專利名稱：套管膨脹工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
用于制造細(xì)長井的管錨固和膨脹單元以及使用它制造細(xì)長井的方法本發(fā)明涉及一種用于管的錨固和膨脹單元，用于制造細(xì)長井，還涉及一種用于使 用該單元來制造細(xì)長井的方法，該細(xì)長井用于抽取例如水、油或烴。
背景技術(shù)：
在石油工業(yè)中，術(shù)語“鉆井”的意思是為了在地下產(chǎn)生孔以便抽取烴的一系列操作。在目前已知的多種鉆井技術(shù)中，為了達(dá)到較深深度而最廣泛使用的技術(shù)是有直接 流體循環(huán)的旋轉(zhuǎn)鉆井。在該技術(shù)中，由于旋轉(zhuǎn)鉆頭而穿透至地下，一組鉆桿螺紋連接在該旋 轉(zhuǎn)鉆頭的下端。當(dāng)鉆頭在鉆井過程中前進(jìn)時(shí)，它使得土地破碎，并產(chǎn)生切屑，該切屑通過鉆井液而 從井底升高并帶到地面。該流體在鉆桿的頂部引入地面，在鉆桿內(nèi)部循環(huán)，隨后通過鉆頭中的裂縫流出，并 沿在該組鉆桿和井壁之間的空腔重新上升。在鉆出一定的井管后，再通過一系列的柱或管來覆蓋該井管，且在所述覆蓋物和 井壁之間產(chǎn)生的空腔被水泥粘接。覆蓋柱提供了多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中有對井壁的支承和重新形成初始拉伸。而且，這些覆 蓋柱防止鉆井液污染地下水面，在具有不同壓力和流體損失的層之間防止流體的轉(zhuǎn)移。覆蓋柱包括引導(dǎo)管、地面柱、一系列的中間柱以及生產(chǎn)柱。這些柱或管一個(gè)在另一個(gè)內(nèi)側(cè)地插入井中并處于增大的深度，在隨后階段，鉆井 和套管延伸交替進(jìn)行。由于一系列的計(jì)劃和操作原因，普通鉆井在多個(gè)階段使得井型面具有套疊構(gòu)造， 如圖Ia和Ib中所示。圖Ia和Ib分別表示了用于支承地面地層的引導(dǎo)管1，該引導(dǎo)管通常 固定較差，并能夠使泥漿流通。隨后是地面柱2，該地面柱的目的是保護(hù)地下水面、支承安全 設(shè)備和錨固隨后的柱。隨后是中間柱3a_3c，它們的功能是能夠根據(jù)地層孔中的流體壓力而鉆出具有不 同泥漿密度的管。最后，生產(chǎn)柱4到達(dá)礦物地層，并可能完全穿過它。在可能時(shí)，為了降低成本和具有更多可用空間，中間柱3a_3c可以通過限制管的 疊置而錨固在前一個(gè)柱的端部處，如圖Ib中所示。在這種情況下，中間柱3a-3c稱為“襯管”。井的覆蓋柱1-4的數(shù)目和直徑根據(jù)與儲(chǔ)集層和井相關(guān)的一系列參數(shù)(例如儲(chǔ)集層 的深度、整個(gè)儲(chǔ)集層的類型、可以使用的生產(chǎn)方法、井的型面、井的類型(勘探或生產(chǎn)))以 及根據(jù)鉆井、管路鋪設(shè)、水泥粘接、完成和維護(hù)成本和可用的柱來選擇。通常需要使用減小的直徑，以便使鉆井時(shí)間最小，使得要處理的回流流體的量更
4低并且降低柱和設(shè)備的成本。不過，通過已知技術(shù)獲得的井型面的套疊構(gòu)造并不能大大降低鉆井的直徑。實(shí)際 上，這些井從生產(chǎn)柱4開始，該生產(chǎn)柱4的直徑為允許預(yù)計(jì)的整個(gè)設(shè)備通過，并確定其它柱 的尺寸(記住，在柱直徑之間的間隙必須為允許它們相互在內(nèi)部通過)。在一些已知的地下鉆井方法中，使用可膨脹柱。這些柱由更具有延展性的材料來 制造，這些材料可以通過從內(nèi)部作用的膨脹裝置或膨脹器(例如尖頂拱)的機(jī)械作用而膨 脹超過彈性極限，從而獲得具有更大直徑的剛性結(jié)構(gòu)。在這些柱中，當(dāng)在另一覆蓋柱1-4內(nèi)部或在敞開孔中膨脹時(shí)，外部液壓隔離通過 彈性體密封件來獲得，或者優(yōu)選是通過空腔的水泥粘接。而且，柱與前一個(gè)柱的連接通過稱為可膨脹襯管懸掛件的可膨脹錨固裝置來實(shí) 現(xiàn)。該裝置通常包括套筒，該套筒在外側(cè)上具有滑動(dòng)件(slips)和彈性體密封件，以便能夠 錨固在前一個(gè)柱上，也保證它的液壓密封。使用可膨脹柱的已知地下鉆井方法可以設(shè)想在鉆出關(guān)注的管后，使得可膨脹柱延 伸，并且包括可膨脹錨固裝置和錐形膨脹器的錨固和膨脹單元穿過鉆桿。在該方法中使用 的膨脹器與可膨脹柱的下部部分連接。一旦柱下放至敞開孔的底部，就進(jìn)行水泥粘接，例如 通過將砂漿泵送至鉆桿內(nèi)部，使它流入柱和敞開孔之間的環(huán)帶內(nèi)。在水泥凝固之前，柱和錨固裝置膨脹，這樣，在水泥粘接階段結(jié)束時(shí)，除了液壓密 封外還獲得完美的錨固。首先，柱的膨脹從底部向上進(jìn)行，使得膨脹器下面的區(qū)域增壓。因此，產(chǎn)生向上的 推力，該推力作用在膨脹器上，該膨脹器在升高時(shí)使得在關(guān)注的管中的柱膨脹至相等直徑。當(dāng)?shù)竭_(dá)上部部分時(shí)，鉤到前一個(gè)柱2、3a、3b上將通過錨固裝置的膨脹來實(shí)現(xiàn)(通 過驅(qū)動(dòng)外部密封件)。一旦砂漿凝固，套管靴進(jìn)行磨削，隨后階段的鉆井重新開始，具有更小直徑，因?yàn)?