專利名稱：在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中使用的可擴張管、擴張管的方法以及制造可擴張管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中使用的可擴張管，比如用于如油和氣的碳氫化合物的生產(chǎn)，或油田管，以及用于類似的井和結(jié)構(gòu)，例如水井、監(jiān)測和補救井、隧道和管道；擴張油田管和其他可擴張管的方法；以及制造可擴張管的方法?？蓴U張管包括但不限于這些產(chǎn)品如襯管、襯管懸掛器、防砂篩管、封隔器以及隔離套筒，所有這些都通常使用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，比如用于碳氫化合物的生產(chǎn)，且向外擴張而與井眼或井筒接觸，以及如前所述的在類似井和結(jié)構(gòu)中使用的產(chǎn)品。
3.參考信息申請人在此合并通過參考美國專利5,785,122、6,089,316和6,298,914，每一個題目為“Wire Wrapped Well Screen”，并共同為本申請人擁有。
4.背景技術(shù)雖然經(jīng)過一個世紀不斷的技術(shù)進步，油井和氣井的鉆井和建造仍然是慢速的、危險的和非常昂貴的過程。一些井的成本接近1億美元，如此高的成本的主要原因在于需要中斷鉆井進度，以便維修井中與地質(zhì)相關(guān)的問題斷面。
通常仍然僅僅通過昂貴且耗時的加套和固井操作，來改正漏失循環(huán)液、鉆孔失穩(wěn)和井壓力控制等主要問題。在每一個問題實例中都需要這樣的傳統(tǒng)密封過程，這經(jīng)常要求在大多數(shù)井中安裝一系列的幾個直徑遞減的或套疊的套管柱。一般來說，每個套管柱從表面安裝到每個問題區(qū)域，10,000英尺深的井經(jīng)常需要20,000至30,000英尺的管。
套疊實踐的不利之處有很多，包括需要過多的挖掘工作以及需要相應的裝備來應付尺寸過大的鉆巖和昂貴廢產(chǎn)品的過量生產(chǎn)。通常需要超過24英寸的起始直徑，以允許5英寸或更小的最終生產(chǎn)套管。當今的大型鉆井操作可能需要額定提升負荷高達2,000,000磅的鉆井設備，并占據(jù)幾英畝的井位位置，而這兩個需要都主要歸因于各種套管需要和操作。盡管花了很大的費用和努力，常常因為最終的套疊式套管尺寸或生產(chǎn)套管太小而不能經(jīng)濟地生產(chǎn)碳氫化合物資源，形成報廢井。
近年來，能源工業(yè)在從事作為另一選擇的“單鉆孔”井筒系統(tǒng)的開發(fā)，其中從表面到通常為1至7英里深的目標區(qū)域使用單一尺寸的套管。單鉆孔概念利用在分立區(qū)域放置可擴張?zhí)坠軄砣〈總€原先為同心的從表面到問題區(qū)域的套管柱的安裝。通過在原地進行的冷作、機械的鋼變形的過程，外徑(“OD”)為7-5/8英寸的中等套管尺寸將理想地擴張至大致符合10英寸的標定鉆孔。擴張的套管組件必須滿足一定的強度要求，并當鉆井變深并出現(xiàn)新的問題區(qū)域時，允許隨后的7-5/8英寸外徑的套管柱通過。
上述的變形過程在本質(zhì)上需要使用軟鋼，其不能夠產(chǎn)生高要求環(huán)境中所需要的很多關(guān)鍵機械特性，這些高要求環(huán)境對于油井和氣井來說是普通的。由于具有基本上不能解決的技術(shù)問題，相信60-70％的潛在客戶不會考慮使用當今的可擴張?zhí)坠?。變形的套管不提供密封效果，因此仍然需要固井操作?br> 目前，在油氣生產(chǎn)中使用多種井下可擴張管和井下“工具”。這些新的可擴張管和/或井下工具的最終成功，將依賴于其遵循或附著到各種地下它們貼著其擴張的幾何形狀的能力及其建立對井眼流體流動的一些控制的使用。在任何類型的井的壽命中，由于歷年來發(fā)生的地層砂粒的磨損、下陷或各種生物、化學及地質(zhì)化學過程，地下條件不斷變化。這些可擴張管在擴張后，必須在其整個使用壽命里大致保持其順性。
最初由于鋼材料從其改變狀態(tài)“回彈”至其自然或原始形式的自然傾向，使用當今的可擴張管不能夠?qū)崿F(xiàn)真正的可擴張管或裝置的順性?；貜椨袝r候也稱為“恢復”、“彈性”、“彈性恢復”、“彈性滯后”和/或“動態(tài)蠕變”。該原理存在于處理過的鋼或其他金屬材料的各個階段，直至由于過度變形導致的斷裂點。對于斷裂前的管子，在管子-弧度的整個厚度上有不同程度的變形，其以根據(jù)弧度的程度而變化的比率轉(zhuǎn)化為保證回彈，相應于變形的程度。當然，如果例如鋼的金屬材料的變形尚未超出材料的彈性極限，那么“回彈”比較大。
當今的擴張方法和可擴張裝置只能夠根據(jù)一個矢量來使材料變形，并假定裝置自由，或者說要求沒有障礙或其他功作用在井眼巖石上，如壓力。實際上，當遇上這樣的工作阻礙，局部擴張就基本上停止了；而且該擴張永不可能達到100％的附著。在遇上障礙或巖石時，擴張基本上停止，且可擴張管隨后收縮，對于當前的技術(shù)，環(huán)形空間通?？偸谴嬖诘?。
主要是局部的過度擴張和過度的材料變形，鄰接在任何井眼或有套的孔的環(huán)境里為非常普通的缺陷，其形成粘合充分的任何類型的裝置或管；然而，擴張的裝置和井的構(gòu)成并不彼此大致附著。對于在不規(guī)則幾何形狀的環(huán)境里發(fā)生的擴張，問題變得更復雜。由于在最后擴張時，裝置是靜止的，沒有恢復或回彈的傾向，且井眼環(huán)境沒有在其上施加任何作用，順性缺乏或井中高速和高壓的流體流動的不受控制的“熱點”可能導致問題。
可擴張管的目的是允許“固體管”穿過井中的最小直徑的套管和/或鉆孔，以生產(chǎn)碳氫化合物，固體管如套管、襯管懸掛器、隔離套筒、封隔器和/或防砂篩管，并且隨后貼著該套管擴張或貼著較大的無套管的鉆孔直接擴張。重要的經(jīng)濟利益是安裝水泥或礫石充填封套的花費和時間不再需要了，或大大減少了。
