井下清洁设备的制作方法

本发明涉及井的清洁。特别地，本发明涉及能够操作成对井的套管进行清洁以从井的套管的内表面移除不需要的材料和碎屑的清洁设备。

背景技术：

通常地，将碎屑从油井和气井移除的方法包括使用机械地清洁井的内部套管的刮刀或刷子。这种刮刀或刷子通常作为专用的井筒清理系统的一部分来运作，这在井已经被钻孔、加套管以及灌注水泥之后执行。

近来已看到更多的研发采用了作为钻柱的一部分进行运作的套管刮刀。这种刮刀总体上包括便于插入的缩回的刀片以及当需要进行清洁活动时被启动成使得刀片与套管壁相接触的伸出的刀片。

通常地，现有的套管刮刀包括轴向槽以及从轴向槽伸出以与套管表面相接触的刀片。

通常地，包括轴向槽以及从该轴向槽伸出的刀片的刮刀借助于缓慢的轴向运动与高速的旋转运动的结合操作成使得所述刀片扩展开以确保与套管壁的整个360度表面相接触，从而有效地从套管壁的整个360度表面去除碎屑。使用这种方法来清洁套管是耗时的，并且因此出于对清洁整个井筒的时间和成本的考虑，不建议采用这种方法。

期望的是提供一种改进的井下清洁设备。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面提供了一种井下清洁设备，包括：

管状本体，该管状本体包括穿过其的多个开口，其中，每个开口限定围绕本体纵向地且周向地延伸的螺旋部的至少一部分；以及

多个清洁元件，所述多个清洁元件构造成穿过开口伸出并且构造成伸出到本体的外表面之外，其中，清洁元件绕本体分布并且每个清洁元件限定围绕本体纵向地且周向地延伸的螺旋部的至少一部分，其中，开口和清洁元件成组地限定多个大致连续的螺旋形路径，每个螺旋形路径大致从管状本体的一端延伸至另一端，并且这些大致连续的螺旋形路径分布成限定至少360度的清洁表面。

螺旋形路径可以布置成使得螺旋路径的联合起来的周向范围为至少360度。例如，在包括三个螺旋形路径的实施方式中，每个路径沿周向方向延伸至少120度。由开口和清洁元件所限定的螺旋形路径的布置可以限定至少360度的有效清洁表面。

井下清洁设备可以包括多个沟槽，每个沟槽由围绕本体纵向地且周向地延伸的螺旋部的至少一部分限定，其中，在各个沟槽之间限定有肋。肋限定清洁设备的最外表面。沟槽和肋可以由螺旋形路径来限定。

在肋上可以设置有开口。

井下设备可以包括由三个沟槽限定的至少三个肋。

有利地，根据第一方面，清洁元件在清洁设备上的布置意味着套管壁的清洁可以仅借助于往复运动或借助于高速往复运动与旋转运动的结合而被有效地执行。已知的装置使用与缓慢的轴向运动相结合的旋转运动来清洁套管壁。通常地，刮刀在待清洁的给定区域上做三次往复运动。典型的刮刀包括三个刀片，每个刀片经测量具有228mm(9英寸)的长度并且具有每分钟约60转的转速。通常地，往复运动速度最大为0.23m/s(45英尺/分钟)。与之相比，根据本发明的清洁设备可以以高达0.76m/s(150英尺/分钟)的速度做往复运动。应当理解的是，与已知的设备相比，根据本发明的设备的切削元件的布置以及相对高速的应用使得清洁时间减少并且获得对用于比较的套管壁的同样地或更有效地清洁。

开口可以由多个槽提供，其中至少设置有对应数量的清洁元件，其中，穿过每个槽伸出一个或更多个清洁元件。

清洁元件可以是可缩回且可伸出的，其中，当缩回时，清洁元件能够存放在本体内直到需要使用时为止，并且当需要使用时，清洁元件能够伸出，其中，所述清洁元件伸出到本体的最外表面之外。

清洁元件可以选择性地伸出。因此，井下清洁设备还可以包括保持系统和启动系统，由此，清洁元件由保持系统保持在缩回位置中直到需要使用时为止，并且启动系统能够操作成使清洁元件至少准备好从缩回位置向伸出位置运动。

