专利名称：膨胀清管器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及适用于油田用管(oilfield pipe)(管子(tubular))的膨胀工具和方法。更具体地说，本发明涉及用来在井筒内沿径向塑性膨胀井下管状构件的膨胀工具。
背景技术：
成节的套管(casing joint)、衬管(liner)、以及其他油田用管状件经常在钻井、完井和开采井中被使用。例如，成节的套管可被置于井筒内以稳定地层并保护地层免受可能损坏地层的高井筒压力(例如，超过地层压力的井筒压力)损坏。成节的套管为一段一段的钢管，其可通过本领域内公知的螺纹连接、焊接连接、以及其他连接以端对端的方式联结。这些连接通常被设计成使得在被联结的成节套管的内部与环形空间之间形成密封件，其中上述环形空间形成在成节的套管的外壁和井筒壁之间。该密封件可以是例如弹性体密封件(例如O形环密封件)、紧接上述连接形成的金属对金属密封件、或本领域内公知的类似密封件。
在一些建井操作中，在钻孔(“裸眼”)内或者在下了套管的井筒内沿径向塑性膨胀螺纹管或成节的套管是有利的。按照在该应用场合中的使用，沿径向塑性膨胀管是指管或套管内径的永久性膨胀或增大。套管可经历一些弹性恢复，在弹性恢复中，直径从最大膨胀直径略有缩小，但最终直径将永久性地大于初始直径。在下了套管的井筒中，沿径向可膨胀的套管可被用来增强受磨损或损坏的套管，以便例如提高旧套管的破损等级(burst rating)，从而防止井眼的早期弃井(premature abandonment)。
在常规的油田钻井中，套管柱贯穿整个钻井过程始终以规则的间距被安装。用于一个间距的套管通过将其降低穿过用于上一个间距的套管而被安装。这意味着套管柱的外径受到之前安装的套管柱的内径的限制。因而，在常规井筒中的套管柱相互嵌套，其中套管直径随着各个间距沿着向下的方向缩小。
在各套管柱和井筒之间设置有环形空间，以便水泥可被泵吸到环形空间或环形间隙(annulus)内，以在套管和井筒之间进行密封。由于在常规井筒中套管柱的嵌套布置以及水泥在套管柱周围所需要的环形空间，在井筒顶部处所需的井眼直径相对较大。该较大的初始井筒直径导致要钻直径较大的井眼从而增加了费用，并导致要对较大的套管柱注水泥(cementing)从而增加了费用。此外，在常规井筒中套管柱的嵌套布置可严重限制在井筒底部处的、最后的套管柱的内径，这限制了该井的潜在生产率(potentialproduction rate)。
理想的情况是，在套管柱穿过之前的套管柱被下入井筒中以后，套管柱可在原位(即在井内就原地)沿径向被塑性膨胀。这最小化了在井筒底部处的、最后的套管柱其内径的缩小。在井筒内沿径向塑性膨胀套管柱还增添了这样的益处，即减小了所钻井筒和套管柱之间的环形空间，这减少了在套管与井筒之间实现密封所需的水泥量。
已经发展了多种技术来膨胀套管。一项技术采用被称作“清管器(pig)”的膨胀工具，其直径比套管柱的内径大。该工具通常被移动穿过套管柱(astring of casing)或油管(tubing)以将套管柱从初始状况(例如，从初始直径)沿径向塑性膨胀至膨胀状况(例如，至最终直径)。一种常见的现有技术膨胀过程使用成锥形逐渐变细的冷成形膨胀工具来在井筒中膨胀套管。该膨胀工具一般关于其纵向轴线对称。该膨胀工具还包括圆柱段，该圆柱段的直径通常与套管柱的期望膨胀内径相对应。逐渐变细段紧接着该圆柱段。
在可膨胀套管柱的底部处，膨胀工具被置入发送器(launcher)。发送器为钟形的一段(belled section)，其在一端处带螺纹并在远端上被封起来，其中在底部内有注水泥口(cementing port)。膨胀工具被密封在发送器内，且发送器在可膨胀套管柱的端部上制成。通常通过从套管悬挂器放下套管柱，套管柱在井眼内被设定在适当的位置。然后，钻杆的工作管柱(workingstring)或油管被下到井筒内并附连至膨胀工具(例如，该工作管柱一般被附连至引导心轴(leading mandrel))。膨胀工具还可包括穿过其中的轴向孔，以便加压流体(例如，钻井液)可被泵吸通过工作管柱、穿过膨胀工具并进入井筒，从而以液压方式给井筒加压。液压作用于由膨胀工具下端限定的活塞表面上，并且液压与工作管柱上沿轴向向上的提升力相结合，以迫使膨胀工具向上穿过套管柱从而沿径向向外令套管柱移位至期望的膨胀直径。
在对该方法的一种变化中，由于发送器正好通过(clear)母套管(parentcasing)的套管靴(casing shoe)，故套管在膨胀工具仍然被保持在空间(inspace)的同时被膨胀。套管同时被膨胀和驱动进入井眼中。
可选地，膨胀工具被安装在长的液压缸的端部上。液压缸和工具被下到井眼中，其中可膨胀套管从下面悬挂在悬挂器上。液压缸推动膨胀工具进入到套管柱内，形成衬管悬挂器。液压缸和内卡瓦被缩回，卡瓦被重新设置在新的位置，且液压缸被再次延伸。重复该过程直至整个套管柱得到膨胀。
