跨越工具接头的井下阀及其制造和使用方法与流程

背景技术：

将泥浆脉冲遥测阀集成到随钻测量(mwd)/随钻测井(lwd)系统中有时是麻烦且昂贵的，这是因为系统部件的严格的机械间距容差要求造成的。机械、电以及液压连接必须被维持。

这些系统的部件易于机械磨损，这是因为它们包括在钻柱的流体流路径中直接安置的移动部件。这种系统的部件被设计成产生压力脉冲，从而部件有目的地中断流并且暴露于非常高速的研磨媒介。附加地，在一些设计中，中断钻井液流的可互换的部件针对非常特定的钻井液流速而被构造。偶尔地，这些结构需要在现场调整。

附加地，钻具构件、即钻杆和钻铤(所述钻具构件容纳泥浆脉冲遥测阀的一部分或者作为泥浆脉冲遥测阀的一部分)可以包括能够受到损害的螺纹接头。螺纹受损的可能性是高的，这是因为在这些装置中通常采用的材料以及这些构件的大质量要求重型机械来将构件一起搬运和扭转。受损的构件有时需要替换。有时，受损的螺纹可以被再次机加工(“切回”)以恢复其状态并延长非常昂贵的钻具构件的使用寿命。然而，这种再次机加工改变了构件的长度，并且可以非故意地改变需要替换的钻具构件的泥浆脉冲遥测阀的系统部件之间的机械间距。

因为已经在钻杆以及钻铤中做出的巨大的投资，所以非常期望的是泥浆脉冲遥测阀能够与已有的钻井设备兼容并且对钻杆以及钻铤需要最小化的调整或者无需调整。泥浆脉冲遥测已知提供了一种高效的方案，因为其并不依赖于延伸至地面的电线或者针对现有硬件必须调整的其它机构。泥浆脉冲遥测使得信号以声速经过在钻柱中流动的钻井液传播至地面，因而提供了与地面的非常迅速的通信链接。泥浆脉冲遥测通常形式为位于钻头附近的阀，其断续地限制钻柱中的钻井液的流。泥浆脉冲遥测系统可以被降低在位于钻柱中的线缆上，但是通常被形成为在钻头附近插入到钻柱中的专门的钻铤的一体部分。

在正常的钻探操作过程中，钻井液的连续的液柱在钻柱中从井的地面到位于井的底部的钻头循环。泥浆脉冲遥测的基本操作原理是在钻井液流经井下遥测阀时断续地限制钻井液的流，因而在钻井液中产生压力脉冲，所述压力脉冲通过钻井液以声速传播至井的地面。在钻头附近被感测的、将被传递至地面的信息被编码成数字化格式，并且，数字化格式的信号被用于断续地致动限制钻杆中的钻井液的流的井下遥测阀，因而将脉冲传递至地面。脉冲在地面被检测，并且被转化成电或者其它信号，所述电或者其它信号可以被解码并且被处理以重现所传递的信息。在传统的油气井中，钻井液以大约100至大约1200加仑每分钟的流速被循环经过钻杆的内部。泥浆脉冲遥测系统必须操作以部分地限制这种流。因此，系统必须控制大量的能量。井下遥测阀必须迅速操作以在这种高压环境中产生压力脉冲，从而断续地限制钻井液的流。这种限制必须足以在流体流中产生压力升高，这将在井的地面是可检测的。在钻井液的传统高流速的情况下，需要很大的力和能量来以产生期望的压力脉冲所必须的方式致动井下遥测阀。

因此，需要一种井下阀，能够高效地传递井下数据或者操作井下工具同时减少维修和维护成本。在此公开的本发明的内容涉及这种井下阀，在一些实施例中所述阀特征为和/或能用作为泥浆脉冲遥测阀。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种组件，包括：