在兩個(gè)柱2、3a、3b、3c之間的疊置管(對應(yīng)于錨固裝置)并不允許下部柱具有上部柱的直徑。這種從底部向上部部分的操作膨脹處理提供了以下優(yōu)點(diǎn)在膨脹結(jié)束時(shí)的柱厚度 幾乎與初始的相同，對于它的機(jī)械阻力具有積極效果。因?yàn)樵谂蛎涬A段結(jié)束時(shí)鉤在上部柱 上，因此實(shí)際上用于擴(kuò)大的材料被用于縮短下部柱，而不是通過減小它的厚度。不過，這種操作處理安全性較差，因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)生問題時(shí)很難將膨脹器從可膨脹柱中 取出，因?yàn)樗鼘⒈３中ㄈ?。因此，不能在短時(shí)間產(chǎn)生反應(yīng)。使用可膨脹管的另一目前已知地下鉆井方法可以設(shè)想使得可膨脹柱通過鉆桿延 伸，可膨脹管將在它們的上部部分與鉆桿連接，特別是在錨固裝置的高度處與鉆桿連接。膨脹通過裝配在徑向沖程的液壓活塞上的三輥膨脹器來進(jìn)行。膨脹首先從下部向 錨固裝置的上部部分進(jìn)行，以便將下部柱限制在前一個(gè)柱上。在該第一操作過程中，可膨脹管的柱通過第三錨固裝置而暫時(shí)限制在前一個(gè)柱 上。隨后，它需要從一組鉆桿中抽出，并除去該第三錨固裝置，該第三錨固裝置的直徑為它 不允許膨脹器通入可膨脹管內(nèi)以便進(jìn)行可膨脹柱的向下膨脹。通過輥膨脹器進(jìn)行的向下膨脹模式提供的優(yōu)點(diǎn)是能夠更精細(xì)地設(shè)置操作過程，因 此獲得最佳膨脹結(jié)果。而且，柱通過輥的膨脹相對于固定膨脹器更輕柔，因此對材料的損傷更小。還有，通過向下操作，當(dāng)發(fā)生問題時(shí)，能夠在很短時(shí)間內(nèi)釋放鉆桿，并解決問題。相反，錨固裝置和柱自身的兩個(gè)膨脹階段只能夠通過除去特殊的暫時(shí)錨固裝置來 實(shí)現(xiàn)，因此產(chǎn)生相對較長的操作時(shí)間。而且，該系統(tǒng)的操作方法意味著不能通過它的水泥粘接來液壓隔離柱。因此，只能夠通過外部的彈性體密封件實(shí)現(xiàn)液壓密封。最后，已知地下鉆井方法使用可膨脹柱，該可膨脹柱可以設(shè)想通過特殊裝置的向 下柱膨脹，該特殊裝置包括裝配在液壓活塞和錨固滑動(dòng)件上的膨脹器。該裝置首先通過從鉆桿內(nèi)部增壓而限制在前一個(gè)柱上(該裝置通過鉆桿而下 放)。這樣，滑動(dòng)件凸出，并錨固在柱的內(nèi)壁上。增壓也使得液壓活塞打開，這將向下推動(dòng)膨 脹器。當(dāng)活塞結(jié)束它的沖程時(shí)，裝置必須減壓，滑動(dòng)件釋放，并且整個(gè)鉆桿組下放，以便使得 柱的隨后管膨脹。結(jié)果是導(dǎo)致不連續(xù)的作用，并且總體膨脹時(shí)間延長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺陷，特別是設(shè)想一種柱錨固和膨脹單元，它能夠在很 短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生基本單一直徑的細(xì)長井。本發(fā)明的另一目的是提供一種管錨固和膨脹單元，它能夠保證很高的安全水平， 同時(shí)能夠通過水泥粘接來隔離地層。本發(fā)明的還一目的是提供一種地下鉆井方法，它能夠在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生細(xì)長井， 優(yōu)選是單一直徑的細(xì)長井。本發(fā)明的還一目的是提供一種鉆井方法，它允許具有很多中間段，且基本并不減 小井的直徑。本發(fā)明的附加目的是提供一種鉆井方法，它能夠產(chǎn)生具有高阻力的單一直徑的 井。根據(jù)本發(fā)明，這些和其它目的通過產(chǎn)生一種如權(quán)利要求1所述的、用于制造井的 錨固和膨脹單元以及使用它的鉆井方法來實(shí)現(xiàn)。單元和方法的其它特征是從屬權(quán)利要求的目的。


通過下面對示意附圖的示例和非限定說明，將更清楚本發(fā)明的單元和方法的特征 和優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖Ia-Ib是通過本發(fā)明的錨固和膨脹單元和鉆井方法制造的井的示意圖；圖2是通過本發(fā)明的錨固和膨脹單元和鉆井方法獲得的井的示意圖；圖3是本發(fā)明的錨固和膨脹單元的第一實(shí)施例的膨脹裝置的分解圖；圖4是本發(fā)明的錨固和膨脹單元的第一實(shí)施例的錨固裝置的分解圖；圖5-16表示了本發(fā)明的鉆井方法的多個(gè)階段，該鉆井方法使用圖3和4的錨固和 膨脹單元；圖7a_7b是在關(guān)于圖7的階段的構(gòu)造中的膨脹和錨固裝置的升高的側(cè)視圖8a_8b是在圖8的結(jié)構(gòu)中的膨脹和錨固裝置的升高的側(cè)視圖；圖13a_13c分別是在圖13的結(jié)構(gòu)中膨脹裝置的升高的側(cè)視圖以及沿線A-A的剖 視圖和沿線B-B的剖視圖；圖14a_14b分別是在圖14的結(jié)構(gòu)中膨脹裝置的升高的側(cè)視圖以及沿線A-A的剖 視圖；圖15a_15b分別是在圖15的結(jié)構(gòu)中膨脹裝置的升高的側(cè)視圖以及沿線A-A的剖 