套管膨胀工具的制作方法

专利名称：套管膨胀工具的制作方法
技术领域：
用于制造细长井的管锚固和膨胀单元以及使用它制造细长井的方法本发明涉及一种用于管的锚固和膨胀单元，用于制造细长井，还涉及一种用于使 用该单元来制造细长井的方法，该细长井用于抽取例如水、油或烃。
背景技术：
在石油工业中，术语“钻井”的意思是为了在地下产生孔以便抽取烃的一系列操作。在目前已知的多种钻井技术中，为了达到较深深度而最广泛使用的技术是有直接 流体循环的旋转钻井。在该技术中，由于旋转钻头而穿透至地下，一组钻杆螺纹连接在该旋 转钻头的下端。当钻头在钻井过程中前进时，它使得土地破碎，并产生切屑，该切屑通过钻井液而 从井底升高并带到地面。该流体在钻杆的顶部引入地面，在钻杆内部循环，随后通过钻头中的裂缝流出，并 沿在该组钻杆和井壁之间的空腔重新上升。在钻出一定的井管后，再通过一系列的柱或管来覆盖该井管，且在所述覆盖物和 井壁之间产生的空腔被水泥粘接。覆盖柱提供了多个优点，其中有对井壁的支承和重新形成初始拉伸。而且，这些覆 盖柱防止钻井液污染地下水面，在具有不同压力和流体损失的层之间防止流体的转移。覆盖柱包括引导管、地面柱、一系列的中间柱以及生产柱。这些柱或管一个在另一个内侧地插入井中并处于增大的深度，在随后阶段，钻井 和套管延伸交替进行。由于一系列的计划和操作原因，普通钻井在多个阶段使得井型面具有套叠构造， 如图Ia和Ib中所示。图Ia和Ib分别表示了用于支承地面地层的引导管1，该引导管通常 固定较差，并能够使泥浆流通。随后是地面柱2，该地面柱的目的是保护地下水面、支承安全 设备和锚固随后的柱。随后是中间柱3a_3c，它们的功能是能够根据地层孔中的流体压力而钻出具有不 同泥浆密度的管。最后，生产柱4到达矿物地层，并可能完全穿过它。在可能时，为了降低成本和具有更多可用空间，中间柱3a_3c可以通过限制管的 叠置而锚固在前一个柱的端部处，如图Ib中所示。在这种情况下，中间柱3a-3c称为“衬管”。井的覆盖柱1-4的数目和直径根据与储集层和井相关的一系列参数(例如储集层 的深度、整个储集层的类型、可以使用的生产方法、井的型面、井的类型(勘探或生产))以 及根据钻井、管路铺设、水泥粘接、完成和维护成本和可用的柱来选择。通常需要使用减小的直径，以便使钻井时间最小，使得要处理的回流流体的量更
4低并且降低柱和设备的成本。不过，通过已知技术获得的井型面的套叠构造并不能大大降低钻井的直径。实际 上，这些井从生产柱4开始，该生产柱4的直径为允许预计的整个设备通过，并确定其它柱 的尺寸(记住，在柱直径之间的间隙必须为允许它们相互在内部通过)。在一些已知的地下钻井方法中，使用可膨胀柱。这些柱由更具有延展性的材料来 制造，这些材料可以通过从内部作用的膨胀装置或膨胀器(例如尖顶拱)的机械作用而膨 胀超过弹性极限，从而获得具有更大直径的刚性结构。在这些柱中，当在另一覆盖柱1-4内部或在敞开孔中膨胀时，外部液压隔离通过 弹性体密封件来获得，或者优选是通过空腔的水泥粘接。而且，柱与前一个柱的连接通过称为可膨胀衬管悬挂件的可膨胀锚固装置来实 现。该装置通常包括套筒，该套筒在外侧上具有滑动件(slips)和弹性体密封件，以便能够 锚固在前一个柱上，也保证它的液压密封。使用可膨胀柱的已知地下钻井方法可以设想在钻出关注的管后，使得可膨胀柱延 伸，并且包括可膨胀锚固装置和锥形膨胀器的锚固和膨胀单元穿过钻杆。在该方法中使用 的膨胀器与可膨胀柱的下部部分连接。一旦柱下放至敞开孔的底部，就进行水泥粘接，例如 通过将砂浆泵送至钻杆内部，使它流入柱和敞开孔之间的环带内。在水泥凝固之前，柱和锚固装置膨胀，这样，在水泥粘接阶段结束时，除了液压密 封外还获得完美的锚固。首先，柱的膨胀从底部向上进行，使得膨胀器下面的区域增压。因此，产生向上的 推力，该推力作用在膨胀器上，该膨胀器在升高时使得在关注的管中的柱膨胀至相等直径。当到达上部部分时，钩到前一个柱2、3a、3b上将通过锚固装置的膨胀来实现(通 过驱动外部密封件)。一旦砂浆凝固，套管靴进行磨削，随后阶段的钻井重新开始，具有更小直径，因为 在两个柱2、3a、3b、3c之间的叠置管(对应于锚固装置)并不允许下部柱具有上部柱的直径。这种从底部向上部部分的操作膨胀处理提供了以下优点在膨胀结束时的柱厚度 几乎与初始的相同，对于它的机械阻力具有积极效果。