專利名稱：熱致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及致動器，特別是一種熱致動的致動器。
技術(shù)背景油田工具和作業(yè)中通常使用致動器來移位構(gòu)件，以獲得期望的結(jié)果，如打開或關(guān)閉閥、移位套筒、加強(qiáng)密封(energizing a seal)、或者分 離部件。在井下井眼(wellbore)作業(yè)中，目前的技術(shù)需要一種表面干預(yù) 來致動該致動器。表面干預(yù)的例子主要包括操縱鉆柱(well string:或 井管柱)和通過鉆柱給致動器施加液壓。在至少一個分離裝置中，使用諸 如蒸汽或腐蝕劑的熱流來溶化止動構(gòu)件，從而分離相互連接的組件。理想的是，為井下作業(yè)提供一種自備式致動器，其不需要表面干預(yù)來 致動。更理想的是，提供一種致動裝置，其由致動器所處的環(huán)境的周圍條 件來致動。更理想的是，提供一種致動器，其由材料響應(yīng)于周圍環(huán)境溫度 的膨脹或收縮而致動。發(fā)明內(nèi)容由此，提供熱致動的致動器和方法。在一個實施例中，致動器組件包 括第一部分、第二部分、將第一部分和第二部分可釋放地鎖定在使得第一 和第二部分相互連接的鎖定位置、以及與鎖定裝置操作連接的膨脹材料， 該膨脹材料響應(yīng)于暴露在選定的溫度中而膨脹，這致動(或移動)鎖緊裝 置到使得第一部分與第二部分分離的解鎖位置。在井眼中期望的位置從第二部件分離第一部件的系統(tǒng)的實施例包括 含有膨脹材料的分離工具，當(dāng)膨脹材料響應(yīng)于期望的位置的溫度出現(xiàn)確定 的膨脹(determined expansion)時該分離工具可以從使得第一和第二部 件相互連接的鎖定位置致動(或移動)至使得第一和第二部件分離的解鎖 位置。在井眼中期望的位置從第二部件分離第一部件的方法的實施例包括 步驟提供具有第一部分、第二部分和含有膨脹材料的分離工具，該分離 工具具有使得第一和第二部分相互連接的鎖定位置和使得第一和第二部分分離的解鎖位置；在鎖定位置組裝(making up)分離工具；將第一部 件連接至第一部分，并將第二部件連接至第二部分；將分離工具定位在井 中期望的位置；當(dāng)膨脹材料響應(yīng)于分離工具暴露在井眼中期望位置的溫度 而出現(xiàn)確定的膨脹時，使分離工具致動(或移動)至解鎖位置。上述內(nèi)容大致描述了本發(fā)明的特征和技術(shù)效果，以更好地理解下面的 對本發(fā)明的詳細(xì)說明。下文中將描述形成本發(fā)明的權(quán)利要求的主題的其他 特征和效果。


結(jié)合以下附圖，參考下文的本發(fā)明的具體實施例的詳細(xì)描述，可以很 好地理解上述以及本發(fā)明的其他特征和方面。其中圖1是使用本發(fā)明的一個實施例的熱致動器作為分離裝置的井眼的 示意圖；圖2是在鎖定位置的熱致動器的一個實施例的示意圖；圖3是在解鎖位置的熱致動器的一個實施例的示意圖；以及圖4是熱致動器的一個實施例的示意圖，顯示第一部件從第二部件分離。
具體實施方式
參考這些附圖，其中描述的部件不必須依比例來顯示，并且其中相同 或相似的構(gòu)件在全部的幾幅圖中用相同的附圖標(biāo)記來指明。在此，術(shù)語"向上"和"向下"；"上面的"和"下面的"；以及其 他類似的術(shù)語，指示一給定點或部件的相對的位置，用來更清楚地描述本 發(fā)明的實施例的部件。通常，這些術(shù)語與一參考點相關(guān)，如鉆井作業(yè)開始 的表面為頂點，井的整個深度為最低點。這里公開的內(nèi)容教導(dǎo)了一種致動裝置和方法，所述致動裝置和方法利 用該裝置所處的位置的環(huán)境溫度致動。在此所描述的本發(fā)明涉及在井眼作業(yè)中用于井下的分離裝置(disconnect device)的實施例。然而，應(yīng)認(rèn) 識到，該裝置和方法也可以使用在各種作業(yè)和工序中，如切換閥構(gòu)件、加 強(qiáng)密封等。圖1是一井眼的示意圖，其中熱致動器10的一個實施例用作分離裝 置。井眼12從地面14鉆到地下層16。熱致動器10使得第一部件18和第 二部件20相互連接，以使這些構(gòu)件相互結(jié)合地下送到井眼12中。