自动排放坐封工具和方法
阅读说明：本技术 自动排放坐封工具和方法 (Automatic drain setting tool and method ) 是由 韦恩·O·罗森塔尔 于 2020-02-07 设计创作，主要内容包括：一种用于在井中坐封辅助工具(150)的坐封工具(200)。该坐封工具(200)包括：保持浮动活塞组件(220)的壳体(210)；与壳体(210)内部流体地接触的隔离阀组件(240)；以及安全片(223),其设置用于防止高压气体(108)通过浮动活塞组件(220)的孔。(A setting tool (200) for setting an auxiliary tool (150) in a well. The setting tool (200) comprises: a housing (210) holding a floating piston assembly (220); an isolation valve assembly (240) in fluid contact with an interior of the housing (210); and a safety plate (223) provided to prevent the high pressure gas (108) from passing through the hole of the floating piston assembly (220).)
技术领域
本文公开的主题的实施例总体上涉及用于井作业的井下工具，更具体地涉及在井中使用的用于致动辅助工具的自动排放坐封工具。
背景技术
在探井过程中，将各种工具降入井中并放置在所需的位置以用于对井进行封堵、穿孔或钻探。借助导管(例如，线缆、电线、连续盘管、螺纹工作管柱等)将这些工具放置在井内。然而，这些工具需要启动或坐封到位。启动这种工具所需的力很大，例如，超过15000磅。在一些情况下，上述导管无法提供如此大的力。
在工业中通常使用爆炸型坐封工具来启动上述工具。例如，贝克型E-4线缆压力坐封工具采用了外装式、手动操作的爆破片来在坐封工具返回地面后释放内部的高压气体。
该坐封工具100在图1中示出，并且包括连接到压力室104的点火头102。点火头102点燃初级点火器103，初级点火器然后点燃动力装药106，动力装药产生高压气体108。需要注意的是，次级点火器可以位于初级点火器和动力装药之间，以增强初级点火器的点燃效果。
气缸110通过具有连接件105A(例如，螺纹连接件)的手动排放阀接头105附接到压力室104的壳体107，并且该气缸与压力室流体地连通。因此，当动力装药106燃烧时，在压力室104内部产生的高压气体108被引导到气缸110中。位于气缸110内部的浮动活塞112被气体108的压力推向图中的右侧。储存在汽缸110的第一室114中的油115被推动通过连接器接头116和计量孔117(该连接器接头和计量孔形成在连接到气缸110的块118中)到第二室120(该第二室形成在第二气缸121下部中)。第二活塞122位于第二气缸121下部中。在油115施加的压力下，活塞122和活塞杆124向下游移动，同时对交联件126施加较大的力，该交联件将内部产生的力传递给可移动的外部交联件套管128。用于待坐封的井筒工具150的坐封套管131附接到交联件套管128的下端。井筒工具150通过可释放的装置(诸如分瓣螺柱、剪切螺钉等)附接到坐封芯轴133。
因此，当致动坐封工具时，坐封套管131将井筒工具150的部件推到展开的抓取构件和橡胶垫圈，同时，坐封芯轴133保持井筒工具的内部主体。当达到预定的力时，释放装置失效，其释放坐封工具100，以在坐封井筒工具150的同时取回。需要注意的是，气缸121具有用气缸头132密封的下游端130，该气缸头允许活塞杆124向下游移动。
