專利名稱：用于將可膨脹管錨定到鉆井壁的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于形成在地層中的井眼內(nèi)的可膨脹組件，所述組件包括用于在膨脹時獲得增大徑向膨脹的機(jī)構(gòu)。更特別地，本發(fā)明涉及可徑向膨脹的裝置，其機(jī)械接合鉆井壁，以形成錨。
背景技術(shù)：
在鉆油、氣井時，使用在鉆柱下端處被向下推動的鉆頭形成井眼。在鉆預(yù)定深度之后，取出鉆柱和鉆頭，并且通常使用稱為套管的鋼管的串為井眼加襯。套管提供對井眼的支撐，并且便于將井眼的一定區(qū)域隔離，例如將相鄰的含油氣地層隔離。套管通常從井的表面沿著井眼延伸到指定深度。因而環(huán)形區(qū)域限定在套管外側(cè)和地層之間。該環(huán)形區(qū)域使用水泥填充，以將套管永久地安放在井眼中，并且便于井眼內(nèi)不同深度處的生產(chǎn)區(qū)和流體的隔
1 O可膨脹管狀元件在油氣鉆井和生產(chǎn)領(lǐng)域獲得不斷增長的應(yīng)用。井眼中可膨脹管元件的一個主要優(yōu)點涉及與具有更傳統(tǒng)的嵌套套管方案的常規(guī)井眼相比較，增加了用于流體生產(chǎn)或用于工具通過的井下的可用內(nèi)徑。通常，可膨脹管狀元件通過將未膨脹管狀元件下入井眼中，之后，將膨脹裝置推動、泵送或拉動通過所述管狀元件來安裝。膨脹率為膨脹之后的直徑與膨脹之前的直徑的比率，由膨脹器的有效直徑確定。當(dāng)可膨脹管下入井眼中時，其必須在期望深度處錨定到井眼內(nèi)，以防止可膨脹管在膨脹過程中移動。將可膨脹管錨定在井眼內(nèi)允許通過膨脹器工具將該一定長度的可膨脹管膨脹到井眼中。該錨定必須在可膨脹管和井眼的內(nèi)徑之間提供適當(dāng)?shù)慕雍希苑€(wěn)定可膨脹管，防止膨脹過程中在井眼內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動和縱向軸向運動?？膳蛎浌芡ǔＴ谙惹暗奶坠艽呀?jīng)安放在井眼中之后下入井眼中。可膨脹管必須延伸穿過先前的套管串的內(nèi)徑，以到達(dá)準(zhǔn)備要隔離的裸眼的井眼部分，所述裸眼井眼的部分位于先前安放的套管串下方。因此，所述錨和可膨脹管的外徑必須小于為井眼加襯的全部先前的套管串，以延伸穿過襯管到達(dá)存在裸眼井眼的深度處。另外，一旦當(dāng)可膨脹管到達(dá)先前的套管或襯管下方的井眼的裸眼部分時，井眼的裸眼部分的內(nèi)徑通常大于先前的套管的內(nèi)徑。為了將可膨脹管在井眼的裸眼部分中保持在位，錨必須具有足夠大的外徑，以將可膨脹管在繼續(xù)膨脹過程之前充分固定在裸眼井眼中的位置處。US-7104322公開了在井眼內(nèi)錨定可膨脹管的方法和設(shè)備。所述設(shè)備包括展開系統(tǒng)，其包括可充脹封隔元件。所述封隔元件布置在襯管內(nèi)部，并且支撐在鉆柱上。當(dāng)充脹時， 所述封隔元件使可膨脹管的錨定部分徑向膨脹。錨定部分的外側(cè)與井眼壁接合并形成錨。 可膨脹管的其余部分可隨后使用膨脹器工具膨脹。錨定部分的保持力和形狀可通過改變封隔器的特性，例如改變封隔器的形狀和壁厚來操縱。但是，如US-7104322中公開的，管與地層的接合受管狀元件的膨脹量限制，所述膨脹量通常受膨脹裝置的機(jī)械限制條件約束。例如，在未膨脹管和井眼壁之間的環(huán)形空間比較大的情況下，可獲得的機(jī)械膨脹量可能不足以使膨脹管與鉆井壁接合。另外，雖然管的外側(cè)和井眼壁之間的將可膨脹管保持在位的摩擦力可抵抗由旋轉(zhuǎn)的膨脹工具在可膨脹管上產(chǎn)生的作用力，但是在將膨脹器錐拉動通過可膨脹管時，該摩擦力可能不足以抵抗該作用力。如果摩擦力不夠，則膨脹工具可在膨脹過程中沿軸向移動可膨脹元件，并且未膨脹管可能阻塞先前的套管。于是必須以相當(dāng)高的代價取出未膨脹元件， 或者所述阻塞可能甚至付出更大的代價，使井眼不可用。因而，期望提供一種裝置，其將在使管膨脹時，甚至在已膨脹的管自身不與鉆井壁接合的情況下，仍與鉆井壁機(jī)械接合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種管安裝裝置，其在管膨脹時，甚至在膨脹管自身不與鉆井壁接合的情況下，與鉆井壁機(jī)械接合。根據(jù)本發(fā)明的用于將可膨脹管錨定到鉆井壁的系統(tǒng)包括支撐構(gòu)件，其具有相對于所述管的外側(cè)固定的第一端；和錨構(gòu)件，其具有相對于所述管的外側(cè)固定的第一端和朝向所述支撐構(gòu)件延伸的第二端，所述第二錨端相對于所述管的外側(cè)可動，所述錨包括位于所述第一錨端和第二錨端之間的至少一個鉸接部，其中，在所述鉸接部處彎曲所述錨構(gòu)件所需的彎曲力矩小于彎曲所述錨構(gòu)件的另一部分所需的彎曲力矩；所述支撐構(gòu)件包括斜坡面，其沿所述錨構(gòu)件的方向逐漸縮減；所述第一錨端和所述第一支撐端限定在所述第一錨端和所述第一支撐端之間的初始軸向裝置長度L1 ；其中，L1選擇成使所述可膨脹管的在所述第一支撐端和所述第一錨端之間的部分的膨脹引起軸向裝置長度縮短到L2,其中，L1和 L2之間的差足以引起所述第二錨端徑向向外移動并且由于與所述斜坡面接合而與鉆井壁接合。當(dāng)受到力時，錨將首先在所述至少一個鉸接部的位置處彎曲。這使得能夠設(shè)計錨以便使得錨的自由的第二端將把其自身鎖定于鉆井壁中，從而增大穿入深度、錨與地層之間的接觸面積以及錨定力這些中的至少一項。