對于防砂篩管，技術(shù)好處始于改善的井篩管和鉆孔的接近性，因為井的流體被較少地阻止進入篩管。其他好處可包括用于去除鉆探泥漿、維修鉆子損壞、恢復自然生產(chǎn)潛力的改善的通道和機械有效性。此外，產(chǎn)生了較大的功能性的篩管表面積，其提供了更多有功能的流體流動的面積和防止阻塞。井篩管擴張產(chǎn)生的另一個好處是可擴張管具有更大的內(nèi)直徑。這允許放置更大直徑的泵和其他設備，或加工到井的生產(chǎn)區(qū)，其使用于各種現(xiàn)存的“智能井”流動控制硬件中，如泵、閥門和原位分離器。
當今現(xiàn)有的可擴張管和擴張管的方法，通常利用穿孔的或開槽的基管或原始管構(gòu)件，通過促使擴張裝置，如清管器或心軸，穿過基管，并且使其擴張和變形，或者通過在基管內(nèi)拖拉或旋轉(zhuǎn)錐形楔或滾子，基管擴張或變形至超出形成基管的材料的彈性極限，或者說塑性變形，以再次擴張基管，并使其永久變形。相信當前使用的可擴張管具有使其外徑以25-50％的因子擴張的能力，但相信增大100％是理想的。當今現(xiàn)有的可擴張管的另一個不利在于擴張的可靠性?？煽啃詥栴}來源于裝置本身的復雜性，其中，通過一些當今已知的可擴張管，需要多個層元件相互配合作用。鉆孔條件的不規(guī)則性，包括過度的彎曲程度、膨脹引起的直徑限制以及非同心性，可能都趨于阻止這些配合要求。
當今使用的可擴張管的另一個不利與其有限的抗破壞強度有關(guān)。當今現(xiàn)有的基管的擴張和永久變形，必然導致外壁厚度逐漸變薄。為了抗破壞，當可擴張管或裝置的直徑增加時，需要更大的壁厚度。一些當今的產(chǎn)品在完全擴張時，提供小至270psi的抗破壞強度，而其他的可能提供大約1000psi的抗破壞強度。工業(yè)的優(yōu)選將是最小為大約3500psi。當其直徑增加時，傳統(tǒng)可擴張管迅速變薄。這也是公知的高度的變形導致應力開裂和各種冶金問題。變形裝置的抗破壞力按照某個與其外徑成立方的比率減小。相信抗破壞強度的減小隨著使用開槽基管而加速，其實際導致任何鋼質(zhì)量的實質(zhì)面積的缺失。雖然采用具有更厚壁的基管可能是抗破壞強度問題的一個解決方法，但堅固壁的厚度需要顯著的額外的機械功來使其擴張。而額外的功又確信超出了當今擴張裝置的能力、成本以及有競爭力領(lǐng)域的時間要求。此外，過于堅固的擴張過程可在一些地質(zhì)和井的材料內(nèi)形成額外的空隙區(qū)。
另一個不利在于通用順性，因為傳統(tǒng)只針對理想狀態(tài)，但井下的幾何條件的極少方面是理想的。對于圓度來說，這尤其是正確的，因為對于傳統(tǒng)技術(shù)的有效性來說，這通常是必要的條件。甚至帶套管孔的環(huán)境都只以不定程度的偏心率或橢圓率而存在，通常不是理想的圓度。潛在的無套管的鉆孔的幾何形狀是不受限制的。相信傳統(tǒng)的可擴張管不適合用于非圓條件下，因為這些條件為已經(jīng)以立方成反比的變量增加了按指數(shù)規(guī)律變化的所有的破壞應力，可在Timoshenko和類似的板殼公式中找到這些變量。
傳統(tǒng)的可擴張管的另一個不利在于缺乏以擴張-能量存儲和動態(tài)校正能力為形式的真實順性。當前，由于延性材料的變形而發(fā)生的能量阻尼效應、穿過一些可擴張管的多層的低效能量傳輸、以及任何材料階段所固有的“回彈”原理，尚未提供使已擴張的可擴張管裝置的附著最大化的機構(gòu)。此外，軟的延性基管材料超出其彈性/塑性極限外的擴張和變形，可能出現(xiàn)公知的應力開裂問題。
當前的傳統(tǒng)可擴張管的另一個不利在于當基管或原先使用的管構(gòu)件向外變形而與井眼接合時，這種向外的徑向擴張導致管構(gòu)件的總長度變短。當在套管“卡點”之間套管時，這種沿管構(gòu)件縱軸線的收縮能阻止徑向擴張，并且當在鉆孔內(nèi)連接基管的多個部分時，可造成間隔和連接問題，因為可能具有可變長度的軸向間隙，其依賴于基管已經(jīng)發(fā)生了多少徑向擴張，這導致基管不理想的軸向縮短。

發(fā)明內(nèi)容
總的來說，本發(fā)明是一種可擴張管，其具有至少一個與其相關(guān)的能量存儲部件，在可擴張管從其第一未擴張直徑擴張至第二擴張直徑時，釋放存儲的能量，以促使已擴張的可擴張管與地質(zhì)或類似結(jié)構(gòu)，如井筒或鉆孔的內(nèi)部成順從或大致鄰接的關(guān)系。


在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的可擴張管的實施例的透視圖；圖2是沿圖1的線2-2截取的截面圖；圖3是與圖2的視圖類似的可擴張管的另一個實施例的截面圖；圖4是圖3的可擴張管的實施例在開始擴張后的截面圖；圖5是圖2的可擴張管的實施例在大致擴張至其最大直徑后的截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的可擴張管的另一個實施例的透視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的可擴張管的另一個實施例的部分的分解圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的可擴張管的另一個實施例的透視圖；
圖9是根據(jù)本發(fā)明的可擴張管的另一個實施例的透視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的砂篩的透視圖；以及圖11是根據(jù)本發(fā)明的套筒的透視圖。
雖然將結(jié)合優(yōu)選實施例來描述本發(fā)明，應當理解本發(fā)明并不局限于該實施例。相反，應當包括所有的變動、改動和等效物，正如后附的權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍所包括的。
具體實施例方式
