專利名稱：具有可擴(kuò)展閥座的井下工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于石油和/或天然氣生產(chǎn)的井下工具。更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明是具有供安置在油氣井中的油管柱使用的可擴(kuò)展閥座的良好增產(chǎn)工具。
背景技術(shù)：
在油氣井中，致裂(或“壓裂(fracing)”)是由井操作者用以產(chǎn)生和/或擴(kuò)展從井身更深入到周圍地層中的裂縫因此増加地層流體流動(dòng)到井中的表面積的技術(shù)。壓裂通常通過將流體以高壓注入到地層中(水力致裂)或?qū)⒒旌蛨A粒材料(支撐劑致裂)的流體注 入到地層中來(lái)完成。壓裂多級(jí)生產(chǎn)井要求選擇性啟動(dòng)井下工具(例如壓裂閥)以控制從油管柱到地層的流體流動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，題為“固井裸眼選擇性壓裂系統(tǒng)(Cemented Open Hole SelectiveFracing System) ”且以引用的方式并入本文的第2008/0302538號(hào)美國(guó)公開申請(qǐng)案描述ー種用于選擇性啟動(dòng)并有轉(zhuǎn)位工具的壓裂套管的系統(tǒng)。所述工具運(yùn)行到油管柱中且與閥內(nèi)部里面的剖面嚙合?？山又鴮?nèi)套管移動(dòng)到打開位置以允許壓裂或移動(dòng)到關(guān)閉位置以防止流體流動(dòng)到地層或從底層流出。同一申請(qǐng)案描述ー種使用多個(gè)單流閥(ball-and-seat)工具的系統(tǒng),姆ー工具具有不同大小的球閥座和對(duì)應(yīng)的球。單流閥系統(tǒng)是比轉(zhuǎn)位工具更簡(jiǎn)單的啟動(dòng)機(jī)構(gòu)，且不需要使此些工具運(yùn)行幾千英尺到油管柱中。大多數(shù)單流閥系統(tǒng)允許套管與管柱內(nèi)的閥的閥座內(nèi)徑之間存在四分之一英寸差異。舉例來(lái)說(shuō)，在4. 5英寸襯管中，以四分之一英寸或八分之一英寸增量投下從I. 25英寸直徑到3. 5英寸直徑的多個(gè)球是常見的，其中最小的球閥座定位在油管柱的最后ー個(gè)閥中。然而，這限制了可在給定油管柱中使用的閥的數(shù)目，這是因?yàn)槊恳磺驅(qū)H能夠啟動(dòng)單個(gè)閥，襯管的大小僅提供具有不同大小的球閥座的設(shè)置數(shù)目的閥。換句話說(shuō)，因?yàn)榍虮仨毚笥趯?dòng)的閥的球閥座且小于所有出井(upwell)閥的球閥座，所以每ー球僅可啟動(dòng)ー個(gè)工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明允許井操作者増加地層的每一級(jí)中的到地層的流動(dòng)ロ的數(shù)目，且以無(wú)限數(shù)目和多個(gè)定向來(lái)補(bǔ)充流動(dòng)ロ的數(shù)目來(lái)増加示蹤地層的能力。本發(fā)明是ー種包括具有至少ー個(gè)流動(dòng)ロ的外殼的井下工具,所述至少一個(gè)流動(dòng)ロ提供工具內(nèi)部與外部之間的連通路徑。含有內(nèi)套管和可擴(kuò)展閥座的套管組合件可在外殼內(nèi)在第一位置與第二位置之間移動(dòng)。如果在第一位置，那么套管組合件徑向定位在流動(dòng)ロ與流動(dòng)路徑之間以實(shí)質(zhì)上防止流體在其間連通?？杉羟啸聿迦胛镒畛醵ㄎ辉诹鲃?dòng)口內(nèi)，其中每一口插入物具有延伸到外殼內(nèi)部中的可剪切部分且當(dāng)內(nèi)套管處于第一位置時(shí)嚙合套管組合件。
