与井下设备的致动元件一起使用的限制元件捕获装置及其使用方法

专利名称：与井下设备的致动元件一起使用的限制元件捕获装置及其使用方法
技术领域：
本发明通常涉及与井下设备的致动元件一起使用的限制元件捕获 装置及其使用方法，更特别地，涉及致动套筒中的捕获套筒，用于使 液压流体压力有条件地暴露给可扩张扩眼器设备的操作部件，以便扩
大套管或衬管下面的地下井孔。
背景技术：
可扩张扩眼器典型地用于扩大地下井孔。通常，在钻探油、气和 地热井时，套管安装并用水泥加固以防止井孔壁坍塌到地下井孔中， 同时提供为后续钻进操作所必需的斜撑系统以达到更大的深度。通常 还安装套管以隔离不同地层，以防止地层流体横向流动以及能够在钻 凿井孔时控制地层流体和压力。为了增大已钻井孔的深度，新的套管 放置在先前的套管内并延伸到其下方。尽管增加额外的套管允许井孔 达到更大的深度，但是也具有使井孔变窄的缺陷。井孔变窄限制了所 有后续井段的直径，因为钻头和任何其它套管必须穿过已有套管。人 们不希望井孔直径减少，因为它们限制了油气通过井孔的流体产量， 人们通常希望扩大地下井孔以提供较大井孔直径，用于在先前安装的 套管以外安装其他套管，以及能够通过井孔获得比较理想的烃类流体 产量。已经釆用了各种方法扩大井孔直径。
一种常规方法(通常如名称 为"用于在钻进时扩大井孔的可扩张扩眼器设备及使用方法"的美国
专利No.7,036，6U所述)使致动套筒移动，从而允许液压流体压力用 于使可动刀翼横向致动以扩大井孔。致动套筒通过剪切销、联锁构件、 摩擦元件或易碎构件可松开地限制在可扩张扩眼器设备的内孔中，并 且包括穿过套筒座的流体流动路径。流体流动路径在限制元件(例如， 所谓的"落球")布置在套筒座上时阻断，从而允许套筒座上的液压流 体压力增大，直到致动套筒移动为止。限制元件通过重力或者在套筒 座上的流体压力保持不变时保持在套筒座内。然而，传统的扩眼器设 计不会提供限制元件的强制保持。
如名称为"转换工具"的美国专利No.6，702，020中通常描述的传统 砾石充填工具提供了用于捕获球的套筒。所述球落入钻具中并且落在 薄套筒上，所述薄套筒起到初始球座的作用。在压力增大时，球强行 通过薄套筒并且与第二套筒的支座形成密封接触，所述第二套筒是所 述薄套筒的延伸部分并且两个套筒保持在所述钻具中。剪切销将第二 套筒保持在其初始位置。卡环安装到第二套筒上，从而由于施加在处 于所述支座上的球上的流体压力的结果，并且当流体压力足以剪断将 第二套筒保持在其初始位置的剪切销时，卡环能够从其凹部快速脱离
以允许第二套筒移动。由于这种运动的结果，在薄套筒穿过周围主体 的减小直径并将球锁定在支座中时，薄套筒(球已经强行通过该薄套 筒)的内径进一步减小。球不能排出，特别是沿向反方向排出，直到 超过预定压力为止。不希望的是，薄套筒和第二套筒为将球固定所需 的运动只在已经施加用于剪断剪切销和松开卡环的足够流体压力之后 进行。同样，不希望用于捕获传统砾石充填工具的球的套筒与包括致 动套筒的井下钻具(例如可扩张扩眼器设备) 一起使用，特别地，致 动套筒通过流体压力有选择地保持并且人们希望只在限制元件固定之 后松开致动套筒。
此外，为固定限制元件所需的冲击波或压力增大有可能使致动套 筒过早松开，在不确定或未知状态下捕获限制元件以及有可能使钻具过早致动。
因此，人们希望通过主动、牢固地保持限制元件来改进例如可扩 张扩眼器设备的井下设备的性能。人们还希望将限制元件确定地保持 在致动元件例如可扩张扩眼器设备的移动套筒内。此外，人们希望在 松开致动元件之前可核实地保持限制元件。最后，人们希望在无需活 动部件的情况下主动保持限制元件。

发明内容
为了提供主动、牢固地保持限制元件，本发明的至少一个实施例
提供了用于接合地下地层中的井孔壁的井下设备。井下设备包括具 有纵向轴线和第一孔的管状主体；具有第二孔并定位在所述管状主体 的第一孔内的致动元件；延伸穿过所述笫一孔和第二孔的钻井流体流 动路径，和定位在所述致动元件的第二孔中的限制元件捕获装置。致 动元件构造为有选择地防止井下设备的操作部件暴露给钻井流体，所 述限制元件捕获装置构造为保持地接收限制元件。
在本发明的其它实施例中，提供了与致动元件一起使用的用于保 持接收限制元件的限制元件捕获装置。限制元件捕获装置在与例如可 扩张扩眼器设备的移动套筒一起使用时确定地保持限制元件。
在本发明的其它实施例中，还提供了用于扩大地下地层的井孔的 可扩张扩眼器设备。可扩张扩眼器设备构造为利用被动构件主动地保 持限制元件。
进一步地，提供了在地下地层的井孔内使用井下设备的方法。该 方法在动态松开致动元件之前将限制元件确定地保持在井下设备内。


尽管说明书最后附有特别指出和清楚保护本发明的权利要求书， 但在结合附图阅读时，从本发明的下列描述中可以容易地确定本发明 的各种特征和优点，其中