因为在膨胀阶段结束时钩在上部柱 上，因此实际上用于扩大的材料被用于缩短下部柱，而不是通过减小它的厚度。不过，这种操作处理安全性较差，因为当产生问题时很难将膨胀器从可膨胀柱中 取出，因为它将保持楔入。因此，不能在短时间产生反应。使用可膨胀管的另一目前已知地下钻井方法可以设想使得可膨胀柱通过钻杆延 伸，可膨胀管将在它们的上部部分与钻杆连接，特别是在锚固装置的高度处与钻杆连接。膨胀通过装配在径向冲程的液压活塞上的三辊膨胀器来进行。膨胀首先从下部向 锚固装置的上部部分进行，以便将下部柱限制在前一个柱上。在该第一操作过程中，可膨胀管的柱通过第三锚固装置而暂时限制在前一个柱 上。随后，它需要从一组钻杆中抽出，并除去该第三锚固装置，该第三锚固装置的直径为它 不允许膨胀器通入可膨胀管内以便进行可膨胀柱的向下膨胀。通过辊膨胀器进行的向下膨胀模式提供的优点是能够更精细地设置操作过程，因 此获得最佳膨胀结果。而且，柱通过辊的膨胀相对于固定膨胀器更轻柔，因此对材料的损伤更小。还有，通过向下操作，当发生问题时，能够在很短时间内释放钻杆，并解决问题。相反，锚固装置和柱自身的两个膨胀阶段只能够通过除去特殊的暂时锚固装置来 实现，因此产生相对较长的操作时间。而且，该系统的操作方法意味着不能通过它的水泥粘接来液压隔离柱。因此，只能够通过外部的弹性体密封件实现液压密封。最后，已知地下钻井方法使用可膨胀柱，该可膨胀柱可以设想通过特殊装置的向 下柱膨胀，该特殊装置包括装配在液压活塞和锚固滑动件上的膨胀器。该装置首先通过从钻杆内部增压而限制在前一个柱上(该装置通过钻杆而下 放)。这样，滑动件凸出，并锚固在柱的内壁上。增压也使得液压活塞打开，这将向下推动膨 胀器。当活塞结束它的冲程时，装置必须减压，滑动件释放，并且整个钻杆组下放，以便使得 柱的随后管膨胀。结果是导致不连续的作用，并且总体膨胀时间延长。

发明内容
本发明的目的是克服上述缺陷，特别是设想一种柱锚固和膨胀单元，它能够在很 短时间内产生基本单一直径的细长井。本发明的另一目的是提供一种管锚固和膨胀单元，它能够保证很高的安全水平， 同时能够通过水泥粘接来隔离地层。本发明的还一目的是提供一种地下钻井方法，它能够在很短时间内产生细长井， 优选是单一直径的细长井。本发明的还一目的是提供一种钻井方法，它允许具有很多中间段，且基本并不减 小井的直径。本发明的附加目的是提供一种钻井方法，它能够产生具有高阻力的单一直径的 井。根据本发明，这些和其它目的通过产生一种如权利要求1所述的、用于制造井的 锚固和膨胀单元以及使用它的钻井方法来实现。单元和方法的其它特征是从属权利要求的目的。


通过下面对示意附图的示例和非限定说明，将更清楚本发明的单元和方法的特征 和优点，附图中图Ia-Ib是通过本发明的锚固和膨胀单元和钻井方法制造的井的示意图；图2是通过本发明的锚固和膨胀单元和钻井方法获得的井的示意图；图3是本发明的锚固和膨胀单元的第一实施例的膨胀装置的分解图；图4是本发明的锚固和膨胀单元的第一实施例的锚固装置的分解图；图5-16表示了本发明的钻井方法的多个阶段，该钻井方法使用图3和4的锚固和 膨胀单元；图7a_7b是在关于图7的阶段的构造中的膨胀和锚固装置的升高的侧视图8a_8b是在图8的结构中的膨胀和锚固装置的升高的侧视图；图13a_13c分别是在图13的结构中膨胀装置的升高的侧视图以及沿线A-A的剖 视图和沿线B-B的剖视图；图14a_14b分别是在图14的结构中膨胀装置的升高的侧视图以及沿线A-A的剖 视图；图15a_15b分别是在图15的结构中膨胀装置的升高的侧视图以及沿线A-A的剖 视图；图17是本发明的锚固和膨胀单元的第二实施例的膨胀装置的分解图；图18-29表示了本发明的地下钻井方法的多个阶段，该方法使用图17的锚固和膨 胀单元；图20a是在关于图20的阶段的结构中的锚固和膨胀单元的升高的侧视图；图21a_21b分别是在图21的结构中锚固和膨胀单元的升高的侧视图以及沿线A-A 的剖视图；图22a_22d分别是在图22的结构中锚固和膨胀单元的升高的侧视图以及沿线A-A 的剖视图、沿线B-B的剖视图和沿线C-C的剖视图、；图27a_27b分别是在图27的结构中锚固和膨胀单元的升高的侧视图以及沿线A-A 的剖视图；图28a_28b分别是在图28的结构中锚固和膨胀单元的升高的侧视图以及沿线A-A 的剖视图。
