机械锁定式液压震击器和方法与流程

机械锁定式液压震击器和方法
1.附图简述
2.图1是处于默认位置的机械锁定式液压震击器的截面视图。
3.图2是示出了机械锁的局部截面视图，其中液压震击器处于默认位置。
4.图3是示出了机械锁的局部截面视图，其中液压震击器处于激活位置。
5.图4是处于激活位置的液压震击器的截面视图。
6.图5是处于默认位置的机械锁定式液压震击器的第二实施例的截面视图。
7.图6是图5中的液压震击器的截面视图，其中球在默认位置被定位在液压震击器的球座上。
8.图7是处于激活位置的图5中的液压震击器的截面视图。
9.图8是在井孔中连接在管柱下方的机械锁定式液压震击器的示意性视图。
10.图9是在井孔中连接在连续管柱(coiled tubing string)下方的机械锁定式液压震击器的示意性视图。
11.图10是示出了具有替代的机械锁的液压震击器的默认位置的局部截面视图。
12.图11是示出了图10中所示的具有机械锁的液压震击器的激活位置的局部截面视图。
13.图12是示出了具有替代的第二机械锁的液压震击器的默认位置的局部截面视图。
14.图13是示出了图12中所示的具有机械锁的液压震击器的激活位置的局部截面视图。
15.图14是从图12中的线a-a截取的横截面视图。
16.图15是示出了具有替代的第三机械锁的液压震击器的默认位置的局部截面视图。
17.图16是示出了图15中所示的具有机械锁的液压震击器的激活位置的局部截面视图。
18.图17是示出了具有替代的第四机械锁的液压震击器的默认位置的局部截面视图。
19.图18是示出了图17中所示的具有机械锁的液压震击器的激活位置的局部截面视图。
20.图19是示出了具有替代的第五机械锁的液压震击器的默认位置的局部截面视图。
21.图20是示出了图19中所示的具有机械锁的液压震击器的激活位置的局部截面视图。
22.图21是示出了具有替代的第六机械锁的液压震击器的默认位置的局部截面视图。
23.图22是示出了图21中所示的具有机械锁的液压震击器的激活位置的局部截面视图。
24.图23是图21中图示的实施例中的下部外套筒段的透视图。
25.优选实施例的详细描述
26.常规的震击器装置放置在底部钻具组件上方的管柱中，底部钻具组件典型地包括随钻测量接头(measurement while drilling sub)、钻井马达和钻头。如果钻头卡在井孔底部，则常规的震击器装置被激活以提供向上的冲击载荷，以帮助将钻头从井孔底部释放
出来。如果整个底部钻具组件(bha)卡在孔中(例如，由于压差卡钻)，则常规的震击器装置被激活以提供向上和向下的冲击载荷，以帮助释放bha。常规的震击器装置也可以被固定到连续管柱，该连续管柱被配置用于井介入作业。例如，常规的震击器装置可以被固定在连续管柱下方和底部钻具组件上方。这些常规的震击器装置经常与产生压力脉冲的其他工具组合使用。其他工具的压力脉冲可能会导致常规的震击器装置的无意激活。其他工具的压力脉冲是由阀机构以脉动的方式阻塞泥流而产生的。脉动的泥流会在常规的震击器内引起压力脉冲，这是由于在整个常规的震击器中充当喷嘴的减小的流动通道所导致的。常规的震击器中的这些压力脉冲产生在常规的震击器部件上推动和/或拉动的脉动的轴向力，这些轴向力激活常规的震击器。
27.机械锁定式液压震击器装置被配置为将冲击力施加在直接或间接地固定到液压震击器装置的其他部件(例如已经在井孔内固定不动或卡在井孔内的钻头)上。液压震击器装置包括机械锁，该机械锁防止液压震击器装置被无意地激活。液压震击器包括外套筒和部分地设置在外套筒的内孔内的内套筒。在默认位置，机械锁接合外套筒和内套筒，以防止内套筒相对于外套筒的轴向移动。机械锁将液压震击器保持在默认位置，直到使用者有意激活液压震击器以使机械锁失效，从而允许内套筒和外套筒之间的轴向移动。例如，内套筒可以相对于外套筒轴向滑动，以将液压震击器置于激活位置。液压震击器还可以包括向上挡块和向下挡块，该向上挡块和向下挡块被配置为在机械锁已经失效时分别限制内套筒相对于外套筒的向上轴向移动和向下轴向移动。液压震击器可以通过将向上的力施加在外套筒上或将向下的力施加在内套筒上来激活。可替代地，液压震击器可以包括内套筒上的球座，并且液压震击器可以通过将球座与泵送通过液压震击器的球接合来激活。球可以由可溶解的材料(例如镁、可溶解的橡胶或可溶解的聚合物)制成。球流体地密封内套筒的内孔，使得流体的持续泵送将向下的力施加在内套筒上。