視圖；圖17是本發(fā)明的錨固和膨脹單元的第二實(shí)施例的膨脹裝置的分解圖；圖18-29表示了本發(fā)明的地下鉆井方法的多個(gè)階段，該方法使用圖17的錨固和膨 脹單元；圖20a是在關(guān)于圖20的階段的結(jié)構(gòu)中的錨固和膨脹單元的升高的側(cè)視圖；圖21a_21b分別是在圖21的結(jié)構(gòu)中錨固和膨脹單元的升高的側(cè)視圖以及沿線A-A 的剖視圖；圖22a_22d分別是在圖22的結(jié)構(gòu)中錨固和膨脹單元的升高的側(cè)視圖以及沿線A-A 的剖視圖、沿線B-B的剖視圖和沿線C-C的剖視圖、；圖27a_27b分別是在圖27的結(jié)構(gòu)中錨固和膨脹單元的升高的側(cè)視圖以及沿線A-A 的剖視圖；圖28a_28b分別是在圖28的結(jié)構(gòu)中錨固和膨脹單元的升高的側(cè)視圖以及沿線A-A 的剖視圖。
具體實(shí)施例方式參考附圖，圖中表示了用于生產(chǎn)井的錨固和膨脹單元，總體由20、30;20' ,30'表不。根據(jù)第一實(shí)施例，本發(fā)明的錨固和膨脹單元20、30包括錨固裝置20和膨脹裝置 30，它們可拆卸地相互限制。錨固裝置20優(yōu)選是裝備有懸掛裝置24、24a，以便懸掛在前一個(gè)柱12、13a、13b上。更具體地說，錨固裝置20包括內(nèi)部可膨脹的管形元件21，該管形元件21由外部 管形襯管22、25覆蓋，該外部管形襯管22、25也可膨脹并由兩個(gè)部分組成，即固定上部部分 25和可移動(dòng)的下部部分22。外部襯管的下部部分22裝備有密封裝置，例如彈性體密封件， 以便產(chǎn)生液壓回路，并用作一系列片簧24的致動(dòng)器活塞，該片簧24位于下部部分22的上 面，并限制在外部襯管的上部部分25上。片簧24的驅(qū)動(dòng)在止動(dòng)銷56剪切之后進(jìn)行，該止動(dòng)銷56使得外部襯管的下部部分 22保持在初始位置。一旦銷56被剪切，外部襯管的下部部分22在片簧24的下部部分上施 加推力。這使得片簧24成弓形(打開位置)，該片簧24撞上上部柱12、13a、13b的內(nèi)壁，錨 固裝置20容納于該上部柱中。撞上上部柱12、13a、13b的內(nèi)壁的片簧部分24優(yōu)選是裝備有一系列第一凸起24a， 例如滑動(dòng)件，它們與所述內(nèi)壁接合。第二凸起26a、26b設(shè)想位于內(nèi)部管形元件21的外表面上和位于外部襯管的下部 部分22內(nèi)部，第二凸起26a、26b適用于相互配合以便使得外部襯管的下部部分22保持升高，因此將片簧24阻擋在打開位置。優(yōu)選是，第二凸起26a、26b由軟材料來制造，這樣，片簧24的固定在錨固裝置20 的膨脹過程中失效。外部襯管的下部部分22優(yōu)選是液壓進(jìn)行片簧24的固定。外部襯管22、25優(yōu)選是提供有第三凸起23，該第三凸起優(yōu)選是楔形，并由硬金屬 制造，以便提高錨固裝置20在上部柱12、13a、13b上的錨固。第二可膨脹管形元件27也限制在內(nèi)部管形元件21上，它包括凹口 29，用于與膨 脹裝置30連接；以及外部密封裝置28，例如彈性體密封件，用于與上部柱12、13a、13b液壓 密封?？膳蛎涱愋偷南虏恐虚g柱13a、13b、13c通過螺紋連接而限制在所述第二管形元 件27上。膨脹裝置30容納于錨固裝置20內(nèi)，該膨脹裝置30首先通過液壓固定裝置31的 作用而可拆卸地限制在錨固裝置20內(nèi)。膨脹器30優(yōu)選是包括機(jī)械固定裝置(未示出)，該機(jī)械固定裝置在液壓固定裝置 31不起作用的情況下操作。膨脹裝置30還在外部裝備有密封裝置36，例如彈性體密封件，以便在膨脹裝置30 和錨固裝置20之間進(jìn)行液壓密封。液壓固定裝置31優(yōu)選是位于膨脹裝置30的下部部分45中。它們包括一系列的可 徑向移動(dòng)的卡爪31，這些卡爪31首先在膨脹裝置30內(nèi)部保持凸出緩沖抵靠第一套筒46， 該第一套筒46防止它們退回。第一套筒46可以沿膨脹器30的主膨脹方向縱向平移。該第一套筒46的平移使 得套筒46的壁不再與可移動(dòng)卡爪31干涉，這使得卡爪能夠退回至膨脹器30的本體內(nèi)部， 從而使得卡爪從存在于錨固裝置20的第二管形元件27中的內(nèi)部凹口 29釋放，卡爪與該錨 固裝置20配合，以便保證在膨脹裝置30和錨固裝置20之間的連接。膨脹裝置30還包括水泥粘接插頭32，該插頭32裝備有剪切銷54。根據(jù)本發(fā)明，膨脹裝置30包括一系列可抽出的膨脹裝置33a、33b，它們可以在至 少兩個(gè)不同操作位置停止，在該操作位置，所述膨脹裝置33a、33b被抽出。在所示特殊實(shí)施例中，膨脹器在上側(cè)中包括一系列的墊35，這些墊35容納所述膨 脹裝置，例如離線輥33a、33b。各墊35優(yōu)選是裝備有第一上部柱形輥33a和第二下部錐形 輥 33b。存在兩個(gè)離線輥33a、33b以允許涂覆柱13a、13b、13c在兩個(gè)階段上進(jìn)行連續(xù)膨 脹。特別是，下部錐形輥33b在第一膨脹階段形成入口(portal)，該入口有利于第二膨脹階 段。各墊35優(yōu)選是具有籠結(jié)構(gòu)，以便包括和保護(hù)輥33a、33b。