CN102791955A - 压差井眼工具以及相关使用方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于连接在管柱（702）中的动力头（704），所述管柱悬接于井眼中的地下位置，该动力头用于从井眼中移除碎屑的方法。当动力头处于关闭位置时，沿管柱向下泵送的井流体将流经动力头。当通过将致动器球（718）6a下降到动力头中的阀座上而使得动力头移动至打开位置时，动力头形成沿着环状空间向下的流动，以使载有碎屑的井流体循环到诸如捕捉篮或捕捉筛的捕捉装置中。在打开位置，喷嘴和排泄器形成反向流。

Description

压差井眼工具以及相关使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年1月20日提交的题为“Differential PressureWellbore Tool and Related Methods of Use”的美国临时专利申请61/296,878的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体涉及增强型和改进型的井眼碎屑清除工具以及相关的使用方法。通常，本发明的工具与诸如钻柱之类的管柱连接，以便在潜孔（downhole）井环境中用于从井中移除碎屑。

背景技术

诸如使工具或管道等在井眼中进行磨铣的操作或压裂操作等等井操作产生了碎屑，需要对这些碎屑进行收集，并且从井中移除碎屑。例如，具有铣鞋（mill）的井底钻具组件被制成为具有碎屑收集工具。碎屑收集工具有时被称为垃圾篮（junk basket）、收集器篮或防砂筛（sand screen）。存在各种在不同原理下工作的不同的收集工具。然而，一般地，上述各种工具具有将循环流体与存在于井眼中的钻粉和/或其它碎屑分离的共同目标。在一些工具中，在管柱的下端处形成反向循环，并且反向循环用于将碎屑循环到收集工具中。反向循环通常是利用有时称为动力头的工具形成的，将载有钻粉和/或颗粒材料的流引导到碎屑移除组件中。

垃圾抽取装置和真空装置的示例性及非限制性的实施方案和/或公开内容公开于下面的文献中：U.S.2,915,127、U.S.2,771,141、U.S.2,915,127、U.S.3,023,810、U.S.3,382,925、U.S.4,059,155、U.S.5,176,208、U.S.5,402,850、U.S.5,944,100、U.S.6,176,311、U.S.6,276,452、U.S.6,341,653、U.S.6,962,197、U.S.7,472,745、U.S.2007/0272404A1、以及U.S.2009/0126933A1，这些文献的内容为所有目的通过引用合并于此，如同这些文献的全部内容呈现于本文中一样。然而，本技术领域仍在寻求用以从井中清除碎屑的令人满意的工具。

发明内容

通常，本发明的各个实施方案包括：动力头，其包括中央流道；至少一个排泄器，其具有与中央流道平行的流路；以及至少一个通道口（vent port）。阀能够引导流体通过排泄器并且打开通道口，使得流体可以通过排泄器且进入环状空间中。排泄器被定位成形成低压区，以产生进入碎屑收集组件的反向循环。碎屑收集工具包括改进型清箱（knock-out）过滤组件。

通过下面对优选实施方案进行的详细说明，连同附图和权利要求书，本发明的这些特征和优点以及其它的特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

附图说明

本发明的所有附图都不是按比例绘制的，除非特别指出。应理解的是，这些附图仅描绘了本发明的典型实施方案，因此，不应被视为对本发明范围的限制，将利用附图对本发明额外的特征和细节进行说明，在附图中：

图1是本发明的动力头处于关闭位置的实施方案的剖视图；

图2是图1中的处于打开位置的实施方案的剖视图；

图3是沿图3的线A-A剖切的剖视图；

图4是本发明的能够与本发明的动力头实施方案一起使用的碎屑收集部的剖视图；

图5是本发明的动力头处于关闭位置的可选实施方案的剖视图；

图6A是图5的动力头处于打开位置的剖视图；

图6B是显示处于关闭位置的与图6A的动力头的可选实施方案类似的剖视图；

图7是本发明的碎屑收集部的可选实施方案的剖视图；

图8是图8的碎屑收集部的筛部分的可选实施方案的剖视图示例；

图9是与本发明的碎屑收集部的第三个可选实施方案组装到一起的本发明的动力头的立体图；

图10是图9中的组件的剖视图；

图11是图9中的组件的过滤器部分的剖视图；

图12a和图12b是图9中的组件的清箱部分的实施方案的剖视图；以及

图13是本发明的过滤器部分中的阀的剖视图。

具体实施方式

本说明书仅以举例方式示出特定细节，而且仅用于本发明的优选实施方案的示例性讨论的目的，并且是为了提供被视为是最有利于且最易于理解本发明的各个实施方案的原理和构思方案的缘故而呈现的。在这方面，并未试图比基本理解本发明所必需的细节更详细地显示出本发明的结构细节，结合附图进行的说明使得本领域技术人员可显然知晓在实践中如何可以具体实施本发明的多种形式。

