CN102762813A - 井下工具释放机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下工具释放机构，其包括用于可释放地接合井下工具的心轴（41）的夹头814）。保持带（30）周向地设置在夹头（14）的指部（16）周围，以用于在释放机构（10）上施加预定的轴向力之前保持夹头与心轴的接合。当施加该力时，夹头指部（16）扩张，使剪切带（30）断裂，心轴（14）被释放并且井下工具脱离接合。

Description

井下工具释放机构

背景技术

当在井下（downhole）进行维修时，存在许多情形需要使工具脱离连接并下放到井中的孔。在过去，已经以不同的方式使用多种系统和机构来释放诸如封隔器（packer）的井下工具。通常使用剪切销钉（shear pin）来可释放地连接工具，但是在实际应用中，由于质量控制、材料强度因不同使用年限、批次和场地的变化、不同的维修或者保养水平、以及其它可能导致仓促释放的这种困难，剪切销钉有时是不可靠的。

本公开涉及克服上述现有技术的缺陷的用于可释放地连接井下工具的机构。结果形成更一致的、更可预测的并且更可靠的机构，以用于在适当的时间释放井下工具。本发明的这些和其它优点将从对下面的多个实施方式、附图和相关的描述的浏览中更容易理解。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种井下工具释放机构，其包括：夹头（筒夹，collet），夹头具有用于接合井下工具的心轴的多个夹头指部；以及保持带，保持带周向地设置在夹头指部周围以用于将夹头相对于心轴保持在接合位置中，当应用施加到夹头的预定大小的轴向力时，夹头能够从心轴释放。

根据本发明的另一个方面，提供了一种释放组件，释放组件可释放地连接到可设定井下工具，释放组件包括：设定套筒，设定套筒能够与设定工具接合；以及适配器，适配器能够与设定工具接合并且可释放地连接到井下工具的心轴；以及保持带，保持带设置在适配器周围以用于保持适配器与心轴之间的连接直到设定力施加到可设定井下工具。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于将可设定工具设定在井中的设备，设备包括：设定套筒；夹头，夹头设置在设定套筒内，夹头包括：从夹头本体延伸的多个夹头指部；以及夹头头部，夹头头部位于夹头指部的下端处，其中夹头头部适于接合井下工具的心轴；以及保持带，保持带设置在夹头指部周围以用于保持夹头与心轴的接合，直到应用施加到夹头的轴向释放力，轴向释放力至少等于将井下工具从未设定位置移动到设定位置所需要的设定力。

本公开的井下工具释放机构包括用于用于接合井下工具的心轴的夹头以及设置在夹头周围的保持带。保持带将保持夹头与井下工具接合，直到预定大小的轴向力或者拉力被施加到夹头。当施加预定的轴向力或者释放力时，夹头从井下工具的心轴释放。然后夹头可以相对于井下工具轴向地移动并且可以从井中移除。

在一个实施方式中，夹头包括多个夹头指部，保持带是剪切带，并且心轴具有可滑动地将夹头指部耦接到井下工具（例如可以是封隔器）的心轴的锯齿形螺纹。当封隔器被定位在期望的深度或者位置时，夹头和设定套筒工作，以便通过对封隔器设定力施加而将封隔器移动到设定位置。当施加设定力时，封隔器将被设定，并且夹头指部沿着封隔器心轴的锯齿形螺纹滑动，使夹头指部扩张，直到剪切带破裂，夹头从封隔器脱离接合。

附图说明

图1是井的横截面，其示出了布置于井中的井下工具；

图2是定位在井中的本发明的局部截面图；

图3是本发明的实施方式的截面图；

图4是图3的实施方式的锯齿形螺纹（buttress thread，斜梯形螺纹）的细节视图；

图5是本发明的可替换实施方式的截面图。

具体实施方式

图1示出了井2，该井包括井孔4，井孔具有布置在其中的壳体6，并且壳体6可以胶结（cemented）在井孔4中。通常地，壳体6的胶结通过在壳体6与井孔4之间填充环而使壳体6固定到井孔4。壳体6以及在环中的胶结材料可以是穿孔的，以允许由构造7生产油或者气体。将在下面更加详细地描述的井下工具40可以通过井下工具释放机构10下降到井2中。井下释放机构10可以在其上端11上连接到设定工具，并且可以是在其下端12处可释放地连接到井下工具40。

