专利名称：应力监控牵引器的制作方法
技术领域：
此处描述的实施方式是关于通过裸眼井传送工具到烃井中的牵引器。特别地，所 描述的牵引器的实施方式采用了作用于牵引器的膨胀机构和裸眼井无套管壁之间的应力 的技术和特征。
背景技术：
井下牵引器常被用于驱动井下工具穿透油田中水平的或者大斜度的井。以这种方 式，工具可以被定位于即使是非垂直状态的那些井中。不同配置的井下牵引器被采用于这 些井中。例如，可利用往复式或者“被动式”牵引器，这些牵引器采用了带有可驱动锚的用以 相互接触井壁的独立邻接探头。即，探头交替固定在与井壁套管接触的锚上并且以尺蠖状 在井中前进。或者，一种“主动式”或者连续运动牵引器使用具有驱动牵引元件的牵引臂。 这样的驱动牵引元件包括齿轮，凸轮，垫，履带，轮或者链。应用这种牵引器，驱动牵引元件 可以在套管接口的井眼中连续移动，从而驱动牵弓I器通过井。不管选择何种牵引器配置，该牵引器，具有数千磅设备，被驱动到井下数千英尺 深，以在井下需要工作的位置实施操作。为了达到这种程度的牵引，力通过提到过的臂和/ 或牵引部件从牵引器传递向井壁。理论上来说，牵引器应因此穿过井时避免滑脱并且达到 所提到过的前进运动。不幸的是，当通过所述无套管井的裸眼井时牵引器通过井的前进可能面临特殊的 挑战。那就是，在某些操作中，井可能是无套管且仅由裸露地层限定。在这种情况下，该井 可能具有通壁变化的直径。例如，在数千尺的过程中断断续续地从8英寸膨胀到超过11英 寸再从锥形回到大约8英寸是不常见的。因此，离开统一直径的套管提供的支持，牵引器依 靠连接裸眼井壁的变化直径的径向扩张来保持牵引。为了确保在裸眼孔中保持牵引的径向扩张是足够的，可能采用过量的扩张力。所 以，参考上面提到的井为例，牵引机构(例如，锚或者弓形弹簧)传递的力的量可以预先设 置到一个特足够大的量来扩张和驱动牵引器通过11英寸直径的井的断面。因此，牵引器在 井径从8英寸变化到11英寸时需要避免滑脱。不幸地，尽管过大的扩张力可以确保牵引通过裸眼井的大直径断面，但这种技术 也可能会导致牵引器的损坏。例如，常规牵引器装有配置来抵抗最大力达约5，000磅的锚 臂。然而，在一种情况下锚臂被预先设置到实施大约4，500磅工作来通过11英寸直径的裸 眼井，当牵引器通过所述8英寸井断面时候可能会有超过5，000磅的井的力施加在锚臂上。 因为过应力作用在锚臂上而导致牵引器的机械失效。而且，即使在锚臂或者其他扩张机构具有足够强度和耐久性来抵抗所述过大的应 力的情况下，裸露地层限定的井不一定是。也就是说，在许多情况下当压缩应力过大时，过 大的应力的使用会引起暴露井壁的破坏。因此，自然状态相对较软的地层，足够大驱动牵引 器通过11英寸的井断面的应力使用可能会破坏8英寸的直径断面。尽管如此，过大的应力 经常被使用来帮助确保达到牵引通过变化直径的裸眼井。结果，即使牵引器没有被破坏的情况下井壁的某些部位也经常坍塌或者破裂。事实上，即使技术上不破坏，牵引器不能被相 对其嵌入井眼的坍塌断面的扩张机构进行操作。在这种情况下，不仅牵引要停止，并且随之 而来会有高成本的打捞操作。
发明内容
本申请描述了一种裸眼井中使用的牵引装置。此装置包括具有与井壁接触的驱动 机构的伸长主体。应力监控装置也被提供来配合驱动机构监控牵引过程中的应力。
图1为裸眼井中配置的应力监控牵引器的一侧断面视图。图2为具有图1所示应力监控牵引器的兼容了裸眼井的油田透视图。图3为裸眼井中图1中所示应力监控牵引器的放大断面视图。图4为图3中描绘的应力监控牵引器的井下夹持座的放大图。图5为相邻于图1中裸眼井的限制在井下布置的探头的放大断面的视图。图6为总结的裸眼井中应力监控牵引器的一个实施方式的流程图。
