技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于給井眼加襯的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括布置在井眼中的可膨脹管狀元件。所述井眼是例如用于生產(chǎn)烴流體的井眼。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)井眼鉆探過(guò)程中，鉆制井眼的多個(gè)節(jié)段，并在隨后的步驟中設(shè)置套管或襯管。在各步驟中，鉆柱下行穿過(guò)已經(jīng)安裝在井眼中的套管，在安裝的套管或襯管下方鉆探新的井眼節(jié)段。對(duì)于這個(gè)程序，即將安裝在新鉆探的井眼節(jié)段的各套管必須穿過(guò)前面安裝的套管。所以，新的套管的外徑要小于之前套管的內(nèi)徑。

因此，可獲得的用于生產(chǎn)烴流體的井眼的直徑隨著深度而減小。對(duì)于較深井來(lái)說(shuō)，這將導(dǎo)致不切實(shí)際的小直徑。

在傳統(tǒng)井眼術(shù)語(yǔ)中，詞語(yǔ)"套管"是指從地面延伸至井眼內(nèi)的管狀部件，詞語(yǔ)"襯管"是指從井下部位延伸至井眼內(nèi)的管狀部件。然而，在本說(shuō)明書(shū)的上下文中，引用的"套管"和"襯管"沒(méi)有這種暗含的差異。

已經(jīng)提出通過(guò)利用一系統(tǒng)克服井眼內(nèi)徑階梯式變小的問(wèn)題，一可膨脹管狀元件被下放到井眼中，然后利用膨脹器徑向膨脹為較大直徑，所述膨脹器被拉、推或泵送穿過(guò)該管狀元件。

US-2004/0231860-A1公開(kāi)了這樣的系統(tǒng)，其中，可膨脹管狀元件的端部分首先膨脹抵靠井眼壁，以便將端部分錨固到井眼壁上。使用懸掛于展開(kāi)管柱的可膨脹封隔器來(lái)使端部分膨脹。然后，展開(kāi)管柱被收回到地面，將設(shè)有膨脹器的工作管柱下放到井眼中，以膨脹管狀元件的其余部分。

該已知系統(tǒng)存在這樣的缺陷：分開(kāi)的管柱必須下放到井眼中以將管狀元件的端部分錨固到井眼壁上，然后用膨脹器膨脹管狀元件的其余部分。此外，在用膨脹器膨脹過(guò)程中，由于膨脹器從被錨固的端部分離開(kāi)以便管狀元件在軸向拉力下膨脹，所以膨脹力較大。

US-3162245公開(kāi)了一種用于在井的套管內(nèi)放置金屬襯管的方法和設(shè)備。該設(shè)備用在纜索上。在點(diǎn)燃推進(jìn)劑時(shí)，來(lái)自推進(jìn)劑的氣體將液壓致動(dòng)的卡瓦壓緊在套管壁上。同時(shí)，氣體壓力施加于液壓缸和活塞，在這里，其起作用迫使膨脹器錐形體穿過(guò)波紋管，從而使該波紋管向外膨脹而抵靠套管。當(dāng)該錐形體到達(dá)一桿時(shí)，桿上的壓力致動(dòng)一點(diǎn)火機(jī)構(gòu)，該點(diǎn)火機(jī)構(gòu)引爆助爆藥包而摧毀脆性的缸筒和所述桿。

US-3162245的設(shè)備的缺點(diǎn)包括，由于缸筒和桿被摧毀，其只能使用一次。碎片會(huì)保留在井眼中，可能導(dǎo)致堵塞。另外，該設(shè)備設(shè)計(jì)成用在纜索上，用于膨脹波紋管的所有的力在設(shè)備的活塞-缸筒組件內(nèi)的閉環(huán)系統(tǒng)中解決。所述閉環(huán)不包括卡瓦，卡瓦不適于對(duì)套管施加軸向膨脹力。

本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的用于給井眼加襯的系統(tǒng)，其克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

依照本發(fā)明，提供一種用于給井眼加襯的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：布置在井眼中的可膨脹管狀元件，該管狀元件具有第一端部分和第二端部分，第二端部分延伸到位于井眼中的管狀壁內(nèi)；膨脹器，其布置成通過(guò)使該膨脹器在從第一端部分到第二端部分的方向上穿過(guò)管狀元件的運(yùn)動(dòng)而使管狀元件徑向膨脹，所述方向定義為膨脹方向，該系統(tǒng)還包括有錨固器，所述錨固器將所述第二端部分錨固到管狀壁上，使得錨固器基本上防止所述第二端部分在膨脹方向上運(yùn)動(dòng)以及允許所述第二端部分在與膨脹方向相反的方向上運(yùn)動(dòng)。

錨固器提供了必需的反作用力來(lái)抵抗膨脹器施加于管狀元件的膨脹力，所以不需要單獨(dú)的管柱來(lái)首先靠著井眼壁膨脹管狀元件的端部分以提供必需的反作用力。同時(shí)，通過(guò)允許第二端部分在與膨脹方向相反的方向上移動(dòng)，錨固器補(bǔ)償膨脹過(guò)程中管狀元件的軸向縮短。此外，由于管狀元件借助于膨脹器朝錨固器的移動(dòng)而在軸向壓力下膨脹，因而膨脹力較低。

合適的是，錨固器設(shè)置有錨固本體和至少一個(gè)錨固部件，所述錨固部件布置成在錨固本體沿膨脹方向選擇性運(yùn)動(dòng)時(shí)卡持住所述管狀壁，以及其中，錨固部件布置成在錨固本體沿與膨脹方向相反的方向選擇性運(yùn)動(dòng)時(shí)釋放所述管狀壁。例如，錨固器可以設(shè)置有在錨固器的周向方向上相互間隔的多個(gè)所述錨固部件。

為使錨固器易于下放到井眼內(nèi)，優(yōu)選地，各錨固部件可在徑向延伸位置和徑向縮回位置之間移動(dòng)，在徑向延伸位置，錨固部件延伸抵靠所述管狀壁，在徑向縮回位置，錨固部件從所述管狀壁縮回。

各錨固部件優(yōu)選從地面由一從地面延伸至錨固器的細(xì)長(zhǎng)管柱進(jìn)行控制，其中，細(xì)長(zhǎng)管柱布置成與錨固器協(xié)作以便使各錨固部件在延伸位置和縮回位置之間移動(dòng)。

