多孔管状结构 【相关申请的交叉引用】
按照35U.S.C.§119(e)，本申请要求以JefferyA.Spray的名义在2007年4月18日提出申请的并且题目为“多孔管状结构”的美国专利申请第60/925,320的优先权，该申请的内容通过引用在此全文并入。
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
本发明在DOE授予的第DE-FC26-05NT15491号DOE合作协议下由美国政府支持。美国政府对本发明具有一定的权利。
【技术领域】
这里公开的实施例总体涉及可膨胀管材。更具体地，这里公开的实施例涉及一种诸如当钻井、完井和开采井时在地质构造中使用的改进的多孔可膨胀管材。
背景技术
当进行钻井(例如，油、水、和/或气体(即，流体)生产井)时，井可能必须形成在疏松地层内。这种疏松地层可能包括诸如砂的颗粒物质，其中砂经常与井内流体一起被开采。开采的砂和颗粒物质可能使用于开采井内流体的设备(例如，管道、阀、泵)过度磨损或磨蚀。例如，流动通过开采设备的阀例如由于使砂被俘获在阀内，或者由于砂磨蚀阀内的密封件而可能使阀失去密封性能。因此，有益的是当开采井内的流体时防止或至少最小化砂、或任何其它颗粒物质的开采。
最小化颗粒物质的开采并且滤出砂的通常方法是例如在完井操作期间“砾石充填”流体生产井。当砾石充填井时，通常被公知为井下筛管的钢筛管放置在井筒内。然后，包围筛管的环空充填有被设计成防止砂通过的制备好的砾石。砾石的尺寸通常是防止砂进入到井下筛管的内部的通过的控制设计特征，其中砾石通常比在地层内得到的砂大。例如，如图1中所示，示出了具有砾石充填封隔器102的井筒100。砾石充填封隔器102可以设定在套管104内，且砾石充填筛管106(即，井下筛管)放置在砾石充填102的射孔层段108内。然后，将砾石110放置在套管104内，并且所述砾石可以流动到套管104的孔眼108内，其中砾石110可以减少或消除出砂。虽然仍然普遍使用这种方法，但是砾石充填方法可能占据井筒内相当大的面积。
此外，也已经开发了其它技术，以当在井下时可以膨胀管材，从而试图最小化用于砂控所需的面积。这种技术能够使较小直径的管材在井下插入到井筒内，然后一旦在适当的位置则被膨胀到较大直径。这种技术已经并入到诸如井下筛管和滤砂管的管状部件内，以允许采出液经过所述管状部件通过，但仍然抑制颗粒物质通过。
在一个示例中，可膨胀滤砂管可以在井下在管材串的端部处插入到井筒内。这种可膨胀滤砂管的初始外径可以小于井筒的内径。通常还被称为工作筒的楔形锥体也在单独的管材串上与滤砂管一起插入井下，从而使锥体独立于滤砂管移动。然后，当筛管在适当的位置固定到井筒内时，将锥体推动到滤砂管内并且使所述锥体通过滤砂管，且锥体的锥形表面端优选地首先进入滤砂管管材。锥体通过滤砂管管材的这种推动将滤砂管的内径塑性地膨胀到大致锥体的外径。
这种类型可膨胀筛管在井内用于在井下将滤砂管附近增加到生产界面。然而，对用于膨胀管材的膨胀锥体的需要由于在锥体连接到管材串的情况下在井下需要至少一次额外的起下钻而增加了完井的步骤。因此，当使用可膨胀滤砂管时，这些额外的步骤可能是耗时的。此外，因为这些可膨胀筛管的膨胀率、颗粒尺寸保留值、柔性地层接触、和破坏标称值特征可能被限制，这种类型的可膨胀筛管可能仅仅限于一定类型的环境和用途。对于膨胀率来说，当前地行业标准基本上是115％-150％，对于粒子尺寸保留值来说是140-300微米(0.0055-0.012英寸)，对于柔性地层接触来说为0-100psi(0-690kPa，而对于破坏额定值来说为270-1200psi(1,860-8,270kPa)。因此，对于满足当前的期望和用户需要的发展，这些现行标准可能具有局限性。因此，需要一种改进现有技术筛管用于再开发和成功地用于流体开采行业的可膨胀筛管。
【发明内容】
