專利名稱：井下工具釋放機構的制作方法
井下工具釋放機構
背景技術：
當在井下(downhole)進行維修時，存在許多情形需要使工具脫離連接并下放到井中的孔。在過去，已經(jīng)以不同的方式使用多種系統(tǒng)和機構來釋放諸如封隔器(packer)的井下工具。通常使用剪切銷釘(shear pin)來可釋放地連接工具，但是在實際應用中，由于質量控制、材料強度因不同使用年限、批次和場地的變化、不同的維修或者保養(yǎng)水平、以及其它可能導致倉促釋放的這種困難，剪切銷釘有時是不可靠的。本公開涉及克服上述現(xiàn)有技術的缺陷的用于可釋放地連接井下工具的機構。結果形成更一致的、更可預測的并且更可靠的機構，以用于在適 當?shù)臅r間釋放井下工具。本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點將從對下面的多個實施方式、附圖和相關的描述的瀏覽中更容易理解。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種井下工具釋放機構，其包括夾頭(筒夾，collet)，夾頭具有用于接合井下工具的心軸的多個夾頭指部；以及保持帶，保持帶周向地設置在夾頭指部周圍以用于將夾頭相對于心軸保持在接合位置中，當應用施加到夾頭的預定大小的軸向力時，夾頭能夠從心軸釋放。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種釋放組件，釋放組件可釋放地連接到可設定井下工具，釋放組件包括設定套筒，設定套筒能夠與設定工具接合；以及適配器，適配器能夠與設定工具接合并且可釋放地連接到井下工具的心軸；以及保持帶，保持帶設置在適配器周圍以用于保持適配器與心軸之間的連接直到設定力施加到可設定井下工具。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于將可設定工具設定在井中的設備，設備包括設定套筒；夾頭，夾頭設置在設定套筒內，夾頭包括從夾頭本體延伸的多個夾頭指部；以及夾頭頭部，夾頭頭部位于夾頭指部的下端處，其中夾頭頭部適于接合井下工具的心軸；以及保持帶，保持帶設置在夾頭指部周圍以用于保持夾頭與心軸的接合，直到應用施加到夾頭的軸向釋放力，軸向釋放力至少等于將井下工具從未設定位置移動到設定位置所需要的設定力。本公開的井下工具釋放機構包括用于用于接合井下工具的心軸的夾頭以及設置在夾頭周圍的保持帶。保持帶將保持夾頭與井下工具接合，直到預定大小的軸向力或者拉力被施加到夾頭。當施加預定的軸向力或者釋放力時，夾頭從井下工具的心軸釋放。然后夾頭可以相對于井下工具軸向地移動并且可以從井中移除。在一個實施方式中，夾頭包括多個夾頭指部，保持帶是剪切帶，并且心軸具有可滑動地將夾頭指部耦接到井下工具(例如可以是封隔器)的心軸的鋸齒形螺紋。當封隔器被定位在期望的深度或者位置時，夾頭和設定套筒工作，以便通過對封隔器設定力施加而將封隔器移動到設定位置。當施加設定力時，封隔器將被設定，并且夾頭指部沿著封隔器心軸的鋸齒形螺紋滑動，使夾頭指部擴張，直到剪切帶破裂，夾頭從封隔器脫離接合。


圖I是井的橫截面，其示出了布置于井中的井下工具；圖2是定位在井中的本發(fā)明的局部截面圖；圖3是本發(fā)明的實施方式的截面圖；圖4是圖3的實施方式的鋸齒形螺紋(buttress thread,斜梯形螺紋)的細節(jié)視圖；圖5是本發(fā)明的可替換實施方式的截面圖。
具體實施例方式圖I示出了井2，該井包括井孔4，井孔具有布置在其中的殼體6，并且殼體6可以膠結(cemented)在井孔4中。通常地,殼體6的膠結通過在殼體6與井孔4之間填充環(huán)而使殼體6固定到井孔4。殼體6以及在環(huán)中的膠結材料可以是穿孔的，以允許由構造7生產 油或者氣體。將在下面更加詳細地描述的井下工具40可以通過井下工具釋放機構10下降到井2中。井下釋放機構10可以在其上端11上連接到設定工具，并且可以是在其下端12處可釋放地連接到井下工具40。井下工具釋放機構10必須具有足夠的強度，以便當井下工具40下降到井2中并定位在井2內且移動到設定位置時防止不當?shù)尼尫呕蛘邠p壞。