保持系统可以包括一个或更多个剪切销。为了使剪切销断裂或被剪断，剪切销可能需要被施加一最小压力或载荷。保持系统可以包括多个剪切销，所述多个剪切销布置成使得每个剪切销在不同的最小力或压力下能断裂或能被剪断，从而使在启动时多个剪切销以从对应于最低额定最小力或压力的销到对应于最高额定最小力或压力的销依序断裂。

在使用中，启动系统可以包括一个或更多个启动阶段，其中，可以应用下列中的一者或更多者：机械触发器、电子信号和被施加的流体压力。在利用多个启动阶段时，可以顺次地启动每个阶段，从而能够以可预测的方式对从缩回位置至伸出位置的变化过程进行控制。

启动系统可以包括下列中的一者或更多者：球和镖状物。

球或镖状物在被释放到管状本体中时可以停留在座部中，以增大管状本体内的内部压力，这使得能够操作成使至少一个剪切销断裂或剪断的压力增大，从而使清洁元件至少部分地准备好从缩回位置向伸出位置运动。球或镖状物可以通过机械触发器、电子信号或施加的流体压力来释放。

球可以由可变形的材料制成。

座部可以构造成允许球或镖状物穿过。座部在压力下可变形。座部可以包括夹头。夹头可以包括可扩展的爪或卡爪，所述可扩展的爪或卡爪是可移位的从而允许镖状物或球穿过。

替代性地或另外地，启动系统还可以包括位于管状本体内部的安置套筒，该安置套筒能够操作成相对于管状本体沿轴向方向移动，并且能够操作成使至少一个或更多个剪切销断裂或被剪断，从而使清洁元件被至少部分地准备好进行从缩回位置向伸出位置的运动。管状本体和安置套筒可以各自包括有角度的轮廓，使得套筒相对于管状本体的运动能够被引导。安置套筒可以通过机械触发器、电子信号或施加的流体压力来启动。

替代性地或另外地，启动系统可以包括安置套筒或启动球进一步运动成使得在管状本体内的流体压力可以增大到能够操作成使剪切销断裂或剪断的水平，从而最终使清洁元件准备好进行从缩回位置至伸出位置的运动。安置套筒或球的进一步运动可以通过机械触发器、电子信号或施加的流体压力来启动。

机械触发器、电子信号或流体压力可以使清洁元件从缩回位置向伸出位置移动。

每个清洁元件可以被朝向伸出位置偏压，其中，一个或更多个剪切销阻止清洁元件从缩回位置向伸出位置的运动直到所述剪切销断裂或被剪断为止。井下清洁设备还可以包括布置成辅助离开缩回位置的运动并且将清洁构件的位置维持在伸出位置中的机械式弹簧或液压式弹簧。

每个清洁元件包括切削轮廓，该切削轮廓能够在使用中通过轴向往复运动操作成从与清洁元件相接触的表面移除碎屑。清洁元件的限定出至少360度的切削表面和合适的切削轮廓的这种布置确保能够通过根据第一方面的井下清洁设备实现例如井筒套管的完全的周向清洁。

清洁元件可以是刮刀刀片。替代性地，清洁元件可以是刷子。

井下设备可连接至钻削工具或钻柱。在井下应用中井下清洁设备可连接到的钻削工具的钻头上。井下清洁设备还可以包括布置成将管状本体的每个端部连接至钻削元件的凸形连接件或凹形连接件。

本发明的另一方面是提供一种清洁井筒套管的方法，该方法包括将根据第一方面的井下清洁设备安装到井筒套管中的步骤。该方法还可以包括在将井下设备安装到井筒套管中之前将井下清洁设备附接至钻柱并且因此将井下清洁设备连同钻柱一并进行安装的步骤。

