专利名称：将管状部件扩张到不同内径的方法
技术领域：
本发明涉及一种扩张管状部件的方法，该管状部件具有要扩张到第一内径的第一部分和要扩张到比第一内径大的第二内径的第二部分。
背景技术：
可扩张管状部件在井眼构筑行业中得到了越来越多的应用，例如在应用中藉此使得管状部件在安装到井眼中之后沿径向扩张，以形成井眼外壳或衬套。在典型情况下，井眼是分段钻成的，借助可扩张管状部件，在钻出各个井眼段之后，将外壳或衬套以未扩张的状态下到新钻出来的井眼段中，并且随后使其沿径向扩张开。根据需要，可以通过在扩张处理之前或之后在外壳/衬套之间注入一层粘接剂(cement)来在井眼内粘接扩张开的外壳/衬套。
一般来说，要求将相继的外壳或衬套以这样一种方式相互连接起来在连接点上获得不透水密封。这可以例如这样实现在相继的外壳或衬套段之间造成重叠，以下面的外壳段的上端部延伸到上面的外壳段的下端部之内，同时在它们之间使用或不使用可变形材料的套管。这样的重叠要求将另一管状部件所伸入的管状部件的端部扩张到相对较大的直径。不过，直到现在，还没有用来实现这种结果的可靠的扩张方法。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种扩张管状部件的可靠方法，借此将第一部分扩张到第一内径并且将第二部分扩张到大于第一内径的第二内径。
按照本发明，给出了一种扩张管状部件的方法，该管状部件具有要扩张到第一内径的第一部分和要扩张到大于第一内径的第二内径的第二部分，该方法包括a)在所述第二管状部件部分内设置选定壁厚度的可扩张套管；b)将扩张器定位在管状部件内；c)操作该扩张器，以将所述第一管状部件部分扩张到第一内径，并且对该扩张器进行操作，以将套管扩张到基本上等于第二内径减去两倍套管壁厚度的内径；和d)从管状部件中回收套管。
从而实现了将第二管状部件部分扩张到了比扩张器的“扩张直径”大的内径，其中扩张器的“扩张直径”是扩张处理期间扩张器的最大外径。在扩张处理之后，将套管从管状部件中收回，从而在第二管状部件部分中可以得到相对较大的内径。
适当地，将套管和第一管状部件部分扩张到了基本上相同的内径。按照这种方法，使用同一个扩张器可以将第一和第二管状部件部分扩张到不同的内径。
最好，所述管状部件伸到形成在地质结构中的井眼中，并且所述第二部分是管状部件的末端部分。
按照一种优选实施方式，扩张器可操作以借助于扩张器在其径向收缩模式与其径向扩张模式之间的运动来扩张管状部件，并且其中步骤c)包括i)将扩张器从收缩模式移动到其扩张模式，从而扩张一段所述第一管状部件部分或套管；ii)将扩张器从扩张模式移动到其收缩模式；iii)沿轴向移动扩张器或者使扩张器能够沿轴向移动，使其穿过管状部件进入所述第一管状部件部分或套管的另一段；和iv)重复步骤i)-iii)，直到扩张器扩张了所述第一管状部件部分和套管。
下文中将参照附图借助实例更加详细地对本发明进行解释说明，其中附图1A示意性地表示本发明的方法的实施方式中使用的扩张器在处于收缩模式下时的侧视图；附图1B示意性地表示处于扩张模式下时的附图1A的扩张器；附图1C示意性地表示附图1A的扩张器的纵截面；附图2示意性地表示扩张管状部件的第一个步骤；附图3A示意性地表示本发明的方法的实施方式中使用的可扩张套管的侧视图；附图3B示意性地表示附图3A中的套管在其径向扩张之后的侧视图；附图4-6示意性地表示扩张附图2中的管状部件的一连串步骤；和附图7A-7B示意性地表示位于附图2的管状部件中的回收工具。
在附图中，相同的附图标记指代相同的组成部分。
具体实施例方式
参照附图1A-1C，给出了扩张器1，它包括钢制管状扩张器主体2，该扩张器主体2具有前部圆柱部分2a、后部圆柱部分2b和设置在圆柱部分2a、2b之间的锥形部分2c。在扩张器主体2上设置有多个窄纵向缝隙6，这些缝隙6沿着扩张器主体2的圆周规则间隔开。各个缝隙6沿径向延伸穿过管状扩张器主体2的壁，并且具有相反两个末端7、8，这两个末端处于距离扩张器主体2的相应末端一定距离的位置上。缝隙6定义了多个沿着扩张器主体2的圆周间隔开的纵向主体段片10，由此，各个主体段片10在一对相邻的缝隙6之间延伸(反之亦然)。依靠它们的细长形状和弹性特性，在对主体段片10施加适当的径向载荷时，主体段片10将通过沿径向向外弯曲而发生弹性变形。这样，在对主体段片10施加所述径向载荷时，扩张器1可以从径向收缩模式(附图1A)(在这种模式下，各个主体段片10处于其非工作位置上)扩张到径向扩张模式(附图1B)(在这种模式下，各个主体段片10处于其沿径向向外弯曲位置上)。
