专利名称：井眼锚固和隔离系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于锚固井眼管件和隔离井眼中的至少一个区域的井下工具，特别 地，涉及将井下工具管柱固定在井眼中并且隔离井眼中的区域的井下工具。
背景技术：
诸如桥塞(bridge plugs)和封隔器的井下工具管柱锚固件和井下隔离装置在工 业领域众所周知，每一种都已经广泛使用了很多年。通常，井下隔离装置在包括于 工具管柱中位于隔离装置上方或下方的锚固装置固定之后致动。美国专利申请公开 No.2007/0289749中公开了一种特殊的锚定系统，其全文在此引入作为参考。
发明内容
广义地讲，本发明公开了供井下工具管柱使用以固定井眼中的工具管柱和隔离 井眼中的至少一个区域的井下工具。与两个分开的工具，即一个用于锚固，一个用于隔 离相反，该井下工具包括单个心轴，其装有锚固件和隔离元件以形成一体式井下工具。 因此，锚固件和隔离元件可以沿着工具管柱的长度布置在相同位置。在一个具体实施例中，井下工具包括心轴，其具有沿着心轴外壁表面布置的多 个柱塞锚固件和隔离元件。在一个特定实施例中，柱塞锚固件是伸缩的，包括两个或更 多个伸缩构件。在一个具体实施例中，当井下工具至少位于其下送位置时，隔离元件覆 盖多个伸缩构件中的每一个。当井下工具布置在井眼中时，经由心轴泵送的流体压力推 动多个伸缩构件中的一个或更多个径向向外伸入井眼的内壁表面中，从而将井下工具固 定在井眼中，并由此将工具管柱固定在井眼中。在这种情况下，所述多个伸缩构件中的 一个或更多个刺入隔离元件。在其他实施例中，隔离元件不被柱塞或伸缩构件刺入。在 其它实施例中，隔离元件围绕柱塞或伸缩构件布置。除了将工具管柱固定在井眼中之外，井下工具通过使隔离元件与井眼的内壁表 面接触而密封或隔离井眼的至少一个区域。通过例如将隔离元件推入井眼的内壁表面 中；通过利用流体使隔离元件膨胀或扩大；或者通过使隔离元件或隔离元件的一部分与 容纳在井眼或钻井泥浆中的包括诸如油或水的液体的流体接触，使得隔离元件可以与井 眼的内壁表面相接触。在最后这个实施例中，隔离元件包括在与流体接触时膨胀的可膨 胀材料。
图1是处于下送位置的锚固和隔离工具的一个具体实施例的透视图。图2是图1所示锚固和隔离工具沿直线2-2截取的剖视图。图3是图1所示锚固和隔离工具的透视图，显示了处于固定位置的锚固件。图4是图3所示锚固和隔离工具沿直线4-4截取的剖视图。图5是图1所示锚固和隔离工具的透视图，显示了处于固定位置的锚固件和隔离元件。
图6是图5所示锚固和隔离工具沿直线6-6截取的剖视图。图7是处于下送位置的锚固和隔离工具的一个具体实施例的剖视图。图8是图1所示锚固和隔离工具的剖视图，显示了处于固定位置的锚固件。图9是图1所示锚固和隔离工具的剖视图，显示了处于固定位置的锚固件和隔离 元件。尽管将结合优选实施例对本发明进行描述，但是应当理解，本发明不限于所述 实施例。相反，本发明涵盖落入由所附权利要求限定的精神和范围内的所有替换、改变 和等效方式。
