用于控制井下装置的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于控制井下装置的设备和方法。
【背景技术】
[0002]从表面对井下阀和其它工具的操作进行控制是有必要的。在对井眼进行钻孔、操作和维护的不同阶段经常需要打开和关闭阀或其它井下工具，因此需要实现在井中远程打开和关闭阀的控制器。
[0003]井下装置的启用和停用通常涉及诸如从表面落下启用球或停用球的步骤。这些方法的一个缺陷是将球从表面落下和将球降落到指定工具座上之间的时间在该方法中是一个可变因素。对于很长的井而言，例如可花费长达40分钟来将工具打开以及另外的40分钟来将第二球降落以便将工具关闭。这些方法还限制可能的打开/关闭周期的数目，因为可被降落并保持在球捕捉器(ball catcher)内的球数目是有限的，并且一旦球捕捉器装满，则工具必须被拉回到表面以及在工具可被重置之前必须清空球捕捉器。
[0004]此外众所周知的是利用井眼中流体传递的压力变化来控制井内的工具，所述流体使得套筒相对于销轴向移动。这种布置通常被称为J形槽装置，因为套筒开有J形槽，销在J形槽内移动。使得套筒相对于固定销旋转，所述固定销受限以便沿着所述J形槽行进。当压力增加时，套筒向下移动，销在槽内处于一个位置，例如在此位置时阀被打开，而当压力减小时，套筒相对于销向上移动，所述套筒被引导到销和槽的另一相对位置内，在此位置时阀可关闭。槽可围绕套筒形成为环路，环路的两端连接，因此套筒持续围绕其轴线移动，相继地打开和关闭阀。作用于套筒上的压力可以是井眼压力，或者可以是控制管线的压力。
【发明内容】
[0005]根据本发明，提供如独立权利要求1中所要求保护的一种用于控制油井、天然气井或水井中井下装置的设备。
[0006]根据本发明，还提供如独立权利要求20中所要求保护的一种用于控制油井、天然气井或水井中井下装置的设备。
[0007]本发明还提供如独立权利要求27中所要求保护的一种用于控制油井、天然气井或水井中井下装置的方法。
[0008]本发明还提供如独立权利要求39中所要求保护的一种用于控制油井、天然气井或水井中井下装置的方法。
[0009]典型地，销可保留在环路之一内，而无需移动到相邻的细长轴向轨道内，而是在每个环路内在销和槽的不同配置之间移动。典型地，所述销可在每个环路内在销和槽的两个不同配置之间循环，重复地从一个配置移动到另一个配置，直到从环路之一切换到相邻的细长轴向轨道为止。典型地，所述销从每个环路的起点循环到该环路中的第二位置，然后返回到同一环路的起点。环路可连接到可具有相同或不同功能的另外环路或轨道。因此这样的另外的环路可选地以相同的方式允许进行循环，但条件是，第一环路和第二环路允许循环，但是对于其它环路或轨道没有必要这样做。
[0010]通常情况下，槽的几何形状将销的移动约束在环路之一内，直到进行切换为止。[0011 ]通常情况下，每个环路包括第一轨道和第二轨道，其中所述第二轨道使得销返回到第一轨道的起点。通常情况下，销在两个轨道内通常在相反的轴向方向上移动。通常情况下，销可在第二返回轨道上从环路之一切换到相邻的细长轴向轨道。通常情况下，通过将销和槽的相对轴向移动方向反向来实现切换，这一反向通常通过将其内形成槽的套筒的轴向移动方向反向来实现。通常情况下，当销处于第二返回轨道的过渡部分内时完成切换，通常此时销刚通过通往相邻细长轴向轨道的连接部(通常情况下，γ形连接部)。通常情况下γ形连接部倒置，当销处于Y形的通向细长轴向轨道的上部分支内时，完成从环路到相邻的细长轴向轨道的切换。通常情况下，Y形的一个分支是环路的一部分，而Y形的另一个分支是连接到相邻的细长轴向轨道的偏离轨道。通常情况下，分支之一(例如连接到相邻细长轴向轨道的分支)与Y形的主干轴向对准。
[0012]通常情况下，所述主体包括活塞，其能够对井内的压力变化作出响应，并能够响应于所述压力变化而在设备内的孔中轴向移动。通常情况下活塞在该孔中的轴向移动驱动销和槽之间的相对移动。