井下工具释放机构10必须具有足够的强度，以便当井下工具40下降到井2中并定位在井2内且移动到设定位置时防止不当的释放或者损坏。

如在图2和图3中更好地示出的，井下工具释放机构10可以包括夹头或者适配器14。夹头14具有带有夹头头部18的多个指部16，以用于可释放地接合井下工具40。夹头14具有本体部分20以及从夹头本体20延伸的指部16。夹头14具有上端22和下端24。夹头头部18位于夹头14的下端24处，其可以称作为夹头指部16的下端26。

在图2和图3中示出的实施方式中，井下工具释放机构10还包括保持环或者剪切带30。剪切带30围绕夹头指部16沿周向地布置在夹头指部的下端26处或者布置在夹头指部的下端26附近，以便将夹头14保持在与井下工具40接合的位置中。剪切带30可以是可剪切的金属带，或者可以是至少部分地具有柔性或者弹性的性质，并且还可以由多个带组成。剪切带30也可以是一个件或多个件。关键的是，剪切带30必须允许夹头指部16相对于井下工具40的移动，使得如这里所述地当施加释放力时夹头头部18与井下工具40脱离接合。脱离接合所需要的轴向力或者拉力（其可以称作为释放力）将大致地等于或者大于将井下工具40移动到井中的设定位置处所需要的设定力。

在本公开中，井下工具40描述为封隔器，但是释放机构10可以用来连接到其它部件或者工具，诸如例如压裂柱塞或桥塞。封隔器的构造在本领域中是广为知晓的，并且因此井下工具40在本说明书中以简化的形式表述。如所描述的，井下工具40包括心轴41，心轴的周围设置有密封元件42。上滑动保持件48、上滑动件44、下滑动件46、上滑动楔50、以及下滑动楔56设置在心轴41周围。最下部分58可以是例如斜口管托，但是该最下部分可以具有用于使该工具的结构终止或者用作用于其它工具的连接器的任何类型的横截面。最下部分58固定到心轴41。

为了将井下工具40移动到设定位置，必须施加设定力。在所述的实施方式中，通过设定工具将轴向向上的力施加到夹头14。因为夹头14与心轴41接合，所以轴向向上的力将在那里通过夹头14施加。在工具40被移动到设定位置之前，夹头14被设置在设定套筒49中。设定套筒49邻接上滑动保持件48并且将防止其向上移动。因此心轴41将相对于上滑动保持件48向上移动。井下工具40的最下部分58固定到心轴41，从而心轴41的向上移动将迫使上滑动件44和下滑动件46经由上滑动楔50和下滑动楔56向外倾斜，并且将造成密封元件42的压缩。当上滑动件44和下滑动件46与壳体6接合时，附加的向上轴向力施加到心轴41，这因此施加附加的压力来封隔密封元件42，压缩密封元件42。密封元件42将径向向外地扩张以接合且密封壳体6。一旦已施加足够的向上的力来使井下工具40移动到设定位置，则持续施加的轴向力将使夹头14与心轴41脱离接合。如这里阐述的，实现该释放所需要的轴向力将等于或者大于设定力，并且可以称作为破坏力或者释放力。

设定力可以以多种方式施加到井下工具释放机构10。因此，本发明可以容易地包含在多种设定系统中。在一个实施方式中，向上的拉力可以通过由沿着配线发送到点火器（未示出）的电信号致动的炸药包（未示出）提供，并且因此冲击活塞（未示出）以致使夹头14移动。存在移动夹头14的可替换方式，并且可替换方式可以如本领域中已知地采用，并且在本发明的范围内想到。