具体实施例方式现在参考图1-9，井下工具10包括具有上端31、下端32、孔34、外壁表面36 和轴线38的心轴30，以及布置在心轴30的端口 39中的多个锚固件40。上端31和下端 32可以包括例如螺纹33的紧固部以有助于将井下工具10固定到井下工具管柱(未显示) 上或其内部。如图2、4和6更为详细显示的那样，锚固件40包括柱塞，其允许每个锚固件40 从轴线38径向向外伸出。尽管柱塞可以具有多种不同的设计，图1-9所示实施例中显示 的柱塞包括三个伸缩构件即，固定到心轴30上的固定构件42;具有与固定构件42的 内壁表面滑动接合的外壁表面的第一伸缩构件44 ；以及具有与第一伸缩构件44的内壁表 面滑动接合的外壁表面的第二伸缩构件46。密封件47减少了沿着固定构件42、第一伸 缩构件44和第二伸缩构件46之间滑动面发生的渗漏。固定构件42包括与孔34连通的孔，以使来自孔34的流体流过固定构件42。第 一伸缩构件44包括与固定构件42的孔流体连通的孔，以使来自孔34的流体流过。第二 伸缩构件46包括封闭端，该封闭端包括内壁表面48和外壁表面49。内壁表面48与第一 伸缩构件44的孔流体连通，使得流体可以从孔34流过固定构件42的孔、流过第一伸缩 构件44的孔并且作用在第二伸缩构件46的内壁表面48上以将第二伸缩构件46径向向外 推出，并由此将第一伸缩构件44从轴线38径向向外推出。在特定实施例中，第二伸缩构件46包括位于其最靠外端部处的一或更多个夹持 轮廓50，所述最靠外端部可以是或不是外壁表面49。夹持轮廓50可以包括搭接件、齿 或有助于夹持轮廓50夹紧或咬入井眼80的内壁表面82中的任意其它构造(图7-9)。可 替换地，夹持轮廓50可以成形为具有由硬质合金或其它材料制成的抓爪、滚珠轴承、喷 涂磨砂表面或者有助于增大摩擦或提供夹持轮廓50进入内壁表面82的表面吃入深度的任 何其它材料。在一个具体实施例中，夹持轮廓50为弯曲的，具有与井眼80的内壁表面 82相同的曲率。在另一具体实施例中，夹持轮廓50是凸轮面，从而靠着内壁表面82产 生凸轮运动。如图1-9的实施例所示，第二伸缩构件46的夹持轮廓50包括凹部，使得夹持轮 廓50围绕第二伸缩构件46的最外侧边缘的圆周布置。因此，如图1-9所示，夹持轮廓 不布置在外壁表面49上。然而，应当理解，凹部不是必要的，如果希望的话，外壁表面 49可以向外伸出，并且夹持轮廓50可以沿着相同的平面布置在外壁表面49上，图1-9的实施例中显示了位于该平面上的夹持轮廓50。固定构件42包括沿着固定构件42的内壁表面布置的上肩部和下肩部，用于与布 置在第一伸缩构件44的外壁表面上的凸缘接合。固定构件42的下肩部与第一伸缩构件 44的凸缘的接合限制了第一伸缩构件44朝向轴线38的缩进，使得第一伸缩构件44保持 容纳在固定构件42的孔内(图1、2和7)。固定构件42的上肩部与第一伸缩构件44的 凸缘的接合限制了第一伸缩构件44远离轴线38的伸出(图3-6和8-9)。第一伸缩构件44包括布置在第一伸缩构件44的内壁表面上的上肩部，其用于与 布置在第二伸缩构件46的外壁表面上的凸缘接合。第一伸缩构件44的上肩部与第二伸 缩构件46的凸缘的接合限制了第二伸缩构件46远离轴线38的伸出(图3-6和8_9)。第一伸缩构件44还可以包括布置在第一伸缩构件44的内壁表面上的下肩部，其 用于与布置在第二伸缩构件46的外壁表面上的凸缘接合。第一伸缩构件44的下肩部与 第二伸缩构件46的凸缘的接合限制了第二伸缩构件46 朝向轴线38的缩进，使得第二伸 缩构件46保持容纳在第一伸缩构件44的孔内(图1、2和7)。在某些实施例中，固定构件42的内壁表面和第一伸缩构件44的外壁表面具有棘 齿轮廓以限制或防止第一伸缩构件44朝向轴线38向内移动。另外，第一伸缩构件44的 内壁表面和第二伸缩构件46的外壁表面也可以具有棘齿轮廓以限制或防止第二伸缩构件 46朝向轴线38向内移动。