專利名稱：管道膨脹器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于徑向膨脹管狀元件的膨脹器?？膳蛎浀墓軤?元件在用于從地層中生產(chǎn)油氣的井構(gòu)造中的應(yīng)用越來越廣泛。在這樣 的應(yīng)用中，可膨脹的管狀元件下降至井眼中，隨后徑向膨脹，形成井 的結(jié)構(gòu)部件，例如套管、篩管或濾砂管。井眼通常被分區(qū)段鉆成，由 此在每鉆一個區(qū)段之后，將另一個套管或篩管下降至新鉆的井眼區(qū)段 中，并在其中徑向膨脹。任選地，通過在膨脹過程之前或之后泵送一 層水泥至套管或篩管與井眼壁之間，可以將膨脹的套管或篩管用水泥 澆筑在井眼中。
背景技術(shù)：
通常，通過泵送、拉動或推動膨脹器穿過管狀元件，在井眼中膨 脹管狀元件。膨脹器具有從略微小于未膨脹管內(nèi)徑的直徑逐漸縮減至 對應(yīng)于膨脹之后所需要的管內(nèi)徑的直徑的外表面。正常情況下，在未 膨脹的管狀元件與井眼壁之間存在充足的間隙，以在不需要過多膨脹 力的情況下允許管狀元件徑向膨脹。但是，井眼壁可能具有局部不規(guī) 則的部分，例如向內(nèi)突出的壁部分，這妨礙管狀元件在不需要過多膨 脹力的情況下完全膨脹。并且，在管狀元件與井眼壁之間可能存在坍 塌壁部分形式的堵塞，或者管狀元件本身的壁可能具有不規(guī)則的部分， 這都妨礙了管狀元件的正常膨脹。已經(jīng)驗證，這種堵塞和不規(guī)則部分可以導(dǎo)致這樣一種情形，即， 膨脹器被阻滯在管狀元件中，由此阻止管狀元件的進一步膨脹。本發(fā) 明的目的是提供一種改進的膨脹器，其能克服先有技術(shù)中的問題，即， 即使在井眼中遭遇堵塞，也允許管狀元件的進一步膨脹。發(fā)明內(nèi)容依照本發(fā)明，提供了一種用于徑向膨脹管狀元件的膨脹器，所述 膨脹器具有軸向向前方向，并設(shè)置有用于對膨脹器施加推動力以使膨 脹器沿軸向向前方向移動穿過管狀元件的推動裝置，膨脹器包括具有 沿軸向向前方向徑向向內(nèi)逐漸縮減的膨脹器表面的可調(diào)錐體，所述可 調(diào)錐體可以在徑向膨脹模式與徑向回縮模式之間移動，膨脹器還包括用于在施加于推動裝置上的所述推動力的作用下使可調(diào)錐體從回縮模 式移動至膨脹模式的調(diào)整裝置。利用依照本發(fā)明的膨脹器，可以實現(xiàn)，在堵塞妨礙管狀元件的完 全膨脹的情況下，可調(diào)錐體也能從膨脹模式徑向向內(nèi)移動至回縮模式。 此外，本發(fā)明膨脹器的一個優(yōu)點在于，使可調(diào)錐體保持在膨脹模式或 在遭遇堵塞的情況下使可調(diào)錐體返回至膨脹模式所需的回復(fù)力由移動 膨脹器穿過管狀元件所需的推動力提供。因而，膨脹器不會受到使膨 脹器保持在膨脹模式或使膨脹器從回縮模式返回至膨脹模式的高預(yù)加 載。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語"推動力"既是指直接施加于膨脹器以拉動、推動 或泵送膨脹器穿過管狀元件的力，還是指由直接施加于膨脹器上的力 引起的任何反作用力，例如由于膨脹過程的緣故從管狀元件作用于膨 脹器上的反作用力，或者由于膨脹過程的緣故膨脹器的各個部件之間 的反作用力。為了允許可調(diào)錐體在膨脹模式與回縮模式之間移動，可調(diào)錐體適宜由多個錐體段(segments)形成，其中，對于每對相鄰的錐體段， 一縫隙沿徑向方向在成對錐體段之間延伸。