图l是可扩张扩眼器设备的侧视图，所述可扩张扩眼器设备包括根据本发明实施例的限制元件捕获装置；
图2显示了图1所示可扩张扩眼器设备的纵向剖视图； 图3显示了图2所示可扩张扩眼器设备的另一部分的放大剖视图； 图4显示了图2所示可扩张扩眼器设备的又一部分的放大剖视图； 图5显示了图2所示可扩张扩眼器设备的再一部分的放大剖视图； 图6显示了可扩张扩眼器设备的实施例的剪切组件的剖视图； 图7显示了处于闭合(或收缩)初始钻具位置的可扩张扩眼器设
备的实施例的局部纵向剖视图8显示了处于初始钻具位置的图7所示可扩张扩眼器设备(接
收流体路径中的球体)的局部纵向剖视图9显示了处于初始钻具位置的图7所示可扩张扩眼器设备的局
部纵向剖视图，其中，球体移动到球座上并被卡持住；
图IO显示了图7所示可扩张扩眼器设备的局部纵向剖视图，其中，
当压力增大时触发剪切组件，移动套筒在所述设备内部开始下降，离
开初始钻具位置；
图ll显示了图7所示可扩张扩眼器设备的局部纵向剖视图，其中，
移动套筒朝向下部保持位置移动，同时，在流体压力作用下由推动套
筒驱动的刀翼朝向伸展位置移动；
图12显示了图7所示可扩张扩眼器设备的局部纵向剖视图，其中，
刀翼(图中显示了一个)通过推动套筒在流体压力作用下保持在完全
伸展位置并且移动套筒移动到保持位置；和
图13显示了图7所示可扩张扩眼器设备的局部纵向剖视图，其中，
当流体压力消失时，刀翼(图中显示了一个)通过偏压弹簧缩回到收
缩位置。
具体实施例方式
这里显示的附图在一些情况下不是各种特定井下设备、致动元件 中的限制元件捕获装置、或者井下设备的其它特征(例如可扩张扩眼 器设备)的实际视图，而只是用于描述本发明的理想化视图。另外，附图中相同的元件由相同的数字表示。
图1显示了可扩张扩眼器设备100，所述可扩张扩眼器设备包括 根据本发明实施例的限制元件捕获装置(在图2中以参考数字200表 示)。可扩张扩眼器设备100可以包括具有纵向轴线L8的通常圆柱形 管状主体108。可扩张扩眼器设备100的管状主体108可以具有下端 190和上端191。与端部190、 191相关的术语"下"和"上"表示当可扩 张扩眼器设备100位于井孔内部时，端部190、 191相对于彼此的典型 位置。可扩张扩眼器设备100的管状主体108的下端190可以包括用 于将下端l卯连接到钻柱的另一区段或例如钻铤(装有用于钻凿井孔 的导眼钻头)的底部钻具组合(BHA)的另一部件上的一组螺紋(例 如，阳螺紋构件)。类似地，可扩张扩眼器设备100的管状主体108 的上端191可以包括用于将上端191连接到钻柱的另一区段或底部钻 具组合(BHA)的另一部件上的一组螺紋(例如，阴螺紋构件)。
三个滑动组合铣刀或刀翼101以周向隔开关系保持在管状主体 108上(如下所述)，并且可以沿着可扩张扩眼器设备100设置在位 于第一下端190和第二上端191之间的位置处。刀翼101可以由钢、 碳化钨、颗粒基体复合材料(例如，分布在金属基体材料中的硬质颗 粒)、或本领域已知的其它适用材料制造而成。刀翼101在可扩张扩 眼器设备100的管状主体108内保持初始收缩位置，如图7所示，但 是可以响应于液压而移动到伸展位置(图12所示)并在希望时移动到 收缩位置(图13所示)，如本申请中将描述的那样。可扩张扩眼器设 备100可以配置为使刀翼101与围绕井孔的地下地层壁接合，其中， 设备100布置为在刀翼101处于伸展位置时去除地层材料，但是在刀 翼101处于收缩位置时不能与井孔内的地下地层壁接合。尽管可扩张 扩眼器设备IOO包括三个刀翼IOI，可以想到，可以有利地使用一个、 两个或三个以上的刀翼。此外，尽管刀翼101沿着管状主体108的轴 向方向周向对称的定位，刀翼也可以周向不对称地定位，以及沿着朝 向端部190或191的纵向轴线L8不对称地定位。
如图2所示，管状主体108包括纵向延伸穿过管状主体108的流体通道192。流体通道192以旁通关系引导流体大体上流过致动元件 的内孔151或者移动套筒128，从而充分防止刀翼101尤其沿横向方 向或者垂直于纵向轴线Ls暴露给钻井流体。有利地，通过防止刀翼 101暴露给流体，夹带颗粒的流体不易积聚或者干扰可扩张扩眼器设 备100的操作情况。然而，应当认识到，对刀翼101的有利保护不是 可扩张扩眼器设备100操作所必需的，如下面详细描述的那样，通过 作为流体压力和弹簧偏压力的实际效果的轴向作用力进行操作，即， 从初始位置、伸展位置和收缩位置伸展。在这个实施例中，轴向作用 力通过轴向控制驱动装置，例如一推动套筒116直接驱动刀翼101， 但就如在下文中将描述的那样，本申请并不仅限于此。