在本领域内公知的另一种方法中，膨胀工具具有三个可缩回的、倾斜的滚子(roller)，这些滚子排列在该工具外侧的周围。可膨胀套管在一组夹钳上被降低到井眼内，这组夹钳被承载在膨胀工具的上方。在一定深度处(at depth)，该工具被旋转且压力被缓慢施加到该工具上，导致滚子沿径向向外移动。然后该工具在旋转的同时被推动或拉动穿过套管。
径向膨胀可以例如25至60英尺/分钟的速率来进行。本领域内公知的还有其他膨胀过程，例如在局部流体静压作用下的膨胀、或“液压成形(hydroforming)”，但一般而言，这些膨胀过程并不像冷成形膨胀过程用得那样多。
图1显示典型的现有技术锥形膨胀工具100(或“膨胀清管器”)的截面图，该膨胀工具100正开始令套管管体(casing pipe)117变形。套管柱117的端部112在膨胀工具100呈平截锥形的膨胀表面105上接触膨胀工具100。随着膨胀工具100沿着行进方向104移动，其将通过套管柱117，随着膨胀工具100的移动，其沿径向塑性膨胀套管柱117。
关于中心线103对称的膨胀工具100具有圆柱段110，圆柱段110的直径与套管柱117的期望膨胀直径大致相同。典型地，膨胀套管会从圆柱段110的直径略有反弹，从而套管117的最终膨胀直径将略小于圆柱段110的外径。在后端处，膨胀工具100具有与圆柱段110背离的逐渐变细段111。
发明内容
在一方面，本发明包括具有工具主体的工具，其中所述工具主体包括近端、远端和外表面。所述工具主体还包括至少一条液压通道和通风通道(vent channel)。所述液压通道穿过所述工具被钻出并沿轴向布置成从所述工具主体的所述远端沿着行进方向延伸到前接触环后面的点。所述通风通道将所述轴向通道连接至所述工具的表面。所述膨胀工具适于控制从所述工具的所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
在另一方面，本发明包括具有工具主体的工具，其中所述工具主体包括近端、远端和外表面。所述工具主体还包括至少一条液压通道和至少一条周向通道。所述液压通道穿过所述工具被钻出，并沿轴向布置成从所述工具主体的所述远端沿着行进方向延伸到前接触环后面的点。通风通道连接所述轴向通道与所述周向通道，其中所述周向通道布置在所述工具的表面上所述前接触表面的后面。所述膨胀工具适于控制从所述工具的所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
在另一方面，本发明包括具有工具主体的工具，其中所述工具主体包括近端、远端和外表面。所述工具主体还包括至少一条液压通道，所述至少一条液压通道布置在所述工具的表面上。所述液压通道沿轴向布置成从所述工具主体的所述远端沿着行进方向延伸到前接触环后面的点。所述膨胀工具适于控制从所述工具的所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
在另一方面，本发明包括具有工具主体的工具，其中所述工具主体包括近端、远端和外表面。所述工具主体还包括至少一条液压通道。密封体沿轴向布置在沿行进方向所述工具主体的前面。所述液压通道穿过所述工具被钻出，并沿轴向布置成从所述工具主体的所述远端延伸到所述工具主体的所述近端。所述膨胀工具适于控制从所述工具的所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
在另一方面，本发明包括具有工具主体的工具，其中所述工具主体包括近端、远端和外表面。所述工具主体还包括至少一条液压通道。密封体沿轴向布置在沿行进方向所述工具主体的前面。所述液压通道穿过所述工具被钻出，并沿轴向布置成从所述工具主体的所述远端延伸到所述工具主体的所述近端。通风通道将所述轴向液压通道连接至周向通道，其中所述周向通道布置在所述工具的表面上前接触环的后面。所述膨胀工具适于控制从所述工具的所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
在另一方面，本发明包括具有工具主体的工具，其中所述工具主体包括近端、远端和外表面。所述工具主体还包括至少一条液压通道。密封体沿轴向布置在沿行进方向所述工具主体的前面。所述液压通道布置在所述工具的表面上，所述液压通道沿轴向从所述工具主体的所述远端延伸到所述工具主体的所述近端。所述膨胀工具适于控制从所述工具的所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