合適的是，借助于選自下面列舉的激活參數(shù)而可使各錨固部件移動(dòng)至延伸位置，所述激活參數(shù)為：細(xì)長(zhǎng)管柱中的液壓力，細(xì)長(zhǎng)管柱的旋轉(zhuǎn)和/或平移次序，以及細(xì)長(zhǎng)管柱中的液壓力和細(xì)長(zhǎng)管柱的旋轉(zhuǎn)和/或平移次序的組合。細(xì)長(zhǎng)管柱可以是例如鉆柱。

在一示例性實(shí)施例中，鉆柱(或其它細(xì)長(zhǎng)管柱)經(jīng)過(guò)錨固本體的中心通道，鉆柱設(shè)置有布置在中心通道中的芯軸。該芯軸通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)剪切銷(xiāo)臨時(shí)連接到錨固本體上，所述剪切銷(xiāo)布置成在細(xì)長(zhǎng)管柱孔中的液壓力作用下斷裂。因而，在剪切銷(xiāo)出現(xiàn)故障時(shí)，錨固本體變成與鉆柱斷開(kāi)。同時(shí)，液壓力導(dǎo)致各錨固部件移動(dòng)至徑向延伸位置。

在一可選實(shí)施例中，芯軸設(shè)置有至少一個(gè)銷(xiāo)，各銷(xiāo)可以移動(dòng)穿過(guò)設(shè)置在錨固本體的內(nèi)表面上的J鎖形凹槽，好比滾珠支樞中的機(jī)構(gòu)。在組件下入井眼中的過(guò)程中，銷(xiāo)借助于J鎖形凹槽承載錨固器。一旦組件到達(dá)目標(biāo)深度，鉆柱次序的旋轉(zhuǎn)和平移就能使各銷(xiāo)穿過(guò)相應(yīng)凹槽，從芯軸釋放錨固本體。為了致動(dòng)錨固部件，錨固本體的頂部設(shè)有摩擦塊，當(dāng)錨固器相對(duì)于周?chē)谋谝苿?dòng)時(shí)，所述摩擦塊沿著周?chē)墓軤畋诰徛苿?dòng)。因此，當(dāng)錨固器由即將被膨脹的管狀元件向上移動(dòng)時(shí)，摩擦塊與周?chē)谋谥g的拖曳力使得各錨固部件被徑向向外推動(dòng)而與周?chē)谋诮雍稀?/p>

在一優(yōu)選實(shí)施例中，細(xì)長(zhǎng)管柱設(shè)置有一釋放接頭，錨固器設(shè)置有一釋放裝置，釋放接頭和釋放裝置布置成彼此協(xié)作，以致在拉動(dòng)釋放接頭靠近釋放裝置時(shí)，使得錨固部件移動(dòng)至縮回位置。

為確保膨脹器在被拉動(dòng)至管狀元件內(nèi)之前處于合適位置，該系統(tǒng)優(yōu)選包括用于使膨脹器相對(duì)于管狀元件對(duì)中的扶正器，該扶正器延伸到管狀元件的所述第一端部分內(nèi)，并可釋放地與之相連。合適的是，在沿膨脹方向拉動(dòng)膨脹器穿過(guò)管狀元件時(shí)，所述扶正器適于從管狀元件的第一端部分釋放。

實(shí)際上，在管狀元件和井眼壁之間會(huì)有環(huán)空，該環(huán)空可填充有水泥以密封地層并在膨脹后將管狀元件固定在井眼中。為防止流態(tài)水泥在管狀元件膨脹期間回流至管狀元件內(nèi)，優(yōu)選地，管狀元件設(shè)置有用于密封所述環(huán)空的密封裝置，密封裝置包括管狀元件的可折疊壁節(jié)段，可折疊壁節(jié)段相對(duì)于管狀元件的其余壁節(jié)段具有減小的抗彎剛度，并且通過(guò)對(duì)管狀元件施加壓縮折疊力，所述可折疊壁節(jié)段可以從非折疊模式變形為折疊模式，其中在折疊模式，可折疊壁節(jié)段包括至少一個(gè)徑向向外延伸至所述環(huán)空內(nèi)的環(huán)狀褶皺部。借助于該可折疊壁節(jié)段，管狀元件可以在可折疊壁節(jié)段處于非折疊模式的情況下下放到井眼中。然后可折疊壁節(jié)段可以變形至折疊模式。因此，在下放過(guò)程中，密封裝置不會(huì)形成堵塞，所以，下放過(guò)程中管狀元件被卡住的風(fēng)險(xiǎn)減小。

在一優(yōu)選實(shí)施例中，具有減小的抗彎剛度的所述壁節(jié)段包括相對(duì)于所述其余壁節(jié)段具有減小的厚度的壁節(jié)段。例如，在折疊模式具有減小的厚度的壁節(jié)段包括多個(gè)手風(fēng)琴形狀的褶皺部。

為了在折疊工序的初始階段在預(yù)定部位啟動(dòng)具有減小的壁厚度的節(jié)段的折疊和/或?yàn)闇p少折疊力的大小，優(yōu)選地，具有減小的壁厚度的節(jié)段設(shè)置有沿著該節(jié)段的內(nèi)表面和外表面中的至少一個(gè)在周向方向上延伸的較小的環(huán)狀凹槽。

具有減小的抗彎剛度的壁節(jié)段還可以包括多個(gè)形成在管狀元件上的環(huán)狀凹槽，其中，各褶皺部具有在第一環(huán)狀凹槽和第二環(huán)狀凹槽之間延伸的上腿以及在第二環(huán)狀凹槽和第三環(huán)狀凹槽之間延伸的下腿。

在管狀元件徑向膨脹期間，為了移動(dòng)膨脹器穿過(guò)管狀元件，需要對(duì)膨脹器施加一膨脹力。優(yōu)選地，可折疊壁節(jié)段的減小的抗彎剛度選擇成使得所述折疊力的大小小于膨脹力的大小。從而實(shí)現(xiàn)：在膨脹器開(kāi)始膨脹管狀元件之前，可折疊壁節(jié)段由膨脹器所施加的壓縮力變形至折疊模式。因?yàn)橛纱诵纬傻母黢薨櫜侩S著膨脹器經(jīng)過(guò)褶皺部而進(jìn)一步膨脹，所以這是有利的。因此，折疊的壁節(jié)段具有較大的膨脹率。