在坐封工具已回收到地面之后，大量的加压气体108存在于内部并且必须排掉，以便清洁坐封工具并使其准备好再次使用。该高压气体108已与用于使井筒工具进行冲程运动的油115混合，因此使油太受污染而无法再次使用。因此，需要将该油从坐封工具中移除并将其处理，以备将坐封工具用于另一次使用。为了移除高压气体并更换受污染的油，必须将整个坐封工具拆解、清洁部件然后重新组装。这不仅费时，而且危险(排出气压)，特别是在不具备适当设施的偏远地区。
释放压力室104内部的高压气体108不仅有害于执行任务的工人的健康(由于动力装药在燃烧后会留下有毒气体)，而且也存在安全问题(因为如果在未遵守释放程序的情况下，遗留在压力室内部的高压气体压力已经高到足以伤害工人)。
在这方面，需要注意的是，传统的坐封工具100具有释放阀140，该释放阀用于手动从压力室内部排出高压气体。然而，当释放阀140被以不适当的方式从压力室中移除时，该阀可能会成为飞弹并伤害到移除它的人。为此，采用专用的移除程序，同时使用安全套管来覆盖用于从坐封工具中释放压力的释放阀。
然而，该程序是繁琐且耗时的，而且如果人忽略了程序中的任何细节，这个人可能会被释放阀伤害到。因此，需要建立一种安全的方法，该方法在坐封工具仍在井筒内部时从坐封工具内部自动排出高气压。还需要防止高压气体与用于产生坐封工具的冲程运动的油混合。如果这些目标能够实现，那么在坐封工具返回地面时，使坐封工具恢复使用所需要做的仅仅是冲洗弹道动力装药室、更换消耗品以及将油/活塞推回到其原来的位置。因此，需要这种先进的坐封工具。
发明内容
根据一实施例，提供了一种用于在井中坐封辅助工具的坐封工具。该坐封工具包括：保持浮动活塞组件的壳体；与壳体内部流体地接触的隔离阀组件；以及安全片，其被设置用于防止高压气体通过浮动活塞组件的孔。
根据另一个实施例，提供了一种针对用于在井中坐封辅助工具的坐封工具的改装套件。该改装套件包括位于坐封工具的壳体中的隔离阀组件和具有安全片的浮动活塞组件。安全片被设置用于防止高压气体通过浮动活塞组件进入到壳体中。
根据又一实施例，提供了一种用于切断油流以及从坐封工具中排出高压气体的方法。该方法包括：将坐封工具降入井中的步骤；启动坐封工具使得在坐封工具中产生加压气体并且该加压气体作用于对浮动活塞组件的孔进行密封的安全片的步骤，其中该片防止高压气体移动通过浮动活塞组件；平移位于坐封工具的壳体中的隔离阀组件以切断油流的步骤；打开在壳体中形成的侧端口的步骤；以及破坏浮动活塞组件的安全片以使加压气体通过侧端口排出到壳体外部的步骤。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了一个或更多个实施例，并且与该描述一起解释了这些实施例；在附图中：
图1示出坐封工具，该工具需要被取回到地面以从内部手动移除加压气体；
图2示出自动排放坐封工具，该工具也自动切断油流；
图3示出浮动活塞组件，该浮动活塞组件是自动排放坐封工具的一部分；
图4示出隔离阀组件，该隔离阀组件也是自动排放坐封工具的一部分；
图5示出放置在自动排放坐封工具的壳体内部的浮动活塞组件和隔离阀组件；
图6是示出用于启动自动排放坐封工具的方法的流程图；
图7示出当浮动活塞组件向隔离阀组件移动时的自动排放坐封工具；
图8示出当浮动活塞组件已接合隔离阀组件时的自动排放坐封工具；
图9示出加压气体通过浮动活塞组件的路径；
图10示出加压气体通过隔离阀组件的路径；
图11示出当部署在井中时的自动排放坐封工具；以及
图12示出用于致动自动排放坐封工具的方法的流程图。
具体实施方式
以下参考附图描述实施例。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元素。以下的详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围是由所附权利要求限定的。为简单起见，针对坐封工具讨论以下实施例。然而，本文所讨论的实施例也适用于其中产生高压气体并且然后需要将高压气体快速且高效地释放到工具外部的任何工具。
