用于为部分井筒加设衬套的系统

本发明涉及一种利用一个可张开的管状部件为井筒部分加设衬套、从 而能够将一个细长的工具串(string)延伸到井筒内的系统。这种工具串 的一个实例就是钻井用的钻井工具串(drrll string)。在传统的井筒钻 进过程中，首先钻出多个井筒部分，然后在后续的步骤中将一个套管或衬 套安装到这些井筒部分内。在各个步骤中，可穿过已经安装在井筒内的套 管将钻井工具串下放到井筒内，然后在安装有套管的井筒下方钻出一个新 的部分。利用这种方法时，需要安装到新钻井筒部分内的套管必须穿过先 前安装的套管，因此，新套管的外径必须小于在先安装的套管的内径。这 样，井筒的有效直径就会随着深度的增加而逐渐变小。对于深井而言，这 种结果将导致井筒的直径过小，甚至不具有实用价值。在下面的说明中， 所引用的术语“套管”和“衬套”并非暗示着管体类型的不同。同样，可 将下文引用的术语“加衬套”理解为：在井筒内设置一个衬套或安装一个 套管。

已经有人提出：通过将一个管状部件安装到井筒内，然后利用一个被 拉入、推入或泵送到管状部件内的扩张器沿径向将该管状部件的直径扩大 的方式，来克服井筒套管的内径逐渐变小的问题。但是，每当将一个新的 可张开管状部分安装到井筒内时，该方法都需要将钻井工具串从井筒内取 出。

本发明的一个目的在于提供一种用为一部分井筒衬以一个可张开的 管状部件的改进型系统，其能够克服现有技术中存在的问题。

根据本发明，其提供一种为一部分井筒衬以一可张开的管状部件的系 统，该系统包括：一个延伸到井筒内的细长工具串，所述工具串设置有一 个不可张开的管状部件，而且该管状部件环绕在工具串的下部周围，该工 具串还设置有一个安装在该管状部件下端部上的扩张器和一个用于将管 状部件的上端部固定到井筒上的锚固部件。

使用时，该可张开的管状部件(例如一个衬套或一个套管部分)最初 支承在钻井工具串上，而且在所需的深度位置上，该部件首先通过将上端 部固定到已有套管、井筒壁或其它管状部件的内部而抵靠在井筒上进行扩 张，以将其永久性安装在井筒内；接着，通过管状部件将扩张器向上拉出。 此后，可将该钻井工具串完全收到地面上。通过这种方法，就能够对设置 有可扩张管状部件的钻井工具串进行操作，从而钻出井筒，就象当在地下 进行钻井，同时又不降低强度的情况下，通常进行的操作。如果需要将旧 部件更换下来，那么在可张开的管状部件未被扩张的状态下，将整个钻井 工具串拉到地面上，这样就能够将旧部件更换下来。该方法可以反复执行， 这样就能够在已经扩张的管状部件下方钻出另一个新的钻孔部分。此外， 还可通过将一种硬化流体泵送到介于已张开部件和井筒壁之间的所有剩 余环形空间内，而将已经张开的部件密封到钻孔内。