可扩张扩眼器设备100可以配置为使每个刀翼101的最外面径向 或横向范围在处于初始或收缩位置时凹进在管状主体108内，使得它 不会延伸超出管状主体108的外径的最大范围。由于可扩张扩眼器设 备100布置在井孔的套管内，这种布置可以保护刀翼101，并且可以 允许可扩张扩眼器设备100穿过井孔内的所述套管。在其它实施例中， 刀翼101的最外面径向范围可以与管状主体108的外径重合，或者略 微延伸超过管状主体108的外径。如图12所示，刀翼101可以在处于 伸展位置时延伸超过管状主体108的外径，以在扩孔操作期间与井孔 壁接合。
继续参考图2，还可以参考图3-5,其显示了可扩张扩眼器设备 100的不同部分的放大局部纵向剖视图。根据需要，还可以参考图1。 管状主体108将三个滑动组合铣刀或刀翼101分别保持在三个刀翼轨 道148中。刀翼101均安装有多个切削元件104，所述切削元件在刀 翼101处于伸展位置时与界定开放井孔壁的地下地层材料接合(如图 22所示)。切削元件104可以是聚晶金刚石复合片(PDC)切削件或 本领域普通技术人员已知的其它切削元件。
可扩张扩眼器设备100包括剪切组件150，用于通过将移动套筒 128朝向可扩张扩眼器设备的上端191固定而使可扩张扩眼器设备100 保持在初始位置。还可以参考图6，其显示了剪切组件150的局部视图。剪切组件150包括上位锁套管124、 一些剪切螺钉127和移动套 筒128。上位锁套管124在管状主体108的内孔151中保持在唇部152 和挡圏132之间(如图5所示)，并且包括0环形密封件135以防止 流体在上位锁套管124的外孔153和管状主体108的内孔151之间流 动。上位锁套管124包括用于保持每个剪切螺钉127的剪切狭槽154， 其中，在本发明的当前实施例中，每个剪切螺钉127旋入移动套筒128 的剪切口 155中。剪切螺钉127将移动套筒128保持在上位锁套管124 的内孔156中，以有条件地防止移动套筒128沿井身下行方向157， 即，朝向可扩张扩眼器设备100的下端l卯轴向移动。上位锁套管124 包括内唇部158以防止移动套筒128沿沿井身上行方向159，即朝向 可扩张扩眼器设备100的上端191移动。O环形密封件134将移动套 筒128密封在上位锁套管124的内孔156之间。当剪切螺钉127剪断 时，允许移动套筒128在管状主体108内沿着井下方向157轴向移动。 有利地，剪切螺钉127在剪断时的部分保持在上位锁套管124和移动 套筒128中，以便防止所述部分在钻凿井孔时松动或卡在其它部件中。 尽管显示了剪切螺钉127，但是可以有利地使用其它剪切元件，例如 但不限于剪切杆、剪切钢丝和剪切销。有选择地，其它剪切元件可以 包括用于在用过之后主动保持在构成部件内的结构，与本发明当前实 施例的剪切螺钉127类似。在这个方面，剪切组件150通过剪切销、 联锁构件、摩擦元件、或者易碎和易断构件将致动套筒可松开地限制 在可扩张扩眼器设备100的内孔156中。
参考图4,上位锁套管124还包括筒夹160，其将密封套筒126 轴向保持在管状主体108的内孔151和移动套筒128的外孔162之间。 上位锁套管124还包括围绕其轴向隔开的一个或多个耳部163和一个 或多个端口 161。当移动套筒128沿井身下行方向157定位在足够的 轴向距离处时，所述一个或多个耳部163径向向内弹起以将移动套筒 128的运动锁定在上位锁套管124的耳部163之间以及减震构件125 之间，所述减震构件安装在密封套筒126的上端。同样，当移动套筒 128沿井身下行方向157定位在足够的轴向距离处时，上位锁套管124的所述一个或多个端口 161露出以允许与流体通道192的喷嘴进口 164流体连通。密封套筒126的减震构件125利用上位锁套管124的 耳部给移动套筒128提供弹性保持，同时减少在其运动由密封套筒126 停止时因移动套筒128引起的冲击负荷。
减震构件125可以包括柔性或顺应材料，例如弹性体或其它聚合 体。在一个实施例中，减震构件125可以包括丁腈橡胶。利用位于移 动套筒128和密封套筒126之间的减震构件125可以减少或防止移动 套筒128和密封套筒126至少之一变形，否则，所述变形可能会因移 动套筒和密封套筒之间的冲击引起。
应当注意到，包括在可扩张扩眼器设备100中的各种密封件或减 震构件可以包括本领域已知的任何适当材料，例如聚合体或弹性体。 有选择地，考虑到较高温度(例如，大约400下或以上)的应用，可 以选择包括密封件在内的材料。例如，密封件可以由Tefl0nTM、聚醚 醚酮("PEEKTM")材料、聚合材料或弹性体组成，或者可以包括适 用于期望井孔条件的金属对金属密封。具体地，这里公开的各种密封 件或减震构件(例如上文描述的减震构件125，密封件134和135)， 或者密封件(例如，下文讨论的密封件136)，或者本发明的可扩张 扩眼器设备包括的其它密封件可以包括用于较高温度应用以及在高腐 蚀井孔条件中使用的材料。