參考圖1，結(jié)合可擴張管50顯示了本發(fā)明的實施例。通過使用術(shù)語“可擴張管”，意在包括但并不限于用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的通常為管形狀的構(gòu)件，比如井眼或鉆孔內(nèi)、或帶套管的井眼或鉆孔的套管內(nèi)井下使用的構(gòu)件，或用于類似井和結(jié)構(gòu)內(nèi)的通常為管形狀的構(gòu)件，比如水井、監(jiān)測和補救井、隧道和管道。這些通常為管形狀的構(gòu)件包括但并不限于襯管、襯管懸掛器、防砂篩管、封隔器以及隔離套筒，如比如油和氣的碳氫化合物，以及用于先前提出的類似井和結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域中所已知的。圖1中顯示的可擴張管50，結(jié)合了過濾器構(gòu)件，如下文將詳細描述的，可用作防砂篩管或井篩管。如果管50的外表面51上具有一固態(tài)層的塑料或彈性體材料53(圖2)，比如一層橡膠、塑料或類似的彈性體材料，那么可擴張管或管50就成了隔離套筒。在以下所有的描述中，相同的參考數(shù)字用于具有相同或類似功能與結(jié)構(gòu)的元件，而帶斜撇的參考數(shù)字通常代表所描述元件的不同實施例。
可擴張管50包括可擴張管50的第一部分55，其中部分55具有未擴張的第一直徑D，沿著管50的縱軸線56測量，第一部分55具有長度L?？蓴U張管50的第二部分57代表可擴張管50的過渡或中間階段，具有長度L’，其中顯示的第二部分57處于從未擴張直徑D至擴張直徑的擴張過程中，擴張直徑大于未擴張的第一直徑D。可擴張管50的第三部分58代表可擴張管50在其擴張至預期擴張直徑D’后的構(gòu)型，如下文將詳細描述的。因此，圖1顯示了可擴張管50的部分，其擴張并獲得增大的直徑D’。
仍然參考圖1，可擴張管50通常包括傳統(tǒng)的可擴張基管或通常為管形狀的構(gòu)件60，其具有外壁表面51和內(nèi)壁表面52?；?0可最初形成帶有形成在其上的多個開口或穿孔61；當?shù)谝徊糠?5具有未擴張直徑D時，結(jié)合可擴張管50的第一部分55來看，穿孔61最初具有通常為卵形或橢圓形的形狀。以傳統(tǒng)方式擴張基管60，如使用推或拖拉穿過基管60的心軸或清管器。基管60經(jīng)過中間的或過渡的第二部分57，在此期間，可以看出，卵形穿孔或開口從卵形轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g的卵形或橢圓形62。當基管60繼續(xù)擴張并且變形至結(jié)合具有直徑D’的第三部分58所顯示的構(gòu)型時，開口或穿孔呈現(xiàn)圓形63。開口61-63的形狀變化通常是基管60的直徑相對于擴張的管50的縱軸線56在徑向向外方向上擴張的結(jié)果。類似的，當發(fā)生擴張時，可擴張管50或基管60的總長度將沿著可擴張管50的縱軸線56的方向而減小。類似的，當擴張至直徑D’時，形成基管60的壁65的厚度將稍微減小，或者說變薄。
仍然參考圖1，所顯示的穿孔61可以熱處理和淬火為偏向于它們的擴大。如果鍛造出而不是鉆出孔或穿孔61，提供給可擴張管50的抗破壞強度功能的總的最終質(zhì)量可以增大，因為鉆孔去除了材料或質(zhì)量。對于具有多個槽的管來說，可以使用同樣的熱處理，如下所述。
作為另一種選擇，基管60可以具有形成在其上的多個交替的交錯排列的槽，如本領(lǐng)域中已知的，且槽通常沿著可擴張管50的縱軸線56排列。在基管60的該實施例(圖中未示)擴張時，形成在基管60內(nèi)的開口或槽在基管60擴張時呈現(xiàn)六邊形的構(gòu)型，如本領(lǐng)域中已知的。如傳統(tǒng)的，基管60擴張或變形至超出制造基管60的材料的彈性極限，該材料通常是鋼，其具有所需要的強度和耐久性特征，以便在井下環(huán)境中作為可擴張管而起作用。作為另一種選擇，具有所需要的強度、耐久性和柔性特征并能夠以前述方式在井下環(huán)境中起作用的任何其他材料，也可以用來制造基管60。
仍然參考圖1，可擴張管50也包括至少一個彈簧或能量存儲部件70，優(yōu)選地包括多個彈簧或能量存儲部件，如下文將詳細描述的。當基管具有其第一未擴張直徑D時，彈簧或能量存儲部件70用來在其中存儲能量或擴張能量，并且在可擴張管50被放置于井下在套管或鉆孔75(圖2)內(nèi)的其理想位置期間，能量存儲部件70優(yōu)選地連續(xù)釋放至少部分其存儲的能量，優(yōu)選地釋放其存儲的大部分能量。存儲能量的釋放會使可擴張管50的外壁表面51被向外沿徑向推動或偏置，該方向大致垂直于可擴張管50的縱軸線56。這個向外延伸的偏置力因此傾向于連續(xù)地偏置或作用于可擴張管50，此時促使其理想的擴張直徑D’靠著套管或鉆孔75的內(nèi)部，以實現(xiàn)與套管或鉆孔內(nèi)部的充分改善的順從或鄰接的關(guān)系。
圖1和2顯示的實施例中的能量存儲部件70，最初可以包括與基管60相關(guān)的凹槽、溝槽或凹口71。凹口71可以是獨立的部件，或類似彈簧的凹槽，位于基管60的相鄰部分之間，而能量存儲部件70或凹槽71可以固定于基管50的相鄰部分上，例如通過焊接過程。作為另一種選擇，能量存儲部件70或凹口71可以與基管60形成一整體，例如利用滾子或任何其他合適的制造技術(shù)來形成。能量存儲部件70或凹槽71通常沿著可擴張管50的縱軸線56的方向延伸，如圖1所示，能量存儲部件70通常以螺旋或螺線的方向和方式來環(huán)繞基管60。