隔离元件60布置在心轴30的外壁表面36上。隔离元件60可以布置在锚固件 40上方、下方、之上或周围。例如，如图1-9所示，隔离元件60朝向下端32布置在锚 固件40上，但是没有锚固件40朝向上端31，使得隔离元件60布置在一部分锚固件40上 以及所有锚固件40的上方。可替换地，隔离元件60可以具有贯穿布置的孔(未显示)， 其与一个或更多个锚固件40对准，使得锚固件40可以穿过隔离元件60以与井眼80的内 壁表面82接合(图7-9)。在一个实施例中，隔离元件60是使用适当粘合剂固定到外壁表面36上的弹性体 或橡胶元件。但是，隔离元件60可以由本领域普通技术人员所知的任何材料制成，在某 些实施例中，隔离元件60是市售类型的弹性材料、弹性体或聚合材料，其能够经受在一 些井中存在的高温。例如，隔离元件60可以是全氟弹性体、苯乙烯-丁二烯共聚物、 氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、聚硫橡胶、顺式1，4-聚异戊二烯、三元乙丙橡胶、 EPDM橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶或热塑性聚烯烃橡胶。在某些实施例中，隔离元件60 的计示硬度(durometer hardness)为大约60到100肖氏A，更特别地为85到95肖氏A。 在一个实施例中，计示硬度为大约90肖氏A。用于隔离元件60的其它适当材料包括Teflon (聚四氟乙烯或氟化乙烯-丙 烯)和聚醚醚酮。对于低温井来说，隔离元件60可以是丁腈橡胶或其它低温传统材料。 对于高温井来说，隔离元件60可以是任何其它热固塑料、热塑性材料或者硫化材料，只 要这种密封材料为弹性且能够经受高温，例如超过400° F即可。在其它实施例中，隔离元件60可以是工业上已知的任何已知可延伸或可膨胀部 件。例如，隔离元件60可以由任何上述材料制成以形成可膨胀的弹性气囊，通过将例如 井内流体或液压流体的流体泵送到气囊中则可使其进行膨胀。在这种实施例中，流体连 通通道可以在弹性气囊的内部和例如孔34的流体源之间建立，或者通过作为井下工具10的一部分的单独的流体连通通道而建立。可替换地，隔离元件60可以是弹性气囊，其具有布置在气囊内部的一个或更多 个本领域通常已知的可膨胀材料。可替换地，隔离元件60本身可以由一个或更多个可膨 胀材料部分或完全制成。
可膨胀材料在与诸如烃气或液体或水的流体接触时尺寸扩大，导致弹性气囊膨 胀以接合井眼80的内壁表面82，从而隔离井眼80中的至少一个区域。在该实施例中， 隔离元件60可以包括限制致动流体接触可膨胀材料，直到希望隔离元件60膨胀为止的装 置。在一个特定实施例中，隔离元件60在锚固件40伸出期间由锚固件40刺入，使得井 内流体流入隔离元件60并与可膨胀材料接触。适当的可膨胀材料包括氨基甲酸乙酯和聚氨基甲酸酯材料，包括聚氨酯泡沫 体、生物高聚物和超吸收聚合物。在一个实施例中，可膨胀材料由于吸收诸如水或烃的 流体而膨胀。从犹他州盐湖城的RubberEngineering作为1064EPDM销售的腈和聚合物是 能够接受的可膨胀材料。在另一实施例中，可膨胀材料包括可膨胀聚合物，例如交联或 部分交联聚丙烯酰胺、聚氨基甲酸酯、乙烯丙烯或能够吸收烃、水或其它流体并因此膨 胀以提供所需膨胀的其它材料。在另一实施例中，可膨胀材料是形状记忆材料，例如， 金属形状记忆材料或者压缩弹性体或聚合物，其通过例如下面段落中讨论的可分解材料 保持压缩状态。