专利名称：管道膨胀器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于径向膨胀管状元件的膨胀器。可膨胀的管状 元件在用于从地层中生产油气的井构造中的应用越来越广泛。在这样 的应用中，可膨胀的管状元件下降至井眼中，随后径向膨胀，形成井 的结构部件，例如套管、筛管或滤砂管。井眼通常被分区段钻成，由 此在每钻一个区段之后，将另一个套管或筛管下降至新钻的井眼区段 中，并在其中径向膨胀。任选地，通过在膨胀过程之前或之后泵送一 层水泥至套管或筛管与井眼壁之间，可以将膨胀的套管或筛管用水泥 浇筑在井眼中。
背景技术：
通常，通过泵送、拉动或推动膨胀器穿过管状元件，在井眼中膨 胀管状元件。膨胀器具有从略微小于未膨胀管内径的直径逐渐缩减至 对应于膨胀之后所需要的管内径的直径的外表面。正常情况下，在未 膨胀的管状元件与井眼壁之间存在充足的间隙，以在不需要过多膨胀 力的情况下允许管状元件径向膨胀。但是，井眼壁可能具有局部不规 则的部分，例如向内突出的壁部分，这妨碍管状元件在不需要过多膨 胀力的情况下完全膨胀。并且，在管状元件与井眼壁之间可能存在坍 塌壁部分形式的堵塞，或者管状元件本身的壁可能具有不规则的部分， 这都妨碍了管状元件的正常膨胀。已经验证，这种堵塞和不规则部分可以导致这样一种情形，即， 膨胀器被阻滞在管状元件中，由此阻止管状元件的进一步膨胀。本发 明的目的是提供一种改进的膨胀器，其能克服先有技术中的问题，即， 即使在井眼中遭遇堵塞，也允许管状元件的进一步膨胀。发明内容依照本发明，提供了一种用于径向膨胀管状元件的膨胀器，所述 膨胀器具有轴向向前方向，并设置有用于对膨胀器施加推动力以使膨 胀器沿轴向向前方向移动穿过管状元件的推动装置，膨胀器包括具有 沿轴向向前方向径向向内逐渐缩减的膨胀器表面的可调锥体，所述可 调锥体可以在径向膨胀模式与径向回缩模式之间移动，膨胀器还包括用于在施加于推动装置上的所述推动力的作用下使可调锥体从回缩模 式移动至膨胀模式的调整装置。利用依照本发明的膨胀器，可以实现，在堵塞妨碍管状元件的完 全膨胀的情况下，可调锥体也能从膨胀模式径向向内移动至回缩模式。 此外，本发明膨胀器的一个优点在于，使可调锥体保持在膨胀模式或 在遭遇堵塞的情况下使可调锥体返回至膨胀模式所需的回复力由移动 膨胀器穿过管状元件所需的推动力提供。因而，膨胀器不会受到使膨 胀器保持在膨胀模式或使膨胀器从回缩模式返回至膨胀模式的高预加 载。应当理解，术语"推动力"既是指直接施加于膨胀器以拉动、推动 或泵送膨胀器穿过管状元件的力，还是指由直接施加于膨胀器上的力 引起的任何反作用力，例如由于膨胀过程的缘故从管状元件作用于膨 胀器上的反作用力，或者由于膨胀过程的缘故膨胀器的各个部件之间 的反作用力。为了允许可调锥体在膨胀模式与回缩模式之间移动，可调锥体适宜由多个锥体段(segments)形成，其中，对于每对相邻的锥体段， 一缝隙沿径向方向在成对锥体段之间延伸。径向缝隙允许锥体段向内 和向外径向移动，同时仍然表现为半连续的膨胀表面，由此在这种运 动期间，缝隙的圆周宽度减小(对于径向向内运动)或增大(对于径 向向外运动)。各缝隙可以形成为完全分开锥体段，或者假定锥体段仍 然能够向内和向外径向移动，则只是部分地分开锥体段。优选地，可调锥体是后锥体，膨胀器还包括前锥体，所述前锥体 具有沿轴向向前方向径向向内逐渐缩减的膨胀器表面，其最大直径小于后锥体的最大直径。如果前锥体相对于推动装置可轴向移动，则为后锥体提供了足够的回复力，其中，调整装置被布置成在前锥体相对于推动装置轴向移 动时使后锥体从回缩模式移动至膨胀模式。优选地，推动装置包括位于膨胀器的后端部分上的支撑构件，其 中，调整装置被布置成在前锥体朝着支撑构件轴向移动时使后锥体从 回缩模式移动至膨胀模式。