下面的定义和解释并不意味着而且也不旨在控制任何未来的构造，除非在下面的描述中明确且毫无疑义地进行了改进。在术语的构造使该术语无意义或基本无意义的情况下，应当由Webster’s Dictionary,3rd Edition（韦伯斯特词典第三版）来确定定义。定义和/或释义不应当从其它的专利申请、专利或公布中并入（无论相关与否），除非在本说明书中特别指出，或若这种并入对于保持有效性是必要的。

如本文使用的，术语“附接”或其任何字形变化描述并且是指两个物品的至少部分的连接。

如本文使用的，术语“一体”意思是且指的是在组装之后不缺少关键部分。

如本文使用的，术语“流体”是指连续的、无定形的物质，此物质的分子自由地移动而经过彼此并且具有呈现其容器形状的趋势，流体例如为液体或气体。

除了在操作实施例中或者以其它方式指出，表示本发明使用的部件的数量的所有数字应当理解为在所有情形下均以术语“大约”进行修饰。

如本文使用的，“排泄器”是通常具有喷嘴的装置；该装置的输入口用于使流体流过该装置而到达输出口，并且用于形成抽吸通道以将流体抽入抽吸口中从而与在输入通道和输出通道之间流动的流体混合。排泄器包括例如喷射泵和文氏（Venturi）泵。“排泄器轴线”是指喷嘴的中心线。

如本文所使用的，“碎屑捕获器”是用于将固体与井眼流体分离并且包括筛和篮的装置。

本发明的各个实施方案总体提供了增强型压差动力头。在另外的各个实施方案中，本发明的压差动力头可以与各种钻井附件和/或模块化钻井附件一起使用。在一个实施方案中，本发明的压差动力头与诸如但是不限于垃圾篮、滤筛和/或类似工具的井眼清箱工具相关联。压差是通过来自工具和/或生产管道的内径的反向循环流形成的，而不是通过来自生产管道和/或井眼或外壳的外径的流动的操作形成的。流动至少部分是由压差和文氏效应形成的。本发明的各个实施方案使得通过内管来自排泄器的压力最大化。

现在参照附图，其中，在全部的附图中使用相同的附图标记，在图1-图3中示出了布置于地下井眼105中的本发明的动力头110的实施方案。在图1中，示出动力头110处于关闭位置；在图2中，示出动力头110处于打开位置。动力头110的可选实施方案能够包括为特定钻井方案或钻井工序所需的其它各个部分或区段。在各个实施方案中，诸如上部分件（upper sub，图4中示出了其实施例）之类的另外的钻柱分件或零件也连接到一起。

在各个实施方案中，动力头110包括管状构件25，管状构件25限定轴向延伸的流路102和位于管状构件25的壁中的通道口150。管状构件25在其端部上具有用于连接与管柱中的流体连通的动力头的器件，诸如螺纹。动力头110进一步包括阀组件30；阀组件30位于管状构件25中，以在管状构件25中沿轴向在打开位置和关闭位置之间滑动。通常，当处于关闭位置的通道口150被阻断时，在动力头的内部和井眼105的管道环状空间之间不连通。在打开位置，通道口150打开。

阀组件30的本体包括上部构件142、至少一个排泄器155和偏转器基座175。阀组件30具有围绕轴向延伸的通路156的球形致动器球阀座132。应注意的是，阀座132位于旁通口线路115的下游和抽吸室124的上游。排泄器喷射喷嘴122可移除地安装（螺纹连接）到上部构件142中，使排泄器管道155与排泄器喷射喷嘴122对准。喷嘴下方的开放式空间形成抽吸室124。在优选的实施方案中，存在六个排泄器，但是对于动力头运作而言仅需要至少一个排泄器。如图所示，排泄器不仅使用了平滑汇聚式的外形，而且在优选的实施方案中，汇聚式的外形与平滑发散式的外形相结合。这些外形对于含有固体的井流体而言是有利的。偏转器基座175具有轴向延伸的流体流路162和渐缩式的上表面164。偏转器基座被安装成通过上方构件142而在管状构件25中轴向滑动或移位。在图1中，偏转器基座175被示为处于关闭位置，通过通道口150的流动被阻断，并且通过排泄器管道155的流动被阻断。一对轴向间隔开的密封件158安装到偏转器基座175中，以与管状构件25的内壁形成密封，从而将通道口150与流体流路102隔离。在各个实施方案中，排泄器喷射喷嘴122的至少一部分具有涂层。

