專利名稱：具有多運動沖洗管閥的壓裂和礫石充填工具的制作方法
技術領域：
本發明領域涉及礫石充填和壓裂工具，其用于處理地層和用于將礫石沉積在篩網 (screen)外部，以便提高流過篩網的生產流量。
背景技術：
在鉆孔未設有套筒或鉆孔設有套筒的完井中都可能涉及利用隔離封隔器來隔離一個或更多個生產區域以及安裝通過所述隔離封隔器懸掛的篩網組件。內部鉆桿柱通常有轉換工具，該轉換工具相對于封隔器移動，以便使得壓裂流體在沒有返回地面的通路的情況下沿生產管柱向下泵送以進入地層，這樣，處理流體可進入地層，并壓裂地層或者以其它方式對地層進行處理。返回通路的此種關閉能夠在轉換工具處進行，或在地面處進行，同時使得轉換工具留在循環位置，只是在地面處關閉環空。轉換工具還能夠設置成允許礫石砂漿沿生產管向下泵送，以便在坐封封隔器的下面橫向排出，并充填篩網外部的環形空間。載流流體能夠穿過篩網而進入與轉換工具流體連通的沖洗管內，這樣，返回流體能夠跨越封隔器進入在坐封封隔器上面的環空中。通常，這些組件具有在沖洗管中的瓣閥、球閥、在座上的球或者其它閥裝置，以便在某些操作過程(例如在完成礫石充填操作之后過多礫石從生產管柱中反循環)中防止流體損失至地層中。已知礫石充填系統的某些示意代表在USP7128151中示意顯示，并在 USP6702020中更詳細顯示。礫石充填系統的其它特征在USP6230801中可見。其它專利和申請集中在轉換殼體的設計上，在所述轉換殼體上存在由于漿體在出來時穿過出口或者相對于殼體壁運動而引起的腐蝕問題，例如見申請日為2006年10月25日的美國專利申請11/586235和申請日為2008年10月13日的美國專利申請12/250065。在美國專利申請公開2006/0225878中公開了定位器工具，該定位器工具利用流體位移作為時間延遲，以便在釋放之前降低施加在井底組件上的作用力，從而使釋放時的彈弓效應最小化。 USP6079496還涉及用于將球推離球座的時間延遲，以便減小地層振動。在美國專利申請公開2002/0195253中顯示了能夠將高于靜液壓的正壓力施加在地層上的轉換工具。其它礫石充填組件在USP5865251、6053246和5609204中可見。這些已知系統具有本申請尋求的技術特征。一個問題是當提升內部鉆桿柱時的井抽汲。抽汲是當升高工具組件時降低地層壓力的狀態，其中，當提升鉆桿柱時，其它流體不能進入打開的空間中。因此，地層經受壓力降。在內部鉆桿柱沖洗管中使用瓣閥的設計中， 這種情況根據設計而一直發生或有時發生。如果瓣閥并不利用套筒保持打開，當內部鉆桿柱仍然密封在封隔器孔中時，所述內部鉆桿柱的任何沿井孔向上運動都將引起井抽汲。在具有用于通過剪切銷來將瓣閥保持就位的保持套筒的設計中，很多系統將該剪切銷設置在足夠低的值，以便保證套筒在需要其運動時進行運動，這使得剪切銷經常意外地剪切斷而釋放瓣閥。因此，在提升內部鉆桿柱時將產生井抽汲。一些提升距離為幾英尺，因此抽汲的程度很明顯。本發明能夠使用封隔器作為參考框架而在擠壓、循環和反循環模式之間轉換，其中，在這些位置之間的運動并不利用下部井底壓力控制裝置或沖洗管閥來操作。實際上，沖洗管閥保持打開，且它采取一定形式的專門步驟來使它關閉。實際上，針對止動器的提升力必須在有限時間內施加，以便使得流體從可變容積空腔通過孔口。只有在保持預定作用力預定時間后，沖洗管閥組件才通過允許夾頭離開孔而打開。沿相反方向通過孔和然后提升， 以便使得夾頭抵靠孔(它們剛剛沿相反方向經過)，這使得閥關閉。通常，閥在礫石充填之前直接打開，并在礫石充填之后當將組件拉出時關閉，以便防止流體損失至地層中，同時使得礫石反循環。延伸口能夠利用套筒關閉，該套筒最初被鎖定，但是通過在沖洗管上的移動工具而解鎖(當移動工具被拉起時)。然后，套筒在外部延伸部分中的開口上被移動，并被鎖定就位。這保證充填的礫石不會通過所述開口返回，還使得隨后的生產限制為只能通過篩網進入生產鉆桿柱。對于下入(rim in)位置，相同套筒用于防止流出轉換口，以使得下降的球能夠增壓，從而初步坐封封隔器。指示封隔器關閉的上部閥組件能夠在正常操作之后在擠壓和循環之間重新設置， 同時保持沖洗管閥打開。上部閥組件還能夠在它關閉時隔離地層防止流體損失，并轉換工具當被支承在往復運動坐放裝置上時其處于反循環位置。可選的球座能夠布置在上部閥組件中，這樣，酸能夠通過沖洗管并環繞落下的初始球(用于坐封封隔器)來輸送，這樣，當沖洗管被提升至井外時，酸能夠被泵送至篩網部分附近的地層中，因為沖洗管的底端經過所述篩網部分。本領域技術人員通過下面對優選實施例的詳細說明和相關附圖將更清楚本發明的這些和其它優點，且應當知道，附加權利要求確定了本發明的字面等效范圍。
發明內容
