CN112534115A - 具有用于响应静水压力而扩张的大气室的扶正器 - Google Patents

Abstract

一种用于井筒中的扶正器，包括：主体，该主体围绕套管柱或衬管柱的外围布置，该主体具有朝向扩张位置偏置的多个弓形弹簧；芯轴，该芯轴围绕套管柱或衬管柱的外围布置；活塞，该活塞围绕芯轴布置并且可在锁定位置和释放位置之间移动；多个卡爪，每个卡爪安装到相应的弓形弹簧或与相应的弓形弹簧一体形成，并且在锁定位置由活塞捕获，从而将弓形弹簧保持在缩回位置；大气室，该大气室形成在活塞和芯轴之间；以及紧固件，该紧固件用于在锁定位置将活塞可释放地连接到芯轴。

Description

具有用于响应静水压力而扩张的大气室的扶正器

公开背景

技术领域

本公开总体上涉及一种扶正器(centralizer)，该扶正器具有用于响应静水压力而扩张的大气室。

相关技术描述

US 4,523,640公开了一种测井仪器(well logging instrument)，其包括支撑一个或更多个臂构件的主体构件，臂构件可以抵靠钻孔的侧壁向外偏压。在通过热敏保持构件进入钻孔期间，臂构件可以靠近主体构件保持在关闭位置。当仪器暴露于钻孔温度时，热敏保持构件将在预选的温度范围内释放臂构件，以允许臂构件从主体构件向外扩张成与钻孔的侧面接触。

US 5,097,905公开了一种用于井套管的扶正器，该扶正器包括固定到套管的带有外螺纹的上部锚固件、螺纹连接到上部锚固件的上部套环、固定到套管的下部锚固件、抵靠所述下部锚固件支承的下部套环以及在套环之间延伸的多个相对柔性的金属条带。当套管下入井中时，扶正器装配在一段井套管上。当套管到达其最终深度时，旋转套管，使得锚固件随着套管一起旋转，而由于条带与井筒接合，套环和条带保持静止。当套管这样旋转时，上部套环沿着上部锚固件的螺纹朝向下部套环移动，下部套环的轴向移动被下部锚固件阻止。这迫使条带远离套管向外鼓出，从而将套管推向钻孔中心。

US 5,261,488在图18和图18A以及第7栏第40行至第8栏第2行公开了一种扶正器，该扶正器由条带限制在缩回位置中，该条带由静水压力控制的活塞释放。

US 8,360,161公开了一种安装在管子上的温度激活致动器，以用于致动相邻的装置，该致动器可以包括一个或更多个形状记忆合金元件。这些元件可以联接在装置的第一部分和第二部分之间，或者这些元件可以联接在管子和装置的一部分之间。通过将温度升高到转变温度以引起冶金相变，从而使元件收缩并移位装置的至少一部分来激活元件。该致动器可用于例如将扶正器从下入模式(run-in mode)致动到展开模式(deployed mode)，或者可替代地，将填料构件(packing member)从下入模式致动到隔离模式。例如，镍钛合金可以用作制造形状记忆元件的形状记忆合金材料。

US 9,580,976公开了一种扶正器组件，其允许该组件在原位展开。扶正器组件包括柔性构件，该柔性构件可以通过气体发生装置的启动而在原位延伸到井筒中。与传统弓形弹簧相比，扶正器组件可以支撑大的负载承载能力，而很少或没有安装阻力。此外，可以产生更大的移位，以使极其倾斜的套管居中。

US 2015/0034336公开了一种扶正器，该扶正器具有弓形弹簧，弓形弹簧处于缩回位置，以便于穿过限制器。在穿过限制器之后，弓形弹簧可以扩张以支撑套管。在一个实施例中，弓形弹簧可以使用可移动套筒来扩张。

公开概述

本公开总体上涉及一种扶正器，该扶正器具有用于响应静水压力而扩张的大气室。在一个实施例中，用于在井筒中使用的扶正器包括：主体，该主体围绕套管柱或衬管柱(casing or liner string)的外围布置，该主体具有朝向扩张位置偏置的多个弓形弹簧；芯轴，该芯轴围绕套管柱或衬管柱的外围布置；活塞，该活塞围绕芯轴布置并且可在锁定位置和释放位置之间移动；多个卡爪(dog)，每个卡爪安装到相应的弓形弹簧或与相应的弓形弹簧一体形成，并且由在锁定位置由活塞捕获，从而将弓形弹簧保持在缩回位置；大气室，该大气室形成在活塞和芯轴之间；以及紧固件，该紧固件用于在锁定位置将活塞可释放地连接到芯轴。

