利用液体压力来复位震动器的震动方法和装置制造方法

利用液体压力来复位震动器的震动方法和装置制造方法
【专利摘要】一种用于传递重复的震动来冲击井下的被卡物的方法和装置。震动工具布置在盘管或其他油井管道上，液体压力用于循环运转震动器而无需在井口使得油井管道往复运动。所述工具包括液压复位组件。所述液体压力腔通过穿过工具的流通路径流体连通。因此，当工具中的内部液体压力超过油井中的外部压力时，液体压力驱动液体压力腔中的活塞，从而朝向收缩位置压迫工具。这样，复位组件能够克服液体压力的趋势而延伸工具。所述复位组件能够构成为平衡或补偿延伸压力，从而防止工具的不希望的预备激发，或者克服延伸压力，从而收缩工具以预备激发震动机构。
【专利说明】利用液体压力来复位震动器的震动方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及一种井下工具及方法，更具体地，但不限于，本发明涉及一种用于传递震动冲击给井下物体的工具及方法。
【专利附图】

【附图说明】
[0002]图1是典型的盘管系统的示意图。
[0003]图2是典型的液压震动工具的示意图。
[0004]图3是根据本发明的优选实施方式的“过平衡”震动工具的示意图。
[0005]图4是根据本发明的第二优选实施方式的“平衡”震动工具的示意图。
[0006]图5A-图5C是图3的震动工具的连续的片断的剖面图。
[0007]图6A和图6B是图5A-图5C的震动工具的纵向剖面图，图中显示有分别在激活或拆卸位置以及在震动前(pre-jar)或预备激发(cocked)位置的震动组件。
[0008]图7A和图7B是图5A-图5C的震动工具的纵向剖面图，图中显示有分别在震动后(post-jar)或拆卸位置以及在震动前或预备激发位置的第一复位组件。
[0009]图8A和图8B是图5A-图5C的震动工具的纵向剖面图，图中显示有分别在震动后或执行位置以及在震动前或预备激发位置的第二复位组件。
[0010]图9A和图9B是图5A-图5C的震动工具的纵向剖面图，图中显示有分别在震动后或执行位置以及在预备激发和拆卸位置的扭矩传输部件。
【具体实施方式】
[0011]震动工具通过震动或抖动来释放在井眼中被卡住或被固定的井下工具或物体。在液压式或往复式震动器(jars)中，可伸缩地设置在内外管状件中的测量部或释放部抑制震动器的延伸，这就在震动器内的液压释放机构允许在震动工具内快速延伸和冲击之前为管线延伸提供充足的时间。这在被卡住的工具或物体上产生了很大的动载荷。大多数液压震动器被设计为用于重复或循环运行，以继续震动被卡住的物体直到它们被移动。该震动器的反复激活及复位或再预备激发通过推拉管线完成。
[0012]液压震动器通常在盘管上运行。然而，利用盘管运行液压震动器存在几个缺点。将盘管推或“压”(snub)进水平井内特别困难，进而使得震动器很难循环。
[0013]此外，可能会发生与管道的磨损和撕裂相关的问题。每次盘管穿过用于在井口固定和密封盘管的地面设备(喷注头等)，管道承受应力和应变。这样实际会减少管道的使用寿命。在液压震动运行期间，盘管的同样小的部分会遭受反复的高负载循环，这就会快速降低该部分的管道的状况，从而使整个运行甚至钻井陷入危险。这种情况就高压井来说特别合理；高压负载在管道上施加更多的压力。当管道磨损时，退化的部分必须被去除或替换，这不仅耗时而且昂贵。在某些高压的情况下，盘管可能被限制为仅有3-4个震动循环。
[0014]本发明的震动工具提供采用盘管的用于震动操作的方法和工具的改进。根据本发明的方法，震动器使用液体压力来循环运行；从而盘管的反复地升高和降低被消除。这使得除震动组件外在工具内引入一个或多个液体压力腔成为可能。尽管本发明的震动工具及方法对盘管特别有效，本领域人员可以理解的是它可用于其他管井管道，例如连接油管和钻井油管。
[0015]现在转到附图尤其是图1，其中显示有典型的盘管布置震动系统。该示例的系统或“成套装置”通常由附图标记10标示，其包括地面设备。该地面设备包括用于分配盘管14的卷筒组件12。弯曲导管或“鹅颈管(gooseneck)" 16引导管14进入通过吊装设备22(crane)支撑于井口 20的喷注组件18。吊装设备22及动力单元24可以支撑在拖车26(trailer)或其他适当的平台(如制轮器等)上。图1中未显示的操纵室及其他部件也可以包括在本实施方式中。
