一特定实施例的侧视图，示出了三角形形状的轨道组件。
图22是类似于图19的本发明另一特定实施例的侧视图。
图23是类似于图22的本发明另一特定实施例的侧视图，其示出为处于打开或展开位置。
图24是图23所示实施例的透视图。
图25是示出在钻井中展开并与之接合的、图23和24所示实施例的端视图。
图26是示出处于闭合位置的、图23-25所示实施例的侧视图和横截面图的集合。
图27是可以用于图23-26所示实施例的具有滚子的链节式轨道。
图28是图27所示轨道的侧视图。
图29是沿图28中线29-29截取的横截面图。
图30是沿图28中线30-30截取的横截面图。
图31是图27-30所示轨道的透视图。
尽管将结合优选实施例描述本发明，但是应该理解，这并不意味着将本发明限制于那些实施例。相反，本发明意图覆盖可以包括在由所附权利要求界定的本发明的精神和范围内的所有替换、变形和等同物。
具体实施例方式
详细参考附图，其中，在几个视图中，相似的附图标记指代相同的部件，图1示出了根据本发明构成的裸井牵引器10的一特定实施例，其可包括五个主要部分(1)电子部分12；(2)驱动部分14；(3)轨道部分16；(4)用于打开和闭合轨道部分的开闭系统18；和(5)用于提供补偿系统抵抗井下压力所需的内部压力的补偿系统20。图2示出对本发明的一特定实施例的更详细的描绘，其中，驱动部分14可包括串联连接并且封入牵引器外壳26内的电动机22和齿轮箱24。优选地，电动机22和齿轮箱24浸入到由补偿系统20维持在适当压力下的油中。齿轮箱24的输出用于驱动一个或多个轨道组件28。
如图3所示，在一特定实施例中，每个轨道组件28可包括围绕从动轮32和多个空转轮34设置的连续的轨道30(例如，带、链或其它挠性装置)。除了空转轮，可使用向井筒上的轨道施加压力的其它装置，只要它们在整个轨道区域上传播施加力。在一特定实施例中，每个从动轮32可包括局部悬置系统，以便轨道32与钻井接合。轨道30的长度是影响其牵引作用的主要因素。影响轨道性能的其它参数包括轮直径，轮距(wheel spacing)，轮数量和轮之间的相对距离。优选地，当设计牵引器10尺寸时，需要考虑所有这些因素。
再次参考图2，牵引器10可还包括上臂36，其将轨道组件28的上端枢转连接到牵引器外壳26。在一特定实施例中，各个上臂36可包括任何公知类型的传动系统，以便将齿轮箱24的旋转动力传送到从动轮32，例如，包括通过如图4和5所示的换向齿轮33。牵引器10可还包括下臂38，其将轨道组件28的下端枢转连接到牵引器外壳26。在另一特定实施例中，如下文中参考图15详述，电动机22和齿轮箱24可安装在一个或多个下臂和上臂36和38上或其内。在一个特定实施例中，如图6所示，连接到外壳26的下臂38的下端40可枢转地设置在一槽41中，以便大体沿着牵引器10的中心轴移动而便于接合及回缩轨道组件28。在另一特定实施例中，如下文中更全面地说明，下端40可枢转地固定到牵引器外壳26，并且牵引器可还包括一滑动组件，以便于展开(deploy)和回缩轨道组件28。
下面将说明轨道组件28可展开和回缩的方式。再次参考图2，开闭系统18可包括适于使耦接到连杆组件44的传动螺纹件42旋转的一电动机。连杆组件44连接到轨道组件28。在一特定实施例中，每个连杆组件44可包括下连杆(或致动臂)46和上连杆48。每个下连杆46的下端以任何公知的方式(例如通过适于沿着传动螺纹件42以螺旋方式移动的螺母)连接到传动螺纹件42。在一特定实施例中，下连杆46的上端和每个上连杆48的下端例如在枢转点50枢转地附接到每个轨道组件28。每个上连杆48的上端枢转地固定到牵引器外壳26上。以这种方式，当传动螺纹件42在第一方向旋转而引起下连杆46的下端向上移动，连杆组件44将对轨道组件28施加向外的力，并且将轨道组件28移动到展开位置并且与其中设置有牵引器10的井筒(未示出)接触。类似的，当传动螺纹件42在第二方向上旋转时，下连杆46的下端向下移动，由此使得连杆组件44将轨道组件28回缩到轨道组件28的闭合位置(未示出)。在一特定实施例中，传动螺纹件42可包括一悬置系统，以便补偿地层的总粗糙度。