具体实施例方式参考附图，图中表示了用于生产井的锚固和膨胀单元，总体由20、30;20' ,30'表不。根据第一实施例，本发明的锚固和膨胀单元20、30包括锚固装置20和膨胀装置 30，它们可拆卸地相互限制。锚固装置20优选是装备有悬挂装置24、24a，以便悬挂在前一个柱12、13a、13b上。更具体地说，锚固装置20包括内部可膨胀的管形元件21，该管形元件21由外部 管形衬管22、25覆盖，该外部管形衬管22、25也可膨胀并由两个部分组成，即固定上部部分 25和可移动的下部部分22。外部衬管的下部部分22装备有密封装置，例如弹性体密封件， 以便产生液压回路，并用作一系列片簧24的致动器活塞，该片簧24位于下部部分22的上 面，并限制在外部衬管的上部部分25上。片簧24的驱动在止动销56剪切之后进行，该止动销56使得外部衬管的下部部分 22保持在初始位置。一旦销56被剪切，外部衬管的下部部分22在片簧24的下部部分上施 加推力。这使得片簧24成弓形(打开位置)，该片簧24撞上上部柱12、13a、13b的内壁，锚 固装置20容纳于该上部柱中。撞上上部柱12、13a、13b的内壁的片簧部分24优选是装备有一系列第一凸起24a， 例如滑动件，它们与所述内壁接合。第二凸起26a、26b设想位于内部管形元件21的外表面上和位于外部衬管的下部 部分22内部，第二凸起26a、26b适用于相互配合以便使得外部衬管的下部部分22保持升高，因此将片簧24阻挡在打开位置。优选是，第二凸起26a、26b由软材料来制造，这样，片簧24的固定在锚固装置20 的膨胀过程中失效。外部衬管的下部部分22优选是液压进行片簧24的固定。外部衬管22、25优选是提供有第三凸起23，该第三凸起优选是楔形，并由硬金属 制造，以便提高锚固装置20在上部柱12、13a、13b上的锚固。第二可膨胀管形元件27也限制在内部管形元件21上，它包括凹口 29，用于与膨 胀装置30连接；以及外部密封装置28，例如弹性体密封件，用于与上部柱12、13a、13b液压 密封。可膨胀类型的下部中间柱13a、13b、13c通过螺纹连接而限制在所述第二管形元 件27上。膨胀装置30容纳于锚固装置20内，该膨胀装置30首先通过液压固定装置31的 作用而可拆卸地限制在锚固装置20内。膨胀器30优选是包括机械固定装置(未示出)，该机械固定装置在液压固定装置 31不起作用的情况下操作。膨胀装置30还在外部装备有密封装置36，例如弹性体密封件，以便在膨胀装置30 和锚固装置20之间进行液压密封。液压固定装置31优选是位于膨胀装置30的下部部分45中。它们包括一系列的可 径向移动的卡爪31，这些卡爪31首先在膨胀装置30内部保持凸出缓冲抵靠第一套筒46， 该第一套筒46防止它们退回。第一套筒46可以沿膨胀器30的主膨胀方向纵向平移。该第一套筒46的平移使 得套筒46的壁不再与可移动卡爪31干涉，这使得卡爪能够退回至膨胀器30的本体内部， 从而使得卡爪从存在于锚固装置20的第二管形元件27中的内部凹口 29释放，卡爪与该锚 固装置20配合，以便保证在膨胀装置30和锚固装置20之间的连接。膨胀装置30还包括水泥粘接插头32，该插头32装备有剪切销54。根据本发明，膨胀装置30包括一系列可抽出的膨胀装置33a、33b，它们可以在至 少两个不同操作位置停止，在该操作位置，所述膨胀装置33a、33b被抽出。在所示特殊实施例中，膨胀器在上侧中包括一系列的垫35，这些垫35容纳所述膨 胀装置，例如离线辊33a、33b。各垫35优选是装备有第一上部柱形辊33a和第二下部锥形 辊 33b。存在两个离线辊33a、33b以允许涂覆柱13a、13b、13c在两个阶段上进行连续膨 胀。特别是，下部锥形辊33b在第一膨胀阶段形成入口(portal)，该入口有利于第二膨胀阶 段。各垫35优选是具有笼结构，以便包括和保护辊33a、33b。垫35例如液压驱动，以便通过具有燕尾型面的凸起而沿一对倾斜的引导件34a、 34b滑动。特别是，第一引导件34b位于楔形本体37上，该楔形本体37可以沿膨胀装置30 的主扩张方向平移。通过第一引导件34b的平移而朝着第二引导件34a (该第二引导件34a 装配在第一外部管形体42上的固定位置)施加的作用将在相关垫35上施加推力，该推力使得该垫35径向向外前进。在图3所示的实施例中，楔形本体37通过液压而平移。因此，这些本体37各自限 制在管形杆38上，该管形杆38由环形本体39支承，该环形本体39装备有狭窄环41，该狭 窄环41在第一外部管形体42和第二内部管形体43之间产生密封腔室。由于阻流器53和 所述狭窄环41引起的压力降，径向推动辊垫35的轴向移动保证更优于普通的横向液压活