徑向縫隙允許錐體段向內(nèi) 和向外徑向移動，同時仍然表現(xiàn)為半連續(xù)的膨脹表面，由此在這種運 動期間，縫隙的圓周寬度減小(對于徑向向內(nèi)運動)或增大(對于徑 向向外運動)。各縫隙可以形成為完全分開錐體段，或者假定錐體段仍 然能夠向內(nèi)和向外徑向移動，則只是部分地分開錐體段。優(yōu)選地，可調(diào)錐體是后錐體，膨脹器還包括前錐體，所述前錐體 具有沿軸向向前方向徑向向內(nèi)逐漸縮減的膨脹器表面，其最大直徑小于后錐體的最大直徑。如果前錐體相對于推動裝置可軸向移動，則為后錐體提供了足夠的回復(fù)力，其中，調(diào)整裝置被布置成在前錐體相對于推動裝置軸向移 動時使后錐體從回縮模式移動至膨脹模式。優(yōu)選地，推動裝置包括位于膨脹器的后端部分上的支撐構(gòu)件，其 中，調(diào)整裝置被布置成在前錐體朝著支撐構(gòu)件軸向移動時使后錐體從 回縮模式移動至膨脹模式。


參照附圖，下文將通過舉例的方式更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中 圖1示意性顯示了依照本發(fā)明的膨脹器的一個實施例的縱向截面 的透視圖；圖2示意性顯示了圖1中膨脹器的上半部在第一操作模式期間的 縱向截面；圖3示意性顯示了圖2的橫截面3-3;圖4示意性顯示了圖1中膨脹器的上半部在第二操作模式期間的 縱向截面；圖5示意性顯示了在初始操作階段期間的圖1中的縱向截面； 圖6示意性顯示了在后續(xù)操作階段的圖1中的膨脹器； 圖7示意性顯示了在進一步操作階段期間的圖1中的膨脹器； 圖8示意性顯示了依照本發(fā)明的膨脹器的改變實施例的一部分的 橫截面；和圖9示意性顯示了依照本發(fā)明的膨脹器的另一改變實施例的一部 分的橫截面。
具體實施方式
在附圖中，同樣的參考標(biāo)記表示同樣的部件。 參照圖l-4，圖中顯示了用于徑向膨脹管狀元件的膨脹器1,膨脹 器1具有軸向向前方向'A'，該軸向向前方向'A'限定了在管狀元件膨脹期間膨脹器1的運動方向。膨脹器1包括芯軸2、固定地連接于芯 軸2的支撐構(gòu)件6、前錐體8和可調(diào)后錐體10。芯軸2具有后部分12 和從后部分12沿向前方向延伸的軸14，軸14設(shè)置有用于將軸連接到 拉索(string)(未顯示)的連接器(未顯示)。前錐體8具有縱向孔16，軸14以允許前錐體8沿軸14軸向滑動 的方式貫穿該縱向孔16延伸。前錐體8具有外表面，所述外表面包括 沿向前方向'A'徑向向內(nèi)逐漸縮減的截錐形前表面部分18和沿與方向 ，A'相反的方向徑向向內(nèi)逐漸縮減的凹進后表面部分20。后表面部分 20相對于截錐形前表面部分18稍微凹進。后錐體10由多個彼此周向間隔開的錐體段24(圖3)形成，由此， 在每對相鄰的錐體段的錐體段24之間延伸形成徑向縫隙26。錐體段 24通過任意合適的裝置、例如圓周彈簧(未顯示)保持在一起，這允 許錐體段24在限定后錐體的膨脹模式(圖2)的徑向向外位置與限定 后錐體的回縮模式(圖4)的徑向向內(nèi)位置之間移動。后錐體10在膨 脹模式時具有比前錐體8的最大直徑大的最大直徑。后錐體10具有沿向前方向'A'徑向向內(nèi)逐漸縮減的截錐形外表面 28。