根據(jù)本發(fā)明的ー個(gè)方面，可擴(kuò)展閥座包括連接到多個(gè)弾性體部件的多個(gè)閥座扇段。在施加足夠的壓力后，球就嚙合可擴(kuò)展閥座而實(shí)質(zhì)上防止流體流經(jīng)可擴(kuò)展閥座。當(dāng)在所嚙合球上方和下方引起足夠的壓カ差時(shí)，所述壓カ差對(duì)套管組合件施力以剪切所述ロ插入物并移動(dòng)到第二位置。其后，至少所述壓カ的持續(xù)壓カ差引起弾性體部件的徑向擴(kuò)展和閥座扇段相對(duì)于未受應(yīng)カ狀態(tài)的可擴(kuò)展閥座的分離，從而允許球繼續(xù)前進(jìn)經(jīng)過可擴(kuò)展閥座。以此方式，單個(gè)球可用以啟動(dòng)同一油管柱內(nèi)的多個(gè)井下工具。


圖I是處于“關(guān)閉”狀態(tài)的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的部分剖視圖，其中實(shí)質(zhì)上防止經(jīng)過流動(dòng)ロ的流體連通。圖2是圖I中展示的ロ插入物的放大剖視圖。圖3是處于“打開”狀態(tài)的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的部分剖視圖，其中準(zhǔn)許經(jīng)過流動(dòng) ロ的流體連通。圖4是圖3中展示的ロ插入物的放大剖視圖。圖5是優(yōu)選實(shí)施例的可擴(kuò)展閥座的剖視圖。圖6是優(yōu)選實(shí)施例的可擴(kuò)展閥座的側(cè)視圖。圖7是沿圖6的剖面線7-7截取的可擴(kuò)展閥座的剖視圖。圖8是可擴(kuò)展閥座的替代實(shí)施例的剖視圖。
具體實(shí)施例方式當(dāng)參考諸圖使用時(shí)，除非另有說(shuō)明，否則術(shù)語(yǔ)“出井”、“上方”、“頂部”、“上部”、“入井”、“下方”、“底部”、“下部”和類似者是相對(duì)于經(jīng)由工具和井身的正常生產(chǎn)的方向來(lái)使用。因此，油氣的正常生產(chǎn)導(dǎo)致從入井方向到出井方向的經(jīng)由井身和生產(chǎn)管柱的運(yùn)移，而與油管柱是安置在垂直井身、水平井身還是兩者的某組合中無(wú)關(guān)。類似地，在壓裂過程期間，示蹤流體在入井方向上從地表移動(dòng)到地層內(nèi)的油管柱的部分。圖I描繪具有本發(fā)明的特征的井下工具20的優(yōu)選實(shí)施例的部分剖視圖。工具20包括外殼22，其在上部末端26附接到頂部連接件24且在下部末端30附接到底部連接件28。平頭螺絲36緊固外殼22分別與頂部連接件24和底部連接件28之間的連接。環(huán)形上部密封元件38和下部密封元件40沿圓周分別定位在頂部連接件24和底部連接件28周圍，且在外殼22內(nèi)部。外殼22的內(nèi)表面包含具有多個(gè)向下定向的環(huán)形脊?fàn)钗锏逆i定區(qū)段57。多個(gè)流動(dòng)ロ 32沿圓周定位在外殼22的具有第一內(nèi)徑的第一區(qū)段周圍且經(jīng)過第一區(qū)段。流動(dòng)ロ 32在工具20的內(nèi)部與外部之間提供許多流體連通路徑。套在外殼22內(nèi)的套管組合件50包括可擴(kuò)展閥座52和內(nèi)套管54，且可在如圖I中展示的第一位置與如圖3中展示的第二位置之間移動(dòng)?？蓴U(kuò)展閥座52具有鄰近頂部連接件24的環(huán)形上部肩部53和鄰近內(nèi)套管54的環(huán)形下部肩部56。兩個(gè)環(huán)形密封元件51沿圓周安置在對(duì)應(yīng)圓周溝槽中的可擴(kuò)展閥座52周圍。在第一位置，可擴(kuò)展球閥座52定位在外殼22的第一區(qū)段中，其中上部肩部53接觸頂部連接件24的下部環(huán)狀肩部55?？蓴U(kuò)展閥座52的外徑在正常狀態(tài)下僅稍微小于外殼22的第一區(qū)段的內(nèi)徑。