在本發(fā)明系統(tǒng)的引人注目的實(shí)施例中，所述第一端部分為管狀元件的下端部分，所述第二端部分為管狀元件的上端部分。

錨固器被適當(dāng)?shù)胤Q(chēng)為"頂部錨固器"。為了確保管狀元件的第一端部分在膨脹過(guò)程中留在預(yù)定深度，從而為待安裝在井眼中的下一個(gè)管狀元件提供參照點(diǎn)，優(yōu)選地，第一端部分設(shè)置有一底部錨固器，所述底部錨固器適于通過(guò)膨脹器對(duì)所述第一端部分的徑向膨脹而將第一端部分錨固到井眼的壁上。當(dāng)?shù)撞垮^固器將第一端部分錨固到井眼的壁上時(shí)，由于膨脹過(guò)程出現(xiàn)的管狀元件的軸向縮短被頂部錨固器收容(accommodated)，這允許管狀元件的第二端部分朝與膨脹方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。

附圖說(shuō)明

下面參照附圖，通過(guò)舉例子的方式更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中：

圖1示意性顯示了依照本發(fā)明的用于給井眼加襯的系統(tǒng)的實(shí)施例的縱截面，其中可膨脹管狀元件在井眼中延伸；

圖2示意性顯示了圖1實(shí)施例中的頂部錨固器的細(xì)節(jié)；

圖3示意性顯示了管狀元件的下部壁部分的第一實(shí)施例；

圖4示意性顯示了管狀元件的下部壁部分的第二實(shí)施例；

圖5示意性顯示了管狀元件的下部壁部分的第三實(shí)施例；

圖6示意性顯示了管狀元件的下部壁部分的第四實(shí)施例；

圖7示意性顯示了在下部壁部分折疊之后的第四實(shí)施例；

圖8示意性顯示了管狀元件的下部壁部分的第五實(shí)施例；

圖9示意性顯示了在下部壁部分折疊之后的第五實(shí)施例；

圖10示意性顯示了圖1實(shí)施例中的底部錨固器的細(xì)節(jié)；

圖11示意性顯示了在管狀元件徑向膨脹過(guò)程中的底部錨固器；

圖12示意性顯示了底部錨固器的透視圖；

圖13示意性顯示了在水泥已被泵入井眼中并且頂部錨固器已延伸抵靠井眼中的套管之后的圖1實(shí)施例；

圖14示意性顯示了在管狀元件徑向膨脹過(guò)程中的圖1實(shí)施例；和

圖15顯示了本發(fā)明系統(tǒng)的替換實(shí)施例。

在下文的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)中，同樣的參考數(shù)字涉及同樣的部件。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1，顯示了深入地層2中的井眼1。井眼1設(shè)置有套管3或類(lèi)似的管狀元件，其已經(jīng)用水泥澆筑在井眼1中。井眼1的裸孔節(jié)段4在套管3下方延伸。參考數(shù)字5表示裸孔節(jié)段4的壁。可膨脹管狀元件為可膨脹襯管6的形式，其懸置在裸孔節(jié)段4中。一環(huán)孔7形成在可膨脹襯管6和井眼壁5之間。

襯管6具有第一端部分或朝井下的端部分16和第二端部分或朝井口的端部分8。第二端部分8伸入到套管3中。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，上端是指用來(lái)指任何所述部件上的朝井口的那一端，而下端用來(lái)指任何所述部件上的朝井下的那一端。

鉆柱10從地面上的鉆機(jī)或修井機(jī)(未顯示)伸入到井眼1中，并經(jīng)過(guò)襯管6的內(nèi)部空間。鉆柱10在其朝井下的端部設(shè)置有適于徑向膨脹襯管6的錐形膨脹器12。鉆機(jī)或修井機(jī)適于穿過(guò)襯管6朝地面拉動(dòng)鉆柱10以及與之相連的膨脹器12。在此，朝地面可指向上的方向以及部分水平方向。鉆柱10還設(shè)置有接通/斷開(kāi)接頭11，所述接通/斷開(kāi)接頭允許鉆柱10根據(jù)需要與膨脹器12斷開(kāi)。

膨脹器12的直徑設(shè)計(jì)成，使得膨脹器12強(qiáng)制膨脹襯管6的上端8抵接套管3的內(nèi)表面，以便在襯管6的上端8與套管3之間實(shí)現(xiàn)緊密連接。鉆柱10和膨脹器12具有一共同的中心孔13，該中心孔在地面的泵送設(shè)備(未顯示)與裸孔節(jié)段4之間提供流體連通。中心孔13設(shè)置有一鏢沖件(dart)捕捉器14(或滾珠捕捉器)，用于接收經(jīng)由鉆柱10的中心孔13泵送的鏢沖件(或滾珠)。

如圖1所示，膨脹器12在開(kāi)始膨脹襯管之前位于襯管6下方。膨脹器12在其上端設(shè)置有用于使膨脹器12相對(duì)于襯管6對(duì)中的扶正器15。扶正器15伸入到襯管6的第二端部分16中。所述第二端部分16是朝井下的那一端或下端。扶正器通過(guò)可釋放的連接部(未顯示)、例如一個(gè)或更多個(gè)剪切銷(xiāo)連接于襯管6。當(dāng)鉆柱10向上拉動(dòng)膨脹器12穿過(guò)襯管6時(shí)，所述可釋放的連接部自動(dòng)斷開(kāi)。因而在襯管6開(kāi)始膨脹之前，襯管6由鉆柱10支撐在井眼1中。這里，襯管6的重量經(jīng)由膨脹器12傳遞給鉆柱10。此外，鉆柱10設(shè)置有釋放接頭18，所述釋放接頭布置在扶正器15上方一段短距離處。釋放接頭18的作用將在下文介紹。