[0016]井眼30中的管14的端部的打捞工具28用于将震动器32连接到固定件34。在管14的井下的端部连接的工具的组合形成底部孔组件36。底部孔组件36和管的组合此处被称为管线38。底部孔组件36可以包括多个工具，多个工具包括但不限于钻头(bit)、泥浆马达、液压接头、震动工具、止回阀以及连接工具。
[0017]液体通过卷筒组件12中的管道和连接件的系统引入盘管14内，此处仅示意地标注为40。根据现有技术，震动器26通过反复地升高和降低喷注组件18中的管部循环，直到物体34被移走。
[0018]在某些实施例中，震动器26直接连接到井眼30中的被卡物34上。在其他实施例中，震动器26与包括几个工具的底部孔组件连接为一体。当震动器26描述成可连接于“井下固定物”时，这将意味着工具可连接于在井眼内卡住的在工具串中的其他工具，或者可连接于依次连接到井中的被卡物34的打捞工具28，或者甚至直接连接到被卡物。
[0019]如图1所示的盘管喷注系统10是作为示例，而不应该成为限制。目前存在多种形式的可用的管喷注系统，本 发明的方法及装置可在上述任意的系统中同样顺利地使用。 [0020]图2是管布置液压震动工具J的示意图。管状心轴M可伸缩地容纳于壳体H中。心轴的下端连接到被卡物，壳体的上端连接到管的井下的端部。液体压力腔C1形成在壳体的侧壁内，其中窄径部N将液体压力腔分隔为上部和下部。依靠心轴的活塞P1如盘管串上升及下降那样在腔室中沿轴向运动。
[0021]震动器通过“释放”(slacking off)而在管柱串上设置或预备激发，以允许壳体在心轴上向下运动，以压迫活塞通过窄部进入上腔。震动器通过升高管道而激活，管道将活塞拉回腔室的窄部。由于活塞运动进入下腔，突然的压力释放在工具中产生震动冲击。该过程一直重复直到被卡物被移走。
[0022]暴露于进入工具的液体的心轴的端部的表面区域标记为Ap当流经工具的内部压力超过井眼中的液压压力时，由工具中的液体压力施加的压力趋向于扩张到工具。这被称为压力感应扩张力(“PIEF”)并可通过下述公式表达，其中Pint代表井眼中的内部液体压力，Prart代表井眼中的外部液体压力:
[0023]PIEF=A1X(Pint-Pext).[0024]因此，对于标准的2.88短行程的震动器的PIEF，例如图2中所示的震动器，其中区域A1为1.77平方英寸，PIEF可由下述公式确定:
[0025]PIEF=L 77x (Pint-Pext).[0026]图3是本发明的工具的第一实施方式的示意图。在考虑震动机构的情况下，工具J1的结构可与图2中描述的工具相同。然而，应当理解的是可以采用其他结构形式的震动组件。可选择的震动器的形式包括机械震动器、弹簧操作式震动器以及电子释放式震动器。此外，此处描述的任何其他形式的具有液压复位方法和液压复位系统的需要重要的复位力的震动器可以无需在地面移动管道来复位。如图3所示，管状心轴M可伸缩地容纳于壳体H中。心轴的下端连接到被卡物，壳体的上端连接到管的井下的端部。
[0027]本发明的工具包括当内部压力超过井眼压力时提供与PIEF相反的压力感应收缩力(“PICF”)的液压复位系统。最后，两个额外的液体压力腔C2和C3由内壁H中的环形凹槽产生，两个活塞P2和P3形成在心轴的外部边缘上。
[0028]液体压力腔室C2和C3通过(井下的)活塞P2和P3下面的液流口 F1和F2流体连通到心轴的腔室(lumen)。因此，在这些腔室的表面区域的分别标记为A2和A3的液体压力是压力感应收缩力，该压力感应收缩力趋向于相对于心轴向下移动壳体，即趋向于连接到工具上。因此，通过选择工具零件的尺寸，“过平衡”工具使得液体压力能够用于在工具中复位或预备激发震动机构。
[0029]图3所示的工具的液压操作由下述公式表达，其中Pint代表井眼中的内部液体压力，Prart代表井眼中的外部液体压力，PIF代表工具中的纯压力感应力:
