专利名称：用于井的利用了启动球的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及用于井的利用了启动球的方法及装置。
背景技术：
出于制备用于生产油和天然气的井的目的，可经由如钢丝绳或连续油管柱(coiled tubing string)的部署机构将至少一个射孔枪部署到所述井中。然后，当所述一个或多个射孔枪被适当地定位时，可发射所述一个或多个枪的聚能药包(shaped charges)以便形成进入周围岩层中的射孔孔道，并且如果所述井被下套管，那么可能穿透所述井的套管。可以在所述井中进行其它的操作来增加所述井的穿透性，所述操作如井增产操作以及涉及水力压裂、酸化等的操作。在这些操作过程中，可以使用需要启动和/或停止启动(deactivation)的各种井下工具。作为非限制性实例，这些工具可包括压裂阀、膨胀式扩孔器以及尾管悬挂器。
发明内容
在一个实施方案中，一种系统包括管柱和启动球，所述管柱被适配成部署在井的井下。所述启动球被适配成部署在所述管柱中，以便嵌入所述柱的支座中。所述球包括球状体，所述球状体由比重小于约2. O的金属材料形成。在另一个实施方案中，一种技术包括将启动球部署在井中的井下管柱中。所述启动球包括球状体，所述球状体由比重小于约2. O的金属材料形成。所述技术包括使所述球通过所述柱的通道，直到所述球嵌入所述柱的支座中以形成障碍物(或流体密封障碍)；以及使用所述障碍物来加压所述管柱的区域。其它特征和优点将从以下描述及所附权利要求书中变得显而易见。
图1是根据本发明的实施方案的井的示意图。图2是描绘根据本发明的实施方案的在井中使用启动球的技术的流程图。图3A、图3B和图3C是示例性球启动工具的横截面图。图4是根据本文所公开的实施方案的启动球的横截面图。
具体实施例方式本文出于使用轻质启动球来启动井下工具的目的而公开了系统及技术。此种启动球可用于图1中所描绘的井10中。对这个实施例来说，井10包括延伸穿过一个或多个油气藏岩层的井眼12。尽管在图1中被描绘为主要的垂直井眼，但根据本发明的其它实施方案，井眼12也可以是偏斜或水平井眼。如图1中所描绘，管柱20延伸到井眼12中并且包括封隔器22，所述封隔器是径向扩展的或经“定型”以达到在管柱20的外表面与井眼壁之间形成一个或多个相应环形密封件的目的。封隔器22在定型时形成相应的隔离区域30 (在图1中描绘成区域30a、30b和30c，作为非限制性实例)，在所述隔离区域中可以进行各种完井操作。以这种方式，在管柱20伸入井眼12中并且将封隔器22定型之后，出于进行如压裂、增产、酸化等的完井操作的目，可取决于特定的实现方式每次在一个区域30中进行完井操作。出于选择给定区域30来进行完井操作的目的，管柱20包括使用启动球36来选择性地操作的工具。对于图1中所描绘的特定非限制性实施例来说，井下工具为套筒阀33。一般来说，对这个实例来说，每个套筒阀33都与给定区域30相关联并且包括套筒34，所述套筒通过启动球36来操作以选择性地打开套筒34。在这个方面，根据本发明的某些实施方案，当伸入井下时，套筒阀33均被初始地配置成关闭的。结合图1参看图3A，当关闭时(如在区域30b和30c中所描绘)，套筒34遮盖径向端口 32 (形成于套筒阀33的外壳35中，所述套筒阀与管柱30同心)，以便阻挡管柱20的中央通道21与相关联区域30的环带之间的流体连通。尽管未在附图中示出，但套筒阀33具有相关的密封件(例如，ο形环)以达到封闭穿过径向端口 32的流体连通的目的。套筒阀33可以通过给定启动球36的部署而打开，如在图1的区域30a中所描绘。结合图1参看图3B，给定启动球36是从所述的井的表面上进行部署并且在井下(沿箭头“A”的方向)行进穿过中央通道21，最终嵌入套筒34的支座38中并阻挡套筒阀33的中央通道39。结合图1参看图3C，当嵌入支座38中时，形成障碍物(或流体密封障碍)，这允许流体压力增加(例如，通过在所述井的表面上操作流体泵)，以便在套筒34上施加归结于压力差(即，球36上方的高压“P高”与球36下方的低压“P低”)的向下力，从而使得套筒阀33打开并且由此允许穿过相关径向端口 32的流体连通。