在整个说明书中，提到“一个实施例”或者“实施例”时是指结合该实施例描述的特定功能、结构或者特征包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中多个地方出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定都是指同一实施例。另外，特定功能、结构或者特征可以以任何合适的方式结合在一个或更多个实施例中。
根据一个实施例，自动排放坐封工具具有浮动活塞组件，该浮动活塞组件将燃烧后的气体(产生残余的不期望的压力)与用于将附接到坐封工具的井筒设备坐封的油进行分离。浮动活塞组件包含通孔，该通孔被易碎的O形圈密封片暂时堵住，该O形圈密封片由片保持器保持在适当的位置。爆破销或排放销放置在片保持器内部，该片保持器通过两个或更多个易碎的剪切螺钉保持在延迟位置。当受到燃烧的爆炸型动力装药所产生的气压时，浮动活塞组件的所有元件作为一个整体移动。浮动活塞组件放置在连接到压力室的气缸内部。气缸内部的浮动活塞组件下方的空隙空间填充有油，并且浮动活塞组件的构造防止所产生的气体与油混合。如现在所讨论的，新型浮动活塞组件可以被改装到现有的坐封工具。
图2示出了已用改装套件202进行改装的坐封工具200(例如，贝克坐封工具)，该改装套件202包含浮动活塞组件220和隔离阀组件240。坐封工具200的所有其他元件可以是图1所示和以上所讨论的元件。因此，本文省略对其的描述。浮动活塞组件220放置在壳体110的上游端内部。在本申请中，术语“上游”用于指示朝向套管头部的方向，术语“下游”用于指示朝向井趾部的方向。浮动活塞组件220下方的空隙空间114填充有一定量的油115或类似的液压流体，并为此将空隙空间114描述为液压室114。现在参照图3和图4更详细地讨论浮动活塞组件220和隔离阀组件240。
图3示出浮动活塞组件220，该浮动活塞组件具有活塞主体221、放置在主体221内部的保持螺母225以及部分位于活塞主体221和保持螺母225内部且部分位于这些元件外部的排放销226。保持螺母225的外部带有螺纹，并且它被构造成接合在活塞主体221中形成的相匹配的螺纹222。活塞主体221具有贯穿整个主体延伸的通道228。如图所示，放置安全片(例如，由金属制成)223以关闭并密封通道228。在一种应用中，O形圈224可以位于主体221和安全片223之间，以防止高压气体和/或油移动通过该片。保持螺母225将安全片223在活塞主体221内部保持到位。排放销226具有面向片223的第一端226A或凸毂(boss)。在一个实施例中，在第一端226A和安全片223之间存在小间隙。然而，在另一个应用中，第一端226A轻触片223。
排放销226具有与第一端226A相对的第二端226B。第二端226B具有沿排放销纵向延伸并且从下游面开始的部分孔226C，并且还具有形成在排放销一侧的端口226D。需要注意的是，部分孔226C没有延伸通过整个排放销。部分孔226C和端口226D彼此流体地连通。
排放销226利用两个或更多个易碎销227附接到保持螺母225。排放销226具有肩部231，该肩部具有在排放销朝向保持螺母移动时与形成在活塞主体221的通道228中的相应肩部230相匹配。然而，在图3所示的初始构造中，两个肩部230和231彼此分离使得在它们之间形成通道232。在活塞主体221中形成有另外的通道229，使得来自液压室的高压气体能够移动通过浮动活塞组件220。
当浮动活塞组件220被放置在壳体内部时，一个或更多个O形圈234可以位于主体221的外部以密封主体与壳体210之间的界面。需要注意的是，图3的浮动活塞组件220在图2中示出为位于在壳体210的上游端。然而，如稍后所讨论的，浮动活塞组件220将向下游移动以接合隔离阀组件240。还需要注意的是，壳体210不仅可以包括如图所示的气缸，而且还可以包括一个或更多个接头或其他连接部件。并且，浮动活塞组件220和隔离阀组件240可以位于壳体的这些部件中的任何一个中。