本發(fā)明可通過閱讀下面參照附圖對非限制性實施例的描述得到更好地理解，附圖中，每一幅圖的相似的部件由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示，并且附圖簡要描述如下圖1是在膨脹之前設(shè)置在井眼中的本發(fā)明第一實施例的示意性剖視圖；圖2是處于中間膨脹水平的圖1的裝置的剖視圖；圖3是在井眼中充分膨脹的圖1的裝置的剖視圖；圖4是處于中間膨脹水平的本發(fā)明裝置的第一替代實施例的剖視圖；圖5是在井眼中充分膨脹的圖4的裝置的剖視圖；圖6是適用于圖4的系統(tǒng)中的錨的放大圖；圖7-11是適用于本發(fā)明中的替代錨結(jié)構(gòu)的放大圖；圖12是膨脹之后的本發(fā)明的一個實施例的放大立體圖；圖13是膨脹之后圖10的裝置的放大立體圖；圖14是膨脹之后圖11的裝置的放大立體圖15是處于中間膨脹水平的本發(fā)明的另一個實施例的示意性剖視圖；圖16是圖15的裝置的立體圖；圖17A-F是顯示圖15的裝置的操作的順序的剖視圖；圖18是處于中間膨脹水平的本發(fā)明的又一個實施例的示意性剖視圖；圖19是圖18的裝置的立體圖；圖20A-F是示出圖18的裝置的操作的順序的剖視圖。
具體實施例方式圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例構(gòu)造的用于將可膨脹管20錨定到井眼壁11的可膨脹錨定裝置10。錨定裝置10包括錨12和楔合構(gòu)件16，其都安裝在可膨脹管20的外側(cè)上，并且以第一距離L1分開?？膳蛎浌?0可包括單個管狀元件，或任意數(shù)量的相互連接的管狀元件。管狀元件可使用本領(lǐng)域中已知的螺紋連接(未顯示)相互連接。錨12包括固定端14，其優(yōu)選通過焊接或防止固定端14和管20之間相對運動的其他方式固定到管20。 錨12的另一端朝向楔合構(gòu)件16延伸，但是不固定到管20的外側(cè)，以使除固定端14之外， 錨12的全部相對于管20自由運動。錨12可構(gòu)造成使其內(nèi)徑與管20的未膨脹的外徑相同， 或優(yōu)選大于管20的未膨脹的外徑。應(yīng)可理解，錨12和固定端14能以單個一體的部件形成，所述單個一體的部件可由已經(jīng)結(jié)合的分開的件構(gòu)造，或包括沒有機(jī)械結(jié)合的分開的件。優(yōu)選至少固定端14可固定到管20，優(yōu)選但不一定通過焊接。類似地，楔合構(gòu)件16優(yōu)選通過焊接或防止其間相對運動的其他方式固定到管20。 楔合構(gòu)件20包括斜坡構(gòu)件18，其朝向錨12延伸。斜坡18可構(gòu)造具有任何期望的表面角度。楔合構(gòu)件16和錨12的厚度為設(shè)計要素，但是受膨脹之前系統(tǒng)的最大允許直徑限制，所述最大允許直徑小于先前的套管串的內(nèi)徑。錨12和楔合構(gòu)件16每一個可具有環(huán)形或分段結(jié)構(gòu)。在分段結(jié)構(gòu)中，錨12和/或楔合構(gòu)件16可包括多個縱向帶、桿或板。例如，可使用八條帶，每一條帶圍繞管20的外圓周的45度或更小的角度延伸?；蛘?，錨12和/或楔合構(gòu)件16可既包括環(huán)形部分又包括分段部分。在后面的情況下，優(yōu)選環(huán)形部分位于分開距離L1的外側(cè)。還優(yōu)選的是，任何固定端和/或環(huán)形部分可由延展性材料形成，并且具有的厚度和長度可足以在不需要過分的力的情況下膨脹。適當(dāng)?shù)难诱剐圆牧侠鐬樘间揂333。所述材料相對于拉伸具有例如30或更大數(shù)量級的彈性模量，且相對于扭轉(zhuǎn)具有11或更大數(shù)量級的彈性模量?？膳蛎涘^定裝置10用于與可膨脹管20結(jié)合使用，可膨脹管20又由膨脹裝置30 膨脹。如圖所示，膨脹裝置30可包括具有截頭圓錐形膨脹表面32的錐，其在推動或拉動膨脹裝置30通過管20時增大管20的內(nèi)徑，但是應(yīng)可理解，膨脹裝置30可包括用于將徑向膨脹力施加到管20內(nèi)部的任何適當(dāng)機(jī)構(gòu)。參照圖2和圖3，可看到當(dāng)膨脹裝置30移動通過管20時，管20縮短。因而，當(dāng)膨脹裝置30 WL1的一端移動到另一端時，楔合構(gòu)件16和錨12的固定端14之間的距離減小。 一旦當(dāng)膨脹裝置30已經(jīng)移動經(jīng)過楔合構(gòu)件16時，達(dá)到楔合構(gòu)件16和錨12的固定端14之