一方面，这里公开的实施例涉及一种在地质构造中使用的可膨胀管材。可膨胀管材包括：大致管状部件，所述大致管状部件具有延伸通过所述大致管状部件的轴线；至少一个螺旋形部件，所述至少一个螺旋形部件形成在壁中，并且围绕管状部件的轴线限定；和多个细长孔眼，所述多个细长孔眼形成在管状部件的壁内。管状部件被构造成被压缩并且将膨胀能储存在管状部件的壁中。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种在地质构造中使用的可膨胀管材。可膨胀管材包括大致管状部件，所述大致管状部件具有延伸通过所述大致管状部件的轴线，其中管状部件包括多个细长部件和至少一个螺旋形部件，所述多个细长部件被设置成相对于管状部件的轴线平行，所述至少一个螺旋形部件形成在大致管状部件的壁内。多个细长部件中的每一个都连接到至少一个螺旋形部件，使得多个细长孔眼形成在多个细长部件之间，多个细长部件中的第一细长部件设置在螺旋形部件的一侧，多个细长部件中的第二细长部件设置在螺旋形部件的另一侧，并且第一和第二细长部件相对于彼此对齐。此外，管状部件被构造成被压缩并且将膨胀能储存在管状部件的多个细长部件内。
在又一个方面中，这里公开的实施例涉及一种膨胀管状部件的方法。所述方法包括以下步骤：提供具有第一直径的管状部件，其中，至少一个螺旋形部件形成在管状部件的壁内，并且围绕所述管状部件的纵向轴线限定，其中多个细长孔眼形成在管状部件的壁内。所述方法还包括以下步骤：将管状部件压缩到小于第一直径的第二直径，使得将膨胀能储存在管状部件的壁中。
此外，在又一个方面中，这里公开的实施例涉及一种制造在地质构造中使用的可膨胀管材的方法。所述方法包括以下步骤：提供多个细长部件，并且使多个细长部件相互连接，使得多个细长部件形成大致管状部件，所述大致管状部件具有延伸通过所述大致管状部件的轴线。多个细长部件的相互连接形成在多个细长部件之间的多个细长孔眼，并且多个细长部件的相互连接形成在壁内并围绕管状部件的轴线限定的多个螺旋形部件。
本公开的其它方面和优点将从以下说明和所附权利要求中清楚呈现。
【附图说明】
图1显示了现有技术砾石封隔器的立体图；
图2显示根据本公开的实施例的管状部件的侧视图；
图3A显示根据本公开的实施例的管状部件的详细视图；
图3B显示根据本公开的实施例的图3A中所示的管状部件的详细视图；
图4显示根据本公开的实施例的多个细长部件的详细视图；
图5显示根据本公开的实施例的被压缩管状部件的另一个详细视图；
图6显示根据本公开的实施例的管状部件的详细视图；
图7显示根据本公开的实施例的管状部件的侧视图；
图8显示根据本公开的实施例的管状部件的详细视图；
图9显示根据本公开的实施例的管状部件的详细视图；
图10A显示根据本公开的实施例的管状部件的立体图；
图10B显示根据本公开的实施例的图10A中所示的管状部件的另一个立体图；
图10C显示根据本公开的实施例的图10A中所示的管状部件的另一个立体图。
【具体实施方式】
以下参照附图详细说明本公开的具体实施例。为了一致，在各附图中相同的元件可以由相同的附图标记表示。此外，在本公开的实施例的以下详细说明中，说明多个具体细节以提供对本发明更加彻底的理解。然而，对本领域的普通技术人员来说显而易见的是在没有这些具体细节的情况下可以实施这里公开的实施例。在其它情况下，没有详细说明公知特征以避免不必要的复杂说明。
一方面，这里公开的实施例总体涉及一种在地质构造中使用的可膨胀管材。可膨胀管材具有大致管状部件，所述管状部件具有延伸通过所述管状部件的轴线。管状部件具有形成在管状部件的壁内的一个或多个螺旋形部件，并且螺旋形部件围绕管状部件的轴线限定。此外，多个细长孔眼形成在管状部件的壁内，并且管状部件可从较大直径压缩到较小直径。当被压缩时，管状部件将膨胀能储存在壁内，其中当将管状部件在井下放置在井筒内时，管状部件则可以膨胀回到较大的直径。此外，管状部件可以形成或包括多个细长部件。多个细长部件在端部处相互连接，使得多个细长孔眼形成在多个细长部件之间。