本发明不限于打开和闭合轨道组件28所用的任何特定机械组件，优选地，当轨道组件28处于它们的打开和接合位置时，所述机械组件对轨道组件28施加大致恒定的向外的力。其它实例也处于本发明的范围内。例如，在另一特定实施例中，传动螺纹件42可为一滚珠丝杠(ball screw)。在另一特定实施例中，系统18可包括适于延伸并且回缩杆42的一液压系统，所述支杆42可枢转连接到下连杆46的下端，以便以如上所述相同的方式打开和闭合轨道组件28。在再一特定实施例中，牵引器10可包括如下文献中所公开的类型的恒力致动器，即于2002年12月17日申请的题名为“Constant ForceActuaor(恒力致动器)”、公开号为US 2003/0173076的序列号No.10/321858的美国专利申请(“‘858申请”)，其受让人为本申请的受让人，并且该文献的全部内容在此引做结合。例如，如图7-9所示，代替设置具有两个连杆(即，下连杆和上连杆46和48)的连杆组件44，可仅设置下连杆46，在此该下连杆46指致动臂45。在本实施例中，致动臂45可包括轮47，该轮可旋转地安装于其上，以便与安装到牵引器外壳26的楔形部件51的斜面49滚动接合。在一端，致动臂45可枢转连接到螺纹件(screw)或杆(rod)42，并且另一端连接到轨道组件28。图7显示了轮47位于斜面49下端处，其时轨道组件28处于闭合或者回缩的位置处。图8显示轮47位于斜面49上端处，其时轨道组件28处于接合或者展开的位置处。图9是俯视图，其描绘了本发明的这一方面可设置有在轨道组件28两侧的致动臂45、楔形部件51和轮47。
在一特定实施例中，牵引器10可采用如下文献所公开的方法，即于2004年1月5日申请的题名为“Improved Traction Control For Downhole Tractor(改进的井下牵引器牵引控制)”的序列号为No.10/751599的美国专利申请(“‘599申请”)，其受让人为本申请的受让人，并且该文献的全部内容在此引做结合。‘599申请的方法可用在本发明中，用于控制通过连杆组件44施加到轨道组件28上的向外的法向力(normal force)。
如图2所示的本发明的特定实施例包括两个轨道组件28。图10中进一步描绘了该实施例，其为显示出处于闭合位置的轨道组件28的截面图。但是本发明不限制轨道组件28采用任何特定的数量。例如，如图11所示，牵引器10可包括彼此成120°角的三个轨道组件28。在一特定实施例中，当仅一个轨道组件28包括从动轮32，而其它两个轨道组件28为被动且仅用于使牵引器10与井对中并且通过用滚动替代滑动来减小摩擦的情况下，可使用三个轨道的结构。在另一特定实施例中，当所有的三个轨道组件28包括从动轮32的情况下，可使用三个轨道的结构。可至少部分基于牵引器10的外径和轨道30的宽度来确定轨道组件28的数量。如图12所示，本发明还可构成为在不是大体圆形的井筒，例如是椭圆形的井筒中使用。
在另一特定实施例中，如上简述，连接到轨道组件28的每一端的上臂和下臂36和38可枢转地固定到牵引器外壳26。在这种情况下，需要一定的机构来允许上臂和下臂36和38向内旋转朝向牵引器10的中心轴且彼此相向。根据本发明的这一方面，在一特定实施例中，如图13所示，滑动组件52可连接在每个轨道组件28的下端和每个下臂38的上端之间。在一特定实施例中，滑动组件52可包括内部构件54和具有孔58的外部构件56。内部构件54可连接到轨道组件28并且被设置用于在外部构件56的孔58内移动。外部构件56可枢转连接到上臂38。图22示出滑动组件52的另一特定实施例，下面将进行讨论。滑动机构的一个优点在于它允许上臂36和下臂38枢转连接到牵引器外壳26。这样极大地简化了电动机22与轨道的耦接，因为它们是相对于彼此固定的，然而在井下工具中包括的典型连杆装置中，上臂和下臂均可滑动，以便允许平滑地进入缩孔(restriction)。
在另一特定实施例中，代替从齿轮箱24向轨道组件28的从动轮32传输旋转运动，从动轮32可由空转轮替代，且旋转运动可通过如下文献所公开的类型的螺纹件传递到轨道30，即于2004年5月28日申请的题名为“ChainDrive System(链式驱动系统)”的序列号为No.10/857395的美国专利申请，其受让人为本申请的受让人，该文献的全部内容在此引做结合。
与向轨道30传递运动的方法无关，随着轨道30旋转，其表面很大的一部分与其中设置牵引器10的井筒(未示出)接合。轨道30与井筒的相互作用产生了在井内推进牵引器10的牵引力。这些牵引力大体由两个参数确定(1)由驱动部14施加到轨道30的功率大小；和(2)施加到轨道组件28的向外/法向力的大小。优选地，控制这两个参数，以便根据横穿的井所在的地层的特性来优化牵引器10的操作和移动。对于软性和刚性的地层，得到理想的结果的公式是变化的。例如，当井所在的地层是软性的情况下，牵引器10通过剪切(shearing)地层来生产牵引力。下面对公式1、2和3的讨论适用于在使用越野车辆时在土壤上进行牵引，其概念上与在软性的地层中的牵引是相似的。对公式4和5的讨论适用于在刚性的地层中牵引，并且也适用于下套管井。本发明也可在管道中牵引，对应刚性地层的公式适用该情况。
公式1显示了当牵引器处于软性的土壤中时，牵引力、接触面积、土壤属性和施加在地体(terrain)(例如地层、土壤)上的法向负载、轨道长度和滑程(slippage)之间的关系，该情况概念上与处于一些软性的地层的情况相似。公式1的变量如表1所示。