28.参照图1，机械锁定式液压震击器10可以包括外套筒12和部分地设置在外套筒12的内孔16内的内套筒14。在所图示的实施例中，内套筒14的下端部延伸超过外套筒12的下端部。内套筒14包括内孔18。
29.再次参考图1，内套筒14包括上部内套筒段20和下部内套筒段22。上部内套筒段20完全地设置在外套筒12的内孔16内，而下部内套筒段22部分地设置在外套筒12的内孔16内。上部内套筒段20从内套筒14的上端部24延伸至上部内套筒段20的下端部26。上部内套筒段20的外表面包括凹槽28，凹槽28在外套筒12和内套筒14之间形成腔30。腔30可以从上部内套筒段20的外表面的上部腔肩部32延伸到下部腔肩部34。下部内套筒段22从固定到上部内套筒段20的下端部26的上端部36延伸到内套筒14的下端部38。下部内套筒段22的外表面包括直径扩展区段40，直径扩展区段40被设置在外套筒12的下端部下方。直径扩展区段40形成面向上的肩部42。上部内套筒段20和下部内套筒段22可以通过螺纹连接被固定在一起。
30.仍然参照图1，外套筒12包括向内突出部43，向内突出部43从外套筒12的内孔16的表面径向向内延伸。向内突出部43由外套筒12的内孔16的内表面的直径减小区段形成。向内突出部43与腔30轴向对准。换句话说，向内突出部43延伸到腔30中。节流环44和46被设置在腔30中，其中节流环44位于向内突出部43的上方，并且节流环46位于向内突出部43的下方。上部腔48形成在上部腔肩部32和节流环44之间，并且下部腔50形成在节流环46和下部
腔肩部34之间。在如图1所示的默认位置，上部腔48大于下部腔50。液压流体可以设置在腔30内。节流环44被配置为当液压震击器10处于张力下时限制液压流体从上部腔48到下部腔50的流动。当液压流体流过节流环44并流入下部腔50中时，液压震击器10产生向下的冲击。节流环46被配置为当液压震击器10在激活位置(下面将更详细地描述)被压缩时限制液压流体从下部腔50到上部腔48的流动。当液压流体流过节流环46并流入上部腔48中时，液压震击器10产生向上的冲击。
31.外套筒12还可以包括第一外套筒段52、被设置在第一外套筒段52下方的锚定外套筒段54、被设置在锚定外套筒段54下方的第二外套筒段56、以及被设置在第二外套筒段56下方的下部外套筒段58。向内突出部43可以被设置在锚定外套筒段54上。节流环44可以被固定在第一外套筒段52的下端部60和向内突出部43之间。节流环46可以被固定在向内突出部43和第二外套筒段56的上端部62之间。下部外套筒段58的内孔64所具有的直径小于第一外套筒段52和第二外套筒段56的内孔的直径。液压震击器10还可以包括连接在第一外套筒段52上方的顶部接头65。顶部接头65被配置为将液压震击器10附接在管状构件或连续管柱下方。段52、54、56、58和顶部接头65可以通过螺纹连接固定在一起。内套筒14的下端部被配置为将一个或更多个部件(例如随钻测量接头、钻井马达和/或钻头)附接在液压震击器10下方。