如这里所述，本公开可以在诸如油和汽的烃的开采中使用。例如，本公开可以在可膨胀管材内使用，所述可膨胀管材包括但不局限于用于保持堵漏材料、水泥或其它材料的滤砂管、多孔衬管、隔离套筒、“可改变”(例如，复合)实心(无空隙)变多孔的管材(“convertible”(e.g.，composite)solid-to-porous tubulars)、岩石支撑管材、井眼支撑管材，和本领域公知的任何其它井下管材和工具。然而，本公开还可以用于类似的井和结构中，例如，水井、排水井、监测和修复井、隧道、竖井、管道、及其它类似地公知管材应用中。此外，本公开涉及管状部件。如这里所使用的，“管材”表示可以为大致圆形、大致卵形、或甚至大致椭圆形的任何结构。因此，这些结构可以并入到这里公开的实施例中。
以下参照图2，示出了根据本公开的实施例的管状部件203的侧视图。管状部件203具有延伸通过所述管状部件的轴线201，并且包括一个或多个螺旋形部件205。螺旋形部件205形成在管状部件203的壁207内，并且螺旋形部件205围绕管状部件203的轴线201限定。因此，螺旋形部件205可以形成围绕管状部件203的直径的螺旋，例如形成围绕管状部件203的轴线201的螺旋。
管状部件203还包括多个细长孔眼209，所述孔眼形成在所述管状部件内，具体地形成在管状部件203的壁207内。这些细长孔眼209使管状部件203能够是多孔的。因此，细长孔眼209足够大，使得能够使期望的气体和液体通过管状部件203的壁207，但同时足够小，使得抑制并防止诸如砂的不期望颗粒物质通过管状部件203的壁207。此外，管状部件203可以从较大直径压缩到较小直径，其中当被压缩时，管状部件203将膨胀能储存在壁207内。不管管状部件203处于压缩状态或膨胀状态，细长孔眼209使管状部件203能够是多孔的。
根据本公开的一个实施例，可获得诸如实心(无空隙)金属管的实心(无空隙)管状部件，所述实心(无空隙)管状部件内没有形成孔眼。然后，使用这种实心(无空隙)管材，可以使用各种方法使管状部件203形成有细长孔眼209。例如，薄切割刀片或射束可以用于形成细长孔眼209。可选地，激光型、水磨型、或电火花加工(“EDM”)切割工具可以用于形成细长孔眼209。然而，细长孔眼209优选地相当窄，例如在细长孔眼209的最大部分处的宽度大约为0.002-0.250英寸(0.051-6.35毫米)。因此，本领域的普通技术人员将认识到细长孔眼209的这种尺寸可以根据被管状部件阻隔的颗粒物质的尺寸而改变。管状部件203可以包括形成在其内的数百、或可能甚至数千个细长孔眼209。
如图2中所示，细长孔眼209具有大致矩形形状。然而，本领域的普通技术人员将认识到本公开不限于此。细长孔眼还可以具有椭圆形形状、梯形形状、长斜方形形状、凸起或凹入形状、或本领域所公知的任何其它形状。细长孔眼209还在图2中被示出为具有大致相同的尺寸。然而，因为在细长孔眼中尺寸可以变化，因此本领域的普通技术人员将认识到本公开也不受限于此。
以下参照图3A和图3B，示出了根据这里公开的实施例的管状部件303的壁307的详细视图。在此实施例中，管状部件303不是由原始实心(无空隙)管材形成，管状部件303而是由多个细长部件311(例如，管筛或滤器)形成。在图3A中，示出了管状部件303的细长部件311的分解视图。而在图3B中，示出了管状部件303的细长部件311的立体图。
细长部件311可以包括两个侧部313、315和两个端部317、319。为了形成管状部件303的壁307，细长部件311可以例如以交错的方式在端部317、319处相互连接。具体地，当相互连接细长部件311时，邻近于一个细长部件311A的一个端部317A的一个侧部313A可以连接到邻近于另一个细长部件311B的一个端部319B的一个侧部315B。因此，当相互连接细长部件311时，细长部件311可以具有细长孔眼309，所述细长孔眼形成在所述细长部件之间。此外，通过以此方式相互连接细长部件311，管状部件303还具有形成在壁307内的螺旋形部件305。