通过在基座和上方构件之间延伸的螺栓211（图3中示出）将排泄器管道155夹在上方构件142和偏转器基座175之间。在该实施方案中，能够容易地移除排泄器以进行维护。另外，能够通过改变排泄器和喷嘴的长度和形状来针对特定应用定制动力头。上方构件142、排泄器管道155和偏转器基座175的组件能够通过剪切销176或凹槽（未示出）或类似构件/结构而被可释放地保持在管状构件25中的适当的关闭位置或打开位置。在各个实施方案中，阀组件30在管状构件25中形成过盈配合。

旁通口线路115可大致处于从内部流路102延伸到排泄器喷射喷嘴122的取向上。在一个实施方案中，旁通口115按照与流体流路成大约九十（90）度的角度张开。在可选的实施方案中，旁通口按照与流体流路成大约120度的角度张开。在可选的实施方案中，旁通口按照与流体流路成大约135度的角度张开。在可选的实施方案中，旁通口按照与流体流路成大约150度的角度张开。在可选的实施方案中，旁通口按照与流体流路成小于大约150度的角度张开。通常，只要不过度阻碍流体流路，任意角度都是可接受的。

阀座132适于接纳致动球或球形阀元件120（示于图2中）。在各个实施方案中，球形阀元件120从动力头110上方的井口装置被释放到流体流路中并且进入内部轴向通路156中。应理解的是，可以使用其它形状的阀元件，唯一重要的是，阀元件与阀座配合以阻断流体通过所述阀座。通常，球120是从地面或地面的周围释放的。然而，也可与本发明的各个实施方案一起，使用用于存储和/或释放球120的其它结构，诸如阀座132上方的搁板或搁架。当球120位于阀座132上时，通过轴向通路156的流体路径147被阻断，并且流体沿管柱向下泵送到动力头110中，动力头110将流体转向到旁通口线路115内并且通过排泄器喷射喷嘴122。在其它各个实施方案中，剪切销176将动力头保持在关闭位置或打开位置。通常，在关闭位置，在动力头的内部和井眼105的管道环状空间之间不连通。

如上所述，当球120位于阀座132上时，阻止在管柱中流动的井流体流过轴向通路156。随着流体压力增大，阀组件30和剪切销176移位或被迫下行到图2所示的打开位置处。这使得偏转器基座175移动到通道口150的下方，从而打开通往管状构件25的环状空间的排泄器排放路径。

在打开位置处，井流体转向到排泄器喷射喷嘴122中并且通过排泄器喷射喷嘴122。在各个实施方案中，排泄器管道155和排泄器喷射喷嘴122可具有多种形状、体积和/或长度。流过排泄器喷射喷嘴122的井流体通过增加速率并且降低流动的井流体的压力来为排泄器提供动力。结果，在抽吸室124中形成局部真空。井流体通过抽吸室，从而使多种流体混杂于抽吸室中。井流体之间的摩擦使得抽吸室被排空。这使得抽吸室中具有较低的压力，从而将额外的流体从流体通路162的位于球阀120下方的部分“拉”到或泵送到抽吸室中。增压流体通过排泄器喷射喷嘴122、进入抽吸室124并且通过排泄器管道155，在抽吸室中形成抽吸力（文氏效应），使得动力头下方的管柱中的任意井流体将沿着流体通路162被抽入室中且由此处连同来自排泄器喷射喷嘴122的流体一起进入排泄器管道155中。然后，混合物沿着流体流路或流体路径109通过排泄器的侧壁平滑发散式的梢部，在此处流体的动能被转换回压力。然后，组合的流体离开排泄器并且沿着流路112被导入井眼中。

在各个实施方案中，存在围绕流体通路162被周向布置的一个或多个排泄器。在可选的实施方案中，存在径向对称地布置在流体流路162周围的多个排泄器。在一个实施方案中，存在围绕流体通路162的至少两个（2）排泄器。在一个可选实施方案中，存在周向围绕流体通路162的至少三个（3）排泄器。在另一个可选实施方案中，存在围绕流体通路162的至少四个（4）排泄器。在又一个可选实施方案中，存在围绕流体通路162的至少五个（5）排泄器。在再一个可选实施方案中，存在围绕流体通路162的至少六个（6）排泄器。在进一步的可选实施方案中，存在围绕流体通路162的至少七个（7）排泄器。在进一步的可选实施方案中，存在围绕流体通路162的至少八个（8）排泄器。通常，可以使用任意数量的排泄器来优化真空效应和/或排泄器效应和/或压差效应。