32.现在参照图1和图2，液压震击器10包括机械锁，该机械锁防止液压震击器装置被无意地激活。在图1中图示的实施例中，机械锁包括剪切销66、68。机械锁可以包括任意数量的剪切销，例如1-10个剪切销。下部外套筒段58包括一个或更多个径向孔70。下部内套筒段22的外表面包括一个或更多个凹槽72。在图1所示的默认位置，每个凹槽72与径向孔70中的一个径向孔对准，并且剪切销66、68中的每一个部分地设置在外套筒12中的径向孔70内并且部分地设置在内套筒14中的凹槽72内。以这种方式，剪切销66、68在默认位置接合内套筒12和外套筒14，以防止外套筒12和内套筒14之间的轴向移动。
33.可以通过将向下的力施加在内套筒14上或者通过将向下的力或向上的力施加在顶部接头65和外套筒12上来激活液压震击器10。当向下的力或向上的力超过阈值时，机械锁失效，以允许内套筒14和外套筒12之间的相对轴向移动。内套筒14相对于外套筒14的移动产生冲击力，该冲击力被传递到附接至液压震击器10的部件。
34.参照图3，液压震击器10的激活可以使得剪切销66、68分别被分裂成保持在下部外套筒段58的径向孔70中的段66a、68a和保持在下部内套筒段22的凹槽72中的段66b、68b。剪切销66、68的分裂允许内套筒14相对于外套筒12轴向移动。
35.现在参照图4，当机械锁失效时，内套筒14(在所示取向上)相对于外套筒12的向下轴向移动和向上轴向移动分别受到向下挡块和向上挡块的限制。向上挡块可以由顶部接头65的下端部74形成，顶部接头65被设置在外套筒12的内孔16内。顶部接头65的下端部74被配置为与内套筒14的上端部24接合，以限制内套筒14的向上移动。在图1所示的默认位置，内套筒14的上端部24邻接顶部接头65的下端部74。向下挡块可以由下部外套筒段58的上端部76形成，上端部76被配置为与上部内套筒段20的下端部26接合，以限制内套筒14相对于外套筒12的向下移动。在其他实施例中，液压震击器10可以具有其他构型，该其他构型包括由内套筒和外套筒的任何其他部件形成的向上挡块和向下挡块，该向上挡块和向下挡块被布置为限制内套筒14相对于外套筒12的向上轴向移动和向下轴向移动。
36.参照图4，内套筒14可以相对于外套筒12轴向滑动，直到到达激活位置(如图4所示)。在该实施例中，上部内套筒段20的下端部26在激活位置与下部外套筒段58的上端部76(即，向下挡块)接合。当用钻柱在顶部接头65上拉动时，内套筒14向下滑动(在图示的取向上)，上部腔肩部32将向下的力施加在保持在上部腔48中的液压流体上。这使得一部分液压流体流过上部内套筒段20的外表面和节流环44之间的小空间。以这种方式，随着内套筒14相对于外套筒12轴向向下滑动，液压流体从上部腔48转移到下部腔50。在图4所示的激活位置，下部腔50大于上部腔48。当上部内套筒段20的外表面和节流环44之间的小空间打开、并且液压流体可以从上部腔48自由流动到下部腔50、并且上部内套筒段20的下端部26撞击下部外套筒段58的上端部76以阻止内套筒14的向下轴向移动时，产生冲击力。这种冲击力被传递到连接在液压震击器10上方和下方的部件。使用者可以激活液压震击器10，以便产生冲击力或冲击载荷，以松开被卡在井孔区域中或在井孔区域中固定不动的管柱或底部钻具组件的一部分。
37.图5图示了机械锁定式液压震击器80。除非另有描述，液压震击器80包括与液压震击器10相同的部件、特征和功能。液压震击器80可以包括外套筒12和部分地设置在外套筒12的内孔16内的内套筒82。内套筒82包括内孔84。除非另有指示，内套筒82包括与内套筒14相同的部件、特征和功能。
38.仍然参考图5，内套筒82包括上部内套筒段86和下部内套筒段22。上部内套筒段86完全地设置在外套筒12的内孔16内，而下部内套筒段22部分地设置在外套筒12的内孔16内。上部内套筒段86从内套筒82的上端部88延伸到上部内套筒段86的下端部90。上端部88可以包括球座表面92，球座表面92被配置为接纳泵送通过液压震击器80的内孔的球。在与上部内套筒段20相同的布置中，上部内套筒段86可以包括凹槽94，凹槽94在外套筒12和内套筒82之间形成腔96。腔96可以从上部内套筒段86的外表面的上部腔肩部98延伸到下部腔肩部100。上部内套筒段86和下部内套筒段22可以通过螺纹连接固定在一起。