[0030]PIF= [A1X (Pint-Pext) ] - [A2X (Pint-Pext) ] _ [A3X (Pint-Pext)]
[0031 ] = [A1 - A2-A3) X (Pint-Pext) ].[0032]现在可以理解的是如果A1MfA3并且Pint>Pext，则纯压力感应力PIF趋向于延伸到工具，即PIEF超过PICF。反之，如果Ai〈A2+A并且Pint>Pext，则纯压力感应力PIF趋向于收缩工具，即收缩力大于延伸力。应该注意的是施加“向上”的力的额外的液体压力腔的数量可根据工具及其零部件相应的尺寸而改变。
[0033]在某些情况下，具有纯延伸力以及纯收缩力平衡的震动工具是有利的，即工具上的纯延伸力/纯收缩力、PIF为零。例如，如果震动器处于平衡状态(PIF产生延伸力)，高内部液体压力的发生(可能在泵送的过程中发生)可引起在A1I的压力感应力变为如此高以致于心轴和壳体扩大而很难或不能复位震动器。通过提供额外的液体压力腔，该液体压力腔构成为提供沿反方向的平衡力，从而避免震动器不希望的延伸。
[0034]如图4所示为平衡的工具的示意图。在考虑震动机构的情况下，工具J2的结构与如图2和图3所示的工具】和1相同。管状心轴M可伸缩地容纳于壳体H中。心轴的下端连接到被卡物，壳体的上端连接到管的井下的端部。
[0035]然而，液压系统提供的PICF与PIEF相等。为了那个目的，设置一个额外的液体压力腔C2、活塞P2及液流口 F1，从而A2与A1相等。通过选择工具零件的尺寸，“平衡的”工具使得液体压力不影响工具的复位。此外，如果工具下方的流体路径变得堵塞，该平衡震动器会允许在底部孔组件中位于震动器上方或下方的止回阀运行而不会产生液压锁定的问题。
[0036]由于已经解释了与本发明相关的液压原理，参考图5A-图5C对震动工具的一个优选实施方式进行更加详细的说明。如图所示为根据本发明的优选实施方式的震动工具并且通常标注为参考标记10。震动工具10能够连接到管状井管道(例如盘管14(图1)、连接油管或钻探管)，以将冲击传递到井下物体34。
[0037]在优选的形式中，震动工具100通常包括壳体(例如外管状组件102)以及内管状组件104。内管状组件104可伸缩地容纳于外管状组件102内。管组件中的一者可连接到油井管道，另一者可连接到井下物体。
[0038]在实施方式中所示为，内管状组件104包括直接或通过中间工具连接到井下的固定物体34的下端或井下端，外管状组件102具有连接到盘管或其他油井管道14的上端。通过这样的方式，外部组件102相对于内部组件104能够上下移动。然而，可以理解的是这种安装方式可以颠倒，即外部组件可以连接到井下物体34 (或其他工具28)并且内部组件连接到油井管道14。流体路径106延伸通过工具100，以允许液体从盘管14通过工具。
[0039]这里使用的术语“上升” “向上” “上部”和“井上”以及类似的术语一般仅涉及钻柱的最接近表面的端部。类似地，“下降” “向下” “下部”和“井下”一般仅涉及钻柱的最远离井口的端部。这些术语不会严格限制垂直尺寸。实际上，本发明的工具的许多申请包括非垂直井的申请。
[0040]整个说明书中，外管状组件102和内管状组件104以及震动组件描述为彼此“相对”运动。这意味着两者中的任意一者静止时，另一者移动。类似地，某部件被认为是“相对”向下或向上移动，它包括部件向下运动以及其他配合部件向上移动。
[0041]优选地，外管状组件102和内管状组件104均由几个互相连接的管件组成。这些管件的数量和结构可改变。优选地，所有这些部件通过传统的螺纹连接彼此连接，但其他合适的连接方式均可使用。
[0042]图5A到图5C中显示的是优选的结构。外管状组件102包括例如具有可连接到盘管或其他油井管道14 (图11)的上端110的顶接头108的第一部件。顶接头108的下端112连接到例如油口接头116的上端114的第二部件。具有管堵头的油口 118设置在油口接头116的下端120内。