在另一方面，本发明包括具有工具主体的工具，其中所述工具主体包括第一段、第二段、近端、远端和外表面。所述第一段的直径以向着所述工具的所述远端增大的速率增大，且所述第二段的直径以向着所述工具的所述远端减小的速率增大。密封体沿轴向布置在沿行进方向所述工具主体的前面。所述工具主体还包括至少一条液压通道。所述液压通道穿过所述工具被钻出，并沿轴向布置成从所述工具主体的所述远端延伸到所述工具主体的所述近端。所述膨胀工具适于控制从所述工具的所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
在另一方面，本发明包括具有工具主体的工具，其中所述工具主体包括第一段、第二段、近端、远端和外表面。所述第一段的直径以向着所述工具的所述远端增大的速率增大，且所述第二段的直径以向着所述工具的所述远端减小的速率增大。密封体沿轴向布置在沿行进方向所述工具主体的前面。所述工具主体还包括至少一条液压通道。所述液压通道穿过所述工具被钻出并沿轴向布置成从所述工具主体的所述远端延伸到所述工具主体的所述近端。通风通道将所述轴向液压通道连接至周向通道，其中所述周向通道布置在所述工具的表面上。所述膨胀工具适于控制从所述工具的所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
在另一方面，本发明包括迫使膨胀工具穿过套管段的方法。所述膨胀工具后面的液压通过至少一条通道被传递至沿行进方向前接触表面后面的点。至少一个压力调节阀调节所述前接触表面后面的所述点处的压力。
在另一方面，本发明包括迫使膨胀工具穿过套管段的方法。所述膨胀工具后面的液压通过至少一条通道被传递至近端前面的点。所述膨胀工具适于控制从所述远端后面到所述近端前面的点的流体流。至少一个压力调节阀调节所述工具主体的所述近端与所述密封体之间的区域内的压力。
本发明的其他方面和优点从随后的描述和所附权利要求中将显而易见。
图1显示典型的现有技术锥形膨胀工具的截面图，该锥形膨胀工具正开始令套管管体变形。
图2显示移动穿过套管的膨胀工具的横截面视图。
图3A显示本发明所述膨胀工具的实施例的横截面视图。
图3B显示本发明所述膨胀工具的另一实施例的横截面视图。
图3C显示本发明所述膨胀工具的另一实施例的横截面视图。
图4A显示本发明所述膨胀工具的另一实施例的横截面视图。
图4B显示本发明所述膨胀工具的另一实施例的横截面视图。
图4C显示本发明所述膨胀工具的另一实施例的横截面视图。
图5A显示本发明所述膨胀工具的另一实施例的横截面视图。
图5B显示本发明所述膨胀工具的另一实施例的横截面视图。
具体实施例方式
本发明的实施例涉及用来沿径向塑性膨胀螺纹管或成节套管的膨胀工具。根据本发明的实施例，用来将膨胀工具移动穿过套管的液压被向前传递以给套管加预应力并减弱套管的波状响应(wave-like response)。
图2显示膨胀工具200的横截面，膨胀工具200膨胀套管柱217的一段。工具200沿着行进方向204移动。随着工具200的移动，工具200将套管柱217从初始直径221膨胀至膨胀直径222。由于套管217的弹性恢复，膨胀直径222略小于膨胀工具的最大直径223。在一些实施例中，在膨胀工具200后面的液压的协助下，膨胀工具200沿着行进方向204被移动穿过套管217。该液压是由通过钻杆(未显示)泵吸到井眼内直到膨胀工具后面区域的流体所引起的。
随着膨胀工具200移动穿过套管217，其沿径向塑性膨胀套管217。套管217对膨胀过程具有粘弹性或波状响应。套管柱217的内侧首先在膨胀表面205上、于点211处接触工具200。当套管217向外变形的时候，其基本上弹起离开膨胀表面205。紧接着上述“弹起”，套管松弛并在第二接触点212处再次接触膨胀工具200。
套管的波状行为是因为钢在其塑性状态下对膨胀产生粘弹性响应。因此，该膨胀是切变率敏感的(shear-rate sensitive)。膨胀工具200上的接触环(例如211，212，213)其确切数量和位置以及波形的幅度取决于膨胀工具200的设计，工具200与套管217之间的摩擦系数，套管217的套管材料、直径和厚度，以及膨胀工具200的行进速度。套管波形的幅度还取决于膨胀工具200的设计内所固有的膨胀比。常规上，膨胀比为套管217的膨胀内径222对套管217的初始内径221的比值。
在此处所述的本发明实施例中，布置在膨胀工具的表面上或穿过膨胀工具钻出的通道会将液压从膨胀工具后面输送到工具远端前面的点。压力调节阀可被用来设定沿着膨胀工具以及在膨胀工具前面的不同点处的液压。膨胀工具适于控制从膨胀工具远端的后面到膨胀工具近端的前面的流体流。