下面将参照附图，通过实例对本发明加以详细说明，其中附图：

图1为根据本发明一个实施例的系统的纵向局部剖视图；

图2A为一个应用于图1所示之实施例中的扩张器在被固定到钻井工具 串下端上时的纵向剖视图；

图2B为图2B所示的扩张器当从钻井工具串上拆卸下来时的纵向剖视 图；

图3A为应用于图1所示之实施例中的一个锚固系统在其启动前的纵向 剖视图；

图3B为图3B所示的锚固系统在其起动的最初阶段的纵向剖视图；

图3C为图3B所示的锚固系统在起动的一个随后的阶段的纵向剖视图；

图4为沿图3A中的剖面线4-4的剖视图；

图5为沿图3B中的剖面线5-5的剖视图；

图6为图2A和2B所示的扩张器的详细视图。

为简明起见，在图2A、2B、3A和3B中仅示出了各个纵向剖面的一半， 其另一半与示出的这一半相对纵向轴线(由附图标记5表示)是对称的。

在这些附图中，相类似的附图标记表示相类似的部件。

在图1中，示出了一个延伸到井筒2内的管状钻井工具串1，其中井筒2 形成于地层3中。该井筒2的上部设置有一个套管柱4，该套管柱4具有一个 纵向轴线5。一个尚未安装套管的新钻裸井部分6在套管柱4的下方延伸。 该钻井工具串1包括多个连接在一起的钻井工具串部分8(例如多个钻管部 分)，而且该钻井工具串1还设置有一个下部10，在该下部10的周围基本 同心地设置有一个可张开的管状衬套12。钻井工具串1的下端部，即位于 衬套12下方的那部分由一个井底部件(BHA)14构成，该井底部件包括一 个双心或偏心型的钻头16、一个用于驱动该钻头16的钻进电机18和一个用 于随钻测量工具(MWD)20，该工具用于在井筒轨迹的定向钻进到达一个 特定的地下位置过程中起辅助作用。在该MWD工具20的顶部上，可包括有 其它一般用于钻井的部件。双心钻头16的一个特性就在于：这种钻头钻出 的钻孔部分的直径大于钻头本身的直径，钻头在旋转时所划出的圆形区域 大于其在不旋转时的区域。该钻井工具串1还设置有一个扩张锥体22，该 扩张锥体22安装在BHA10的顶部上，其用于通过穿过衬套12的移动使衬套 12利用塑性变形而得以扩大。钻井工具串1的下部10包括一个沿轴向延伸 的接头(sub)23，该接头23允许钻井工具串1相对衬套12沿轴向短距离滑 动，目的是对钻井工具串1和衬套2之间的热膨胀差别进行补偿。

现继续参照图2A和2B，扩张锥体22设置有用于支承衬套12的可释放式 支承装置，该支承装置包括多个可缩回的保持块24，这些保持块24沿锥体 22的外表面沿周向间隔设置并定位于排列设置在扩张锥体22之圆锥形外 表面上的各个孔26内。这些保持块24用其组合在一起的外表面形成一种类 似偏梯形螺纹的螺纹结构28，这种螺纹结构能够与设置在衬套12之底端上 的互补的偏梯形螺纹结构30相互啮合。螺纹结构28与螺纹结构30的啮合是 通过将设置有螺纹结构30的衬套12之下端在可缩回保持块24的螺纹结构 28上滑动而实现的。在这种啮合过程中，衬套12只能向下移动，而不能向 上移动。或者，衬套12的下端也可以被拧到保持块24上，这样，优选的螺 纹方向就是逆时针方向。一个保护套管32连接在衬套12的下端，以防止扩 张锥体22的外表面受损。

扩张锥体22在其内表面上设置有一个圆环34，该圆环以能够沿轴向在 环形凹槽36内滑动的方式安装在锥体22的环形凹槽36内。从图2A、2B中可 以看出：有多个孔26与环形沟槽36流体联通，而且圆环34和保持块以下述 方式相互配合：圆环的向下滑动能够使保持块24沿径向缩回。该圆环设置 有一个搭接型面(1anding profile)38，该搭接型面与一个能被泵送通 过钻井工具串1的密封塞40(如图1、3A和3B所示)相互配合。当密封塞40 支承在该搭接型面38上时，循环流过钻井工具串1的流体将被堵住。通过 钻井工具串1继续泵送流体将使密封塞40上方的流体压力逐渐升高并使圆 环34向下滑动。这样，保持块24就能够沿径向向里缩回，从而使扩张锥体 22从衬套12上脱开。

现继续参照图3A和3B。钻井工具串1包括一个扩张装置42，该扩张装 置设置在衬套12的上端处并用于使衬套12抵靠在套管4上沿径向扩大，从 而与套管4形成一种牢固的连接和可靠的流体密封。该扩张装置42包括上 部和下部管状部件44、46，该上部和下部管状部件可通过一个能够在部件 44和46之间传递扭矩的花键结构48而沿轴向相对移动。在两个部件44、46 的花键之间留有小间隙，小间隙形成了多个很小的纵向流体通道49，其中 的一些流体通道通过多个设置在下部部件46上的孔52与钻井工具串1的内 部50流体联通。该下部部件46的外表面通过设置在孔52上方的环形密封件 54密封在上部部件44的内表面上。该下部部件46通过环形密封件56密封在 衬套12上。

这两个部件44、46通过一个锁紧环58相互锁定在一起，该锁紧环58 设置在下部部件46的环形凹槽60内并延伸到上部部件44的环形沟槽62内， 这样就能够在两个部件44、46之间传递轴向载荷。锁定环58通过弹簧加载， 以使其在释放时能够完全缩回到环形凹槽60内。一个开口支承环64在环形 沟槽60所在的高度位置处安装在下部部件46内，以能够将凹槽60封闭；该 支承环64可相对下部部件46沿轴向滑动。介于支承环64与锁定环58之间的 那部分凹槽60内装满了一种不可压缩的流体。一个止动环65被固定连接到 下部部件46的内表面上并以一个合适的距离位于环形沟槽60的下方。