现在参照图4讨论隔离阀组件240。隔离阀组件240连接并密封图2所示的壳体210的下游端。隔离阀组件240包括连接器主体441，该连接器主体通过螺纹441A附接到壳体210。该连接器主体可以用O形圈410进行密封。主体441具有延伸通过整个主体441的内孔442。在孔442内部提供有套管嵌件444。套管嵌件444通过螺纹444A附接到孔442。因此，套管嵌件444不能相对于主体441移动。在一个实施例中，主体441被机加工以复制套管嵌件444，使得不需要额外的套管。在这种情况下，主体441和套管444形成为单个零件。
套管嵌件444又具有其自己的孔446，可移动隔离阀450位于该孔中。在图4中，可移动隔离阀450通过一个或更多个剪切螺钉448(或任何其他易碎元件)附接到套管嵌件444，使得套管嵌件444和可移动隔离阀450最初不会相对于彼此移动，即，可移动隔离阀450的移动是被限制的。两个O形圈455放置在可移动隔离阀450与套管嵌件444之间以及与主体441之间，以跨过形成在主体441中的垂直端口456，即，阻止流体通过端口456离开隔离阀组件240。然而，可移动隔离阀450具有通道458和狭槽460，当套管嵌件444连接到可移动隔离阀450时，该通道和狭槽允许可移动隔离阀450的孔450A内部的流体移动通过可移动隔离阀450。需要注意的是，图4中的狭槽460与通道462流体地连通。形成在可移动隔离阀450的下游端454处的通道458与在主体的下游端处形成在主体441中的计量孔470和密封孔459流体地连通。密封孔459和计量孔470与孔442流体地连通。密封孔459具有一个或更多个O形圈472，以当可移动隔离阀450向下游移动时密封密封孔459，如稍后所述。可移动隔离阀450具有与嵌件444的内肩部482相匹配的外肩部480，使得隔离阀450的行进距离受到限制，即，当两个肩部480和482彼此接触时，隔离阀停止。
如图4所示，来自液压室104(参见图2)的油115进入隔离阀450的孔450A。当隔离阀450仍附接到套管嵌件444时，油115能够移动通过隔离阀450的孔450A，然后通过通道458到密封孔459以及计量孔470，然后到第二室120，从而保持第二活塞122(也在图2中示出)以致动井筒工具150。然而，当隔离阀450相对于主体441向下游移动时，该路径将自动关闭，如稍后所讨论的。
图5示出了具有浮动活塞组件220和隔离阀组件240的坐封工具200，该浮动活塞组件和隔离阀组件都被放置在壳体210内部并准备好被致动。现在参照图6讨论用于致动该坐封工具200的方法。在步骤600中，将图5中所示的坐封工具200附接到井筒工具150(参见图2)，并且将两个元件都降入井中。井筒工具150可以是桥塞或封隔器。在步骤602中，通过例如点燃初级点火器103来致动坐封工具。初级点火器103点燃压力室104中的动力装药106。高压气体108进入通道228，并迫使浮动活塞组件220向下游移动，如图7所示。这种情况的发生是因为片223防止高压气体108移动通过浮动活塞组件220。作为该运动的结果，液压室114中的油115开始朝向第二室120、沿着隔离阀组件240、通过通道458、密封孔459以及计量孔470向下游转移。需要注意的是，图7示出了浮动活塞组件220正处于坐封工具冲程的中途，并且液压室114正在变小。此时因为对安全片223施加的压力不足以使其破裂，所以安全片仍完好无损。为此，浮动活塞组件220向下游移动，并且没有来自压力室104的高压气体108与液压室114中的油115混合。
然而，在坐封工具冲程至大约中途的位置时，燃烧的动力装药106将会产生足够的气压以在步骤604中完全坐封并且从井筒工具150释放。坐封工具200冲程行进将继续到其设计极限，并且在步骤606中开始自动切断油流。