密封套筒126包括在管状主体108的内孔151之间对密封套筒进 行密封的O环形密封件136，和在移动套筒128的外孔162之间对密 封套筒进行密封的T形密封件137,所述密封套筒完全流体密封在移 动套筒128和喷嘴进口 164之间。此外，密封套筒126使移动套筒128 轴向定位、引导和支撑在管状主体108内。此外，密封套筒密封件136 和137还可以在移动套筒128从其初始位置松开之前，防止液压流体 经由喷嘴进口 164从可扩张扩眼器设备100泄漏到可扩张扩眼器设备 100外面。
移动套筒128的井下端部165(同样参见图3)由环形活塞或下位 锁套筒117定位、轴向定位和支撑，所述井下端部包括座止动套筒130。下位锁套筒117轴向联接到推动套筒115上，所述推动套筒圆柱方向 地保持在移动套筒128和管状主体108的内孔151之间。当移动套筒 128在钻井期间处于"准备"或开始位置时，液压可以作用在与钻具轴 线同心的推动套筒115上，以及作用在位于移动套筒128的外孔162 和管状主体108的内孔151之间的下位锁套筒117上。在有或者没有 液压的情况下，当可扩张扩眼器设备100处于初始位置时，通过下位 锁组件，即下位锁套筒117的一个或多个夹钳166防止推动套筒115 沿沿井身上行方向159移动。
夹钳166保持在管状主体108的内孔151上的环形槽167和座止 动套筒130之间。下位锁套筒117的每个夹钳166是具有可扩张制动 器168的筒夹或锁定爪闩(locking dog latch )，所述制动器168在由 座止动套筒130压缩接合时可以与管状主体108的凹槽167接合。夹 钳166将下位锁套筒117保持在适当位置并且防止推动套筒115沿沿 井身上行方向159移动，直到具有较大外径169的"端部"或座止动套 筒130移动超过下位锁套筒117，以允许夹钳166朝向移动套筒128 的较小外径170向内轴向缩回为止。当夹钳166向内轴向缩回时，它 们可以与管状主体108的凹槽167脱离，允许推动套筒115承受主要 沿轴向方向，即，沿沿井身上行方向159的液压。
有利地，下位锁套筒117支撑移动套筒128的重量，使剪切组件 150承受可能削弱或导致剪切元件，即，剪切螺钉127过早失效的作 用力的程度减到最小程度。因此，在剪切螺钉127剪断或者剪切组件 150松开致动或移动套筒128之前，剪切组件150需要确认动作，例 如，将球或其它限制元件引入可扩张扩眼器设备IOO中以在限制元件 锁定在本发明的限制元件捕获装置200中时使来自液压流体流的压力 增大。
图2和3所示限制元件捕获装置200位于移动套筒128的井下端 部165中。应当认识到，限制元件捕获装置200可以定位在致动元件 或移动套筒128的中间或上部。限制元件捕获装置200在移动套筒128 的内孔194内部包括球捕获套筒129和管状插塞131。可以有选择地包括O环形密封件139，以在移动套筒128的内孔194和插塞131之 间提供附加密封。球147 (如图8-13所示)形式的限制元件或其他适 当结构可以引入可扩张扩眼器设备100,以便能够操作可扩张扩眼器 设备100以在限制元件确定无疑地固定在限制元件捕获装置200内时 或之后开始或"触发"剪切组件150的动作。在球147引入之后，流体 将球147运送到限制元件捕获装置200中，以允许球147通过形成在 移动套筒128的内孔194的扩大孔196中的球捕获套筒129的环形部 分197保持并且密封抵靠插塞131的支座部分195。选择性地，球147 可以在堵塞在插塞131的内孔中之后，通过流体流产生的液压保持在 所述内孔中。当球147通过卡陷在球捕获套筒129中而阻断流体流动 时，流体或液体压力将在可扩张扩眼器设备IOO中增大，直到剪切螺 钉127剪断为止。在剪切螺钉127剪断之后，在液压作用下，移动套 筒128与同轴保持的座止动套筒130—起沿着井下方向157轴向移动， 直到移动套筒128由上位锁套管124再次轴向保持(如上所述)或者 移动到下部位置为止。其后，流体流动可以通过位于球147上方的移 动套筒128上的流体端口 173重新建立。有利地，限制元件捕获装置 200提供简单的静止部件，即，球捕获套筒129和插塞131，用于牢固 地接收和保持限制元件。
应当认识到，限制元件，即，球147的尺寸和结构i殳置成与位于 支座部分195处的限制元件捕获装置200相接合，所述限制元件捕获 装置具有互补的尺寸和结构以充分防止钻井流体流过移动套筒128， 并且导致移动套筒128在可扩张扩眼器设备内部移动到允许内孔151 和操作部件(例如，推动套筒115的致动结构)内部的钻井流体连通 的位置。
可选择地，用于致动可扩张扩眼器设备IOO的球147可以与包括 可延展特征的限制元件捕获装置200的球捕获套筒129和/或插塞131 接合，使得球147在支撑在支座上时挤压于其中，从而避免球147在 可扩张扩眼器设备100内移动以及可能造成可扩张扩眼器设备100发 生问题或损坏。在这个方面，球捕获套筒129和插塞131可以由弹性可延展材料制造而成，所述材料例如为金属、弹性体、或者具有适合