可以使用各种方法，例如通过使用接合处理、粘合剂(例如，弹性体粘合剂)、或本领域公知的任何其它方法或材料(以下进一步说明)使细长部件311相互连接。相互连接的细长部件311的一部分则可以形成围绕管状部件303的轴线限定的螺旋形部件305。
在使细长部件311相互连接之后，可以对管状部件303进行电镀或涂布，以提高管状部件303的机械特征。例如，可以对管状部件303进行电镀或涂布，以增加细长部件311之间的连接强度、单独地增加管状部件303的强度、增加管状部件303的抗腐蚀性、提高横过管状部件303的表面流动(例如，使流体和气体能够更加容易地横过表面流动和流动通过管状部件303的壁307)、和/或消除或减少管状部件303的任何制造缺陷(例如，通过调节任何过尺寸或不足尺寸的细长部件303的尺寸或矫直在制造期间已经变形的任何细长部件303)。
以下参照图4，示出了根据这里公开的实施例的三个细长部件411A-C的立体图。与以上类似，细长部件411A-C每一个都具有两个侧部413A-C、415A-C和两个端部417A-C、419A-C，其中细长部件411A-C相互连接。具体地，在此实施例中，邻近于细长部件411A的端部417A的侧部413A连接到邻近于细长部件411B的端部419B的侧部415B，并且还连接到邻近于细长部件411C的端部419C的侧部413C。
本公开的管状部件则可以具有宽的尺寸范围。例如，细长部件的长度可以为大约2-12英寸(50-300毫米)，宽度或高度可以为大约0.01-0.08英寸(0.25-2.0毫米)，而厚度或深度可以为大约0.1-1.0英寸(2.5-25毫米)。螺旋形部件的厚度或深度也可以为大约0.1-1.0英寸(2.5-25毫米)。此外，细长孔眼在宽度的最大点处(例如，细长孔眼的中心)的宽度或高度可以为大约0.001-0.04英寸(0.025-1.0毫米)，并且可以具有形成在细长孔眼的端部处的大约0.002-0.02英寸(0.051-0.51毫米)的半径。然而，本领域的普通技术人员将认识到以上尺寸仅仅是为了示例性目的，并且当形成管状部件时本公开包括宽的尺寸范围。因此，管状部件的尺寸，和所述管状部件的任何元件可以取决于管状部件的应用，例如，取决于被阻隔的颗粒物质的尺寸。
此外，如以上实施例所示，细长部件基本上具有一致的厚度、横截面和尺寸。然而，本领域的普通技术人员将认识到本公开不限于此。在一个实施例中，细长部件中的一个或多个可以具有沿着细长部件的长度变化的厚度。在另一个实施例中，不是具有矩形横截面，而是细长部件中的一个或多个可以具有梯形横截面、椭圆形横截面、凸起形横截面、或凹入形横截面。在又一个实施例中，对于细长部件的侧部来说不是具有大致平坦表面，而是细长部件可以具有凹入或凸起表面。因此，通过改变细长部件的这些特征中的任何特征，细长孔眼的形状和大小也可以对应于细长部件的变化而改变。细长部件还可以具有尖锐边缘，或者还可以(例如，通过具有椭圆形横截面)并入可以促进气体和流体流动通过管状部件的壁同时限制任何期望的颗粒物质的流动的水力轮廓。此外，细长部件可以围绕管状部件的轴线枢转，以促进通过管状部件的壁的流动。
以下参照图5，示出了根据这里公开的实施例的管状部件503的壁507的详细视图。在此实施例中，管状部件503包括相互连接的多个细长部件511，且多个细长孔眼509形成在所述多个细长部件之间。与图3B中所示的没有被压缩并且处于松弛状态下的管状部件303相比，此管状部件503已经被压缩。
仍然参照图5，管状部件503已经被压缩，使得管状部件503的直径已经被减小。当被压缩时，管状部件503的细长部件511可以变形，并且细长部件511之间的细长孔眼509至少在一些区域内变得较窄。具体地，如图5中所示，当被压缩时，管状部件503的细长部件511可以以蜿蜒形状变形，其中细长孔眼的一部分不受细长部件511的干涉而变得较窄。当变形时，细长部件511的蜿蜒形状则可以在管状部件的壁507内产生局部扭转。此外，细长部件511可以变形，使得细长部件511的一部分变形成进入到管状部件503的内径中，和/或变形成从管状部件503的外径出来。优选地，细长部件511则仅仅进行弹性变形，或者基本上进行弹性变形，使得管状部件503可避免进行塑性变形。通过压缩管状部件503，管状部件503的壁507则可以将膨胀能储存在所述壁内。