襯管6的上端設(shè)置有一頂部錨固器20，所述頂部錨固器包括錨固本體22和沿著錨固本體22的外周相互間隔開(kāi)的多個(gè)錨固部件24。頂部錨固器20通過(guò)從錨固本體22延伸到襯管6內(nèi)的臂26可釋放地連接于襯管6，并被夾緊到襯管6的內(nèi)表面。

圖2顯示了頂部錨固器20的細(xì)節(jié)，示出了其中一個(gè)錨固部件24，其它錨固部件在結(jié)構(gòu)和功能上類(lèi)似。錨固部件24具有形成齒28的鋸齒狀外表面和擱靠在支撐元件34的相應(yīng)傾斜表面32上的傾斜內(nèi)表面30。傾斜內(nèi)表面30和相應(yīng)的傾斜表面32在形狀上互補(bǔ)。錨固部件24和支撐元件34布置在錨固本體22的腔室36中，因此，錨固部件24和支撐元件34兩者在腔室36內(nèi)能夠在縮回位置與延伸位置之間徑向移動(dòng)。錨固部件24在延伸位置時(shí)從腔室36向外徑向延伸，接合襯管6的內(nèi)表面。在縮回位置，錨固部件24擺脫襯管6的內(nèi)表面。為了使錨固部件24和支撐元件34在相應(yīng)的縮回位置和延伸位置之間移動(dòng)，在腔室36中設(shè)置一液壓致動(dòng)器38，該液壓致動(dòng)器38在鏢沖件捕捉器14上方一部位處與鉆柱10的中心孔13流體連通，以便當(dāng)該中心孔13被接收在捕捉器14中的鏢沖件(或滾珠)堵塞時(shí)，允許液壓致動(dòng)器38由鉆柱10的中心孔中的流體壓力控制。頂部錨固器20還設(shè)置有一釋放裝置(未顯示)，所述釋放裝置布置成：當(dāng)鉆柱10的釋放接頭18被拉動(dòng)抵靠頂部錨固器20的釋放裝置時(shí)，則使得支撐元件34和錨固部件24移動(dòng)至各自的縮回位置。

此外，錨固部件24在腔室36中具有一定的軸向間隙，以允許錨固部件24沿著支撐元件34的傾斜表面32軸向滑動(dòng)一段短距離。由于這種沿著傾斜表面32的滑動(dòng)，如果錨固本體22向上移動(dòng)一段短距離，錨固部件24在延伸位置時(shí)會(huì)牢固地卡持住套管3的內(nèi)表面，而如果錨固本體22向下移動(dòng)，錨固部件24則釋放套管3的內(nèi)表面。由此實(shí)現(xiàn)允許襯管6的上端部分8由于襯管在徑向膨脹期間軸向縮短而向下移動(dòng)，同時(shí)頂部錨固器20基本上防止襯管6的上端部分8向上運(yùn)動(dòng)。

在一實(shí)際的實(shí)施例中，傾斜表面32的傾斜角α在約5度到30度的范圍內(nèi)，例如8度到20度。角度β，即錨固部件24上齒28的頂角，在約60度到120度的范圍內(nèi)。這里，齒的頂表面基本上垂直于鉆柱的軸線(xiàn)。錨固部件24的長(zhǎng)度或高度L1例如為可膨脹襯管6的直徑的約0.5到3倍的范圍內(nèi)。軸向間隙L2，即錨固部件的最大行程長(zhǎng)度，例如約為(主套管3直徑-可膨脹襯管6直徑)/2/tan(alpha)：

L2＝～(套管3直徑-襯管6直徑)/2/tan(α)。

腔室36的高度L3的長(zhǎng)度約為錨固部件24的長(zhǎng)度L1+錨固部件24的行程L2。

進(jìn)一步參照?qǐng)D3-9，顯示了襯管6的下端部分16的可折疊壁節(jié)段39的各個(gè)實(shí)施例的縱截面。在各實(shí)施例中，參考數(shù)字40表示襯管6的縱向中心軸線(xiàn)。

在如圖3所示的第一實(shí)施例中，一環(huán)狀外凹槽45形成在下端部分16的外表面上。

在圖4所示的第二實(shí)施例中，一環(huán)狀外凹槽46形成在下端部分16的外表面上，兩個(gè)環(huán)狀內(nèi)凹槽47、48形成在所述下端部分的內(nèi)表面上。內(nèi)凹槽47、48相對(duì)于外凹槽46對(duì)稱(chēng)布置。

在圖5所示的第三實(shí)施例中，一環(huán)狀內(nèi)凹槽49形成下端部分16的內(nèi)表面上，兩個(gè)環(huán)狀外凹槽50、51形成在所述下端部分的外表面上，外凹槽50、51相對(duì)于內(nèi)凹槽49對(duì)稱(chēng)布置。

在圖6和7所示的第四實(shí)施例中，可折疊壁節(jié)段39包括在下端部分16的內(nèi)表面上的一環(huán)狀內(nèi)凹槽52和在外表面上的兩個(gè)環(huán)狀外凹槽53、54，外凹槽53、54相對(duì)于于內(nèi)凹槽52對(duì)稱(chēng)布置。內(nèi)凹槽52朝徑向向外的方向逐漸縮減。借助于環(huán)狀凹槽52、53、54的存在，通過(guò)對(duì)襯管6的下端部分16施加選定的壓縮力，下端部分16從非折疊模式(圖6)變形至折疊模式(圖7)。在折疊模式，一環(huán)狀褶皺部55形成在襯管的下端部分16上。環(huán)狀褶皺部55具有在外凹槽53與內(nèi)凹槽52之間延伸的上腿55a以及在內(nèi)凹槽52與外凹槽54之間延伸的下腿55b。施加于下端部分16以形成環(huán)狀褶皺部55所需的壓縮力在下文被稱(chēng)為"折疊力"。顯而易見(jiàn)的是，折疊力的大小取決于下端部分16的設(shè)計(jì)特征，即襯管壁的材料性質(zhì)、壁厚度、環(huán)狀凹槽的深度和寬度以及凹槽之間的軸向間距。例如，折疊力隨著襯管6的壁的抗彎剛度的減少而減少，或者隨著凹槽52、53、54的深度的增加而減少。而且，折疊力隨著凹槽52、53、54之間的軸向間距的增加而增加。優(yōu)選地，這些設(shè)計(jì)特征選擇成使得折疊力的大小比在徑向膨脹襯管6期間拉動(dòng)膨脹器12通過(guò)襯管6所需的力小，其原因?qū)⒃谙挛慕忉尅?/p>