图3A显示本发明所述的膨胀工具300的实施例的横截面，膨胀工具300正在进入要膨胀的套管或管317。膨胀工具300具有近端301、远端302、以及外表面305。近端为膨胀工具的前端，而远端为膨胀工具的后端。然而，本领域技术人员会了解，根据本发明的膨胀工具可具有梨形或锥形，其中近端或远端可不具备明显的前端或后端表面。接触环319形成在工具300的膨胀表面305上第一接触点311的位置处。膨胀工具300被迫使沿着行进方向304穿过套管317。在该实施例中，至少一条液压通道303沿轴向从远端302延伸至前接触环319后面的点，该至少一条液压通道303穿过膨胀工具300被钻出。连接至轴向通道303的通风通道(vent channel)316将液压从膨胀工具300的远端302通过轴向通道303传递以进入位于两个接触环(例如319、320)之间的容积(volume)318。布置在通道303或316内的至少一个压力调节阀315可被用来调节液压通道303、316内的压力。本领域技术人员将了解，取决于膨胀工具的设计、摩擦系数、套管材料特性和尺寸、以及膨胀工具300的行进速度，在容积318内可使用不同的压力。
包含在容积318内的液压通过衰减钢的回弹来减弱套管317的波状行为，从而将后续接触环320移动到一位置，该位置沿轴向在由常规膨胀工具形成的后续接触环(例如，图2中的220)的位置后面。传递至套管317与膨胀工具300之间的空间的液压马力减小了膨胀套管317所需的轴向力，其中上述空间是因套管317的波状运动而造成的。液压还提供膨胀工具与套管内表面之间的润滑。对于附加的润滑，流体还可以段塞(a slug ora pill)通过钻杆并流出膨胀工具内的通道303、316、308被泵吸到井下。段塞是指小体积的钻井液特殊混合物，该特殊混合物通过钻杆被送下去。膨胀工具300适于控制从远端302后面到近端301前面的位置的流体流。小的螺旋槽325沿周向布置在膨胀工具300的近端301周围，螺旋槽325控制该流体流，或将流体从容积318输送至膨胀工具300的近端301的前面。(注意，在图3A中，螺旋槽327按照其从膨胀工具的侧视图所见那样以点划线显示)。本领域技术人员将了解，螺旋槽的大小和圈数可取决于流向膨胀工具300前面的位置的期望流体流率而变化。这允许段塞或液压流体被输送至工具300的近端301前面的位置以便提高润滑性。本领域技术人员将了解，可使用其他方法来控制流体流率。例如，可在膨胀工具300内使用压力调节阀或小的轴向槽来将段塞输送到近端301前面的位置。
图3B显示本发明所述膨胀工具300的实施例的横截面，其中膨胀工具300正在进入要膨胀的套管或管317。膨胀工具300具有近端301、远端302、以及外表面305。接触环319形成在工具300的膨胀表面305上第一接触点311的位置处。膨胀工具300被迫使沿着行进方向304穿过套管317。穿过膨胀工具300被钻出的液压通道303将膨胀工具300的远端302后面的液压沿着行进方向304向前传递至通风通道316，通风通道316敞开至周向液压通道308，其中周向液压通道308设置在膨胀工具300的外表面305上前接触环319的后面。应该指出的是，短划线按周向通道308在工具的侧视图中看起来那样示出周向通道308，该周向通道308环绕着膨胀工具300的周界。膨胀工具300可包括多个周向通道308，每个周向通道308布置在接触环(例如，319或320)后面。
可使用布置在通道内的至少一个压力调节阀315来调节液压通道内的压力。本领域技术人员将了解，取决于膨胀工具的设计、摩擦系数、套管材料特性和尺寸、以及膨胀工具300的行进速度，可使用不同的压力。包含在周向通道308内的液压通过衰减钢的回弹来减弱套管317的波状行为，从而将后续接触环320移动到一位置，该位置沿轴向在由常规膨胀工具形成的后续接触环(例如，图2中的220)的位置后面。也就是，连续的接触环319、320之间的距离得到了加长。传递至套管317与膨胀工具300之间的空间的液压马力减小了膨胀套管317所需的轴向力，其中上述空间是因套管317的波状运动而造成的。液压还提供膨胀工具与套管内表面之间的润滑。对于附加的润滑，流体还可以段塞通过钻杆并流出膨胀工具内的通道303、316、308被泵吸到井下。膨胀工具300适于控制从远端302后面到近端301前面的位置的流体流。小的螺旋槽可沿周向布置在膨胀工具300的近端301周围，该螺旋槽控制流体流或将流体从容积318输送至膨胀工具300的近端301的前面。这允许段塞或液压流体被输送至工具300的近端301前面的位置以便提高润滑性。本领域技术人员将了解，可使用其他方法来控制流体流率。例如，可在膨胀工具300内使用压力调节阀或小的轴向槽来将段塞输送到近端301前面的位置。