该扩张器此外还包括圆柱形端盖12、14，设置成封闭扩张器主体2的相应末端，各个端盖12、14例如通过适当的螺栓(未示出)固定连接在扩张器主体2上，端盖12设置有贯通开口15。
具有弹性气囊16形式的可膨胀件设置在管状扩张器主体2内。气囊16具有紧贴在管状扩张器主体2的内表面上的圆柱形壁18和紧贴在相应端盖12、14上的相对两个端壁20、22，从而限定出了一个形成在气囊16内的流体腔室23。端壁20密封到端盖12上并且具有与端盖12的贯通开口15对准且与贯通开口15流体相通的贯通开口。流体管道26在其一端上经由贯通开口15与流体腔室23流体相通。该流体管道26在其另一端上与用于控制流体向流体腔室23内的流入和从流体腔室23流出的流体控制系统(未示出)流体相通。
进一步参照附图2，附图2表示扩张器1设置在管状外壳32的下端30上，该管状外壳32延伸到形成在地质结构35中的井眼34内。扩张器1借助管道26从地面悬挂下来。可扩张管状套管36设置在外壳32的下部38内并且通过定位焊点39临时固定在外壳32的下端30上，该定位焊点39的强度应当足以承载套管36的重量并且足以使得套管36和下外壳部分38的初始扩张能够实现。下文中，将下外壳部分38称为外壳的扩口部分38，而外壳32剩下的部分称为剩余外壳部分41。扩张器1的前部圆柱部分2a伸到套管36内。
附图3A和3B中更加详细地示出了套管36，其中附图3A表示径向扩张之前的套管36，而附图3B表示径向扩张之后的套管36。套管36的壁设置有多个具有沿轴向延伸的缝隙40的形式的贯通开口。缝隙40排列成多行沿径向对准的槽，其中相邻的行相对于彼此交错排列，从而形成了多个沿轴向重叠的缝隙40。各个缝隙40在其各端上设置有一个圆孔42。由各个缝隙40与相应的相邻孔42之间套管36的壁部分形成塑性铰链(plastic hinge)43。在附图3A中，各个塑性铰链43的宽度由符号H表示。
铰链43抗弯曲的能力是通过它们的壁厚度和宽度H控制的。在附图4中，使扩张器1处于套管36内的位置上，由此，套管36的一部分和外壳32的一部分沿径向发生了扩张。
在附图5中，使扩张器1位于从扩口部分38向上的位置上，由此，套管36、扩口部分38和剩余外壳部分41的一部分沿径向发生了扩张。
在附图6中，使扩张器1处于从扩口部分38更加向上的位置上，由此，套管36、扩口部分38和剩余外壳部分41的另一部分沿径向发生了扩张。
参照附图7A，给出了在伸入外壳32内的下井管柱48上从地面悬挂下来的回收工具46。回收工具46配备有多个沿径向伸出的弹簧加载销48，这些弹簧加载销被偏压到套管36的壁中形成的相应开口50内，以将回收工具46锁定到套管36上。
参照附图7B，示出了锁定在套管36上的回收工具46，由此，将套管通过外壳32向上拉了一小段距离。
在正常操作期间，将外壳32下到井眼34中，藉此将套管36和扩张器1相对于外壳32设置成处于附图2中所示的位置上，借此，经由导管26从地面对扩张器1施加适中的拉力。随后，使外壳32在多个扩张周期内沿径向扩张，其中各个周期包括第一阶段和第二阶段，下面将对此进行介绍。
在扩张周期的第一个阶段中，使流体控制系统进行这样的操作经由管道26将受压流体(例如钻探泥浆)泵送到气囊16的流体腔室23内。结果，使得气囊16发生膨胀，从而对主体段片10施加了沿径向向外的压力，从而这些主体段片10通过沿径向向外弯曲而发生了弹性变形。
泵送到气囊16中的流体的容积是这样选择的使主体段片10的任何变形保持在弹性域之内。
为了提高段片10向外弯曲的均匀程度，最好为扩张器主体2的前部部分2a配备用来限制段片10向外弯曲的环或套管(未示出)。
这样，主体段片10会在卸除气囊16中的流体压力之后恢复到它们的初始位置上。这样，扩张器1在向气囊16中泵送流体的时候从其径向收缩模式扩张到其径向扩张模式。结果，外壳32很短的起始段发生了塑性扩张。