通常，在操作方法中，参照图1，钻井流体（钻井液，drilling fluid）沿着流体流路102循环而通过动力头110。当动力头110处于关闭位置时，钻井流体从流路102流过流体通路162而到达柱底部的钻头或铣鞋。在磨铣操作期间或者当期望进行钻粉和/或碎屑移除时，球120下降以抵靠阀座132（如图2所示）。钻井流体的持续泵送使得管状构件25中的压力升高，其中，阀组件30被推动而在潜孔中滑动，直到排泄器排放口与通道口150对准，由此通过将流体流路从流路102重新引导至流路112，而使钻井流体得以流入井眼的环状空间中。如上所述，通过排泄器喷射喷嘴122和排泄器管道155的流动使得流体沿着流体流路102从动力头110下方沿管柱向上流动并且进入抽吸室124中。

在各个实施方案中，排泄器管道155呈锥形。在各个实施方案中，可以通过循环和/或再循环实现诱喷（induced flow）。在一个实施方案中，排泄器管道155为发散式以诱导钻井流体的流动。在可选的实施方案中，排泄器管道155为发散式以诱导钻井流体的流动。在可选实施方案中，排泄器管道设置有汇聚式的和发散式的表面来诱导钻井流体的流动。在可选的实施方案中，排泄器管道155具有多个汇聚流区域和发散流区域以诱导钻井流体的流动。通常，在本发明的实施方案中可以使用不同的汇聚区域和发散区域。

在各个实施方案中，沿着排泄器轴线通过排泄器管道155的钻井流体流路109与流体流路102基本平行。在各个可选的实施方案中，通过排泄器管道的钻井流体流与流体流路102近似平行。通常，通过排泄器管道155的钻井流体流109在方向上与流体流路102相关。

重新定向的钻井流体流的至少一部分沿着流体流路109在高压下流动，并且通常通过抽吸室124进入流路109而压力降低。通常，本发明的流体流路中的压力取决于流路的体积和/或表面积。通常，本发明的各个实施方案所能实现的压差可用于提升碎屑和/或钻粉和/或其它物品。

图3是沿着图2的线3-3剖切而得的示意图。可以看出，多个螺栓211、喷嘴122和排泄器管道155围绕流路102。

图4示出了要与本发明的动力头一起使用的碎屑收集组件330的实施方案，碎屑收集组件330包括清箱件（knock-out）340、管状收集室或篮360以及螺纹连接到篮360底部的下部分件（或螺纹接管）335。可移除组件362包括面板（faceplate）或基座336、第二管或内管372以及稳固器341，可移除组件362位于收集室或篮360中。可移除内管组件362在下部分件335和篮360之间保持就位。内管372在其上端处具有开口345，流体通过开口345流入室360中。内管372优选地具有开口端，但是也可采用其它构造，诸如在内管的上端周围的多个开口。根据本发明的特征，下部分件可以拆除，并且管组件362可被移除以冲走篮360中收集到的碎屑。

第一室338和筛保持架339包括上部组件310并且位于第二或内管组件362的上方。另外的实施方案包括管状通道368和/或延伸部371。当动力头处于打开位置（再循环模式）时，流体沿着流体路径301上流至碎屑收集组件330中并且进入内管372内。通常，流入内管372的钻井流体载有需要与钻井流体分离的碎屑和/或钻粉。钻井流体向上通过第二内管372并且流过清箱件340。清箱件340使较大的碎屑和/或钻粉落入收集室或篮360中。流体和较小的碎屑通过清箱件340中的开口或通路364。在与磨铣操作结合使用的碎屑收集组件330的一个实施方案中，碎屑收集组件330能够加长或重复，这取决于要在其中进行井眼操作的钻井套管的长度。

钻井流体将沿着流体路径306继续向上流过碎屑收集组件330而进入本发明的动力头中。在各个实施方案中，钻井流体经过筛保持架339以移除其它碎屑和/或钻粉。在各个实施方案中，清洁后的钻井流体的至少一部分将循环回到井眼内用于钻井操作。