本申請公開了一種壓裂和礫石充填工具，其具有當工具相對于坐封隔離封隔器提升時防止井抽汲的特征。上部或多作用循環閥能夠在擠壓位置和循環位置之間轉換，而沒有關閉沖洗管閥的危險。計量裝置能夠在沖洗管閥能夠被致動之前進行地面指示。沖洗管閥只能夠在保持預定力有限時間以便能夠進行打開沖洗管閥的運動之后通過相反方向的多個運動來關閉。多作用循環閥能夠在關閉時防止流體向地層損失，且轉換工具位于反循環位置。可鎖定套筒首先阻塞礫石出口，以便通過落下的球來坐封封隔器。礫石出口被拉出套筒，用于隨后的礫石充填。該套筒在礫石充填后利用在沖洗管上的轉換工具來解鎖，以便關閉礫石砂漿出口并將套筒鎖定在該位置，用于通過篩網來生產。多作用循環閥能夠選擇地設置第二球座，該第二球座能夠移動套筒，以便使得酸能夠泵送通過沖洗管底端并環繞初始球，該初始球下落以便坐封封隔器。這一系列運動也阻塞返回通路，這樣，酸必須到達沖洗管底部。
圖1是顯示處于下入位置的主要部件的系統示意圖；圖2是圖1的、處于封隔器坐封位置的視圖；圖3是圖2的、處于擠壓位置的視圖；圖4是圖3的、處于循環位置的視圖5是圖4的、處于計量位置的視圖，該計量位置也是反循環位置；圖6顯示了怎樣打開沖洗管閥，這樣，內部鉆桿柱的隨后預定運動能夠關閉沖洗
管閥；圖7類似于圖5，但是沖洗管閥已關閉，且內部組件處于用于拉出生產鉆桿柱的孔的位置，且處于沖洗管閥下面的篩網未示出；圖顯示了也在圖1中所示的組件的下入位置；圖9a_b顯示了在多作用循環閥中的可選附加球座在球下降之前和之后的情況， 以便在孔外進行礫石充填之后能夠移動球座以便能夠酸化；圖IOa-C是位于內部鉆桿柱的底端附近的下部井底壓力球閥組件的等距視圖；圖lla-j顯示了所述工具處于圖3所示的擠壓位置；圖lh-j顯示在循環位置的工具，在該循環位置，例如礫石能夠沉積；圖13a_j顯示計量位置，該計量位置能夠打開下部井底壓力球閥，然后關閉；以及圖Ha-j顯示處于反循環位置的裝置，其中下部井底壓力球閥打開。
具體實施例方式參考圖1，井孔10具有位于其中的工作鉆桿柱12，所述井孔可以是設置有套管的孔或無套管的孔。該工作鉆桿柱用于輸送外部組件14和內部組件16。隔離封隔器18處于所述外部組件的頂部，該隔離封隔器在圖1的下入位置中未坐封。在循環位置中，如圖4 所示，多個固定口 20使得礫石能夠離開而進入環空22中。管形鉆桿柱M延伸至一系列篩網，這些篩網處于圖1-7的底端處且在圖中未示出，但是為本領域公知類型。還可以在篩網下面設置另一封隔器，以便隔離要進行生產的區域的下端，或者所述區域可以到達井底。內部鉆桿柱16有多通道循環閥或多作用循環閥或帶有開口的閥組件沈，該閥組件位于封隔器18下面以便下入。密封件觀在多作用循環閥沈下面，以便對于圖3中所示的擠壓位置和循環位置密封至封隔器孔中。在下入過程中，密封件觀也處于封隔器孔下面，以便在坐封該封隔器之前和之后保持地層上的靜液壓。礫石離開口 30抵靠套筒32和密封件34、36而保持關閉，以用于下入。計量制動爪38最初顯示為處于孔40中，同時往復運動坐放(set down)裝置42和下部井底壓力球閥組件44支承在孔40下面。也可選擇，制動爪38、往復運動坐放裝置42和下部井底壓力球閥組件44的整個組件能夠在孔40外，以便下入。閥組件44被鎖定以便下入。球座46 接收球48，如圖2中所示，用于坐封封隔器18。當封隔器18定位在合適位置，并準備坐封時，球48被泵送至球座46，且所述礫石離開口 30處于關閉位置，如前所述。施加的壓力使得在已知封隔器坐封工具上的部件平移，且封隔器18這時在圖2的位置中坐封。箭頭48表示壓力施加給已知的封隔器坐封工具(未示出)，以便使得封隔器18坐封。在圖3中，鉆桿柱12升高，且夾頭50落在封隔器18上。通過將負載向下施加在鉆桿柱12上，在多作用循環閥沈上的密封件52和M使得上部環空56與所述環空22隔離開。由箭頭58表示的、沿鉆桿柱12向下的流體流入所述礫石離開口 30，然后進入固定口 20，到達環空22，以使得由箭頭58顯示的礫石砂漿能夠充填篩網(未示出)周圍的環空 22。多作用循環閥沈有j形狹槽機構(后面將介紹)，該j形狹槽機構使得鉆桿柱12能夠提升和下放，以便使得密封件52經過孔口，從而打開返回流動通路(在圖4中顯示)。應注意到，每次提升鉆桿柱12都能夠使該鉆桿柱進入所述環空22，并通過使該環空與所述上部環空56流體連接而避免對地層進行抽汲。另一方面，在夾頭抵靠在封隔器18上時，下放鉆桿柱12將借助于返回圖3所示位置的密封件52而關閉通向上部環空56的返回通路。這通過后面將介紹的j形狹槽機構來實現。在圖4的循環模式中，通過篩網(未示出)的返回流體流由箭頭60表示。圖3和圖4所示的位置能夠利用前述j形狹槽組件通過提升作用力和下放作用力而按順序獲得。在圖5中，鉆桿柱12已升高，直到計量制動爪38抵靠在凸肩62上。持續預定時間的預定拉力將使得流體通過孔，并最終使得制動爪38壓縮至孔口 64中或經過該孔口 64， 如圖6中所示。另外，提升至圖5的位置使得往復運動坐放裝置42離開孔40，這樣，它能夠坐落在凸肩66上用于選擇地支承。將所述往復運動坐放裝置42提升離開凸肩66和然后再次下放將使得該往復運動坐放裝置重新進入孔40中。一旦閥組件44被拉動經過孔40 (如圖6中所示)以及返回所述孔40時，該閥組件打開。