具有第一孔和第一端部的第一管形构件；

具有第二孔和第二端部的第二管形构件，所述第一管形构件的第一端部连接至所述第二管形构件的第二端部，以形成工具接头，以使得所述第一孔与所述第二孔连通；以及

井下阀，所述井下阀在所述第一孔和所述第二孔中设置，以横跨所述工具接头，所述井下阀固定至所述第一管形构件和所述第二管形构件。

可选地，所述井下阀包括在所述第一管形构件的第一孔内邻近所述工具接头固定的导向阀区段。

可选地，所述井下阀包括在所述第二管形构件的第二孔内邻近所述工具接头固定的工具区段。

可选地，所述井下阀包括在所述第一管形构件的第一孔内邻近所述工具接头固定的导向阀区段，并且所述导向阀区段和所述工具区段利用滑动接头跨越所述工具接头流体连通。

可选地，所述导向阀区段包含第一管，并且所述工具区段包含与所述第一管相连的第二管，所述第一管和所述第二管中的至少一个跨越所述工具接头延伸并形成所述滑动接头。

可选地，所述第一管和所述第二管能够滑动地相连。

根据本发明的另一个方面，提供了一种井下阀，包括：

具有第一管的导向阀区段；

工具区段，所述工具区段具有与所述导向阀区段的第一管能够滑动地相连的第二管，从而提供所述导向阀区段与所述工具区段之间的流体连通。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于组装井下阀的方法，包括：

将具有第一孔和第一端部的第一管形构件连接至具有第二孔的第二管形构件的第二端部，因而将在所述第一管形构件内设置的井下阀的导向阀区段流体连接至在所述第二管形构件内设置的井下阀的工具区段。

可选地，所述第一端部和所述第二端部设有螺纹，并且所述导向阀区段经由滑动接头能够流体连接至所述工具区段，并且其中，将所述第一端部连接至所述第二端部是被进一步限定为使得所述第一管形构件和所述第二管形构件中的一个相对于所述第一管形构件和所述第二管形构件中的另一个旋转以将所述第一端部和所述第二端部螺纹相连，并且同时使得所述导向阀区段和所述工具区段中的一个的至少一部分相对于所述导向阀区段和所述工具区段中的另一个旋转。

根据本发明的另一个方面，提供了一种方法，包括：

在第一管形构件的第一孔内邻近第一管形构件的第一端部固定井下阀的导向阀区段；以及

在第二管形构件的第二孔内邻近第二管形构件的第二端部固定井下阀的工具区段，所述导向阀区段和所述工具区段中的至少一个具有延伸超过相应的第一管形构件和第二管形构件的界限的管。

可选地，所述管是第一管，并且所述方法还包括将所述第一管形构件的第一端部连接至所述第二管形构件的第二端部，以形成工具接头，因而利用所述第一管将在所述第一管形构件内设置的所述井下阀的导向阀区段流体连接至所述井下阀的工具区段。

可选地，固定所述导向阀区段和所述工具区段的步骤在第一场所被实施，并且将所述第一管形构件的第一端部连接至所述第二管形构件的第二端部的步骤在远离所述第一场所的第二场所被实施。

可选地，所述第二场所是井现场。

可选地，所述第一管形构件和所述第二管形构件是钻铤。

附图说明

图1是根据目前所公开的本发明内容的跨越工具接头部署的示意性井下阀的局部剖视图。

图2是根据目前所公开的本发明内容的一个实施例的图1的井下阀的导向阀区段的局部剖视图。

图3是根据目前所公开的本发明内容的一个实施例的图1的井下阀的信号阀区段的局部剖视图。

具体实施方式

在解释公开细节的至少一个实施例之前，应当理解的是除非另外指出，本公开并不限于其针对以下说明书提出的或附图示出的各部件的构造细节、试验、示意性数据和/或布置结构的应用。

本公开中描述的系统和方法适合于其它的实施例或者适合于以不同方法实践或实施。此外，应当理解的是在此所采用的措辞和术语是出于描述的目的，且不应理解为限制。

以下详细的说明针对附图。不同附图中的相同的附图标记可以表示相同或类似的元素。

正如在说明书中所使用的，术语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”、“具有”、“具备”或者它们的任何其它改型将是覆盖非唯一性的涵盖。例如，除非另外指出，包括一系列元素的过程、方法、物品或设备并不必然限制于仅仅那些元素，而还可以包括未专门列出的或者对此类过程、方法、物品或设备固有的其它元素。

此外，除非相反地明确表达，“或”指的是包含性的且非排他性的“或”。例如，条件a或b由以下之一满足：a是真的(或存在的)并且b是假的(或不存在的)；a是假的(或不存在的)并且b是真的(或存在的)。