附图简述

因此，可以详细地理解本公开的上述特征的方式、上面简要概述的本公开的更具体的描述可以通过参考实施例来获得，其中一些实施例在附图中被图示。然而，应当注意，附图仅图示了本公开的典型实施例，并且因此，不应被认为是对本公开范围的限制，因为本公开可以允许其他同等有效的实施例。

图1示出了根据本公开的一个实施例的配备有多个扶正器的套管柱或衬管柱，每个扶正器具有用于响应静水压力而扩张的大气室。

图2A、图2B和图3A示出了处于缩回位置的扶正器中的一个典型的扶正器。

图2C、图2D和图3B显示了处于扩张位置的扶正器中的一个典型的扶正器。

详细描述

图1示出了根据本公开的一个实施例的配备有多个扶正器2a-2e的套管柱或衬管柱1，每个扶正器具有用于响应静水压力而扩张的大气室8(图3A)。扶正器2a-2e可以各自沿着套管柱或衬管柱1的至少一部分安装到套管柱或衬管柱1，该套管柱或衬管柱1将被固结到井筒中(未示出)。扶正器可以沿着套管柱或衬管柱1的该部分以规则的间隔间隔开。每个扶正器2a-2e可以最初被限制在缩回位置(扶正器2a-2c)，并且可以响应于在井筒中被降低超过致动深度3而致动到扩张位置(扶正器2d、2e)。每个扶正器2a-2e可以被设置成在相同的致动深度3处致动到扩张位置，或者扶正器可以根据其沿套管柱或衬管柱1的位置而被设置成不同的深度。使扶正器2a-2e处于缩回位置减少了将套管柱或衬管柱1下入井筒时的摩擦阻力，和/或可以防止因扩张的扶正器刮擦敏感部件(例如，井口的密封孔)而造成的损坏。

图2A、图2B和图3A示出了处于缩回位置的扶正器2a-2e中的一个典型扶正器2。典型的扶正器2可以包括一对套环4p、4w、主体5、多个卡爪6、活塞7p、芯轴7m、大气室8、可剪切紧固件9和锚固件10。主体5可以具有一对端环5p、5w和在该对端环5p、5w之间延伸的多个弓形弹簧5b。弓形弹簧5可以以规则的间隔围绕主体5间隔开(所示出的是八个弓形弹簧以四十五度的间隔间隔开)。旁路通道可以形成在弓形弹簧5b之间，以容纳流动通过形成在套管柱或衬管柱1和井筒之间的环形空间(annulus)的流体。弓形弹簧5b可以彼此相同，并且可以在扩张位置(图2C、图2D、和图3B)和缩回位置(所示出的)之间径向地移动。弓形弹簧5b可以在扩张位置具有抛物线形状。

主体5可以在从扩张位置移动到缩回位置时纵向地延伸，并且在从缩回位置移动到扩张位置时纵向地收缩。弓形弹簧5b可以自然地朝向扩张位置偏置，并且扶正器2的扩张直径可以对应于井筒的直径。弓形弹簧5b与井筒的壁的接合可以使套管柱或衬管柱1朝向井筒内的中心位置移动，以确保在固井施工(cementing operation)期间在套管柱或衬管柱1周围形成均匀的水泥壳(cement sheath)。主体5可以由单片弹簧钢通过切出狭槽以形成条带而形成，条带将成为弓形弹簧5b。通过轧制切割的片材并将端环5p、5w的接缝焊接在一起，主体5可以形成管状形状。弓形弹簧5b可以通过在主体5的热处理期间保持在主体5中而具有朝向扩张位置的自然偏压。