此外，后錐體10還具有在其前端的內(nèi)表面部分30和在其后端的 內(nèi)表面部分32，所述內(nèi)表面部分30沿向前方向'A'徑向向外逐漸縮減， 所述內(nèi)表面部分32沿向前方向'A'徑向向內(nèi)逐漸縮減。支撐構(gòu)件6位于芯軸2的后部分12與后錐體10之間，其包括沿 向前方向'A，徑向向內(nèi)逐漸縮減的凹進外表面34。后錐體10的前內(nèi)表面部分30的錐角等于前錐體8的后表面部分 20的錐角。同樣，后錐體10的后內(nèi)表面部分32的錐角等于支撐構(gòu)件 6的外表面34的錐角。因而，在后錐體IO從膨脹模式運動至回縮模式時，后錐體10的 前內(nèi)表面部分30沿前錐體8的后表面部分20滑動，從而使前錐體8 相對于后錐體10在向前方向沿著軸14滑動。同時，后錐體10的后內(nèi) 表面部分32沿著支撐構(gòu)件6的外表面34滑動，從而使后錐體10相對 于芯軸2向前移動，增強前錐體8沿軸14的向前方向滑動。進一步參考圖5_7，顯示了膨脹器1在膨脹伸入地層中形成的井 眼42的管狀元件40的不同階段期間的縱向截面。為便于參照，只顯 示了膨脹器的上半部。參照標(biāo)記44表示管狀元件40的中心縱向軸線。在正常操作的初始階段(圖5)期間，利用連接到芯軸2的軸14 的拉索(未顯示)，沿向前方向，A'拉動膨脹器1穿過管狀元件40，由 此，使后錐體10位于膨脹模式。前錐體8使管狀元件40膨脹至第一 直徑，處于膨脹模式的后錐體10使管狀元件40從第一直徑膨脹至比 第一直徑大的第二直徑。前錐體8承受將前錐體8抵靠后錐體10偏壓 的軸向反作用力。軸向反作用力導(dǎo)致后錐體10在前錐體8與支撐構(gòu)件 6之間被壓緊，這樣，錐體段24沿著前錐體8和支撐構(gòu)件6的相應(yīng)截 錐形表面20、 34向上滑動，從而使后錐體10維持在膨脹模式。在正常操作的后續(xù)階段(圖6)期間，諸如鉆孔限制或管狀元件 的接頭形式的堵塞48可能存在于井眼42中。當(dāng)沿堵塞48而經(jīng)過時， 前錐體8使管狀元件40膨脹至第一直徑。但是，堵塞48妨礙由后錐 體10產(chǎn)生的進一步膨脹。因而，在膨脹器l穿過管狀元件40繼續(xù)運 動時，作用于前錐體8的軸向反作用力不足以使后錐體10維持在膨脹 模式，后錐體10的錐體段24由從管狀元件40施加到處于堵塞48水 平的后錐體10的高徑向反作用力的作用而被徑向向內(nèi)偏壓。當(dāng)后錐體 10的直徑減小到足以允許膨脹器1使管狀元件40在堵塞48內(nèi)部膨脹 時，錐體段24的向內(nèi)運動停止。正如上文所述的，后錐體10從膨脹 模式至回縮模式的這種徑向向內(nèi)運動導(dǎo)致前錐體8相對于芯軸2軸向 向前移動。從而前錐體8暫時加速膨脹管狀元件40。應(yīng)當(dāng)理解，作用 于前錐體8的軸向反作用力趨向于偏壓后錐體10返回膨脹模式。后錐 體10處于回縮模式的情況下，膨脹器1沿堵塞48而過，由此，使與 堵塞48相對的管狀元件40部分膨脹至相對于管狀元件40的其余部分 的膨脹直徑減小的直徑。在正常操作的下一階段(圖7)期間，膨脹器l已經(jīng)經(jīng)過堵塞48。 作用于前錐體8的軸向反作用力向后推動后錐體10，這樣，錐體段24 沿著前錐體8和支撐構(gòu)件6的相應(yīng)逐漸縮減表面20、 34向上滑動，從而使后錐體10返回到膨脹模式。然后，后錐體10又使管狀元件40 從第一直徑膨脹至第二直徑。