另外，“一”或“一个”的使用被用于描述在此的实施例的元素和部件。这仅仅是出于方便的原因才做的，并且赋予了本发明的内容的一般性含义。这种说明应当被理解为包括一个或多个，并且单数也包括复数，除非显然意味着有其它意思。此外，除非相反地明确表达，术语“多个”的使用意味着表示“不止一个”。

正如在此所使用的，任何提及“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”、“一个示例”或者“示例”意味着与实施例关联描述的特定的元素、特征、结构或特点被包含在至少一个实施例中。例如，在说明书中不同地方出现的短语“在一些实施例中”或者“一个示例”并不必然都指的是同一实施例。

正如在此所使用的，术语“钻井液”或“钻井流体”指的是在旋转钻井中使用的循环流体，以在钻井操作的过程中实现各种功能。

现在参看附图，并且特别是参看图1，那里示出了根据本公开构造的组件4的实施例。组件4可以是钻具和/或井底组件的一部分并且可以用作为钻柱的一部分，以将孔钻到地下岩层中。大体上，组件4设有第一管形构件6、第二管形构件8、以及井下阀10。第一管形构件6设有第一孔12以及第一端部14。第二管形构件8设有第二孔16以及第二端部18。第一管形构件6的第一端部14连接至第二管形构件8的第二端部18，以形成工具接头20，从而第一孔12与第二孔16连通。在如图1所述的实施例中，第一管形构件6在工具接头20处螺纹地连接至第二管形构件8。在一个实施例中，第一管形构件6和第二管形构件8可以是钻铤。

井下阀10在第一孔12和第二孔16中设置，从而跨越工具接头20。另外，井下阀10固定至第一管形构件6和第二管形构件8。

井下阀10设有导向阀区段22以及工具区段24，所述两个区段经由滑动接头26相连。

在该实施例中，工具区段24包括第一管28，并且导向阀区段22包括第二管30。工具区段24的第一管28延伸超过第二管形构件8的界限并跨越工具接头20，并且能够滑动地连接至导向阀区段22的在第一管形构件6中缩入的第二管30，以形成滑动接头26。然而，应当理解的是在一些实施例中，第一管28可以在第二管形构件8内缩入，并且第二管30可以延伸超过第一管形构件6的界限并跨越工具接头20。另外，在一些实施例中，第二管30可以在第一管28内缩入。

滑动接头26可以是一种不漏流体的连接，允许导向阀区段22与工具区段24之间的旋转方向和纵向的移动，同时允许在导向阀区段22内形成的第一室32中的加压的钻井液经过在工具区段24内形成的第二室34。在一些实施例中，滑动接头26可以不是完全不漏流体的，并且可以具有可接受的泄漏量。

现在参看图2和3，导向阀区段22被示出具有致动器40、致动器壳体42、筛网43、导向阀构件44、轴45、导向阀室46、导向阀座区段48、流体通道49、支承翅50、以及第二管30。导向阀区段22可以在第一管形构件6中固定，例如经由将一个或多个支承翅50螺纹连接至第一管形构件6的一个或多个固定螺钉(未示出)来固定。在一些实施例中，支承翅50的尺寸和大小可以设置成使得导向阀区段22在第一管形构件6中对中。致动器壳体42、筛网43、导向阀座区段48、以及支承翅50可以借助于本领域中已知的手段被彼此固定，例如借助于螺纹连接被固定。应当注意的是在一些实施例中，支承翅50可以是第一管形构件6的一部分，并且致动器壳体42、筛网43、以及导向阀座区段48可以借助于本领域中已知的手段、例如至少一个固定螺钉(未示出)被固定至支承翅50。此外，其它的方法可以被用于将导向阀区段22固定在第一管形构件6中。

导向阀构件44螺纹连接至与致动器40相连的轴45的一个端部。在期望移动导向阀构件44时，致动器40被供能，并且施加足以将导向阀构件44推或拉到关闭或打开位置的推或拉力。

具有第一压力p1的钻井液经过筛网43中的多个小开口并进入到导向阀室46中。在导向阀构件44处于打开位置时，钻井液和/或压力的至少一部分通过在导向阀区段48中形成的具有小直径的流体通道49连通并进入到第一室32中。在已经经过流体通道49之后，第一室32中的钻井液具有第二压力p2。如图2所示，在导向阀构件44至少部分地与导向阀座区段48交界时，流体通道49可以大致被封闭。当导向阀构件44与导向阀座区段48交界时，进入到第一室32中的钻井液流被减少。