现继续参照图4和5，上部部件44设置有一个可扩大的环形心轴66，该 心轴沿圆周方向被划分成多个心轴部分68，这样就能够使心轴66在一个径 向缩回的状态(如图4所示)和一个径向扩展的状态(如图5所示)之间操 作，其中在径向缩回的状态下，相邻的心轴部分相互邻接，而在径向扩展 的状态下，相邻的心轴部分沿圆周方向相互分离。心轴66设置有一个沿径 向向外的方向向下成锥形延伸的下表面70(图3A、3B)和一个沿径向向外 的方向向上成锥形延伸的上表面71。下表面70设置成与第一环形致动器74 的截锥形互补表面72相接触，而该第一环形致动器74构成了上部部件44 的一个一体的部分。该上表面71设置成与第二环形致动器78的截锥形互补 表面76相接触，其中该第二环形致动器78被一个弹簧装置80顶推在心轴 上。当上部部件44相对下部部件46向上移动时，心轴66可通过这种结构移 动到其径向扩大的状态下。在第一致动器74和下部部件46之间形成有一个 流体腔82，该腔室82通过小的流体通道49和孔52与钻井工具串1的内部50 保持流体联通。这样，当通过孔52和流体通道49将钻井流体从钻井工具串 1的内部泵送到流体腔82内时，上部部件44就会相对下部部件46向上移动。 心轴66设置有一个径向外表面，该径向外表面的性质与扩张锥体22之外表 面的性质相似。这些心轴部分68通过连接部件84(图5)互相连接在一起， 而连接部件84还用于盖住当这些心轴部分68沿径向向外移动时在心轴部 分68之间形成的间隙。还可通过将心轴部分68的型面选为可相互啮合的结 构形式而将这些间隙盖住。

在正常操作过程中，套管4的下方将钻出一个新的钻孔部分6，这样就 可以将钻井工具串1下放通过套管4。双心钻头16使新钻出的钻孔部分6的 直径约等于上部钻孔部分2的直径。在钻进过程中，钻井流体流被泵送通 过钻井工具串1的内部50。在钻出钻孔部分6后，钻井工具串1定位在能够 使衬套12的上端部位于套管4内的位置上。接着，密封塞40与钻进流体流 一起被泵送到钻井工具串1内，直到密封塞40支承在支承环64上。这样， 密封塞40就能够将流体通道50堵住，而且继续将流体泵送到钻井工具串1 内的操作将使支承环64向下朝止动环65滑动。通过这种滑动，就可以使孔 52打开，而且不可压缩的介质会被完全缩入环形凹槽60内的锁紧环58推 出。这样，上部部件44就会与下部部件46脱开。

通过孔52和流体通道49进入流体腔室82内的钻井流体使流体腔室82 能够以一个液压活塞/缸组件的方式进行操作，从而能够相对下部部件46 向上推动上部部件44。这样，心轴66的下部锥形表面72就会受到一个来自 上部部件44的向上的作用力，而心轴66的上部锥形表面71将受到一个来自 弹簧装置80的向下的反作用力。这样，这些心轴部分68就会沿径向向外的 方向受到顶推，从而使心轴66移动到其径向扩展的状态(图3B)下，这样 就使衬套12的上端部塑性变形并抵靠着套管4径向扩大。接着，上部部件 44继续受到向上的顶推作用，从而使衬套12的其余上端部得以扩展(图 3C)。当衬套12的上端抵靠着套管4充分扩展时，上部部件44将接触到一 个能够限制其进一步移动的止动件(未示出)。这样，衬套12的上端就能 够可靠固定在套管4上。

接下来，可通过不断增加泵送压力而使密封塞40与支承环64脱开，从 而使止动环65断裂并允许支承环64进一步向下滑动到一个轴向位置上，在 该轴向位置上，它能够扩展成一个更大的直径。该密封塞40可沿钻井工具 串1被进一步向下泵送，直到其支承在圆环34的搭接型面38上。通过钻井 工具串1继续泵送流体将使圆环34向下滑动到环形槽36内，从而使保持块 24沿径向缩回。这样，扩张锥体22就会从衬套12上脱开。

在下一步骤中，带有扩张锥体22的钻井工具串1将受到向上的拉动通 过衬套12，这样就可以通过被固定到位的上端部分而限制衬套12沿轴向的 移动。通过在衬套12内拉动扩张锥体22，就可以使衬套12的外径扩大至几 乎等于井筒2之直径的程度。

衬套12之上端的壁厚可与衬套12的其余部分的壁厚不同，特别是小于 其它部分的壁厚，目的是减小使衬套扩大所需的力。

当然，也可以采用一种管下扩孔器或可张开的钻头来替代双心钻头。

可扩大的管状衬套可具有一个预定的长度，该预定长度大于最初设计 的新钻钻孔部分的长度，这样，就会与已有套管形成一个重叠部分。如果 需要，可将这种可扩大的衬套安装在其它中间深度位置上。

这种可扩大的衬套可包括多个预先制成的孔，这些孔在未扩展阶段处 于封闭状态下并在扩展过程中打开，以能够将硬化流体泵送到介于已扩展 的衬套和井筒壁之间的环形空间内。

当然，可以不利用弹簧装置80对上部部件44相对心轴66的向上移 动作出响应并为第二环形致动器80提供一个向下的反作用力，而采用一 个液压活塞/缸组件为第二环形致动器80提供一个向下的反作用力。这种 活塞/缸体组件可由存在于钻井工具串1之内部50中的流体的流体压力以 适当方式提供动力。