當(dāng)將致 動器10和構(gòu)件18、 20定位到井眼12中期望的位置時，使致動器10致動 以分離構(gòu)件18和20。在圖示的實施例，第一部件18是撓性油管，第二部件20是油管管柱。 油管管柱20是主油管管柱(primary tubing string)，用來將撓性油管 管柱18下送到位而不被破壞。 一旦撓性管18到位，地下層16中的熱量 使致動器10致動至一分離位置，在該分離位置撓性管18與管柱20脫離。 然后撓性管18可以從井眼12中移出，而將油管管柱20留在適當(dāng)位置以 便在下一作業(yè)中使用，或?qū)⒂凸芄苤?0留在不與主油管管柱20連接的位 置。參考圖2，圖2顯示了在鎖定位置的熱致動器10的一實施例。熱致 動器包括與第二部分24可分離地連接的第一部分22，活塞26和熱致膨脹 材料28。第一部分22為圓柱體，該圓柱體具有連接端30、反向頸(opposing neck) 32、和內(nèi)腔室34。頸32形成一通向腔室34的開口 ，其尺寸形成為 可容納活塞26的一部分。具有臂和膨脹部分或指狀物38的套爪(collet) 36從頸32大體上軸向延伸。圖示連接端30為與撓性油管18連接的帶螺紋連接件(圖l)。其他 連接方式，如焊接等也可以用于連接端30。第二部分24包括大致管狀的外殼，該外殼形成一適于容納頸32和活 塞26的空腔50。第二部分24的內(nèi)表面42輪廓形成為包括至少一個凹進(jìn) 部件44，當(dāng)致動器10位于第一或鎖定位置時，用于容納套爪36的膨脹區(qū) 域38?；钊?6包括一個外部的，臺階形平臺46，其具有一突出部分，當(dāng) 致動器10位于鎖定位置時，該突出部分使膨脹區(qū)域38保持在凹進(jìn)部件44 中。活塞26還可以包括一個直徑擴(kuò)大端52。當(dāng)位于該鎖定位置，第一部分22和活塞26通過機(jī)構(gòu)48，通常為剪 切機(jī)構(gòu)(shear mechanism)，保持相互連接。剪切機(jī)構(gòu)可以包括任何剪 切、破裂、易碎或割裂型的裝置，如銷、螺釘、盤、或其他在施加一確定 的力時就解開連接的裝置?；钊?6、膨脹區(qū)域38和凹進(jìn)部件44相互結(jié)合地運(yùn)作，用作可釋放 的鎖定機(jī)構(gòu)60。鎖定機(jī)構(gòu)60在鎖定位置使得第一和第二部分在相對于彼 此固定的位置相互連接，以防止在工具下送到井眼內(nèi)時第一和第二部分發(fā) 生意外的或提前的分離。熱致膨脹材料28操作連接至鎖定機(jī)構(gòu)60。如圖 3所示，當(dāng)材料28做出確定的膨脹時，致動鎖定機(jī)構(gòu)60至解鎖位置。第二部分24也包括連接端40，其適用于與油管管柱20(圖l)連接。 對于圖示和所描述的實施例，連接端40是適于焊接至油管管柱的接頭 (sub)。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，連接端40可以包括其他接合方式，如攻絲， 以符合所期望的應(yīng)用。熱致膨脹材料28提供將鎖定機(jī)構(gòu)60移動至解鎖位置的激發(fā)或致動能 量。材料28可以包括任何響應(yīng)于熱能而膨脹的材料(液體、固體、或氣 體)。材料28的體積熱膨脹系數(shù)必須是使材料響應(yīng)于表面14 (圖1)的 溫度與地層16的期望深度處的溫度之間的溫度差而膨脹。雖然用于致動 分離裝置10的操作器可以供給熱量，但通常期望當(dāng)暴露在地層16中的期 望位置的環(huán)境溫度中時出現(xiàn)致動。膨脹材料的例子包括液壓油(它容易適 用于大多數(shù)的應(yīng)用)、固體和氣體。許多制造商都提供適用的液壓油，例 如殼牌公司(Shell)提供的名為TELLUS 32的液壓油。材料28的選擇、 腔室34的體積、以及活塞26的移動范圍，可以被調(diào)整以滿足該表面與期 望的致動位置之間的溫度差?，F(xiàn)在說明在鎖定或者下送位置組裝熱致動器10。活塞26與膨脹端部 52定位在空腔50內(nèi)。端部52位于距離空腔50的后壁54 —定距離處，以 留下一空間56?；钊?6的外部平臺46推動并保持所述套爪36的膨脹區(qū) 域38在內(nèi)表面42的凹進(jìn)部件44中。保持機(jī)構(gòu)58，如卡簧(snap spring)， 可以從第二部分24定位成接合活塞26的膨脹端部52。