参照附图，下文将通过举例的方式更加详细地描述本发明，其中 图1示意性显示了依照本发明的膨胀器的一个实施例的纵向截面 的透视图；图2示意性显示了图1中膨胀器的上半部在第一操作模式期间的 纵向截面；图3示意性显示了图2的横截面3-3;图4示意性显示了图1中膨胀器的上半部在第二操作模式期间的 纵向截面；图5示意性显示了在初始操作阶段期间的图1中的纵向截面； 图6示意性显示了在后续操作阶段的图1中的膨胀器； 图7示意性显示了在进一步操作阶段期间的图1中的膨胀器； 图8示意性显示了依照本发明的膨胀器的改变实施例的一部分的 横截面；和图9示意性显示了依照本发明的膨胀器的另一改变实施例的一部 分的横截面。
具体实施方式
在附图中，同样的参考标记表示同样的部件。 参照图l-4，图中显示了用于径向膨胀管状元件的膨胀器1,膨胀 器1具有轴向向前方向'A'，该轴向向前方向'A'限定了在管状元件膨胀期间膨胀器1的运动方向。膨胀器1包括芯轴2、固定地连接于芯 轴2的支撑构件6、前锥体8和可调后锥体10。芯轴2具有后部分12 和从后部分12沿向前方向延伸的轴14，轴14设置有用于将轴连接到 拉索(string)(未显示)的连接器(未显示)。前锥体8具有纵向孔16，轴14以允许前锥体8沿轴14轴向滑动 的方式贯穿该纵向孔16延伸。前锥体8具有外表面，所述外表面包括 沿向前方向'A'径向向内逐渐缩减的截锥形前表面部分18和沿与方向 ，A'相反的方向径向向内逐渐缩减的凹进后表面部分20。后表面部分 20相对于截锥形前表面部分18稍微凹进。后锥体10由多个彼此周向间隔开的锥体段24(图3)形成，由此， 在每对相邻的锥体段的锥体段24之间延伸形成径向缝隙26。锥体段 24通过任意合适的装置、例如圆周弹簧(未显示)保持在一起，这允 许锥体段24在限定后锥体的膨胀模式(图2)的径向向外位置与限定 后锥体的回缩模式(图4)的径向向内位置之间移动。后锥体10在膨 胀模式时具有比前锥体8的最大直径大的最大直径。后锥体10具有沿向前方向'A'径向向内逐渐缩减的截锥形外表面 28。此外，后锥体10还具有在其前端的内表面部分30和在其后端的 内表面部分32，所述内表面部分30沿向前方向'A'径向向外逐渐缩减， 所述内表面部分32沿向前方向'A'径向向内逐渐缩减。支撑构件6位于芯轴2的后部分12与后锥体10之间，其包括沿 向前方向'A，径向向内逐渐缩减的凹进外表面34。后锥体10的前内表面部分30的锥角等于前锥体8的后表面部分 20的锥角。同样，后锥体10的后内表面部分32的锥角等于支撑构件 6的外表面34的锥角。因而，在后锥体IO从膨胀模式运动至回缩模式时，后锥体10的 前内表面部分30沿前锥体8的后表面部分20滑动，从而使前锥体8 相对于后锥体10在向前方向沿着轴14滑动。同时，后锥体10的后内 表面部分32沿着支撑构件6的外表面34滑动，从而使后锥体10相对 于芯轴2向前移动，增强前锥体8沿轴14的向前方向滑动。进一步参考图5_7，显示了膨胀器1在膨胀伸入地层中形成的井 眼42的管状元件40的不同阶段期间的纵向截面。为便于参照，只显 示了膨胀器的上半部。参照标记44表示管状元件40的中心纵向轴线。在正常操作的初始阶段(图5)期间，利用连接到芯轴2的轴14 的拉索(未显示)，沿向前方向，A'拉动膨胀器1穿过管状元件40，由 此，使后锥体10位于膨胀模式。前锥体8使管状元件40膨胀至第一 直径，处于膨胀模式的后锥体10使管状元件40从第一直径膨胀至比 第一直径大的第二直径。