從圖2中可看出，在可擴張管50的第一部分55內(nèi)的凹槽71可以初始形成為具有帶凹槽的構(gòu)型，其中凹槽71的壁74的外表面72相對于基管60的外壁表面51是凸的，而內(nèi)壁73相對于基管60的內(nèi)壁表面52具有凹的構(gòu)型。能量存儲部件70或凹槽71的截面構(gòu)型，可以典型地具有半圓形或其他構(gòu)型，其中凹槽71的外壁表面72相對于基管60的外壁表面51是凸的。通過沿著基管60的縱軸線56徑向向內(nèi)推動或壓縮壁74，能量或擴張能量隨后存儲在能量存儲部件70或凹槽71的壁74內(nèi)。如圖2中可看出的，通過向內(nèi)壓縮或者另外推動凹槽71的壁74，凹槽71被布置為外壁72相對于基管60的外壁表面51成凹形，且被布置為相對于基管60的內(nèi)壁表面52成凸的關(guān)系。如果壁74未變形超出其彈性極限，呈現(xiàn)出圖2所示的向內(nèi)設置的關(guān)系，能量就存儲在能量存儲部件70內(nèi)。換言之，形成凹槽、凹口或溝槽71的壁74起彈簧的作用，其現(xiàn)在被壓縮并存儲能量。設置于可擴張管50的第一部分55的外壁表面51上的任何合適的約束裝置，如外襯管、至少一根且優(yōu)選地為多根帶子或條帶(圖中未示)，可用來將凹槽71或能量存儲部件70保持在其壓縮狀態(tài)，在其中存儲所需要的能量。作為另一種選擇，點焊、焊料、環(huán)氧樹脂；可去除的、可蝕刻的、可剪切的金屬或塑料帶子、涂層或條帶；或化學粘合劑，可以用來將能量存儲部件70約束或保持在其壓縮的存儲能量的配置。在例如通過溶解、剪切、蝕刻、去除或撕裂外襯管或條帶，或通過溶解焊接點或化學粘合劑等釋放作用于能量存儲部件70上的壓縮力時，凹槽71的壁74將開始朝著套管或鉆孔75的內(nèi)部而向外彈出。在那個時候，壁74可向外移動，直至其與基管60的內(nèi)外壁表面51、52大致共面，如圖1中80處所示，壁74隨后向外彈出，使得壁74的外壁表面72具有圖1中結(jié)合可擴張管50的第三部分58在81處所示的構(gòu)型。能量存儲部件70隨后起彈簧或自擴張彈簧的作用，以向外推動或偏置可擴張管50的擴張的第三部分58的外壁表面51，使其與套管或鉆孔75的內(nèi)部成鄰接的順從關(guān)系，如圖5所示。
存儲在能量存儲部件或彈簧70內(nèi)的力或能量，也可以在基管以傳統(tǒng)方式擴張的同時進行釋放，傳統(tǒng)方式如通過推動或拖拉清管器或心軸穿過基管60。基管60的擴張又能夠釋放任何約束裝置或機構(gòu)，其用于將能量存儲部件70或凹槽71的壁74保持在其初始的壓縮構(gòu)型。因此，如果條帶或外襯管(圖中未示)圍繞基管60的外壁表面51布置，基管60的擴張能夠一開始就導致條帶和/或襯管斷裂或開口，從而釋放存儲在能量存儲部件70內(nèi)的彈簧能量。
作為另一種選擇，應該注意的是前述的能量存儲部件70和下文將描述的那些能量存儲部件，也可以單獨使用于基管60中，而不具有開口或穿孔61或交錯排列的槽。因此通過單獨使用本發(fā)明的能量存儲部件來實現(xiàn)可擴張管所需要的擴張，本發(fā)明的能量存儲部件提供了一種自擴張的可擴張管。
仍然參考圖2，基管60位于鉆孔75內(nèi)，顯示了其插入孔未擴張的或較小的直徑，其可為4英寸直徑的管子，具有至少一個能量存儲部件或高張力的拱形彈簧元件或凹槽71，其按螺旋線固定。凹槽71的自然形式可以是凹的，如結(jié)合圖2所顯示和所描述的，但其也可以最初是凸的，因為在圖5中顯示的其最終擴張的工作形式中，其是凸的。此外，在制造時推動相反的拱形位置或構(gòu)型，是另一種給基管60提供更大的質(zhì)量-能量關(guān)系和自擴張偏置的方法。
這對于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員來說是顯然的能量存儲部件70可具有其他構(gòu)型，以及其他機構(gòu)可用來提供所需要的偏置能量。比如，替代具有半圓形截面構(gòu)型的凹槽71來提供能量存儲部件，能量存儲部件70’可以是按具有蜿蜒或Z形構(gòu)型的截面構(gòu)型形成的壁74的一部分或幾部分，如圖3所示。和Z形(圖中未示)彈簧70’相比，圖3中的蜿蜒構(gòu)型具有更倒圓的連接器部分91，彈簧70’的腿92在連接部分91處彼此連接。蜿蜒的或Z形的壁表面90起彈簧70’的作用，其可以壓縮以存儲能量。Z形的能量存儲部件70’可以布置得大致平行于可擴張管50的縱軸線56，或者可以按照圖1中所示的凹槽71的方式相對于縱軸線56為螺線或螺旋布置。具有蜿蜒或Z形截面構(gòu)型的能量存儲部件70’起彈簧的作用，其可以按照前述方式被壓縮來存儲所需要的能量。
參考圖4，顯示了圖3中可擴張管50’的部分截面視圖，其處于過渡階段或中間階段57(圖1)。在從凹形到其被促動的凸形轉(zhuǎn)化的過程中，該特定類型的彈簧元件或能量存儲部件70’正向其蜿蜒的或Z形的形式轉(zhuǎn)變。參考圖5，顯示了圖1中最終擴大的部分58’的基管60或可擴張管50的部分截面視圖，但只顯示了能量存儲部件70的形狀81(圖1)。為了便于圖解，以夸大的關(guān)系顯示了彈性部件或凹槽71的能量存儲部件70的凸的位置或構(gòu)型，使得凹槽71的壁74的外壁表面72與鉆孔75切向接觸。
向外偏置的彈簧部件或能量存儲部件70、70’以及那些下文將要描述的部件，起三個作用。第一，彈性接觸點前攝地決定鉆孔75內(nèi)的某個幾何形狀和表現(xiàn)，可擴張管的能量在該彈性接觸點處顯現(xiàn)。第二，彈簧70以周向的方式提供順性類型的壓力或質(zhì)量-能量關(guān)系相當?shù)目蛊茐钠?。最后，能量存儲部件或彈?0、70’提供了更大的最終所需要的基管60直徑D’。
在200％的擴張設計中，例如具有牢固的1/2英寸或更大壁厚的基管60從4英寸外徑擴張至8英寸外徑，允許使用高張力材料來代替彈簧元件70，如向外徑向滑動/徑向推動的彈簧設計。如下文將要描述的，在該實施例中的能量存儲部件或彈簧70，類似發(fā)夾的幾何形狀，并且是相對薄壁構(gòu)件。小直徑的、相對厚壁的圓柱或部分的殼結(jié)構(gòu)原則，可用作彈性強度的提供者。將這些圓柱轉(zhuǎn)化為1/2英寸的殼、3/4英寸的殼或其他比率，并且添加短板或腿來形成發(fā)夾的形式，這允許操縱合適的外部壓縮及當元件相互作用時的最終的井下順性彈性。當然，許多這樣的小彈簧構(gòu)件可以成層。