具体实施例方式参考一些裸眼井中牵引装置描述一些实施例。主要是集中于多探头配置的牵引器 装置。特别地，在此处参考实施例描述了一种井下测井应用的往复式探头类型的牵引器。然 而，根据本发明的实施例，可以采用各种牵引器类型各种应用。无论如何，这里详细描述的 实施例包括尤其适用于裸眼井的应用了应力监控技术和特征的牵引器。这样，在牵引操作 的过程中井的结构完整性得以基本保持。也即，应力可以用来驱动牵引器，而所述应力被监 测和保持在足够用于驱动的水平，而不会超过导致井壁出现实质性剪切的最终压缩强度。参考图1，布置在裸眼井180中应力监控牵引器100的实施例的侧断面视图被描 述。在这个显示的实施例中，牵引器100具有多探头，使得井口探头150和井下探头175接 触井壁185并且作为牵引器100的驱动结构。然而，在其他实施例中，可以采用其他类型的 牵引器配置，比如那些采用轨道，轮，链和垫作为牵引器驱动机构的牵引器配置。图1中表示了裸眼井中的并不鲜见的井径变化。例如，井180的井上部分直径 (D) 190比起井180的井下部分190的直径(D')要大。另外，在裸眼井180的情况下，井 壁185只是地层194的暴露表面。同时，外露地层194加上小直径(D')井眼部分使得井 180在施工中特别容易坍塌和/或损毁。但是，如下所描述，图1所示的牵引器100安装有 应力监控装置能够在牵引通过小直径(D')井部分(例如在195上)过程中控制施加在 井壁185上的应力。另外，牵引器100也可以包括有配置来在一个更大的区域分散牵引器 100和井壁185的物理连接的夹持座122，124。以这种方式，井壁185由于和牵引器100的 应力连接损毁的几率可以减小。继续参考图1，牵引器100由一个容纳各个探头150，175的伸长的主体115或者 轴构成。探头150，170相应地由弓形弹簧142，144组成，这些弹簧通过所示的移动连接器 112，114联接到主体115的。径向扩张臂132，134被配置位于每个弓形弹簧142，144的连 接器112、114之间，以强行地以交替方式连接井壁185的。这样，牵引器100以一种尺蠖方式进入井下。这就是多探头配置的往复式牵引器100的特性。如上所述，井180是一种裸眼井类型。像这样，台阶192的出现或者井形态和/或 直径(如(D)到(D'))的变化屡见不鲜。考虑到这一点，牵引器100也安装有与每个探头 探头150，175关联的应力监控机构102，104。如下面将详细介绍的，这些机构102，104可以 被采用来帮助无论井径在任何位置确保扩张臂132，134引导的应力连接不会超过预定的 量。像这样，不论使用上述何种牵引，裸眼井180的结构完整性可以最大程度的被保留。参考图2，为牵引过程的放大视图。在这个视图里可以看到油田275上的裸眼井 180穿过在其他地层294以下的地层194。在所示的这个实施例中，牵引器100通过常规的 电缆220从油田275的表面部署。然而，也可以使用其他类型的井进出线。如图2中所示， 几千英尺的电缆220可以从电缆装备210通过油田275上的井口 230到达所示牵引器100。 该装备可以包括配置有缠绕电缆220的容纳滚筒217的常规电缆车215。在所示实施例中， 控制装置219同样以卡车215的形式提供来引导电缆220的布置并配合牵引。往复式牵引器100可以非常容易的输送井下工具250到图2中所示位置。例如，那 些相对有挑战性的到达部位，比如位于地表下数千英尺的水平井区段。在这种情况下，牵引 器100拖拽的载荷数量可能超过几千磅并且当牵引器100 —步步深入井180中时候继续增 加。然而，电缆220带给牵引器100足够的动力，并且牵引器通过常规的测井头240固定其 上。因此，牵引工作的进行伴随着井口探头150和井下探头175交替的抓持和相对于井壁 滑动从而拉住整个组件一步一步下井。所以，例如，井180的测井工作可以在一种实施方式 中进行，此时井下工具250作为测井工具。另外，由于应力监控机构102，104连接探头150， 175，测井应用过程可以进行，而不会因为牵引对裸眼井180造成重大损毁。参考图3，其表示了在井180的小直径(D')井下部分195中的井下探头175的 放大断面视图。探头175的应力监控机构104在调整控制探头175和井壁185之间的物理 连接中扮演了重要角色。也就是说，考虑到探头175的弓形弹簧144可被设置为扩张用来 抓持井壁185。然而，井180的直径(D')在井下部分195减小。因此，应力监控机构104 被用来确保扩张应力不超过预定的量。