圖2更詳細(xì)展示可剪切ロ插入物42的剖視圖，其中為清晰起見而去除陰影。在第一位置，ロ插入物42定位在流動(dòng)ロ 32中以關(guān)閉到外殼22外部的連通路徑?？杉羟啸聿迦胛?2包括圓柱主體部分44，其具有與對(duì)應(yīng)流動(dòng)ロ 32近似相同的周長(zhǎng)；以及圓柱可剪切部分46，其延伸到外殼22的內(nèi)部且具有比主體部分44小的周長(zhǎng)?？杉羟胁糠?6與主體部分44的接面是通過剪切立管(riser)切ロ產(chǎn)生且可在預(yù)定量的剪切力下剪切的剪切接頭47，所述預(yù)定量的剪切力在優(yōu)選實(shí)施例中可通過更改應(yīng)カ立管切ロ的深度而在八百磅/平方英寸(Psi)與四千磅/平方英寸之間調(diào)整。溝道48延伸穿過主體部分44且部分穿過可剪切部分46，使得一旦被剪切，溝道48即提供穿過外殼22的內(nèi)部與外部之間的ロ插入物42的流體連通路徑。在第一位置，每一口插入物42的可剪切部分46延伸到可擴(kuò)展閥座52的外表面中的對(duì)應(yīng)圓周插入物溝槽49中。兩個(gè)環(huán)形密封元件51沿圓周安置在兩個(gè)圓周溝槽中的可擴(kuò)展閥座52周圍。替代實(shí)施例預(yù)期多個(gè)凹座，所述多個(gè)凹座形成在可擴(kuò)展閥座52的外表面中且關(guān)于所述可擴(kuò)展閥座52徑向間隔開，并與ロ插入物42對(duì)準(zhǔn)。ロ插入物42保留在流動(dòng)ロ 32中，其中扣環(huán)70安置在形成于流動(dòng)ロ 32的側(cè)壁65中的溝槽63中。扣環(huán)70在ロ插入物42的圓柱頂部部分67周圍收縮。環(huán)形密封元件72位于ロ插入物42的環(huán)形肩部部分74中間，以防止流體連通到ロ插入物42外部周圍的流動(dòng)ロ32中或從所述流動(dòng)ロ 32流出。示范性扣環(huán)70是斯莫利(Smalley)扣環(huán)XFHE-0125-S02。在優(yōu)選實(shí)施例中，ロ插入物42由易蝕(即，非抗蝕)材料(例如，6061-T651或7075-T651鋁合金)制造，使得壓裂流體以典型壓裂流動(dòng)速率經(jīng)過溝道48的流動(dòng)侵蝕插入物42以增大溝道48的直徑。當(dāng)經(jīng)剪切為系統(tǒng)吋，ロ插入物42將由于入井流動(dòng)而侵蝕到外殼22的內(nèi)部側(cè)壁或越過外殼22的內(nèi)部側(cè)壁，因此允許油管的全部開放流動(dòng)區(qū)域?qū)⒂糜诔鼍蛉刖鲃?dòng)。然而，在替代實(shí)施例中，當(dāng)不需要外殼22的全部流動(dòng)區(qū)域吋，ロ插入物可由抗蝕材料構(gòu)造。可擴(kuò)展棘輪環(huán)59沿圓周定位在可擴(kuò)展閥座52的外表面周圍，在扣環(huán)溝槽61中從圓柱插入物溝槽49入井，且具有多個(gè)向上定向的脊?fàn)钗?，所述多個(gè)脊?fàn)钗锟膳c鎖定區(qū)段57嚙合以防止出井移動(dòng)。將參看下文的圖3和圖5來(lái)更充分描述棘輪環(huán)59的操作。圖3和圖4更充分展示處于“打開”狀態(tài)的井下工具20，其中套管組合件50處于第二位置。ロ插入物42在剪切接頭47處經(jīng)剪切以提供從工 具20的內(nèi)部經(jīng)過溝道48到外部的連通路徑。內(nèi)套管54的下部末端56接觸底部連接件28的下部環(huán)形肩部58。棘輪環(huán)59與外殼22的鎖定區(qū)段57嚙合以防止套管組合件50歸因于補(bǔ)救完成操作期間的流動(dòng)壓力或摩擦負(fù)荷而導(dǎo)致的出井移動(dòng)。