參考圖6，說明了可擴張管50”的另一個實施例，其中顯示的可擴張管50”具有擴張的三個部分或階段55、57、58，其結(jié)合圖1的可擴張管50說明。部分或階段55具有未擴張直徑D，部分58具有完全擴張的部分或擴張直徑D’?？蓴U張管50”具有至少一個、優(yōu)選地具有多個能量存儲部件70，其徑向圍繞并且大致平行于可擴張管50”的縱軸線56布置。能量存儲部件70布置于軸向延伸的大致剛性的構(gòu)件、壁構(gòu)件或桿支撐構(gòu)件110之間。能量存儲部件70可以是細長的通常為V形或通常為U形的彈簧構(gòu)件111的形式，其最初被壓縮并布置于壁構(gòu)件110之間，以形成如部分55處所顯示的基管60’。可擴張管50”的部分55的擴張最初被任何合適的方式所約束，如之前結(jié)合可擴張管50、50’所描述的。當釋放作用于能量存儲部件70或彈簧111的約束力時，最初與基管60的外壁表面51成間隔關(guān)系而布置的彈簧111，徑向向外擴張并滑動，直至其布置成圖6的可擴張管50”的部分58中所說明的構(gòu)型。出于說明的目的，朝圖6的左側(cè)顯示了可擴張管50”的部分120，并顯示了與可擴張管50”的外表面51向內(nèi)間隔布置的彈簧111，其中彈簧構(gòu)件111的每個優(yōu)選地布置于細長的支撐構(gòu)件110之間。在這點上，可擴張管50”的部分120更能代表可擴張管50”處于過渡階段或者說圖6中顯示的部分57的構(gòu)型。
圖7是位于鉆孔75內(nèi)的可擴張管50的另一個實施例的分解圖，與圖6的可擴張管50”類似。顯示的可擴張管50處于圖6的部分或階段58的完全擴張構(gòu)型，其中細長的大致或通常為V形或U形的彈簧構(gòu)件111布置于細長支撐構(gòu)件110’之間。替代如圖6實施例的支撐構(gòu)件110的相對剛性，桿或支撐構(gòu)件110’也形成為能量存儲部件70或細長的大致為V或U形的彈簧構(gòu)件112。通過能量存儲部件70或彈簧構(gòu)件111、112的相互作用，相信該可擴張管50可提供更細微、詳盡的順性程度。在可擴張管50的該實施例中，優(yōu)選地使用了護套、襯管或包層53。構(gòu)件53的襯管可以是砂篩膜或固體的套管層，取決于可擴張管50的預期用處。
參考圖8，顯示了可擴張管50””的另一個實施例，處于未擴張構(gòu)型或部分55以及擴張構(gòu)型或部分58。該可擴張管的構(gòu)造可以和先前結(jié)合圖6和7描述的那些以及下文將要描述的可擴張管的后續(xù)實施例相同或類似。如果需要，可以結(jié)合可擴張管來利用后張力原理，由此可以通過在細長構(gòu)件110或替代的細長構(gòu)件110’上沿箭頭130所示的方向拉或施加張力，來實現(xiàn)基管60’的外壁表面51的額外向外偏置或向外自擴張。從較大直徑的錨定點或通過實際的后張力實踐來施加張力或拉力，在后張力實踐中，通過在其他部件下放置張力構(gòu)件來引起向外的拱形偏置。出于說明的目的，圖8只顯示了幾個處于張力下的細長構(gòu)件110；然而，所有細長構(gòu)件110優(yōu)選地都被施加張力。如前所述，如果需要，也可以使用護套、涂層或包層53。
參考圖9，顯示了可擴張管50””的另一個實施例，處于其插入或未擴張階段55以及其擴張的大致完全的直徑D’的階段58。通過多個能量存儲部件70來形成基管60的外壁表面51，能量存儲部件70大致平行于可擴張管50””基管60’的縱軸線56延伸。作為另一種選擇，基管60’的外壁表面51的至少一部分由一些能量存儲部件70所形成，而其他部分可以由一些其他類型的元件來形成，如先前描述的壁構(gòu)件110。優(yōu)選地，基管60的大致所有外壁表面51由多個能量存儲部件70所形成。
仍然參考圖9，能量存儲部件70的至少一些，如果不是所有的，優(yōu)選地為能量存儲部件70的大部分，是通常的U形或V形的細長彈簧構(gòu)件111’，彈簧構(gòu)件的每個通常布置得大致平行于基管60’的縱軸線56。每個細長彈簧構(gòu)件111’優(yōu)選地包括細長曲壁表面140，其布置于大致平行于基管60’的縱軸線56的方向。壁表面140跨接彈簧構(gòu)件111’的腿92之間的空間。可以認為包括曲壁表面140的彈簧構(gòu)件111’是由壁或腿92所支撐的圓柱表面，通常稱該結(jié)構(gòu)為“拱頂”，如圖9所示。曲壁表面140通常表現(xiàn)得很象一系列平行的拱形。曲壁表面140可以以任何合適的方式固定于彈簧構(gòu)件111’的腿92上，只要所形成的結(jié)構(gòu)能夠起作用，以允許可擴張管50””在釋放約束力時向外擴張，如前所述。優(yōu)選地，當可擴張管由合適的鋼或其他金屬材料制成時，曲壁構(gòu)件140可以通過焊接固定到腿92上。如果使用塑料材料，可以通過粘合劑或環(huán)氧樹脂或其他類似的連接方法或任何合適的連接技術(shù)，將曲壁表面或壁構(gòu)件140固定到腿92上。雖然顯示了兩個腿92，在彈簧構(gòu)件111’中可以使用更少或更多的腿92。
通過在擴張階段58中聯(lián)合多個能量存儲部件70或彈簧111’，可以裝配可擴張管50””，隨后可擴張管50””可以徑向壓縮而呈現(xiàn)插入構(gòu)型55。如果可擴張管50””被壓縮，彈簧構(gòu)件111’的腿92朝彼此移動，且曲壁表面或壁構(gòu)件140被推動在徑向方向向外移動遠離基管60的縱軸線56，如145處所示。隨后受壓縮的可擴張管50””被約束在壓縮構(gòu)型，或縮小直徑的階段或部分55，如先前結(jié)合本發(fā)明可擴張管的其他實施例所描述的。例如，在可擴張管50””置于地質(zhì)結(jié)構(gòu)或鉆孔75內(nèi)后，可以如前所描述地去除約束力，由此每個彈簧構(gòu)件111’的腿92背離彼此而移動或者說自擴張，這導致每個彈簧構(gòu)件111’的外壁表面140呈現(xiàn)較小的拱形，同時可擴張管50””的直徑增大。