O在该实施例中，楔形本体37向上作用，即相对于膨胀装置30沿相反方向作用，因 此也利用在柱13a、13b扩大的过程中由钻杆排出的重量。而且，相对于普通的径向液压活塞，楔形机构37能够具有更宽的横向移动能力。有利于辊33a、33b的径向凸出的元件通过钻井液的循环而驱动和调节，并通过它 而停止，以便使得所述辊33a、33b能够在膨胀装置从钻杆组中抽出的阶段重新进入。根据本发明，止动销55也可以设想首先限制可平移楔形本体37的冲程和因此垫 35的径向凸出，这样，辊33a、33b阻挡在第一操作位置，在该第一操作位置，辊33a、33b相对 于膨胀装置被抽出。当楔形本体37处于由止动销55确定的第一限制位置时，膨胀装置30 能够使得柱13a、13b、13c膨胀至第一直径。相反，止动销55的破碎使得垫35能够进一步凸出，并使得辊33a、33b到达第二操 作位置，在该第二操作位置，所述辊33a、33b甚至进一步从膨胀本体30凸出，因此能够使得 柱的部分15高度膨胀至第二直径，该第二直径大于所述第一直径。第二保护套筒44优选是设想用于保护有助于辊垫35凸出的一组元件，该组元件 只在水泥粘接后被驱动。下面将参考钻井阶段来介绍根据本发明的锚固和膨胀单元的功能，它们可以一起使用。在普通安装引导管11之后，进行地面钻井阶段。地面柱12优选是在它的下部部 分具有较大直径的部分，也称为钟形件15。钟形件15的直径选择为使得它能够在它的内部 容纳根据本发明的锚固和膨胀单元20、30。普通类型的引导管11和地面柱12的安装允许使用标准的井口和安全设备(BOP)。钟形件15的长度进行程序设计，以便具有在柱12、13a、13b、13c之间的充分叠置， 并能够通过弹性体密封件和水泥粘接进行很好地隔离。一百米大致足够。根据本发明，对于中间柱13a、13b、13c的各钻井和套管延伸阶段，基本进行两个 不同的膨胀阶段，其中，在第一阶段，使得中间柱13a、13b、13c膨胀至第一直径，随后，所述 柱的下部部分15进行第二膨胀至比第一直径更大的第二直径。更具体地说，在钻井过程中，中间柱的铺设和起动如下进行。首先，钻孔(如图5中所示)与通过钻孔获得的孔的放大(如图6中所示)一起 进行。为了更清楚表示，这些阶段连续表示，不过它们也可以同时进行。通过钻孔而获得孔的直径为能够容纳还没有膨胀的中间柱13a、13b、13c。扩大该 孔的目的是有利于中间柱13a、13b、13c的膨胀，也留下足以用于水泥粘接的空腔。这些钻孔和扩大阶段通过普通技术和工具，例如钻头17和扩孔器18来进行。随后的可膨胀类型的柱13a、13b、13c下放，直到它搁置在钻井阶段获得的孔的底部。该柱13a、13b、13c包含普通类型或类似的附件设备，例如靴和插头。靴16由完全 可钻孔的材料来制造。中间柱13a、13b、13c以普通方式通过一组钻杆送入井中，该组钻杆与本发明的膨 胀装置30连接。上述中间柱13a、13b、13c实际上限制在锚固装置20上，该锚固装置20通 过上述液压固定装置31而与膨胀装置30牢固连接，该液压固定装置31保证整个单元非常 坚固，因此可以在它下入过程中推动中间柱13a、13b、13c或使中间柱13a、13b、13c旋转。在膨胀装置30和中间柱13a、13b、13c之间的液压密封通过在膨胀器30外部的弹 性体密封件36来保证，该弹性体密封件36作用在锚固装置20的内壁上。由于这些弹性体 密封件36，可以在中间柱13a、13b、13c朝着底部延伸的过程中使得钻井液循环。如图8中所示，在随后阶段，扔下第一球48，且该第一球48容纳于在膨胀器30底 部的第二水泥粘接插头32内部的专用壳体49中。因此，可以使得杆的内部增压，例如在大约8. 3MPa(1200pSi)的压力，以便剪切锚 固装置20的外部固定衬管的下部部分22的止动销56。这样增压使得所述下部部分22向 上滑动，并因此使得片簧24上的凸起24a锚固在钟形件15的内壁上。