保持地接收球147的可变形性质的其它材料。在本实施例中，球捕获 套筒129的环形部分197是由具有较低屈服强度的金属制造而成的薄 壁环形导管，其适合于在球147接收在内部时变形陷入移动套筒128 的扩大孔196的凹部中。可选择地，插塞131由例如四氟乙烯(TFE) 的弹性塑性材料制造而成或具有由该材料制成的衬里，所述插塞适合 于在球147卡陷在内部时使球147锁定和制动。
同样，为了在移动套筒128轴向保持之后支撑移动套筒128和减 少振动影响，座止动套筒130和移动套筒128的井下端部165保持在 稳定套筒122中。还可以参考图3和12。稳定套筒122联接到管状主 体108的内孔151上并保持在挡圏133和保护套筒121之间，所述保 护套筒121由位于管状主体108的内孔151上的环形唇部171固定。 挡圏133固定在位于管状主体108的内孔151上的环形槽172中。保 护套筒121通过允许液压流体流过移动套筒128的流体端口 173、在 移动套筒128保持在内部时撞击保护套筒121和越过稳定套筒122而 给管状主体108提供防止受到液压流体腐蚀的性质。
在移动套筒128移动到足够远的距离以允许下位锁套筒117的夹 钳166与管状主体108的凹槽167脱离之后，与推动套筒115相连的 下位锁套筒117的夹钳166可以全部沿沿井身上行方向159运动。还 可以参考图3、 4和11。为了使推动套筒115沿沿井身上行方向159 运动，由液压流体流动引起的管状主体108的内孔151和外侧183之 间的差压必须足以克服弹簧116的恢复力或偏压力。阻止推动套筒115 沿沿井身上行方向159运动的压力弹簧116在推动套筒115的外表面 175上保持于安装在管状主体108的凹槽174中的环113和下位锁套 筒117之间。推动套筒115可以在液压流体的作用下沿沿井身上行方 向159轴向移动，但不会沿井身下行方向157移动超过环113的上唇 部和超过保护套筒184。推动套筒115可以包括位于管状主体108与 推动套筒115之间的T形密封件138、位于移动套筒128与推动套筒 115之间的T形密封件137和位于移动套筒128和推动套筒115之间的刮油密封环141。
推动套筒115在其井上部分176处包括联接于其上的轭114，如 图4所示。轭114包括三个臂177，每个臂177通过销接连杆178联 接到刀翼101之一上。臂177可以包括在刀翼101朝向收缩位置缩回 时适合于排出碎屑的成形表面。臂177的成形表面连同管状主体108 的腔室的相邻壁一起提供大约20度的夹角(其优选地去除和移除页 岩)，并且还可以包括低摩擦表面材料以防止粘附地层切屑和其它碎 屑。销接连杆178包括使刀翼联接到臂177上的连杆118，其中，所 述连杆118通过刀翼销119联接到刀翼上并且由挡圏142固定，所述 连杆118通过轭销120联接到臂177上，所述轭销120由开口销144 固定。尤其是当致动装置使刀翼101在伸展位置和收缩位置之间直接 运动时，销接连杆178允许刀翼101围绕轭114的臂177旋转运动。 有利地，致动装置，即，推动套筒115、轭114和/或连杆178使刀翼 101直接缩回和伸展，而常规做法是利用以液压为动力的一个部件推 动刀翼横向向外移动，以及利用例如弹簧的另一个部件推动刀翼向内 移动。
为了使刀翼101可以在伸展和收缩位置之间转换，它们分别连接 到管状主体108上的刀翼轨道148之一上，特别是如图2和4所示。 刀翼轨道148包括燕尾形凹槽179，其沿着管状主体108在斜面180 上轴向延伸，所述斜面180相对于纵向轴线L8成锐角。每个刀翼IOI 包括燕尾形轨道(未显示)，其与刀翼轨道148"燕尾形凹槽179大 体上配合以将刀翼101滑动固定到管状主体108上。当推动套筒115 受液压影响时，刀翼101将穿过刀翼通道端口 182向上、向外伸展到 准备切削地层的伸展位置。刀翼IOI沿着刀翼轨道148被推动，直到 向前运动被管状主体108或者与管状主体108相联的上部稳定块105 制动为止。在向上向外或者完全伸展位置，刀翼101如此定位，使得 切削元件104以规定大小扩大地下地层中的井孔。当由流过可扩张扩 眼器设备IOO的钻井流体提供的液压消失时，弹簧116将通过推动套 筒115和销接连杆178将刀翼101推动到收缩位置。当钻具沿井孔向上拉动到套管靴时，所述组件不会通过弹簧力容易地缩回，套管靴可
以与刀翼101接触以有助于推动或促动它们沿轨道148向下运动，允 许可扩张扩眼器设备100从井孔取出。在这个方面，可扩张扩眼器设 备100包括确保缩回特征，以便有助于将可扩张扩眼器设备从井孔取 出。相对于可扩张扩眼器设备100的纵向轴线Ls而言，刀翼轨道148 的斜面180为10度。
