井下操作工具的制作方法

本发明涉及一种井下操作工具，其用于在井中在缩回位置与突伸位置之间移动工具部件。

背景技术：

当在井下操作时，工具部件从该工具的外表面延伸出，然而，由于井下空间有限，工具也受到空间的限制。工具部件的突伸因此也受到限制，尤其是在该工具部件借助液压技术从工具壳体径向突伸的情况下。这是由于用于突伸的液压机构占用部分空间的事实，但也是由于总是能够在工具断电时使工具部件缩回的自动防故障机构。

已经尝试使工具在井中偏离中心，然而，使工具偏离中心的能力往往不足以使工具部件径向向外足够突伸以执行任务。

技术实现要素：

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种改进的井下操作工具，其具有拥有比现有技术工具更长的突伸距离的工具部件，该突伸距离是工具部件从工具的外表面延伸出的距离。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过一种井下操作工具来实现，该井下操作工具用于在井中在缩回位置与突伸位置之间移动工具部件，该井下操作工具包括：

-具有轴向延伸方向的工具本体；

-能在所述缩回位置与所述突伸位置之间垂直于所述轴向延伸方向运动的工具部件；

-突伸致动器，所述突伸致动器构造成借助液压使所述工具部件从所述工具本体突伸，所述突伸致动器包括致动器壳体和构造成在所述致动器壳体内部滑动的突伸活塞，所述工具部件与所述突伸活塞连接；和

-缩回致动器，所述缩回致动器包括弹簧元件，所述弹簧元件构造成使所述工具部件缩回到所述工具本体中，所述缩回致动器与所述突伸活塞连接成使得当所述突伸致动器使所述工具部件突伸时，所述弹簧元件被压缩，

其中，所述弹簧元件布置在所述致动器壳体的外部。

此外，所述缩回致动器可包括构造成压缩所述弹簧元件的缩回活塞，所述缩回活塞借助于细长元件与所述突伸活塞连接。

此外，所述细长元件可以是能弯曲的。

此外，所述井下操作工具还可包括所述细长元件围绕其转弯的拐点。

此外，所述细长元件可以是钢丝绳、链条或由弹性金属制成的条带。

此外，所述细长元件可在具有弯曲部的管状元件中延伸，所述弯曲部形成所述拐点。

此外，所述拐点可由所述细长元件围绕其转弯的轴承提供。

此外，可布置所述细长元件围绕其转弯的多个拐点。

此外，所述多个拐点可设置所述细长元件围绕其转弯的多个轴承。

此外，所述弹簧元件可具有沿所述轴向延伸方向延伸的弹簧轴线。

此外，所述弹簧元件可具有基本上垂直于所述轴向延伸方向的弹簧轴线。

此外，所述弹簧元件可以是螺旋弹簧。

此外，所述工具部件可以是钻头、加工钻头、臂部、锚固件、扳手、钻孔机或空心钻。

此外，所述工具本体可具有工具直径和外表面，所述工具部件能从所述外表面突伸一出距离，所述距离为所述工具直径的至少25％，优选是所述工具直径的至少30％，且更优选是所述工具直径的至少50％。

所述井下操作工具还可包括支承区段，所述支承区段具有可突伸元件，所述可突伸元件用于使所述工具本体朝向所述套管的内表面或朝向所述井的井孔运动、用于使所述工具本体在所述套管或所述井孔中居中、或用于在操作时支承所述工具。