6間的最終距離，并且限定為距離L2。由于除了固定端14，錨12沒有固定到管20，因此管20 的縮短對錨12的長度實際上沒有影響。對于給定的管和膨脹率，可預(yù)測如果管在膨脹過程中沒有受到約束的情況下將發(fā)生的縮短量。在一個優(yōu)選實施例中，距離L1選擇成使縮短量足夠使錨12與楔合構(gòu)件16重疊期望的縱向距離，所述縮短量可表達(dá)為L1和L2之間的差。L1和L2之間的差為膨脹率、膨脹模式的函數(shù)，以及，不用說，為原始管壁厚的函數(shù)，并且可根據(jù)這些參數(shù)預(yù)測。在本文使用時，“膨脹模式”區(qū)分所謂的受拉膨脹和受壓膨脹，受拉膨脹和受壓膨脹又用于描述膨脹過程中管經(jīng)受的應(yīng)力狀態(tài)。在受拉膨脹過程中，膨脹裝置從固定可膨脹管的位置移動遠(yuǎn)離，所述位置例如為錨的位置。在受壓膨脹過程中，膨脹裝置朝向固定可膨脹管的位置移動。可膨脹管在受壓膨脹過程中比在受拉膨脹過程中縮短約兩倍多。本文中縮短表示管(的一部分)膨脹前后的長度差。在管膨脹過程中，膨脹模式可改變。另外，可膨脹管的重量可引起二階效應(yīng)。但是，如下面更詳細(xì)描述的，通常膨脹模式已知。因而，可以并且期望計算和使用預(yù)定間距L1，其將導(dǎo)致期望的重疊和錨12的向外移動。 在根據(jù)本發(fā)明的可膨脹管狀元件的膨脹過程中，管的設(shè)置有本發(fā)明的錨的部分優(yōu)選在第一步中膨脹。在該第一步過程中，夾緊裝置將未膨脹管狀元件保持在預(yù)定位置中，直到錨與井眼壁接合。與膨脹裝置結(jié)合操作的適當(dāng)?shù)膴A緊裝置例如在US-2009/0014172-A1 中公開，所述專利在該方面以引用的方式并入本文中。在第一膨脹步驟中，夾緊裝置與管壁接合。然后，致動器，包括例如液壓致動器，將膨脹裝置拉動通過管，直到使錨被啟用。在隨后的步驟中，一旦當(dāng)錨已經(jīng)與井眼壁接合時，管狀元件的其余部分可通過將膨脹裝置朝向表面拉動來膨脹。通過朝向表面拉動膨脹器的膨脹與其他膨脹方式相比較相對較快。使用夾具系統(tǒng)的膨脹可稱為受壓膨脹，其中，當(dāng)錨被啟用時時將膨脹器拉向表面稱為受拉膨脹。 因而，當(dāng)錨被啟用并且與井眼壁接合時，可改變膨脹模式。作為夾緊系統(tǒng)的一種替代方案，可膨脹管狀元件20的串可在其井下處封閉(未示出)，在封閉端和膨脹裝置30之間形成封閉的流體壓力室。即，在將包括封閉端的可膨脹管和膨脹裝置引入井眼中之前，在表面處將井下端封閉。膨脹裝置30將設(shè)置有連接其頂端和底端的流體通道。例如，中空管柱的管連接到流體通道的頂端，以使壓力下的流體從表面通過膨脹裝置進(jìn)入流體壓力室中，其中，流體壓力室中的生成壓力推動膨脹裝置通過可膨脹管。利用膨脹裝置下方的壓力室的膨脹稱為受拉膨脹?，F(xiàn)在參照圖4、5和6，一個替代實施例包括錨42，其具有固定端44、帶有切割端47 的第一部分46、第二部分48、和布置在第一和第二部分4、48之間的鉸接部45。鉸接部45 設(shè)置成使錨42在膨脹過程中塑性變形。當(dāng)楔合構(gòu)件16開始在錨42下方滑動時，切割端47 將被徑向向外推動。鉸接部45將提供用于第一部分46相對于第二部分48的旋轉(zhuǎn)點，允許切割端47朝向地層旋轉(zhuǎn)。在一個實施例中，一旦當(dāng)鉸接部45到達(dá)其旋轉(zhuǎn)極限和/或楔合構(gòu)件16到達(dá)鉸接部45并且在錨42的第二部分48下面滑動時，第二部分48將開始徑向向外旋轉(zhuǎn)，由此增大切割端47與地層接合的角度。在圖4和6中，鉸接部45顯示為錨42外側(cè)中的凹槽或溝槽。圖5中，凹槽由于錨 42彎曲而閉合。圖7-10顯示了錨的替代實施例。圖7中，錨52具有逐漸縮減的第一部分53。圖8中，錨54具有厚度減小的第一部分55。圖9中，錨56具有包括直線槽口 57的鉸接部。圖10中，錨58具有第一部分59，該第一部分具有減小的厚度和增強(qiáng)的切割端60， 所述切割端包括楔狀或葉片狀尖頭，所述尖頭比第一部分59的其余部分更厚。兩個或多個所述尖頭可連續(xù)布置。應(yīng)可理解，前述僅為示例性實施例，并且兩部件式錨可具有各種各樣形狀中的任何形狀。在每一個例子中，第一部分和第二部分之間的接合部處出現(xiàn)的厚度的增大和因此彎曲力的增大限定鉸接部，所述鉸接部又限定彎曲和塑性變形的程度。因而，鉸接部的位置和第一部分的相對長度決定進(jìn)入地層的錨的可達(dá)距離。圖12顯示了具有基本上恒定厚度的錨12，其在膨脹之后滑在楔合構(gòu)件16上。錨的端部設(shè)置有增強(qiáng)切割端60，其包括楔狀或葉片狀尖頭，所述尖頭比錨的其余部分更厚。切割端60被朝向地層72推動，并且部分地被推動進(jìn)入地層72中，以將襯管錨定在地層中。穿入深度示意性地以L3標(biāo)示。斜坡構(gòu)件18相對于管軸線的角度和接觸長度設(shè)計用于在將膨脹裝置拉動通過襯管過程中避免襯管的過大載荷。可膨脹襯管20的膨脹過程致動本發(fā)明的錨定裝置。由于在膨脹裝置從L1的一端移動到另一端時襯管縮短，因此錨12滑動到楔合構(gòu)件16的斜坡18上。在不存在鉸接部的情況下，錨的自由端可與楔合構(gòu)件16重疊期望的縱向距離L4(圖12)。優(yōu)選最小化重疊的長度L4，以限制膨脹力的增大。切割端或尖頭60將在襯管20膨脹過程中錨施加在地層上的徑向力集中在尖頭的端面上。因而，向每地層面積施加的徑向力增大。地層的局部阻力或強(qiáng)度可表達(dá)為每面積的阻力(例如單位為psi或Pa)。井眼中的地層阻力范圍可在500psi到16000psi，并且可例如測量或估計。這允許地層和尖頭之間的接觸面積以及尖頭上相應(yīng)的最大徑向力設(shè)計成使尖頭在管狀元件膨脹過程中穿入地層中超過預(yù)定的最小穿入深度L3(圖12)。錨的改進(jìn)的實施例在其受到外力時將其自身鎖定在地層中。