墊35例如液壓驅(qū)動(dòng)，以便通過具有燕尾型面的凸起而沿一對傾斜的引導(dǎo)件34a、 34b滑動(dòng)。特別是，第一引導(dǎo)件34b位于楔形本體37上，該楔形本體37可以沿膨脹裝置30 的主擴(kuò)張方向平移。通過第一引導(dǎo)件34b的平移而朝著第二引導(dǎo)件34a (該第二引導(dǎo)件34a 裝配在第一外部管形體42上的固定位置)施加的作用將在相關(guān)墊35上施加推力，該推力使得該墊35徑向向外前進(jìn)。在圖3所示的實(shí)施例中，楔形本體37通過液壓而平移。因此，這些本體37各自限 制在管形桿38上，該管形桿38由環(huán)形本體39支承，該環(huán)形本體39裝備有狹窄環(huán)41，該狹 窄環(huán)41在第一外部管形體42和第二內(nèi)部管形體43之間產(chǎn)生密封腔室。由于阻流器53和 所述狹窄環(huán)41引起的壓力降，徑向推動(dòng)輥墊35的軸向移動(dòng)保證更優(yōu)于普通的橫向液壓活
O在該實(shí)施例中，楔形本體37向上作用，即相對于膨脹裝置30沿相反方向作用，因 此也利用在柱13a、13b擴(kuò)大的過程中由鉆桿排出的重量。而且，相對于普通的徑向液壓活塞，楔形機(jī)構(gòu)37能夠具有更寬的橫向移動(dòng)能力。有利于輥33a、33b的徑向凸出的元件通過鉆井液的循環(huán)而驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)，并通過它 而停止，以便使得所述輥33a、33b能夠在膨脹裝置從鉆桿組中抽出的階段重新進(jìn)入。根據(jù)本發(fā)明，止動(dòng)銷55也可以設(shè)想首先限制可平移楔形本體37的沖程和因此墊 35的徑向凸出，這樣，輥33a、33b阻擋在第一操作位置，在該第一操作位置，輥33a、33b相對 于膨脹裝置被抽出。當(dāng)楔形本體37處于由止動(dòng)銷55確定的第一限制位置時(shí)，膨脹裝置30 能夠使得柱13a、13b、13c膨脹至第一直徑。相反，止動(dòng)銷55的破碎使得墊35能夠進(jìn)一步凸出，并使得輥33a、33b到達(dá)第二操 作位置，在該第二操作位置，所述輥33a、33b甚至進(jìn)一步從膨脹本體30凸出，因此能夠使得 柱的部分15高度膨脹至第二直徑，該第二直徑大于所述第一直徑。第二保護(hù)套筒44優(yōu)選是設(shè)想用于保護(hù)有助于輥墊35凸出的一組元件，該組元件 只在水泥粘接后被驅(qū)動(dòng)。下面將參考鉆井階段來介紹根據(jù)本發(fā)明的錨固和膨脹單元的功能，它們可以一起使用。在普通安裝引導(dǎo)管11之后，進(jìn)行地面鉆井階段。地面柱12優(yōu)選是在它的下部部 分具有較大直徑的部分，也稱為鐘形件15。鐘形件15的直徑選擇為使得它能夠在它的內(nèi)部 容納根據(jù)本發(fā)明的錨固和膨脹單元20、30。普通類型的引導(dǎo)管11和地面柱12的安裝允許使用標(biāo)準(zhǔn)的井口和安全設(shè)備(BOP)。鐘形件15的長度進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以便具有在柱12、13a、13b、13c之間的充分疊置， 并能夠通過彈性體密封件和水泥粘接進(jìn)行很好地隔離。一百米大致足夠。根據(jù)本發(fā)明，對于中間柱13a、13b、13c的各鉆井和套管延伸階段，基本進(jìn)行兩個(gè) 不同的膨脹階段，其中，在第一階段，使得中間柱13a、13b、13c膨脹至第一直徑，隨后，所述 柱的下部部分15進(jìn)行第二膨脹至比第一直徑更大的第二直徑。更具體地說，在鉆井過程中，中間柱的鋪設(shè)和起動(dòng)如下進(jìn)行。首先，鉆孔(如圖5中所示)與通過鉆孔獲得的孔的放大(如圖6中所示)一起 進(jìn)行。為了更清楚表示，這些階段連續(xù)表示，不過它們也可以同時(shí)進(jìn)行。通過鉆孔而獲得孔的直徑為能夠容納還沒有膨脹的中間柱13a、13b、13c。擴(kuò)大該 孔的目的是有利于中間柱13a、13b、13c的膨脹，也留下足以用于水泥粘接的空腔。這些鉆孔和擴(kuò)大階段通過普通技術(shù)和工具，例如鉆頭17和擴(kuò)孔器18來進(jìn)行。隨后的可膨脹類型的柱13a、13b、13c下放，直到它擱置在鉆井階段獲得的孔的底部。該柱13a、13b、13c包含普通類型或類似的附件設(shè)備，例如靴和插頭。靴16由完全 可鉆孔的材料來制造。中間柱13a、13b、13c以普通方式通過一組鉆桿送入井中，該組鉆桿與本發(fā)明的膨 脹裝置30連接。上述中間柱13a、13b、13c實(shí)際上限制在錨固裝置20上，該錨固裝置20通 過上述液壓固定裝置31而與膨脹裝置30牢固連接，該液壓固定裝置31保證整個(gè)單元非常 堅(jiān)固，因此可以在它下入過程中推動(dòng)中間柱13a、13b、13c或使中間柱13a、13b、13c旋轉(zhuǎn)。在膨脹裝置30和中間柱13a、13b、13c之間的液壓密封通過在膨脹器30外部的彈 性體密封件36來保證，該彈性體密封件36作用在錨固裝置20的內(nèi)壁上。由于這些彈性體 密封件36，可以在中間柱13a、13b、13c朝著底部延伸的過程中使得鉆井液循環(huán)。