由于浮动活塞组件220继续朝向隔离阀组件240向下游移动，包含在浮动活塞主体221内部的阀瓣排放销226接触并推动隔离阀250的上游端。随着力和移动的增加，将套管嵌件444连接到隔离阀450的易碎的剪切螺钉448(参见图4)将被切断(参见图8中的448A和448B两个部分)，从而允许隔离阀450被向下游推到套管嵌件444内部。需要注意的是，排放销426由两个(或更多个)易碎的剪切螺钉227保持在保持螺母225内部(见图7)。这是为了确保隔离阀450向下游移动时，排放销226在该级处保持固定在浮动活塞组件220内部的适当位置。
当隔离阀450如图8所示被向下游推到主体441内部时，阀主体450的下游端454和O型密封环472进入密封孔459内部，并立即自动使油停止流入第二气缸121下部的第二室120，这是因为隔离阀450的最下游部分被机加工成紧密贴合密封孔459内部。然而，在一个实施例中，可以对隔离阀主体的最下游部分进行机加工，使其外径小于密封孔459，使得即使内部气压正在自动排出时，油115仍能够流过隔离阀450。同时，两个O型密封圈455已向下游移动，没有覆盖位于主体441中的几个垂直端口456。由浮动活塞组件220推向下游的剩余的油115通过多个垂直端口456排入井筒，即排到坐封工具外部。当隔离阀450的肩部480接触套管嵌件444的肩部482时，该阀向下游的移动停止。这意味着位于第二室120和其下游的油没有被高压气体108污染，同时留在第二室120上方的少量的油通过端口456被从坐封工具中移除。
随着压力室104中的气压继续在浮动活塞组件220上施加向下游的推力，排放销226的下游端226B仍推动现在已经不可移动的隔离阀450(参见图8)，以便建立足够的力来切断将排放销226连接到片保持器225(参见图3)的两个(或更多个)易碎的剪切螺钉227。在步骤608中，浮动活塞主体221继续向下游的运动允许被夹住的安全片223被排放销226的凸毂226A穿透，并且开始自动泄放气压。换句话说，现在允许高压气体108行进通过浮动活塞组件220，然后部分通过隔离阀组件240，然后通过端口456离开到坐封工具200的壳体410的外部。当片223被穿透并且肩部230和231(参见图3)彼此接触时，浮动活塞组件220的向下游的移动停止。
在这方面，图8示出了当发生自动排放时，浮动活塞组件220和隔离阀组件240的最终位置。图9示出畅通气体108流动通过通道228和通道229。需要注意的是，在图9中由于排放销226的凸毂226A已经移动通过片223，所以此时该片已经破裂。图10示出了自动排放坐封工具200内部畅通气体108通过孔450A、端口460、通道462并通过端口456排出到井筒中的流路。
在先前的实施例中所讨论的坐封工具200可以用于现在参照图11所讨论的井中。图11示出井1000，该井已钻探到相对于地面1002的期望深度H。保护井筒1040的套管柱1100已安装并粘结在适当的位置。为了将井筒1040连接至地层1060以提取油和/或气体，需要对套管的各级进行穿孔并使其压裂。为了对给定级进行穿孔并使其压裂，需要在井中布置井筒工具1120(例如，塞)以隔离下游级。
将套管连接到地层的典型过程可以包括以下步骤：(1)将具有通口1140的塞子1120(已知为压裂塞)连接到坐封工具200，(2)将坐封工具200和塞子1120降入井中，(3)通过致动坐封工具来布置塞，以及(4)对在塞1120上方的新级1170进行穿孔。可以通过用缆线1220降入到井中的枪管柱1200来实现穿孔的步骤。位于地面处的控制器1240控制缆线1220，并且沿缆线发送各种命令以致动一个或更多个枪管柱的枪组件或附接到最远侧枪组件的坐封工具200。