球60抵靠可擴(kuò)展閥座52安裝以防止進(jìn)ー步入井流體流動(dòng)。圖3并未展示處于徑向擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的可擴(kuò)展閥座52，且是在球60經(jīng)由可擴(kuò)展閥座52被施力之前的預(yù)兆階段，如下文將論述。圖5更充分展示處于徑向擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的可擴(kuò)展閥座52，其在第二位置中套在外殼22的第二區(qū)段內(nèi)?？蓴U(kuò)展閥座52包括與弾性體部件64互連的多個(gè)閥座扇段62，所述弾性體部件64呈具有向外展開的上部和下部末端的大體管狀形狀。弾性體部件64通過合適粘合劑粘合到閥座扇段62。盡管在優(yōu)選實(shí)施例中，可擴(kuò)展閥座52附接到內(nèi)套管54，但在替代實(shí)施例中，可擴(kuò)展閥座52可在其末端與內(nèi)套管54整體形成。弾性體部件64優(yōu)選由HNBR橡膠形成。
圖6是圖5中展示的可擴(kuò)展球閥座52和環(huán)形密封元件51的正視圖。圖7是沿圖6的剖面線7-7截取的剖視圖。可擴(kuò)展閥座52由與弾性體部件64互連的八個(gè)閥座扇段62形成。環(huán)形密封元件51沿圓周安置在形成于閥座扇段62中和周圍的溝槽中。溝槽中的每一者的一部分形成在每ー閥座扇段的外表面中。閥座扇段62中的七者經(jīng)相同定形，其中八個(gè)閥座扇段具有卡合剖面69，其與底部連接件的剖面嚙合以防止在工具的磨銑期間旋轉(zhuǎn)。弾性體部件64處于圖I和圖3中展示的未受應(yīng)カ配置中。當(dāng)在第一位置中且在剪切之前時(shí)，ロ插入物與圓周插入物溝槽49嚙合。棘輪環(huán)溝槽61收納可擴(kuò)展棘輪環(huán)以用于與外殼的鎖定區(qū)段嚙合。圖8是沿與可擴(kuò)展閥座152的替代實(shí)施例的縱軸100相交的平面的剖視圖，可擴(kuò)展閥座152的替代實(shí) 施例僅包括與弾性體部件164互連的六個(gè)閥座扇段162。溝槽151形成在閥座扇段162周圍以收納環(huán)形密封元件。插入物溝槽149沿圓周形成在密封元件溝槽151之間的外表面中以用于在處于第一位置時(shí)與ロ插入物嚙合。棘輪環(huán)溝槽161收納可擴(kuò)展棘輪環(huán)用于與外殼22的鎖定區(qū)段57嚙合。ー連串凸片166在可擴(kuò)展閥座152的下部末端周圍間隔開且從可擴(kuò)展閥座152縱向延伸以與底部連接件的替代實(shí)施例(未展示)的底部肩部嚙合，因此防止閥座152在磨銑期間旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的操作最初參看圖I和圖2來(lái)描述。當(dāng)處于第一位置時(shí)，相關(guān)聯(lián)球60(未展示)流下油管柱且抵靠構(gòu)成可擴(kuò)展閥座52的閥座扇段62和弾性體部件64而就座。以此方式，球60與可擴(kuò)展閥座52嚙合且抵靠可擴(kuò)展閥座52密封以實(shí)質(zhì)上防止流體流經(jīng)可擴(kuò)展閥座52和所連接內(nèi)套管54，從而引起施加至球60和套管組合件50的壓カ相對(duì)于套管組合件50下方的壓カ而増加。當(dāng)此壓カ差足以使套管組合件50對(duì)ロ插入物32施行大于剪切接ロ 47的剪切強(qiáng)度的剪切力吋，由可擴(kuò)展閥座52施行的力使ロ插入物42的可剪切部分46分離且釋放套管組合件50。所述壓カ差使套管組合件50 (其中球60嚙合到可擴(kuò)展閥座52)向下移動(dòng)到圖3中展示的第二位置。