換句話說，錨的設(shè)計使得，錨的尖頭端在受到這樣的力時試圖進(jìn)一步地穿入地層中，與例如抵著井眼壁摩擦相反。這稱為自鎖定作用。外力包括例如當(dāng)膨脹器超過錨定裝置10的位置時在管20膨脹過程中由膨脹裝置30傳送到管20的向上的力。圖13顯示了錨12，其設(shè)置有膨脹之后并且經(jīng)受附加的外部載荷之后厚度減小的第一部分59。在受到力時，錨的尖頭端相對于管20徑向向外卷曲，并且進(jìn)入地層中。當(dāng)作用在錨的尖頭端上的力矩大于錨的最弱部分的彎曲力矩Mh時，尖頭向外卷曲。在圖13的實施例中，這是第一部分59。通常，力矩為管壁和地層72之間的距離L5、夕卜力F6和生成作用力Fr(圖13)的函數(shù)。這里，F(xiàn)r還取決于地層硬度和穿入深度L3,因為當(dāng)每面積所需的力&超過地層強(qiáng)度(以psi或Pa表示)時，地層將破碎或粉碎。但是上述數(shù)值可能局部不同。大約當(dāng)Mh<L5女&時，錨將提供自鎖定作用。在另一個實施例中，錨包括一個或多個鉸接部57、62、66 (圖11、14)?，F(xiàn)在，錨的彎曲阻力或強(qiáng)度在鉸接部的位置處最低。與上面所述的實施例類似，當(dāng)受到提供的力矩超過鉸接部中的一個或多個的彎曲力矩的力時，錨的尖頭端60將徑向向外卷曲或彎曲，并且進(jìn)入地層中。參照圖11和14，當(dāng)受力時，錨12將例如首先在鉸接部62的位置處彎曲，以使尖頭60開始朝向地層并且遠(yuǎn)離管20卷曲。當(dāng)鉸接部62閉合時，錨將在鉸接部66的位置處彎曲，以使尖頭60和部分64將朝向地層并且遠(yuǎn)離管20卷曲。當(dāng)鉸接部66閉合時，錨將在鉸接部57的位置處彎曲，以使尖頭60、部分64和部分68朝向地層并且遠(yuǎn)離管20卷曲。當(dāng)鉸接部57閉合時，錨將達(dá)到圖14中所示的狀態(tài)。在鉸接部以凹槽或槽口(圖6、9)提供的情況下，凹槽或槽口可在一些變形量之后閉合，因而停止作為鉸接部的操作，限制進(jìn)一步變形(圖14)。這也稱為自鎖定，并且在一些情況下是期望的。最大錨定力例如由彎折彎曲區(qū)59或鉸接部所需的力、地層強(qiáng)度及錨與地層之間的垂直于管軸線的接觸面積、穿入深度、圍繞管狀元件的圓周布置的錨的數(shù)量等中的一個或多個確定。在其他實施例中，可提供不止一個鉸接部，以使變形的錨具有例如圖11和14中示出的形狀。相鄰的鉸接部之間的相應(yīng)部分的長度“、L7決定錨沿徑向方向的可達(dá)距離。鉸接部之間的較厚的部分防止錨彎折(圖14)，因而設(shè)定錨進(jìn)入或朝向地層的可達(dá)距離。最大錨定力隨著穿入深度而增大，因為錨定力取決于錨和地層之間的接觸面積。參照圖14，在包括一個或多個鉸接部的實施例中，與相應(yīng)鉸接部相鄰的相對較厚的部分64、68、58將限制這種卷曲運動。錨將在鉸接部的位置處卷曲，但是該卷曲運動將在與相應(yīng)鉸接部鄰接的較厚部分如圖14中所示接觸時結(jié)束。較厚部分68、64的長度L6、L7因而決定錨的最終形狀。例如，在圖14中所示的實施例中，長度L6決定錨的端部將延伸遠(yuǎn)離襯管多遠(yuǎn)，因為相鄰的鉸接部57、66將閉合，并且錨的進(jìn)一步彎折僅在更大的力施加到其時才發(fā)生。因而，長度L6使得能夠設(shè)定穿入深度L3和/或最小錨定力。錨12在地層72中的穿入深度L3部分取決于地層的強(qiáng)度或硬度。在圖15到17中所示的另一個實施例中，本發(fā)明的錨定裝置目的在于提供最大的向上錨定力，以防止襯管移動，同時限制襯管上的徑向向里的力，所述徑向向里的力可導(dǎo)致襯管壁塌陷。錨12的與楔合構(gòu)件重疊的部分接合地層并且被推到地層中，襯管的壁必須能夠提供作用力。參照圖15，根據(jù)本發(fā)明第二實施例構(gòu)造的錨定裝置110包括錨112和楔合構(gòu)件 116，其都安裝在可膨脹管20的外側(cè)上，并且以第一距離L1分開。錨112包括固定端114， 其優(yōu)選通過焊接或防止固定端114和管20之間相對運動的其他方式固定到管20。錨112 的自由的另一端朝向楔合構(gòu)件116延伸，而不固定到管20的外側(cè)，以使除固定端114之外， 錨112的全部相對于管20自由運動。錨112可構(gòu)造成使其內(nèi)徑與管20的未膨脹的外徑相同，或大于管20的未膨脹的外徑。類似地，楔合構(gòu)件116包括固定端117，其優(yōu)選通過焊接或防止固定端117和管20 之間相對運動的其他方式固定到管20。楔合構(gòu)件116的自由的另一端朝向錨112延伸，并且限定長度為Lb的支架115。支架115不固定到管20的外側(cè)，并且相對于管20自由運動。 在自由端處，楔合構(gòu)件116包括斜坡構(gòu)件118，其朝向錨112延伸。斜坡118可以任何期望的表面角度構(gòu)造，并且可為與支架115 —體或為與支架115分開的部件。楔合構(gòu)件116和錨112的厚度為設(shè)計要素，但是受膨脹之前系統(tǒng)的最大允許直徑限制，所述最大允許直徑小于先前的套管串的內(nèi)徑。錨112和楔合構(gòu)件116每一個可具有環(huán)形或分段結(jié)構(gòu)。