[0043]油口接头116的下端120连接到例如上活塞壳体126的上端124的第三部件。上活塞壳体126的下端128连接到例如下活塞壳体132的上端130的第四部件。下活塞壳体132的下端134连接到例如花键套138的上端136的第五部件。花键套138的下端140连接到例如分离的端盖144的上端142的第六部件，分离的端盖144通过穿过横向插销孔145(图5C)的插销(图中未显示)固定在一起。在端盖144的下端148上设置有二次电子导电(S.E.C)挡圈146,端盖144的下端148形成为外管状组件102的最下端。
[0044]顶接头108、油口接头116、上活塞壳体126、下活塞壳体132、花键套138以及端盖144全部通过螺纹连接彼此连接，以随盘管或其他油井管道14配合运动。形成液体腔室的一部分的接头装配有由参考标记150共同标记的密封件，例如O形密封圈。
[0045]继续参考图5A-图5C，优选的内管状组件104包括具有上端162的可伸缩地容纳于外管状组件102的顶接头108中的上心轴160。中心心轴168的上端166连接到上心轴160的下端164。中心心轴168的下端170连接到上活塞心轴174的上端172。上活塞心轴174的下端176连接到下活塞心轴180的上端178，下活塞心轴180的下端182连接到最低端心轴或底接头186的上端184。底接头186的下端188可连接于(例如通过螺纹连接)其他工具，例如可连接到井眼30中的被卡物34 (图1)的打捞部件28。
[0046]上心轴160、中心心轴168、心轴86、上活塞心轴174、下活塞心轴180以及底接头186均连接在一起，以与井中的物体配合运动。因此，盘管14或其他油井管道的轴向运动使得外部组件102相对于内部组件104移动。优选地，这些部件均通过常用的螺纹接头互相连接，但是可以使用其他合适的连接方式。形成液体腔室的一部分的接头装配有由参考标记190共同标记的密封件,例如O型密封圈。此外,例如支撑环192 (backup ring)的密封件设置在内管状组件104和外管状组件102之间，从而在它们之间提供液体密封但可滑动地接合。
[0047]内管状组件104的外部尺寸和外管状组件102的内部尺寸构成为在两者之间为震动机构(还未描述)提供环形液体压力腔200。在图6A和图6B最好观察，该液体压力腔200从顶接头108的下端112延伸进入顶部的下端120。
[0048]继续参考图5A、图6A及图6B，震动组件210设置在液体压力腔200中。如上所示，该震动组件为单向液压震动器，从而提供向上的震动或冲击。工具可以重新构成为提供向下的震动冲击。进一步地，双向震动器也能被使用。可以用于本发明的工具中的一种优选的双向震动器在2010年7月6日递交的、名称为“Hydraulic Bidirectional Jar (液压双向震动器)”的美国临时专利申请N0.12/830，702中显示并描述。该专利的内容通过引用结合于此。
[0049]由于显示的震动组件是公知的,其结构和操作将仅作概述。震动组件210包括位于液体压力腔200中的限位截面212，并且该限位截面212优选地位于形成液体压力腔的外壁的外部组件102的内壁上。更具体地，在本实施方式中，限位截面212通过减直径截面设置在油口接头116的内表面上。
[0050]如图5A和图6A所示，中心心轴168的外表面和减直径截面212的内表面形成狭窄的流体通道214，流体通道214通常将液体压力腔200分隔为上腔和下腔，并允许液体在两者之间流动。活塞216在上心轴160的外壁上“浮动(float)”或运动。形成在活塞216中的小流动通道220允许少量液体随着它移动通过狭窄的流体通道214时挤压通过活塞216。
[0051]当活塞通过限位截面时，活塞216的外径以及限位截面212的内径被选择为产生阻力。一旦限位截面与活塞216的端部分离，阻力将下降并重新完全流通，从而引起向上的震动。如图5B、图5C、图9A及图9B所示，在端盖140的上端142的端面形成锤击面220，该锤击面220冲击围绕底部接头186的上端184的底部形成的砧肩(anvil shoulder)或表面 222。
