用于使得管状件在井眼中膨胀的膨胀组件、顶部锚固件和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于将元件锚固在包封件中的系统和方法。
[0002] 本发明的实施例整体涉及用于使得管状件在井眼中膨胀的设备和方法。更加特别 地，设备和方法涉及用于井下组件的顶部锚固件，所述井下组件具有可膨胀管状件和膨胀 构件，所述顶部锚固件构造成将可膨胀管状件固定到井下管状件。
【背景技术】
[0003] 在钻出油气井的过程中，通常使用钻头形成井眼，所述钻头布置在钻柱的井下端 部处，所述井下端部被向下推入到大地中。在钻至预定深度或者当遇到特殊情况时，移除钻 柱和钻头并且用套管柱为井眼加设衬管。由此，在套管柱和地层之间形成了环形区域。然 后实施固井操作，以便用水泥填充环形区域。水泥和套管的组合加固了井眼并且有助于隔 离开套管后面的某些范围或区域。通常分阶段地实施钻井操作并且将多根套管柱或衬管柱 下入到井眼中，直到井眼处于期望的深度和位置为止。
[0004] 油井工业面临的两个挑战是进入目前不能有经济效益地抵达的新储层以及维持 较老油田生产仍保持盈利。由下述原因发起了可膨胀管状件技术：工业需要削减钻井成本、 提高生产管受限井的产量并且使得操作者能够进入无法通过其他方式有经济效益抵达的 储层。膨胀套管的应用关注于通过井下管膨胀处理来减小井设计的套筒式轮廓。
[0005] 井眼通常设置有一根或者多根套管或衬管，以向井眼壁提供稳定性和/或提供不 同的大地地层之间的层间封隔。术语"套管"和"衬管"指的是用于支撑和稳定井眼壁的管 状元件。典型地，套管从地表延伸到井眼中，而衬管从某一深度进一步延伸到井眼中。然而， 在本文的上下文中，可互换使用术语"套管"和"衬管"而无这种预定区别。
[0006] 在传统的井眼构造中，若干根套管设置成以不同的深度间隔且以嵌套方式设置。 在此，每根后续套管均下放穿过前一根套管并且因此其直径小于前一根套管的直径。结果， 可用于油气生产的井眼的横截面面积随着深度的增加而减小。
[0007] 为了减小每次设置新的套管柱或者衬管时所造成的直径损失，已经研发出了一种 冷加工处理，由此能够套管或者衬管在下入井下之后使得其直径膨胀高达25%。这些应用 可分成两个主要类别，即，设套管井和裸井。主要在修井阶段或者完井阶段实施设套管井操 作。在钻井阶段使用裸井可膨胀衬管产品。裸井应用是可膨胀技术为操作者带来了真正优 势的情形。这种技术使得能够形成更狭长的井轮廓、在目标深度处的增大内径、或者钻出现 有井眼的侧向轨迹。
[0008] 在此，一种或者多种管状元件在井眼中在期望深度处径向膨胀，例如，以便形成膨 胀的套管、膨胀的衬管、抵靠或者现有套管或者衬管的包层。而且，已经提出使得每根后续 套管径向膨胀到与前一套管基本相同的直径，以便形成单一直径井眼。与传统的嵌套式布 置相比，井眼的可用直径沿着其深度（的一段）保持基本恒定。
[0009] US - 6325148公开了一种用于从井的表面实施井内操作的设备。这种设备包括形 成壁的管状本体和围绕管状本体布置的环形构件。环形构件包括多个卡瓦，并且通过弹簧 与外套管的内表面保持摩擦接触。安装到工具壁的锁定构件选择性地防止所述环形件的运 动，直到响应管状本体的壁膨胀而解锁锁定构件为止。
[0010] US - 7992644公开了一种维修井内的套管损坏部分的方法。这种方法包括将井底 钻具组合（BHA)放置在运送装置上而下入到井眼内，并且使得BHA位于损坏部分附近。这 种方法还包括：使得套管的内壁与摩擦构件相接合，使得运送装置旋转由此使得BHA的一 部分旋转，以及利用摩擦构件保持BHA的一部分静止不动。这种方法还包括：拉动内管柱， 由此使得套管的内壁与BHA的锚固件相接合并且使得易碎连接件与锚固件分离。内管柱联 接到膨胀构件，拉动内管柱并且由此通过可膨胀管状件的膨胀构件使得可膨胀管状件膨胀 成与套管的内壁接合，从而维修损坏部分。
[0011] 尽管，US - 7992644的工具适当地发挥功能，但是工具仍具有局限性。例如，摩擦 构件将一直接合套管，而且在将BHA引入到套管中期间也一直接合套管。需要摩擦构件的 摩擦块来用于致动顶部锚固件，以便防止顶部锚固件在致动期间沿着轴向方向运动。然而， 由于摩擦块的摩擦，在将工具下入到井眼中的同时不可能使BHA旋转。因为不能使BHA旋 转，所以限制了 BHA和可膨胀衬管可插入到井眼中所沿的长度。而且，BHA不适于不设套管 的井眼。因为某些井眼常常不稳定而且可能坍塌到可膨胀衬管上，所以需要旋转来使得衬 管进一步前进到井眼中。如果不能使BHA旋转，则可膨胀衬管可能因摩擦而卡滞在井眼中， 这最终迫使操作者堵塞并且放弃井眼。另外，摩擦块可能阻碍或禁止钻井流体的回流。而 且，由于释放环的材料（即，由于使得易碎连接件断开连接所需的最小力）限制了按比例缩 小工具。