重新進入孔40則關閉所述閥組件44。閥組件能夠重新進入孔40，以便到達圖7所示的用于離開所述孔位置。應注意到，反循環能夠在圖5或圖7所示的位置中進行。為了在圖5位置中進行反循環，需要關閉閥44，以便防止流體沿沖洗管損失。已經關閉的閥44 能夠通過使它運動經過孔40和然后落在凸肩66上而重新打開。圖8a_8j顯示了在下入位置的工具。主要部件將以從頂部至底部的順序來介紹， 以便更好地解釋它們怎樣工作。下面將介紹附加細節和可選特征，隨后介紹順序操作，該順序建立在圖1-7的說明上。工作鉆桿柱12在圖8a中顯示，其處于已知結構的封隔器坐封工具70的頂部。該坐封工具通過保持上部接頭72、向下推動封隔器坐封套筒74和該坐封工具自身的套筒76而產生相對運動。上部接頭72通過坐封工具70利用套筒78來保持， 該套筒具有在它的底端處的柔性夾頭，由套筒80支承用于坐封。在用于使封隔器18坐封的足夠高壓力施加在通道82中并進入開口 84中之后，套筒80被向上推動，以便破壞在套筒78底端處的指狀件，以使得所述上部接頭72由坐封工具70釋放。在通道82中的初始積累的壓力通過圖8a中的開口 86來傳送以使得坐封工具70的坐封套筒76對著封隔器坐封套筒74向下運動，以便通過推出密封件和滑動組件88而坐封封隔器18。應注意到，在優選實施例中，封隔器坐封工具通過開口 86而在4000磅/平方英尺(PSI)下坐封封隔器。 然后釋放該壓力，且拉力通過工作鉆桿柱提供給封隔器，以便保證滑動件合適坐封。這時， 再次施加壓力。套筒80將在施加5000磅/平方英尺(PSI)時運動。在封隔器18的外部繼續向下至圖8e所示位置，其中具有礫石砂漿出口 20 (也在圖1中顯示)，該礫石砂漿出口是成軸向排的一系列孔，這些孔能夠具有相同尺寸，或者沿朝井底方向逐漸變大，且它們能夠傾斜切割成沿朝井底方向來定向。這些出口 20產生進入下部環空22的沖洗射流(圖1中所示)。本領域技術人員應理解，這些成軸向排的孔可以為不同結構的狹槽或窗口，以便將漿體引入所述下部環空22中。繼續參考圖8d，在鉆桿柱 24的下面延續至未示出的篩網。下面將參考圖8b_d介紹多作用循環閥26。多作用循環閥沈的頂部在附圖標記 90指示的位置處，坐落在封隔器上部接頭72上，用于下入。彈簧加載夾頭50 (顯示為伸入圖3的擠壓位置)通過彈簧92而保持抵靠上部心軸94。上部心軸94從上端90向下延伸至兩位置j形狹槽組件96。j形狹槽組件96使得連接的套筒98、100的組件與心軸94操作連接。在圖8d中，套筒100終止于下端102處。帶有開口的套筒104由心軸94支承，該帶有開口的套筒帶有開口 106，當密封件52被提升而高于所述開口 106時，在圖4中由箭頭 60顯示的流體流在循環模式中經過該開口。外部密封件觀在所述開口 106下面，在下入位置中，該外部密封件在封隔器上部接頭72的下端110之下，如圖8c中所示。還應注意到， 套筒100在套筒112內運動，該套筒具有開口 30，該開口由套筒114覆蓋(用于下入)，并由制動爪116鎖止(如圖8e所示)。所述開口 30需要進行遮蓋，這樣，在球下落至座118 上之后，通道82能夠升壓，以便使封隔器18坐封。瓣閥120通過在附圖標記124處用銷連接的套筒122而保持打開。當球(首先在圖9中相應顯示)落在座118上，且壓力在通道82中積聚時，瓣閥能夠彈性關閉抵靠座 126，這樣則可使可能將球(該圖中未示出)吹離座118的井底壓力波動停止。再參考圖8a_b，當在通道82上形成壓力時，該壓力將通過開口 1 并使得套筒 130升高。套筒130的下端在下入過程中用作封隔器本體或上部接頭72的旋轉鎖止件，這樣，當篩網在下入過程中卡塞時，所述篩網能夠旋轉，以便釋放它們。在封隔器18合適布置之后，零件130不再需要旋轉鎖定，且它在球落下后由通道82內的壓力向上推壓以便釋放。 然后，活塞134被向下推動以便坐封該封隔器18，然后，活塞136能夠運動，以便防止封隔器密封件和滑動組件88在坐封過程中受到過大應力。這樣產生了“軟釋放”，以使得夾頭能夠從封隔器頂部接頭解鎖。這時，坐封工具70從封隔器上部接頭72釋放，鉆桿柱12能夠進行操縱。往回參考圖汕-c，通過封隔器18進行坐封，在凸肩95和97接合后通過向上拉動套筒98、100以便升高心軸94，多作用循環閥沈的頂部90能夠升高，這使得下部內部鉆桿柱能夠升高。最終，夾頭50將在頂端90處于圖8b所示的位置時彈出。通過心軸94和掛在該心軸上的任何部件(包括套筒104，由封隔器上部接頭72支承)，連接的套筒98和100 的組件能夠上下操縱，且在施加提升和放低作用力有限長度時間后能夠結合j形狹槽96而停止在兩個可能位置。在j形狹槽的兩個位置中的一個處，密封件52將處于開口 106下面， 如圖8c中所示。在j形狹槽96的另一位置，密封件52將向上運動至開口 106上面。實質上，在循環模式(當密封件52高于開口 106時將進行該循環模式)中，密封件52處于由圖 4中的箭頭60顯示的返回流動通路中，并處于擠壓位置(其中，通向上部環空56的返回通路關閉，如圖3中所示)，并處于圖8c的下入位置。