TF=(A*C+NF*Tan(φ))*[1-Ki*l*(1-e(-i*lk))]]]>公式1-轨道的总牵引作用公式1可应用于预测对于预给定类型的土壤具有均匀的正态分布的轨道牵引作用。
表1-轨道的总牵引作用的变量车辆受到由地体作用的移动阻力。这种阻力是地体特性、轨道尺寸和车辆施加在地体上的法向力的函数。公式2显示了该关系，而表2解释了公式2中的参数。车辆的总牵引力(净牵引力)是通过公式3得到的，其中从牵引力(公式1)中减去阻力(公式2)。当牵引器处于软性的地层中时，它将受到与公式2所表示的相同的运动阻力。
Rc=1(n+1)*b(1/n)*(Kcb+Kφ)(1n)*(NFl)(n+1n)]]>公式2-轨道的运动阻力
表2-运动阻力变量F=(A*C+NF*Tan(φ))*[1-Ki*l*(1-e(-i*lk))]-1(n+1)*b(1/n)*(Kcb+kφ)(1n)*(NFl)(n+1n)]]>公式3-越野车辆总牵引力表示在硬的表面中牵引的通式由公式4定义。在该公式中，牵引力(TF)表示为摩擦系数μ、法向力(NF)、接触面积的函数f1和另一滑程的函数f2的函数。利用公式5进行简化；在该公式中，面积的影响被忽略，且法向力是对牵引力影响最大的因素。必须要提及的是，在越野车辆理论中，轨道面积主要对于具有高沉陷水平(C值小)的软性土壤是重要的，而法向力对于具有高Phi值的软性较小的土壤是重要的。公式1给出对上述内容的相关表述。
TF＝f(μ，NF，f1(接触面积)，f2(滑程))公式4-刚性表面中的牵引力TF＝μ*NF*f2(滑程))公式5-刚性表面中的简化牵引力实际牵引功率由公式6给出。在该公式中，(i)是滑程因子，Vt是理论速率，即轨道驱动轮的速率。
实际牵引功率＝(1-i)*Vt*μ*NF*f2(i)公式6-刚性表面中的牵引功率本发明具有许多优点，包括它的模块化设计，在坚实度(例如软性、硬性、刚性等)变化的井筒中穿行的能力，以及在不规则断面的井筒(例如，具有椭圆形截面的井筒)中穿行的能力。在这种情况下，由于本发明是模块化的，如图14所示，可使用两个或更多个的串联牵引器10，以便保持牵引器10的轴与井筒的轴对齐。在一特定实施例中，第二牵引器10可为被动式的，使其除了保持对齐以外，还可用于读出主动牵引器10在井内移动时经过的滑程。在一个特定实施例中，每个牵引器10可包括两个轨道组件28，并且两个牵引器10可相对彼此连接而使所述两组轨道组件相对偏移90°。该结构的一个优点在于更好的对中的下井工具串(tool string)。另外，轨道将更垂直于井筒，以便提高牵引性能。这将有助于测井工具，所述测井工具用于测量地层的电子和声学属性，并且需要尽可能的精确对中以便较好地测量这些属性。
不规则井筒轮廓的另一实例通常称作“冲蚀”，其表示井筒的一部分被显著地侵蚀，使得侵蚀区域中的井筒直径显著地大于该井筒的原有直径。这些冲蚀掉的部分可横跨井很大一部分的长度；横跨二十或更多英尺也并不罕见。如图16所示，当牵引器10进入直径大于其最大展开(deployed)直径的冲蚀区域60时，牵引器10将不再与井筒和自由轮(free wheel)接触，由此丧失其在井内移动其它物体的功能。在这些情况下，尤其使用本发明的一个实施例，其中，两个或多个牵引器10连接到同一工具串，但是彼此间隔一定距离，至少两个牵引器10之间的距离大于冲蚀部分的长度。如此，当一个牵引器10进入冲蚀区域中时，至少另一牵引器10将仍然保持与井接触，并且可将工具串前送直到所述另一牵引器10通过冲蚀区域60并且恢复牵引。本发明的该实施例还适用于穿过井内的缩孔(restriction)以及其它障碍物的情况。
如前所述，本发明的电动机22和齿轮箱24可安装在一个或多个上下臂36或38中，一个特定的实施例如图15所示。该结构的一个优点在于由于电动机22和齿轮箱24将暴露在交叉流动的井下流体中，因此改善其冷却效果。当在如下情况下，在多于两个臂中采用该结构是非常有利，即情况(1)电动机和齿轮箱的直径足够小，由此当轨道组件28处于其完全闭合位置并且由工具占用空间所包围时，电动机和齿轮箱以平行并置的关系适配；或者情况(2)两组或更多组电动机和齿轮箱安装在具有轴向相对彼此偏移的枢转点的下臂中。
本发明是模块化的，该特征的另一优点在于负载均分并且最有效地利用井下环境中的可用功率，该可用功率通常认为在大约9kW。出于尺寸、空间和散热的考虑，具有单电动机、消耗掉全部9kW可用功率的牵引器的设计是不实际的，也是不可能的。这样，在一特定实施例中，牵引器10被设计为具有如图17所描述的力-速度关系，图中显示了在给定条件下，可根据特定的牵引需要选择的2kW牵引器(模块)10的数量。