仍然參考圖9，通過裝配多個個體的被壓縮的彈簧構(gòu)件111’，以形成處于其插入或減小直徑的構(gòu)型55的基管60，也可以可選的構(gòu)成可擴張管50””。在任何一種情況中，彈簧構(gòu)件111’的每個優(yōu)選地相聯(lián)于，或以某種方式固定于鄰近的彈簧構(gòu)件111’或壁構(gòu)件110(圖中未示)，例如通過保持機構(gòu)，如點焊、化學粘合劑、內(nèi)部可擴張襯管(圖中未示)，或通過環(huán)氧樹脂或類似技術(shù)。作為另一種選擇，可擴張管50””可以作為整體式結(jié)構(gòu)而形成，該整體式結(jié)構(gòu)由通常為圓柱形的、整體式的折疊結(jié)構(gòu)所形成，其中褶的每個是一個類似彈簧的構(gòu)件或彈簧構(gòu)件。
應該注意的是，當曲壁表面或壁構(gòu)件140以及彈簧構(gòu)件111’的腿92被壓縮時，必須要小心，以避免使腿92或曲壁表面140超出其彈性極限而永久變形。這對于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員來說是顯然的如果腿92或曲壁表面140變形超出其彈性極限，可擴張管50””將可能不再如所需要的那樣擴張或自擴張，或如果其仍然繼續(xù)自擴張，擴張可能不是有效的。例如，如果用低于形成腿的材料的彈性極限的力來壓縮腿92，而用高于形成曲壁構(gòu)件140的材料的彈性極限的力來壓縮或使壁表面140變形，可能彈簧構(gòu)件111’將不再自擴張或可選地可能將不再自擴張至其最完全的程度，因為其運動可能被永久變形的壁表面140所約束。
參考圖10，顯示了用于井眼的采用砂篩或井篩管150形式的可擴張管。砂篩150的通常構(gòu)造類似于作為參考合并的專利中的砂篩；然而，根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的圖10中的砂篩150是自擴張的或可自擴張的。砂篩150的構(gòu)造類似于圖6的可擴張管50”的構(gòu)造，并包括多個能量存儲部件70，其徑向圍繞砂篩150的縱軸線56布置。能量存儲部件70可以是細長的V形或U形的彈簧構(gòu)件的形式。代替彈簧構(gòu)件111’被布置于圖6中顯示的軸向延伸的大致剛性的構(gòu)件或壁構(gòu)件110之間，縱向延伸的彈簧構(gòu)件111’與鄰近彈簧構(gòu)件111’以間隔的關(guān)系布置，如通過多個間隔構(gòu)件151。間隔構(gòu)件151在鄰近彈簧構(gòu)件111’之間提供了多個空隙或開口，由此流體(圖中未示)可向內(nèi)流入砂篩150，如本領(lǐng)域中所已知的。如圖10所示，當砂篩150從其減小直徑的構(gòu)型55擴張至其完全擴張直徑的構(gòu)型58時，提供了所需要的砂篩構(gòu)型。如同可擴張管的其他實施例，砂篩150可以在最初壓縮至其需要的以55顯示的構(gòu)型，并通過使用先前結(jié)合其他實施例描述的任何技術(shù)，將砂篩暫時約束在那個構(gòu)型。如前所述，在釋放約束力時，砂篩150擴張或自擴張至以58顯示的構(gòu)型。砂篩150可以起可擴張砂篩的作用，可作為另一個基管60的外罩，或起基管60的作用，該基管可以與一層橡膠或塑料材料(圖中未示)一起使用，如先前結(jié)合圖2和7所描述的。
圖11顯示了圖10的砂篩150，在砂篩150的外表面51上具有彈性體層53，由此砂篩150結(jié)合彈性體層53可起自適應套筒結(jié)構(gòu)的作用，用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)。彈簧構(gòu)件111’可以與圖10中顯示的包括間隔構(gòu)件151的那些具有相同的結(jié)構(gòu)。如果需要，也可以提供內(nèi)部彈性體層160。此外，在井篩管和防砂篩管150的外壁表面上，也可以使用可擴張的過濾器層。
應該注意的是，在本發(fā)明的可擴張管的每個實施例中，在可擴張管或砂篩向外擴張至其需要的擴張構(gòu)型時，擴張管或砂篩沿其縱軸線的長度基本不縮短。相信本發(fā)明的該特征，即不管在擴張構(gòu)型58或壓縮構(gòu)型55中，每個擴張管的長度大致保持相同，可導致可擴張管的長度容易而有效的連接，以及可擴張管在例如鉆孔的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中容易而有效的安裝。同時相信在例如鉆孔的地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)遇到障礙的范圍里，能量存儲部件或彈簧的柔性特性將允許本發(fā)明的可擴張管更好地適應鉆孔或其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁表面。
應當理解本發(fā)明并不局限于所顯示的和所描述的結(jié)構(gòu)的確切細節(jié)、操作、確切材料或?qū)嵤├?，因為對于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員來說，明顯的改動和等效物是顯然的。例如，如在包括的專利里所顯示的井篩管，可以這樣來制造在井篩管內(nèi)施加并鎖定或存儲縱向張力或伸長的力；在井篩管內(nèi)施加并鎖定或存儲徑向施加的壓縮力；或在井篩管內(nèi)施加和存儲扭轉(zhuǎn)或扭曲力。所有這些力或存儲的能量在施加時將先減小井篩管的直徑。在釋放該力或能量時，在井篩管達到第二擴大直徑后，存儲的能量將提供向外指向的偏置力。施加的力將都小于被張緊、壓縮或扭轉(zhuǎn)的材料的彈性極限。因此，本發(fā)明只受后附權(quán)利要求書的范圍的限定。