如圖8中所示，在隨后階段，扔下第一球48，且該第一球48容納于在膨脹器30底 部的第二水泥粘接插頭32內(nèi)部的專用殼體49中。因此，可以使得桿的內(nèi)部增壓，例如在大約8. 3MPa(1200pSi)的壓力，以便剪切錨 固裝置20的外部固定襯管的下部部分22的止動(dòng)銷56。這樣增壓使得所述下部部分22向 上滑動(dòng)，并因此使得片簧24上的凸起24a錨固在鐘形件15的內(nèi)壁上。在這種情形下，中間柱13a、13b、13c錨固在前一個(gè)柱12、13a、13b上并不用于支承 該中間柱13a、13b、13c的重量，而只是提供在隨后的膨脹階段中對于一組鉆桿和膨脹器裝 置30 (該膨脹器裝置30與鉆桿成一體)的旋轉(zhuǎn)的初始反應(yīng)。在井底部的中間柱13a、13b、13c優(yōu)選是有壓縮限制，以便于隨后的膨脹和提高柱 的機(jī)械阻力。通過進(jìn)一步提高泵送壓力(例如至大約10.3MPa(1500pSi))，齒機(jī)構(gòu)的液壓固定 裝置31的止動(dòng)銷57被剪切。然后，膨脹器30的第一套筒46向上滑動(dòng)，膨脹器30從錨固 裝置20上釋放，因此從中間柱13a、13b、13c上釋放，如圖9中所示。通過在釋放膨脹器30之前除去機(jī)動(dòng)組的一部分重量，可以觀察到在釋放后該鉆 桿組被下放。隨后進(jìn)一步增加壓力至例如大約12.4MPa(1800pSi)，以便排出小球48和它的殼 體49，它們落至底部，如圖10中所示。隨后通過將合適的粘緊材料50 (例如砂漿)由鉆桿引向中間柱13a、13b、13c的內(nèi) 部而進(jìn)行中間柱13a、13b、13c的水泥粘接，如圖11中所示。粘緊材料50的泵送壓力使得剪切銷54破裂，插頭32通過該剪切銷54而錨固在 膨脹裝置30的底部，該插頭落至中間柱13a、13b、13c的底部，從而將粘緊材料50推入由中 間柱13a、13b、13c和井壁形成的環(huán)形空間40中(見圖12)。在粘緊材料(水泥)50凝固之前，壓縮限制在底部的中間柱13a、13b、13c進(jìn)行膨脹。中間柱13a、13b、13c的膨脹通過專用膨脹器30的旋轉(zhuǎn)而向下進(jìn)行，該專用膨脹器 30通過使得中間柱13a、13b、13c借助于專用懸掛裝置24錨固在前一個(gè)柱12、13a、13b上而 起作用。由于相對于固定膨脹器而減小了力，因此減小了對柱的內(nèi)壁的損傷。該效果通過雙 線輥33a、33b而進(jìn)一步提高，根據(jù)本發(fā)明，膨脹器30裝備有雙線輥33a、33b。而且，輥33a、 33b的離線定位保證在兩個(gè)階段中更柔和地?cái)U(kuò)大如上所述，下部錐形輥33b形成入口，用
10于排出和下放前進(jìn)所需的負(fù)載；上部柱形輥33a保證最終直徑和最佳標(biāo)定。膨脹器30首先通過鉆桿稍微升高。這樣，膨脹器的彈性體密封件36從錨固裝置 20的內(nèi)壁釋放，并且輥墊35定位成與錨固裝置20的上端相對應(yīng)。這樣，流體可以循環(huán)，以便除去任何可能過多的粘緊材料(水泥)50。然后扔下第二球51，如圖13所示，該第二球一旦到達(dá)它的殼體52就使得膨脹 裝置30的上部部分與下部部分45隔離。然后可以使得桿的內(nèi)部增壓，例如增壓到大約 17. 2MPa(2500psi)，這樣，將膨脹器30的第二套筒44保持就位的固定銷58被剪切。與小球51的殼體52連接的第二套筒44的滑動(dòng)使得楔形本體37的支承桿38升 高，因此使得墊35的徑向凸起升高。中間柱13a、13b、13c的擴(kuò)大通過向膨脹器30施加旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行，該膨脹器具有通過 鉆桿凸出的輥33a、33b。膨脹首先朝著錨固裝置20的上部部分施加。在該作用下，將片簧24保持在錨固 位置的第二凸起26a、26b稍微屈服，而設(shè)想在錨固裝置20的外壁上的凸起23形成在前一 個(gè)中間柱12、13a、13b和所述裝置20之間的進(jìn)一步限制。膨脹沿中間柱13a、13b、13c的整個(gè)長度前進(jìn)，如圖14中所示。在這一方面，膨脹裝置30同時(shí)具有安裝可膨脹柱和擴(kuò)大可膨脹柱的功能。一旦到達(dá)底部，鉆井液的循環(huán)停止，以便使得輥墊35重新進(jìn)入，該鉆桿組被向外 拉大約100米，并進(jìn)行鐘形件15的向下擴(kuò)大。因此，循環(huán)流量增加，以便在楔形件37上獲得更大推力，并使得止動(dòng)銷55破裂，該 止動(dòng)銷55在沿環(huán)形本體39的軸向滑動(dòng)定位時(shí)將限制它的移動(dòng)，因此限制墊35的徑向擴(kuò) 大。一旦滑動(dòng)塊35到達(dá)它的最大徑向膨脹，就產(chǎn)生鐘形件15，該鐘形件15容納錨固和 膨脹單元，以便形成隨后的井部分。該階段在圖15中表示。當(dāng)擴(kuò)大完成時(shí)，如果需要恢復(fù)膨脹器30的中心孔的可進(jìn)入性，增加壓力以便排出 底部的第二球51和它的殼體52就足夠了。當(dāng)在中間柱13a、13b、13c外部的水泥凝固時(shí)，靴進(jìn)行磨削，如圖16中所示，以便開 始形成井的隨后部分。