在分段結(jié)構(gòu)中，錨112和/ 或楔合構(gòu)件116可包括多個縱向帶、桿或板。如圖16中所示，錨112和楔合構(gòu)件116每一個分別包括例如八條帶122、124。八條帶122、124圍繞管20的外圓周延伸。可任選地，錨 112和/或楔合構(gòu)件116包括分段部分，所述分段部分包括多個帶或指狀物126，其具有比帶122更小的寬度。所述錨和楔合構(gòu)件可包括適合于管20的尺寸的任意數(shù)量的帶122和 /或相應(yīng)指狀物126?？膳蛎涘^定裝置110用于與可膨脹管20結(jié)合使用，可膨脹管20又由在圖1_3中大體上示出的膨脹裝置30膨脹。在膨脹過程中，膨脹裝置沿箭頭128的方向移動。參照圖17A到17F，可看到當(dāng)膨脹裝置(其位置由箭頭30標(biāo)示)移動通過管20時， 管20縮短。首先，錨112的自由端接觸斜坡構(gòu)件118(圖17A)。直到膨脹裝置到達(dá)斜坡構(gòu)件，縮短的結(jié)果為斜坡構(gòu)件118和錨112的固定端114之間的距離減小。錨的自由端將滑動到斜坡構(gòu)件上，并且朝向鉆井壁11滑動，重疊在斜坡構(gòu)件上，從管20延伸遠(yuǎn)離。優(yōu)選地， 錨112的長度選擇成使其自由端在膨脹裝置經(jīng)過斜坡118時與鉆井壁11接合(圖17B)。膨脹裝置隨后行進(jìn)超過斜坡構(gòu)件，并且管20在膨脹器的位置處繼續(xù)膨脹和縮短。 由于所述縮短，楔合構(gòu)件116的固定端117朝向錨112移動，結(jié)果斜坡構(gòu)件118推抵錨著 112 (圖17C)。如果錨112的自由端上的徑向力大于地層的局部阻力或強(qiáng)度，則自由端處的尖頭60將進(jìn)一步地穿入地層中(圖17D)，其中所述徑向力由管狀元件20由于其膨脹而造成的縮短產(chǎn)生。但是，如果所述徑向力小于或等于地層的局部阻力或強(qiáng)度，則錨的尖頭60將不能進(jìn)一步地穿入地層中。在該情況下，錨112將由地層保持在位，并且斜坡構(gòu)件118將又由錨 112保持在位。由于楔合構(gòu)件116的支架115不能沿管20的外側(cè)進(jìn)一步滑動，因此不可能發(fā)生進(jìn)一步縮短。一旦當(dāng)膨脹裝置已經(jīng)移動經(jīng)過楔合構(gòu)件116的固定端117時，就達(dá)到楔合構(gòu)件116和錨112的固定端114之間的最終距離，并且限定為L8(圖17D)。由于在膨脹過程的一部分過程中阻止管縮短，因此該實施例的最終總裝置長度L8可能沒有根據(jù)圖1的實施例構(gòu)造并且具有相同L1的裝置的L2那樣小。該差別是由于在管穿過支架115的長度 Lb的至少某部分時可能已經(jīng)阻止管縮短。當(dāng)包括斜坡構(gòu)件118的楔合構(gòu)件116的自由端由錨保持在位時，施加到襯管20的壁的最大載荷約等于所謂的固定_固定載荷。所述固定_固定載荷為當(dāng)膨脹器在固定襯管的兩點之間移動時施加到襯管壁的局部載荷，其中襯管在所述兩點固定以使襯管不可能在所述兩點之間縮短。由于固定-固定載荷可提前確定，例如在實驗室測試過程中確定，因此本發(fā)明的錨定裝置10可設(shè)計成使施加在地層上的徑向力不超過管20的壁的最大徑向載荷。因而，本發(fā)明的錨定裝置確保管壁可具有足夠強(qiáng)度來在膨脹過程中抵抗最大徑向力，以使壁在錨與地層接合時，將基本上保持圓柱狀，即圓形。由于管壁上的最大載荷不會超過固定_固定載荷，因此圖15到17中所示的實施例允許可膨脹管設(shè)計成甚至在地層太硬以致于不能接納錨112的情況下，仍避免塌縮，其中所述固定_固定載荷可計算或至少通過經(jīng)驗確定。這將防止管壁在膨脹過程中塌陷、斷裂或類似損壞。如上所述，如果可膨脹元件損壞，則可能使得整個井下部分不能用，于是必須以相當(dāng)大的代價取出。本發(fā)明的可膨脹管方案因而在該方面大大提高可靠性。膨脹過程中作用在襯管上和地層上的徑向載荷例如取決于斜坡118的表面角度、 楔合構(gòu)件116和襯管20之間的摩擦力、楔合構(gòu)件116和錨112之間的摩擦力、地層硬度、膨脹過程中管壁和地層之間的距離等中的一個或多個。斜坡的表面角度優(yōu)選設(shè)計成施加最大徑向力，同時徑向載荷保持在襯管的徑向塌陷載荷范圍內(nèi)。由于管壁上的徑向和軸向載荷受限，因此圖15到17的實施例適用于較硬的地層， 例如強(qiáng)度或硬度例如為3000(20MPa)到4000psi (28Mp)或更大的地層。另外，管壁上的徑向載荷可能通過限制錨和楔合構(gòu)件之間的重疊部分和/或通過限制錨和地層之間的接觸面積來限制。錨和地層之間的垂直于管半徑的接觸面積最小化來減小襯管上的徑向載荷。 在一個實際的實施例中，斜坡118的表面角度在30到60度范圍內(nèi)，例如約45度。參照圖18，根據(jù)本發(fā)明又一個實施例構(gòu)造的錨定裝置210包括錨212和楔合構(gòu)件 216，其都安裝在可膨脹管20的外側(cè)上。錨212包括固定端214，其優(yōu)選通過焊接或防止固定端214和管20之間相對運動的其他方式固定到管20。錨212的自由的另一端朝向楔合構(gòu)件216延伸，但是不固定到管20的外側(cè)，以使除固定端214之外，錨212的全部相對于管 20自由運動。