權(quán)利要求
1.一種用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的可擴張管，其包括通常為管形狀的構(gòu)件，其具有第一直徑、外壁表面和縱軸線；該管形狀的構(gòu)件包括至少一個能量存儲部件，當管形狀的構(gòu)件具有第一直徑時，該能量存儲部件在管形狀的構(gòu)件內(nèi)存儲擴張能量；以及當從至少一個能量存儲部件釋放擴張能量時，通常為管形狀的構(gòu)件擴張，從而具有大于第一直徑的第二直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴張管，其特征在于，至少一個能量存儲部件是至少一個彈簧。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可擴張管，其特征在于，彈簧形成為形成于管形狀的構(gòu)件的外壁表面內(nèi)的凹槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可擴張管，其特征在于，彈簧是外壁表面的一部分，具有通常的蜿蜒的或Z形的構(gòu)型。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可擴張管，其特征在于，彈簧是細長的通常為V形或通常為U形的彈簧構(gòu)件，彈簧構(gòu)件布置得大致平行于管形狀的構(gòu)件的縱軸線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可擴張管，其特征在于，彈簧構(gòu)件包括細長的曲壁表面，其布置得大致平行于管形狀的構(gòu)件的縱軸線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可擴張管，其特征在于，彈簧構(gòu)件包括至少兩個腿，并且曲壁表面固定到該至少兩個腿上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴張管，其特征在于，約束裝置將管形狀的構(gòu)件保持在其第一直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的可擴張管，其特征在于，約束裝置將至少一個能量存儲部件保持在壓縮狀態(tài)，由此擴張能量存儲在該至少一個能量存儲部件內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴張管，其特征在于，該至少一個能量存儲部件形成通常為管形狀的構(gòu)件的外壁表面的至少一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴張管，包括圍繞通常為管形狀的構(gòu)件的外壁表面布置的彈性體層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可擴張管，包括多個形成于管形狀的構(gòu)件的外壁表面內(nèi)的開口或槽，由此管形狀的構(gòu)件也可以通過心軸來擴張和變形。
13.一種擴張地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的可擴張管的方法，其包括以下步驟提供具有第一直徑、外壁表面和縱軸線的可擴張管，該可擴張管包括至少一個能量存儲部件，當可擴張管具有第一直徑時，該能量存儲部件在可擴張管內(nèi)存儲擴張能量；將可擴張管置于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中；以及從至少一個能量存儲部件釋放擴張能量，其導致可擴張管擴張，從而具有大于第一直徑的第二直徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括步驟利用至少一個彈簧作為至少一個能量存儲部件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括步驟大致平行于可擴張管的縱軸線來布置彈簧。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括步驟利用約束裝置，將可擴張管保持在其第一直徑。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括步驟當可擴張管具有第一直徑時，將至少一個能量存儲部件保持在壓縮狀態(tài)，以在該至少一個能量存儲部件內(nèi)存儲擴張能量。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括步驟在可擴張管的外壁表面上提供彈性體層。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括如下步驟為可擴張管的外壁表面提供多個槽或開口；以及在可擴張管位于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中以后，擴張和變形可擴張管的至少部分。