如图3最佳所示，工具区段24设有第一管28、弹簧60、活塞62、流插头64、孔口66、活塞壳体90、信号阀区段座96、以及至少一个固定螺钉98。在所示的实施例中，工具区段24是泥浆脉冲遥测阀的信号阀区段，然而，应当注意的是，工具阀区段24可以是其它类型的钻井工具例如拖缆、竖直转向工具、旋转导向工具、旁通阀、封隔器、造斜器或者稳定器。

在导向阀构件44处于关闭位置时，流入到第一室32内的受限加压的钻井液并未在活塞62的上端部58上施加足够的压力，以延伸弹簧60并保持活塞62的流插头64(有时称为提升阀(poppet))与孔口66接合，这允许钻井液在活塞62的流插头64周围流动并流经孔口66。换句话说，压力降低造成跨越流插头64的压差，即流插头64的朝向井口端部上的低压以及流插头64的朝向井下的表面上的高压。这种作用为流插头64提供了必要的压力条件，以开始从孔口66后退，直至实现了跨越流插头64测量的平衡压力。在导向阀构件44处于打开位置时，加压的钻井液流入到第一室32中并流到活塞62的上端部58上，增加了强制弹簧60延伸并向下推动活塞62的必须的部分压力推力，因而使得流插头64向下移动，以至少部分地与孔口66接合。

尽管井下阀10的特定示例如上被示出并被说明，但是应当理解的是工具区段24和导向阀区段24能够以其它的方式被实施，只要一个或多个滑动接头26将工具区段24液压地连接至导向阀区段22即可。

如图3所示，第一管28形成大体管形的结构，其具有大致圆形的横截面，并且所述第一管设有至少一个密封件70、外表面72、以及内表面74。

如图2所示，第二管30形成大体管形的结构，其具有大致圆形的横截面，并且所述第二管设置有内表面80和外表面82。

在第一管形构件6和第二管形构件8在工具接头20处相连时，第一管28的外表面72由第二管30的内表面80至少部分同心地围绕，以形成滑动接头26。为了促进滑动接头26的不漏流体的密封，第一管28的至少一个密封件70与第二管30的内表面80至少部分地交界。应当清楚的是在一些实施例中，滑动接头26并不需要不漏流体的密封并且滑动接头26可以采用无密封接头，只要足够的压力在滑动接头26内维持以操作工具区段24即可。

如上所述，在钻井业中常见的是诸如第一管形构件6以及第二管形构件8的钻杆在钻井作业的过程中受损。常见受损的一个区域是工具接头20。在工具接头20受损时，工具接头20必须被重新装备，例如通过重新机加工来重新装备，以确保牢固的连接。机加工将材料从第一管形构件6或第二管形构件8中的一个或这两者去除，这改变了导向阀区段22与工具区段24之间的相对距离和/或相对定向。因为一起形成了滑动接头26的第一管28和第二管30的圆形的形状，所以导向阀区段22和工具区段24无需以彼此任何专门的关系被定向。换句话说，井下阀10仅仅需要导向阀区段22和工具区段24大致沿着轴线x部署。

另外，滑动接头26允许导向阀区段22与工具区段24之间的相对距离沿着轴线x被纵向地调整。例如，在工具接头20处针对第一管形构件6和/或第二管形构件8的损害可能需要螺纹和/或肩部的重新切割，这将会缩短第一管形构件6和/或第二管形构件8。滑动接头26允许在无需重新装备的情况下完成修复，以重新插入井下阀10中，这是因为由滑动接头26来吸收长度和相对定向的改变。

滑动接头26允许导向阀区段22与工具区段24之间的纵向调整，只要跨越井下阀10的足够的压差被维持以致动工具区段24即可(尽管存在滑动接头26的长度l1(图1)改变造成的压力改变)。在该示例中，滑动接头26的长度l1必须被维持，从而在导向阀构件44处于打开位置时，跨越活塞62的上端部58的钻井液的压力p2足以使得弹簧60延伸并保持活塞62的流插头64与孔口66接合。滑动接头26的最大长度由压力损失和所需要的工具致动压力限制。滑动接头26的最小长度由工具接头20的接合长度以及想要被吸收或调整的期望的工具接头回切限制。