錨112可構(gòu)造成使其內(nèi)徑與管20的未膨脹的外徑相同，或大于管20的未膨脹的外徑。同樣，楔合構(gòu)件216包括固定端217，其優(yōu)選通過焊接或防止固定端217和管20之間相對運動的其他方式固定到管20。楔合構(gòu)件216的自由的另一端朝向錨212延伸，并且不固定到管20的外側(cè)，以使除固定端217之外，楔合構(gòu)件216的全部相對于管20自由運動。 楔合構(gòu)件216可構(gòu)造成使其內(nèi)徑與管20的未膨脹的外徑相同，或大于管20的未膨脹的外徑。斜坡構(gòu)件218布置在錨212的自由端和楔合構(gòu)件216的自由端之間。斜坡構(gòu)件218 包括錨斜坡面219a，其沿錨216的方向逐漸縮減；和楔合斜坡面219b，其沿楔合構(gòu)件216的方向逐漸縮減。斜坡構(gòu)件218優(yōu)選固定到管20的外側(cè)，以防止其間相對移動。錨212的自由端可設(shè)置有尖頭60，所述尖頭60具有面向管20的傾斜側(cè)部280。傾斜側(cè)部280與錨斜坡面219a配合。楔合構(gòu)件216的自由端可設(shè)置有增厚端282，其具有傾斜頂部表面284和傾斜底部表面286。傾斜頂部表面284與錨218配合，如圖18中所示。 傾斜底部表面與楔合斜坡面219b配合。錨212和楔合構(gòu)件216每一個可具有環(huán)形和/或分段結(jié)構(gòu)。在分段結(jié)構(gòu)中，錨212 和/或楔合構(gòu)件216可包括多個縱向帶、桿或板。如圖19中所示，錨212和楔合構(gòu)件216 每一個分別包括例如八條帶222、224。八條帶122、124圍繞管20的外圓周延伸。可任選地，錨212和/或楔合構(gòu)件216的帶包括分段部分，所述分段部分包括多個帶或指狀物225、 226，其具有小于帶122的寬度。錨和楔合構(gòu)件可包括適合于管20的尺寸的任意數(shù)量的帶 222和/或相應(yīng)的指狀物226。參照圖20A到20F，可看到當(dāng)膨脹裝置(其位置由箭頭30標(biāo)示)移動通過管20 時，管20縮短。首先，錨212的自由端接觸斜坡面219a(圖20A)。直到膨脹裝置到達(dá)斜坡構(gòu)件，縮短的結(jié)果為斜坡構(gòu)件218和錨212的固定端214之間的距離減小。錨的自由端將滑動到斜坡構(gòu)件的斜坡面219a上，并且朝向地層滑動，重疊在斜坡構(gòu)件上，從管20延伸遠(yuǎn)離。優(yōu)選地，錨212的長度選擇成使其自由端接觸或延伸到地層中(圖17B)。膨脹裝置隨后行進(jìn)超過斜坡構(gòu)件218，并且管20在膨脹器的位置處繼續(xù)膨脹和縮短。由于所述縮短，楔合構(gòu)件216的固定端217朝向斜坡構(gòu)件218移動，結(jié)果底部表面286 滑動到斜坡面219b上，其中頂部表面284推抵著錨212 (圖20D、20E)。如果錨212的自由端上的徑向力超過地層的局部阻力或強(qiáng)度，則自由端將進(jìn)一步地穿入地層中(圖20D)，其中所述徑向力由管狀元件20由于其膨脹造成的縮短產(chǎn)生。但是，如果在錨212自由端處的所述徑向力小于或等于地層的局部阻力或強(qiáng)度，則錨的尖頭60將不能穿入地層中。在該情況下，錨212將由地層保持在位，并且楔合構(gòu)件216的自由端將又將抵靠著錨212固定。由于斜坡構(gòu)件218的自由端不能沿管20的外側(cè)進(jìn)一步滑動，因此不可能發(fā)生進(jìn)一步縮短。一旦當(dāng)膨脹裝置已經(jīng)移動經(jīng)過楔合構(gòu)件216的固定端217時，就達(dá)到楔合構(gòu)件216的自由端和錨212的固定端214之間的最終距離，并且限定為L9(圖20D)。由于在膨脹過程的一部分過程中阻止管縮短，因此對于給定的L1, L9不如L2那樣小。當(dāng)楔合構(gòu)件216的自由端由錨保持在位時，施加到襯管20的壁的最大載荷約等于所謂的固定_固定載荷。所述固定_固定載荷為當(dāng)膨脹器在固定襯管的兩個位置之間移動時施加到襯管壁的局部載荷，其中襯管在所述兩個位置固定以使襯管不可能在所述兩個位置之間縮短。由于固定-固定載荷可提前確定，例如在實驗室測試過程中確定，因此襯管壁可設(shè)計成具有足夠強(qiáng)度來在膨脹過程中抵抗載荷，從而可防止可膨脹管的壁塌陷。因此，圖 18-20的裝置適用于軟和硬地層。但是由于楔合構(gòu)件216可將錨朝向地層推動，并且推入地層中，因此錨212可比錨12、112進(jìn)一步延伸遠(yuǎn)離管壁并且進(jìn)入地層中。錨212可延伸到地層中例如約兩到三倍遠(yuǎn)。在一個實際的實施例中，可膨脹管狀元件可膨脹以使其半徑增大高達(dá)約30%，例如約10%到15%。管的長度可縮短例如5%到10%。對于外徑為九又八分之五(9又5/8)英寸的管狀元件，錨和/或楔合構(gòu)件的厚度可在0. 3到1英寸(1到2. 5cm)范圍內(nèi)，例如約0. 5英寸(1. 2cm)。斜坡相對于管狀元件的軸線的角度可通常為30到60度數(shù)量級，例如約45度。重疊距離L4為例如0. 5到2英寸 (1到5cm)。錨的長度可在3到16英寸(7. 5到40cm)范圍內(nèi)。支架的長度Lb可在4到20 英寸(10到50cm)范圍內(nèi)。