在这种情形下，中间柱13a、13b、13c锚固在前一个柱12、13a、13b上并不用于支承 该中间柱13a、13b、13c的重量，而只是提供在随后的膨胀阶段中对于一组钻杆和膨胀器装 置30 (该膨胀器装置30与钻杆成一体)的旋转的初始反应。在井底部的中间柱13a、13b、13c优选是有压缩限制，以便于随后的膨胀和提高柱 的机械阻力。通过进一步提高泵送压力(例如至大约10.3MPa(1500pSi))，齿机构的液压固定 装置31的止动销57被剪切。然后，膨胀器30的第一套筒46向上滑动，膨胀器30从锚固 装置20上释放，因此从中间柱13a、13b、13c上释放，如图9中所示。通过在释放膨胀器30之前除去机动组的一部分重量，可以观察到在释放后该钻 杆组被下放。随后进一步增加压力至例如大约12.4MPa(1800pSi)，以便排出小球48和它的壳 体49，它们落至底部，如图10中所示。随后通过将合适的粘紧材料50 (例如砂浆)由钻杆引向中间柱13a、13b、13c的内 部而进行中间柱13a、13b、13c的水泥粘接，如图11中所示。粘紧材料50的泵送压力使得剪切销54破裂，插头32通过该剪切销54而锚固在 膨胀装置30的底部，该插头落至中间柱13a、13b、13c的底部，从而将粘紧材料50推入由中 间柱13a、13b、13c和井壁形成的环形空间40中(见图12)。在粘紧材料(水泥)50凝固之前，压缩限制在底部的中间柱13a、13b、13c进行膨胀。中间柱13a、13b、13c的膨胀通过专用膨胀器30的旋转而向下进行，该专用膨胀器 30通过使得中间柱13a、13b、13c借助于专用悬挂装置24锚固在前一个柱12、13a、13b上而 起作用。由于相对于固定膨胀器而减小了力，因此减小了对柱的内壁的损伤。该效果通过双 线辊33a、33b而进一步提高，根据本发明，膨胀器30装备有双线辊33a、33b。而且，辊33a、 33b的离线定位保证在两个阶段中更柔和地扩大如上所述，下部锥形辊33b形成入口，用
10于排出和下放前进所需的负载；上部柱形辊33a保证最终直径和最佳标定。膨胀器30首先通过钻杆稍微升高。这样，膨胀器的弹性体密封件36从锚固装置 20的内壁释放，并且辊垫35定位成与锚固装置20的上端相对应。这样，流体可以循环，以便除去任何可能过多的粘紧材料(水泥)50。然后扔下第二球51，如图13所示，该第二球一旦到达它的壳体52就使得膨胀 装置30的上部部分与下部部分45隔离。然后可以使得杆的内部增压，例如增压到大约 17. 2MPa(2500psi)，这样，将膨胀器30的第二套筒44保持就位的固定销58被剪切。与小球51的壳体52连接的第二套筒44的滑动使得楔形本体37的支承杆38升 高，因此使得垫35的径向凸起升高。中间柱13a、13b、13c的扩大通过向膨胀器30施加旋转来进行，该膨胀器具有通过 钻杆凸出的辊33a、33b。膨胀首先朝着锚固装置20的上部部分施加。在该作用下，将片簧24保持在锚固 位置的第二凸起26a、26b稍微屈服，而设想在锚固装置20的外壁上的凸起23形成在前一 个中间柱12、13a、13b和所述装置20之间的进一步限制。膨胀沿中间柱13a、13b、13c的整个长度前进，如图14中所示。在这一方面，膨胀装置30同时具有安装可膨胀柱和扩大可膨胀柱的功能。一旦到达底部，钻井液的循环停止，以便使得辊垫35重新进入，该钻杆组被向外 拉大约100米，并进行钟形件15的向下扩大。因此，循环流量增加，以便在楔形件37上获得更大推力，并使得止动销55破裂，该 止动销55在沿环形本体39的轴向滑动定位时将限制它的移动，因此限制垫35的径向扩 大。一旦滑动块35到达它的最大径向膨胀，就产生钟形件15，该钟形件15容纳锚固和 膨胀单元，以便形成随后的井部分。该阶段在图15中表示。当扩大完成时，如果需要恢复膨胀器30的中心孔的可进入性，增加压力以便排出 底部的第二球51和它的壳体52就足够了。当在中间柱13a、13b、13c外部的水泥凝固时，靴进行磨削，如图16中所示，以便开 始形成井的随后部分。由于能够产生不同直径的膨胀的锚固和膨胀单元20、30，因此可以产生钟形件 15，而不需要减小随后柱13a、13b、13c的直径。相对于传统直径使用减小的直径将有利地 使得首先降低用于钻井的时间和成本。