應注意到，每次提升套筒98和100的組件時，密封件52都將升高至口 106之上， 且地層將向上部環空56開放。這種情況是很重要的，因為這樣在提升內部鉆桿柱16時能夠防止抽汲地層。如果所述內部鉆桿柱16周圍存在密封件，當該鉆桿柱16由于任何功能而升高時，內部鉆桿柱16的升高將降低地層中的壓力，或者引起抽汲，該抽汲將損壞地層。 如前所述，在向上運動以便操作j形狹槽96或者使得所述內部鉆桿柱升高至圖5或7所示的反循環位置之前將并不致動閥44，也并不抽汲地層。現在已經描述了多作用循環閥的部件，不過，在圖8c中的開口 106上面所示的返回通路137不同的情況下，可以具有可選結構。該可選實施例的目的是當內部鉆桿柱16取出時允許流體沿通道82向下泵送，并使阻塞通路的阻力最小，這樣，當內部鉆桿柱16的下端離開井孔沿地層向上移動時，沿通道82 向下泵送的流體將經過打開的閥44向下到達內部鉆桿柱16的下端，目的是在篩網中通過酸來處理。在額外的方面中，應注意到，在圖8e中在瓣閥120周圍的返回通路138開始于開口 30下面，并繞過它們，如虛線通路所示，然后在下入位置繼續，直到在密封件52處(恰好在開106下面，圖8c中)終止。下面參考圖9a，部件112'進行重新設計，添加部件140以跨在部件100 (該部件100處于部件140頂側內部)和部件112'(該部件112'環繞所述部件140底側)之間。應注意到，圖9a-b顯示了在球座118上面的井，該球座用于坐封封隔器18，并在圖8e中顯示。對于多作用循環閥沈來說，即使利用這種可選設計，應注意到， 直到進行礫石充填和反循環步驟之后且內部鉆桿柱16準備拉出時球142才下落。應當知道，仍然存在返回通路138'，但是這時該返回通路在開口 144和146處經過部件112'，并經過部件140外部的槽道138'。開口 150通過密封件152和巧4而保持關閉。開口 156 偏離開口 150，并通過密封件巧4和158而使二者隔離開。球142落在由制動爪162保持在部件140上的座160上。當球142落在座160上并且壓力積聚而損壞制動爪162時，部件 140能夠向下移動，以便在密封件152和IM之間對齊所述開口 150和156，同時通過密封件164而使得開口 144與開口 146隔離。這時，沿通路82向下泵送的酸不能沿井孔向上進入返回通路138'，因為密封件164對其進行阻擋。酸很好地沿井孔向下進入通道138'， 因為到那時，在礫石充填之后，沿井孔向下流入通路138'中的流將在內部鉆桿柱16拉出所述孔時只到達所述內部鉆桿柱的底部，這樣的預定目的是在內部鉆桿柱拉出孔時進行酸化處理。下面參考圖8e_g，內部鉆桿柱16續接計量裝置頂部心軸166，該計量裝置頂部心軸延伸至計量裝置下部心軸168(參見圖Sg)。計量組件38在圖1-7中顯示。該計量組件包括一系列制動爪170，這些制動爪有靠近其相對端的內部槽172和174。計量接頭166具有凸起176和178，為了進行下入，所述凸起最初與所述內部槽172和174相偏離，但是處于相同間距。凸起176和178限定了一系列槽180、182和184。為了進行下入，制動爪170 徑向縮入槽180和182內。當內部鉆桿柱16被提升時，制動爪170無干涉地連續向上運動，直到撞上凸肩186(參見附圖8d)。不過，在到達該點之前，制動爪170進入比圖8f所示的下入位置更大的孔內，也就是在運行止動凸肩186與制動爪170嚙合之前當彈簧188 相對于計量接頭166向下推動制動爪170以便將制動爪170保持在徑向伸出位置直到在凸起176和178上時。為了在制動爪170擠出后使得計量接頭保持向上運動，必須將底部心軸168與它一起帶動，這需要減小腔室190的容積，該腔室充滿油，并驅動油經過孔192和通道194至腔室196。活塞198受到彈簧200偏壓，并使得活塞198能夠移動，以便補償熱效應。這樣將花費一定時間，且這用作地面信號，即當作用力保持在內部鉆桿柱16上時， 閥44將打開，如圖6中所示。當孔口 192堵塞時，則能夠施加比通常使得油從腔室190排出所采用的力更高的力，且彈簧加載安全閥202將打開至通道204而作為通向腔室196的可選通路。當排出足夠的油時，內部鉆桿柱16充分運動，以便使得制動爪170的相對端伸入槽182和184中，以便破壞對制動爪170的支承，同時使內部鉆桿柱16向上前進。沖洗管閥44這時通過從孔40中出來而膨脹。使沖洗管閥降低向下穿過孔40至凸肩210下面將打開該沖洗管閥，而升高該沖洗管閥44返回孔40中將關閉所述沖洗管閥。在制動爪170被破壞之后向上拉動計量接頭166將使得夾頭257 (圖IOc中所示) 完全穿過狹窄孔40而被帶至閥組件44上，該狹窄孔在附圖標記210指示的位置處開始，終止于附圖標記212指示的位置處(參見圖8g)。