由于能夠產(chǎn)生不同直徑的膨脹的錨固和膨脹單元20、30，因此可以產(chǎn)生鐘形件 15，而不需要減小隨后柱13a、13b、13c的直徑。相對于傳統(tǒng)直徑使用減小的直徑將有利地 使得首先降低用于鉆井的時(shí)間和成本。而且，使用特殊裝置20、30能夠具有操作連續(xù)性地 產(chǎn)生鐘形件15，而沒有時(shí)間浪費(fèi)和隨后的具體操作。可以在柱后面的水泥仍然為液體時(shí)進(jìn) 行膨脹操作。在膨脹過程中通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)而引起的振動(dòng)有利地提高了水泥粘接質(zhì)量。參考圖2，圖中表示了通過本發(fā)明的鉆井方法獲得的井10。該井10包括在上部部分的引導(dǎo)管，該引導(dǎo)管到達(dá)地面，并且地面柱12插入該引導(dǎo) 管中，該地面柱12也到達(dá)地面。弓丨導(dǎo)管11和地面柱12可以選擇為具有減小的直徑。在所示實(shí)施例中，引導(dǎo)管11 的直徑為339. 7mm，地面柱的直徑為244. 5mm。地面柱12在它的下部部分中具有鐘形件15，即具有比柱12的主要擴(kuò)張部分的直徑更大的直徑的部分，該鐘形件15的直徑例如等于273. 1mm。至少一個(gè)可膨脹類型的中間柱13a、13b與地面柱12的鐘形件15連接，該中間柱 13a、13b擴(kuò)大成使得它也在下部部分中形成鐘形件15。擴(kuò)大直徑選擇為避免孔直徑的總體減小。因此，中間柱13a、13c的上部部分?jǐn)U大 至直徑等于前一個(gè)柱12、13a、13b的鐘形件15的內(nèi)徑，而下部部分15的直徑等于前一個(gè)柱 12、13a、13b的所述鐘形件15的外徑。在所示實(shí)施例中，中間柱的上部部分?jǐn)U大至244. 5mm的直徑，而下部部分膨脹至 273. Imm的直徑。最大膨脹(鐘形件部分15的特征)只有在中間柱13a_13c的有限管足以用于與 隨后柱疊置時(shí)是有利的。即使當(dāng)中間柱的下部部分受到很小機(jī)械應(yīng)力，并且在任何情況下都通過與隨后柱 的疊置而增強(qiáng)時(shí)，優(yōu)選是制造具有最小所需尺寸的該部分。當(dāng)本發(fā)明的鉆井方法只用于所述井的一些管時(shí)，中間柱13a_13c的一部分也可以 選擇為不可膨脹，但是包括具有更大直徑的下部部分。在這種情況下，具有不同直徑的兩個(gè)膨脹階段只涉及可膨脹中間柱。最后，有利的是包括選擇為具有不可膨脹材料的生產(chǎn)柱14，以便保證普通井的堅(jiān) 固性特征，由可膨脹材料制造的柱13a_13c不能提供該堅(jiān)固性特征。根據(jù)本發(fā)明，生產(chǎn)井的所述方法也可以通過錨固和膨脹單元30、20的可選實(shí)施例 來實(shí)施。在圖17-29所示的第二實(shí)施例中，錨固和膨脹單元包括普通類型的錨固裝置20' 和裝備有懸掛裝置24'的膨脹裝置30'，該懸掛裝置24'懸掛在前一個(gè)中間柱12、13a、 13b 上。除了對于第一實(shí)施例所述的元件，膨脹裝置30'還包括在上部部分中的液壓懸掛 裝置24'，該懸掛裝置24'形成平行四邊形結(jié)構(gòu)。這些懸掛裝置24'包括一系列裝配在柱形本體63上的平行四邊形結(jié)構(gòu)62，它們 通過液壓活塞64驅(qū)動(dòng)膨脹，并通過彈性裝置65例如彈簧而拉回。具有平行四邊形結(jié)構(gòu)62的懸掛裝置24'能夠使得普通錨固裝置20'膨脹，從而 通過壓縮而將它固定在前一個(gè)柱13a上。如圖18-29中順序所示，本發(fā)明的方法的操作階段的區(qū)別只在于它們的順序。特別是，膨脹裝置30'從錨固裝置20'上的釋放在錨固裝置20'錨固于前 一個(gè)柱12、13a、13b(圖21和22)上的錨固階段之前進(jìn)行。更具體地說，在以例如大約 8. 3MPa(1200psi)的壓力釋放膨脹器30'之后，壓力增加至例如大約10. 3MPa (1500psi)， 以便使得止動(dòng)銷56'破裂，該止動(dòng)銷56'阻擋平行四邊形結(jié)構(gòu)62的推動(dòng)環(huán)61。負(fù)載排出，且仍然使得組保持在壓力下，這樣，一系列擴(kuò)大的平行四邊形結(jié)構(gòu)62 可以使得錨固裝置20'的上部部分膨脹，因此將第三外部滑動(dòng)件23錨固在前一個(gè)柱13b 上。錨固裝置20'通過一系列平行四邊形結(jié)構(gòu)62的膨脹并不防止流體流通，這樣，錨 固裝置20'可以以已經(jīng)介紹的相同過程跟隨隨后的可膨脹柱13b的水泥粘接。平行四邊形的懸掛裝置24'隨后退回，以便前進(jìn)至通過輥墊35的膨脹階段。隨后完成錨固裝置20'的膨脹，并且中間柱13a-13c限制在錨固裝置20'的上面。通過上面的說明可以清楚裝置和方法的特征、本發(fā)明的目標(biāo)以及相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。懸掛裝置24、24a、24'和專用滑動(dòng)件23允許中間柱能夠在膨脹器旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行膨 脹，從而降低對柱的內(nèi)部部分的損壞。