然后，可以将管状部件503例如在井下插入到井筒内，在所述井筒内可以释放管状部件503。当被释放时，储存在管状部件503的壁507内的膨胀能将使管状部件能够膨胀回到比当在井下被插入时更大的直径。优选地，管状部件503膨胀回到接近压缩之前的仅由井筒的内部来限制的初始直径。然而因为如果并非不可能的话，常常难以不失去管状部件503的材料内的任何能量，因此管状部件503可以被限制到比压缩直径大的膨胀直径，但是仍然小于在压缩之前的初始直径。然而，优选地，当管状部件503在井下膨胀时，管状部件503将向外的膨胀力施加到井筒(未示出)的内径上。
如上所述，本公开的管状部件可以类似于弹簧压缩和膨胀。因此，还类似于弹簧，管状部件可以具有弹簧常数k，所述弹簧常数与压缩管状部件所需的力成比例。管状部件的弹簧常数k越高，需要越大的力来压缩管状部件。此压缩力还可以等于当允许管状部件膨胀时的膨胀力。因此，管状部件的弹簧常数k可以被设计到管状部件中，这取决于管状部件的多个特征。
例如，以下参照图6，示出了根据这里公开的实施例的具有形成在壁607内的多个螺旋形部件605的管状部件603的详细视图。螺旋形部件605以角度θ定向在壁607内，其中θ限定螺旋形部件605相对于管状部件603的轴线601的角度。当θ增加并且螺旋形部件605变得相对于轴线601更加垂直时，管状部件603的弹簧常数k也增加。类似地，当θ减小并且螺旋形部件605变得相对于轴线601更加平行时，管状部件603的弹簧常数k也减小。如下所示，表1显示了本公开的管状部件的可以改变以增加或减少管状部件的弹簧常数k的多个特征。
表1
管状部件 较低的弹簧常数k 较高的弹簧常数k 螺旋形部件角度 与轴线更加平行 与轴线更加垂直 螺旋形部件螺距 较高的螺距 较低的螺距 细长部件长度 较长 较短 细长部件宽度 较窄 较宽 细长部件厚度 较薄 较厚 材料弹性 较大的弹性 较小的弹性 材料屈服强度 较低的屈服强度 较高的屈服强度
管状部件 较低的弹簧常数k 较高的弹簧常数k 细长部件的连接方法 粘接 接合、钎焊、锻造、激光 或粒子淀积
如上所述，对于每一种应用来说，当制备和制造管状部件时，可以考虑管状部件的具体特性。例如，当将根据本公开的管状部件在井下安装到具有刚性自支撑结构的井筒内时，管状部件可以仅需要膨胀到井筒的内径，而不需要将相当大量的压力通过管状部件施加在井筒上。在这样的实施例中，可以期望具有较低弹簧常数k的管状部件。另一方面，当将根据本公开的管状部件在井下安装到具有松散的自支撑结构的井筒中时，管状部件可能必须膨胀到井筒的内径，然后将相当大量的压力施加在井筒上。通过将这种压力施加在井筒上，管状部件可以防止井筒损坏，或者甚至可能的塌陷。在这样的实施例中，可以期望具有较高弹簧常数k的管状部件。
在以上实施例中，本公开的管状部件被示出为具有与井筒的轴线平行的多个细长部件和多个细长孔眼。然而，本领域的普通技术人员将认识到本公开不限于此。例如，如图7中所示，管状部件703可以具有相对于管状部件703的轴线701以一角度对齐的多个细长孔眼709。类似地，细长部件(未示出)也可以相对于管状部件703的轴线701以一角度对齐。因此，通过增加细长孔眼和/或细长部件相对于管状部件的轴线的角度，管状部件的弹簧常数k也可以增加。
以下参照图8，示出了根据这里公开的实施例的管状部件803的壁807的详细视图。在此实施例中，管状部件803包括多个细长部件811、多个细长孔眼809、和一个或多个螺旋形部件805。此外，如图所示，多个细长部件811中的一些可以被设置成相对于彼此对齐。例如，在图8中，细长部件811C、811D、811E被设置成相对于彼此对齐，而细长部件811F、811G、811H被设置成相对于彼此对齐。另一方面，图3A和图3B中所示的细长部件311A、311B没有被设置成相互对齐，而是相反相对于彼此以交错布置的方式被设置。此外，在图3A、图3B、和图8中，多个细长部件311、811相对于彼此平行。