图3C显示本发明所述膨胀工具300的实施例的横截面，其中膨胀工具300正在进入要膨胀的套管或管317。该膨胀工具300类似于图3A中给出的膨胀工具300；但是，至少一条液压通道303布置在膨胀工具300的表面305上。本领域技术人员将了解，取决于膨胀工具的设计、摩擦系数、套管材料特性和尺寸、以及膨胀工具300的行进速度，对于该通道可采用不同的轴向长度和周向宽度。所述至少一条液压通道303允许来自膨胀工具300后面的液压沿着工具的外径被传递至从工具300的远端302往前的点。膨胀工具300还可包括周向通道(例如，图3B中的308)，该周向通道布置在膨胀工具300的外表面305上前接触环319的后面。膨胀工具300可包括多个周向通道308，每个周向通道308布置在接触环(例如，319或320)后面。液压通道303将液压从工具300的后面传递到容积318。传递至套管317与膨胀工具300之间的空间的液压马力减小了膨胀套管317所需的轴向力，其中上述空间是因套管317的波状运动而造成的。液压润滑了套管317的内表面与套管内的工具300之间的区域，使得更容易将膨胀工具300移动穿过套管317。
膨胀工具300还适于控制从远端302后面到近端301前面的位置的流体流。小的螺旋槽可沿周向布置在膨胀工具300的近端301周围以控制流体流或将流体从容积318输送至膨胀工具300的近端301的前面。这允许段塞或液压流体被输送至工具300的近端301前面的位置以便提高润滑性。本领域技术人员将了解，可使用其他方法来控制流体流率。例如，可在膨胀工具300内使用压力调节阀或小的轴向槽来将段塞输送到近端301前面的位置。
图4A显示本发明所述膨胀工具400的实施例的横截面，其中膨胀工具400正在进入要膨胀的套管或管417。膨胀工具400具有近端401、远端402、以及外表面405。前接触环419形成在膨胀工具400的表面405上的接触点411处。在该实施例中，密封体406被附连至膨胀工具400的近端401。膨胀工具400和附连的密封体406沿着行进方向404被移动穿过套管417。液压通道403从膨胀工具400的远端402延伸至膨胀工具400的近端401，该液压通道403穿过膨胀工具400被钻出。液压通道403将液压从膨胀工具400后面传递到在膨胀工具400前面并在密封体406后面的间隙容积(interstitial volume)407。包含在间隙容积407内的产生压力高于密封体406前面的压力并优选低于膨胀工具400后面的压力。可使用至少一个压力调节阀415来调节液压通道内和容积407内的压力。本领域技术人员将了解，取决于膨胀工具的设计、摩擦系数、套管材料特性和尺寸、以及膨胀工具400的速度，在容积407内可使用不同的压力。为了润滑，流体还可以段塞通过钻杆并流出膨胀工具内的通道403、408被泵吸到井下。膨胀工具400适于控制从远端402后面到近端401前面的位置的流体流。至少一个压力调节阀426被布置在密封体406内，以便控制从膨胀工具400的远端402后面到密封体406前面的位置的流体流。这允许段塞或液压流体被输送至工具400的密封体406前面的位置以便提高润滑性。本领域技术人员将了解，可使用其他方法来控制流体流率。例如，可使用密封体406内的小轴向槽或环绕密封体406周边的螺旋槽来将段塞或液压流体输送到近端401前面的位置。
在由膨胀工具400导致膨胀之前，容积407内的液压给套管417加预应力。传递至套管417与膨胀工具400之间的空间的液压马力减小了膨胀套管417所需的轴向力，其中上述空间是因套管417的波状运动而造成的。容积407内的液压通过衰减钢的回弹来减弱套管417的波状行为，从而将后续接触环420移动到一位置，该位置沿轴向在后续接触环(例如，图2中的220)的位置后面。也就是，连续的接触环419、420之间的距离得到了加长。
图4B显示本发明所述膨胀工具400的实施例的横截面，其中膨胀工具400正在进入要膨胀的套管或管417。膨胀工具400具有近端401、远端402、以及外表面405。前接触环419形成在膨胀工具400的表面405上的接触点411处。密封体406被附连至膨胀工具400的近端401。膨胀工具400和附连的密封体406沿着行进方向404被移动穿过套管417。
液压通道403从膨胀工具400的远端402沿轴向延伸至膨胀工具400的近端401，该液压通道403穿过膨胀工具400被钻出。在该实施例中，通风通道416将轴向液压通道403连接到膨胀工具400的外侧或连接到周向通道408，该周向通道408任选地布置在膨胀工具400的外表面405上接触环419的后面。液压通道403将液压从膨胀工具400后面传递到在膨胀工具400前面并在密封体406后面的间隙容积407。通风通道416将压力从轴向液压通道403传递至容积418或传递至周向通道408。包含在间隙容积407内的产生压力高于密封体406前面的压力并优选低于膨胀工具400后面的压力。
