载荷交越滑动接合机构及使用方法
【技术领域】
[0001]本文提出了多种用于将工具组件上的拉伸和旋转载荷从外套筒心轴传递到内心轴的方法和装置。由于外部承载套筒使通常的工具接头(tool joint，钻具接头)能够进行组装和拆卸，因此这种装置使得在钻机(rig)或钻台上能够容易地构造长的工具组件。上部的外心轴套筒和下部的内心轴套筒通过载荷交越(load cross-over)接头连接,该载荷交越接头允许位移组件或下放组件的相对运动。
【背景技术】
[0002]油和气态烃类天然地存在于一些地层中。含有油或气的地层有时会被称为储层。储层可位于陆地或近海的下面。储层通常位于数百英尺(浅储层)至数千英尺(超深储层)的范围内。
[0003]为了产出烃类，人们钻凿出穿过储层中的含烃带的井筒。在套管井筒或其一部分中，套管被安置(通常是混凝土浇注)到井筒中以提供介于含烃带与井筒套管的内部之间的管状壁。随后可将管柱下入到或抽出该套管。类似地，可将管柱下入到无套管的井筒或井筒的一段中。本文中使用的术语“套管”是指插入井筒中的一系列相连接的管段、接头、筛、管坯(blank)、交越工具、井下工具等等，其在钻井、修井、生产、注入、完井等过程或其它过程中使用。此外，在许多情况下，如本领域技术人员应能预见到的，工具可在缆线或连续管上行进而不是在管柱上行进。井筒可以是(或者包括)竖直的、斜的或者水平的部分，也可以是直形的、弯曲的或分岔的。
[0004]在井筒部的裸井部段的完井期间，将完井管柱放置到井筒中。该管柱使得流体能够被引入井筒的远部或从井筒的远部流出。管柱是由多段管道连在一起而产生，通常是经由上段管道的底部处的右手阳螺纹和下端管道的顶部处的对应的阴螺纹来连接的。通过对上段管道施加右手力矩并同时使下端管道保持相对静止，使两段管道彼此连接。随后将连接后的多段管道下入到井筒中。该过程被称为“装配”管柱。在管柱中使用的工具通常在钻台上被组装或装配。实际上，这样可能需要由标准钻台插入的较长的工具。
[0005]在烃类井中通常会“下放(set，设置)”或致动井下工具，如膨胀工具、封隔器、桥塞、规径悬挂器、跨式封隔(straddle)、井口塞、混凝土承转器(retainer)、过油管塞等。这些工具的下放通常与其它井筒作业一起进行。举例而言，将管柱下入到井筒中以悬挂可膨胀的衬管(liner，内衬)、在衬管周围进行混凝土浇注、然后使衬管膨胀。随后将管柱与已安装的衬管和悬挂器脱开并收回到地表。
[0006]在通常的衬管悬挂器(liner hanger，尾管悬挂器)工具管柱中，管柱上的拉伸载荷和旋转载荷是通过内部心轴来携带的。下放该工具和传递下放载荷所需的相对运动通常由非承载的外部缸或套筒来完成。举例而言，能够从哈利伯顿能源服务公司市场获得的Versaflex(商标名)下入工具(running tool)即具有这样的配置。如果这些工具在钻台上进行装配(例如成为两个半部)，这样的设置是笨重的，需要装配心轴组件及装配外部缸组件，包括装配密封件。对于大多数应用而言，使用带有密封件的已装配部件还需要在使用前进行压力测试。这样的测试在钻台上既棘手又耗时，甚至无法进行。
[0007]因此，需要对下入工具的设计、组装和使用提供一种改进的方式。
【发明内容】
[0008]提出一种用于井筒中的井下工具组件，该组件具有:心轴组件，用于在行进到井筒的期间承受施加在工具组件上的主要的拉伸载荷和旋转载荷；位移组件，用于承受位移载荷并提供相对于心轴组件的相对运动，该位移组件用于致动附接到心轴组件的可致动工具。该心轴组件具有位于该位移组件的径向外部的上心轴和位于该位移组件的径向内部的下心轴。一载荷交越心轴在上心轴与下心轴之间传递拉伸和旋转载荷。该载荷交越心轴具有多个通道，这些通道允许位移组件的对应的多个杆从其中滑过。这些杆将位移载荷从这些杆上方的致动器传递到这些杆下方的可致动工具。
