专利名称：可转换的井下隔离塞的制作方法
技术领域：
本文涉及用于油井孔和气井孔中的井下工具以及用于处理井孔的方法。本文特别地涉及能够从桥塞转换成碎裂塞而不需要从井孔中移除封隔器的井下封隔器(downholepacker)。
背景技术：
在油井的钻孔或者再加工中，许多种类的井下工具被使用。例如，但是不是以限制的方式，当期望泵送水泥或者其它浆料向下到管道并且迫使浆料排出进入地层中时，通常所期望的是密封井筒(well casing)中的管道或者其它导管。因此，相对于井筒密封管道、以及防止浆料的流体压力把管道抬升到井外变成必需的。井下工具(被称为封隔器和桥塞)被设计成提供密封井筒中的管道或者其它的导管的能力，并且这些井下工具在生产油和气的领域中是公知的。 封隔器和桥塞典型地使用金属的或者非金属的滑动元件、或者滑片。滑片最初被保持为紧靠心轴，但是随后被迫向外远离心轴以接合被预先安装在井孔内的筒。因此，当工具被设置在期望的深度时，滑片被迫向外抵靠井孔以固定封隔器或者桥塞，因此工具在工作的期间将不相对于筒运动。一些非限制性的实例操作包括测试、井的刺激生产或者堵塞井的全部或者部分。使用封隔器和桥塞的井操作者遭遇的一个问题是在其它类型的塞子的安装之前必须移除封隔器和/或塞子。碎裂塞是良好的实例。碎裂塞实质上是具有用于容纳密封球的球座的井下封隔器。当封隔器被安装并且密封球接合球座时，筒、或者安装有碎裂塞的其它导管被密封。一旦密封球被安装，操作者就能够泵送流体进入井中，并且被泵送的流体可以被迫进入在碎裂塞上方的地层中。常常，必须完全地阻塞来自于下层区域的流以促进上层区域的处理、或者引导在上侧区域中的一些其它的过程。在初始的处理或者其它的过程完成之后，可能理想的是允许来自于下层区域的流并且能够限制那个流。存在对于可以被安装在井中以充当桥塞、并且当在井中时可以被转换成碎裂塞的工具的需求。
发明内容
一个公开的实施例是用于井中的井下工具。井下工具包括心轴，心轴限定穿过该心轴的中心流通道和位于心轴上的球座。围绕心轴设置在密封元件。井下工具在井中可以从未安装位置移动到安装位置，其中密封元件接合该井。用于阻塞经过井下工具的流的实心插塞被可移除地连接在心轴中。密封球被设置在井中并且与球座纵向地间隔开。在井中预先确定的压力的施加将同时地移除实心插塞和移动密封球以与球座的接合。另一个实施例提供了用于井中的井下工具。井下工具包括心轴，该心轴具有上端部和下端部。心轴限定穿过心轴的纵向中心流通道。心轴还限定位于心轴的上端部上的球座。密封元件围绕心轴设置以用于密封地接合井。插塞被可分离地保持在心轴内，并且支杆被设置在纵向中心流通道内。支杆具有第一端部和第二端部，第一端部接触插塞，第二端部接触密封球以使密封球与球座间隔开。另一个实施例提供了将设置在井中的井下工具从桥塞转换成碎裂塞的方法。方法包括将井下工具降到井中。井下工具限定穿过该井下工具的纵向中心流通道。方法进一步包括在井中安装井下工具的步骤，其中井下工具接合井。经过工具的流通过可分离地连接到工具上的实心插塞而在经过纵向中心流通道的向上和向下的方向上被阻塞。密封球在井中被设置在纵向中心流通道的上方。增大井中的压力，从而导致实心插塞从井下工具分离并且移动密封球以与设置在井下工具上的球座接合。当密封球处于与球座的接合中时，阻止经过井下工具的向下的流，但是允许经过井下工具的向上的流。
图I示意性地示出了被设置在井中的两个井下工具。图2是处于未安装位置中的井下工具的横截面图。·
图3是在安装位置的井下工具的横截面图。图4是井下工具的横截面图，其中插塞被拆卸。
具体实施例方式在下文中的描述中，类似的部件在整个说明书和附图中分别用相同的标号标记。附图不是必然地按比例的，并且特定部件的比例已经被放大以更好地图示本发明的细节和特征。在下文的描述中，如此处所使用的上”、“向上”、“下”、“下方”、“井下”等的术语意思是与周围井孔的底部或者最远长度有关。这应用于即使井或者它的部分可以是偏斜的或者水平的情况。术语“向内”和“向外”是分别朝向和远离涉及的物体的几何中心的方向。在相对公知的设计的元件被使用的情况下，它们的结构和操作将不会被详细描述。参考附图，以及特别地图1，本发明的井下工具被示出并且用数字10指明。井下工具10具有上端部11和下端部13。在图I中，示出了两个井下工具10，并且在这里可以被称为下井下工具IOa和第二井下工具或者上井下工具10b。井下工具IOa和IOb可以是相同的，并且使用子标记a和b来简单地指明工具位于井中的不同位置。图I示意性地描述了位于井14中的安装位置中的井下工具10，所述井包括井孔12，井孔具有被水泥接合于井孔中的筒16。井14可以与一个或者多个地层或者区域(比如第一区域18和第二区域20)相交。示出了在用安装工具22降到井14中之后的井下工具