第一部件18連接 至第一部分22，且第二部件20連接至第二部分24。熱致膨脹材料28設(shè) 置在腔室34中，使其填滿腔室34的體積，直至活塞26。對于本示例，填充0. 25升液壓油到腔室34中，直至活塞26。該表面或下送(run-in)溫 度是20攝氏度。期望的致動點處的預(yù)期溫度是100攝氏度，在該點處液 壓油的體積將膨脹至O. 267升?，F(xiàn)在參考圖1至4描述熱致動器10的操作。熱致動器10在使得第一 部件18和第二部件20相互連接的鎖定位置組裝。部件18、 20和致動器 10下送到井眼12中至期望的深度和位置。暴露致動器，更確切地，暴露膨脹材料28至地層16中相對于表面 14升高的溫度中，使材料28膨脹。材料28膨脹，從而向軸向遠(yuǎn)離第一部 分22和腔室34的方向推動活塞26。剪切機(jī)構(gòu)48將活塞26保持在固定的 位置，且第一第一部分22維持腔室34的體積大體上不變。材料28的膨 脹產(chǎn)生的壓力作用在活塞26的區(qū)域61上，從而在剪切機(jī)構(gòu)48上施加一 個力。腔室34中的壓力上升，直到超過剪切機(jī)構(gòu)48的能力，從而釋放第 一部分22與活塞26之間的連接。然后，材料28的膨脹帶來的壓力軸向 移動活塞26。隨著活塞26的移動，套爪36的膨脹區(qū)域38徑向向內(nèi)向著 外部臺階46逐漸減小的直徑部分移動，這從凹進(jìn)部件44和第二部分24 之間的接合松開區(qū)域38。圖3顯示位于解鎖位置的致動器10。在鎖定機(jī) 構(gòu)60解鎖的情況下，第一部分22從第二部分24分離。如圖4所示，當(dāng)端部52向空腔50的后壁移動時，保持機(jī)構(gòu)58向著 活塞26徑向向內(nèi)移動。保持機(jī)構(gòu)58的位置在空腔50內(nèi)圍繞活塞形成限 制。該限制維持活塞26與第二部分24連接，從而防止活塞26釋放至井 眼中，并防止在鎖定位置重新接合鎖定機(jī)構(gòu)60。圖4顯示當(dāng)對第一部分 22施加一向上的力時，第一部分22和第二部分24分離的情形。從上述對本發(fā)明的具體實施例的詳細(xì)描述，顯然公開了一種新穎的熱 致動器。雖然在此詳細(xì)公開了本發(fā)明的具體實施例，但這僅是為了描述本 發(fā)明的各種特征和各個方面，而不是限制本發(fā)明的保護(hù)范圍?？梢灶A(yù)期 在不偏離所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下，可 以對這些公開的實施例做出各種替換、變化、禾P/或修改(包括但不限于 這里所暗示的變型)。
權(quán)利要求
1、一種致動器組件，包括第一部分；第二部分；在使得第一和第二部分相互連接的鎖定位置可釋放地鎖定第一部分和第二部分的裝置；以及與鎖定裝置操作連接的膨脹材料，該膨脹材料響應(yīng)于暴露在選定的溫度中而膨脹，從而致動鎖定裝置至使得第一部分與第二部分分離的解鎖位置。
2、 權(quán)利要求1的組件，其中所述膨脹材料包括液體、固體、或氣體 中的一種。
3、 權(quán)利要求l的組件，其中所述膨脹材料包括油。
4、 權(quán)利要求1的組件，其中所述鎖定裝置包括從第一部分延伸的構(gòu) 件，該構(gòu)件具有當(dāng)鎖定裝置處于鎖定位置時接合第二部分的膨脹區(qū)域。
5、 權(quán)利要求4的組件，其中所述鎖定裝置包括可在鎖定位置和解鎖 位置之間軸向移動的活塞。
6、 權(quán)利要求5的組件，還包括連接在第一部分與活塞之間的剪切機(jī) 構(gòu)，該剪切機(jī)構(gòu)用于將鎖定裝置保持在鎖定位置，直至膨脹材料發(fā)生確定 的膨脹。
7、 權(quán)利要求5的組件，還包括連接在第二部分和活塞之間的保持機(jī) 構(gòu)，當(dāng)鎖定裝置在解鎖位置時，該保持機(jī)構(gòu)維持活塞與第二部分連接。
8、 權(quán)利要求6的組件，還包括連接在第二部分和活塞之間的保持機(jī) 構(gòu)，當(dāng)鎖定裝置在解鎖位置時，該保持機(jī)構(gòu)維持活塞與第二部分連接。