[0013]通常情况下，槽可设置于相对于主体移动的套筒上，且销可设置于主体上，但在其它实施例中，套筒可具有销并且槽可设置于主体上。通常情况下，套筒可与活塞一体地形成。从而活塞可选地具有槽，或者所述槽可形成于连接到所述活塞的单独套筒上。
[0014]通常情况下，销在两个轨道之间切换之处的第一轨道和第二轨道的起点和终点沿着套筒/活塞在轴向上分隔开，和/或起点和终点可选地沿周向间隔开，但在某些实施例中，在每一环路内的第一轨道和第二轨道的起点和终点可沿着主体的轴线轴向对准。每个轨道的终点，对应于另一轨道的起点，通常形成在槽的角落处，其引导销在相对于槽的移动方向上发生变化，该终点通常形成止动部，该止动部要求将销相对于槽的轴向移动方向反向。例如，第一轨道可在套筒或活塞的一个端部例如下端部处开始，并可以沿着套筒/活塞(通常情况下利用除了轴向分量之外的侧向或周向分量)向上轴向延伸到以倒置的V形式提供的所述第一轨道的端部，所述端部在套筒/活塞上与所述第一轨道的起始位置轴向间隔开的位置处，例如在套筒/活塞的顶部处或附近。倒置的V形标志着在所述第一轨道和第二轨道之间的过渡。从倒置V形的顶点，对销进行约束使其沿着第二轨道向下移动。
[0015]通常情况下，第一轨道和第二轨道具有第一部分和第二部分，所述第一部分通常是直线形的(例如轴向)且通常平行于轴线(例如主体或套筒和活塞的轴线)布置，并且其不驱动销和槽组件的相对旋转;所述第二部分通常也具有笔直长度，但也可偏离远离第一部分，因此通常轴向和周向延伸，从而根据第二轨道相对于轴线的偏离角度驱动销和槽组件的旋转(通常相对于固定销驱动所述套筒/活塞)。在一些实施例中，第一直线部分和第二偏离部分可选地相对于活塞/套筒的主轴线成角度。这种实施例也可选地具有偏离部分，但通常情况下，第二偏离部分与第一直线部分相比设置成处于更大的角度处，以便与直线部分相比以更大的旋转驱动套筒。通常情况下在整个槽(以更大或更小的程度)成角度的情况下，销通过槽的移动将驱动活塞围绕其轴线的持续旋转，且通常情况下旋转的程度根据槽的直线部分和偏离部分相对于所述轴线的角度来变化。
[0016]通常情况下，当销处于第二返回轨道的过渡部分内时完成切换。第二返回轨道的过渡部分通常情况下是轴向部分。通常情况下，通过将销在槽的轴向部分内的移动方向反向而触发切换。通常情况下，轴向过渡部分相邻槽中的Y形连接部，在环路和相邻的细长轴向轨道之间，并且通常情况下销在槽过渡部分内的移动反向使得销从一个环路移动到相邻的细长轴向轨道。
[0017]通常情况下，槽包括间隔开的每一个具有(通常轴向延伸的)盲端轨道的端部部分，以及通常从设备轴线偏尚的偏尚部分和轴向过渡部分。
[0018]通常情况下，所述设备包括围绕套筒/活塞沿周向间隔开的交替的环路和细长轴向轨道。通常情况下环路和细长轴向轨道成对布置，其中一个环路及其相邻的细长轴向通道成为一对。本发明的简单实施例可以仅仅包括一个环路和一个细长轴向轨道，并且销可以在一个环路和一个细长轴向轨道之间过渡、在环路内闲置，以及切换到在细长轴向轨道内的启用状态。然而，在本发明的其它实施例中，可具有多对成对的环路和细长轴向轨道，可选地沿着套筒或活塞的周边相继交替(例如，环路-细长轴向轨道-环路等)。从而在这种实施例中，销可在第一环路内闲置，切换到相邻的细长轴向轨道，在相邻的细长轴向轨道内销可使得装置移动到启用位置，然后移动到另一个(可选地不同的)环路内，以便在切换到(可选地不同的)第二细长轴向轨道内之前再一次闲置。在一些实施例中可选地设置2对、3对、4对或更多对环路和细长的轨道。不同的环路可选地具有相同或不同的特性，但通常情况它们所有的都具有在套筒/活塞的不同位置之间闲置而不启用装置的相同特性。类似地，不同的细长轴向轨道可具有相同或不同的特性，并且可选地在不同的细长轴向轨道中可看到特性上的更多变化，因为在本发明的一些实施例中这些细长轴向轨道可配置成在装置的不同启用状态之间进行切换，例如，一个第二环路可在关闭和打开50%之间切换，而另一个第二环路可在关闭和打开75 %之间等进行切换，等等。