包含在周向通道408内以及从而包含在容积418内的产生压力高于密封体406前面的压力，并优选高于间隙容积407内的压力，但却低于膨胀工具400后面的压力。然而，本领域技术人员将了解，取决于膨胀工具的设计、摩擦系数、套管材料特性和尺寸、以及膨胀工具的速度，可使用不同的压力。为了润滑，流体还可以段塞通过钻杆并流出膨胀工具内的通道403、416、408被泵吸到井下。膨胀工具400还适于控制从远端402后面到近端401前面的位置的流体流。至少一个压力调节阀可被布置在密封体406内，以便控制从膨胀工具400的远端402后面到密封体406前面的位置的流体流。这允许段塞或液压流体被输送至工具400的密封体406前面的位置以便提高润滑性。本领域技术人员将了解，可使用其他方法来控制流体流率。例如，可使用密封体406内的小轴向槽或环绕密封体406周边的螺旋槽来将段塞或液压流体输送到近端401前面的位置。
可使用至少一个压力调节阀415来调节间隙容积407内的压力，并可使用至少一个压力调节阀415来调节周向通道408内和容积418内的压力。在由膨胀工具400导致膨胀之前，间隙容积407内的液压给套管417加预应力。包含在周向通道408和容积418内的压力通过衰减钢的回弹起到了减弱套管417的波状运动的作用。膨胀工具400可包括多个周向通道408，每个周向通道408布置在接触环(例如419或420)的后面。传递至套管417与膨胀工具400之间的空间的液压马力减小了膨胀套管417所需的轴向力，其中上述空间是因套管417的波状运动而造成的。间隙容积407和容积418内的液压减弱套管417的波状行为，从而将后续接触环420移动到一位置，该位置沿轴向在常规膨胀工具所造成的后续接触环(例如，图2中的220)的位置后面。也就是，连续的接触环419、420之间的距离得到了加长。
图4C显示本发明所述膨胀工具400的实施例的横截面，其中膨胀工具400正在进入要膨胀的套管或管417。该膨胀工具400类似于图4A中给出的膨胀工具400；但是，至少一条液压通道403布置在膨胀工具400的表面405上。本领域技术人员将了解，取决于膨胀工具的设计、摩擦系数、套管材料特性和尺寸、以及膨胀工具400的行进速度，对于液压通道403可采用不同的轴向长度和周向宽度。液压通道403将来自膨胀工具400后面的液压沿着工具的外径传递至从工具400的远端402往前的点。膨胀工具400还可包括周向通道408(图4B)，该周向通道408布置在膨胀工具400的外表面405上前接触环419的后面。液压通道403将液压从工具400的后面传递到周向通道408。膨胀工具400可包括多个周向通道408，每个周向通道408布置在接触环(例如419或420)的后面。传递至套管417与膨胀工具400之间的空间的液压马力减小了膨胀套管417所需的轴向力，其中上述空间是因套管417的波状运动而造成的。液压润滑了套管417的内表面与套管内的工具400之间的区域，使得更容易将膨胀工具400移动穿过套管417。
对于附加的润滑，流体还可以段塞通过钻杆并流出膨胀工具内的通道403、408被泵吸到井下。膨胀工具400还适于控制从远端402后面到近端401前面的位置的流体流。至少一个压力调节阀可被布置在密封体406内，以便控制从膨胀工具400的远端402后面到密封体406前面的位置的流体流。这允许段塞或液压流体被输送至工具400的密封体406前面的位置以便提高润滑性。本领域技术人员将了解，可使用其他方法来控制流体流率。例如，可使用密封体406内的小轴向槽或环绕密封体406周边的螺旋槽来将段塞或液压流体输送到近端401前面的位置。
图5A显示本发明所述膨胀工具500的实施例的横截面，其中膨胀工具500正在进入要膨胀的套管或管517。膨胀工具500具有近端501、远端502、以及外表面505。密封体506被附连至膨胀工具500的近端501。
在该实施例中，膨胀工具500具有第一段524，其中直径以向着膨胀工具500的远端502增大的速率增大；和第二段525，其中直径以向着膨胀工具500的远端502减小的速率增大，如同在第6,622,797号美国专利中所公开的那样，该专利被转让给了本发明的受让人。也就是，段524具有凹入表面，而段525具有凸出表面。膨胀工具500和附连的密封体506沿着行进方向504被移动穿过套管517。
液压通道503从膨胀工具500的远端502延伸至膨胀工具500的近端501，该液压通道503穿过膨胀工具500被钻出。液压通道503允许来自膨胀工具500后面的液压移动到在膨胀工具500前面并在密封体506后面的间隙容积507。包含在间隙容积507内的产生压力高于密封体506前面的压力并优选低于膨胀工具500后面的压力。然而，本领域技术人员将了解，取决于膨胀工具的设计、摩擦系数、套管材料特性和尺寸、以及膨胀工具500的行进速度，在间隙容积507内可使用不同的压力。
可使用至少一个压力调节阀515来调节液压通道503内和间隙容积507内的压力。在由膨胀工具500导致膨胀之前，间隙容积507内的液压给套管517加预应力。传递至套管517与膨胀工具500之间的空间的液压马力减小了膨胀套管517所需的轴向力，其中上述空间是因套管517的波状运动而造成的。间隙容积507内的液压通过衰减钢的回弹来减弱套管517的波状行为，从而减小了套管517的“弹起”幅度。