图5和图6A示出了动力头225的可选实施方案，动力头225包括壳体226，阀组件228安装到壳体226中。壳体226包括环形肩台部226b和缩型内径部226a，缩型内径部226a中设有通道口250。阀组件228包括三件式上部构件234、排泄器255和基座偏转器230，上部构件234、排泄器255和基座偏转器230由螺栓211保持到一起。上部构件234包括球导部234a、阀部234b和排泄器稳固器234c。球导部234a包括阀座232并且安装有排泄器喷嘴222。当动力头移动至打开位置时（示于图6A），偏转器230上的肩台236接合缩型内径部226a，从而将阀组件228与通道口250适当地对准。

在图6B中，动力头225的可选实施方案被示出处于致动位置。在该实施方案中，第二阀组件250安装到壳体226中，处于阀组件338的上方；并且旁通口252形成在壳体226的壁中。阀组件250包括阀体254和环形密封件256，密封件256抵靠壳体226的内壁形成密封。阀座258形成在本体224上轴向通路260的周围。阀座的尺寸和形状适于接纳阀元件，在所示实施方案中，阀元件为球262。通路260的尺寸和形状允许球220从中通过。阀体254安装到壳体226中，以在箭头D的正向和反向上沿轴向滑动。在使用时，第二阀组件可放置到井中的运行位置处（未示出），即，使得阀体254提升至阻断流通过端口（即旁通口）252的位置。可利用剪切销或类似部件将阀体254保持在提升后的位置。当需要阻断流体通过动力头225并且打开端口252时，大的阀元件（致动器球264）被泵送到阀座258上，并且阀体254被迫下滑至图6B中所示的致动位置。阀组件250能够用于使井流体通过端口252循环进入管柱或者从管柱中循环出来。阀组件250使得动力头225能够在打开条件下下放到井中，然后通过致动阀组件250来禁止动力头225下放。

图7是模块化碎屑收集装置500的可选实施方案的剖视扩展图，其中的止回阀532能够与本发明的各个实施方案一起使用。通常，第一碎屑收集部510包括内管512和扩展区域515，第一碎屑收集部510用于从钻井流体中移除较大的碎屑。随着钻井流体向上流，内管512扩展到区域515中，并且将其积聚的碎屑的一部分释放到收集室517中。

最终，收集室517填满并且需要清洁。本发明的各个实施方案使用了具有凹部522的处理分件（handling sub）520，使得凹部522由钻探场所的现有的钳子和/或工具来抓紧。因此，分件520可与已经分离和排空的钻柱和收集室517分开，从而节省宝贵的钻井时间。

用于移除诸如但不限于砂和促进剂（proppant）的颗粒物质的独特滤砂分件（sand sub）530能够与本发明的各个实施方案附接以增强井清除工序。滤砂分件530通常包括网部539、内管572、碎屑收集室537、基板534以及止回阀532。止回阀532可被构造为在反向流动期间打开而在正常循环期间关闭。多个另外的实施方案包括用于在正常循环期间操作的端口（未示出）。

图8是能够与本发明的滤砂分件630的各个实施方案一起使用的可选的止回阀的示例，滤砂分件630包括细长的碎屑收集室637、止回阀632、网部639、内管672和基板634。通常，流体被选择成在循环和或反向循环期间在止回阀632周围流动。

在图9和图10中示出了本发明的碎屑收集组件700的另外的可选实施方案，其构建于管柱702（包括钻井管）中。管柱702具有与碎屑收集组件连通的内部通路703。碎屑收集组件700包括：动力头组件704、钻井管筛706、上处理段708、筛组件800、下处理段712和清箱组件900。包括螺纹接管710、714和722以适于螺纹套接并且关闭组件的底部。尽管在图示的配置中，组件700包括例如各个部件中的仅一个部件，但可预想的是，如果需要，可以串联地组装多于一个的清箱筛。应当注意的是，处理段具有与钻井管相关的构造（尺寸和形状），使得组件700的处理段可由钻机上相同的钳子和/或工具或者如钻井管上使用的那些维修钻具来抓紧并操纵。处理段具有如下长度：当与过滤器或清箱组件中的一个组装到一起时，能够像钻井管的分段一样来处理处理段。例如，处理段712的组合长度被选择成，使得当与清箱组件900和螺纹接管722连接时，得到的组件为大约30英尺长，从而使该组件可构建于管架上或者从井中取回，放置于管架上并且进行拆卸和排空，而无需绑缚到钻具设备上。类似地，处理分件或分段708的组合长度被选择成，使得当与滤筛组件724和螺纹接管712附接时，得到的组件为大约30英尺长，并且能够作为单一长度的管来处理。这同样适用于组装到一起的动力头工具704和钻井管筛706的长度。碎屑收集组件700可具有90英尺的长度，允许像处理三段钻井管一样来处理该组件。