10。安装工具22可以是本领域中已知的任何类型。图2示出了安装工具22的一个实例。参考图2，示出了井下工具10的截面，其中安装工具22被附装到该井下工具上以用于操作井下工具10进入井14中。在图2中井下工具10处于未安装位置。井下工具10通常地被称为封隔器，并且在这里被称为封隔器24。封隔器24包括心轴26，心轴具有第一端部或者上端部28和第二端部或者下端部30。心轴26限定了纵向中心流通道32以允许流体经过其流通。心轴26限定在其上端部28上的球座34。球座34具有下端部33，该下端部被设置在球座34流进纵向中心流通道32中的位置处。密封球35被设置在安装工具22与球座34之间并且与球座34间隔开。密封球35可以被称为碎裂球(frac ball) 35。封隔器24被设计成被安装在井14中。因此，心轴26具有围绕其设置的密封元件36。垫圈38通过销40固定到心轴26上。垫圈38提供了用来轴向地保持滑动段42的支座，该滑动段围绕心轴26圆周地设置。滑动段42可以使用如在美国专利第5，984，007号中所详细描述的陶瓷按钮44，该美国专利通过引用的方式合并到本文中。滑动保持带46用于将滑动段42围绕心轴26径向地保持在初始圆周位置。滑动保持带46可以由钢丝、塑料材料或者具有足够的强度的必需的特性的复合材料制成以在安装井下工具10之前把滑动段42固持在适当的位置，并且是可以钻孔的。优选地，滑动保持带46是便宜的并且容易围绕滑动段42安装。滑动楔48初始地以与滑动段42的可滑动关系的方式设置并且部分地位于滑动段42的下方。滑动楔48被示出为通过销50被固定就位。位于上滑动楔48的下方的是至少一个密封元件36。图2的实施例具有封隔器元件组件52，该封隔器元件组件52由围绕心轴26设置的三个可膨胀密封、或者封隔器元件36构成。封隔器承座(shoes)56被设置在封隔器元件组件52的上端部和下端部处，并且提供到对封隔器元件组件的轴向支撑。示出在图2中的特别的封隔器密封或者元件装置仅仅是代表性的，因为存在本领域内所已知的和已使用的一些封隔器元件装置。位于下滑动楔48的下方的是多个滑动段42。牵引器承座(mule shoe)58通过径向地定向的销和/或环氧树脂胶60固定到心轴26。牵引器承座58在心轴26的下端部30的下方延伸并且具有下端部62，该下端部包括井下工具10的下端部13。井下工具10的最 下部分不必需是牵引器承座58，但是可以是任何类型的段，所述段用来终止井下工具10的结构，或者所述段用作用于将井下工具10和其它工具、阀、管道或者其它井下设备连接的连接器。返回参考图2，心轴26具有被设置在或者靠近其下端部30的凹部66。纵向中心流通道32具有第一内直径68和第二内直径70，该第二内直径限定凹槽66。第二内直径70因此大于第一内直径68。凹槽66还限定台肩72。实心插塞74被可移除地设置在心轴26中，优选地设置在凹部66中。插塞74通过剪切销或者其它的固持方法可分离地连接到心轴26上。插塞74在其上端部80具有收容孔78。插塞74具有O形密封圈82以密封地接合凹部66。具有上端部86和下端部88的支杆84被设置在纵向中心流通道32中。下端部88接合实心插塞74，并且被收容在收容孔78中，使得与其接触。上端部86延伸超出球座34的下端部33以把球座34与密封球35间隔开以及以防止密封球35过早地落座在球座34上。在替换的实施例中，没有使用收容孔78，并且支杆84简单地接触插塞74的上端部80。井下工具10的工作如下所述。使用安装工具22将井下工具10降到井孔12中，该安装工具是本领域中已知的类型的安装工具。当井下工具10被降到井孔12中时，由于实心插塞74，经过纵向中心流通道32的流将被阻止。设置密封球35并且通过支杆84使密封球与球座34间隔开。一旦井下工具10已经被降到在井14中的期望的位置，使用安装工具22以使井下工具10从它的未安装位置移动到安装位置，如分别在图2和3中描述的。安装套管(未示出)将接合垫圈38，使得当安装工具22向上运动时，垫圈38被保持就位。一旦安装，来自于插塞74的上方和下方的所有向上的和向下的流体流通被阻止。工具10因此充当桥塞以阻止在井中的流。工具10可以在预先穿孔的和碎裂的区域(例如图I中的第二区域20)的上方被安装在井中。其上的区域(例如，第一区域18)可以被碎裂，并且工具IOa (其充当桥塞)阻止来自于区域20的流体向上通过，并且同样地阻止来自于工具IOa的上方的流体压力作用于区域20上。