而且，使用特殊装置20、30能够具有操作连续性地 产生钟形件15，而没有时间浪费和随后的具体操作。可以在柱后面的水泥仍然为液体时进 行膨胀操作。在膨胀过程中通过钻杆的旋转而引起的振动有利地提高了水泥粘接质量。参考图2，图中表示了通过本发明的钻井方法获得的井10。该井10包括在上部部分的引导管，该引导管到达地面，并且地面柱12插入该引导 管中，该地面柱12也到达地面。弓丨导管11和地面柱12可以选择为具有减小的直径。在所示实施例中，引导管11 的直径为339. 7mm，地面柱的直径为244. 5mm。地面柱12在它的下部部分中具有钟形件15，即具有比柱12的主要扩张部分的直径更大的直径的部分，该钟形件15的直径例如等于273. 1mm。至少一个可膨胀类型的中间柱13a、13b与地面柱12的钟形件15连接，该中间柱 13a、13b扩大成使得它也在下部部分中形成钟形件15。扩大直径选择为避免孔直径的总体减小。因此，中间柱13a、13c的上部部分扩大 至直径等于前一个柱12、13a、13b的钟形件15的内径，而下部部分15的直径等于前一个柱 12、13a、13b的所述钟形件15的外径。在所示实施例中，中间柱的上部部分扩大至244. 5mm的直径，而下部部分膨胀至 273. Imm的直径。最大膨胀(钟形件部分15的特征)只有在中间柱13a_13c的有限管足以用于与 随后柱叠置时是有利的。即使当中间柱的下部部分受到很小机械应力，并且在任何情况下都通过与随后柱 的叠置而增强时，优选是制造具有最小所需尺寸的该部分。当本发明的钻井方法只用于所述井的一些管时，中间柱13a_13c的一部分也可以 选择为不可膨胀，但是包括具有更大直径的下部部分。在这种情况下，具有不同直径的两个膨胀阶段只涉及可膨胀中间柱。最后，有利的是包括选择为具有不可膨胀材料的生产柱14，以便保证普通井的坚 固性特征，由可膨胀材料制造的柱13a_13c不能提供该坚固性特征。根据本发明，生产井的所述方法也可以通过锚固和膨胀单元30、20的可选实施例 来实施。在图17-29所示的第二实施例中，锚固和膨胀单元包括普通类型的锚固装置20' 和装备有悬挂装置24'的膨胀装置30'，该悬挂装置24'悬挂在前一个中间柱12、13a、 13b 上。除了对于第一实施例所述的元件，膨胀装置30'还包括在上部部分中的液压悬挂 装置24'，该悬挂装置24'形成平行四边形结构。这些悬挂装置24'包括一系列装配在柱形本体63上的平行四边形结构62，它们 通过液压活塞64驱动膨胀，并通过弹性装置65例如弹簧而拉回。具有平行四边形结构62的悬挂装置24'能够使得普通锚固装置20'膨胀，从而 通过压缩而将它固定在前一个柱13a上。如图18-29中顺序所示，本发明的方法的操作阶段的区别只在于它们的顺序。特别是，膨胀装置30'从锚固装置20'上的释放在锚固装置20'锚固于前 一个柱12、13a、13b(图21和22)上的锚固阶段之前进行。更具体地说，在以例如大约 8. 3MPa(1200psi)的压力释放膨胀器30'之后，压力增加至例如大约10. 3MPa (1500psi)， 以便使得止动销56'破裂，该止动销56'阻挡平行四边形结构62的推动环61。负载排出，且仍然使得组保持在压力下，这样，一系列扩大的平行四边形结构62 可以使得锚固装置20'的上部部分膨胀，因此将第三外部滑动件23锚固在前一个柱13b 上。锚固装置20'通过一系列平行四边形结构62的膨胀并不防止流体流通，这样，锚 固装置20'可以以已经介绍的相同过程跟随随后的可膨胀柱13b的水泥粘接。平行四边形的悬挂装置24'随后退回，以便前进至通过辊垫35的膨胀阶段。随后完成锚固装置20'的膨胀，并且中间柱13a-13c限制在锚固装置20'的上面。通过上面的说明可以清楚装置和方法的特征、本发明的目标以及相关优点。悬挂装置24、24a、24'和专用滑动件23允许中间柱能够在膨胀器旋转时进行膨 胀，从而降低对柱的内部部分的损坏。而且，作用在相关装置的膨胀器上的液压驱动装置的特殊构造能够具有比普通径 向移动活塞大得多的位移，因此在强制膨胀阶段中也能够施加更高的膨胀推力。再有，由于本发明的锚固和膨胀单元，在钻井过程中，可以进行柱的两个膨胀阶 段，一个在另一个后面，因此在粘紧材料凝固之前。此外，只在中间柱的下部部分上进行较强膨胀(用于覆盖所述中间柱)与包括生 产柱一起使得井与普通井相比有总体稳定特性，在普通井中只使用不可膨胀和因此更坚固 的柱。最后，显然这样设想的装置能够进行多种变化和改变，它们都包含在本发明中，因 此，所有零件都可以由技术等效元件代替。实际上，使用的材料以及尺寸可以根据技术需要 而变化。