参看图1，根据示例性非限制性实施方案，套筒阀33的支座38被分度，这样使得支座38的内径从所述井的表面朝向井眼12的末端或井趾(toe)变得越来越小。由于分度的开口，可以使用直径变化的一系列启动球36来选择并启动给定的套筒阀。以这种方式，对于本文所描述的示例性配置来说，出于启动最下方套筒阀的目的，首先将外径最小的启动球36部署到管柱20的中央通道21中。对图1中所描绘的实施例来说，用来启动用于区域30a的套筒阀33的启动球36由此小于用来启动用于区域30b的套筒阀33的相应的启动球36 (未示出)。以相应的方式，外径更大的启动球36 (未示出)可以被用来启动用于区域30c的套筒阀33，等等。尽管图1描绘了具有不同固定直径的支座38的系统，但可使用根据本发明的其它实施方案的其它系统。例如，根据本发明的其它实施方案，管柱可含有(例如)通过液压控制管线在“物体捕捉状态”下选择性地放置的阀座。不论所使用的特定系统如何，管柱都包括至少一个由启动球启动的井下工具，所述启动球是穿过所述柱的通道进行部署。因此，涵盖其它变化并且这些变化属于所附权利要求书的范围内。将给定启动球36从其支座38上移除可用来减轻由于穿过套筒阀33的通道37 (参见图3C)的障碍物而产生的压力差。由支座固定的启动球36可以多种不同的方式从支座38上移除。作为非限制性实施例，启动球36可由可钻孔的材料制成，这样使得启动球36可以被碾磨以允许穿过中央通道21的流体流动。替代地，阀座38、套筒34或启动球36可由可变形材料构造而成，这样使得启动球36可以在较高压力下受挤压穿过支座38，从而开放中央通道21。作为又一个实施例，可以使流体穿过中央通道21的流动反向，这样使得启动球36可以被向上推动而穿过中央通道21推向所述井的表面。以这种方式，可以在中央通道21与所述环带之间建立反向的循环流动，以便将球36收回到所述井的表面上。通过使流体流动反向来使启动球36移位，所述启动球36从所述井中以不可破坏的方式移除，这样使得启动球36和相应的套筒阀二者均可被再次使用。当启动球36通过使流体穿过中央通道21向上流动而收回时,启动球36可能具有特定的比重，这样使得向上流动的流体能够从支座38上移除启动球36。虽然启动球36的比重可能是相对重要的限制条件，但启动球36应当能够耐受在支座38中进行安置的冲击、跨越球36的压力差建立以及在井下环境中存在的较高温度。启动球36在使用期间未能维持其形状和结构可能会导致如套筒阀的井下工具的失效。例如，可以想象，启动球36在冲击负载、高压或高温下的变形会阻止启动球36恰当地密封在支座38上，由此阻止压力差的有效建立。在其它情形下，启动球36的变形可能导致启动球36滑动穿过支座38并变成嵌入套筒34中，这样使得移除启动球36可能是相对具有挑战性的。在启动球36被设计成通过使流体穿过中央通道21向上流动而收回的实施方案中，启动球36可能具有以下特殊的物理性质。确切地说，启动球36可能具有特定的比重，这样使得向上流动的流体能够从支座38上移除启动球36并且携带所述启动球向上穿过中央通道21。虽然启动球36的比重可能是相对重要的限制条件，但启动球36也可能能够耐受在井下工具中进行安置的冲击、跨越球36的压力差建立以及井下环境的高温。启动球36在使用期间未能维持其形状和结构可能导致井下工具的失效。例如，启动球36在冲击负载、高压或高温下的变形可能阻止启动球36恰当地密封在支座38上，由此阻止压力差的有效建立。在其它情形下，启动球36的变形可能导致启动球36滑动穿过支座38并变成嵌入套筒34中，这样使得移除启动球112的常规装置可能是无效的。传统的启动球可能是实心球，所述实心球是由例如像聚醚醚酮的塑料或例如像纤维增强酚醛的纤维增强塑料构造而成。虽然传统启动球可以满足比重要求，但各批次之间的材料性质的不一致性可能带来挑战，以至于启动球可能被过裕度设计(overdesigned),这样使得它们的强度额定值、压力额定值以及温度额定值都是保守的。根据本文所公开的实施方案，启动球36为轻质球，这允许所述球36具有所需的强度性质，同时足够轻以允许所述球36从所述井中移除。 