在扩张周期的第二个阶段中，使流体控制系统进行这样的操作通过允许流体从气囊16中流出返回到控制系统，来卸除气囊16中的流体压力。从而气囊16瘪了下来，并且主体段片10回复到它们的初始未变形形状，从而扩张器1变回它的径向未扩张模式。根据需要，将气囊中的流体压力降低到低于静压头，促使段片向内弯曲。结果，通过管道26将扩张器1进一步向套管36内部拉动一小段距离。
随后，按照需要多次重复进行上述的扩张周期，以连续扩张外壳的张口部分38和剩余外壳部分41或者它的期望长度。
在扩张外壳的张口部分38期间，套管36是与张口部分38同时得到扩张的。在套管36的扩张期间，塑性铰链43发生塑性变形。相应的铰链43之间的壁部分发生转动，从而使缝隙40张开(附图3B)。这一转动造成套管36缩短，并且套管36的直径增加是通过铰链43的变形而实现的。
由于缝隙40张开，因此扩张套管36所需的扩张力大大低于扩张外壳32所需的力。因此，同时扩张套管36和外壳32的张口部分38仅需要比单独扩张外壳32所需的力稍高的力。将会理解，套管36的内表面和剩余外壳部分42的内表面将要扩张到相同的直径。这意味着，要将外壳的张口部分38的内表面扩张到比剩余外壳部分41的内表面大的直径。在扩张处理之后，张口部分38的内径与剩余外壳部分41的内径之间的差值基本上等于套管36壁厚度的两倍。套管36的壁厚度并不会在扩张期间发生改变，因为变形都集中在塑性铰链43上了。
而且，套管36在扩张之后具有相对较大的回弹趋势，因为套管的弹性弛豫是由铰链43的弹性反向弯曲决定的，而不是象外壳32中出现的那样由沿着圆周方向的弹性收缩决定的。
由于作为扩张处理的结果，套管36与张口部分38沿轴向缩短的程度不同，故而临时焊点39在张口部分38的扩张期间被折断。
在表示扩张器1通过外壳32逐渐前进的过程的附图4-6中给出了扩张处理的后续阶段。
在外壳32已经发生扩张之后，将扩张器1从外壳中取出，并且将下井管柱48上的回收工具46下降通过外壳32。在回收工具46到达套管36处时，缓慢地继续下降，直到回收工具借助弹簧加载销50卡在套管36的开口52中而卡锁在套管36上。然后向上拉动下井管柱48上的回收工具46。
如附图7B所示，套管36因此在它向上移动到剩余外壳部分41中的时候受到了径向压缩。套管36的压缩并不需要很高的压缩力，因为这一压缩是通过闭合套管36的缝隙50来实现的。而且，套管弹性回弹的趋势和由回收工具作用在套管上的拉力能够很容易地实现套管从外壳32中的取出。最终在外壳32的上端将套管36从外壳32中取出。
按照这种方法，实现了将外壳32的下部扩张到比外壳的剩余部分大的直径，从而，可以通过将后续外壳的上端部伸入外壳32的张口部分38来在外壳32的下面安装和扩张后续的外壳(未示出)。
从而在外壳32和后续外壳之间造成了重叠，这种重叠能够实现外壳彼此之间的固定和密封。
可以通过减小铰链的宽度H和/或通过减小套管在铰链处的壁厚度和/或通过增加缝隙的长度来进一步降低对套管扩张的阻力。
不通过焊接将套管固定在外壳上，可以通过一层粘接剂将套管固定在外壳上，这层粘接剂在套管和外壳在扩张期间发生不同的运动的时候失效。从而确保了套管在整个套管都已经遭到扩张之前一直是固定在位的。而且，也可以将主体段片在它们各自的中间部分处点焊在管状部件上。
不使用上面介绍的扩张器，也可以使用常规的扩张器，例如扩张器锥，穿过外壳对其进行拉、泵、推的操作。
不使用上面介绍的回收工具，也可以使用与扩张器相连的回收工具，因此它是与扩张器同时通过外壳运动的。在这种应用中，套管是在扩张剩余外壳部分的同时从外壳中取出的。
不为扩张器主体配备相对端部靠近扩张器主体的相应端部的缝隙，也可以为扩张器配备仅沿着扩张器主体的一部分长度延伸并且设置成沿纵向重叠的排列方式的缝隙。这种排列方式可以例如类似于附图3A和3B中所示的套管的缝隙的排列方式。
除了使流体控制系统进行经由导管将受压流体泵送到气囊中的操作之外，流体控制系统还可以进行这样的操作对气囊施加吸力，以从气囊中抽出流体，造成扩张器主体的段片向内弯曲。按照这种方法，可以增加扩张器的扩张比。
不对套管应用发生塑性变形的铰链，也可以对套管应用单纯发生弹性变形的铰链，比如，由形状记忆金属制成套管。