夾頭206將需要穿過孔40從附圖標記212 所指示位置返回附圖標記210所指示位置，然后，內部鉆桿柱16將需要被提升，以便使得夾頭257返回至孔40中，用于關閉所述沖洗管閥44。該沖洗管閥將在夾頭257被拉回至孔 40中時關閉。往復運動坐放裝置42具有成組的柔性指狀件214，所述成組的柔性指狀件有升高部分216，該升高部分有較低的坐落凸肩218。還存在兩位置j形狹槽220。在一個位置中， 當凸肩218受到支承時，j形狹槽220允許較低的往復運動坐放裝置心軸222(它是內部鉆桿柱16的一部分)前進，直到凸肩2M與凸肩2 接合，這時，該凸肩2 受到支承，因為凸肩218已找到支承。在凸肩2M和2 接合的同時，凸起2 與凸肩218對齊，以使得往復運動坐放裝置42能夠離開凸肩218保持就位。這如圖5和7的計量位置和反循環位置中所示。不過，提升所述內部鉆桿柱16使得凸起2 高于凸肩218，并驅動所述兩位置j形狹槽220，這樣，當負載被再次放下時，凸起2 將并不向下到達凸肩218以便支承它，這樣， 夾頭組件214、216將在負載放下至其上時簡單地向內壓縮，且凸肩218與例如圖8g中的附圖標記212所指示的互補表面嚙合。下面將參考圖8i_j和圖lOa-b介紹閥組件44的操作。圖10a_b顯示了閥44首先怎樣旋轉以便從下入的打開位置經過圖1-7中所示的多個其它步驟而關閉。彈簧230將球232推壓至圖8j的開口位置。為了關閉球232，彈簧230必須使用j形狹槽機構234來壓縮。j形狹槽機構234包括具有外部軌道238的套筒236。它具有底部的三角形端部，該三角形端部到達扁平部分對2。操作器套筒244具有三角形上端M6，該上端246終止于扁平部分M8。套筒244通過連接部246、248與球232連接，偏離球232的旋轉軸線，且其中一個連接銷250在球232上面與圖8j中所示的球232連接。j形狹槽機構234通過使得凸肩252(見圖IOc)和凸肩2M與減小孔(例如附圖標記40所指示)嚙合(當向上拉入減小孔例如附圖標記40所指示中或者當與下放的負載一起下降時)而進行驅動。套筒256確定了間間開的夾頭指狀件，凸肩252和256在夾頭指狀件的外部。圖IOc顯示了在套筒256中的多個開口 258中的一個，夾頭部件206安裝在該套筒中(也見圖8i)。在夾頭206上的銷260騎跨在圖IOa中所示的部件236的軌道 238 上。圖1中所示的下入位置開始于相錯位的三角形部件240和對6，所述三角形部件還需要進行旋轉270度的角度來對齊和關閉球232。首先將閥44提升至孔40中將使得三角形部件240和246前進至相錯位180度。內部鉆桿柱16能夠無限制地向上運動，直到圖5 中所示的計量位置，在該位置中，重要的是應當知道，閥44在孔40中保持壓縮，直到經過計量時間。一旦計量通過，內部鉆桿柱16繼續向上運動，從而使得閥44的夾頭套筒256能夠在孔40上面膨脹。內部鉆桿柱16的向下運動使得凸肩2M與孔40相互作用，從而導致三角形部件240和246前進至相互錯位90度的位置。在該點，通常將到達圖4中所示的循環位置，并泵送礫石。當完成礫石泵送處理過程時，內部鉆桿柱16將被向上拉動。閥44將進入孔40中，以便產生套筒236的另一旋轉，從而使得三角形部件240和246相對準，并使球 232關閉。為了重復上述過程，凸肩252、2M與孔40的各凸肩的各交替相互作用產生了 j 形狹槽套筒236的90度旋轉。相同凸肩(凸肩252或凸肩254)通過進入和離開孔40 (并不完全通過)而產生連續相互作用，但將不會產生j形狹槽套筒236的另外90度旋轉。當然，能夠在進行如上所述的關閉后通過將凸肩2M推回經過孔40使得扁平部分242和248 相錯位而打開球232，這時彈簧230使得球232旋轉回打開位置。當內部鉆桿柱16被拉出時，套筒114將解除鎖定、移動并被鎖定在它的移動位置。 參考圖8j，一系列移動夾頭252具有沿井孔向上的移動凸肩255和沿井孔向下的移動凸肩 257。當內部鉆桿柱16沿井孔向上時，凸肩255將卡持套筒沈0的凸肩258，如圖Se中所示，并攜帶套筒260離開捕獲的夾頭116，由此釋放套筒114，以便沿井孔向上運動。套筒 260將由內部鉆桿柱16向上運送，直到它撞上夾頭指狀件沈6，此時，套筒114與內部鉆桿柱16串聯地運動，直到夾頭指狀件266與槽268嚙合。此時，夾頭指狀件266充分偏轉，以便使得套筒260能夠通過夾頭指狀件266下面。套筒260在它接觸凸肩262時停止，從而鎖定套筒114就位。因為套筒114安裝在帶有開口的套筒20上，該帶有開口的套筒的頂端 264不受限制且自由向上運動，因此套筒114、20將與套筒260串聯地運動，直到夾頭266落在槽沈9中，以便使得套筒沈0越過夾頭沈6和凸肩255，以便在內部鉆桿柱16離開孔時從套筒260上釋放。這樣將套筒114鎖定在閉合位置。這時，套筒114將阻斷開20與所述環空22的連通，這樣，生產鉆桿柱能夠進入封隔器18中，以便通過篩網(未示出)和通過封隔器18向地面生產。上述運動能夠反向，以便打開開口 20。