为了润滑，流体还可以段塞通过钻杆并流出膨胀工具内的通道503被泵吸到井下。膨胀工具500适于控制从远端502后面到近端501前面的位置的流体流。至少一个压力调节阀526被布置在密封体506内，以便控制从膨胀工具400的远端502后面到密封体506前面的位置的流体流。这允许段塞或液压流体被输送至工具500的密封体506前面的位置以便提高润滑性。本领域技术人员将了解，可使用其他方法来控制流体流率。例如，可使用密封体506内的小轴向槽或环绕密封体506周边的螺旋槽来将段塞或液压流体输送到近端501前面的位置。
图5B显示本发明所述膨胀工具500的实施例的横截面，其中膨胀工具500正在进入要膨胀的套管或管517。膨胀工具500具有近端501、远端502、以及外表面505。密封体506被附连至膨胀工具500的近端501。膨胀工具500具有第一段524，其中直径以向着膨胀工具500的远端502增大的速率增大；和第二段525，其中直径以向着膨胀工具的远端502减小的速率增大，如同在第6,622,797号美国专利中所公开的那样，该专利被转让给了本发明的受让人。第一段524形成大致凹入的表面，而第二段525形成大致凸出的表面。产生的拐点造成膨胀工具500与套管517之间的接触环520。
膨胀工具500和附连的密封体506沿着行进方向504被移动穿过套管517。液压通道503从膨胀工具500的远端502沿轴向延伸至膨胀工具500的近端501，该液压通道503穿过膨胀工具500被钻出。通风通道516将轴向液压通道503连接到膨胀工具500的侧面或连接到周向通道508，该周向通道508任选地布置在膨胀工具500的外表面上接触环520的后面。
尽管接触环526可沿着行进方向504出现在接触环520之前，但接触环520形成在膨胀工具500外径的拐点处。液压通道503允许来自膨胀工具500后面的液压被传递到在膨胀工具500前面并在密封体506后面的间隙容积507。通风通道516将压力从轴向液压通道503传递至膨胀工具的侧面或周向通道508。包含在间隙容积507内的产生压力高于密封体506前面的压力并优选低于膨胀工具500后面的压力。
包含在周向通道508内以及从而包含在容积518内的产生压力高于密封体506前面的压力，并优选高于间隙容积507内的压力，但却低于膨胀工具500后面的压力。然而，本领域技术人员将了解，取决于膨胀工具的设计、摩擦系数、套管材料特性和尺寸、以及膨胀工具500的行进速度，在周向通道508或容积518内可使用不同的压力。
可使用至少一个压力调节阀515来调节间隙容积507内的压力，并可使用至少一个压力调节阀515来调节周向通道508内和容积518内的压力。在由膨胀工具500导致膨胀之前，间隙容积507内的液压给套管517加预应力。包含在周向通道508和容积518内的压力起到了给套管517进一步加预应力的作用。膨胀工具500可包括多个周向通道508，每个周向通道508布置在接触环(例如519或520)的后面。间隙容积507和容积518内的液压通过衰减钢的回弹来减弱套管517的波状行为。因此，套管517的“弹起”幅度被减小。传递至套管517与膨胀工具500之间的空间的液压马力减小了膨胀套管517所需的轴向力，其中上述空间是因套管517的波状运动而造成的。
为了润滑，流体还可以段塞通过钻杆并流出膨胀工具内的通道503、516和508被泵吸到井下。膨胀工具500适于控制从远端502后面到近端501前面的位置的流体流。至少一个压力调节阀可被布置在密封体506内，以便控制从膨胀工具400的远端502后面到密封体506前面的位置的流体流。这允许段塞或液压流体被输送至工具500的密封体506前面的位置以便提高润滑性。本领域技术人员将了解，可使用其他方法来控制流体流率。例如，可使用密封体506内的小轴向槽或环绕密封体506周边的螺旋槽来将段塞或液压流体输送到近端501前面的位置。
本发明的优点可包括以下项中的一项或多项本发明所述的膨胀工具能够令套管沿径向塑性变形，从而减小所钻井筒与套管柱之间的环形空间。本发明所述的膨胀工具能够在移动穿过套管的同时给套管加预应力。本发明所述的膨胀工具能够减小膨胀套管所需的轴向力。本发明所述的膨胀工具能够减弱当膨胀工具移动穿过套管时套管所产生的波状行为。本发明所述的膨胀工具能够控制从该工具后面到该工具前面的位置的流体流并为该工具的近端提供润滑。
尽管已就有限数量的实施例描述了本发明，但本领域技术人员在得益于本公开内容的情况下将了解可设计其他实施例，所述的其他实施例并不脱离此处所公开的本发明的范围。因此，本发明的范围应仅受到所附权利要求的限定。
权利要求
1.一种膨胀工具，包括工具主体，所述工具主体具有近端、远端和外表面；其中，所述工具主体包括至少一条液压通道。