该方法还可以包括使井下清洁设备做好准备从而使清洁元件准备好从缩回位置向伸出位置移动，其中，清洁元件从管状本体的最外表面伸出。

该方法还可以包括使清洁元件从缩回状态移动至伸出状态的步骤。

该方法还可以包括使井下清洁设备沿轴向方向做往复运动从而执行井筒套管的清洁步骤的步骤。

该方法还可以包括将井下清洁设备从井筒套管中收回。

附图说明

下面参照附图仅通过示例的方式对本发明的实施方式进行描述，在附图中：

图1是处于缩回位置中的根据本发明的实施方式的井下清洁设备的示意性表示；

图2是处于伸出位置中的根据本发明的实施方式的井下清洁设备的示意性表示；

图3是如图1中所示的井下清洁设备的轴向截面的示意性表示；

图4是如图2中所示的井下清洁设备的轴向截面的示意性表示，其中，清洁元件处于伸出位置中；

图5是如图2中所示的井下清洁设备的轴向截面的示意性表示；以及

图6是如图1至图5中所示的套管清洁器与钻柱的组合件的示意性表示。

具体实施方式

图1和图2分别示出套管清洁器10，套管清洁器10代表根据本发明的实施方式的一种井下清洁设备。套管清洁器10包括管状本体12，管状本体12包括轴向通孔(在图1或图2中不可见)。在所图示的实施方式中的套管清洁器10包括三个外部肋14。沟槽16(在图1和图2中可见两个)将肋14分隔开并且限定如下区域：从套管壁(未示出)脱落的碎屑可以经由该区域排出。

图示实施方式的肋14和沟槽16各自限定螺旋部18的一部分，所述部分在本体12的外表面上从一端延伸至另一端。

每个肋14包括槽20，清洁元件22穿过槽20伸出。槽20和清洁元件22各自限定由肋14和沟槽16限定的螺旋部18的一部分。在所图示的实施方式中，螺旋形的肋14中的每一个包括四个槽20和四个清洁元件22。

就套管清洁器10而言，如所图示的，每个螺旋状部18的周向范围为至少120度，使得在使用中清洁元件22能够操作成与整个360度的套管表面相接触。肋14和清洁元件22呈螺旋的形式布置意味着套管清洁器10在使用中仅需要以往复运动的方式进行操作。

在所图示的实施方式中，清洁元件22是刮刀刀片。刮刀刀片包括作用在套管壁上的多个切削刃23，以在清洁器穿过套管时去除碎屑。套管刮刀可以由例如机加工的低合金钢构造而成。替代性地，刀片可以由锻件构造而成。刀片的材料的选择及构成能体现出持久的耐用性和出色的刮削特性。替代性地，清洁元件可以是刷子，该刷子可以用来刷擦和清洁套管的内表面/内周面以移除积垢、锈、泥渣及其它类型的碎屑。刮刀刀片和刷子构造成以磨蚀的方式起作用以清洁套管壁。

清洁元件22以如下方式设置：参见图1，在插入时是缩回的，并且参见图2，在使用时是伸出的。剪切销24、26穿过管状本体12中的孔定位以将清洁元件22保持在缩回位置中直到有预定流体压力经由轴向孔34(参见图3和图4)施加为止。在图示的示例中，流体压力用来启动如下机构，该机构能够操作成使销26、28断裂或剪断，使得清洁元件22至少部分地准备好伸出。

图3和图4各自图示了如分别在图1和图2中示出的套管清洁器10的截面图。应当理解的是，图3和图4提供了清洁元件22如何保持在缩回位置(如在图1和图3中图示的)中以及清洁元件22如何向伸出位置(如在图2和图4中图示的)移动的更清楚的表示。

图3和图4示出了将清洁元件22从缩回位置释放至伸出位置所需的启动阶段。图3示出了缩回位置，在该缩回位置中，清洁元件22保持在管状本体12内并且因此不能接触套管壁。在所图示的实施方式中，清洁元件22被弹簧力F1朝向伸出位置偏压，但是被一系列剪切销24、26、28保持在缩回位置中。剪切销24用来阻止安置套筒32在轴向孔35内移动。剪切销26用来将清洁元件22限制在缩回位置中并且剪切销28用来限制球座30。

安置套筒32定位在轴向孔35内。安置套筒32被剪切销24保持为不相对于管状本体12运动。剪切销24与管状本体12和安置套筒32接合。安置套筒32包括具有渐缩部段36的外部轮廓，渐缩部段36与在清洁元件22的内表面上的相似轮廓接合，使得当安置套筒32被释放时该安置套筒32在孔35的引导下沿轴向移动，以使清洁元件22移动至伸出位置。

剪切销24、26、28由于施加在轴向孔35内的流体压力而被剪断或断裂。需要预定的流体压力或力来剪断销24、26、28，从而使套筒32被释放以对清洁元件22起作用。各剪切销24、26、28响应于不同的预定压力，其中，在对剪切销24施加低于剪切销26所需压力的压力时，剪切销24即被剪断或断裂，并且当对剪切销26施加低于剪切销28所需压力的压力时，剪切销26即被剪断或断裂。