如圖3和4中展示，插入物套管54 —旦與下部環(huán)形肩部58接觸就被阻止進(jìn)ー步入井移動(dòng)。在移動(dòng)到第二位置后，球60被阻止進(jìn)ー步入井移動(dòng)且最初保持與可擴(kuò)展閥座52嚙合，所述可擴(kuò)展閥座52處于未受應(yīng)カ狀態(tài)。棘輪環(huán)59與鎖定區(qū)段57嚙合以防止套管組合件50的出井移動(dòng)。作為剪切的結(jié)果，ロ插入物42的溝道48提供到外殼22外部的流體連通路徑。在這個(gè)“打開”狀態(tài)下，壓裂可經(jīng)由溝道48開始。壓裂材料以正常壓裂速度的流動(dòng)引起ロ插入物42的侵蝕且增大了溝道48的直徑。如圖5中展示，當(dāng)套管組合件50處于第二位置時(shí)，球60可通過增加油管柱內(nèi)的壓力差而經(jīng)由可擴(kuò)展閥座52被施力，從而克服發(fā)展扇段62上的弾性體部件64所施行的徑向向內(nèi)收縮力。當(dāng)球60被施力到可擴(kuò)展閥座52中時(shí)，弾性體部件64擴(kuò)展從而導(dǎo)致閥座扇段62之間的增大分離，且允許球60通過。而在第一位置，可擴(kuò)展閥座的外徑僅稍大于外殼的第一內(nèi)徑，在打開狀態(tài)下，外殼22的第二內(nèi)徑足夠大而準(zhǔn)許弾性體部件64的向外擴(kuò)展，使得閥座扇段62可分離以允許球60通過。在退出可擴(kuò)展閥座52的下部末端后，外殼22內(nèi)的壓カ降低且可擴(kuò)展閥座52返回到其未受應(yīng)カ狀態(tài)。球60繼續(xù)入井行進(jìn)到油管柱的下一井下工具(如果存在)。多級(jí)井的每ー級(jí)的最遠(yuǎn)入井工具通常是標(biāo)準(zhǔn)(即，不可擴(kuò)展)座閥，球60將就座于其上以允許油管柱壓カ升高以使所隔離的級(jí)破裂。上文關(guān)于特定描述的井下工具的優(yōu)選說(shuō)明性實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明。所屬領(lǐng)域的技 術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到此設(shè)備的替代構(gòu)造可用于進(jìn)行本發(fā)明?？赏ㄟ^學(xué)習(xí)本發(fā)明和附圖連同隨附權(quán)利要求書來(lái)獲得本發(fā)明的其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用于在油氣生產(chǎn)井中使用的井下工具，所述井下工具包括 外殼，其界定流動(dòng)路徑且具有外部和至少一個(gè)流動(dòng)口，所述至少一個(gè)流動(dòng)口提供所述流動(dòng)路徑與所述外部之間的連通路徑； 套管組合件，其具有可擴(kuò)展閥座和內(nèi)套管，所述套管組合件可在所述外殼內(nèi)在第一位置與第二位置之間移動(dòng)，其中在所述第一位置中，所述套管組合件徑向定位在所述至少一個(gè)流動(dòng)口與所述流動(dòng)路徑之間以實(shí)質(zhì)上防止流體連通經(jīng)過其。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下工具，其中所述可擴(kuò)展閥座包括與至少一個(gè)彈性體部件互連的多個(gè)閥座扇段。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下工具，其中 所述至少一個(gè)流動(dòng)口定位在所述外殼的第一區(qū)段內(nèi)，所述第一區(qū)段具有第一內(nèi)徑； 所述外殼進(jìn)一步包括第二區(qū)段，其從所述第一區(qū)段入井且具有大于所述第一內(nèi)徑的第二內(nèi)徑； 所述第一內(nèi)徑經(jīng)設(shè)計(jì)大小以在所述可擴(kuò)展套管定位在所述第一區(qū)段中時(shí)防止所述可擴(kuò)展套管擴(kuò)展；以及 所述第二內(nèi)徑經(jīng)設(shè)計(jì)大小以在所述可擴(kuò)展套管定位在所述第二區(qū)段中時(shí)允許所述可擴(kuò)展套管擴(kuò)展。