为了转换井下工具10，插塞74被从心轴26移除。移除插塞74需要预先确定的压力的施加以在插塞74上产生足够的力以拆下或者移除插塞74。在一个实施例中，通过剪切销76保持插塞74，并且预先确定的压力将切断销76。移除插塞74所需要的流体压力将小于用来碎裂其上方的区域的压力，使得在其上方的区域的碎裂时工具10自动地转换成碎裂塞。剪切销76的切断允许插塞74和支杆84落入井14中。随着插塞74的分离，工具10表现为标准碎裂塞，其中密封球35根据来自于上方的流通的流体的压力落座到球座34上和从球座34退出。移除实心插塞74和使密封球35与球座34接触在被描述的实施例中是同时的。为示例性的目的使用图1，可以将第一工具IOa降到井14中并且安装在地层20的上方，地层20将在把工具IOa安装在井14中之前已经被穿孔和碎裂。压力可以被增大以碎裂在其上方的区域18。当初始地被安装在井14中时，工具10将充当桥塞以阻止从地层20向上经过工具的流。碎裂压力将大于在工具IOa中移动或者分离插塞74所需要的压力，使得碎裂压力的施加将自动地使工具IOa转换成碎裂塞。转换简单地由被增大的压力引起，该被增大的压力将作用于插塞74上以从其移除它并且同时移动密封球35以与座34的接合。碎裂因此以常规的方式继续。一旦区域18已经被碎裂，压力可以被释放并且来自·于区域20和18的流体可以向上通过到地面。因此，工具IOa简单地作为碎裂塞。如果期望的话，重复该过程，使得在图I中被称为工具IOb的第二工具可以在区域18的上方安装在井中，并且重复在这里描述的过程。在井中可以根据所期望的次数来重复该过程。因此，如在这里描述的，工具10可以从桥塞转换成碎裂塞，同时在井中以有效地防止从下层区域进入上层区域的流通，并且反之亦然，直到碎裂完成。一旦所有碎裂已经被完成，则向碎裂塞的自动转换允许所有区域连通到地面。因此，可以看到本发明的装置和方法容易地实现所提到的目标和优点以及固有的目标和优点。虽然本发明的确定的优选的实施例已经为当前揭露的目的而图示和描述，但是本领域技术人员可以在部件和步骤的设置和构造方面做出许多改变，这些改变均被包含在如被后附的权利要求定义的一样的本发明的范围和精神之内。
权利要求
1.一种用于井中的井下工具，包括 心轴，限定中心流通道和球座； 密封元件，围绕所述心轴设置并且在所述井中能够从未安装位置移动到安装位置；插塞，可分离地设置在所述心轴中以用于完全地阻止通过所述中心流通道的流；以及密封球，与所述球座纵向地间隔开，其中在所述井中的预先确定的压力的施加将所述插塞从所述心轴分离并且移动所述密封球以与所述球座接合。
2.根据权利要求I所述的井下工具，进一步包括支杆，所述支杆设置在所述心轴中，其中所述支杆与所述密封球接合以使所述密封球与所述球座间隔开直到所述插塞被分离。
3.根据权利要求I所述的井下工具，所述插塞具有支杆，所述支杆从所述插塞延伸以接合所述密封球并且使所述密封球与所述球座间隔开。
4.根据权利要求I所述的井下工具，其中，所述工具包括在所述插塞从所述心轴分离之前的桥塞、以及在分离之后的碎裂塞。
5.一种用于井中的井下工具，所述工具包括 心轴，具有上端部和下端部，所述心轴限定穿过所述心轴的纵向中心流通道，其中所述心轴限定位于所述心轴的所述上端部上的球座； 密封元件，围绕所述心轴设置以用于密封地接合所述井； 插塞，可分离地保持在所述心轴中；以及 支杆，设置在所述纵向中心流通道中，所述支杆具有第一端部和第二端部，所述第一端部接触所述插塞并且在所述纵向流通道中从所述插塞延伸。
6.根据权利要求5所述的井下工具，进一步包括密封球，所述密封球与所述球座间隔开。
7.根据权利要求6所述的井下工具，其中，所述支杆的第二端部接合所述密封球，以使所述密封球与所述球座间隔开，并且防止所述密封球接合所述球座直到在所述井中施加预先确定的量的压力。
8.根据权利要求7所述的井下工具，其中，所述预先确定的压力足以使所述插塞从所述心轴分离。
9.根据权利要求7所述的井下工具，其中，在所述井中施加所述预先确定的压力时，所述插塞从所述心轴分离和移除，并且所述球被移动以与所述球座接合。
10.根据权利要求7所述的井下工具，其中，在所述插塞从所述心轴分离时，所述工具在所述井中从桥塞转换成碎裂塞。
11.根据权利要求5所述的井下工具，其中，所述井下工具在所述井中能够从未安装位置移动到安装位置。