[0019]通常情况下销在第一轨道内的移动速度不同于销在第二返回轨道内的移动速度，通常情况下在每个环路内均如此。通常情况下，销在槽的第二轨道内比在第一轨道内移动慢。销通过第一轨道的移动通常情况下尽可能地快。然而，销通过第二 (返回)轨道的移动可选地故意放慢以便给触发销在槽的第二轨道内的移动方向反向提供更长的时间窗口。这给在两个环路之间触发过渡提供更长的时间，则通常情况下使用常规的表面设备(诸如表面栗)可更容易地且更准确地完成该过渡。通常情况下，可通过液压装置来控制两个轨道之间的速度差异，例如当使得销在相应的第一轨道和第二轨道内移动时提供适于流体流动的不同流体路径。例如，销可在所述第二轨道内比在第一轨道内移动慢，因为迫使销在第二轨道内移动的流体可在流体路径中具有限流器，然而驱动销通过所述第一轨道的流体通常可选地移动通过对流体流动阻力更小的、更高容量的路径。可选地，在所述第一轨道和第二轨道中的每一个轨道内的流体流动路径可在结构上相同，而由例如在销通过每一轨道的过程中施加不同压力的功能性步骤控制其速度差异，以便使得与通过第一轨道相比销更慢地通过第二轨道。
[0020]可选地，第二轨道的不同部分(例如，偏离部分和轴向部分)具有关于销在那些部分中移动的最大可能速度的不同特性，并且在本发明的典型实施例中，与通过轴向部分相比，销可选地更快地移动通过第二轨道的偏离部分中的至少一个。因此，在销通过槽的移动速度上的这些差异限制允许销快速地移动到在环路到其相邻的细长轴向轨道之间发生过渡的点，然后通过槽过渡区域的受控的、更慢的移动允许花费更长时间(例如几分钟)从表面触发变化以便在从环路到其相邻的细长轴向轨道之间切换销，可选地在销经过可在环路之间进行切换的过渡点之后接着是更快地移动回到第一轨道的起始点。
[0021]可选地，速度限制器是流体流量限制器，其中使得销移动通过槽的驱动力是液压，但在其它实施例中可采用其它的动力使得所述销移动通过所述槽，则速度限制器可包括其它合适的组件。
[0022]可选地，所述设备用于操作阀，例如用于移动套筒/活塞，以便打开或关闭一个或多个端口，进而允许或限制或阻止流体流动，例如在循环阀中。可选地，所述设备用于操作切割工具，例如用于移动套筒/活塞，以便使得切割元件从工具主体延伸，例如在诸如扩孔器(under-reamer)的扩孔工具(reaming tool)中。所述环路可设置成允许操作人员使得流体循环通过工具，但是在环路中不会使得切割器扩展。第一细长轴向轨道可配置成在未扩展和部分扩展的切割器位置(例如扩展50%)之间移动，以及第二细长轴向轨道可配置成在未扩展和不同配置(例如扩展100%)之间移动。该设备的实施例也可用于使得稳定器的叶片延伸和收回。该设备的许多其它用途也是可能的。
[0023]特别有益的是该设备允许在不同的闲置配置之间循环而不必启用其控制的工具。这允许在柱中的其它压力驱动的工具独立于由本发明实施例控制的设备来操作。此外，其允许结合本发明设备的柱在表面处被拆解和组装，以便将立管增加到柱或从柱移除立管，而不影响所述装置的配置，例如无需使得所述装置在非启用、部分启用，或完全启用配置之间进行切换，直到销在由操作人员选择和控制的所需时间在第一环路和第二环路之间进行切换。
[0024]通常情况下，所述设备包括通过主体的导管，允许流体通过经过设备的导管。可选地，主体的孔可与其中结合所述设备的柱的孔对准。
[0025]通常情况下，活塞可通过主体孔内的流体压力来移动。通常情况下该孔允许流体压力传递通过柱中的设备，以便启用柱中的其它工具。
[0026]可选地，套筒/活塞可由弹性装置(诸如弹簧，例如螺旋弹簧)在一个轴向方向上偏置，以及流体压力(或驱动销在槽内移动的其它动力)可克服弹性装置的力在相反的方向上起作用。因此通常情况下，套筒/活塞可通常在一个方向上(例如向上)偏置，并且所述设备可选地通过施加流体压力(或其它动力)以便克服弹性装置的力使得套筒/活塞向下移动来启用。