如在圖2和圖3中更好地示出的，井下工具釋放機構10可以包括夾頭或者適配器14。夾頭14具有帶有夾頭頭部18的多個指部16，以用于可釋放地接合井下工具40。夾頭14具有本體部分20以及從夾頭本體20延伸的指部16。夾頭14具有上端22和下端24。夾頭頭部18位于夾頭14的下端24處，其可以稱作為夾頭指部16的下端26。在圖2和圖3中示出的實施方式中，井下工具釋放機構10還包括保持環(huán)或者剪切帶30。剪切帶30圍繞夾頭指部16沿周向地布置在夾頭指部的下端26處或者布置在夾頭指部的下端26附近，以便將夾頭14保持在與井下工具40接合的位置中。剪切帶30可以是可剪切的金屬帶，或者可以是至少部分地具有柔性或者彈性的性質，并且還可以由多個帶組成。剪切帶30也可以是一個件或多個件。關鍵的是，剪切帶30必須允許夾頭指部16相對于井下工具40的移動，使得如這里所述地當施加釋放力時夾頭頭部18與井下工具40脫離接合。脫離接合所需要的軸向力或者拉力(其可以稱作為釋放力)將大致地等于或者大于將井下工具40移動到井中的設定位置處所需要的設定力。在本公開中，井下工具40描述為封隔器，但是釋放機構10可以用來連接到其它部件或者工具，諸如例如壓裂柱塞或橋塞。封隔器的構造在本領域中是廣為知曉的，并且因此井下工具40在本說明書中以簡化的形式表述。如所描述的，井下工具40包括心軸41，心軸的周圍設置有密封元件42。上滑動保持件48、上滑動件44、下滑動件46、上滑動楔50、以及下滑動楔56設置在心軸41周圍。最下部分58可以是例如斜口管托，但是該最下部分可以具有用于使該工具的結構終止或者用作用于其它工具的連接器的任何類型的橫截面。最下部分58固定到心軸41。為了將井下工具40移動到設定位置，必須施加設定力。在所述的實施方式中，通過設定工具將軸向向上的力施加到夾頭14。因為夾頭14與心軸41接合，所以軸向向上的力將在那里通過夾頭14施加。在工具40被移動到設定位置之前，夾頭14被設置在設定套筒49中。設定套筒49鄰接上滑動保持件48并且將防止其向上移動。因此心軸41將相對于上滑動保持件48向上移動。井下工具40的最下部分58固定到心軸41，從而心軸41的向上移動將迫使上滑動件44和下滑動件46經(jīng)由上滑動楔50和下滑動楔56向外傾斜，并且將造成密封元件42的壓縮。當上滑動件44和下滑動件46與殼體6接合時，附加的向上軸向力施加到心軸41，這因此施加附加的壓力來封隔密封元件42，壓縮密封元件42。密封元件42將徑向向外地擴張以接合且密封殼體6。一旦已施加足夠的向上的力來使井下工具40移動到設定位置，則持續(xù)施加的軸向力將使夾頭14與心軸41脫離接合。如這里闡述的，實現(xiàn)該釋放所需要的軸向力將等于或者大于設定力，并且可以稱作為破壞力或者釋放力。設定力可以以多種方式施加到井下工具釋放機構10。因此，本發(fā)明可以容易地包含在多種設定系統(tǒng)中。在一個實施方式中，向上的拉力可以通過由沿著配線發(fā)送到點火器(未示出)的電信號致動的炸藥包(未示出)提供，并且因此沖擊活塞(未示出)以致使夾頭14移動。存在移動夾頭14的可替換方式，并且可替換方式可以如本領域中已知地采用，并且在本發(fā)明的范圍內想到。在圖3中示出的實施方式中，心軸41具有布置在心軸上的鋸齒形螺紋80，并且夾 頭指部16具有配合螺紋81以與鋸齒形螺紋80接合。當螺紋81和夾頭頭部18在鋸齒形螺紋80上方移動時剪切帶30將破裂。在圖4中，更加詳細地示出了鋸齒形螺紋80。當施加設定力時，在期望增加接觸表面積并且由此降低在離散位置處見到的應力的情形中，鋸齒形螺紋可能是有利的。鋸齒形螺紋80的間隙側角度(非承載牙側角，clearance flank angle) 82應該大于45° ,并且壓力側角度(pressure flank angle)84應該小于7° ,以確保軸向力通過接合的夾頭指部16轉化為作用在剪切帶30上的向外的力。此外，螺紋高度86與螺距88的比率應該小于I :2，以便防止過大的力施加到夾頭頭部18。對于所述的實施方式來說，鋸齒形螺紋80具有約70°的間隙側角度82以及約5°的壓力側角度，并且螺紋高度86與螺距88的比率為I 40在操作中，將井下工具40和井下工具釋放機構10下降到井2中。當井下工具40在井中到達期望的位置處時，井下工具40在井中的移動被制止。通過使夾頭14軸向向上地移動來致動設定工具。設定套筒49將不相對于井移動，并且將鄰接上滑動保持件48以如前所述地防止其向上的移動。心軸41的移動致使上滑動保持件48、上滑動楔50和下滑動楔56將封隔器元件壓縮成與井孔密封接合，同時上滑動件44和下滑動件46與殼體6接