12.—种用于将井下工具从桥塞转换成碎裂塞的方法,包括 将所述井下工具降到所述井中，所述井下工具限定穿过所述井下工具的纵向中心流通道； 通过设置在所述纵向中心流通道中的实心插塞阻塞在向上的和向下的方向上经过所述纵向中心流通道的流； 在所述井中安装所述井下工具，使得所述井下工具密封地接合所述井； 在所述井中，在所述纵向中心流通道的上方设置密封球；将所述井中的压力增大到预先确定的压力以移除所述实心插塞；以及使所述井下工具上的球座与所述密封球接触，所述密封球阻止流在所述向下的方向上经过所述纵向中心流通道。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在将所述井中的所述压力增大到所述预先确定的压力的步骤之前在所述工具的上方对所述井穿孔的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在使所述球座与所述密封球接触的步骤之后在所述工具的上方碎裂区域的步骤。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括通过接合所述实心插塞的支杆使所述球与所述球座间隔开。
16.—种在井中碎裂多个区域的方法，包括 (a)碎裂所述井中的第一区域； (b)将桥塞降到所述井中，所述桥塞包括心轴，所述心轴具有围绕所述心轴设置的密封元件以及设置在所述心轴中的实心插塞，所述心轴限定穿过所述心轴的纵向流通道； (c)在将所述桥塞安装在所述井中之前，在所述井中放置密封球； Cd)使所述密封球与所述纵向流通道间隔开； Ce)在所述井中，在所述第一碎裂的区域的上方安装所述桥塞； Cf)同时地分离所述实心插塞并且移动所述密封球以与所述球座接合，以把所述桥塞转换成碎裂塞；以及 (g)碎裂位于所述工具上方的第二区域。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述同时分离和移动的步骤包括在所述井中增大在所述桥塞上方的压力。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括减小所述井中的压力，以允许来自于所述第一区域的流体向上经过所述纵向流通道。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括 通过第二桥塞在所述第二碎裂的区域的上方重复步骤(a)_ (e)； 同时地分离所述实心插塞并且移动所述第二桥塞的所述密封球以与所述第二桥塞的所述球座接合，以使所述第二桥塞转换成第二碎裂塞；以及碎裂位于所述第二碎裂塞上方的第三区域。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在碎裂所述第三区域之后减小所述井中的压力，使得来自于所述第一、第二和第三碎裂的区域的流体能在所述井中向上通过。
21.一种将井下工具在井中从桥塞转换成碎裂塞的方法，包括 将具有上端部和下端部的心轴降到所述井中，所述心轴限定穿过所述心轴的纵向中心流通道以及位于所述心轴的所述上端部上的球座，所述心轴具有连接在所述心轴中用于阻塞穿过所述心轴的流的实心插塞； 在所述井中设置碎裂球，所述碎裂球与所述球座间隔开；以及同时地从所述心轴分离所述实心插塞并且移动所述密封球以与所述座接合，使得阻止经过所述纵向中心通道的向下的流而允许经过所述纵向中心通道的向上的流。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括 在所述纵向流通道中设置支杆；以及在将所述插塞从所述心轴分离之前，通过所述支杆使所述密封球与所述座间隔开。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述支杆接合所述实心插塞和所述密封球。
全文摘要
提供了一种井下工具，其能够隔离来自于在所安装的井下工具的下方的流通压力、并且能够被转换成碎裂塞。井下工具包括封隔器，封隔器具有限定在封隔器中的球座。插塞设置在井下工具的下端部处以隔离上部井和下部井。密封球通过安装工具而用封隔器携带进入井中。密封球的远离球座的运动被密封球与下部井的隔离限制。支杆被设置成穿过井下工具接触插塞。支杆被部分地设置在球座中，阻止密封球进行密封。当封隔器被安装时，在井内的流被隔离，从而允许在封隔器的上方对井的处理。在施加足够的压力的情况下，密封球施加力到支杆上，该支杆从工具内切断插塞。该工具被转换成标准的碎裂塞。
文档编号E21B33/134GK102918227SQ201180026780
公开日2013年2月6日 申请日期2011年3月24日 优先权日2010年3月31日
发明者杰西·C·波特, 凯文·雷·曼克 申请人:哈里伯顿能源服务公司