除了上部稳定块105之外，可扩张扩眼器设备100还包括中间稳 定块106和下部稳定块107。在可扩张扩眼器设备穿过套管组或衬管 组到达适当位置以及在钻进和扩大井孔时，稳定块105、 106、 107有 助于可扩张扩眼器设备100在钻井中定心。如上所述，上部稳定块105 用于停止或限制刀翼101的向前运动，确定刀翼101在钻进时接合井 孔的程度。除了提供用于限制刀翼横向伸展的逆止作用之外，上部稳 定块105还可以在刀翼101回缩以及钻柱的可扩张扩眼器设备100在 钻柱旋转的同时定位在井孔内不需要扩孔的地方时提供附加的稳定 性。
同样，可扩张扩眼器设备100可以包括碳化钨喷嘴110，如图9 所示。喷嘴IIO设置成在钻进期间冷却和清洁切削元件104和清除刀 翼101上的碎屑。喷嘴110可以包括位于每个喷嘴110和管状主体108 之间的O环形密封件140以提供两个部件之间的密封。如图所示，喷 嘴IIO构造为引导钻井流体沿井身下行方向157朝向刀翼101流动， 但是也可以构造为引导流体横向或沿沿井身上行方向159流动。
现在就操作方面描述具有限制元件捕获装置200的井下设备或可 扩张扩眼器设备IOO。尤其参考图7-13，特别地，根据需要，有选择 地参考图1-6。可扩张扩眼器设备100可以在底部钻具組合中安装在 定向钻头上方，如果包括的话，位于随钻测井(MWD)装置上方或 下方。在"触发"可扩张扩眼器设备IOO之前，可扩张扩眼器设备IOO 保持在初始的收缩位置，如图7所示。例如，可扩张扩眼器设备IOO 内的移动套筒128使流体流动路径隔开并且防止刀翼101的偶然伸展 (如前所述)或者其它操作部件的驱动和致动，并且由具有剪切螺钉127的剪切组件150保持，所述剪切螺钉固定到上位锁套管124上， 所述上位锁套管连接到管状主体108上。尽管移动套筒128保持在初 始位置，但不管是否受到偏压力或液压力的作用，都可以防止刀翼致 动装置直接驱动刀翼101。移动套筒128在其下端具有扩大的端部构 件，座止动套筒130。较大直径的座止动套筒130将下位锁套筒117 的夹钳166保持在固定位置，防止推动套筒115在压差作用下向上移 动以及驱动刀翼101。夹钳166将闩锁或可扩张制动器168锁定到管 状主体108的内孔151上的凹槽167中。当人们希望触发可扩张扩眼 器设备100时，如果希望的话，钻井流体流瞬间停止，并且球147或 其它节流限制元件掉落到钻柱中，从而恢复钻井流体的泵送。球147 在重力和/或钻井流体流动的作用下沿井身下行方向157移动，如图8 所示。短时间之后，球147到达限制元件捕获装置200并且通过液压 流体的作用保持在其中，直到球147通过形成在移动套筒128的内孔 194的扩大孔196中的球捕获套筒129的环形部分197保持并且密封 抵靠插塞131的支座部分195，如这里描述和图9显示的那样。球147 在落入限制元件捕获装置200中时阻断钻井流体的流动并且使钻柱内 位于所述球上方的压力升高。当压力升高时，球可以被推动穿过球捕 获套筒129的非常窄的部分，直到强制定位在其与扩大孔196相对应 的环形部分197中为止，以便将球147牢固地座在或座靠在插塞131 中。
参考图10，在根据最初安装在可扩张扩眼器设备IOO中的剪切螺 钉127 (由黄铜或其它适用材料制造而成)的数量和单个剪切强度设 定的预定压力下，剪切螺钉127将在剪切组件150中失效并允许移动 套筒128解除密封并向下移动。当具有座止动套筒130 (具有较大端 部)的移动套筒128向下移动时，下位锁套筒117的夹钳166向内朝 向移动套筒128的较小直径自由移动并且与主体108脱离。
其后，如图11所示，下位锁套筒117连接到压力致动的推动套筒 115上，当允许流体流过在移动套筒128向下移动时露出的流体端口 173时，所述压力致动的推动套筒在流体压力作用下向上移动。当流体压力增大时，弹簧的偏压力被克服，从而允许推动套筒115沿沿井 身上行方向159移动。推动套筒115连接到轭114上，所述轭通过销 和连杆组件178连接到三个刀翼101上，所述刀翼现在通过推动套筒 115向上移动。在向上移动时，刀翼101均沿着斜面或轨道148(所述 刀翼安装在所述斜面或轨道上)例如通过凹槽179 (如图2所示)移 动。
举例来说，图12显示了刀翼101的行程通过稳定块105上的上部 表面硬化垫停止在完全伸展位置。当刀翼101处于伸展位置时，可以 开始扩大井孔。
当利用可扩张扩眼器设备100进行扩孔时，下部和中间表面硬化 垫106、 107有助于在刀翼101的切削件104使较大井孔扩孔时稳定管 状主体108，并且上部表面硬化垫105也有助于在刀翼101、 102和103 处于收缩位置时稳定可扩张扩眼器100的顶部。