在一个实施例中，可膨胀材料可以用可由例如水或液压流体的流体分解的材料 层包封。当在此使用时，术语"包封的"和"包封"是指可分解材料在流体和可膨胀材 料之间形成初始屏障。在这种实施例中，包封层允许使用可膨胀材料，包封层的可膨胀 材料在接触流体时瞬间膨胀，其保护上述可膨胀材料直到希望膨胀为止。用于包封可膨胀材料的包封的可溶解材料可以是本领域普通技术人员熟知的任 何材料，其可以在一定时间之后由温度或例如水基钻液、烃基钻液或天然气的流体进行 溶解、降解或者分解。优选地，包封的可溶解材料进行标准化，使得可溶解材料进行 溶解所必需的时间已知或在无需过度实验的情况下易于确定。适当的包封可溶解材料 包括聚合物和可生物降解的聚合物，例如，聚乙烯醇基聚合物，如可从位于意大利， Altopascia 的 Idroplax，S.r.l.购得的聚合物 HYDROCENE 、由 Cargill Dow LLC 的分公司 Nature-Works 购得的聚交酯(〃 PLA")聚合物 4060D ；由 DuPont Specialty Chemicals 购得的TLF-6267蝶酰谷氨酸(“PGA")；聚己内酰胺和PLA与PGA的混合物；固体 酸，如氨基磺酸、三氯乙酸和柠檬酸，与石蜡或其它适当粘合剂结合在一起；聚乙烯均 聚物和固体石腊；聚环氧烷，如聚环氧乙烷，和聚二醇，如聚乙二醇。这些聚合物优选 地置于水基钻液中，因为它们可缓慢地溶于水中。在一个具有包封可溶解材料的具体实施例中，可膨胀材料是在其与流体接触时 进行化学反应的一种或更多种化学成分。例如，可膨胀材料可以是由一种或更多种上述 包封可溶解材料包封的氧化镁和磷酸二氢钾的固体颗粒的组合物。在包封可溶解材料溶 解之后，可膨胀材料的化学成分在存在例如水或液压流体的流体的情况下发生反应，导 致化学成分形成胶体相，最终，形成结晶硬质陶瓷材料镁磷酸钾六水合物，其是以化学 方法结合的陶瓷。在该实施例中，包封可溶解材料还可用于使一种或更多种化学成分与 一种或更多种其它化学成分分离以防止过早反应和膨胀。
在选择适当的可膨胀材料过程中，如果必要或希望的话，选择包封材料时，对 于隔离元件60来说，应当考虑井下工具10下送到井眼中以及适当处理锚固和隔离井眼所 需时间。如果可膨胀材料过早膨胀的话，井下工具10不能适当地固定在井眼中以隔离希 望的区域。
隔离元件60可以布置在心轴30的外壁表面36上，使得一个或更多个锚固件40 被覆盖，例如图1-2所示。可替换地，隔离元件60可以设计成使孔布置在隔离元件60 中，使得隔离元件60上的孔与锚固件对准。在本实施例中，允许锚固件40穿过隔离元 件60径向向外伸出以与井眼80的内壁表面82接合。在一个具体实施例的工作过程中，井下工具10固定到工具管柱上并且在井眼中 下降到预定位置。井眼可以包括套管或者可以是开孔井眼。流体顺着工具管柱泵送到孔 34中，并因此泵送到固定构件42和第一伸缩构件44的孔中，并作用在第二伸缩构件46 的内壁表面48上。流体在这些区域增大压力，从而作用在第二伸缩构件46的内壁表面 48上，导致第二伸缩构件46远离轴线38径向向外伸出。因此，第二伸缩构件46的外壁 表面上的凸缘与第一伸缩构件44的外壁表面上的上肩部接合，导致第一伸缩构件44远离 轴线38径向向外伸出，直到第二伸缩构件46的夹持轮廓50与井眼80的内壁表面82接 合(图8和9)。除了使锚固件40伸出之外，隔离元件60与井眼80的内壁表面82接合以隔开井 眼80，并因此使井眼80中的至少一个区域隔离。