以上參照?qǐng)D3-5所述的可折疊壁節(jié)段的第一、第二和第三實(shí)施例能夠以類(lèi)似于可折疊壁節(jié)段的第四實(shí)施例的變形方式從非折疊模式變形到折疊模式。

在圖8和9所示的第五實(shí)施例中，可折疊壁節(jié)段39由具有減小的壁厚度的節(jié)段56形成，在該節(jié)段，壁在內(nèi)、外兩個(gè)表面均形成凹陷。借助于該凹陷的壁節(jié)段56，通過(guò)對(duì)襯管6的下端部分16施加選定的壓縮力，下端部分16從非折疊模式(圖8)變形至折疊模式(圖9)，該壓縮力也被稱(chēng)為"折疊力"。在折疊模式，多個(gè)環(huán)狀褶皺部55形成在襯管的下端部分16上。本例子顯示了手風(fēng)琴形狀的兩個(gè)環(huán)狀褶皺部57、58，不過(guò)可以以類(lèi)似的方式形成更多的環(huán)狀褶皺部。折疊力的大小取決于下端部分16的設(shè)計(jì)特征，即襯管壁的材料性質(zhì)、襯管6的凹陷節(jié)段56的壁厚度以及凹陷節(jié)段56的軸向長(zhǎng)度。例如，折疊力隨著凹陷節(jié)段56的抗彎剛度的減少而減少，或者隨著凹陷節(jié)段56的壁厚度的減少而減少。優(yōu)選地，這些設(shè)計(jì)特征選擇成使得折疊力的大小比在徑向膨脹襯管6期間拉動(dòng)膨脹器12通過(guò)襯管6所需的力小，其原因?qū)⒃谙挛慕忉尅?/p>

再參照?qǐng)D10-12，襯管6的下端部分16設(shè)置有底部錨固器59，各底部錨固器59適于由于下端部分16的徑向膨脹的原因而接合井眼壁5，以便將下端部分16錨固到井眼壁5上。在圖1中，示出了三個(gè)這樣的底部錨固器59。然而，可以應(yīng)用任何其它合適數(shù)量的底部錨固器59。

各底部錨固器59包括有錨固臂60和楔部件62，錨固臂和楔部件均安裝到襯管6的下端部分16的外表面上，且二者在豎向上相互偏離。錨固臂60設(shè)置有環(huán)狀凹槽63a、63b、63c以形成塑性鉸鏈，從而允許錨固臂徑向向外彎曲。雖然顯示了三個(gè)環(huán)狀凹槽，但是可以根據(jù)環(huán)境應(yīng)用任何其它數(shù)量的凹槽。此外，錨固臂60具有例如通過(guò)焊接或其它合適的手段附于襯管6外側(cè)的固定端64和朝楔部件62延伸的自由端65。自由端65，也被稱(chēng)為"尖端"，沒(méi)有附于襯管6外側(cè)，所以錨固臂60的除固定端64之外的部分都能相對(duì)于襯管6自由移動(dòng)。錨固臂60可以構(gòu)造成使得其內(nèi)徑等于或大于襯管6的未膨脹外徑。

同樣，楔部件62包括例如通過(guò)焊接或其它合適的手段附于襯管6的固定端66。楔部件62的自由的另一端朝錨固臂60延伸，并限定一具有長(zhǎng)度L_B的撐條68。撐條68沒(méi)有固定于襯管6外部，其相對(duì)于襯管6能夠自由移動(dòng)。在自由端處，楔部件62包括斜坡部70，該斜坡部朝錨固臂60延伸并接觸或接近接觸錨固臂60的自由端65。斜坡部70可構(gòu)造成具有任何所需要的表面角度，并且可以與撐條68一體形成或者可以是與撐條68分開(kāi)的件。各楔部件62和錨固臂60的厚度是設(shè)計(jì)的問(wèn)題，但是受系統(tǒng)膨脹之前的最大容許直徑限制。

錨固臂60和楔部件62均可以具有環(huán)狀和/或分段式構(gòu)造。在分段式構(gòu)造中，錨固臂60和/或楔部件62可以包括縱向條、桿或板。如圖12所示，錨固臂60和楔部件62分別包括例如8個(gè)條72、74。條72、74繞襯管6的外周延伸。任選地，錨固臂60和/或楔部件62的條包括分段式部分，其包括比該條的寬度更小的條或指狀物76。錨固臂和楔部件可以包括任意數(shù)量的、與襯管6的尺寸相關(guān)的條72、74和/或指狀物76

下面介紹圖1的系統(tǒng)的常規(guī)操作，假定襯管6的下端部分16設(shè)置有第四實(shí)施例的可折疊壁節(jié)段(如圖6和7所示)。如果設(shè)置有其它實(shí)施例的可折疊壁節(jié)段，該系統(tǒng)的常規(guī)操作類(lèi)似于設(shè)置有第四實(shí)施例的系統(tǒng)的常規(guī)操作。還假定，已經(jīng)利用傳統(tǒng)的鉆柱(未顯示)鉆出裸孔節(jié)段4，鉆柱已經(jīng)從井眼1移除。

在常規(guī)操作期間，由鉆柱10、膨脹器12、扶正器15、可膨脹襯管6和頂部錨固器20形成的組件在鉆柱10上下放到井眼中，直到襯管6的主要部分位于裸孔節(jié)段4中，只有襯管的上端部分8延伸到套管3中(如圖1所示)。頂部錨固器20的錨固部件24在下放操作過(guò)程中位于縮回位置。

再參照?qǐng)D13，在下一步驟，將水泥漿料從地面經(jīng)由鉆柱10和膨脹器12的中心孔13泵送至裸孔節(jié)段4內(nèi)。水泥漿料流入襯管6與井眼壁5之間的環(huán)空7內(nèi)，以便形成仍然處于流體狀態(tài)的水泥本體80。然后，利用流體流、例如鉆井流體將鏢沖件(未顯示)泵送通過(guò)中心孔13。當(dāng)鏢沖件進(jìn)入鏢沖件捕捉器14時(shí)，流體通過(guò)中心孔13的進(jìn)一步流動(dòng)被堵塞。因此，在流體流中產(chǎn)生壓力脈沖，這導(dǎo)致致動(dòng)器38使各自的錨固部件24移動(dòng)至延伸位置，以便錨固部件24與襯管6的內(nèi)表面相接合。然后流體流中的流體壓力暫時(shí)進(jìn)一步增大，以從鏢沖件捕捉器14釋放鏢沖件，從而恢復(fù)裸孔節(jié)段4與地面鉆機(jī)之間的液體連通。