在图3中示出的实施方式中，心轴41具有布置在心轴上的锯齿形螺纹80，并且夹头指部16具有配合螺纹81以与锯齿形螺纹80接合。当螺纹81和夹头头部18在锯齿形螺纹80上方移动时剪切带30将破裂。

在图4中，更加详细地示出了锯齿形螺纹80。当施加设定力时，在期望增加接触表面积并且由此降低在离散位置处见到的应力的情形中，锯齿形螺纹可能是有利的。锯齿形螺纹80的间隙侧角度（非承载牙侧角，clearance flank angle）82应该大于45°，并且压力侧角度（pressure flankangle）84应该小于7°，以确保轴向力通过接合的夹头指部16转化为作用在剪切带30上的向外的力。此外，螺纹高度86与螺距88的比率应该小于1：2，以便防止过大的力施加到夹头头部18。对于所述的实施方式来说，锯齿形螺纹80具有约70°的间隙侧角度82以及约5°的压力侧角度，并且螺纹高度86与螺距88的比率为1：4。

在操作中，将井下工具40和井下工具释放机构10下降到井2中。当井下工具40在井中到达期望的位置处时，井下工具40在井中的移动被制止。通过使夹头14轴向向上地移动来致动设定工具。设定套筒49将不相对于井移动，并且将邻接上滑动保持件48以如前所述地防止其向上的移动。心轴41的移动致使上滑动保持件48、上滑动楔50和下滑动楔56将封隔器元件压缩成与井孔密封接合，同时上滑动件44和下滑动件46与壳体6接合。

当轴向力施加到井下工具释放机构10时，并且由此施加到夹头14时，达到预定的释放力，夹头指部16通过抵靠心轴41的接合表面滑动而径向地扩张。

在释放之前，防止夹头指部16的径向扩张，或者夹头指部的径向扩张至少被剪切带30限制，以保持夹头14与心轴41接合直到施加释放力。当轴向力施加到夹头14时，经由心轴41与夹头指部16的相互作用而产生径向力。夹头指部16的径向力随着附加的轴向力增加，直到夹头指部16施加足够的径向力来使剪切带30破裂并且将井下释放机构10从井下工具40处释放。使剪切带30破裂所需的径向力将由等于或者超过工具的轴向设定力的力的施加而产生。在一个实施方式中，轴向力的预定等级可以为约25,000lbs，但是在任何情形中都是足够的以确保井下工具40的设定。施加的力的数量将改变，并且将取决于设定在井中的特定工具的设计。

在图5中，描述了可替换实施方式，其中可以称作心轴41a的心轴具有用于接收夹头头部18a的保持凹槽90，并且心轴上不具有锯齿形螺纹。心轴41a可以在全部其它方面与心轴41相同。凹槽90的端部包括上台肩92，该上台肩与凹槽90的表面93向外地成角度。角度94优选地约为45°，并且可以例如是30°至60°。在图5的实施方式中，可以称作夹头14a的夹头具有夹头头部18a，并且在夹头指部16a上不具有螺纹。当施加释放力时，夹头头部18a将在台肩92的上方移动。台肩92可滑动地将施加到夹头14a的向上的力转换成抵靠剪切带30的径向力。在图5的实施方式中，仅上台肩92是成角度的。如果需要的话，夹头头部18a可以在其上端上成角度。图5的实施方式的操作与这里描述的相同。换句话说，夹头14a将会通过剪切带30保持与心轴41a接合，直到施加轴向释放力。由于夹头头部18a与心轴41a的相互作用，释放力将致使夹头指部16a径向扩张，这将使剪切带30断裂并且使心轴41a从夹头14a释放。

因此，可以看出本发明的装置和方法容易实现所述的以及本文中那些内在的目的和方法。尽管为了本公开的目的已经示出并且描述了本发明的一些优选的实施方式，但是本领域的普通技术人员可以对部件的布置和构造以及步骤做出多种改变，这些改变均包含在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种井下工具释放机构，包括：夹头，所述夹头具有用于接合井下工具的心轴的多个夹头指部；以及保持带，所述保持带周向地设置在所述夹头指部周围以用于将所述夹头相对于所述心轴保持在接合位置中，当对所述夹头施加预定大小的轴向力时，所述夹头能够从所述心轴释放。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述井下工具是封隔器。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，施加到所述夹头的预定大小的所述轴向力足以将所述封隔器移动到设定位置。