此外，所述可突伸元件可以是臂部、带轮子的臂部、或锚固件。

此外，所述井下操作工具还可包括构造成使所述致动器壳体转动以便使所述工具部件转动的转动单元。

此外，所述致动器壳体可被成型为空心圆柱体。

所述致动器壳体可具有圆形的和/或圆的外部横截面构型，具有与所述突伸活塞的椭圆形形状匹配的椭圆形内孔。

圆的是指表面或外周的每个部分均与所述致动器壳体的沿所述致动器壳体的轴向延伸方向的中心轴线距离相等。

此外，所述致动器壳体可包括带齿边缘，所述带齿边缘与在所述转动单元的作用下转动的带齿轴啮合。

此外，可在所述致动器壳体与所述工具本体之间设置轴承。

此外，所述细长元件可被固定连接至连接部件，所述连接部件接合突伸活塞，所述突伸活塞构造成相对于连接部件转动。

此外，可在所述连接部件与所述突伸活塞之间设置轴承。

此外，所述突伸活塞可构造成能随所述致动器壳体转动并能在所述致动器壳体内滑动。

此外，可在所述缩回活塞与所述致动器壳体之间设置密封元件。

此外，可在所述致动器壳体与所述工具本体之间设置多个轴承。

此外，所述缩回致动器可包括活塞壳体，所述缩回活塞和所述弹簧元件设置在所述活塞壳体中。

此外，所述缩回活塞可将所述活塞壳体分隔成第一壳体部分和第二壳体部分，所述第一壳体部分包括所述弹簧元件，所述第二壳体部分具有与所述井流体连通的开口。

所述井下操作工具还可包括构造成测量所述工具部件的位置的测量单元。

此外，所述测量单元可构造成测量所述缩回活塞的位置并从而测量所述工具部件的位置。

此外，所述测量单元可以是线圈。

所述线圈可布置在所述弹簧元件内。

此外，所述缩回活塞可具有构造成延伸到所述线圈中的中心轴。

所述井下操作工具还可包括转动单元，所述转动单元用于使所述工具的第一部分相对于所述工具的第二部分转动，所述第一部分包括突伸致动器和所述缩回致动器。

所述井下操作工具还可包括构造成推进所述工具在井中行进的驱动单元。

此外，所述井下操作工具还可包括构造成测量所述工具相对于所述井的位置的检测单元。

最后，所述井下操作工具还可包括构造成将加压流体输送至所述可突伸致动器的泵。

附图说明

下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了井中的井下操作工具；

图2示出了井下操作工具的一部分的沿轴向延伸方向的剖视图；

图3示出了具有多个拐点的另一井下操作工具的一部分的沿轴向延伸方向的剖视图；

图4示出了具有平行于工具的径向延伸方向的弹簧元件的又一井下操作工具的一部分的沿轴向延伸方向的剖视图；

图5示出了具有转动单元的再一井下操作工具的一部分的剖视图；

图6示出了井下操作工具的一部分的横向于轴向延伸方向的剖视图；

图7示出了井下操作工具的侧视图；

图8示出了另一井下操作工具的一部分的剖视图；

图9示出了在井中偏离中心的另一井下操作工具。

所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。

具体实施方式

图1示出了井下操作工具1，其用于在井中在缩回位置与突伸位置之间移动工具部件2，该井下操作工具具有金属井管结构3。工具部件2可以是钻头或加工钻头/刀头2a、或锚固件2b。井下操作工具1包括具有轴向延伸方向5的工具本体4，并且工具部件2能在缩回位置与突伸位置之间垂直于该轴向延伸方向运动。井下操作工具1还包括突伸致动器6，其构造成借助于由电动马达8和电子区段9驱动的泵7所提供的液压而使工具部件2从工具本体4突伸。该工具部件在图1中被示出处于其突伸位置。因此，泵7经由流体管线39(在图8中示出)流体连接至突伸致动器6。

在图2中，突伸致动器6包括致动器壳体10和构造成在致动器壳体内滑动的突伸活塞11。工具部件2与突伸活塞11连接，并且因此突伸致动器6使工具部件2从缩回位置至突伸位置地滑动伸出致动器壳体10。在图2中，该工具部件被示出处于其缩回位置。井下操作工具1还包括使工具部件2缩回的缩回致动器12。缩回致动器12包括构造成使工具部件2缩回到工具本体4中的弹簧元件14。缩回致动器12与突伸活塞11连接成使得当突伸致动器6使工具部件2突伸时，弹簧元件14被压缩。工具部件2基本上垂直于该轴向延伸方向地从工具本体4的外表面15突伸出距离d(在图6中示出)。为了使工具部件2突伸，突伸致动器6的一部分占用工具本体4中的一些空间。由于缩回致动器12的弹簧元件14布置在致动器壳体10的外部的事实，该弹簧元件不会占用致动器壳体中的空间(弹簧元件占用致动器壳体中的空间将限制工具部件的突伸)并从而工具部件2的突伸不会因要为弹簧元件腾出空间而使突伸受限。