20.一種形成用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的可擴張管的方法，其包括如下步驟形成具有第一直徑的通常為管形狀的構(gòu)件，該第一直徑將允許可擴張管置于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中；以及為通常為管形狀的構(gòu)件提供至少一個能量存儲部件，其在管形狀的構(gòu)件內(nèi)存儲擴張能量，當可擴張管位于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，在后來釋放擴張能量時，可擴張管將具有大于第一直徑的第二直徑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括步驟利用至少一個彈簧作為至少一個能量存儲部件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，包括步驟大致平行于可擴張管的縱軸線來布置彈簧。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括步驟為通常為管形狀的構(gòu)件提供約束裝置，以將管形狀的構(gòu)件保持在第一直徑。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括步驟當管形狀的構(gòu)件具有第一直徑時，將至少一個能量存儲部件保持在壓縮狀態(tài)，以在該至少一個能量存儲部件內(nèi)存儲擴張能量。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括步驟在管形狀的構(gòu)件的外壁表面上提供彈性體層。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括如下步驟為管形狀的構(gòu)件的外壁表面提供多個槽或開口；以及在管形狀的構(gòu)件位于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中以后，擴張和變形管形狀的構(gòu)件的至少部分。
27.一種用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的防砂篩管，其包括通常為管形狀的構(gòu)件，其具有第一直徑、外壁表面和縱軸線；該管形狀的構(gòu)件包括至少一個能量存儲部件，當管形狀的構(gòu)件具有第一直徑時，該能量存儲部件在管形狀的構(gòu)件內(nèi)存儲擴張能量；以及當從至少一個能量存儲部件釋放擴張能量時，通常為管形狀的構(gòu)件擴張，從而具有大于第一直徑的第二直徑。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的防砂篩管，其特征在于，至少一個能量存儲部件是至少一個彈簧。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的防砂篩管，其特征在于，彈簧是細長的通常為V形或通常為U形的彈簧構(gòu)件，彈簧構(gòu)件布置得大致平行于管形狀的構(gòu)件的縱軸線。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的防砂篩管，其特征在于，彈簧構(gòu)件包括細長的曲壁表面，其布置得大致平行于管形狀的構(gòu)件的縱軸線。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的防砂篩管，其特征在于，彈簧構(gòu)件包括至少兩個腿，并且曲壁表面固定到該至少兩個腿上。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的防砂篩管，其特征在于，約束裝置將管形狀的構(gòu)件保持在其第一直徑。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的防砂篩管，其特征在于，約束裝置將至少一個能量存儲部件保持在壓縮狀態(tài)，由此擴張能量存儲在該至少一個能量存儲部件內(nèi)。
34.根據(jù)權(quán)利要求27所述的可擴張管，其特征在于，該至少一個能量存儲部件形成通常為管形狀的構(gòu)件的外壁表面的至少一部分。
35.根據(jù)權(quán)利要求27所述的可擴張管，包括圍繞通常為管形狀的構(gòu)件的外壁表面布置的過濾器層。
36.一種擴張地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的防砂篩管的方法，其包括以下步驟提供具有第一直徑、外壁表面和縱軸線的防砂篩管，該防砂篩管包括至少一個能量存儲部件，當防砂篩管具有第一直徑時，該能量存儲部件在防砂篩管內(nèi)存儲擴張能量；將防砂篩管置于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中；以及從至少一個能量存儲部件釋放擴張能量，其導致防砂篩管擴張，從而具有大于第一直徑的第二直徑。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，包括步驟利用至少一個彈簧作為至少一個能量存儲部件。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，包括步驟大致平行于防砂篩管的縱軸線來布置彈簧。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，包括步驟利用約束裝置，將防砂篩管保持在其第一直徑。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，包括步驟當防砂篩管具有第一直徑時，將至少一個能量存儲部件保持在壓縮狀態(tài)，以在該至少一個能量存儲部件內(nèi)存儲擴張能量。
41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，包括步驟在防砂篩管的外壁表面上提供過濾器層。
全文摘要
在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中使用的可擴張管(50)，包括擴張管的方法以及制造可擴張管的方法，可擴張管包括使用擴張能量存儲部件，該部件為可擴張管提供了自擴張的特征。
文檔編號E21B43/10GK1842635SQ200480024633
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月25日
發(fā)明者杰弗里·A·斯普雷 申請人:杰弗里·A·斯普雷