進一步參照圖8，顯示了具有錐體段24的改進后錐體的橫截面， 與圖1-7中后錐體10的圓形逐漸縮減內(nèi)表面30、 32相反，其具有平 坦的逐漸縮減內(nèi)表面50。前錐體8和支撐構(gòu)件6的相應(yīng)接觸表面也改 變?yōu)槠教沟?。進一步參照圖9，顯示了具有錐體段24的進一步改進后錐體的橫 截面，其在平坦的逐漸縮減內(nèi)表面上設(shè)置有輥子52。這些輥子進一步 減少摩擦，確保錐體段24沿著前錐體8和支撐構(gòu)件6的相應(yīng)逐漸縮減 表面20、 34平滑滾動。除了膨脹器被拉動穿過管狀元件之外，膨脹器也可以被推動或泵 送穿過管狀元件。此外，優(yōu)選的是，在前錐體與后錐體的接觸表面之 間以及后錐體與支撐構(gòu)件的接觸表面之間設(shè)置合適的摩擦降低裝置， 例如油脂或低摩擦涂層。而且，輥子元件可以布置在相應(yīng)的接觸表面 之間，以減少摩擦。為了保證錐體段保持沿圓周方向均勻間隔開，后錐體的錐體段和 前錐體可以設(shè)置有協(xié)作引導(dǎo)裝置，以防止前錐體與錐體段之間沿圓周 方向進行相對運動。同樣，支撐構(gòu)件和后錐體的錐體段也可以設(shè)置協(xié) 作引導(dǎo)裝置，以防止支撐構(gòu)件與錐體段之間沿圓周方向進行相對運動。 例如，引導(dǎo)裝置可以設(shè)置為在其中一個接觸表面的凹槽以及在另一接 觸表面的相應(yīng)銷或類似構(gòu)件。為了向前錐體和后錐體提供增加的回復(fù)力能力，前錐體優(yōu)選設(shè)置有附加的回復(fù)裝置，例如相對于芯軸向后偏壓前錐體的液壓活塞或彈 簧。在上文描述中，已經(jīng)規(guī)定，在操作期間，后錐體從膨脹模式移動 至回縮模式，反之亦然。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語"回縮模式"表示后錐體的最 大外徑相對于在膨脹模式時后錐體的最大外徑減少的情形。因而，膨 脹器能夠使管狀元件膨脹至連續(xù)變化的膨脹直徑，這取決于所遇到的 各種堵塞的尺寸和回彈能力。例如，如果管狀元件是靠著井眼中的已有套管膨脹以形成包覆層的篩管，那么篩管可以膨脹的最大直徑取決 于已有套管內(nèi)徑的局部變化。在這樣的應(yīng)用中，本發(fā)明的膨脹器能夠 使篩管膨脹至與已有套管直徑適應(yīng)的連續(xù)變化的直徑。根據(jù)上述，應(yīng)當(dāng)理解，依照本發(fā)明的膨脹器能夠使管狀元件以膨 脹器順應(yīng)存在于管狀元件或周圍地層中的不規(guī)則部分或堵塞的方式膨 脹。從而大大減少了膨脹器卡在管狀元件內(nèi)的危險。
權(quán)利要求
1.一種用于徑向膨脹管狀元件的膨脹器，所述膨脹器具有軸向向前方向，并設(shè)置有用于對膨脹器施加推動力以使膨脹器沿軸向向前方向移動穿過管狀元件的推動裝置，膨脹器包括具有沿軸向向前方向徑向向內(nèi)逐漸縮減的膨脹器表面的可調(diào)錐體，所述可調(diào)錐體能夠在徑向膨脹模式與徑向回縮模式之間移動，膨脹器還包括用于在施加于推動裝置上的所述推動力的作用下使可調(diào)錐體從回縮模式移動至膨脹模式的調(diào)整裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的膨脹器，其中，可調(diào)錐體是后錐體，膨脹 器還包括前錐體，所述前錐體具有沿軸向向前方向徑向向內(nèi)逐漸縮減 的膨脹器表面，其最大直徑小于后錐體的最大直徑。