再參照?qǐng)D14，在下一步驟，對(duì)鉆柱10施加向上的拉力，使得由鉆柱10、膨脹器12、扶正器15、可膨脹襯管6和頂部錨固器20形成的組件向上移動(dòng)一距離增量。當(dāng)錨固本體22向上移動(dòng)時(shí)，由于錨固部件24與襯管6的內(nèi)表面之間的摩擦力，錨固部件24趨向于保持靜止。因此，錨固部件24相對(duì)于支撐元件34向下滑動(dòng)，由此，迫使錨固部件24徑向向外與套管3的內(nèi)表面卡緊接合。這樣，頂部錨固器20被致動(dòng)，防止襯管6在井眼1中進(jìn)一步向上運(yùn)動(dòng)。

由地面對(duì)鉆柱10施加的向上的拉力進(jìn)一步增大，直到由膨脹器12施加給襯管6的下端部分16的壓縮力達(dá)到折疊力的大小。在達(dá)到折疊力大小時(shí)，下端部分16的可折疊壁節(jié)段從非折疊模式移動(dòng)到折疊模式，由此形成環(huán)狀褶皺部55。褶皺部55從襯管6的其余部分徑向向外延伸到環(huán)空7內(nèi)。由此形成的褶皺部55可以局部接觸井眼壁5，但這不是必要的。

在已經(jīng)形成褶皺部55之后，對(duì)鉆柱10施加的向上的拉力進(jìn)一步增大，直到施加給膨脹器12的向上的力達(dá)到膨脹力的大小，所述膨脹力是膨脹襯管6期間拉動(dòng)膨脹器12通過(guò)襯管6所需的力。膨脹器12因而被拉動(dòng)到襯管6的下端部分16內(nèi)，開(kāi)始膨脹襯管6。借助于膨脹器12的向上運(yùn)動(dòng)，扶正器15與襯管6自動(dòng)斷開(kāi)。如果，例如，使用剪切銷(xiāo)來(lái)連接扶正器15和襯管6，則這種剪切銷(xiāo)在膨脹器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)折斷。

由于襯管6的下端部分16的徑向膨脹，褶皺部55徑向膨脹，從而被壓縮到井眼壁5上。這樣，膨脹的環(huán)狀褶皺部55形成密封褶皺部55上方的環(huán)空7的上部分90與褶皺部55下方的環(huán)空的下部分92而使它們隔開(kāi)的密封部件。由于褶皺部55形成在襯管的下端部分16上，該下端部分靠近井眼底部，所以，環(huán)空的下部分92相對(duì)于上部分90具有最小的容積。由于該褶皺部55形成密封部件，在襯管6進(jìn)一步膨脹期間，流態(tài)水泥80從環(huán)空7的上部分90向下部分92不會(huì)出現(xiàn)明顯的回流。

然后通過(guò)進(jìn)一步向上拉動(dòng)膨脹器12通過(guò)襯管6，繼續(xù)進(jìn)行膨脹處理。由于該膨脹處理的進(jìn)行，襯管6軸向縮短。所以，隨著膨脹器12經(jīng)過(guò)襯管的下端部分16，各底部錨固器59在錨固臂60的固定端64與楔部件62的固定端66之間的軸向距離減少。因此，錨固臂的自由端65在斜坡部70上朝井眼壁5滑動(dòng)，從而搭疊斜坡部70，并從襯管6徑向向外延伸。優(yōu)選地，錨固臂60的長(zhǎng)度選擇為，使得其自由端65在膨脹器12經(jīng)過(guò)斜坡部70時(shí)接合井眼壁5。

膨脹器12隨后前進(jìn)超過(guò)斜坡部70，襯管6在膨脹器的位置繼續(xù)膨脹和縮短。由于縮短，楔部件62的固定端64朝錨固臂60移動(dòng)，由此斜坡部70被推壓抵接錨固臂60。如果由襯管6由于膨脹而縮短引起的錨固臂60的自由端上的徑向力大于地層的局部阻力或強(qiáng)度，則錨固臂60在其自由端的尖端處將進(jìn)一步刺入地層中。

然而，如果所述徑向力小于或等于地層的局部阻力或強(qiáng)度，則錨固臂60的尖端不會(huì)進(jìn)一步刺入地層。那樣的話(huà)，錨固臂60由地層保持在適當(dāng)位置，斜坡部70則又由錨固臂60保持在適當(dāng)位置。由于楔部件62的撐條68不會(huì)沿著襯管6的外側(cè)繼續(xù)滑動(dòng)，不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的縮短。一旦膨脹裝置移動(dòng)經(jīng)過(guò)楔部件62的固定端66，楔部件62的固定端66與錨固臂60的固定端64之間就達(dá)到最終距離。如果楔部件62的自由端(包括斜坡部70)由錨固臂保持在適當(dāng)位置，則施加于襯管6的壁的最大負(fù)載約等于所謂的固定-固定負(fù)載(fixed-fixed load)。固定-固定負(fù)載是膨脹器12在襯管所固定的兩點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)施加于襯管壁的局部負(fù)載，這樣，在這兩點(diǎn)之間襯管不能縮短。由于固定-固定負(fù)載可以預(yù)先確定，例如在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試期間確定，本發(fā)明的錨固臂60可以設(shè)計(jì)成，使得施加于地層的徑向力不超過(guò)施加于襯管6的壁的最大容許徑向負(fù)載。因此，本發(fā)明的錨固臂確保襯管壁足夠堅(jiān)固，而能夠承受膨脹期間的最大徑向力，這樣，當(dāng)錨固臂接合地層時(shí)，襯管壁將仍然為大體上圓形(橫截面)。該實(shí)施例允許襯管6設(shè)計(jì)成避免塌陷，即使在地層太硬而不能接收錨固臂60的情況下也是如此，因?yàn)樽饔迷谝r管壁上的最大負(fù)載不會(huì)超過(guò)所述固定-固定負(fù)載，所述固定-固定負(fù)載可以算出或者至少根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定。這樣，防止了膨脹處理期間對(duì)襯管壁造成的塌陷、破裂或類(lèi)似破壞。如上所指出的，如果可膨脹襯管6受到破壞，可能致使整個(gè)井下區(qū)段無(wú)用而不得不移除，這樣的代價(jià)非常大。本發(fā)明的可膨脹襯管因此極大地改善了這方面的可靠性。