在带有球147的移动套筒128向下移动之后，它停止运动，流体 从旁边或经由定位在移动套筒128中的球147上方的流体端口 173顺 着表面硬化保护套筒121的内壁184流出，所述表面硬化保护套筒有 助于避免受到在其上碰撞的钻井流体的侵蚀破坏或将该侵蚀破坏减少 最小。钻井流体随后继续顺着底部钻具组合向下流动，移动套筒128 的上端"卡陷"即锁定在上位锁套管124的耳部163和密封套筒126的 减震构件125之间，并且移动套筒128的下端通过稳定套筒122进行 横向稳定。
当钻井流体压力释放时，弹簧116有助于驱动下位锁套筒117和 推动套筒115，其中，所安装的刀翼101向下和向内大体上返回其原 始或初始位置，到达收缩位置，参见图13。然而，因为移动套筒128 已移动到向下锁定位置，较大直径的座止动套筒130不再将夹钳166 保持配合在凹槽167中，闩锁或下位锁套筒117松开并经受用于推动 套筒115或井下设备的其它操作部件的后续操作或致动的压差。
每当在钻杆内和穿过可扩张扩眼器设备100重新产生钻井流体流 动时，具有轭114和刀翼101的推动套筒115向上移动，刀翼101沿着斜面或轨道148移动以再次在井孔中切削/扩大规定的较大直径。每 当钻井流体流动停止，即，差压低于弹簧116的恢复力时，刀翼IOI 通过弹簧116回缩，如上所述。
在本发明中，限制元件捕获装置200将限制元件147主动、牢固 地保持在例如可扩张扩眼器设备IOO的井下钻具中。此外，限制元件 捕获装置200用于在限制元件于井下钻具内松开期间或之前，确定限 制元件147保持在例如移动套筒128的致动元件内。此外，限制元件 捕获装置200在无需可动部件的情况下主动保持限制元件147,所述 可动部件由人们接触从而有可能在不确定或未知状态下导致限制元件 过早致动或锁定。
可扩张扩眼器设备100可以包括如图1和2所示的下部保护接头 109，所述下部保护接头连接到扩眼器主体108的下部承口接头上。允 许主体108为一体式设计，保护接头109能够使两者之间的连接比具 有上部和下部连接件的传统两件式钻具更为稳固(具有更高的组成扭 矩)。尽管没有要求，但是保护接头109可以给其它井下配件或钻具 提供更有效的连接。
剪切组件150的剪切螺钉127(将移动套筒128和上位锁套管124 保持在初始位置)用于提供或形成触发装置，在压力增大到预定值时 释放。剪切螺钉在可扩张扩眼器设备IOO内的钻井流体压力作用下剪 断的预定值可以是例如70Kg/cm,或乃至140Kg/cm。可以认识到， 压力范围可以比这里描述的范围更大或更小以触发可扩张扩眼器设备 100。选择性地，人们认识到，可以提供使剪切螺钉127剪断的更大压 力以允许弹簧元件116有条件地配置和偏压到更大的程度，以便在液 压流体解除时进一步确保刀翼缩回。在这个方面，限制元件捕获装置 200可以利用远小于^^开剪切组件150所需压力的压力保持地接收例 如球147的限制元件，同时有条件地在远大于松开剪切组件150所需 压力的压力下保持限制元件。此外，限制元件捕获装置200在相反的 压力条件下保持限制元件。可以认识到，限制元件捕获装置200可以 配置为保持地接收用于不同液压要求的限制元件，并且可以配置为具有与例如移动套筒128的致动元件的剪切组件150相关的保持特征。
在本发明的另 一方面，致动元件内部的限制元件捕获装置200可 以保持地接收限制元件，以便通过响应于流径堵塞的液压使致动元件 致动，允许致动元件沿轴向井下方向移动，其后使操作部件暴露给转 向的液压流体以l更沿轴向向上方向、轴向向下方向、纟黄向向外方向或 者其它方向致动操作部件。在这个方面，致动元件可以防止操作部件 不受液压影响或者过早操作，直到限制元件主动保持以及致动元件已 经移动为止。
尽管已经显示和描述了本发明的特定实施例，但许多变形和其它 实施例对于本领域技术人员来说显而易见。因此，本发明只受到所附 权利要求及其法律等效表述的限制。
权利要求
1.一种与用于接合地下地层中的井孔的井下设备一起使用的限制元件捕获装置，包括具有纵向轴线和内孔的管状主体，所述管状主体构造为与井下设备一起使用以有选择地防止操作部件暴露给该管状主体内部的钻井流体；延伸穿过所述内孔的钻井流体流动路径；位于所述内孔中的球捕获套筒；和邻近所述球捕获套筒并与之同轴定位的插塞，所述球捕获套筒和插塞构造为保持地接收限制元件。
2. 如权利要求1所述的限制元件捕获装置，还包括位于所述管状 主体的内孔和所述插塞之间的密封件。
3. 如权利要求1所述的限制元件捕获装置，其中，所述管状主体 的内孔包括靠近球捕获套筒的一部分和插塞的一部分定位的扩大孔。
4. 如权利要求3所述的限制元件捕获装置，其中，所述球捕获套 筒的一部分包括延展材料，用于允许所述球捕获套筒的一部分在接收 限制元件时向外变形到所述扩大孔中。
5. 如权利要求1所述的限制元件捕获装置，其中，所述球捕获套 筒包括薄壁金属导管，所述插塞的至少一部分包括圆柱形四氟乙烯部 件。