八
口 o當軸向力施加到井下工具釋放機構10時，并且由此施加到夾頭14時，達到預定的釋放力，夾頭指部16通過抵靠心軸41的接合表面滑動而徑向地擴張。在釋放之前，防止夾頭指部16的徑向擴張，或者夾頭指部的徑向擴張至少被剪切帶30限制，以保持夾頭14與心軸41接合直到施加釋放力。當軸向力施加到夾頭14時,經(jīng)由心軸41與夾頭指部16的相互作用而產生徑向力。夾頭指部16的徑向力隨著附加的軸向力增加，直到夾頭指部16施加足夠的徑向力來使剪切帶30破裂并且將井下釋放機構10從井下工具40處釋放。使剪切帶30破裂所需的徑向力將由等于或者超過工具的軸向設定力的力的施加而產生。在一個實施方式中，軸向力的預定等級可以為約25，0001bs，但是在任何情形中都是足夠的以確保井下工具40的設定。施加的力的數(shù)量將改變，并且將取決于設定在井中的特定工具的設計。
在圖5中，描述了可替換實施方式，其中可以稱作心軸41a的心軸具有用于接收夾頭頭部18a的保持凹槽90，并且心軸上不具有鋸齒形螺紋。心軸41a可以在全部其它方面與心軸41相同。凹槽90的端部包括上臺肩92，該上臺肩與凹槽90的表面93向外地成角度。角度94優(yōu)選地約為45°，并且可以例如是30°至60°。在圖5的實施方式中，可以稱作夾頭14a的夾頭具有夾頭頭部18a，并且在夾頭指部16a上不具有螺紋。當施加釋放力時，夾頭頭部18a將在臺肩92的上方移動。臺肩92可滑動地將施加到夾頭14a的向上的力轉換成抵靠剪切帶30的徑向力。在圖5的實施方式中，僅上臺肩92是成角度的。如果需要的話，夾頭頭部18a可以在其上端上成角度。圖5的實施方式的操作與這里描述的相同。換句話說，夾頭14a將會通過剪切帶30保持與心軸41a接合，直到施加軸向釋放力。由于夾頭頭部18a與心軸41a的相互作用，釋放力將致使夾頭指部16a徑向擴張，這將使剪切帶30斷裂并且使心軸41a從夾頭14a釋放。 因此，可以看出本發(fā)明的裝置和方法容易實現(xiàn)所述的以及本文中那些內在的目的和方法。盡管為了本公開的目的已經(jīng)示出并且描述了本發(fā)明的一些優(yōu)選的實施方式，但是本領域的普通技術人員可以對部件的布置和構造以及步驟做出多種改變，這些改變均包含在由所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.ー種井下工具釋放機構，包括夾頭，所述夾頭具有用于接合井下工具的心軸的多個夾頭指部；以及保持帯，所述保持帶周向地設置在所述夾頭指部周圍以用于將所述夾頭相對于所述心軸保持在接合位置中，當對所述夾頭施加預定大小的軸向カ時，所述夾頭能夠從所述心軸釋放。
2.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中，所述井下工具是封隔器。
3.根據(jù)權利要求2所述的設備，其中，施加到所述夾頭的預定大小的所述軸向力足以將所述封隔器移動到設定位置。
4.根據(jù)權利要求I、2或3所述的設備，其中，所述保持帶是當施加預定大小的所述軸向力時能夠斷裂的剪切帯。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的設備，其中，每個夾頭指部均具有夾頭頭部；并且所述心軸具有保持凹槽，所述保持凹槽被限定在所述心軸的外表面中以用于接收所述夾頭頭部。