动力头704可具有本文所述的任意构造。动力头704连接至钻井管702的段及其通路703。通过使致动球718流到动力头704中的阀座上，来打开排放口716。球718也使来自钻井管702的流体转向、通过排泄器720以及出口716而进入在碎屑收集组件700和井眼壁之间形成的环状空间中。排泄器720形成低压区，这反过来使得井流体流入管柱702的底部并且通过清箱组件900和筛组件800上流至通道703。在清箱组件900和筛组件800中，从井流体中移除碎屑。

在图11和图13中示出了筛组件800的细节。筛组件800包括筒状壳体810，筒状壳体810在其下端812处具有外螺纹以与下处理段712连接，而且在其上端814处具有内螺纹以与上处理段708连接。在该实施方案中，除去了图10所示的螺纹接管714。基座840安装到筛组件800的下端处，并且在相对的环形肩台部816、818之间保持就位。基座840呈平坦垫圈的形状，使中央流路842延伸而通过其中。内速率管820安装到基座840上，并且从基座840沿轴向伸出。内速率管820具有筒形形状，并且具有适于围绕中央流路842的周边装配的尺寸。速率管820的上端822是打开的。

筒状筛830从基座840伸出并且在内速率管820的周围形成环状空间832。在本实施方案中，筛830被图示为丝筛，但是可预想的是，可以使用其它类型的碎屑筛。在壳体810和筛830之间形成有第二环状空间834。帽件860关闭筒状筛830的上端。多个轴向延伸的间隔件850附接至筛830的外部以提供支撑。

溢放阀870安装到帽件860中。溢放阀870的细节示于图13中。溢放阀870包括阀元件872、阀杆874、压缩弹簧876和阀保持架878。如图所示，弹簧876推动阀元件872抵靠帽件860，以关闭过滤器830的顶部。当过滤器830变成载有碎屑时，过滤器830内部的流体压力将克服弹簧876的弹力，并且提升阀元件872而使其离开帽件860，从而允许流体绕过过滤器830。如图所示，能够通过转动带螺纹杆874上的螺母879，来调节由弹簧876和阀元件872施加的力。

在正常操作时，含有碎屑的井流体通过管道820流入筛组件800中。进入环状空间832的流体由于流过筛830且进入环状空间834中而被过滤。随着井流体被过滤，碎屑积聚在环状空间832中，并且过滤器流体经由上处理段708离开筛组件800。根据本发明的特征，当下处理段712（螺纹接管714）与壳体810断开时，基座840、管道820和筛830的组件能够沿轴向从壳体810上被移除以进行清洁或维修。

在图12a和图12b中示出了清箱组件900的细节。清箱组件900包括筒状壳体910，筒状壳体910在其下端912处具有外螺纹而在其上端914处具有内螺纹。内速率管920从基座930轴向伸出并且与基座930连接。管道920与壳体910的内部形成碎屑收集环状空间926。基座930安装到壳体910和螺纹接管722上的相对的肩台之间。稳固器922安装到管道920的外部，以使管道920在壳体910内居中。多孔偏转锥状件（或称“清箱件”）940安装到管道920的开口端924的上方。通路932与管道920的内部连通。在操作时，井流体进入清箱组件900，或者从速率管920朝向偏转锥状件940排放，其中较大的碎屑沿径向被偏转，从而回落到环状空间926中。能够通过使螺纹接管722解除螺纹连接来简单地移除清箱组件900。

根据本发明的特定特征，筛和清箱组件的长度能够扩展，或者能够相互结合地使用多个组件，这取决于井场处存在的条件。如果预期有额外量的碎屑，则清箱段的长度可以扩展。如图12b所示，壳体910使用配合螺纹910a来增加第二壳体段910b。在管道920b的某段中使用两个套环920a、920c来将速率管920d增加到管920上。通过这种方式，可将一个或多个段增设到清箱组件900上以容置较大体积的碎屑。通过类似的方式，能够根据需要来扩展筛组件800。