因此，参看图2，根据本发明的某些实施方案，技术50包括将轻质启动球部署到井中的管柱中(方框52)，所述轻质启动球如比重小于约2. O的金属启动球，以及使所述球嵌入所述柱的支座中(方框54)。所述技术50包括使用由嵌入所述支座中的启动球形成的障碍物来增加所述管柱中的流体压力(方框56)，以及使用增加的流体压力来启动井下工具(方框58) ο参看图4,示出了根据本文所公开的实施方案的启动球的横截面图。启动球200包括由金属材料形成的球状体202，其中所述金属材料的比重小于约2. O。在某些实施方案中，球状体202的比重可能在约1. O与约1. 9之间。球状体202的金属材料可以是例如像铍合金、铝合金或镁合金的金属合金。可以使用比重为约1. 85的铍合金、比重为约2. 8的铝合金以及比重为约1. 8的镁合金。也可以使用比重为约1. 8的镁铝合金。涂层206可以被布置在球状体202的外表面204上。涂层206可由例如像聚四氟乙烯、全氟烷氧基共聚树脂、氟化乙烯丙烯树脂、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、陶瓷材料和/或环氧基涂覆材料的耐腐蚀材料形成。在某些实施方案中，涂层206可包括Fl!!oroUxn 610-E,其可从德克萨斯州休斯顿的Southwest Impreglon获得。可使用用于涂敷涂层的任何方法来将涂层206涂敷到球状体202的外表面204上。例如，可通过将球状体202浸入涂覆材料中、将涂覆材料喷涂到外表面204上或将球状体202在涂覆材料中滚动来将涂层206涂敷到球状体202的外表面204上。涂层206的厚度t可能在约O. 001英寸与约O. 005英寸之间。本领域普通技术人员将了解，多层涂覆材料可以分阶段来涂敷，直到达到涂层206的所需厚度。替代地，涂层206可包括被涂敷到球状体202的外表面204上的镀层，例如像锌镀层、镍镀层或铬镀层。在涂层206为镀层的实施方案中，厚度t可能在约O. 001英寸与约O. 002英寸之间。在又一个实施方案中，可以在球状体202的表面204上进行表面处理，例如像阳极化处理或激光熔覆处理。也可以在涂层206的外表面208上进行表面处理，以便改善耐腐蚀性、耐磨性以及表面光洁度。包括涂层206的启动球200的整体比重可能小于2. 00并且在某些实施方案中，启动球200的整体比重可能在1. 00与1. 85之间。有利的是，当与由塑料或复合材料形成的传统启动球相比时，根据本文所公开的实施方案的由金属合金形成的启动球可提供增加的支承强度以及抗冲击性。塑料和复合材料在高压和高温下迅速降解，并且所述降解可能难以预测。相比之下，金属合金能够耐受相对较高的压力和温度，并且金属合金在高压和高温下的材料性质已经得到充分了解。同样地，根据本发明所公开的实施方案的启动球可以被设计成耐受高温和高压而无需由于材料性质不确定性的过裕度设计。因此，如本文所公开的启动球可以比塑料或复合材料启动球更可靠，并且可在井 下环境中更耐用。如塑料和复合材料的传统启动球材料是不易电镀或涂覆的，并且同样地，传统启动球未被保护以免受井下环境的高压和高温。根据本文所公开的实施方案的具有由金属材料形成的球状体的启动球可以被涂覆、电镀和/或表面处理，以便改善如冲击和支承强度、耐腐蚀性、耐磨性以及表面光洁度的性质。由于金属合金在高压和高温下的性质是可预测的(如上所述)，因此，根据本申请的启动球可以被设计成在启动球与相应的支承区之间具有较小的接触面积。同样地，本文所公开的启动球可允许数量增加的球启动井下工具在单个钻柱上被使用。作为非限制性实施例，通过使用上文所描述的启动球，约十二个压裂阀(例如像套筒阀34(图1))可以在多阶段压裂工艺期间使用，而约八个压裂阀可与传统的启动球串联使用。虽然本发明已相对于数量有限的实施方案进行了描述，但享有本公开权益的本领域技术人员将了解到，可以设计不脱离如本文所公开的本发明的范围的其它实施方案。因此，本发明的范围应当仅受到所附权利要求书的限制。
权利要求