为了使清洁元件22活动至伸出位置，通过释放球34(参见图3和图4)来密封轴向孔35。如图3中所图示，球34从表面落入轴向孔35中并且球34被向下抽吸或者被允许自由掉落。球34停留在球座30上，使得轴向孔35内的流体压力可以增大到预定水平，在这种流体压力下，销24被剪断或断裂以释放安置套筒32，安置套筒32将开始向下移动(在图示实施方式朝向右侧)。

随着安置套筒32朝向钻头51(参见图6)向下移动，渐缩部段36作用在清洁元件22的呈相似形状的轮廓上，由此使清洁元件22准备好向伸出位置移动。由安置套筒32在清洁元件22上的物理接触产生了大致径向的载荷并且该大致径向的载荷用于剪断剪切销26以释放清洁元件22。通过剪断剪切销26，使清洁元件22在向伸出位置偏压清洁元件22的弹簧力F1的作用下准备好伸出。

如在图示的实施方式中所示的，通过清洁元件22与套管壁和锁定销38的接合而阻止清洁元件22从管状本体12完全脱出。锁定销38布置成在设置于清洁元件22的本体中的槽40内滑动，使得清洁元件22的运动范围是受控的。

在此阶段，清洁元件22伸出并且准备好清洁套管。为了开始清洁过程，需要恢复穿过套管清洁器10的流体流。参照图5，通过将轴向孔34内的流体压力升高到预定水平，位于球座30处的剪切销28被剪断，并且球座套筒42被释放且向下移动如下距离：该距离足以允许流体流F2穿过轴向孔35并且流向位于下方的钻头51(参见图6)。一旦穿过设备10的流体流恢复，则清洁元件22处于预备位置，在该预备位置处，清洁元件22伸出并且准备好用于清洁其所在的套管。

使用根据以上描述的实施方式的套管清洁器10来清洁套管可以仅通过轴向往复运动——其中，套管清洁器10仅需向上(朝向图示实施方式中的左侧)和向下(朝向图示实施方式中的右侧)移动——来将碎屑从内套管壁移除。任何碎屑均经由沟槽排出。

根据本发明的实施方式的套管清洁器10的构型使得与套管清洁器10的旋转相结合的高速往复运动在将碎屑从套管壁快速且有效地移除方面是高效的。

在图6中图示了根据所描述的实施方式的套管清洁器10的应用方法，其中，套管清洁器10通过合适的凸形机械连接件或凹形机械连接件52、54附接至钻柱50。连接件52、54适于附接至钻柱50。

在图6中示出的布置示出了整体构造及清洁过程。

套管清洁器10附接至包括钻头51的钻柱50的上侧。然后，钻柱50和套管清洁器10的组件以已知方式插入到套管56中。清洁元件10缩回到管状本体中，以便于插入以及在进行清洁时伸出。

钻柱50以已知的方式使用以钻出孔，例如，新的井筒。这可能涉及使用合适的钻头51钻穿钻柱50所插入的现有套管56的基部以及沿着钻削目标区域的方向创建新的孔。

当钻削步骤完成时可以使清洁操作初始化，其中，启动装置比如球(如上所述)或镖状物被释放以阻挡流体流穿过组件中心。流体F3被泵送到套管清洁器10的轴向孔35中，使得上述启动过程发生从而使清洁元件22从缩回位置向伸出位置移动。该方法包括通过释放为球34或镖状物(未示出)提供支承的套筒42而恢复穿过装置的流体流以及允许流体流F2穿过设备(参见图5)。当流体流F2被恢复穿过设备时，组件沿方向M1上下移动(往复运动)(如在图6中所图示)，从而使清洁元件22有效地清洁套管壁56的碎屑。

在设备内的流体的压力监测可以用于确定套管清洁器22何时完全伸出并且准备使用。

如以上描述的启动过程的每个阶段需要预定的且不同的压力来剪断每个剪切销24、26、28。因此，清洁元件22向伸出位置的启动是完全可控的。通过监测套管清洁器10的轴向孔35内的压力，能够无疑地确定清洁元件22处于伸出位置并且也能无疑地确定能够执行清洁过程。

该方法还包括当清洁完成时在将钻柱50从套管56移出时在表面处收回套管清洁器10。

尽管上文已经描述了本发明的具体实施方式，然而，应当理解的是，所描述的实施方式的变体仍可能落在本发明的范围内。