以这种方式，当弓形弹簧144抓持座124抓持井壁 185从而拖动部件到井下时候，裸露井壁185的损坏可以避免。继续参考图3，应力监控机构104包括一个压力传感器303比如用于监控操作过程 中通过弓形弹簧144传递的压力和/或应力的换能器。具体来说，压力传感器303可以耦 接到与活塞301相通的液压腔室302。虽然所述的压力监控机构104基于压力，但是优选的 实施例也可以基于应变计或者包括其他合适的探测机构。如所示，活塞301可以直接耦接到强制控制弓形弹簧144和井壁185的结合的径 向扩张臂134。因此，当井180的直径(D')减小且弓形弹簧的144应力增大时，活塞301 被推向腔室302。这样，腔室302中的液压压力可以通过压力传感器303可探测到方式升 高。在一个实施例中，腔室的压力可以接近7500-12500psi。这样的压力可以通过如下所述 的井下处理器304记录和插值，从而大致确定通过弓形弹簧144传递的应力大小。通过压力传感器303获得的应力信息可以以多种形式应用。例如，传感器303可 以耦接到所示的井下处理器304。因此，信息被记录并且向井口中继(例如，通过图2中的 电缆220)。以这种方式，井直径和/或探头和牵引器位置信息可以被获取和利用。就是说， 通过知道井直径的井180几何结构的预定地图，可以用来确定牵引器的位置。另外，如上所述，这些信息可以用于控制通过弓形弹簧144传输的应力大小从而减小牵引过程中井壁 185的损毁。例如，在获得指示应力超过预定大小的信息时，处理器304可以用于指挥从腔 室302中通过传统装置释放流体。以这种方式，活塞301上的压力，以及最终通过弓形弹簧 144传递的应力都会减小。同时参考所述图1和图2，牵引器100被配置为拖着几千磅的载荷深入井180。因 此，必须采用足够的应力来牵引。然而，对于所述暴露，裸眼特性的井180，牵引器100还可 以配置成避免通过任何的弓形弹簧142，144向井壁185的传递过大的应力。针对控制通过 这些弓形弹簧142，144的应力，下面给出更详细的说明。在一个实施例中，可以设置大约5000psi的预定目标压力，从而确保在各个探头 150,175的工作行程中有足够但是不造成损坏的压力通过锚定的弓形弹簧142，144传递。 例如，地层194的极限耐压强度是大约5250psi。在这样一个实施例中，一旦压力传感器303 探测到压力超过预定值5000psi，则井下处理器304可以从腔室302释放或者减少流体。 例如，当井下探头175从10英寸的井180的井口部分190移动到8英寸的部分195时，通 过弓形弹簧144传递的压力开始增加。然而，从腔室302释放流体将允许压力回到目标值 5000psi。相似地，一旦探测到压力小于大约5000psi，处理器304可以指挥引入或者填充腔 室302。总之，在给定探头175的工作行程始终，可以保持通过弓形弹簧144传递的压力处 于大约4800psi到大约5200psi压力范围。上面所提供的例子中，要注意工作行程为时间周期，在这个时间周期内给定探头 150，175通过弓形弹簧142，144传递的应力锚定到井壁185上。这种锚定力被所述机构 102，104监控。然而，在牵引器100往复的其他时候，所述探头150，175可以有意地被允许 相对井壁185进行滑动。事实上，在任何一点，可以一个探头150，175锚定而另一个滑动， 从而产生如前面所述那样牵引器100如尺蠖状前进。值得注意的是，在探头150，175滑动期间(比如其“返回行程”)，在弓形弹簧142， 144和井壁185之间传递的应力降低到远低于大约4800psi和5200psi之间的范围，例如。 另外，在返回行程过程中，这些应力的调整可以通过应力监控机构102，104外侧的特征来 控制。然而在另一个实施例中，可以利用机构102，104启动探头150，175滑动，用于返回行 程。另外，一旦回到工作行程，腔室302可以发生少量膨胀，使得在其中建立足够大的锚定 力。这种膨胀会伴随着牵引器100的自然往复运动而发生。接着还同时参考图4，其更详细的描述了井下探头175的一个抓持座124。