1.一种系统，其包括 管柱，其被适配成部署在井的井下，所述柱包括支座；以及 启动球，其被适配成部署在所述管柱中以嵌入所述支座中，所述球包括由比重小于约2.O的金属材料形成的球状体。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括包含所述支座的工具，其中所述球被适配成嵌入所述支座中以便形成障碍物，其中所述工具被适配成响应于由于所述障碍物所形成的流体压力而被启动。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述支座包括所述柱的多个物体捕捉支座之一。
4.如权利要求1所述的系统,其中所述比重在约1.OO与约1. 85之间。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述金属材料包括金属合金。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述金属合金是选自由以下各项组成的组中的金属合金铍合金、招合金以及镁合金。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述球进一步包括布置在所述球的球状外表面上的涂层。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述涂层包含选自由以下各项组成的组中的材料聚四氟乙烯、全氟烷氧基共聚树脂、氟化乙烯丙烯树脂、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、环氧基涂覆材料以及陶瓷材料。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述材料的厚度在约0.001英寸与0. 005英寸之间。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述球进一步包括阳极化的外层。
11.一种方法，包括 将启动球部署在井中的井下管柱中，所述启动球包括由比重小于约2.0的金属材料形成的球状体； 使所述球穿过所述柱，直到所述球嵌入所述管柱的支座中，以便形成障碍物；以及 使用所述障碍物来加压所述管柱的区域。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括使用所述加压法来启动井下工具。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述通过包括使所述球流动穿过至少一个其它支座，所述其它支座与大小比所述球的大小要大的球相关联。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括 使所述球流出所述支座外并且流到所述井的表面上。
15.如权利要求11所述的方法,其中所述金属材料的比重在约1.0与约1. 9之间。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述球进一步包括被适配成覆盖所述球状体的外表面的涂覆材料。
17.如权利要求16所述的方法，其中具有所述涂覆材料的所述球状球的所述比重在约1.0与约1. 9之间。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述球状球的外表面是经过表面处理的。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述表面处理包括选自由以下各项组成的组中的至少一种表面处理阳极化处理、镀镍处理、镀铬处理、陶瓷涂覆处理以及激光熔覆处理。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述经过表面处理的球状球的所述比重在约1.0与约1. 9之间。
全文摘要
一种系统包括管柱和启动球，所述管柱被适配成部署在井的井下。所述启动球被适配成部署在所述管柱中，以便嵌入所述柱的支座中。所述球包括球状体，所述球状体由比重小于约2.0的金属材料形成。
文档编号E21B34/14GK103038443SQ201180037292
公开日2013年4月10日 申请日期2011年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者乔舒亚·詹森, 约翰·克里斯托姆·沃尔夫 申请人:史密斯运输股份有限公司