2.如权利要求1所述的工具，其中，所述至少一条液压通道沿轴向布置。
3.如权利要求2所述的工具，其中，所述至少一条液压通道从所述远端沿着行进方向延伸到前接触环后面的点。
4.如权利要求3所述的工具，进一步包括布置在所述前接触环后面的至少一条周向通道，其中，所述至少一条周向通道被构造成与所述至少一条液压通道流体连通。
5.如权利要求2所述的工具，其中，所述至少一条液压通道从所述远端延伸至所述近端。
6.如权利要求5所述的工具，其中，所述至少一条液压通道布置在所述膨胀工具的所述外表面上。
7.如权利要求5所述的工具，其中，所述至少一条液压通道穿过所述工具被钻出。
8.如权利要求7所述的工具，进一步包括通风通道，所述通风通道将所述至少一条液压通道连接至所述膨胀工具的所述外表面。
9.如权利要求1所述的工具，进一步包括密封体，所述密封体沿轴向布置在沿行进方向所述近端的前面。
10.如权利要求1所述的工具，进一步包括至少一个压力调节阀。
11.如权利要求10所述的工具，其中，所述至少一个压力调节阀布置在所述至少一条液压通道内。
12.如权利要求9所述的工具，其中，所述密封体适于控制从所述密封体后面到所述密封体前面的流体流。
13.如权利要求12所述的工具，其中，至少一个压力调节阀布置在所述密封体内。
14.如权利要求1所述的工具，其中，所述膨胀工具适于控制从所述远端后面到所述近端前面的流体流。
15.如权利要求9所述的工具，其中，所述膨胀工具适于控制从所述远端后面到所述密封体前面的流体流。
16.一种膨胀工具，包括工具主体，所述工具主体具有第一段、第二段、近端、远端和外表面，其中，所述工具主体的所述第一段的直径以向着所述工具主体的所述远端增大的速率增大，且所述第二段的直径以向着所述工具主体的所述远端减小的速率增大；其中，所述工具主体包括至少一条液压通道。
17.如权利要求16所述的工具，其中，所述至少一条液压通道沿轴向布置。
18.如权利要求16所述的工具，其中，所述至少一条液压通道从所述远端沿着行进方向延伸到前接触环后面的点。
19.如权利要求16所述的工具，进一步包括布置在所述前接触环后面的至少一条周向通道，其中，所述至少一条周向通道被构造成与所述至少一条液压通道流体连通。
20.如权利要求16所述的工具，进一步包括布置在第二接触环后面的至少一条周向通道，其中，所述至少一条周向通道被构造成与所述至少一条液压通道流体连通。
21.如权利要求20所述的工具，其中，所述第二接触环位于所述膨胀工具的外径的拐点处。
22.如权利要求17所述的工具，其中，所述至少一条液压通道从所述远端延伸至所述近端。
23.如权利要求22所述的工具，其中，所述至少一条液压通道布置在所述外表面上。
24.如权利要求22所述的工具，其中，所述至少一条液压通道穿过所述工具被钻出。
25.如权利要求16所述的工具，进一步包括密封体，所述密封体沿轴向布置在沿行进方向所述近端的前面。
26.如权利要求1 7所述的工具，进一步包括至少一个压力调节阀。
27.如权利要求26所述的工具，其中，所述至少一个压力调节阀布置在所述至少一条液压通道内。
28.如权利要求25所述的工具，其中，至少一个压力调节阀布置在所述密封体内。
29.如权利要求16所述的工具，其中，所述膨胀工具适于控制从所述远端后面到所述近端前面的流体流。
30.一种膨胀工具，包括工具主体，所述工具主体具有近端、远端和外表面；其中，所述工具主体包括至少一条液压通道；以及其中，所述工具主体适于控制从所述远端后面到所述近端前面的位置的流体流。
31.一种膨胀套管的方法，包括迫使膨胀工具穿过套管段；将压力从所述膨胀工具的后面沿着行进方向传递至前接触环后面的点。
32.如权利要求31所述的方法，其中，至少一个压力调节阀调节沿行进方向所述前接触环后面的所述点处的压力。
33.如权利要求31所述的方法，进一步包括将流体从所述远端的后面输送至所述近端的前面。
34.一种膨胀套管的方法，包括迫使膨胀工具穿过套管段；将压力从所述膨胀工具的后面沿着行进方向传递至前近端前面的点；以及控制从膨胀工具的后面到所述近端前面的位置的流体流。
35.如权利要求34所述的方法，其中，至少一个压力调节阀调节沿行进方向在近端前面、密封体后面处的压力。
36.如权利要求34所述的方法，其中，至少一个压力调节阀调节从远端后面至密封体前面的流体流。
全文摘要
一种用于沿径向膨胀套管(217)的工具(200)，所述工具具有工具主体，所述工具主体包括近端、远端和外表面。所述工具包括沿轴向布置的至少一条液压通道(303)。所述至少一条通道将液压从所述膨胀工具后面沿着所述膨胀工具的行进方向向前传递。
文档编号E21B23/00GK101087926SQ200580040520
公开日2007年12月12日 申请日期2005年10月4日 优先权日2004年10月5日
发明者罗伯特·S·四世·斯沃里 申请人:海德尔公司