4.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井下工具，其中所述至少一個(gè)可剪切口插入物包括 主體部分； 可剪切部分； 剪切接頭，其可通過預(yù)定量的剪切力剪切從而將所述主體部分連接到所述可剪切部分；以及 溝道，其經(jīng)安置穿過所述主體部分且部分在所述可剪切部分內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下工具，其進(jìn)一步包括 棘輪環(huán)，其沿圓周安置在所述套管組合件周圍且具有多個(gè)脊?fàn)钗铮? 至少一個(gè)環(huán)形脊?fàn)钗?，其在所述外殼的?nèi)表面上且可與所述棘輪環(huán)的所述脊?fàn)钗飮Э?ο
6.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井下工具，進(jìn)一步包括至少一個(gè)扣環(huán)，其嚙合所述至少一個(gè)可剪切口插入物的一部分，所述至少一個(gè)扣環(huán)安置在形成于所述至少一個(gè)流動(dòng)口的側(cè)壁中的溝槽中。
7.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井下工具，進(jìn)一步包括至少一個(gè)溝槽，其形成在所述可擴(kuò)展閥座的外表面中；且其中在所述第一位置中，所述至少一個(gè)口插入物的所述可剪切部分定位在所述至少一個(gè)溝槽中。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下工具，其中所述可擴(kuò)展閥座和所述內(nèi)套管是一體的。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下工具，進(jìn)一步包括至少一個(gè)可剪切口插入物，其定位在所述至少一個(gè)流動(dòng)口內(nèi)，所述至少一個(gè)可剪切口插入物具有延伸到所述外殼的內(nèi)部中的可剪切部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井下工具，其中當(dāng)所述內(nèi)套管處于所述第一位置時(shí)，所述至少一個(gè)可剪切口插入物與所述套管組合件嚙合。
全文摘要
一種井下工具包括具有至少一個(gè)流動(dòng)口的外殼，所述至少一個(gè)流動(dòng)口經(jīng)安置以提供套管內(nèi)部與外部之間的連通路徑。套管組合件具有可擴(kuò)展閥座和內(nèi)套管，且可在所述外殼中第一位置與第二位置之間移動(dòng)，其中在第一位置中，所述套管組合件徑向定位在所述流動(dòng)口與流動(dòng)路徑之間以實(shí)質(zhì)上防止流體連通?？杉羟锌诓迦胛锒ㄎ辉谒隽鲃?dòng)口內(nèi)，其中每一口插入物具有延伸到所述外殼內(nèi)部中的可剪切部分且當(dāng)內(nèi)套管處于所述第一位置時(shí)嚙合所述套管組合件。
文檔編號(hào)E21B34/08GK102859112SQ201180008767
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者雷蒙德·霍夫曼, 史蒂夫·杰克遜 申請(qǐng)人:三彌特井下動(dòng)力有限責(zé)任公司