如上所述，隔离元件60可以通过接触 包含在隔离元件60中或作为其一部分的可膨胀材料，通过将流体泵送到隔离元件60中， 通过使隔离元件60移动或伸展成与井眼80的内壁表面82接合或者通过本领域已知装置 的任何其它方法而膨胀。在隔离元件60膨胀之后，井眼80中的至少一个区域被隔离。在一个具体实施例中，在隔离元件60与内壁表面82接合并且井眼80的至少一 个区域被隔离之前，锚固件40伸出并固定到井眼80的内壁表面82上。在其它具体实施 例中，隔离元件60与内壁表面82接合，并且井眼80的至少一个区域在锚固件40伸出之 前被隔离。在附加实施例中，锚固件40随着隔离元件60与内壁表面82接合而同时伸 出ο在另一具体实施例中，锚固件40伸出，导致隔离元件60被刺入。在这样的实 施例中，隔离元件60的被刺入可以允许井内流体进入隔离元件60并接触包含在其中的可 膨胀材料。在接触井内流体时，可膨胀材料膨胀，因此，隔离元件60膨胀以接合井眼的 内壁表面82，从而隔离井眼80中的至少一个区域。在仍然另一个具体实施例中，隔离元件60未被刺入。作为替代，通过防爆膜裂 开、通过将流体泵入隔离元件或者通过使用井下工具10的任何其它部件刺穿隔离元件60 而允许井内流体与隔离元件60内的可膨胀材料接触。应当理解，本发明不局限于所示和所述的结构的具体细节、操作、具体材料或 实施例，其变型和等效方式对本领域技术人员来说显而易见。例如，锚固件40可以包括 单个伸缩构件或两个以上的伸缩构件。此外，作为隔离元件60—部分的可膨胀材料可以 包括水触发可膨胀材料、烃触发可膨胀材料或者任何其它已知的可膨胀材料。另外，井 下工具可以具有单个锚固件，其中，它围绕心轴的整个圆周或者部分圆周布置。因此， 本发明的范围仅由所附权利要求限制。
权利要求
1.一种井下工具，包括心轴，其具有上端、下端、外壁表面和具有轴线的贯穿布置的纵向孔； 穿过所述外壁表面布置的至少一个锚固件，所述至少一个锚固件中的每一个具有缩 回位置和伸出位置；和隔离元件，所述隔离元件沿着所述心轴的外壁表面和围绕所述至少一个锚固件中的 每一个布置，从而有助于隔离元件能够隔离井眼中的至少一个区域，其中，所述心轴、所述至少一个锚固件和所述隔离元件进行装配以形成一体式井下 工具。
2.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述隔离元件包括至少一种可膨胀材料。
3.如权利要求2所述的井下工具，其中，所述至少一种可膨胀材料布置在弹性气囊内。
4.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述隔离元件环绕所述至少一个锚固件中的每一个。
5.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述隔离元件布置在所述至少一个锚固件中 的每一个上。
6.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述至少一个锚固件中的每一个包括伸缩构 件，所述伸缩构件具有布置在其内部的锚固件孔。
7.如权利要求6所述的井下工具，其中，所述至少一个锚固件中的每一个的伸缩构件包括固定构件， 第一伸缩构件，和 第二伸缩构件，所述第一伸缩构件具有与固定构件的内壁表面滑动接合的外壁表面，所述第二伸缩 构件具有与第一伸缩构件的外壁表面滑动接合的外壁表面。