[0052]在此处显示和描述的优选的“过平衡”工具中，收缩力由两个液压复位组件产生。如图7A和图7B中显示的顶复位组件。内管状组件104及外管状组件102的尺寸可选择为设置有第一液体腔230以及在腔室230中可沿轴向运动的第一活塞232。开口 234通过流通路径106与液体腔230流体连通。外部开口 236设置在上活塞壳体126的侧壁上，从而从腔室230中释放液体。
[0053]如图8A和图8B中显示了第二底复位组件。第二液体腔240包括在腔室240中的可沿轴向运动的第二活塞242。开口 244通过流通路径106与液体腔240流体连通。外部开口 246设置在活塞壳体132的侧壁上，从而从腔室240中释放液体。
[0054]由于液体以预定压力被压入盘管14内，从而根据工具的尺寸使得内部压力大于外部压力，液体施加将活塞232和242从如图7A和图8A所示的初始位置移动到如图7B和图8B所示的展开或延伸位置。当然，这将整个外管状组件102移动到预备激发或复位的锤击组件210。当锤击组件210被激活时，活塞232和242 (以及外管状组件102)返回初始位置。[0055]为了允许通过工具100传输扭矩，工具将包括在外管状组件102和内管状组件104之间的一些防旋转结构。例如，在图9A及图9B中通常标记为260和262的内啮合花键可以设置在花键壳体138的内表面以及底部接头186的上端184的外表面上。这将允许轴向运动并阻止外管状组件102和内管状组件104之间的旋转运动。
[0056]仍然参考图9A及图9B，在外管状组件102和内管状组件104之间形成有细长的环形空间280，从而允许伸缩运动。该压力平衡腔280朝向井眼30 (图1)开口，从而井中液体能充满腔室并且平衡震动组件210的液压流体腔200中的压力。开口(图中未显示)的数量及位置可变化，并选择为防止异物进入。
[0057]由于已对工具100的结构进行了描述，现将对根据本发明的方法的优选实施方式的使用和操作进行说明。管线38在井下运行并优选地通过打捞工具28栓在被卡物34上。
[0058]然后，冲击张力通过喷注组件18施加于管道14。“冲击张力”意思是用于延伸和在延伸位置保持工具从而使得震动组件保持在激活或卸荷位置所必需的张力。一旦获得冲击张力，管道14固定或锁定在喷注组件18中，从而阻止管道往复运动。当震动工具设置在连接油管或钻探管上或在连接油管或钻探管上传送时，油管支撑组件可以包括滑套(slips)或“颈圈(dog Co I Iar ) ”，从而确保管道在井口上而不是在盘管喷注组件上。
[0059]随着管线固定，液体被引入而对管道施压。压力一直增加直到达到要求的复位压力。再次参考图5A-图5C，这就确保了工具100中的震动组件210预备激发并预备激活。因为管道14固定在表面上，对工具中的液体压力腔加压而将外管状组件102向下拉到超过内管状组件104的位置，收缩工具100并拉伸管道14。
[0060]然后，液体压力“释放(bled off)”，以释放延伸。当震动器210激活，外管状组件102迅速返回并产生向上的冲击。在震动组件210激活后，程序每当需要时重复直到打捞件28及被卡物34震动而松开。然后，管线38撤回到表面。
[0061]显而易见的是，展开的管道的长度影响管道在压力下延伸的能力。这依次会影响冲程的长度，冲程的长度可在震动工具中通过延伸的管道获得。如果管道太短，延伸的工具需要极大的延伸。因此，产生自液体压力的感应负荷将不足以敲击震动器。
[0062]在这样的情况下，根据本发明的方法的一种实施方式，当将冲击张力施加于盘管时，液体压力可以用于将工具保持在收缩或预备激发位置。然后，当获得冲击张力时，管道固定在喷注组件内。现在，释放内部压力将允许工具延伸并产生初始的震动动作。然后，内部压力像之前一样变化，从而反复地预备激发并释放震动器。
[0063]现在可以理解的是本发明的工具及方法允许在盘管上进行震动操作并且最小化管道上的磨损。此外，本发明允许在盘管上尤其是在水平或隔离的井眼内进行可靠的、流体控制的震动操作，其中管道往复运动特别困难几乎就不可能。