也就是 说，除了应用应力监控机构104，一个特别配置的抓持座124也被使用来减少锚定时井180 的井壁185的损毁。特别地，抓持座124包括配置用来连接井壁185的宽阔区域的表面400。 就是说，与其提供一种齿形凸轮或其它传统的连接特征，表面400在径向应力弓形弹簧144 和井壁185之间扩展结合接触部。因此，避免了潜在的损坏以及弓形弹簧144和井壁185 之间由应力引发的接触线或接触点。换言之，抓持座124配置用来与井壁185以非点方式 或者非线方式接触，为其提供保护。在一个实施例中，表面400甚至是例如钨碳化物的相对 较硬的材料。同时参考图3中，抓持座124通过径向扩张臂134的连接轮375与探头175耦接。 如所示，连接轮375从臂134延伸并通过座124的槽350。实施例中所示槽350倾斜朝向， 这样轮375的下井运动可以结合弓形弹簧144受力向外径向膨胀一起发生。这样可以提高工作行程中相对于探头175的锚定稳定性。继续参考图3和图4，表示了用于接合井壁185，而在工作行程过程中，相对于井壁 185锚定的探头175。不过，提供了应力监控机构104和抓持座124两者。这些特征104， 124单独一个基本可以避免由于牵引而导致地层194坍塌。然而，当彼此配合使用时，机构 104和座124可以显著减小牵引过程中由探头175施加应力而在井壁185处造成井损毁的 全部合理可能性。现在参考图5，其表示的是井下探头175进一步前进到井180中的节流口 550。如 这里所述，术语“节流口”意味着井直径(D”)突然变小的特征。例如，图5中所示的井180 的裸眼井，节流口 550可能是自然形成的稳定的地层碎片。然而，在其他情况下，阀门或者 其他烃井特征件被预先定位在井下。无论如何，井直径(D”)可能如上所述突然缩小，这样 弓形弹簧144在没有抓持座124情况下和节流口 550接触，如在中间点575处。也就是说， 可能突然会出现从非轴向位置(如抓持座124外侧)通过弓形弹簧144传递应力。不过， 向这样一个位置的偏压可以有效地实现。现在参考图6，其表示的是总结了应力监控牵引器应用于裸眼井的实施例的流程 图。当通过牵引器传递到井壁上的力被持续监控时，如630所示，牵引器可以在井中前进， 如615所示。这种监控可以提供大量的有关井、牵引器位置等的信息。监控相对于结合部的应力还涉及跟踪通过膨胀臂直接传递的真实径向力，如645 所示，其中所述膨胀臂从牵引器的中央伸长主体延伸。这在图3中详细进行了描述，并且追 踪通过径向扩张臂(如134)传递的应力。替代地，结合处的应力监控可能涉及跟踪通过牵引器引入而主要不是通过径向扩 张臂导向的应力(如非径向应力)，如660所示。图5详细的描述了监控这些应力的例子。除了所采用的特殊监控类型或者所用监控的组合，获得的信息被用来调整臂上的 扩张压力如675所示。以这种方式，可以通过优化牵引同时尽可能保护地层结构完整性的 方式调节牵引器和裸眼井的暴露表面之间的结合处的应力。所述实施例详细地描述了用来在裸眼井中牵引的技术和装置，牵引方式解决了担 心牵引器和井壁之间的结合部存在过大的力的问题。这样的应力被监控和控制从而有利于 牵引器的寿命以及裸露井壁的结构完整性。之前的说明仅仅描述了发明的最佳的实施例。本领域及相关领域的技术人员可以 在不背离本发明的原则和范围的基础上得到所述结构和操作方法的交替和改变。因此，所 述说明不应仅看做有关的所描述和附图中所示的大概结构，而应当看做下述权利要求一致 和支持的总体和集中的范围。
权利要求
一种定位在裸眼井中的井下牵引器，所述牵引器包括伸长的主体；耦接到所述伸长的主体并配置用来相对于所述主体布置以结合井壁的驱动机构；耦接到所述驱动机构用来监控结合过程中其上的应力的应力监控机构。
2.如权利要求1所述的井下牵引器，进一步包括所述伸长的主体的可扩张臂，所述可 扩张臂耦接到所述驱动机构用于布置。
3.如权利要求2所述的牵引器，进一步包括与所述可扩张臂连通的所述伸长的主体 的液压腔室。
4.如权利要求3所述的牵引器，其特征在于，所述应力监控机构包括与所述液压腔室 通信、用于监控的压力传感器。