如图11所示，传统的枪管柱1200包括通过相应的接头1280彼此连接的多个运载器1260。每个接头1280包括雷管1300和相应的开关1320。相应的开关1320通过下游枪的爆炸致动。当这种情况发生时，雷管1300连接到贯通线，并且当收到来自地面的命令致动雷管1300时，致动上游枪。当致动最远侧的雷管时，来自坐封工具200的动力装药106被点燃并且坐封工具被致动，如参照图6所讨论的。当致动雷管时，坐封工具200接合到辅助工具1120(例如，在该实施例中为塞)。如之前所讨论的在图2-10中所示的实施例，在坐封工具已经被启动并且加压气体已经将塞1120坐封之后，来自坐封工具的加压气体被排放到井中。在此之后或同时，如图11所示，坐封工具200从塞子1120处取回，枪管柱的操作者可以开始压裂过程。需要注意的是，此时坐封工具中的油已与动力装药所产生的气体隔离，并且压力室中积聚的压力已被释放到坐封工具的外部。因此，当将坐封工具取回带到地面时，其已经被排空并且不存在需要移除的加压气体。复位坐封工具也比以前容易得多，因为气体和油没有混合并且来自第二室120的油115因为没有受到气体108的污染能够再次使用。
以上讨论的坐封工具可以制造成具有先前图中所示的构造。然而，本领域的技术人员会理解，图中所示的新功能也可追溯地实施到现有的坐封工具中。因此，在一个实施例中，可以用图3所示的浮动活塞组件220更换传统的坐封工具的浮动活塞。此外，可以修改传统的坐封工具以容纳如图4所示的隔离阀组件240。还需要注意的是，类似于图1所示的传统的坐封工具100，图2所示的新型坐封工具200仍可以包括设置在压力室104处的释放阀140。然而，本领域的技术人员会理解，释放阀140可以从坐封工具200中移除。
现在参照图12讨论如以上示出的用于在坐封工具中切断油流并排出气体的方法。该方法包括：将坐封工具200降入井中的步骤1200；步骤1202，启动坐封工具200，使得在坐封工具200中产生加压气体108并且该加压气体108作用于对浮动活塞组件220的孔进行密封的安全片223，以防止加压气体108移动通过浮动活塞组件220；平移位于坐封工具200的壳体210中的隔离阀组件240以切断油流的步骤1204；打开在壳体210中形成的侧端口456的步骤1206；以及破坏浮动活塞组件220的安全片以使加压气体108通过侧端口456排出到壳体外部的步骤1208。
该方法还可以包括：在加压气体的压力下，沿壳体平移浮动活塞组件，以迫使存储在浮动活塞组件和隔离阀组件之间的液压液体移动通过隔离阀组件的步骤；和/或使浮动活塞组件与隔离阀组件接触的步骤；相对于隔离阀组件的套管嵌件推动浮动活塞组件的可移动隔离阀，以切断通过隔离阀组件的液压液体流的步骤；和/或用浮动活塞组件进一步推动可移动隔离阀，使得浮动活塞组件的排放销与浮动活塞组件的主体断开连接，并破坏安全片以将加压气体释放到坐封工具的外部的步骤。
公开的实施例提供了用于当坐封工具位于井中时自动排放来自坐封工具的加压气体以及关闭阀以防止加压气体与用于致动坐封工具的油混合的方法和系统。应当理解该描述并非旨在限制本发明。相反，示例性实施例旨在覆盖那些包含在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的修改、等效方案和等同方案。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域的技术人员会理解，可以在没有这样具体细节的情况下实践各实施例。
尽管在实施例中以特定组合描述了本发明的示例性实施例的特征和元件，但是每个特征或元件可以在没有实施例的其他特征和元件的情况下单独使用，或者以具有或不具有本文所公开的其他特征和元件的各种组合来使用。
本书面描述使用所公开主题的示例，以使本领域技术人员能够实践该主题，其中包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何所包含的方法。权利要求限定了主题的专利范围，可以包括本领域技术人员设想的其他实例。这些其他示例也会在权利要求的范围内。