[0064]上面显示及描述的实施方式作为示例。经常在现有技术中发现许多细节，因此，许多这样的细节既未显示也未描述。本发明并未声明显示和描述的所有细节、零件、元件或步骤均由此发明。即使本发明的很多特征和优点已在附图和随附的文本中进行了描述，但是该描述仅用作解释本发明。可以对细节做出改变，尤其是对于形状、大小及部件的布置，它们均在本发明的通过广义的术语所指示的全部延伸的原理范围内。此处，【具体实施方式】的描述和附图并未指出本专利的侵权范围，而是提供怎样使用和制造本发明的实施例。同样地，摘要既不用于定义本发明(由权利要求限定)，也不用于以任何方式来限制本发明的保护范围。更确切地说，本发明的界限以及专利保护的范围由下述权利要求界定和定义。
【权利要求】
1.一种用于传递冲击到井下的固定物体的震动工具，该工具能够连接到油井管道并且能够通过在所述油井管道上的液体压力操作。
2.一种油井管道布置震动系统，该油井管道布置震动系统包括权利要求1所述的震动工具，其中，所述系统还包括在表面上用于固定所述油井管道免于移动的油井管道支撑组件。
3.根据权利要求2所述的油井管道布置震动系统，其中，所述震动工具的特征在于具有可延伸和收缩的壳体，并且所述震动工具包括液压组件，当内部液体压力大于外部液体压力时，所述液压组件构成为在所述工具上产生收缩力。
4.一种用于传递冲击到井下的固定物体的震动工具，该震动工具能够连接到油井管道，所述工具包括: 外管状组件； 内管状组件，该内管状组件可伸缩地容纳于所述外管状组件中，从而从收缩位置相对运动到延伸位置； 其中，所述内管状组件和所述外管状组件限定穿过所述工具的流通路径，其中，当所述工具内的液体压力超过所述井眼内的液体压力时，所述液体压力趋向于延伸所述工具；其中，所述内管状组件和所述外管状组件中的一者能够连接到所述油井管道，所述内管状组件和所述外管状组件中的另一者能够连接到所述固定物体； 所述工具中的震动组件，其中，该震动组件包括砧面和锤击面；以及所述工具中的液压复位组件，该液压复位组件包括至少一个液体压力腔和活塞，所述液体压力腔与所述流通路径流体连通，从而当所述工具中的液体压力超过所述井眼中的液体压力时，所述液体压力腔中的液体压力趋向于收缩所述工具。
5.一种底部孔 组件，该底部孔组件包括权利要求4所述的震动工具。
6.一种管线，该管线包括权利要求5所述的底部孔组件。
7.一种盘管系统，该盘管系统包括权利要求6所述的管线。
8.根据权利要求4所述的震动工具，其中，所述震动组件为液压式。
9.根据权利要求4所述的震动工具，其中，所述液压复位组件构成为提供收缩力，该收缩力平衡由液体压力施加的延伸力。
10.根据权利要求4所述的震动工具，其中，所述液压复位组件构成为提供收缩力，该收缩力克服由液体压力施加的延伸力。
11.一种用于移除井眼中的被卡物的方法，该方法包括: 在油井管道上向所述井眼下布置震动工具； 使所述震动工具栓在所述被卡物上； 将冲击张力施加到所述油井管道上； 将所述油井管道固定到表面上，以防止往复运动； 通过改变所述油井管道中的液体压力预备激发所述震动工具；以及 通过改变所述油井管道中的液体压力激活所述震动工具。
12.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括: 在激活所述震动工具后，通过改变所述油井管道中的液体压力再次预备激发和再次激活所述震动工具。
13.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括: 在固定所述油井管道前，当将冲击张力施加到所述油井管道上时，使用在所述震动工具中的液体压力将所述震动工具保持在所述预备激发位置。
14.根据权利要求13的方法，该方法还包括: 在激活所述震动工具后，通过改变所述油井管道中的液体压力再次预备激发和再次激活所述震 动工具。
【文档编号】E21B4/14GK103547768SQ201280012661
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年3月6日 优先权日:2011年3月10日
【发明者】R·L·舒尔茨, A·M·菲尔古森, M·L·肯奈尔 申请人:过油管解决方案服务有限公司