而且，作用在相關(guān)裝置的膨脹器上的液壓驅(qū)動(dòng)裝置的特殊構(gòu)造能夠具有比普通徑 向移動(dòng)活塞大得多的位移，因此在強(qiáng)制膨脹階段中也能夠施加更高的膨脹推力。再有，由于本發(fā)明的錨固和膨脹單元，在鉆井過程中，可以進(jìn)行柱的兩個(gè)膨脹階 段，一個(gè)在另一個(gè)后面，因此在粘緊材料凝固之前。此外，只在中間柱的下部部分上進(jìn)行較強(qiáng)膨脹(用于覆蓋所述中間柱)與包括生 產(chǎn)柱一起使得井與普通井相比有總體穩(wěn)定特性，在普通井中只使用不可膨脹和因此更堅(jiān)固 的柱。最后，顯然這樣設(shè)想的裝置能夠進(jìn)行多種變化和改變，它們都包含在本發(fā)明中，因 此，所有零件都可以由技術(shù)等效元件代替。實(shí)際上，使用的材料以及尺寸可以根據(jù)技術(shù)需要 而變化。
權(quán)利要求
一種用于鉆井的錨固和膨脹單元，包括錨固裝置(20、20′)和膨脹裝置(30、30′)，所述錨固裝置(20、20′)和所述膨脹裝置(30、30′)相互可拆卸地進(jìn)行限制，所述錨固裝置(20、20′)為可膨脹類型，其特征在于所述膨脹裝置(30、30′)包括一系列膨脹器具(33a、33b)，所述膨脹器具能夠被抽出和阻擋在至少兩個(gè)不同操作位置，其中，所述膨脹器具(33a、33b)從所述膨脹裝置(30、30′)徑向凸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的、用于產(chǎn)生井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述膨脹器具 (33a,33b)是一對離線輥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的、用于產(chǎn)生井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述一對離線 輥包括第一柱形輥(33a)和第二錐形輥(33b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的、用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于各對離線輥 (33a,33b)容納在墊35上，該墊35沿一對傾斜的引導(dǎo)件(34a、34b)滑動(dòng)，所述一對引導(dǎo)件 (34a,34b)的至少一個(gè)第一引導(dǎo)件(34b)能夠朝著所述一對引導(dǎo)件(34a、34b)的第二引導(dǎo) 件(34a)平移。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的、用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述至少一個(gè)可 平移的第一引導(dǎo)件(34b)通過液壓驅(qū)動(dòng)裝置(37、38、39)平移，該液壓驅(qū)動(dòng)裝置沿所述膨脹 裝置(30、30')的主擴(kuò)張方向運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的、用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述液壓驅(qū)動(dòng)裝 置包括楔形本體(37)，該楔形本體(37)與由環(huán)形本體(39)支承的桿(38)連接，該環(huán)形本 體裝備有狹窄環(huán)(41)，所述可平移的引導(dǎo)件(34b)位于所述楔形本體(37)的傾斜壁上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的、用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述膨脹裝 置(30、30')裝備有第一可拆卸的止動(dòng)裝置(55)，所述止動(dòng)裝置適用于阻擋所述液壓驅(qū)動(dòng) 裝置(37、38、39)運(yùn)行至與膨脹裝置(33a、33b)的第一操作位置相對應(yīng)的第一位置。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的、用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所 述膨脹裝置(30、30')裝備有液壓固定裝置(31)，所述液壓固定裝置適用于將所述膨脹裝 置(30、30')可拆卸地限制在所述錨固裝置(20、20')上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的、用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述液壓固定裝 置(31)是一系列可徑向移動(dòng)的卡爪(31)，這些卡爪通過第一套筒(46)、相對于所述膨脹裝 置(30、30')保持在凸出位置，該第一套筒(46)能夠沿所述膨脹裝置(30、30')的所述 主擴(kuò)張方向平移，該第一套筒防止這些卡爪退回。