权利要求
一种用于钻井的锚固和膨胀单元，包括锚固装置(20、20′)和膨胀装置(30、30′)，所述锚固装置(20、20′)和所述膨胀装置(30、30′)相互可拆卸地进行限制，所述锚固装置(20、20′)为可膨胀类型，其特征在于所述膨胀装置(30、30′)包括一系列膨胀器具(33a、33b)，所述膨胀器具能够被抽出和阻挡在至少两个不同操作位置，其中，所述膨胀器具(33a、33b)从所述膨胀装置(30、30′)径向凸出。
2.根据权利要求1所述的、用于产生井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述膨胀器具 (33a,33b)是一对离线辊。
3.根据权利要求1所述的、用于产生井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述一对离线 辊包括第一柱形辊(33a)和第二锥形辊(33b)。
4.根据权利要求2或3所述的、用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于各对离线辊 (33a,33b)容纳在垫35上，该垫35沿一对倾斜的引导件(34a、34b)滑动，所述一对引导件 (34a,34b)的至少一个第一引导件(34b)能够朝着所述一对引导件(34a、34b)的第二引导 件(34a)平移。
5.根据权利要求4所述的、用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述至少一个可 平移的第一引导件(34b)通过液压驱动装置(37、38、39)平移，该液压驱动装置沿所述膨胀 装置(30、30')的主扩张方向运动。
6.根据权利要求5所述的、用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述液压驱动装 置包括楔形本体(37)，该楔形本体(37)与由环形本体(39)支承的杆(38)连接，该环形本 体装备有狭窄环(41)，所述可平移的引导件(34b)位于所述楔形本体(37)的倾斜壁上。
7.根据权利要求5或6所述的、用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述膨胀装 置(30、30')装备有第一可拆卸的止动装置(55)，所述止动装置适用于阻挡所述液压驱动 装置(37、38、39)运行至与膨胀装置(33a、33b)的第一操作位置相对应的第一位置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的、用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所 述膨胀装置(30、30')装备有液压固定装置(31)，所述液压固定装置适用于将所述膨胀装 置(30、30')可拆卸地限制在所述锚固装置(20、20')上。
9.根据权利要求8所述的、用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述液压固定装 置(31)是一系列可径向移动的卡爪(31)，这些卡爪通过第一套筒(46)、相对于所述膨胀装 置(30、30')保持在凸出位置，该第一套筒(46)能够沿所述膨胀装置(30、30')的所述 主扩张方向平移，该第一套筒防止这些卡爪退回。
10.根据权利要求9所述的、用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述卡爪(31) 与位于所述锚固装置(20、20')中的相应凹口(29)接合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所 述锚固和膨胀装置包括悬挂装置(24、24a、24')，该悬挂装置适用于将所述锚固装置(20、 20')限制在所述井上。
12.根据权利要求11所述的用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述悬挂装置 (24、24a、24')是径向膨胀的悬挂装置。