适当的套管的另一个例子是为套管配备限定出双稳态单元的图案的缝隙，各个单元能够呈现出第一种稳定结构和第二种稳定结构，从而当这些单元处于它们各自的第二种稳定结构下时，套管的内径大于这些单元处于它们的各自的第一种稳定结构时的套管内径。这种套管的实例实施方式是在GB2368082A中公开了双稳态单元形成的管子。
权利要求
1.一种扩张管状部件的方法，该管状部件具有要扩张到第一内径的第一部分和要扩张到比第一内径大的第二内径的第二部分，该方法包括a)在所述第二管状部件部分内设置选定壁厚度的可扩张套管；b)将扩张器定位在管状部件内；c)操作该扩张器，以将所述第一管状部件部分扩张到第一内径，并且对该扩张器进行操作，以将套管扩张到基本上等于第二内径减去两倍套管壁厚度的内径；和d)从管状部件中回收套管。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于将套管和第一管状部件部分扩张到基本上相同的内径。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于管状部件伸到形成在地质结构内的井眼中，并且其中所述第二部分是该管状部件的末端部分。
4.按照权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于套管配备有多个开口，这些开口限定出了多个在套管沿径向扩张时发生弯曲的元件的图案。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于各个所述元件包括铰链部分，该元件的弯曲集中在这个铰链部分中。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述铰链部分在套管沿径向扩张时发生弹性或塑性变形。
7.按照权利要求4到6中任何一项所述的方法，其特征在于所述开口是沿着管状部件的轴向延伸的缝隙，并且其中相邻的缝隙以纵向重叠的方式排列。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于各个缝隙具有宽度扩大的相对端。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于所述各个缝隙的端部是由形成在套管壁上的孔形成的。
10.按照权利要求4-9中任何一项所述的方法，其特征在于步骤d)包括将套管移动到所述第一管状部件部分中，从而使套管沿径向收缩，借此所述元件发生反向弯曲。
11.按照权利要求1-10中任何一项所述的方法，其特征在于套管配备有卡锁装置，用于将回收工具卡锁在套管上，并且其中步骤d)包括将回收工具通过管状部件送到套管中，将回收工具卡锁在套管上，并且使回收工具与卡锁在该回收工具上面的套管一起穿过管状部件移动，以便从管状部件中回收套管。
12.按照权利要求1-11中任何一项所述的方法，其特征在于扩张器可操作以借助于扩张器在其径向收缩模式与其径向扩张模式之间的运动来扩张管状部件，并且其中步骤c)包括i)将扩张器从收缩模式移动到其扩张模式，从而扩张一段所述第一管状部件部分或套管；ii)将扩张器从扩张模式移动到其收缩模式；iii)沿轴向移动扩张器或者使扩张器能够沿轴向移动，使其穿过管状部件进入所述第一管状部件部分或套管的另一段；和iv)重复步骤i)-iii)，直到扩张器扩张了所述第一管状部件部分和套管。
13.基本上按照前文参照附图介绍的方法。
全文摘要
一种扩张管状部件(32)的方法，该管状部件具有要扩张到第一内径的第一部分和要扩张到比第一内径大的第二内径的第二部分。该方法包括a)在所述第二管状部件部分内设置选定壁厚度的可扩张套管(36)；b)将扩张器(1)定位在管状部件内；c)操作该扩张器，以将所述第一管状部件部分扩张到第一内径，并且对该扩张器进行操作，以将套管扩张到基本上等于第二内径减去两倍套管壁厚度的内径；和d)从管状部件(32)中回收套管(36)。
文档编号E21B43/10GK1846041SQ200480019304
公开日2006年10月11日 申请日期2004年7月6日 优先权日2003年7月7日
发明者W·C·M·洛贝克, P·D·施尔特, D·H·齐斯林 申请人:国际壳牌研究有限公司