前锥体8承受将前锥体8抵靠后锥体10偏压 的轴向反作用力。轴向反作用力导致后锥体10在前锥体8与支撑构件 6之间被压紧，这样，锥体段24沿着前锥体8和支撑构件6的相应截 锥形表面20、 34向上滑动，从而使后锥体10维持在膨胀模式。在正常操作的后续阶段(图6)期间，诸如钻孔限制或管状元件 的接头形式的堵塞48可能存在于井眼42中。当沿堵塞48而经过时， 前锥体8使管状元件40膨胀至第一直径。但是，堵塞48妨碍由后锥 体10产生的进一步膨胀。因而，在膨胀器l穿过管状元件40继续运 动时，作用于前锥体8的轴向反作用力不足以使后锥体10维持在膨胀 模式，后锥体10的锥体段24由从管状元件40施加到处于堵塞48水 平的后锥体10的高径向反作用力的作用而被径向向内偏压。当后锥体 10的直径减小到足以允许膨胀器1使管状元件40在堵塞48内部膨胀 时，锥体段24的向内运动停止。正如上文所述的，后锥体10从膨胀 模式至回缩模式的这种径向向内运动导致前锥体8相对于芯轴2轴向 向前移动。从而前锥体8暂时加速膨胀管状元件40。应当理解，作用 于前锥体8的轴向反作用力趋向于偏压后锥体10返回膨胀模式。后锥 体10处于回缩模式的情况下，膨胀器1沿堵塞48而过，由此，使与 堵塞48相对的管状元件40部分膨胀至相对于管状元件40的其余部分 的膨胀直径减小的直径。在正常操作的下一阶段(图7)期间，膨胀器l已经经过堵塞48。 作用于前锥体8的轴向反作用力向后推动后锥体10，这样，锥体段24 沿着前锥体8和支撑构件6的相应逐渐缩减表面20、 34向上滑动，从而使后锥体10返回到膨胀模式。然后，后锥体10又使管状元件40 从第一直径膨胀至第二直径。进一步参照图8，显示了具有锥体段24的改进后锥体的横截面， 与图1-7中后锥体10的圆形逐渐缩减内表面30、 32相反，其具有平 坦的逐渐缩减内表面50。前锥体8和支撑构件6的相应接触表面也改 变为平坦的。进一步参照图9，显示了具有锥体段24的进一步改进后锥体的横 截面，其在平坦的逐渐缩减内表面上设置有辊子52。这些辊子进一步 减少摩擦，确保锥体段24沿着前锥体8和支撑构件6的相应逐渐缩减 表面20、 34平滑滚动。除了膨胀器被拉动穿过管状元件之外，膨胀器也可以被推动或泵 送穿过管状元件。此外，优选的是，在前锥体与后锥体的接触表面之 间以及后锥体与支撑构件的接触表面之间设置合适的摩擦降低装置， 例如油脂或低摩擦涂层。而且，辊子元件可以布置在相应的接触表面 之间，以减少摩擦。为了保证锥体段保持沿圆周方向均匀间隔开，后锥体的锥体段和 前锥体可以设置有协作引导装置，以防止前锥体与锥体段之间沿圆周 方向进行相对运动。同样，支撑构件和后锥体的锥体段也可以设置协 作引导装置，以防止支撑构件与锥体段之间沿圆周方向进行相对运动。 例如，引导装置可以设置为在其中一个接触表面的凹槽以及在另一接 触表面的相应销或类似构件。为了向前锥体和后锥体提供增加的回复力能力，前锥体优选设置有附加的回复装置，例如相对于芯轴向后偏压前锥体的液压活塞或弹 簧。在上文描述中，已经规定，在操作期间，后锥体从膨胀模式移动 至回缩模式，反之亦然。应当理解，术语"回缩模式"表示后锥体的最 大外径相对于在膨胀模式时后锥体的最大外径减少的情形。因而，膨 胀器能够使管状元件膨胀至连续变化的膨胀直径，这取决于所遇到的 各种堵塞的尺寸和回弹能力。例如，如果管状元件是靠着井眼中的已有套管膨胀以形成包覆层的筛管，那么筛管可以膨胀的最大直径取决 于已有套管内径的局部变化。在这样的应用中，本发明的膨胀器能够 使篩管膨胀至与已有套管直径适应的连续变化的直径。根据上述，应当理解，依照本发明的膨胀器能够使管状元件以膨 胀器顺应存在于管状元件或周围地层中的不规则部分或堵塞的方式膨 胀。从而大大减少了膨胀器卡在管状元件内的危险。