39.外套筒12的向内突出部43与腔96轴向对准。节流环44和46设置在腔96中，其中节流环44位于向内突出部43的上方，并且节流环46位于向内突出部43的下方。上部腔102形成在上部腔肩部98和节流环44之间，并且下部腔104形成在节流环46和下部腔肩部100之间。液压流体可以设置在腔96内。
40.液压震击器80还可以包括连接在外套筒12上方的顶部接头65。顶部接头65被配置为将液压震击器80附接在管柱或连续管柱下方。液压震击器80还包括如上所述与液压震击器10相关联的机械锁。在图示的实施例中，机械锁包括剪切销66、68，在图5中图示的默认位置，剪切销66、68各自部分地设置在下部外套筒段58中的径向孔70中的一个径向孔中并且部分地设置在下部内套筒段22中的凹槽72中的一个凹槽中。可替代地，液压震击器80的机械锁可以包括卡环、机械鼻(mechanical nose)或如上所述的球和楔状物的组合。
41.参考图6，液压震击器80可以通过将球106在流体中泵送通过管柱或连续管柱到达液压震击器80的上方来激活。当球106到达液压震击器80时，球106接合内套筒82的上端部88上的球座92。球106流体地密封内套筒82的内孔84。随着流体在球106上方的持续泵送，向下的力被施加到内套筒82的上端部88。当向下的力超过阈值时，机械锁失效，以允许内套筒82和外套筒12之间的相对轴向移动，这使得液压震击器80将冲击载荷施加在附接到液压震击器80的部件上。在图示的实施例中，内套筒82上的向下的力使剪切销66和68分裂，以使机
械锁失效并允许内套筒82相对于外套筒12的轴向移动。
42.内套筒82可以相对于外套筒12轴向向下移动，直到到达图7所示的激活位置。内套筒82的向下移动受到上部内套筒段86的下端部90与下部外套筒段58的上端部76(向下挡块)的相互作用的限制。随着内套筒82向下滑动(在图示的取向上)，上部腔肩部98将向下的力施加在保持在上部腔102中的液压流体上。这使得一部分液压流体流过内套筒82的外表面和节流环44之间的小空间。以这种方式，随着内套筒82相对于外套筒12轴向向下滑动，液压流体从上部腔102转移到下部腔104。当内套筒82的外表面和第一节流环44之间的小空间打开、并且液压流体从上部腔102流动到下部腔104、并且上部内套筒段86的下端部90撞击下部外套筒段58的上端部76以阻止内套筒82的向下轴向移动时，产生冲击力。这种冲击力被传递到连接在液压震击器80上方和下方的部件。使用者可以激活液压震击器80，以便产生冲击力或冲击载荷，以松开被卡在井孔区域中或在井孔区域中固定不动的管柱或底部钻具组件的一部分。
43.在替代的实施例中，机械锁定式液压震击器被设计为在机械锁定失效时允许内套筒相对于外套筒的轴向向上滑动。这种布置可以通过重新布置液压震击器10或液压震击器80中的部件来实现。在另一替代的实施例中，机械锁定式液压震击器被设计为在机械锁定失效时允许内套筒相对于外套筒的轴向向上和轴向向下滑动。
44.现在参照图8，机械锁定式液压震击器10可以被固定在管柱110下方。随钻测量接头112、钻井马达114和钻头116可以被固定在液压震击器10下方。管柱110、液压震击器10和固定在下方的部件可以降低到在地表120下方穿过地下地层122延伸的井孔118中。如果钻头116或任何其他部件或管柱110的一部分变得在井孔118中固定不动或者“卡”在井孔118中，则使用者可以激活如上所述的液压震击器10，以产生贯穿管柱110传递的冲击力。液压震击器10的机械锁防止了被包含到管柱110中的任何工具(例如产生压力脉冲或振动的工具)无意地激活液压震击器10。如上所述，可以通过将向下的力穿过管柱110施加在内套筒14上或通过将向上的力穿过管柱110施加在外套筒12上来激活液压震击器10。液压震击器80可以以与液压震击器10所描述的相同的方式被固定到管柱110(如图8所示)，并且可以用于与液压震击器10相同的目的。如上所述，液压震击器80可以通过将流体与球106泵送通过管柱110直到球106接合内套筒82的球座92来激活。