最小穿入深度L3可在0. 2到1英寸(5到25mm)范圍內(nèi)。長度 L5可在1到4英寸(2到IOcm)范圍內(nèi)。長度L6可在1到8英寸(2到20cm)范圍內(nèi)。圍繞管的圓周設(shè)置的單個錨定裝置可提供高達(dá)例如3到4MN例如約2麗的錨定力。管可設(shè)置有任意數(shù)量的連貫的錨定裝置，以增大最大錨定力。本發(fā)明的錨定裝置可放大或縮小，以與任何尺寸的在油氣鉆井時通常使用的可膨脹管狀元件匹配。使可膨脹管狀元件膨脹所需的力可沿本發(fā)明的錨定構(gòu)件的長度局部增大例如約5%到50%。在焊接部 14、17的位置處，膨脹力增大例如約10%到20%。在斜坡構(gòu)件位置處，當(dāng)尖頭60與地層接合時，膨脹力可增大約20%到40%。在固定-固定膨脹過程中，如針對圖17和20所述的， 膨脹力可增大約5%到20%的范圍，例如約10%。在圖18-20中所示的裝置的一個實際實施例中，錨斜坡面219a相對于管軸線的角度可在40到45度范圍內(nèi)，例如約45度。楔合斜坡面219b相對于管軸線的角度例如在25 到40度范圍內(nèi)，例如約30度。傾斜頂部表面284相對于管軸線的角度在30到45度范圍內(nèi)，例如約38度。該角度選擇用于在錨212和楔合構(gòu)件216之間形成足夠大的區(qū)域，以避免兩個部件屈服并且促進(jìn)這兩個部件的相對滑動。傾斜底部表面286相對于管軸線的角度約等于楔合斜坡面219b 的角度(例如約45度)，以確保兩個部件之間在膨脹過程中充分接觸。上面提供的全部示例性尺寸和形狀可縮放并且適于通常用于開發(fā)和生產(chǎn)油氣的任何可膨脹管狀元件的外徑。
本發(fā)明不限于其上述實施例，其中，可想到落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的許多修改形式。相應(yīng)實施例的特征可例如組合。
權(quán)利要求
1.一種用于將可膨脹管錨定到鉆井壁的系統(tǒng)，包括支撐構(gòu)件，所述支撐構(gòu)件具有相對于所述管的外側(cè)固定的第一支撐端；和錨構(gòu)件，所述錨構(gòu)件具有相對于所述管的外側(cè)固定的第一錨端和朝向所述支撐構(gòu)件延伸的第二錨端，所述第二錨端相對于所述管的外側(cè)可動，所述錨構(gòu)件包括位于所述第一錨端和所述第二錨端之間的至少一個鉸接部，其中，在所述鉸接部處彎曲所述錨構(gòu)件所需的彎曲力矩小于彎曲所述錨構(gòu)件的另一部分所需的彎曲力矩；所述支撐構(gòu)件包括斜坡面，所述斜坡面沿所述錨構(gòu)件的方向逐漸縮減；所述第一錨端和所述第一支撐端限定在所述第一錨端和所述第一支撐端之間的初始軸向裝置長度L1;其中，L1選擇成使所述可膨脹管的在所述第一支撐構(gòu)件端和所述第一錨構(gòu)件端之間的部分的膨脹引起軸向裝置長度縮短到L2,其中，L1和L2之間的差足以引起所述第二錨構(gòu)件端徑向向外移動并且由于與所述斜坡面接合而與鉆井壁接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，鉸接部的彎曲力矩Mh小于所述管的壁與地層之間的距離L5乘以作用在第二錨端上的作用力Fr，所述作用力由作用在管上的外力Fe產(chǎn)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述鉸接部包括逐漸縮減部分，在所述逐漸縮減部分中，錨構(gòu)件的厚度沿著支撐構(gòu)件的方向減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述鉸接部包括位于所述錨構(gòu)件的外側(cè)上的厚度減小部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述厚度減小部分具有的尺寸便于在已進(jìn)行預(yù)定量的彎曲之后停止作為鉸接部的操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述鉸接部具有的尺寸便于在鄰接厚度減小部分相對兩側(cè)的較厚部分彼此接觸時停止操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述鉸接部包括位于所述錨構(gòu)件的內(nèi)側(cè)上的厚度減小部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述錨構(gòu)件包括軸向間隔開的至少兩個鉸接部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，至少兩個相鄰鉸接部之間的距離L6選擇成用于一旦在所述管通過所述系統(tǒng)的膨脹完成時，提供錨構(gòu)件的預(yù)定量的徑向延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二錨端包括厚度增大部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述厚度增大部分包括沿鉆井壁的方向逐漸縮減的至少一個齒。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述齒為與一厚度減小部分鄰接的楔狀或葉片狀尖頭。