在主体5已经形成之后，每个套环4p、4w可以插入到相应的端环5p、5w中。每个套环4p、4w可以在端环5p、5w内形成紧密配合。然后，每个套环4p、4w可以点焊到相应的端环5p、5w。每个端环5p、5w的延伸超过相应套环4p、4w的唇缘可以被分割成多个凸片(在套环插入之前或之后)，并且凸片可以在相应套环上弯曲，从而将套环安装到主体5(除了点焊之外)。锚固件10可以包括锁定环10r和多个定位螺钉(set screw)10s。锁定环10r可以具有穿过锁定环的壁形成并在锁定环周围间隔开的多个螺纹座(threaded socket)。定位螺钉10s可以被打入螺纹座中，并与套管柱或衬管柱1的外围接合，从而将锁定环10r安装到套管柱或衬管柱。在扶正器2在套管柱或衬管柱1的外围上滑动之前，通过穿过弓形弹簧5b之间的狭槽之一插入，锁定环10r可以定位在套环4p、4w之间。锚固件10的设置可以将扶正器2沿着套管柱或衬管柱1夹持在适当位置，同时允许主体5相对于套管柱或衬管柱1进行有限的纵向移动，以适应各位置之间的移动。

卡爪6中的一个可以在每个弓形弹簧5b的中部部分安装至每个弓形弹簧5b。每个弓形弹簧5b的中部部分可以具有形成在其中的凹槽，以用于接纳相应的卡爪6，并且每个卡爪可以安装(例如，通过焊接)到相应的弓形弹簧。芯轴7m可以围绕套管柱或衬管柱1的外围布置，并且可以位于锚固件10和上部套环4p之间。当扶正器2处于缩回位置时，芯轴7m可以邻接锁定环10r。芯轴7m可以具有外径减小的上部套筒、外径增大的下部支脚以及连接套筒和支脚的肩部。芯轴7m的支脚可以具有形成在支脚外围的上部凹槽和形成在支脚外围的下部凹槽。芯轴7m的上部凹槽可以承载弹性密封件11(例如，o形环)，并且下部凹槽可以承载可剪切紧固件9(例如，剪切环)。

可替代地，每个卡爪6可以与相应的弓形弹簧5b一体形成。可替代地，每个卡爪6可以通过将翼部缠绕在相应的弓形弹簧(代替通过焊接)来安装到相应的弓形弹簧5b。

活塞7p可以围绕芯轴7m的外围布置，并且可以位于锚固件10和上部套环4p之间。活塞7p可以具有内径减小的上部头部、内径增大的下部套筒以及连接套筒和头部的肩部。活塞7p的头部可以具有形成在头部的内表面中的凹槽。活塞7p的凹槽可以承载弹性密封件11(例如，o形环)。活塞7p的头部直径可对应于芯轴7m的套筒直径，并且活塞的套筒直径可对应于芯轴的支脚直径。活塞7p可以相对于芯轴7m在上部锁定位置(所示出的)和下部释放位置(图2D和图3B)之间是纵向可移动的。活塞7p的头部可以在锁定位置将卡爪6夹持在其中，从而克服弓形弹簧朝向扩张位置的自然偏压而将弓形弹簧5b限制在缩回位置。为了减小摩擦和/或使卡爪6在活塞7p上施加向下的力，活塞的头部的内表面可以具有用于接纳卡爪的锥形部分，并且每个卡爪的外表面可以具有用于与头部的锥形部分接合的倾斜部分。

可替代地，活塞7p的头部的内表面可以具有用于接纳卡爪6的直的部分(straightportion)，并且每个卡爪的外表面可以具有用于与头部的直的部分接合的直的部分，或者活塞的头部的内表面可以是部分直的且部分锥形的，并且每个卡爪的外表面可以是部分直的且部分倾斜的。

大气室8可以径向地形成在芯轴7m的套筒和活塞7p的套筒之间且纵向地形成在芯轴的肩部和活塞的肩部之间。活塞7p和芯轴7m之间的界面可以通过芯轴7m的密封件11与活塞7p的套筒的接合以及活塞的密封件与芯轴的套筒的接合来密封。在扶正器2下入井筒的过程中，活塞7p的头部可能暴露于静水压力。对活塞7p进行设置，活塞可以在弓形弹簧5b使用条带被缩回时处于释放位置。活塞7m然后可以移动到锁定位置，并且可剪切紧固件9然后被插入芯轴7m的下部凹槽中。为了便于组装，可剪切紧固件9可以是卡环(snap ring)。然后，条带可以从弓形弹簧5b释放。可剪切紧固件9的外径可以对应于活塞7p的外径，使得可剪切紧固件将活塞可释放地连接到芯轴7m，从而防止活塞从锁定位置移动到释放位置。