如在图2中所示，缩回致动器12包括构造成在工具部件2突伸后压缩弹簧元件14的缩回活塞16，并且因此该缩回活塞借助细长元件17与突伸活塞11连接。细长元件17可围绕拐点18弯曲/转弯，使得当突伸活塞11通过来自泵的液压流体而在致动器壳体10中被径向向外迫压时，细长元件17拉动缩回活塞16。拐点18由细长元件17围绕其转弯的轴承19提供。在缩回活塞16向致动器壳体10移动时，弹簧元件14被压缩，从而提供缩回力。通过将活塞元件14布置在致动器壳体10的外部，弹簧元件14可在不受空间限制的情况下被设计成非常强有力，以提供高缩回力，这种高缩回力例如在工具壳体2是钻孔机2c或加工钻头的情况下可能是需要的，加工钻头在加工时可能被卡住并因此需要高缩回力来使井下操作工具1能拉动工具部件2并从井中缩回。细长元件17是钢丝绳，其在拉动时强有力但仍能弯曲以便能围绕轴承19转弯并将缩回活塞16与突伸活塞11连接。

弹簧元件14具有沿轴向延伸方向5延伸并与轴向延伸方向平行的弹簧轴线20。弹簧元件14是螺旋弹簧，但可以是任何其它合适的弹簧元件。缩回致动器12包括活塞壳体21，缩回活塞16和弹簧元件14布置在活塞壳体21中，从而当缩回活塞朝向致动器壳体10移动时，弹簧元件被挤压在活塞壳体21与缩回活塞16之间。缩回活塞16将活塞壳体21分隔成第一壳体部分22和第二壳体部分23。第一壳体部分22包括弹簧元件14并且第二壳体部分23具有与井流体连通的开口24从而当突伸活塞11移动从而拉动缩回活塞16时，第二壳体部分23增大，并且井筒流体经流体通道25被吸入第二壳体部分23中。活塞11、16包括密封元件26，密封元件布置在活塞中的凹槽27中。

井下操作工具1还包括测量单元28，测量单元构造成测量工具部件2的位置并从而还构造成在操作是加工操作如在金属井管结构中穿设孔洞或钻设孔洞的情况下测量何时完成所述操作。测量单元28构造成测量缩回活塞16的位置并且从而测量工具部件2的位置，因为细长元件17是刚性的并且因此缩回活塞的移动距离与突伸活塞11的移动距离和因此以及工具部件2的移动距离相同。在图2中，测量单元是布置在弹簧元件14内部的线圈28a，并且缩回活塞16的中心轴29延伸进入该线圈中。在线圈中测量中心轴29的延伸，并且通过测量单元28的电子器件31检测该中心轴向该线圈中延伸了多远。

如在图3中所示，井下操作工具1可具有细长元件17围绕其转弯的多个拐点18。所述多个拐点18设置有细长元件17围绕其转弯的多个轴承19。通过具有多个拐点18，活塞壳体21可被制造成具有更大的直径，并且缩回活塞中的拉力可设置成位于缩回活塞16的中心中而不是如图2中所示地位于活塞的外周中。缩回活塞16的位置通过布置在活塞壳体21中的测量单元28测量。图3所示的工具部件2是锚固件2d，该锚固件还可充当接合滑动套筒以移动滑动套筒的扳手。

图4中所示的弹簧元件14具有基本上垂直于轴向延伸方向5的弹簧轴线32。细长元件17围绕绕两个轴承布置的两个拐点18转弯并且细长元件17紧固至缩回活塞16。缩回活塞16布置在活塞壳体21中并且以与上述相同的方式而在突伸活塞被迫使而使工具部件2突伸时压缩弹簧元件14。工具部件是钻孔机2c。

在图8中，细长元件17是在具有弯曲部的管状元件中延伸的链条，并且所述弯曲部形成拐点18。在另一实施例中，细长元件可以是由弹性金属制成的条带。

在图9中，井下操作工具1还包括支承区段33，该支承区段具有可突伸元件34，该可突伸元件用于使工具本体4和工具部件2朝向井中的金属井管结构3的内表面35移动，从而使工具部件2更靠近它在其中进行操作的金属井管结构。如图所示，可突伸元件34可以是臂部，如用于朝向金属井管结构3的内表面35挤压工具本体4的带轮子的臂部34a和/或锚固件34b。井下操作工具1还可具有用于使工具本体4在金属井管结构中居中和/或在操作时支承工具以提供支持的可突伸的元件34。