4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，所述保持带是当施加预定大小的所述轴向力时能够断裂的剪切带。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，每个夹头指部均具有夹头头部；并且所述心轴具有保持凹槽，所述保持凹槽被限定在所述心轴的外表面中以用于接收所述夹头头部。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述心轴保持凹槽的上台肩成角度以便可滑动将施加到所述夹头的所述轴向力转换成抵靠所述保持带的径向力。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述心轴具有限定在所述心轴上的锯齿形螺纹，并且所述夹头指部接合所述锯齿形螺纹，所述锯齿形螺纹能够将施加到所述夹头的所述轴向力转换成作用在所述保持带上的径向力。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述锯齿形螺纹的间隙侧角度是至少45°。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其中，所述锯齿形螺纹的压力侧角度小于7°。

10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述锯齿形螺纹具有约70°的间隙侧角度以及约5°的压力侧角度。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的设备，其中，所述锯齿形螺纹的螺纹高度与螺距的比率小于1:2。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的设备，其中，所述锯齿形螺纹的螺纹高度与螺距的比率约为1:4。

13.一种释放组件，所述释放组件可释放地连接到可设定的井下工具，所述释放组件包括：设定套筒，所述设定套筒能够与设定工具接合；适配器，所述适配器能够与所述设定工具接合并且可释放地连接到所述井下工具的心轴；以及保持带，所述保持带设置在所述适配器周围以用于保持所述适配器与所述心轴之间的连接直到设定力施加到所述可设定井下工具。

14.根据权利要求13所述的释放组件，其中，所述适配器是具有可释放地连接到所述井下工具的所述心轴的多个夹头指部的夹头。

15.根据权利要求14所述的释放组件，其中，所述保持带是设置在所述夹头指部周围的剪切带。

16.根据权利要求14所述的释放组件，其中，所述保持带设置在所述夹头指部周围并且至少部分地是弹性的。

17.根据权利要求14、15或16所述的释放组件，其中，所述心轴具有限定在所述心轴上的至少一个凹槽，以用于接收设置在所述夹头指部的端部上的夹头头部。

18.根据权利要求17所述的释放组件，其中，所述至少一个凹槽是锯齿形螺纹。

19.根据权利要求18所述的释放组件，其中，所述至少一个锯齿形螺纹具有约70°的间隙侧角度、约5°的压力侧角度、以及约1:4的螺纹高度与螺距的比率。

20.一种用于将可设定工具设定在井中的设备，所述设备包括：

设定套筒；

夹头，所述夹头设置在所述设定套筒内，所述夹头包括：

从夹头本体延伸的多个夹头指部；以及

夹头头部，所述夹头头部位于所述夹头指部的下端处，其中所述夹头头部适于接合井下工具的心轴；以及

保持带，所述保持带设置在所述夹头指部周围以用于保持所述夹头与所述心轴的接合，直到对所述夹头施加轴向释放力，所述轴向释放力至少等于将所述井下工具从未设定位置移动到设定位置所需要的设定力。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，当施加所述轴向释放力时，所述心轴将向外地推动所述夹头指部以便使所述保持带断裂。

22.根据权利要求20或21所述的设备，进一步包括限定在所述心轴中的凹槽，所述夹头头部容纳在所述凹槽中，其中所述轴向释放力将所述夹头头部移动到与所述凹槽的台肩接合，以使所述夹头指部径向地扩张以将径向向外的力施加到所述保持带。

23.根据权利要求20、21或22所述的设备，进一步包括限定在所述心轴上的锯齿形螺纹，其中所述轴向释放力沿着所述锯齿形螺纹移动所述夹头指部，以径向地扩张所述夹头指部并且将径向向外的力施加到所述保持带。

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