在使用时，可利用诸如链式动力钳和管道扳手或水平浸渍单元的动力手工工具，来使各个组件的螺纹接管与诸如管架的井钻具连接和分离。例如，可借助动力手工工具来附接或移除螺纹接管722，以对清箱工具900进行组装和拆卸，并且不需要使用钻具地板设备。例如，当为了清洁而期望拆卸清箱工具时，由于利用钻机地板上的动力钳（power tong）使得工具从井中被移除（或者插入井中），而且螺纹接管被移除，并在管架上对清箱工具进行清洁，所以螺纹接管的上扣扭矩（makeup torque）可以突然撤除（或者施加），而无需绑缚钻具。这同样适用于螺纹接管714和滤筛组件800。在将各种工具组件放置到钻柱中并且下放到井眼中之后，如本文所述地使用这些工具。当工具组件从井眼中被移除时，使用钻具来使工具组件与管柱解耦合或分离。如上所述，这些组件被设计为像管段一样从井中被移除。螺纹接管722、清箱组件900和处理分件712的组合式组件作为一个单元而从管柱中被移除。整个单元可随后远离钻具被放置，诸如放置到管架上或其它位置，从而使钻具可用于其它用途。然后，利用动力手工工具而不是钻具设备来移除螺纹接管722。随后可容易地对可移除的面板、内管和稳固器进行清洁。类似地，筛式过滤器组件和动力头组件能够与钻柱或管柱解耦合，被移除到管架上或其它区域，然后被拆卸以进行清洁。本文所使用的术语“螺纹接管”或“下部分件”等表示管道的一段，管道的该段具有贯通流路且与工具壳体的端部可移除地附接，例如像螺纹接管714和722以及下部分件301之类。

尽管已经示出并且描述了本发明的特定实施方案，对于本领域技术人员来说多个变型例和可选的实施方案将是显而易见的。因此，本发明旨在仅受随附权利要求书的条款限制。

由于所公开的实施例仅为示例性的而非限制性的，可在不偏离本发明的情况下以其它具体形式来实施本发明。因此，本发明的范围由随附的权利要求书来确定，而不是由前面的说明书确定。落在权利要求的等同内容的含义和范围内的对权利要求书做出的全部改动均应包含在其范围内。此外，本文提到的全部公开的文件、专利和申请通过引用合并于此，如同它们的全部内容呈现于本文中一样。

Claims (23)

1.一种适于在管柱上下放到井眼内的井眼工具，所述工具包括：

细长的管状构件，其在两端处开口，上游端适于与所述管柱连接，内部流体通道从所述管状构件的所述上游端延伸到所述管状构件的开口的下端，所述管状构件的壁中的排放口在所述内部流体通道和所述管状构件的外部之间延伸；

阀体，其安装在所述管状构件中，以在所述管状构件中在阻挡流体通过所述排放口的关闭位置和允许流体通过所述排放口的打开位置之间沿轴向移动，所述阀体具有延伸贯通所述阀体的阀流体通道以及仅当所述阀处于所述打开位置时延伸到所述排放口的排泄器通道；以及

面向上游的阀座，其在所述阀体上围绕所述阀流体通道，所述阀座的尺寸和形状适于接纳用以阻挡流体通过所述阀流体通道的阀元件，以将所述阀体移位至所述打开位置。

2.如权利要求1所述的工具，其中，排泄器具有输入口、抽吸口和输出口；所述阀体中的输入流体通道将所述排泄器的输入口与所述内部流体通道连接；所述阀体中的抽吸通道将所述排泄器的抽吸口与所述内部流体通道连接；并且当所述阀体处于所述打开位置时，所述阀体中的输出通道将所述排泄器的输出口与所述排放口以流体连通的方式连接。