6. 如权利要求1所述的限制元件捕获装置，其中，所述球捕获套 筒和插塞相对于所述管状主体静止地保持。
7. 如权利要求1所述的限制元件捕获装置，其中，所述球捕获套 筒和插塞定位在所述管状主体的井下端部中。
8. 如权利要求1-7中任意一项所述的限制元件捕获装置，还包括 井下设备，所述井下设备包括具有纵向轴线和钻具孔的管状钻具主体， 所述管状主体滑动定位在所述管状钻具主件的钻具孔内并且构造为有 选择地防止所述井下设备的操作部件暴露给位于延伸穿过所述内孔和钻具孔的钻井流体流动路径内的钻井流体。
9. 如权利要求8所述的限制元件捕获装置，其中，所述井下设备 是可扩张扩眼器设备，所述管状主体是所述可扩张扩眼器设备的移动 套筒。
10. 如权利要求8所述的限制元件捕获装置，其中，所述管状主体暴露给钻^流体的压力。
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11. 如权利要求8所述的限制元件捕获装置，还包括操作部件，所 述操作部件定位和构造为通过响应于所述管状主体的运动暴露给所述 流动路径内的钻井流体压力进行操作。
12. 如权利要求11所述的限制元件捕获装置，其中，所述操作部 件包括用于引导钻井流体的喷嘴。
13. 如权利要求11所述的限制元件捕获装置，其中，所述操作部 件是推动套筒，所述推动套筒布置在所述管状钻具主件的钻具孔内并 构造为响应于对流过所述钻井流体流动路径的钻井流体的压力的暴露 进行轴向移动。
14. 如权利要求13所述的限制元件捕获装置，其中，所述管状主 体通过剪切组件在所述管状钻具主件的钻具孔内轴向保持在初始位 置。
15. 如权利要求14所述的限制元件捕获装置，其中，所述球捕获 套筒和插塞包括球捕获组件，所述球捕获组件的尺寸和结构设置为保 持地接收限制元件，所述限制元件包括沿井身下行方向移动的球。
16. 如权利要求15所述的限制元件捕获装置，其中，所述球捕获 组件的尺寸和结构设置成保持地接收限制元件，所述限制元件在流动 路径内的钻井流体的压力作用下沿井身下行方向移动，流动路径内的 钻井流体的该压力小于为松开所述管状主体以使所述推动套筒暴露给 所述流动路径内的钻井流体压力所需的流动路径内的钻井流体压力。
17. 如权利要求15所述的限制元件捕获装置，其中，所述球捕获 组件的尺寸和结构设置成保持地接收限制元件，所述限制元件在流动路径内的钻井流体的压力作用下沿井身下行方向移动，流动路径内的 钻井流体的该压力小于为松开所述管状主体以使所述推动套筒暴露给 所述流动路径内的钻井流体压力所需的流动路径内的钻井流体压力， 其中，所述球捕获组件的尺寸和结构设置为使保持接收的限制元件固 定，所述保持接收的限制元件在所述流动路径内的钻井流体的压力下 沿井身下行方向移动，所述流动路径内的钻井流体的压力远大于松开 所述管状主体所需的压力。
18. 如权利要求15所述的限制元件捕获装置，其中，所述球捕获 组件的尺寸和结构设置成保持地接收在所述流动路径内的钻井流体的 压力作用下沿井身下行方向移动的限制元件，以及保持所述接收的限 制元件以防在大体上相同的压力程度下沿井身上行方向运动。
19. 一种用于致动位于地下地层井孔内的井下设备的方法，包括 将井下设备布置在地下地层内，所述井下设备包括限制元件捕获装置，所述限制元件捕获装置构造为保持地接收限制元件并且定位在 致动元件的孔内，定位成在所述井下设备的孔内运动以及构造为有选 择地防止操作部件在所述运动之前受到井下设备内的钻井流体压力的 影响；使钻井流体经由流动路径流过所述井下设备； 将限制元件布置在所述钻井流体中；将所述限制元件保持地接收在由流过所述流动路径的钻井流体所 承载的所述限制元件捕获装置中以阻塞所述流动路径；和松开所述致动元件以在所述流体流动路径阻塞期间或之后运动。
20. 如权利要求19所述的方法，其中，在远小于为^^开所述致动 流^收在所述限制元件捕获装置中。
全文摘要
一种用于接合地下地层中的井孔的井下设备包括具有纵向轴线和第一孔的管状主体；具有第二孔并定位在所述管状主体的第一孔内的致动元件；延伸穿过所述第一和第二孔的钻井流体流动路径；和定位在所述致动元件的第二孔中的限制元件捕获装置。致动元件构造为有选择地防止井下设备的操作部件暴露在所述管状主体内的压力下，并且所述限制元件捕获装置构造为保持地接收诸如球(147)的限制元件。本发明还提供了与用于保持地接收限制元件的致动元件一起使用的限制元件捕获装置以及用于扩大地下地层中的井孔的可扩张扩眼器设备。本发明进一步提供了用于致动位于地下地层井孔内的井下设备的方法。
文档编号E21B10/26GK101589205SQ200780050292
公开日2009年11月25日 申请日期2007年12月4日 优先权日2006年12月4日
发明者S·R·雷德福 申请人:贝克休斯公司