在图5中，井下操作工具1还包括转动单元40，该转动单元构造成使致动器壳体10转动，从而使工具部件2转动。工具部件是加工钻头2a，其能够钻入金属井管结构中并加工出孔洞。转动单元40包括带齿轴41和用于转动带齿轴41的电动马达42。致动器壳体10包括带齿边缘43，该带齿边缘沿整个致动器壳体延伸与在转动单元40的电动马达的作用下转动的带齿轴41啮合。轴承19b布置在致动器壳体10与工具本体4之间。因此，突伸活塞11构造成随致动器壳体10转动并在工具部件2也在其内滑动以使工具部件2突伸的同时使工具部件2转动。工具部件2借助来自泵的液压流体突伸并在转动单元40的电动马达42的作用下转动。工具部件2可在转动开始之前被突伸。流体被经致动流体通道44被供应至突伸致动器6并挤压突伸活塞11以使其移动。加工钻头可以在面向套管或金属井管结构的端面处是圆形的并因此没有切削刃/切割边缘，并且该钻头可由碳化钨制成并在高速下被转动，从而推进穿过套管或穿过金属井管结构。

当如图7所示从示出外表面15和工具部件2的侧视图中看该工具时，致动器壳体10具有圆形的和/或圆的外部横截面构型，其具有椭圆形内孔45，该椭圆形内孔匹配突伸活塞11的椭圆形形状。突伸活塞11和内孔45的椭圆形构型将致动器壳体10的转动传递给突伸活塞11。致动器壳体10是圆形的并且在带齿轴的带动下转动。

如图6所示，转动工具部件2的井下操作工具1具有制造成具有带齿边缘的致动器壳体10，并且在图5中，该带齿边缘紧固至该致动器壳体10的外部。细长元件17固定连接至接合突伸活塞11的连接部件47。突伸活塞11包括布置在连接部件47下方的第二活塞部件48，从而连接部件47被阻止滑动远离突伸活塞11。突伸活塞11构造成相对于连接部件47转动，并且该连接部件不转动，因为转接部件转动将扭曲细长元件17。连接部件47因此在工具部件2被突伸时随突伸活塞11滑动，但连接部件47在致动器壳体10和工具部件2转动时仍保持不转动。以这种方式，细长元件17在活塞11转动时不被扭曲，但仍随突伸活塞11径向向外运动。周向轴承49布置在连接部件47与第二活塞部件48之间以减少连接部件与第二活塞部件之间的摩擦。周向轴承49是滚针轴承。工具部件2是空心钻，其具有中心钻头52和周向边缘53，该周向边缘用于切割伸出套管的件或伸出金属井管结构的件。中心钻头52具有突伸件58，从而该件被紧固在空心钻内部并随工具部件2一起缩回。

通过将弹簧元件布置在致动器壳体10的外部，工具部件2能够比现有技术工具从工具本体4的外表面15突伸的更多。在图6中，井下操作工具的工具本体4具有工具直径d和外表面15，并且工具部件2能够从该外表面突伸距离d。距离d是工具直径的至少25％，优选工具直径的至少30％，更优选工具直径的至少50％。

如图1和9所示，井下操作工具1还包括构造成推进工具在井中前进的驱动工具51，并且如图9所示，驱动单元51还可用于使工具本体4偏离中心并朝向金属井管结构3挤压工具本体。井下操作工具1还包括构造成测量井下操作工具1相对于井的位置的检测单元54。在图1中，井下操作工具1还包括用于使工具的第一部分56相对于工具的第二部分57转动的转动单元55。第一部分55包括突伸致动器6和缩回致动器12并且因此能被转动从而可在沿金属井管结构3的周向的任何位置处执行加工过程。

流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。

金属井管结构或套管如生产套管是指井下使用的与油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。

在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器可具有带轮子的可突伸的臂部，其中，轮子接触套管的内表面，用于在套管内推进该牵引器和该工具前进。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如well

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说是显而易见的。