為了這樣做，將內部鉆桿柱16 降低，以使得凸肩257與套筒260上的凸肩270嚙合，以便拉動套筒260離開夾頭沈6。套筒114將與帶有開口 20的套筒一起向下推動，直到夾頭116進入槽272中，這樣，套筒260 能夠越過它們，凸肩257能夠從套筒260釋放，從而使得套筒114鎖定在它用于下入的相同位置，如圖8e中所示。套筒114在它的相對端部位置處可被鎖定。下面參考圖lla-j，圖中顯示了擠壓位置。比較圖11與圖8，可以看見有多個區別。如圖lie中所示，當座118移動以使得瓣閥120能夠關閉時，球48已落在座118上，從而使得剪切銷1 斷裂。封隔器18通過壓力而設置成抵靠坐落的球48。通過坐封封隔器 18，工作鉆桿柱12提升內部鉆桿柱組件16，如圖Ila中所示，這樣，多作用循環閥26(如圖 Ilc中所示)這時使得它的夾頭50設置在封隔器上部接頭72上，其中，在下入的過程前，多作用循環閥26的頂部90在下入過程中設置，如圖8b中所示。通過將負載下放至內部鉆桿柱組件16上，密封件52低于開口 106，以使得返回通路138關閉。這使得上部環空56 (見圖3)與在地層中的篩網(未示出)隔離。如前所述，通過內部鉆桿柱16的交替提升和下放作用力，j形狹槽96能夠交替地將密封件52定位在開口 106下面(對于擠壓位置)以及將密封件52定位在開口 106上面(對于循環位置)。當有流體損失至地層中時，圖Ild 的位置能夠快速獲得，從而能夠快速關閉上部環空56。這能夠在不必操作下部井底壓力球閥44的情況下進行，這意味著隨后沿井孔向上運動將不會抽汲地層，因為這些沿井孔向上運動在與上部環空56流體連通的情況下進行，同時流體至地層的損失能夠通過將j形狹槽 96下放至反循環位置而在處于關閉位置的多作用循環閥沈中進行處理。應注意到，這時內部礫石離開口 30恰好在滑動套筒114上面，該滑動套筒首先阻塞所述礫石離開口以便使得封隔器18能夠坐封。在圖lld-e中顯示了該內容。如圖3和圖Ilf中所示，計量裝置38的計量制動爪170處于孔40中，圖Ili中所示的往復運動坐放裝置組件42也處于所述孔中。下部井底壓力球閥44處于孔40下面，且當在圖3和圖4所示的擠壓位置和循環位置之間轉換時將停留在該位置。圖12與圖11類似，主要區別是在內部鉆桿柱16上提升和放下負載之后，j形狹槽96使得套筒98和套筒100處于不同位置，這樣，密封件52高于開口 106，從而打開通過開口 106至上部環空56的返回通路138。這在圖12c-d中顯示。所建立的循環通路沿內部鉆桿柱16向下通過通道82和開口 30以及開20，而通向所述外部環空22，隨后穿過篩網 (未示出)，并沿內部鉆桿柱16向上返回通道138，并通過開口 106進入上部環空56。應認識到，通過簡單地利用j形狹槽96來提升內部鉆桿柱16和將它再次下放且多作用循環閥 26在夾頭50處被支承在封隔器上部接頭72上而能夠從圖12所示的循環位置返回圖11所示的擠壓位置。這是很重要的，原因在于以下幾個方面。首先，對于循環和擠壓，在封隔器上部接頭72上使用相同坐落位置，這與現有設計不同，對于這兩個位置，現有設計需要坐落在軸向離散位置，從而在深井中產生定位夾頭是否落在合適位置上的疑問。在循環和擠壓之間轉換還沒有關閉下部井底壓力球閥44的危險，從而沒有以后提升內部鉆桿柱16時產生抽汲的危險。在現有設計中，主要對于反循環步驟不能確認獲得正確位置，有時使得沖洗管閥意外釋放至關閉位置，因為使它保持打開的剪切機構通常設置成足夠低，使得地面工作人員很容易意外地剪切它。對于現有設計，當發生這種情況時，隨后提升內部鉆桿柱將會抽汲井。除了這樣的優點，對于多作用循環閥26，即使當處于圖12的循環設置中時，多作用循環閥沈的擠壓位置能夠快速恢復成使得密封件52相對于開口 106復位，以便防止流體向地層損失(當處于反循環位置時)，而沒有操作下部井底壓力球閥44的危險。應注意到，當鉆桿柱12被提升時，多作用循環閥沈繼續置于封隔器接頭72上，直到凸肩95和97相接觸。在使得凸肩95和97靠攏的初始運動過程中，密封件52移動通過開口 106。這是非常短的距離，優選是幾英寸。當發生這種情況時，在內部鉆桿柱16提升多作用循環閥26的殼體134和它所支承的設備(包括計量組件38、往復運動坐放裝置42和下部井底壓力球閥組件44)之前，上部環空56與底部環空22流體連通。套筒98和100 (沒有殼體134和它所支承的設備)的初始運動根本是無效運動，以便在內部鉆桿柱16的大部分進行運動(當凸肩95和97嚙合時)之前使得上部環空56暴露至底部環空22。實質上， 當內部鉆桿柱組件16整個開始運動時，上部環空56已經與底部環空22連通，以防止抽汲。 j形狹槽組件96和相連的套筒98、100能夠被操作而在擠壓位置和循環位置之間轉換，且并不在多作用循環閥26和它的殼體134下面升高內部鉆桿柱16。這樣，總是很容易知道組件處于這兩個位置中的哪一個，同時在內部鉆桿柱16的底部部分運動之前保證上部環空56 打開。