图2C、图2D和图3B示出了处于扩张位置的扶正器2a-2e中的一个典型扶正器2。当扶正器2到达致动深度3时，由作用在活塞头部的静水压力施加在活塞7p上的力达到使可剪切紧固件9断裂的阈值力，从而允许活塞7p从锁定位置向下移动到释放位置，并且将卡爪6从束缚状态释放。弓形弹簧5b的自然偏压可以将扶正器2从缩回位置朝向扩张位置移动(或者至少直到被弓形弹簧与井筒壁的接合所停止)。

此外，由于芯轴7m可能没有锚定到锁定环10r，因此静水压力可能在芯轴的支脚上施加力，该力可将芯轴推向活塞7p，从而有效地增加活塞的面积。

可替代地，套管柱或衬管柱1可被降低到展开深度，同时所有扶正器2a-2e仍处于缩回位置，然后井筒中的环形空间压力或静水压力可被增加以致动活塞7p。环形空间压力可以通过关闭防喷器和使流体沿套管柱或衬管柱1向下循环并通过井口的节流管线来增加。也可以通过在井筒中使用密度较低的流体的情况下降低套管柱或衬管柱，然后在套管柱或衬管柱已经降低到展开深度之后用密度较高的流体替换密度较低的流体来增加静水压力。

虽然前述内容针对本公开的实施例，但是可以设想本公开的其他和进一步的实施例，而不脱离本公开的基本范围，并且本发明的范围由所附的权利要求确定。

Claims (8)

1.一种用于井筒中的扶正器，包括：

主体，所述主体围绕套管柱或衬管柱的外围布置，所述主体具有朝向扩张位置偏置的多个弓形弹簧；

芯轴，所述芯轴围绕所述套管柱或衬管柱的所述外围布置；

活塞，所述活塞围绕所述芯轴布置并且能在锁定位置和释放位置之间移动；

多个卡爪，每个卡爪安装到相应的弓形弹簧或与相应的弓形弹簧一体形成，并且在所述锁定位置由所述活塞捕获，从而将所述弓形弹簧保持在缩回位置；

大气室，所述大气室形成在所述活塞和所述芯轴之间；以及

紧固件，所述紧固件用于在所述锁定位置将所述活塞可释放地连接到所述芯轴。

2.根据权利要求1所述的扶正器，其中：

所述活塞的内表面具有用于接纳所述卡爪的部分，并且

每个卡爪的外表面具有用于与所述活塞的所述内表面的所述部分接合的部分。

3.根据权利要求2所述的扶正器，其中：

所述活塞的所述内表面的所述部分为至少部分圆锥形的，并且

每个卡爪的所述外表面的所述部分为至少部分倾斜的。

4.根据权利要求1所述的扶正器，其中：

所述主体还具有一对端环，并且

所述扶正器还包括一对套环，每个套环安装到相应的端环。

5.根据权利要求4所述的扶正器，

还包括所述套管柱或衬管柱；并且

还包括与所述套管柱或衬管柱的所述外围接合的锚固件，

其中，所述锚固件布置在所述套环之间。

6.根据权利要求5所述的扶正器，其中，当所述弓形弹簧处于所述缩回位置时，所述芯轴邻接所述锚固件。

7.一种将套管柱或衬管柱安装到井筒中的方法，包括：

形成组件，所述组件包括所述套管柱或衬管柱以及处于缩回位置的根据权利要求1所述的扶正器；以及

将所述组件下放到所述井筒中，其中在到达致动深度时，施加在所述活塞上的静水压力释放所述紧固件，并将所述活塞从所述锁定位置移动到所述释放位置，从而释放所述卡爪并允许所述弓形弹簧朝向所述扩张位置移动。

8.一种将套管柱或衬管柱安装到井筒中的方法，包括：

形成组件，所述组件包括所述套管柱或衬管柱以及处于缩回位置的根据权利要求1所述的扶正器；

将所述组件下放到所述井筒中，其中所述扶正器保持在所述缩回位置；以及

在将所述组件下放到展开深度之后，增加所述井筒中的压力，其中所述井筒中的增加的压力被施加在所述活塞上，从而释放所述紧固件，将所述活塞从所述锁定位置移动到所述释放位置，释放所述卡爪，并允许所述弓形弹簧朝向所述扩张位置移动。

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