3.如权利要求1所述的工具，还包括：剪切销，其将所述阀体保持在所述打开位置。

4.如权利要求1所述的工具，其中，所述管状构件为筒形，而且所述流体通道被居中定位。

5.如权利要求1所述的工具，其中，所述阀体中安装有多个排泄器，所述多个排泄器围绕所述流体通道被周向间隔开。

6.如权利要求1所述的工具，其中，所述阀座为半球形。

7.如权利要求1所述的工具，还包括：阀元件，其接合所述阀座并且阻挡流体通过所述流体通道。

8.如权利要求7所述的工具，其中，所述阀元件为半球形。

9.如权利要求1所述的工具，其中，所述输入通道在所述阀座上游的位置与所述内部流体通道流体连通。

10.如权利要求1所述的工具，其中，所述抽吸通道在所述阀座下游的位置与所述内部流体通道流体连通。

11.如权利要求1所述的工具，其中，排泄器包括与所述内部流体通道平行的喷嘴轴线。

12.如权利要求1所述的工具，其中，排泄器为喷射泵。

13.如权利要求1所述的工具，进一步包括：碎屑捕获器，其连接至所述工具的所述下端。

14.如权利要求13所述的工具，其中，所述碎屑捕获器包括：细长工具壳体，其具有使井流体流过所述壳体的内部通路，所述壳体具有入口和出口，所述壳体适于连接在管柱中；细长筛构件，其位于所述壳体中，在所述壳体和所述筛之间限定第一环状空间；以及内管，其与所述壳体的入口流体连通，所述内管位于所述筛构件内并且在所述内管和所述筛构件之间限定第二环状空间，所述内管的一端与所述壳体的入口流体连通，所述内管用于将流体流从所述壳体的入口引导到用于从所述流体中捕获碎屑的所述第一环状空间中。

15.如权利要求13所述的工具，其中，所述碎屑捕获器包括：限定内部通路的细长壳体、清箱构件和可移除分组件；所述清箱构件紧邻所述细长壳体的上端被定位，并且能操作以将井流体中的碎屑引导到所述内管和所述壳体之间的所述环状空间中；并且所述可移除分组件包括细长内管，所述细长内管位于所述壳体内，由此在所述内管和所述壳体之间限定环状空间；面板，其可移除地附接至所述壳体，所述面板用于阻挡来自所述内管和所述壳体之间的环状空间的下端的流体流，所述面板中具有入口通道，所述入口通道用于将流体流引导到所述内管的内部中。

16.如权利要求1所述的工具，其中，所述阀体包括：

中央流体通道，其延伸贯通所述阀体中心；

多个排泄器，其位于所述中央流体通道的外部，并且与通过所述阀体的流体成平行关系延伸；

喷嘴，其位于所述排泄器通道中，且具有当流体经过所述排泄器通道时形成低压区的尺寸和形状；而且

所述阀体安装到所述管状构件中，以在阻挡流体流过所述排放口的位置和将所述管状构件端口与所述排泄器连接的位置之间沿轴向移位。

17.一种使用流工具来形成从井眼到碎屑捕获器的含碎屑流的方法，所述碎屑捕获器在管柱中被组装于所述工具的下方，所述方法包括如下步骤：

提供一种流工具，所述工具具有在所述工具的两端打开的内部通道和排泄器通道；

将所述工具与管柱连接，所述内部通道与所述管柱流体连通；

将所述管柱中的碎屑捕获器连接到所述流工具的下方；

将所述管柱在所述井眼中定位，并且沿所述管柱向下泵送井流体以流过所述工具且进入所述碎屑捕获器内；

此后，阻挡所述内部通道；

打开所述工具的壁中的排放口；以及

使流体流过所述排泄器通道、通过所述排放口进入所述井眼、并且沿着所述流工具环状空间向所述井眼下流动、且进入所述碎屑捕获器内。

18.如权利要求17所述的方法，还包括如下步骤：使阀体在第一位置和第二位置之间沿轴向移动，在所述第一位置，阻挡通过所述工具的壁中的端口的流动，并且在所述第一位置，进入所述工具的全部流体流过所述工具中的内部通道而且进入所述碎屑捕获器；在所述第二位置，全部的流动被引导通过所述排泄器通道和所述工具的壁中的端口。

19.如权利要求17所述的方法，其中，所述移动步骤还包括：在形成进入所述碎屑捕获器的流动的同时，将井流体泵送通过所述排泄器通道并且进入所述井眼内。

20.如权利要求17所述的方法，其中，所述阻挡步骤包括：将可移动阀元件与围绕所述内部通道的面向上方的阀座接合，以将来自所述管柱的流转向到所述排泄器通道中。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：使流体从排泄器输入口流到排泄器输出口，以在排泄器抽吸口形成低压，由此使流体从所述内部通道流到所述排泄器通道中。

22.如权利要求17所述的方法，其中，所述打开所述工具的壁中的排放口的步骤包括：将可移动阀元件与围绕所述内部通道的面向上方的阀座接合以阻挡流动，由此使构件沿轴向移位以免阻挡所述排放口。

23.如权利要求1所述的方法，还包括：位于所述管状构件的壁中的旁通口、安装到所述管状构件中的第二阀体，所述第二阀体在所述管状构件中沿轴向于运行位置和控制位置之间移动，在所述运行位置，阻挡通过所述排放口的流动，在所述控制位置，在允许通过所述旁通口的流动同时阻挡通过所述阀流体通道和所述排放口的流动。

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