還具有這樣的優點，即當多作用循環閥沈在流體損失開始時處于循環位置時，如果產生流體的突然損失，最多通過很短的提升和下放而快速關閉通向底部環空22的上部環空56。這與現有設計不同，現有技術必須使得整個內部鉆桿柱組件運動成采取擠壓位置、循環位置和反循環位置，從而在開口處于使得上部環空與底部環空連通的位置之前被迫運動幾英尺，這時，井可能在整個內部鉆桿柱相對于封隔器孔的該較長運動過程中產生抽汲。在圖13中，內部鉆桿柱16已經被提升，以便使得礫石離開口 30在封隔器上部接頭72的外部，如圖13e中所示。當計量制動爪170在凸肩186處擠出(如圖13f-g所示)， 并由凸起176和178支承時，鉆桿柱16到達行程極限。這時圖13i中所示的往復運動坐放裝置42處于孔40外部，這樣，當在到達圖13所示的位置之后負載下放至內部鉆桿柱16上時，如圖13i中所示，運行止動器2M將落在凸肩2 上，該凸肩將使得凸起2 置于凸肩 218后面，并使得凸肩218卡在由封隔器18支承的外部鉆桿柱M的凸肩219上。如前所述，往復運動坐放裝置42具有圖1 中所示的j形狹槽組件220，該j狹槽組件將通過簡單地提升凸肩219允許該往復運動坐放裝置壓縮經過凸肩219并再次往回設置。通過執行計量操作和從儲存器190(圖13g中所示)排出足夠液壓流體，下部井底壓力球閥44被拉動穿過孔40，該孔這時位于圖13 j下面。再次拉動所述下部井底壓力球閥44通過孔40將使得它的j形狹槽234旋轉90度，但是圖lOa-b中的扁平部分242和248仍然偏離。一直向下通過孔40返回將使得j形狹槽234進行另外90度旋轉，且扁平部分242和248仍然并不對齊，閥44仍然打開。不過，當提升內部鉆桿柱16以便使得閥44通過孔40時，第三次的旋轉將使得扁平部分242和248對齊，以便關閉閥44。閥44能夠這樣重新打開，即往回下放通過所述孔40，以便使得扁平部分242和248充分偏離，從而使得彈簧230能夠驅動閥以便再次打開。在圖13和14之間的僅有區別是圖13i與圖14i的比較。該區別是在圖14i中， 負載在升高足夠高度后放下，以便使得制動爪170向上到達凸肩186，并再次放下，而并不進行計量，這意味不必總是提升所述閥44而通過孔40。圖14f顯示了制動爪170在放下和離開它們的止動凸肩186之后的情況。圖14i顯示凸起2 將往復運動坐放裝置42的凸肩218支承在外部鉆桿柱M的凸肩219上。還應注意到，開口 30在封隔器上部接頭72的上面。內部鉆桿柱16在密封件觀處密封在封隔器上部接頭72中。盡管已經在特定程度上特別介紹了本發明，但是顯然，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可以對結構細節和部件布置進行多種變化。應當知道，本發明并不局限于這里所述的示例實施例，而是只由附加權利要求的范圍來限制，包括各元件的完全等效范圍。
權利要求
1.一種用于擠壓和礫石充填的井處理方法，包括下入外部組件，該外部組件包括封隔器和外部鉆桿柱，該外部鉆桿柱由所述封隔器支承，并導向至少一個篩網，該外部組件還包括在所述封隔器和所述篩網之間的至少一個外部出口 ；由內部鉆桿柱組件支承所述外部組件，用于進行下入，其中，內部鉆桿柱組件再支承在下入的鉆桿柱上，該內部鉆桿柱組件包括轉換工具，以便選擇地允許礫石經過內部鉆桿柱并朝著所述外部組件的所述外部出口出來，同時通過所述篩網和所述轉換工具返回至限定于所述封隔器上面且環繞所述下入的鉆桿柱的上部環空；坐封所述封隔器，以便使得井孔中用于所述篩網的區域與所述上部環空隔離，并限定了底部環空；確定如下位置擠壓位置，用于迫使流體通過所述底部環空進入井孔中；循環位置，其中，礫石沉積在所述底部環空中，并通過所述篩網和經過所述封隔器返回所述上部環空；以及反循環位置，其中，通過所述內部鉆桿柱的至少一部分相對于所述封隔器的相對運動，在所述內部鉆桿柱中在所述轉換工具上面的礫石能夠返回至地面上；在所述內部鉆桿柱組件的底端附近提供閥組件，所述閥組件開放以用于下入，且需要比沿單個方向關閉所述閥組件所施加的力更多的作用力。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括使得所述閥組件在它能夠關閉之前沿兩個相反方向運動。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括使得所述閥組件在它關閉之前進行三個離散運動，其中，所述三個離散運動之一沿與另外兩個離散運動不同的方向。
4.根據權利要求1所述的方法，還包括在閥組件能夠關閉之前，拉動所述閥組件通過所述外部組件中的限制孔的間隔開的端部。
5.根據權利要求1所述的方法，還包括當所述閥組件到達所述外部組件中的限制孔時，遇到對于所述閥組件初始運動的阻力。
6.根據權利要求5所述的方法，還包括利用通過所述下井鉆桿柱施加在所述閥組件上的第一預定水平的力克服所述阻力。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括當所述閥組件在被施加所述第一預定水平力時，如果不能前進通過所述限制孔，利用以比第一預定水平的力更高的第二預定水平的力來克服所述阻力。