45.参照图9，机械锁定式液压震击器10可以被固定在连续管柱130下方，其中随钻测量接头112、钻井马达114和钻头116被固定在液压震击器10下方。连续管柱130、液压震击器10和被固定在下方的部件可以被降低到在地表120下方穿过地下地层122延伸的井孔118中。如果钻头116或任何其他部件变得在井孔118中固定不动或者“卡”在井孔118中，则使用者可以激活如上所述的液压震击器10，以产生贯穿连续管130传递的冲击力。液压震击器10的机械锁防止了被包含到底部钻具组件中的产生压力脉冲或振动的任何工具无意地激活液压震击器10。如上所述，可以通过将向上的力穿过连续管柱130施加在外套筒12上来激活液压震击器10。液压震击器80可以以与液压震击器10所描述的相同的方式被固定到连续管柱130(如图9所示)，并且可以用于与液压震击器10相同的目的。如上所述，液压震击器80可以通过将流体与球106泵送通过连续管柱130直到球106接合内套筒82的球座92来激活。
46.机械锁可以包括任何部件，这些部件被配置为在默认位置接合外套筒和内套筒，并且被配置为被剪切、缩回或以其他方式失效，以允许内套筒相对于外套筒的轴向移动，从
而将液压震击器置于激活位置。例如，机械锁可以包括一个或更多个剪切构件(例如，固定螺钉、剪切销、剪切销球、销钉)、弹簧加载卡箍(dog)或突出部。在其他示例中，机械锁可以包括卡环、筒夹布置或球和楔形件的组合。
47.在图10至图11所示的实施例中，液压震击器的机械锁包括剪切销球140、142。机械锁可以包括任意数量的剪切销球，例如1-10个剪切销球。下部外套筒段144包括一个或更多个径向孔146。下部内套筒段148的外表面包括一个或更多个凹槽150。在图10所示的默认位置，每个凹槽150与径向孔146中的一个径向孔对准，并且剪切销球140、142中的每一个部分地设置在下部内套筒段148中的径向孔146和凹槽150内。剪切销球140、142可以用插塞或固定螺钉152、154保持在径向孔146内。以这种方式，剪切销球140、142在默认位置接合内套筒和外套筒，以防止内套筒和外套筒之间的相对轴向移动。参照图11，液压震击器的激活可以使得剪切销球140、142分别被分裂成保持在下部外套筒段144的径向孔146中的段140a、142a和至少最初保持在下部内套筒段148的凹槽150中的段140b、142b。剪切销球140、142的分裂使机械锁失效，以允许液压震击器的内套筒相对于外套筒轴向移动。
48.在图12至图14所示的实施例中，液压震击器的机械锁包括销钉158。机械锁可以包括任意数量的销钉，例如1-4个销钉。下部外套筒段160包括一个或更多个孔162。下部内套筒段164的外表面包括一个或更多个凹槽166。在图12所示的默认位置，凹槽166与孔162对准，并且销钉158部分地设置在下部内套筒段164中的孔162和凹槽166内。以这种方式，销钉158在默认位置接合内套筒和外套筒，以防止内套筒和外套筒之间的相对轴向移动。参照图13，液压震击器的激活可以使得销钉158分别被分裂成保持在下部外套筒段160的孔162中的段158a和至少最初保持在下部内套筒段164的凹槽166中的段158b。销钉158的分裂使机械锁失效，以允许内套筒相对于外套筒轴向移动。