权利要求
1.一种用于径向膨胀管状元件的膨胀器，所述膨胀器具有轴向向前方向，并设置有用于对膨胀器施加推动力以使膨胀器沿轴向向前方向移动穿过管状元件的推动装置，膨胀器包括具有沿轴向向前方向径向向内逐渐缩减的膨胀器表面的可调锥体，所述可调锥体能够在径向膨胀模式与径向回缩模式之间移动，膨胀器还包括用于在施加于推动装置上的所述推动力的作用下使可调锥体从回缩模式移动至膨胀模式的调整装置。
2. 如权利要求1所述的膨胀器，其中，可调锥体是后锥体，膨胀 器还包括前锥体，所述前锥体具有沿轴向向前方向径向向内逐渐缩减 的膨胀器表面，其最大直径小于后锥体的最大直径。
3. 如权利要求2所述的膨胀器，其中，前锥体相对于推动装置能 够轴向移动，以及其中，调整装置被布置成在前锥体相对于推动装置 轴向移动时使后锥体从回缩模式移动至膨胀模式。
4. 如权利要求2或3所述的膨胀器，其中，推动装置包括位于膨 胀器的后端部分的支撑构件，其中，调整装置被布置成在前锥体朝着 支撑构件轴向移动时使后锥体从回缩模式移动至膨胀模式。
5. 如权利要求4所述的膨胀器，其中，后锥体布置在前锥体与支 撑构件之间。
6. 如权利要求4或5所述的膨胀器，其中，调整装置包括第一对 协作接触表面，该对协作接触表面包括设置在前锥体上的第 一接触表 面和设置在后锥体上的第二接触表面，所述第一和第二接触表面中的 至少一个在与轴向向前方向相反的方向上逐渐缩减至一较小直径。
7. 如权利要求6所述的膨胀器，其中，所述第一和第二接触表面 两者都在与轴向向前方向相反的方向上逐渐缩减至一较小直径。
8. 如权利要求7所述的膨胀器，其中，所述第一和第二接触表面 具有大体相等的锥角。
9. 如权利要求4-8任一所述的膨胀器，其中，后锥体相对于推动装置能够轴向移动，以及其中，调整装置包括第二对协作接触表面， 所述第二对协作接触表面包括设置在后锥体上的第三接触表面和设置 在支撑构件上的第四接触表面，所述第三和第四接触表面中的至少一 个在轴向向前方向上逐渐缩减至一较小直径。
10. 如权利要求9所述的膨胀器，其中，所述第三和第四接触表面 两者都在轴向向前方向上逐渐缩减至一较小直径。
11. 如权利要求10所述的膨胀器，其中，所述第三和第四接触表 面具有大体相等的锥角。
12. 如权利要求2-11任一所述的膨胀器，其中，推动装置包括芯轴， 所述芯轴具有沿轴向向前方向延伸的轴，以及其中，前锥体和后锥体 能够滑动地安装在所述轴上。
13. 如权利要求1-12任一所述的膨胀器，其中，可调锥体由多个 锥体段形成，其中，对于每对相邻的锥体段， 一缝隙沿径向方向在该 对锥体段之间延伸。
14. 参照附图大体上在上文中描述的膨胀器。
全文摘要
本发明提供一种用于径向膨胀管状元件的膨胀器，所述膨胀器具有轴向向前方向，并设置有用于对膨胀器施加推动力以使膨胀器沿轴向向前方向移动穿过管状元件的推动装置。膨胀器包括具有沿轴向向前方向径向向内逐渐缩减的膨胀器表面的可调锥体，所述可调锥体可以在径向膨胀模式与径向回缩模式之间移动。膨胀器还包括用于在施加于推动装置上的所述推动力的作用下使可调锥体从回缩模式移动至膨胀模式的调整装置。
文档编号B21D39/20GK101238273SQ200680028777
公开日2008年8月6日 申请日期2006年7月20日 优先权日2005年8月5日
发明者A·L·M·维本, D·H·泽斯林, S·M·罗格班德 申请人:国际壳牌研究有限公司