本发明也不限于特定的轨道组件28的结构。在一特定实施例中，轨道组件28可构成为轨道围绕两个间隔的轮回转，两个间隔的轮之间设置一个或多个轮，例如上述图3所示，或者如图18所示。在另一特定实施例中，如图19所示(并且也如题名为“Chain Driven System”的申请USSN 10/857395所示)，轨道组件28可构成为轨道路径具有平行四边形的总体形状。在另一特定实施例中，如图20所示，轨道组件28可构成为轨道路径具有梯形的总体形状。在另一特定实施例中，如图21所示，轨道组件28可构成为轨道路径具有三角形的总体形状。图22描绘了大体为平行四边形构造的轨道组件的另一特定实施例(类似图19)。图23-31描绘了为平行四边形的再一特定实施例，更具体地，其示出了链节式的轨道组件28上的轨道和滚子结构(参见图27-31中的链节轨道64上的滚子62)以及连接在轨道组件28和下臂38之间的滑动组件52。图23-31的实施例可包括链式轨道64或者用于驱动链式轨道的装置，例如在上述题名为“Chain Driven System”的专利申请USSN 10/857395中所公开的。
应理解，本发明不限于所示出并且说明的结构、操作、材料或者实施例的细节，对本领域技术人员而言，各种变型和等价物是显而易见的。因此，本发明仅由所附权利要求的范围限制。
本申请要求于2003年7月16日申请的美国临时申请No.60/487699的优先权，其全部内容在此引用结合。
权利要求
1.一种井下牵引器，其包括轨道组件，其包括可旋转轨道；电动机，其适于旋转所述轨道；下臂，其具有由一牵引器外壳支承的第一端和连接到所述轨道组件的第二端；上臂，其具有由所述牵引器外壳支承的第一端和连接到所述轨道组件的第二端；致动臂，将其安装成在打开和闭合位置之间移动所述轨道组件。
2.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，围绕安装到所述轨道组件的多个轮可旋转地设置所述轨道。
3.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，所述轨道包括多个轮。
4.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，还包括可旋转的螺纹件和杆中的一个，并且所述致动臂包括枢转连接到所述螺纹件和杆中的一个的第一端以及枢转连接到所述轨道组件的第二端。
5.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，所述轨道沿着由椭圆形、平行四边形、梯形或三角形的总体形状限定的路径旋转。
6.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，还包括连接在所述电动机和适于旋转所述轨道的一从动轮之间的传动装置。
7.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，还包括直接或者间接地连接到所述致动臂的可旋转螺纹件，由此，当所述螺纹件在第一方向上旋转时，所述螺纹件使得所述致动臂将所述轨道组件移向它的打开位置，并且当所述螺纹件在第二方向上旋转时，所述螺纹件使得所述轨道组件移向它的闭合位置。
8.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，还包括连接到所述致动臂的杆，由此，当所述杆在第一方向上移动时，所述杆使得所述致动臂将所述轨道组件移向它的打开位置，并且当所述杆在第二方向上移动时，所述杆使得所述致动臂将所述轨道组件移向它的闭合位置。
9.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，所述下臂的第一端设置成在所述牵引器外壳中的一槽内移动。
10.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，还包括滑动组件，所述滑动组件连接到所述轨道组件和所述下臂，并且适于允许在所述轨道组件和所述下臂之间相对移动。
11.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，还包括滑动组件，所述滑动组件具有设置用以在一外部构件的孔内移动的内部构件，所述内部构件和外部构件中的一个连接到所述上臂，而所述内部构件和外部构件中的另一个连接到所述轨道组件。
12.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，所述致动臂包括与安装在所述牵引器外壳上的一斜面接合的轮。
13.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，所述轨道组件还包括直接或间接地耦接到所述电动机的从动轮。
14.如权利要求1所述的井下牵引器，其中，所述电动机直接或者间接地耦接到与所述轨道接合的可旋转螺纹件，由此，所述螺纹件旋转使得所述轨道旋转。