[0027]如将由相关技术领域内的那些技术人员理解的那样，本发明的各个方面可以单独地或与其它方面中的一个或多个组合的方式来实施。本发明的各个方面可选地以与本发明其它方面的可选特征中的一个或多个结合的方式来提供。此外，关于一个实施例描述的可选特征通常可以单独地或连同本发明不同实施例中的其它特征一起相组合。
[0028]现在将参照附图对本发明的各个实施例和方面进行详细描述。从本发明的包括附图(示出若干示例性实施例和方面以及实施方式)的整个说明书将容易明了本发明的其它另外方面、特征和优点。因此，本发明能够具有其它和不同的实施例和方面，且其若干细节可在各个方面进行修改，所有这些都不脱离本发明的精神和范围。因此，附图和描述在本质上应被视为是解释说明性的，而并非限制性的。此外，在本文中所使用的术语和措词仅用于描述目的，不应被解释为在范围上进行限制。诸如“包含(including)”、“包括(comprising)”、“具有(having)”、“含有(containing)”或“涉及(involving)”及其变体的语言意旨是广泛性的并且涵盖其后列举的主题、未列举的等同物和附加主题，且并不意旨排除其它添加物、组分、整数或步骤。类似地，为了适用法律的目的，词语“包括(comprising)”被认为是与词语“包含(including)”或“含有(containing)”是同义的。
[0029]对文献、作用、材料、装置、物品等的任何论述被包括在说明书中只是为了提供对于本发明而言的上下文。并不暗示或代表形成现有技术基础的一部分的任何或所有这些内容是有关本发明领域内的公知常识。
[0030]在本公开中，当组合物、元件或一组元件的前面具有过渡词语“包括(comprising)”时，应当理解我们还设想到在陈述组合、元件或元件组之前具有过渡词语“基本上由……构成”、“由……构成”、“选自于由……构成的组”、“包含(including)”或“是(is)”的相同组合、元件或元件组，反之亦然。
[0031]在本公开中的所有数值都理解为由“约”修饰。本文中所述的元件或任何其它组件的所有单数形式应理解为包括其复数形式，反之亦然。
【附图说明】
[0032]在附图中:
[0033]图1是结合了根据本发明设备的第一循环工具处于第一关闭配置下的侧剖视图，在所述第一关闭配置下销处于第一环路中而循环工具关闭；
[0034]图2是图1所示循环工具处于第二关闭配置下的侧剖视图，在所述第二关闭配置下销仍处于第一环路内以及循环工具再次关闭；
[0035]图3是图1所示循环工具处于第三过渡配置下的侧剖视图，在所述第三过渡配置下销将要过渡到相邻的细长轴向轨道内；
[0036]图4是图1所示循环工具处于第一打开配置下的侧剖视图，在所述第一打开配置下销处于细长轴向轨道内以及循环工具打开；
[0037]图5是类似于图1的侧剖视图，其中循环工具处于关闭配置下，但在所述关闭配置下销处于第二环路内；
[0038]图6是类似于图2的侧剖视图，其中循环工具处于打开配置下，但在所述打开配置下销处于细长轴向轨道内；
[0039]图7是类似于图3的侧剖视图，其中销将要切换到下一细长轴向轨道内；
[0040]图8是图1所示设备的槽的示意性平面视图，仿佛活塞表面沿着图9的线A-A轴向剖开并展开成一个平面；
[0041]图9是示出剖开线A-A的图1所示设备的活塞的透视图；
[0042]图10是结合了根据本发明设备的第二循环工具处于第一关闭配置下的侧剖视图，在所述第一关闭配置下销处于第一环路中，孔压力低，而循环工具关闭；
[0043]图11是图10所示循环工具处于第二关闭配置下的侧剖视图，在所述第二关闭配置下销仍处于第一环路内，孔压力高，以及循环工具再次关闭；
[0044]图12是图10所示循环工具处于第三过渡配置下的侧剖视图，在所述第三过渡配置下压力逐渐减小，销将要从第一环路过渡到相邻的细长轴向轨道内；
[0045]图13是图10所示循环工具处于第一打开配置下的侧剖视图，在所述第一打开配置下销处于细长轴向轨道内，压力高，以及循环工具打开，允许流体循环；
[0046]图14是类似于图10的侧剖视图，其中循环工具在低的孔压力下处于关闭配置下，但在