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述斜坡面與所述第一支撐端沿軸向間隔開距離Lb，并且其中，所述支撐構(gòu)件包括支架，所述支架在所述第一支撐構(gòu)件端和所述第二支撐構(gòu)件端之間延伸，所述支架和所述第二支撐構(gòu)件端相對于所述管的外側(cè)可動；其中，所述管和支架設(shè)計成使得所述可膨脹管的在所述斜坡面和所述第一支撐構(gòu)件端之間的部分的膨脹引起軸向裝置長度進(jìn)一步縮短，除非所述鉆井壁阻止縮短，于是將通過所述支架阻止所述可膨脹管進(jìn)一步縮短。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，L1小于Lb的兩倍或約為Lb的兩倍。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，L1為Lb的約1.2到約1. 6倍。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述錨構(gòu)件和/或支撐構(gòu)件包括沿所述可膨脹管縱向延伸的至少兩個段。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩個段包括基本上圍住所述可膨脹管的圓周的多個帶或板。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述段中的至少一個包括分段部分，所述分段部分包括寬度小于相應(yīng)段的寬度的多個帶或指狀物。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括斜坡構(gòu)件，所述斜坡構(gòu)件具有位于一側(cè)上的錨斜坡面和位于相反另一側(cè)上的支撐斜坡面，所述斜坡構(gòu)件相對于所述管的外側(cè)固定；所述第二錨端朝向所述斜坡構(gòu)件的錨斜坡面延伸；所述第二支撐端朝向所述斜坡構(gòu)件的支撐斜坡面延伸；其中，所述第二支撐端面與所述第一支撐端沿軸向間隔開距離Lb,并且其中，所述支撐構(gòu)件包括支架，所述支架在所述第一支撐端和所述第二支撐端之間延伸，所述支架和所述第二支撐端相對于所述管的外側(cè)可動；其中，所述可膨脹管的在所述第一錨端和所述斜坡構(gòu)件之間的部分的膨脹引起軸向裝置長度充分縮短，以足以引起所述第二錨端徑向向外移動，并且由于與所述錨斜坡面接合而與鉆井壁接合，并且其中，所述可膨脹管的在所述斜坡構(gòu)件和所述第一支撐端之間的部分的膨脹引起軸向裝置長度進(jìn)一步縮短，以引起所述第二支撐端徑向向外移動，并且由于與所述支撐斜坡面接合而與第二錨端接合，除非所述鉆井壁阻止縮短，于是將通過所述支架阻止所述可膨脹管進(jìn)一步縮短。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述第二支撐端包括傾斜頂面，所述傾斜頂面沿著所述錨構(gòu)件的方向逐漸縮減以與所述錨構(gòu)件配合。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述第二支撐端包括傾斜底面，所述傾斜底面沿著所述支撐斜坡面的方向逐漸縮減以與所述斜坡構(gòu)件配合。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述第二錨端包括傾斜側(cè)部，所述傾斜側(cè)部沿著所述錨斜坡面的方向逐漸縮減以與所述錨斜坡面配合。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述傾斜頂面相對于管軸線的角度處于30到 45度的范圍內(nèi)。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述傾斜底面相對于管軸線的角度約等于楔合斜坡面的角度。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述支撐構(gòu)件包括位于所述第一支撐端和所述第二支撐端之間的至少一個鉸接部，其中，在所述至少一個鉸接部處彎曲所述支撐構(gòu)件所需的彎曲力矩小于彎曲所述支撐構(gòu)件的另一部分所需的彎曲力矩。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于將可膨脹管錨定到鉆井壁的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括支撐構(gòu)件，其具有相對于所述管的外側(cè)固定的第一端和包括斜坡面的第二端。錨構(gòu)件具有相對于所述管的外側(cè)固定的第一端和朝向所述支撐構(gòu)件延伸的第二端，所述第二錨端相對于所述管的外側(cè)可動。所述支撐構(gòu)件包括沿所述錨構(gòu)件方向逐漸縮減的斜坡面。所述可膨脹管的在所述第一支撐端和所述第一錨端之間的部分的膨脹引起軸向裝置長度縮短，其中，長度差足夠引起所述第二錨端徑向向外移動，并且由于與所述斜坡面接合而與鉆井壁接合。
文檔編號E21B23/01GK102482933SQ201080038174
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者A·L·M·維本, D·H·澤斯林 申請人:國際殼牌研究有限公司