5.如权利要求4所述的牵引器，其特征在于，所述应力监控机构进一步包括处理器， 所述处理器耦接到所述压力传感器，从而根据来自所述压力传感器的信息来调整所述液压 腔室的膨胀和收缩。
6.如权利要求1所述的井下牵引器，其特征在于，所述驱动机构具有这样的配置，即包 括探头、轨道、链、轮或者垫中的一种。
7.如权利要求6所述的井下牵引器，其特征在于，所述探头包括用来结合的弓形弹簧。
8.如权利要求7所述的井下牵引器，进一步包括弓形弹簧的抓持座，所述抓持座用来 在结合过程中以非点或非线性方式接触井壁。
9.一种定位在裸眼井中的井下牵引器，该牵引器包括具有用来结合井壁的抓持座的弓形弹簧；耦接到所述弓形弹簧的可扩张臂，所述可扩张臂从所述牵引器的伸长主体布置以实现 所述结合；以及耦接到所述弓形弹簧的应力监控机构，以监控结合过程中所述弓形弹簧上的应力。
10.如权利要求9所述的井下牵引器，其特征在于，所述抓持座配置成在所述结合过程 中以非点或者非线性方式接触井壁。
11.如权利要求9所述的井下牵引器，其特征在于，所述抓持座包括用于所述结合的碳 化钨表面。
12.如权利要求9所述的井下牵引器，其特征在于，所述应力监控机构进一步包括与所述弓形弹簧通信的压力传感器；以及耦接到所述压力传感器的处理器，从而根据从所述传感器获得的信息来调整所述应力。
13.一种布置在裸眼井中的位置的井下组件，该组件包括井下牵引器，所述井下牵引器安装有应力监控机构以监控与井壁结合过程中所述牵引 器的驱动结构上的应力；以及用于将所述牵弓I器输送到井中的井进出线缆。
14.如权利要求13所述的井下组件，进一步包括耦接到所述井下牵引器、用于在所述 位置实施井下应用过程的井下工具。
15.如权利要求13所述的井下组件，其特征在于，所述应力监控机构包括在所述结合连接过程中与所述驱动机构通信的压力传感器；耦接到所述传感器以根据从所述压力传感器获得的信息所述调整所述应力的处理器。
16.如权利要求13所述的井下组件，其特征在于，所述驱动机构包括在所述结合过程 中以非点或非线性方式接触所述井壁的抓持座。
17.—种裸眼井中的牵引方法，此方法包括在井中定位牵引器；利用所述牵引器的驱动机构结合井壁用来牵引；并且在所述结合连接过程中监控所述驱动机构上的应力。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述监控包括从与该驱动机构通信的压 力传感器获得压力信息。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括根据所述压力信息确定井的直径和牵引 器的位置。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括根据所述压力信息调整所述驱动机构上 的应力。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述调整包括改变设置在耦接到所述驱 动机构的径向扩张臂和所述压力传感器之间的腔室中的液压压力。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述调整包括改变设置在所述驱动机构 的移动耦接器和所述压力传感器之间的通道内的液压压力。
全文摘要
本申请描述了一种裸眼井应用的井下牵引器组件。此组件包括应力监控机构来实时监控和控制通过牵引器的驱动机构引入的应力。这样，由于过大的牵引应力造成的裸眼井地层损坏以及牵引器机械损坏被减小。另外，牵引器的驱动机构包括多个探头和具有弓形弹簧的抓持座，所述抓持座配置成以非点状和非线状的方式在较大区域上结合井壁，从而避免了牵引中卡进井壁或者损坏井壁。
文档编号E21B23/14GK101979830SQ20101027840
公开日2011年2月23日 申请日期2010年5月4日 优先权日2009年5月1日
发明者基思·R·纳尔逊, 弗朗兹·阿吉雷, 戈哈·赛伊德 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司