13.根据权利要求11或12所述的用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述悬挂 装置(24、24a)位于所述锚固装置(20)上。
14.根据权利要求13所述的用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述悬挂装置(24,24a)是一系列的片簧(24)，这些片簧由液压活塞(22)驱动，该液压活塞使得这些片簧 成弓形。
15.根据权利要求14所述的用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述片簧(24) 包括在径向最外侧表面上的一系列第一凸起(24a)。
16.根据权利要求11或12所述的用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述悬挂 装置(24、24a)位于所述膨胀装置(30')上。
17.根据权利要求16所述的用于钻井的锚固和膨胀装置，其特征在于所述悬挂装置 (24')包括装配在柱形本体(63)上的一系列平行四边形结构(62)，这些平行四边形结构 通过液压活塞(64)驱动膨胀并且通过弹性装置(65)返回。
18.一种用于钻井的方法，包括以下阶段下入并且安装引导管(11)、地面柱(12)、至少一个中间柱(13a、13b、13c)，使得所述柱 向下加宽至第一直径；使所述至少一个中间柱(13a、13b、13c)的下部管向下加宽至第二直径，所述第二直径 相对于所述第一直径更大。
19.根据权利要求18所述的、用于钻井的方法，其特征在于所述至少一个中间柱 (13a、13b、13c)与根据权利要求1至17中任一项所述的锚固和膨胀单元(20,30 ；20'、 30') 一起下放，所述锚固和膨胀单元(20、30;20' ,30')定位成与在先安装的最后柱 (12、13a、13b)的基部相对应。
20.根据权利要求19所述的、用于钻井的方法，其特征在于所述方法包括将所述锚 固和膨胀单元(20、30;20' ,30')的锚固装置(20、20')固定在所述在先安装的柱(12、 13a、13b)的所述基部上的阶段。
21.根据权利要求20所述的、用于钻井的方法，其特征在于所述方法包括在所述在 先柱(12、13a、13b)和要安装的所述中间柱(13a、13b、13c)之间通过所述锚固装置(20、 20')的膨胀形成永久性连接的阶段。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的用于钻井的方法，其特征在于在第一扩大 阶段和第二扩大阶段之间，所述锚固和膨胀单元的膨胀装置(30、30')升高的长度基本等 于在两个紧接的柱(12、13a、13b、13c)之间叠置的管的长度。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的用于钻井的方法，其特征在于在所述第 一扩大阶段和所述第二扩大阶段之前，通过引入粘紧材料(50)使得要安装的所述中间柱 (13a、13b、13c)进行粘接，所述第一扩大阶段和所述第二扩大阶段在所述粘紧材料(50)凝 固之前进行。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的用于钻井的方法，其特征在于所述地面柱 (12)包括下部的钟形部分(15)，该钟形部分(15)的尺寸设置为容纳所述锚固和膨胀单元 (20,30 ；20'、30')。
全文摘要
一种锚固和膨胀单元包括锚固装置(20、20′)和膨胀装置(30、30′)，它们相互可拆卸地进行限制，锚固装置(20、20′)为可膨胀类型，其中，膨胀装置(30、30′)包括一系列膨胀器具(33a、33b)，它们可以抽出和阻挡在至少两个不同操作位置，其中，膨胀器具(33a、33b)从膨胀装置(30、30′)径向凸出。
文档编号E21B43/10GK101910555SQ200880124284
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年12月10日
发明者M·斯帕利尼 申请人:艾尼股份公司