膨脹期間，襯管6和地層上的徑向負(fù)載取決于例如下列中的一個(gè)或更多個(gè)：斜坡部70的表面角度、楔部件62和襯管6之間的摩擦力、楔部件62和錨固臂60之間的摩擦力、地層硬度、膨脹期間襯管壁與地層之間的距離等等。斜坡部的表面角度優(yōu)選設(shè)計(jì)成施加最大徑向力，而同時(shí)，徑向負(fù)載仍然保持在襯管的徑向破壞負(fù)載之內(nèi)。

由于管狀元件的壁上的徑向負(fù)載和軸向負(fù)載受到限制，本實(shí)施例適用于較硬的地層，例如那些強(qiáng)度或硬度為例如3000psi(20MPa)至4000psi(28MPa)或之上的那些地層。另外，可以通過(guò)限制錨固臂與楔部件之間的疊置度和/或通過(guò)限制錨固臂與地層之間的接觸面積，來(lái)限制作用在所述管狀元件的壁上的徑向負(fù)載。在一實(shí)際的實(shí)施例中，斜坡部70的表面角度在約30度到60度的范圍內(nèi)，例如約45度。

這樣，襯管6的下端部分16在該下端部分16膨脹之后牢固地錨固到井眼壁5上。所以，下端部分16在井眼1中的位置在襯管進(jìn)一步膨脹期間不再變化，從而提供一參照點(diǎn)，例如在后一階段將下一管狀元件安裝到井眼中的過(guò)程中或者在井眼的修井作業(yè)過(guò)程中。這是有利的，因?yàn)樗嗽谠摵笠浑A段確定襯管6的下端部分16的位置的需要。

在襯管的下端部分16牢固地錨固到井眼壁5上的情況下，進(jìn)一步向上拉動(dòng)膨脹器12通過(guò)襯管6，以徑向膨脹襯管的其余部分。帶有與之相連的頂部錨固器20的襯管上端由于膨脹處理期間襯管的軸向縮短而向下移動(dòng)，由此，錨固部件24自動(dòng)釋放套管3的內(nèi)表面，正如上文所解釋的那樣。隨著膨脹器12經(jīng)過(guò)襯管6的上端部分8，所述上端部分8由此包覆在套管3上，以在膨脹的襯管6與套管3之間形成堅(jiān)固的流體密封連接。任選地，襯管的上端部分8的外表面可以設(shè)置有一個(gè)或更多個(gè)彈性密封件，以增強(qiáng)膨脹的上端部分8與套管3之間的流體密封性。

在該階段，鉆柱10的釋放接頭18被拉動(dòng)抵靠頂部錨固器20的釋放裝置，以使錨固部件24移動(dòng)至縮回位置。通過(guò)進(jìn)一步向上拉動(dòng)鉆柱10，膨脹器12將頂部錨固器20的臂26從襯管6的上端部分8推出來(lái)。然后鉆柱10與附著于其的膨脹器12、扶正器15和頂部錨固器20一起被回收到地面上。

在膨脹處理完成后，使環(huán)空7中的水泥本體80硬化。借助于形成環(huán)狀密封部件的褶皺部55，膨脹工藝完成之后，環(huán)空7的下部分92中基本上不會(huì)存在硬化水泥。所以，如果井眼1需要鉆得更深，只需要將極少量的水泥塞鉆出來(lái)，或者根本沒(méi)有水泥塞。在將下一可膨脹襯管安裝到井眼中時(shí)，已經(jīng)膨脹的襯管處于套管的角色。優(yōu)選的是，使用直徑稍小的膨脹器或可收縮式膨脹器來(lái)膨脹該下一襯管，以允許膨脹器帶有一定間隙地下放通過(guò)已經(jīng)膨脹的襯管。

如圖15所示的依照本發(fā)明的系統(tǒng)的替換實(shí)施例類(lèi)似于上文參照?qǐng)D1-14所述的實(shí)施例，不同之處在于，鉆柱10延伸到膨脹器12的下方，并設(shè)置有鉆井組件，所述鉆井組件包括可收縮擴(kuò)孔器94和具有導(dǎo)眼鉆頭98的可轉(zhuǎn)向鉆具96。處于收縮模式時(shí)的擴(kuò)孔器94以及可轉(zhuǎn)向鉆具96的直徑小于膨脹的襯管6的內(nèi)徑，以允許擴(kuò)孔器94和可轉(zhuǎn)向鉆具96通過(guò)膨脹的襯管6被回收到地面上。

如圖15所示的替換實(shí)施例的常規(guī)操作類(lèi)似于上文參照?qǐng)D1-14所述的實(shí)施例的常規(guī)操作，不同之處在于，在襯管下放到井眼1內(nèi)之前，沒(méi)有利用單獨(dú)的鉆柱鉆出裸孔節(jié)段4。而是利用擴(kuò)孔器94和可轉(zhuǎn)向鉆具96鉆出裸孔節(jié)段。在用擴(kuò)孔器94和可轉(zhuǎn)向鉆具96鉆出后，襯管6以上文所述的方式膨脹。替換實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，襯管6鉆到目標(biāo)深度，隨后膨脹，不需要額外的往返行程。為了在鉆出井眼節(jié)段4的過(guò)程中提供足夠的流動(dòng)面積而用于鉆井流體，優(yōu)選的是，膨脹器12可收縮至較小直徑。