9、 一種在井眼中期望的位置使得第二部件與第一部件分離的系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括含有膨脹材料的分離工具，當(dāng)膨脹材料響應(yīng)于期望的位置的溫 度而出現(xiàn)確定的膨脹時，該分離工具能夠從使得第一和第二部件相互連接 的鎖定位置致動至使得第一和第二部件分離的解鎖位置。
10、 權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中所述分離工具包括 連接至第一部件的第一部分，該第一部分具有容納該材料的內(nèi)腔室和形成通向腔室的開口的頸；連接至第二部件的第二部分，該第二部分具有空腔，在該工具位于鎖 定位置時所述空腔容納該頸；以及鎖定機(jī)構(gòu)，所述鎖定機(jī)構(gòu)將第一部分和第二部分可釋放地保持在鎖定 位置。
11、 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中所述鎖定機(jī)構(gòu)包括當(dāng)工具在鎖定位置 時連接至第一部分的活塞。
12、 權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，還包括連接在第二部分和活塞之間的保持 機(jī)構(gòu)，當(dāng)該工具在解鎖位置時該保持機(jī)構(gòu)保持活塞與第二部分連接。
13、 權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中所述分離工具包括 連接至第一部件的第一部分，該第一部分具有容納該材料的內(nèi)腔室和形成通向腔室的開口的頸；連接至第二部件的第二部分，該第二部分具有容納該頸的空腔； 具有膨脹區(qū)域的構(gòu)件，該構(gòu)件從頸軸向延伸至空腔內(nèi)； 設(shè)置在頸和空腔內(nèi)的活塞，當(dāng)該工具在鎖定位置時，所述活塞推動膨脹區(qū)域使其與第二部分接合；以及當(dāng)該工具在鎖定位置時連接在第一部分與活塞之間的剪切機(jī)構(gòu)，該剪切機(jī)構(gòu)當(dāng)膨脹材料出現(xiàn)確定的膨脹時釋放該連接。
14、 權(quán)利要求13的系統(tǒng)，還包括連接在第二部分和活塞之間的保持 機(jī)構(gòu)，當(dāng)該工具在解鎖位置時該保持機(jī)構(gòu)保持活塞與第二部分連接。
15、 權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中膨脹材料包括液體、固體、或氣體中 的一種。
16、 權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中膨脹材料包括液體、固體、或氣體中 的一種。
17、 一種在井眼中的期望的位置使得第一部件與第二部件分離的方 法，所述方法包括如下步驟提供具有第一部分、第二部分和含有膨脹材料的分離工具，該分離工具具有使得第一和第二部分相互連接的鎖定位置和使得第一和第二部分 分離的解鎖位置；在所述鎖定位置組裝分離工具；將第一部件連接至第一部分，且將第二部件連接至第二部分；將分離工具定位在井中期望的位置；和當(dāng)膨脹材料響應(yīng)于分離工具暴露在井眼中的所述期望位置的溫度而 出現(xiàn)確定的膨脹時，致動分離工具至所述解鎖位置。
18、權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括步驟當(dāng)使得第一部分與第二部分分離時保持活塞與第二部分連接。
19、 權(quán)利要求17的方法，其中所述膨脹材料包括液體、固體、或氣 體中的一種。
20、 權(quán)利要求18的方法，其中所述膨脹材料包括油。
全文摘要
本發(fā)明披露了熱致動的致動器和方法。一個在井眼中期望的位置使得第一部件與第二部件分離的系統(tǒng)的實施例，包括含有膨脹材料的分離工具，該分離工具當(dāng)膨脹材料響應(yīng)于期望的位置的溫度而出現(xiàn)確定的膨脹時，可從使得第一與第二部件相互連接的鎖定位置致動至使得第一與第二部件分離的解鎖位置。
文檔編號E21B33/10GK101275460SQ20081008626
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月26日
發(fā)明者源·維埃 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司