8.根據權利要求4所述的方法，還包括在所述閥組件能夠關閉之前，在拉動所述閥組件通過限制孔之后推動所述閥組件通過所述限制孔。
9.根據權利要求8所述的方法，還包括在所述閥組件能夠關閉之前，在推動所述閥組件通過所述限制孔之后將所述閥組件至少局部拉入所述限制孔中。
10.根據權利要求5所述的方法，還包括液壓地產生所述阻力，同時還允許所述閥組件相對于所述外部組件運動；使用所述阻力作為地面信號，如果繼續施加預定力，則將完成所述閥組件的初始運動。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括利用所述閥組件的運動將流體通過第一限制通路而從儲存器排出，從而提供液壓阻力；使用排出流體的時間延遲來在地面確定施加給所述閥組件的力是否繼續用于所述閥組件的隨后關閉。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括從所述儲存器提供第二通路，在所述第二通路中設置有壓力響應閥，當向所述閥組件施加的升高力大于以前使得流體通過所述第一限制通路排出所需的力時，該壓力響應閥打開。
13.根據權利要求1所述的方法，還包括在所述內部鉆桿柱組件的通道中使用球作為閥部件； 將所述球偏壓向打開位置；使用所述閥組件的第一部件和第二部件的相對運動來使得所述球逆著所述偏壓旋轉。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括在所述球偏離所述球的旋轉軸線的位置中使得所述第二部件與所述球連接，這樣，所述第二部件的軸向運動使得所述球沿相反方向旋轉； 使用所述第一部件來產生所述第二部件的軸向運動。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括使得所述第一部件旋轉將引起所述第二部件的軸向運動。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括使用夾頭，該夾頭結合j形狹槽組件而與在所述外部組件中的限制孔嚙合，該j形狹槽組件使得所述夾頭與所述第一部件連接，以便將所述夾頭的軸向移動轉變成所述第一部件的旋轉運動。
17.根據權利要求16所述的方法，還包括提供相對錐體，該相對錐體確定了在第一部件和第二部件上的峰頂，其中，當所述球打開時，所述峰頂相錯位；使用所述夾頭和j形狹槽來使得所述第一部件旋轉，直到所述錐體與所述第二部件嚙合并軸向推動所述第二部件，以便對齊所述峰頂，從而確定所述球的關閉位置。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括使得所述第一部件旋轉270度以便關閉所述球。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括使得所述夾頭沿相反方向完全通過所述外部組件中的限制孔至少兩次，用于使得所述第一部件進行180度旋轉；在進行所述180度旋轉之后迫使所述夾頭至少進入所述外部組件中的所述限制孔，作為第三次運動，以便使得所述第一部件進一步旋轉，從而逆著所述偏壓打開所述球。
20.根據權利要求19所述的方法，還包括通過使得所述夾頭經過所述外部組件中的所述限制孔出來以及然后反向往回運動至所述限制孔中了完成所述第三次運動，以便使得所述偏壓能夠打開所述球。
21.根據權利要求5所述的方法，還包括部分利用與所述外部組件中的槽對齊的至少一個制動爪來產生所述阻力； 將所述制動爪支承在所述槽中，同時使得所述內部鉆桿柱組件通過一限制裝置排出流體，以便產生時間延遲，直到在所述阻力終止時，所述制動爪不再受到支承。
22.根據權利要求5所述的方法，還包括在所述阻力開始時使得輕巧夾頭通過限制孔；下放負載，而不是逆著所述阻力施加作用力，以便使得所述輕巧夾頭能夠將所述內部鉆桿柱組件支承在所述限制孔上，從而獲得所述反循環位置。
23.根據權利要求22所述的方法，還包括從所述反循環位置來提升和下放所述輕巧夾頭，以便使得所述輕巧夾頭能夠重新進入所述限制孔，從而獲得所述擠壓位置或循環位置。
全文摘要
一種壓裂和礫石充填工具，具有當工具相對于坐封隔離封隔器提升時防止井抽汲的特征。上部或射流閥能夠在擠壓位置和循環位置之間轉換，而沒有關閉沖洗管閥的危險。沖洗管閥只能夠在保持預定力有限時間以便能夠進行打開沖洗管閥的運動之后通過相反方向的多個運動來關閉。射流閥能夠在下放時防止流體向地層損失，而不管轉換工具支承在封隔器上還是輕巧夾頭上。
文檔編號E21B43/04GK102510930SQ201080041748
公開日2012年6月20日 申請日期2010年8月25日 優先權日2009年9月18日
發明者J·D·基茨曼, J·S·愛德華茲, M·P·科羅納多, N·J·克萊姆 申請人:貝克休斯公司