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的、用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述卡爪(31) 與位于所述錨固裝置(20、20')中的相應(yīng)凹口(29)接合。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所 述錨固和膨脹裝置包括懸掛裝置(24、24a、24')，該懸掛裝置適用于將所述錨固裝置(20、 20')限制在所述井上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述懸掛裝置 (24、24a、24')是徑向膨脹的懸掛裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述懸掛 裝置(24、24a)位于所述錨固裝置(20)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述懸掛裝置(24,24a)是一系列的片簧(24)，這些片簧由液壓活塞(22)驅(qū)動(dòng)，該液壓活塞使得這些片簧 成弓形。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述片簧(24) 包括在徑向最外側(cè)表面上的一系列第一凸起(24a)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述懸掛 裝置(24、24a)位于所述膨脹裝置(30')上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于鉆井的錨固和膨脹裝置，其特征在于所述懸掛裝置 (24')包括裝配在柱形本體(63)上的一系列平行四邊形結(jié)構(gòu)(62)，這些平行四邊形結(jié)構(gòu) 通過液壓活塞(64)驅(qū)動(dòng)膨脹并且通過彈性裝置(65)返回。
18.一種用于鉆井的方法，包括以下階段下入并且安裝引導(dǎo)管(11)、地面柱(12)、至少一個(gè)中間柱(13a、13b、13c)，使得所述柱 向下加寬至第一直徑；使所述至少一個(gè)中間柱(13a、13b、13c)的下部管向下加寬至第二直徑，所述第二直徑 相對于所述第一直徑更大。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的、用于鉆井的方法，其特征在于所述至少一個(gè)中間柱 (13a、13b、13c)與根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的錨固和膨脹單元(20,30 ；20'、 30') 一起下放，所述錨固和膨脹單元(20、30;20' ,30')定位成與在先安裝的最后柱 (12、13a、13b)的基部相對應(yīng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的、用于鉆井的方法，其特征在于所述方法包括將所述錨 固和膨脹單元(20、30;20' ,30')的錨固裝置(20、20')固定在所述在先安裝的柱(12、 13a、13b)的所述基部上的階段。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的、用于鉆井的方法，其特征在于所述方法包括在所述在 先柱(12、13a、13b)和要安裝的所述中間柱(13a、13b、13c)之間通過所述錨固裝置(20、 20')的膨脹形成永久性連接的階段。
22.根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的用于鉆井的方法，其特征在于在第一擴(kuò)大 階段和第二擴(kuò)大階段之間，所述錨固和膨脹單元的膨脹裝置(30、30')升高的長度基本等 于在兩個(gè)緊接的柱(12、13a、13b、13c)之間疊置的管的長度。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22中任一項(xiàng)所述的用于鉆井的方法，其特征在于在所述第 一擴(kuò)大階段和所述第二擴(kuò)大階段之前，通過引入粘緊材料(50)使得要安裝的所述中間柱 (13a、13b、13c)進(jìn)行粘接，所述第一擴(kuò)大階段和所述第二擴(kuò)大階段在所述粘緊材料(50)凝 固之前進(jìn)行。
24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項(xiàng)所述的用于鉆井的方法，其特征在于所述地面柱 (12)包括下部的鐘形部分(15)，該鐘形部分(15)的尺寸設(shè)置為容納所述錨固和膨脹單元 (20,30 ；20'、30')。
全文摘要
一種錨固和膨脹單元包括錨固裝置(20、20′)和膨脹裝置(30、30′)，它們相互可拆卸地進(jìn)行限制，錨固裝置(20、20′)為可膨脹類型，其中，膨脹裝置(30、30′)包括一系列膨脹器具(33a、33b)，它們可以抽出和阻擋在至少兩個(gè)不同操作位置，其中，膨脹器具(33a、33b)從膨脹裝置(30、30′)徑向凸出。
文檔編號E21B43/10GK101910555SQ200880124284
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者M·斯帕利尼 申請人:艾尼股份公司