8.如权利要求7所述的井下工具，其中，所述第二伸缩构件包括封闭端，该封闭端具 有布置在外端表面上的夹持轮廓。
9.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述井下工具包括多个锚固件，其彼此隔开 并且围绕所述心轴的外壁表面周向和纵向布置。
10.如权利要求9所述的井下工具，其中，所述至少一个锚固件中的每一个包括伸缩 构件，所述伸缩构件具有布置在其内部的锚固件孔。
11.如权利要求10所述的井下工具，其中，所述至少一个锚固件中的每一个的伸缩构 件包括固定构件， 第一伸缩构件，和 第二伸缩构件，所述第一伸缩构件具有与固定构件的内壁表面滑动接合的外壁表面，所述第二伸缩 构件具有与第一伸缩构件的外壁表面滑动接合的外壁表面。
12.如权利要求11所述的井下工具，其中，所述第二伸缩构件包括封闭端，所述封闭 端具有布置在外端表面上的夹持轮廓。
13.如权利要求12所述的井下工具，其中，所述隔离元件包括至少一种可膨胀材料。
14.如权利要求13所述的井下工具，其中，所述至少一种可膨胀材料布置在弹性气囊内。
15.如权利要求14所述的井下工具，其中，所述隔离元件环绕所述至少一个锚固件中 的每一个。
16.如权利要求14所述的井下工具，其中，所述隔离元件布置在所述至少一个锚固件 中的每一个上。
17.—种锚固和隔离井眼中的至少一个区域的方法，所述方法包括步骤(a)布置一体式井下工具，所述井下工具包括心轴，其中，所述心轴包括 上端，下端， 外壁表面，具有轴线的贯穿布置的纵向孔，彼此隔开并围绕所述心轴的外壁表面周向和纵向布置的多个锚固件，所述多个锚固 件中的每一个包括至少两个伸缩构件，所述至少两个伸缩构件具有布置在所述至少两个 伸缩构件中的至少一个内的锚固件孔，所述锚固件孔与所述纵向孔流体连通，和隔离元件，所述隔离元件沿着所述心轴的外壁表面并围绕所述多个锚固件中的每一 个布置，从而有助于隔离元件能够隔离井眼中的至少一个区域；(b)将所述一体式井下工具下降到井眼内的所需位置；(c)将所述多个锚固件中的每一个伸出，直到足够数量的多个锚固件与井眼的内壁表 面接合为止；和(d)使所述隔离元件与所述井眼的内壁表面接合。
18.如权利要求17所述的方法，其中，步骤(c)在步骤(d)之前进行。
19.如权利要求17所述的方法，其中，步骤(d)在步骤(c)之前进行。
20.如权利要求17所述的方法，其中，步骤(c)与步骤(d)同时进行。
21.如权利要求17所述的方法，其中，步骤(d)通过利用至少一个锚固件刺入隔离元 件从而允许井内流体与包含在隔离元件内的可膨胀材料接触而进行。
全文摘要
本发明公开了用于锚固和隔离井眼中的至少一个区域的井下工具。井下工具包括心轴，其具有上端、下端、外壁表面和具有轴线的贯穿布置的纵向孔。一个或更多个锚固件穿过心轴的外壁表面布置。每个锚固件具有缩回位置和伸出位置。隔离元件沿着心轴的外壁表面布置。隔离元件可以覆盖锚固件或者布置在锚固件上方、下方或周围。隔离元件与井眼内壁表面接合以隔离井眼的至少一个区域可以通过刺入隔离元件以允许井内流体接触包含在隔离元件中的可膨胀材料或者通过将流体泵入隔离元件中来实现。
文档编号E21B23/04GK102027189SQ200980116797
公开日2011年4月20日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者A·P·福斯特, B·J·约瑟夫 申请人:贝克休斯公司