49.在图15至图16所示的实施例中，液压震击器的机械锁包括卡环170。下部外套筒段172包括凹槽174。凹槽174可以由下部外套筒段172的内表面上的肩部形成。下部内套筒段176的外表面包括凹槽178。在图15所示的默认位置，凹槽174与凹槽178对准，并且卡环170部分地设置在下部内套筒段176中的凹槽174和凹槽178内。以这种方式，卡环170在默认位置接合内套筒和外套筒，以防止内套筒和外套筒之间的相对轴向移动。参照图16，液压震击器的激活可以使得卡环170分别被分裂或断裂成保持在下部外套筒段172的凹槽174中的段170a和至少最初保持在下部内套筒段176的凹槽178中的段170b。卡环170的分裂使机械锁失效，以允许内套筒相对于外套筒轴向移动。
50.在图17至图18所示的实施例中，液压震击器的机械锁包括突出部180，突出部180从下部外套筒段182的内表面径向向内延伸。液压震击器可以包括围绕下部外套筒段182的内表面的圆周的单个突出部或多个突出部。下部内套筒段184的外表面包括凹槽186。在图17所示的默认位置，突出部180至少部分地设置在下部内套筒段184中的凹槽186内。以这种方式，外套筒的突出部180在默认位置接合内套筒，以防止内套筒和外套筒之间的相对轴向移动。参照图18，液压震击器的激活可以使得突出部180从下部外套筒段182分裂。突出部180的分裂使机械锁失效，以允许内套筒相对于外套筒轴向移动。
51.在图19至图20所示的实施例中，液压震击器的机械锁包括卡箍190、192，卡箍190、192在径向向内的方向上分别被弹簧194、196偏压。机械锁可以包括任何数量的由弹簧偏压的卡箍，例如1-10个卡箍。下部外套筒段198包括一个或更多个径向孔200。下部内套筒段
202的外表面包括凹槽204。弹簧194、196各自设置在下部外套筒段198中的径向孔200中的一个径向孔内。在图19所示的默认位置，凹槽204与孔200对准，并且每个卡箍190、192部分地设置在径向孔200中的一个径向孔内并且部分地设置在下部内套筒段202中的凹槽204内。以这种方式，卡箍190、192在默认位置接合内套筒和外套筒，以防止内套筒和外套筒之间的相对轴向移动。参照图20，液压震击器的激活可以克服弹簧194、196的弹簧力，以将卡箍190、192向外推动到径向孔200中。下部内套筒段202中的凹槽204可以包括上锥形表面和下锥形表面，该上锥形表面和下锥形表面可以被配置为允许缩回卡箍190、192而不使这些部件分裂。卡箍190、192的缩回使机械锁失效，以允许内套筒相对于外套筒轴向移动。
52.在图21至图23所示的实施例中，液压震击器的机械锁包括在下部外套筒段212上的筒夹组件210。如图23所示，筒夹组件210可以包括两个或更多个段214。每个段214的下端部包括向内突出部216。下部内套筒段218的外表面包括凹槽220。在图21所示的默认位置，突出部216至少部分地设置在下部内套筒段218中的凹槽220内。以这种方式，外套筒的突出部216在默认位置接合内套筒，以防止内套筒和外套筒之间的相对轴向移动。参照图22，液压震击器的激活可以迫使突出部216径向向外(即，径向扩展)，从而使机械锁失效并允许液压震击器的内套筒相对于外套筒轴向移动。
53.除非另有描述或说明，否则该装置中的每个部件都具有大致圆柱形的形状，并且可以由钢、另一种金属或任何其他耐用材料形成。本公开中描述的每个装置可以包括各个装置实施例中的每个实施例的所描述的部件、特征和/或功能的任何组合。本公开中描述的每个方法可以包括以任何顺序的对所描述的步骤的任何组合，包括没有某些描述的步骤，和对单独的实施例中使用的步骤的组合。本文中公开的任何数值范围包括其中的任何子范围。复数意味着两个或更多个。“上方”和“下方”各自应理解为意味着上游和下游，因此装置的方向性取向不局限于竖直布置。
54.虽然已经描述了优选的实施例，但是应当理解的是，这些实施例仅仅是说明性的，并且本发明的范围将仅由所附的权利要求(当符合时，本领域技术人员根据对本发明的查阅自然地想到的各种等同物、许多变化和修改)限定。