[0009]举例而言，将可膨胀的衬管悬挂器和浇注工具下入到井筒中。在浇注作业之后，利用膨胀锥或类似物使可膨胀衬管悬挂器膨胀。由工具管柱中的加压液体为膨胀提供动力，该工具管柱操作位移组件的多个活塞组件。活塞的运动使得延伸穿过心轴组件的侧向延伸部中的通道的一组位移载荷杆发生移动。该心轴组件承受拉伸及扭转载荷，且具有位于位移组件的径向外部的上心轴、位于位移组件的径向内部的下心轴、以及在上心轴与下心轴之间传递载荷的载荷交越心轴。在一优选实施例中，载荷交越心轴限定数个纵向通道，位移组件的杆滑移穿过这些纵向通道。该工具管柱还可包括多个释放组件等等。该心轴组件的设置使得能够在钻台上进行快速且容易进行的组装或装配作业，且省去了对组装好的工具的压力测试的需求。
【附图说明】
[0010]为了更充分地理解本发明的多个特征和优点，现结合附图参引本发明的具体说明，其中在不同的图中对应的附图标记指代对应的部件，在附图中:
[0011]图1是根据本发明的一个方案的下入工具的示范性实施例的示意图，其中图1A是纵向剖视图，而图1B是径向剖视图；
[0012]图2根据本发明的一个方案的具有载荷交越接头的示范性工具的一个实施例的剖视图，其中图2A至图2R是根据本发明的方案的示范性工具的多幅连续剖视图；
[0013]图3是沿图2的3-3线截取并向下观看的剖视图；
[0014]图4是沿图2的4-4线截取并向上观看的剖视图；
[0015]图5是沿图2的5-5线截取并向上观看的剖视图；
[0016]图6是沿图2的6-6线截取并向下观看的剖视图；以及
[0017]图7是沿图2的7-7线截取并向上观看的剖视图。
[0018]本领域技术人员应理解的是，所用的方向性术语，如上方、下方、上、下、向上、向下等等均与多个说明性的实施例关联地使用的，如它们在附图中被描绘的那样，向上的方向朝向对应的附图的顶部，而向下的方向朝向对应的附图的底部。如果并非是这样的情况，或者某术语用于表示所要求的方位，那么在说明书中会加以陈述或对其做出澄清。
【具体实施方式】
[0019]虽然下文将详细论述本发明的各个实施例的制作和使用，但本领域的从业者应能预见，本发明所提供的实用的创造性构思可在各种特定环境下来实施。本文所论述的特定实施例示出了本发明的制作和使用的多种特定方式，其并非旨在限制本发明的范围。本文的描述是参照竖直井筒来提供的；然而，本文公开的多个发明可用于水平井筒、竖直井筒或斜井筒中。本文中所使用的词语“包括”、“具有”、“包含”和它们的所有语法变形均意指开放的、非限制性的且不排除其它元件或步骤的含意。应理解的是，本文中所使用的“第一”、“第二”、“第三”等是随意指定的，仅在两个或更多个物件之间加以区分，而不表示顺序。而且，所用的术语“第一”并不需要“第二”之类。无论与竖直的、水平的还是斜的井筒关联使用，“井上”、“井下”等用语均分别是指接近或远离井口的移动方向。同样与井筒取向无关的是，术语“上游”和“下游”指的是关于流体流动的相对位置或方向。尽管本文的描述集中于在井筒中设置多种工具(如管柱、连续油管、或缆线)所用的特定手段，但本领域技术人员应当预见到能够利用替代性手段的情况。本文中所使用的“向上”和“向下”等词语用于表示部件的相对位置或移动的相对方向(通常是参照附图的方位)，而在使用中的方位与附图中的方位不同的情况下，不排除类似的相关位置、方向或移动。
[0020]本文所描述的发明的一个目的是极大地简化对长度延长的衬管悬挂器下入工具或类似物的钻台组装。虽然所提供的描述涉及衬管悬挂器下入工具，但本领域技术人员应当预见到的是，这些创造性特征可用于其它的下入工具和组件。通常的衬管悬挂器下入工具由传递膨胀力的外筒和传递下入工具载荷的内心轴组成。在钻台上装配上述下入工具的两个半部，需要装配内心轴和外筒。这过程不仅棘手而且很耗时。其它常用的装配连接需要在组装之后进行压力测试，压力测试在钻台上很难、甚至不可能进行。本发明仅需要装配简单的工具接头连接件，以在钻台上连接工具的两个半部，且不需要压力测试。一般而言，拉伸和扭转载荷通过内心轴进行传递，而外筒在膨胀锥上施加移位力。这种机构使得对于工具的力倍增部段，内构件和外