15.一种井下牵引器，其包括轨道组件，其包括多个空转轮和围绕所述空转轮可旋转设置的连续轨道；电动机，其适于围绕所述空转轮旋转所述轨道；下臂，其具有枢转连接到一牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；上臂，其具有枢转连接到所述牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；可旋转螺纹件和杆中的一个；以及连杆组件，其包括具有枢转连接到所述螺纹件和杆中的一个的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端的第一连杆，以及具有枢转连接到所述轨道组件的第一端和枢转安装到所述牵引器外壳上的第二端的第二连杆。
16.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，所述第一连杆的第二端和所述第二连杆的第一端在所述轨道组件上的枢转点处枢转地安装到所述轨道组件上。
17.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，所述下臂的第一端设置成在所述牵引器外壳中的一槽内移动。
18.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，所述轨道沿着由椭圆形、平行四边形、梯形或三角形的总体形状限定的路径旋转。
19.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，还包括连接在所述电动机和从动轮之间的传动装置。
20.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，还包括液压系统，其适于使得所述杆在所述轨道组件处于闭合位置的第一位置和所述轨道组件处于打开位置的第二位置之间移动。
21.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，还包括第二电动机，其适于在第一方向旋转所述螺纹件，使得所述轨道组件移向打开位置，并且适于在第二方向旋转所述螺纹件，使得所述轨道组件移向闭合位置。
22.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，所述螺纹件和杆中的一个适于在大体平行于所述牵引器外壳的中心轴的方向上移动所述第一连杆的第一端。
23.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，还包括滑动组件，其连接到所述轨道组件和所述下臂，并且适于允许在所述轨道组件和所述下臂之间相对移动。
24.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，所述轨道组件还包括直接或间接地耦接到所述电动机的从动轮。
25.如权利要求15所述的井下牵引器，其中，所述电动机直接或者间接地耦接到与所述轨道接合的第二可旋转螺纹件，由此，所述第二螺纹件旋转使得所述轨道旋转。
26.一种井下牵引器，其包括轨道组件，其包括多个空转轮和围绕所述空转轮可旋转设置的连续轨道；电动机，其适于围绕所述空转轮旋转所述轨道；下臂，其具有枢转连接到一牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；上臂，其具有枢转连接到所述牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；可旋转螺纹件和杆中的一个；以及致动臂，其具有枢转连接到所述螺纹件和杆中的一个的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端，以及与连接到所述牵引器外壳的一斜面接合的轮。
27.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，所述下臂的第一端设置成在所述牵引器外壳中的一槽内移动。
28.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，还包括连接在所述电动机和从动轮之间的传动装置。
29.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，还包括液压系统，其适于使得所述杆在所述轨道组件处于闭合位置的第一位置和所述轨道组件处于打开位置的第二位置之间移动。
30.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，还包括第二电动机，其适于在第一方向旋转所述螺纹件，使得所述轨道组件移向打开位置，并且适于在第二方向旋转所述螺纹件，使得所述轨道组件移向闭合位置。