3. 如權(quán)利要求2所述的膨脹器，其中，前錐體相對于推動裝置能 夠軸向移動，以及其中，調(diào)整裝置被布置成在前錐體相對于推動裝置 軸向移動時使后錐體從回縮模式移動至膨脹模式。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的膨脹器，其中，推動裝置包括位于膨 脹器的后端部分的支撐構(gòu)件，其中，調(diào)整裝置被布置成在前錐體朝著 支撐構(gòu)件軸向移動時使后錐體從回縮模式移動至膨脹模式。
5. 如權(quán)利要求4所述的膨脹器，其中，后錐體布置在前錐體與支 撐構(gòu)件之間。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的膨脹器，其中，調(diào)整裝置包括第一對 協(xié)作接觸表面，該對協(xié)作接觸表面包括設(shè)置在前錐體上的第 一接觸表 面和設(shè)置在后錐體上的第二接觸表面，所述第一和第二接觸表面中的 至少一個在與軸向向前方向相反的方向上逐漸縮減至一較小直徑。
7. 如權(quán)利要求6所述的膨脹器，其中，所述第一和第二接觸表面 兩者都在與軸向向前方向相反的方向上逐漸縮減至一較小直徑。
8. 如權(quán)利要求7所述的膨脹器，其中，所述第一和第二接觸表面 具有大體相等的錐角。
9. 如權(quán)利要求4-8任一所述的膨脹器，其中，后錐體相對于推動裝置能夠軸向移動，以及其中，調(diào)整裝置包括第二對協(xié)作接觸表面， 所述第二對協(xié)作接觸表面包括設(shè)置在后錐體上的第三接觸表面和設(shè)置 在支撐構(gòu)件上的第四接觸表面，所述第三和第四接觸表面中的至少一 個在軸向向前方向上逐漸縮減至一較小直徑。
10. 如權(quán)利要求9所述的膨脹器，其中，所述第三和第四接觸表面 兩者都在軸向向前方向上逐漸縮減至一較小直徑。
11. 如權(quán)利要求10所述的膨脹器，其中，所述第三和第四接觸表 面具有大體相等的錐角。
12. 如權(quán)利要求2-11任一所述的膨脹器，其中，推動裝置包括芯軸， 所述芯軸具有沿軸向向前方向延伸的軸，以及其中，前錐體和后錐體 能夠滑動地安裝在所述軸上。
13. 如權(quán)利要求1-12任一所述的膨脹器，其中，可調(diào)錐體由多個 錐體段形成，其中，對于每對相鄰的錐體段， 一縫隙沿徑向方向在該 對錐體段之間延伸。
14. 參照附圖大體上在上文中描述的膨脹器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于徑向膨脹管狀元件的膨脹器，所述膨脹器具有軸向向前方向，并設(shè)置有用于對膨脹器施加推動力以使膨脹器沿軸向向前方向移動穿過管狀元件的推動裝置。膨脹器包括具有沿軸向向前方向徑向向內(nèi)逐漸縮減的膨脹器表面的可調(diào)錐體，所述可調(diào)錐體可以在徑向膨脹模式與徑向回縮模式之間移動。膨脹器還包括用于在施加于推動裝置上的所述推動力的作用下使可調(diào)錐體從回縮模式移動至膨脹模式的調(diào)整裝置。
文檔編號B21D39/20GK101238273SQ200680028777
公開日2008年8月6日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者A·L·M·維本, D·H·澤斯林, S·M·羅格班德 申請人:國際殼牌研究有限公司