6.根據(jù)權利要求5所述的設備，其中，所述心軸保持凹槽的上臺肩成角度以便可滑動將施加到所述夾頭的所述軸向カ轉換成抵靠所述保持帶的徑向力。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述心軸具有限定在所述心軸上的鋸齒形螺紋，并且所述夾頭指部接合所述鋸齒形螺紋，所述鋸齒形螺紋能夠將施加到所述夾頭的所述軸向力轉換成作用在所述保持帶上的徑向力。
8.根據(jù)權利要求7所述的設備，其中，所述鋸齒形螺紋的間隙側角度是至少45°。
9.根據(jù)權利要求7或8所述的設備，其中，所述鋸齒形螺紋的壓カ側角度小于7°。
10.根據(jù)權利要求7所述的設備，其中，所述鋸齒形螺紋具有約70°的間隙側角度以及約5°的壓カ側角度。
11.根據(jù)權利要求7至10中任一項所述的設備，其中，所述鋸齒形螺紋的螺紋高度與螺距的比率小于1:2。
12.根據(jù)權利要求7至11中任一項所述的設備，其中，所述鋸齒形螺紋的螺紋高度與螺距的比率約為1:4。
13.ー種釋放組件，所述釋放組件可釋放地連接到可設定的井下工具，所述釋放組件包括設定套筒，所述設定套筒能夠與設定工具接合；適配器，所述適配器能夠與所述設定エ具接合并且可釋放地連接到所述井下工具的心軸；以及保持帶，所述保持帶設置在所述適配器周圍以用于保持所述適配器與所述心軸之間的連接直到設定カ施加到所述可設定井下工具。
14.根據(jù)權利要求13所述的釋放組件，其中，所述適配器是具有可釋放地連接到所述井下工具的所述心軸的多個夾頭指部的夾頭。
15.根據(jù)權利要求14所述的釋放組件，其中，所述保持帶是設置在所述夾頭指部周圍的剪切帯。
16.根據(jù)權利要求14所述的釋放組件，其中，所述保持帶設置在所述夾頭指部周圍并且至少部分地是彈性的。
17.根據(jù)權利要求14、15或16所述的釋放組件，其中，所述心軸具有限定在所述心軸上的至少ー個凹槽，以用于接收設置在所述夾頭指部的端部上的夾頭頭部。
18.根據(jù)權利要求17所述的釋放組件，其中，所述至少一個凹槽是鋸齒形螺紋。
19.根據(jù)權利要求18所述的釋放組件，其中，所述至少一個鋸齒形螺紋具有約70°的間隙側角度、約5°的壓カ側角度、以及約1:4的螺紋高度與螺距的比率。
20.ー種用于將可設定工具設定在井中的設備，所述設備包括 設定套筒； 夾頭，所述夾頭設置在所述設定套筒內，所述夾頭包括 從夾頭本體延伸的多個夾頭指部；以及 夾頭頭部，所述夾頭頭部位于所述夾頭指部的下端處，其中所述夾頭頭部適于接合井下工具的心軸；以及 保持帶，所述保持帶設置在所述夾頭指部周圍以用于保持所述夾頭與所述心軸的接合，直到對所述夾頭施加軸向釋放力，所述軸向釋放カ至少等于將所述井下工具從未設定位置移動到設定位置所需要的設定力。
21.根據(jù)權利要求20所述的設備，其中，當施加所述軸向釋放カ時，所述心軸將向外地推動所述夾頭指部以便使所述保持帶斷裂。
22.根據(jù)權利要求20或21所述的設備，進一歩包括限定在所述心軸中的凹槽，所述夾頭頭部容納在所述凹槽中，其中所述軸向釋放カ將所述夾頭頭部移動到與所述凹槽的臺肩接合，以使所述夾頭指部徑向地擴張以將徑向向外的力施加到所述保持帯。
23.根據(jù)權利要求20、21或22所述的設備，進一歩包括限定在所述心軸上的鋸齒形螺紋，其中所述軸向釋放カ沿著所述鋸齒形螺紋移動所述夾頭指部，以徑向地擴張所述夾頭指部并且將徑向向外的力施加到所述保持帯。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種井下工具釋放機構，其包括用于可釋放地接合井下工具的心軸(41)的夾頭814)。保持帶(30)周向地設置在夾頭(14)的指部(16)周圍，以用于在釋放機構(10)上施加預定的軸向力之前保持夾頭與心軸的接合。當施加該力時，夾頭指部(16)擴張，使剪切帶(30)斷裂，心軸(14)被釋放并且井下工具脫離接合。
文檔編號E21B17/06GK102762813SQ201180009672
公開日2012年10月31日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權日2010年1月6日
發(fā)明者凱文·雷·曼克, 特蕾西·M·馬丁, 羅伯特·普雷斯頓·克萊頓 申請人:哈里伯頓能源服務公司