在示例性實(shí)施例中，可膨脹管狀元件的壁的可折疊壁節(jié)段的厚度可約為管狀元件的其余部分的厚度的50％或更小，例如約為40％或更小?？烧郫B壁節(jié)段的長(zhǎng)度例如在約50mm到500mm的范圍內(nèi)，例如在約75mm到150mm的范圍內(nèi)。管狀元件的膨脹率，即膨脹的管的管徑相對(duì)于膨脹之前的管的管徑的比率，可以為5％到25％的范圍內(nèi)，如約10到20％?？烧郫B壁節(jié)段的膨脹率，即膨脹之后的可折疊壁節(jié)段的外徑相對(duì)于膨脹之前的可折疊壁節(jié)段的外徑的比率，可以為30％到60％的范圍內(nèi)，例如約為40％到55％。在膨脹之后，折疊部分可以密封在一封閉壁(例如井眼壁)上，提供超過(guò)50bar或例如超過(guò)約150bar的流體密封性。這里，流體密封性提供了折疊部分上方和下方的環(huán)狀區(qū)域之間的層間封隔。膨脹和折疊可折疊節(jié)段所需的折疊力例如在約250kN到1000kN的范圍內(nèi)，例如400kN到700kN。管狀元件大體上由脫氧鋼制成。

進(jìn)行了許多有關(guān)具有可折疊壁節(jié)段的管樣品的測(cè)試，以測(cè)試在壓縮負(fù)載下環(huán)狀褶皺部的形成以及由此形成的褶皺部在隨后的徑向膨脹，如下文所述。

測(cè)試1

測(cè)試樣品具有上文所述的依照第五實(shí)施例的可折疊壁節(jié)段(圖8和9)。此外，測(cè)試樣品具有下列特征：

制造商：V&M

材料：S355J2H

外徑：139.7mm

壁厚度：10mm

屈服強(qiáng)度：388MPa

抗拉強(qiáng)度：549MPa

制造方法：無(wú)縫

熱處理：正火

管樣品具有一減小的厚度為3.5mm、長(zhǎng)度為100mm的區(qū)段。為確保機(jī)加工適當(dāng)集中化以及減小的截面積處壁厚度的均勻，壁在內(nèi)、外兩個(gè)表面都凹陷進(jìn)去。此外，一小的環(huán)狀凹槽設(shè)置在具有減小的壁厚度的階段的內(nèi)表面上，以啟動(dòng)折疊作用，降低所需的壓縮折疊力。在膨脹之前，管樣品內(nèi)部用Malleus STC1潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑。用于膨脹該樣品的膨脹器為外徑為140.2mm的Sverker21材料。膨脹器的膨脹率(即管徑的增大量與膨脹之前的直徑之比)為17％。

由膨脹器向樣品施加壓縮負(fù)載，以使可折疊壁節(jié)段折疊成手風(fēng)琴形狀。該測(cè)試表明，啟動(dòng)折疊所需的力約為450kN。所施加的負(fù)載導(dǎo)致樣品迭代地形成褶皺，衍變成折疊節(jié)段。該折疊節(jié)段具有比樣品的其余部分低的軸向剛度和抗塌陷強(qiáng)度，使得各褶皺部形成過(guò)程中軸向負(fù)載明顯降低。由此形成的褶皺部的外徑為170.4mm。這對(duì)應(yīng)的當(dāng)量膨脹率為37％。接著增大施加于膨脹器的負(fù)載，拉動(dòng)膨脹器通過(guò)管樣品，以徑向膨脹樣品。膨脹之后的褶皺部的外徑為185.1mm，這對(duì)應(yīng)的當(dāng)量膨脹率約為50％。該測(cè)試表明，膨脹所述褶皺部期間的平均膨脹負(fù)載，即移動(dòng)膨脹器通過(guò)樣品所需的力，約為520kN，峰值負(fù)載為650kN。

測(cè)試2

測(cè)試樣品具有上文所述的依照第五實(shí)施例的可折疊壁節(jié)段(圖8和9)。此外，測(cè)試樣品具有下列特征：

制造商：V&M

材料：S355J2H

外徑：139.7mm

壁厚度：10mm

屈服強(qiáng)度：388MPa

抗拉強(qiáng)度：549MPa

制造方法：無(wú)縫

熱處理：正火

管樣品具有一減小的厚度為3.5mm、長(zhǎng)度為100mm的區(qū)段。為確保機(jī)加工適當(dāng)集中化以及減小的截面積處壁厚度的均勻，壁在內(nèi)、外兩個(gè)表面都凹陷進(jìn)去。此外，一小的環(huán)狀凹槽設(shè)置在具有減小的壁厚度的階段的內(nèi)表面上，以啟動(dòng)折疊作用，降低所需的壓縮折疊力。在膨脹之前，管樣品內(nèi)部用Malleus STC1潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑。用于膨脹樣品的膨脹器為外徑為140.2mm的Sverker21材料。膨脹器的膨脹率(即管徑的增大量與膨脹之前的直徑之比)為17％。樣品被放置在內(nèi)徑為174.7mm、壁厚度為9.5mm的S355J2H鋼管內(nèi)，并在其內(nèi)膨脹。

由膨脹器向樣品施加壓縮負(fù)載，以使可折疊壁節(jié)段折疊成手風(fēng)琴形狀。該測(cè)試表明，啟動(dòng)折疊所需的力約為450kN。所施加的負(fù)載導(dǎo)致樣品迭代地形成褶皺，衍變成折疊節(jié)段。該折疊節(jié)段具有比樣品的其余部分低的軸向剛度和抗塌陷強(qiáng)度，使得各褶皺部形成過(guò)程中軸向負(fù)載明顯降低。接著增大施加于膨脹器的負(fù)載，拉動(dòng)膨脹器通過(guò)管樣品，以徑向膨脹樣品。膨脹之后的褶皺部的外徑接觸外管的內(nèi)徑，這對(duì)應(yīng)的當(dāng)量膨脹率約為41％。該測(cè)試表明，膨脹所述褶皺部期間的平均膨脹負(fù)載，即移動(dòng)膨脹器通過(guò)樣品所需的力，約為520kN，峰值負(fù)載為850kN。內(nèi)管和外管之間的環(huán)空經(jīng)受水壓力。壓力測(cè)試顯示耐壓緊密度約為200bar。

本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例，其中在附帶的權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)可以想得到許多修改。各個(gè)實(shí)施例的特征可以例如組合。