在井下阀10的一些实施例中，第一管28和第二管30可以被设计成允许未对准。例如，第一管28和第二管30的至少一部分可以由柔性材料(例如，钢)构成，所述材料具有承受井下环境的足够的耐用性。在另一实施例中，(未示出的)机械接头可以被插在第一管28和/或第二管30中，吸收未对准。

如图3最佳所示，第一管28能够被可拆卸地固定至活塞壳体90。在一些实施例中，活塞壳体90也用于固定弹簧60，并且用作为用于活塞62的直线引导件。

在如图3所示的实施例中，活塞壳体90能够拆卸地固定至信号阀区段座96。信号阀区段座96在第二管形构件8中固定，例如利用至少一个固定螺钉98或其它固定手段被固定。在一些实施例中，为了促进牢固连接，第二管形构件8可以设置有肩部100，信号阀区段座96在所述肩部上安坐。

如本领域技术人员所理解的，目前公开的组件4可以在一个场所、例如井现场被组装。替代性地，组件4可以至少部分地在第一场所、例如服务中心或实验室被组装，并且然后在第二场所、例如井现场被完全组装。例如，在第一场所，井下阀10的导向阀区段22可以在第一管形构件6的第一孔12中被定位和固定在第一管形构件6的第一端部14附近。类似地，井下阀10的工具区段24在第二管形构件8的第二孔16中被定位并然后固定在第二管形构件8的第二端部18附近。在该实施例中，工具区段24的第一管28延伸超过第二管形构件8的界限。

在导向阀区段22已经被固定至第一管形构件6并且工具区段24已经被固定至第二管形构件8之后，第一管形构件6和第二管形构件8可以被运输至第二场所，例如井现场，并且被用于形成钻具的一部分。

例如，第一管形构件6的第一端部14可以连接至第二管形构件8的第二端部18，以形成工具接头20，因而也将在第一管形构件6内设置的井下阀10的导向阀区段22流体连接至在第一管28内设置的井下阀10的工具区段24。

井下阀10的模块化特性允许例如由于磨损、损害或者替代结构导致的部件互换，即流插头64和孔口66尺寸组合可以针对特定的流体重量/密度以及流速被调整，以确保合适的压力脉冲幅度。

尽管致动器40在此被描述为直线致动器，但是应当注意的是在一些实施例中，致动器40可以使用其它方法，例如旋转以使导向阀构件44在打开和关闭位置之间移动。

尽管在此描述的井下阀10通过阻塞钻井液的流来产生正压力脉冲，但是应当注意的是井下阀10能够以其它方式被设计和被构造。例如，在(未示出的)另一个实施例中，井下阀10可以通过打开一(未示出的)通道来产生负脉冲，所述(未示出的)通道允许第一管形构件6和/或第二管形构件8内的钻井液与返回至地面的钻井液之间的临时连通。在一些实施例中，井下阀10可以通过依赖两种类型的操作来同时产生正和负脉冲，即限制用于流体流的通道以及打开用于流体流的通道。

井下阀10的工具区段24在此已经被示出并被描述为信号阀区段，其与导向阀区段22一起形成泥浆脉冲遥测阀，其中，导向阀构件44的直线致动在经由第一管28连通的第二管30中产生压力差，并且造成活塞62在打开与关闭位置之间移动。然而，应当理解的是在其它实施例中，工具区段24可以设有不同的工具(未示出)例如拖缆、竖直转向工具、旋转导向工具、旁通阀、封隔器、造斜器或者稳定器，它们可以通过如在此所述地产生压力差而被致动或被控制。换句话说，在此公开的本发明的内容适于跨越滑动接头26连通压力差或压力脉冲，以接合可以通过压力差或压力脉冲操作的不同的工具。在这些实施例中，导向阀区段22可以根据在此公开的内容而操作，以产生从第二管30通过可能与不同工具相关联的第一管28连通的压力差或压力脉冲。

从上述说明清楚，在此公开的本发明的内容很好适于实现在此提及的目的以及获得在此提及的优点以及在此公开的本发明的内容中固有的那些目的和优点。尽管在此公开的本发明的内容的目前优选的实施例已经出于这种公开的目的而被说明，但是应当理解的是可以做出多种改变，而所述改变将容易对本领域技术人员做出启示并且在此处所公开和要求保护的本发明内容的范围和领域内实现。