31.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，所述螺纹件和杆中的一个适于在大体平行于所述牵引器外壳的中心轴的方向上移动第一连杆的第一端。
32.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，还包括滑动组件，其连接到所述轨道组件和所述下臂，并且适于允许在所述轨道组件和所述下臂之间相对移动。
33.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，所述轨道组件还包括直接或间接地耦接到所述电动机的从动轮。
34.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，所述电动机直接或者间接地耦接到与所述轨道接合的一第二可旋转螺纹件，由此，所述螺纹件旋转使得所述轨道旋转。
35.如权利要求26所述的井下牵引器，其中，所述电动机设置在所述上臂或所述下臂中的一个上。
36.一种在钻井中传送物体的方法，其包括如下步骤提供一种井下牵引器，其包括具有可旋转轨道的轨道组件、适于旋转所述轨道的电动机、具有枢转连接到一牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端的下臂、具有枢转连接到所述牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端的上臂以及安装成在打开和闭合位置之间移动所述轨道组件的致动臂；将物体连接到所述牵引器；使得所述轨道与所述钻井的一内表面接合；启动所述电动机；并且沿着所述表面移动所述牵引器。
37.如权利要求36所述的方法，其中，还包括提供第二井下牵引器。
38.如权利要求36所述的方法，其中，还包括提供第二井下牵引器，所述第二井下牵引器与所述井下牵引器间隔开大于钻井的冲蚀井段的长度的距离。
39.如权利要求37所述的方法，其中，所述第二井下牵引器包括轨道组件，所述第二牵引器取向为使得所述第二牵引器的轨道组件从所述第一牵引器的轨道组件偏移。
40.如权利要求39所述的方法，其中，所述第二牵引器的轨道组件从所述第一牵引器的轨道组件偏移90度。
41.如权利要求37所述的方法，其中，所述第二牵引器读取所述第一牵引器的滑程。
42.一种井下牵引器，其包括轨道组件，其包括多个空转轮和围绕所述空转轮可旋转设置的连续轨道；第一电动机，其适于围绕所述空转轮旋转所述轨道；下臂，其具有枢转连接到一牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；上臂，其具有枢转连接到所述牵引器外壳的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端；可旋转螺纹件和杆中的一个；以及连杆组件，其包括具有枢转连接到所述螺纹件和杆中的一个的第一端和枢转连接到所述轨道组件的第二端的第一连杆，以及具有枢转连接到所述轨道组件的第一端和枢转安装到所述牵引器外壳上的第二端的第二连杆，其中，所述电动机设置在所述上臂和下臂中的一个上。
43.如权利要求42所述的井下牵引器，其中，还包括第二电动机，其适于在第一方向旋转所述螺纹件和杆中的一个，使得所述轨道组件移向打开位置，并且适于在第二方向旋转所述螺纹件和杆中的一个，使得所述轨道组件移向闭合位置。
44.如权利要求42所述的井下牵引器，其中，所述第二电动机设置在所述上臂和下臂中的一个上。
45.如权利要求44所述的井下牵引器，其中，所述第一和第二电动机设置在所述上臂和下臂中不同的臂上。
全文摘要
本发明提供了一种井下牵引器(10)，其可在开敞井和下套管井中使用，也可在具有各种土壤/地层坚实度(如软性、硬性或者刚性)，并且具有变化的直径以及不均匀和不规则的井筒轮廓的裸井中使用。该牵引器可包括具有多个空转轮(34)和围绕空转轮可旋转设置的连续轨道(30)的轨道组件(28)。电动机(22)可围绕空转轮旋转轨道。上臂(36)和下臂(38)可枢转连接到轨道组件的相对端并且枢转连接到牵引器外壳(26)。致动臂或连杆组件(44)可对轨道组件施加向外的力，使轨道组件向外移动到打开位置，并可以施加回缩力，使轨道组件回缩到闭合位置。可以将一可旋转螺纹件(42)连接到第二电动机，或者将一杆连接到液压系统，以便致动致动臂或连杆组件。
文档编号E21B17/10GK1823208SQ200480020026
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月16日 优先权日2003年7月16日
发明者朱利奥·C·格雷罗, 福尔克·W·多林, 卡尔·J·罗伊, 保罗·J·贝吉恩 申请人:施蓝姆伯格技术公司