【发明内容】
[0012] 本发明旨在提供一种改进的可膨胀衬管工具。
[0013] 因此，本发明提供了一种用于使得管状件在井眼中膨胀的膨胀组件，所述膨胀组 件包括顶部锚固件，所述顶部锚固件包括：
[0014] 工作管柱；
[0015]推进器环形件，所述推进器环形件通过第一可释放联接件联接到工作管柱；
[0016]坡形体，所述坡形体具有一个或多个坡形表面，所述坡形体通过第二可释放联接 件可释放地联接到工作管柱；
[0017] -个或多个锚固件分段，每个锚固件分段具有一个或多个楔形表面，所述楔形表 面与坡形体的坡形表面相对应并且相接合，锚固件分段的一个端部接合推进器环形件；
[0018]释放环，所述释放环包封工作管柱并且布置在锚固件分段的相对端部处；
[0019] 一个或多个键齿部，所述键齿部将释放环连接到推进器环形件；和
[0020] 致动器件，所述致动器件用于释放第一可释放联接件。
[0021] 本发明的膨胀组件可被液压驱动。这种组件可以在下入期间旋转，从而允许组件 在钻井期间包括在钻柱中。允许组件在钻井期间包括在钻柱中可以节省起下钻时间。而且， 通过使得膨胀组件旋转可以允许组件在井眼壁的一部分可能崩塌时前进，从而增加最大目 标深度和/或允许在不稳定地层中钻井。
[0022] 在一个实施例中，第一可释放联接件包括：第一组剪力栓，所述第一组剪力栓提供 了第一阈值剪切力；第二可释放联接件包括第二组剪力栓，所述第二组剪力栓具有第二阈 值剪切力，所述第二阈值剪切力超过第一阈值剪切力。
[0023] 本发明的另一个方面提供了一种用于权利要求1所述的膨胀组件的顶部锚固件， 所述顶部锚固件包括：
[0024] 工作管柱；
[0025] 推进器环形件，所述推进器换环形通过第一可释放联接件联接到工作管柱；
[0026] 坡形体，所述坡形体具有一个或多个坡形表面，所述坡形体通过第二可释放联接 件可释放地联接到工作管柱；
[0027] -个或多个锚固件分段，每个锚固件分段具有一个或多个楔形表面，所述楔形表 面与坡形体的坡形表面相对应并且相接合，锚固件分段的一个端部接合推进器环形件；
[0028] 释放环，所述释放环包封工作管柱并且布置在锚固件分段的相对端部处；
[0029] -个或多个键齿部，所述键齿部将释放环连接到推进器环形件；和
[0030] 致动器件，所述致动器件用于释放第一可释放联接件。
[0031] 根据又一个方面，本发明提供了一种用于使得管状件在井眼中膨胀的方法，所述 井眼设置有套管，所述方法包括以下步骤：
[0032] 将工具柱引入在井眼中，所述工具柱设置有膨胀组件和钻头；
[0033] 使得工具柱旋转，所述工具柱包括钻头和膨胀组件，以钻出井眼的裸井段，直到钻 头抵达目标深度为止；
[0034] 通过释放第一可释放联接件，液压致动膨胀组件的顶部锚固件，以将所述膨胀组 件与套管锚固在一起；
[0035] 将工具柱朝向地表拉动，以释放第二可释放联接件并且允许工具柱相对于所述顶 部锚固件运动；
[0036] 使用工具柱将膨胀构件穿过可膨胀衬管朝向顶部锚固件拉动；和
[0037] 使得顶部锚固件停止操作。
【附图说明】
[0038] 在下文中将参照附图通过举例的方式更加详细地描述本发明，附图中：
[0039]图1示出了包括根据本发明的系统的一个实施例的井眼的示意性横截面；
[0040]图2示出了根据本发明的系统的一个实施例的横截面；
[0041] 图3示出了本发明的系统的透视图；
[0042]图4示出了根据本发明的系统的一个实施例的横截面，其包括处于分离状态中的 顶部锚固件；
[0043]图5示出了图4的系统的横截面，其包括处于接合状态中的顶部锚固件；
[0044]图6示出了本发明的投掷件的一个实施例的横截面；
[0045] 图7示出了图6的投掷件的透视图；
[0046] 图8A示出了顶部锚固件的一个实施例处于分离状态中的横截面；
[0047] 图8B示出了图8A中的顶部锚固件的另一个横截面；
[0048] 图8C示出了图8A的顶部锚固件的又一个横截面；