仍然参照图8，细长部件811C、811D、811E可以互相一体形成以形成单个细长部件811A，或者可以单独形成并在螺旋形部件805处相互连接。类似地，细长部件811F、811G、811H可以互相一体形成以形成单个细长部件811B，或者可以单独形成并在螺旋形部件805处相互连接。优选地，细长部件811A、811B互相一体形成，其中这可以有助于管状部件803的制造(以下将更进一步描述)。
这些细长部件811A、811B然后可以连接到螺旋形部件805，其中螺旋形部件805可以提供细长部件811A、811B之间的连接和相互作用。此外，螺旋形部件805与细长部件811A、811B之间的连接可以限定细长孔眼809的尺寸和形状，所述细长孔眼设置在所述细长部件之间。例如，如图8中所示，细长孔眼809可以具有由设置在螺旋形部件805之间的轴向长度确定的长度。此外，细长孔眼809可以具有由设置在细长部件811与螺旋形部件805的连接部分之间的周向长度确定的宽度。
此外，如上所述，细长部件811C、811D、811E可以被设置成相互对齐，并且细长部件811F、811G、811H也可以被设置成相互对齐。因此，形成在细长部件811之间的细长孔眼809也可以被设置成相互对齐。例如，设置在细长部件811C、811D、811E、811F、811G、811H之间的细长孔眼809A、809B、809C可以被设置成相互对齐。
以下参照图9，示出了根据这里公开的实施例的管状部件903的壁907的详细视图。在此实施例中，管状部件903包括连接到一个或多个螺旋形部件905的多个细长部件911。此外，细长部件911连接到螺旋形部件905，使得多个细长孔眼909形成在细长部件911之间。与图8中所示的细长部件811类似，细长部件911中的一些可以被设置成相对于彼此对齐。在这样的实施例中，设置在细长孔眼909之间的细长孔眼909也可以被设置成相对于彼此对齐。
与以上所示实施例类似，在图8和图9中所示的管状部件803、903可以分别被压缩，使得管状部件803、903的直径减小。因此，当被压缩时，管状部件803、903的细长部件811、911可以变形，并且细长部件811、911之间的细长孔眼809、909分别至少在一些区域内变得较窄。通过压缩管状部件803、903，管状部件803、903的壁807、907可以将膨胀能储存在所述壁中。这种膨胀能随后可以从管状部件803、903被释放，使得管状部件803、903的直径从管状部件803、903先前被压缩的直径增加。这可以通过使管状部件803、903弹性变形来获得，从而减少管状部件803、903可能受到的塑性变形量。优选地，当本公开的管状部件被压缩时，细长孔眼的邻近于螺旋形部件的一部分没有变形。例如，无论管状部件处于压缩或膨胀状态，细长孔眼的邻近于螺旋形部件的一部分保持相同的大小和形状。
如上所述，本公开的管状部件优选地进行弹性变形，使得当将管状部件压缩到较小直径时，在管状部件基本上没有任何变形的情况下，管状部件则可以膨胀到较大的直径。然而，在其它实施例中，管状部件可以具有弹性变形与塑性变形的组合，或者管状部件可以仅基本上进行塑性变形。当管状部件进行塑性变形时，管状部件的材料则可以屈服。例如，在一个实施例中，当管状部件被压缩时，管状部件可以基本上进行塑性变形，并且仅具有最小的弹性形变。因此，当管状部件然后膨胀时，工作筒或芯棒可以用于将管状部件塑性变形到较大的直径。因此，本公开的管状部件可以在弹性形变、塑性变形、或弹性形变和塑性变形的组合的环境中使用。
以下参照图10A-10C，示出了根据这里公开的实施例的管状部件1003的立体图。管状部件1003包括相互连接的多个细长部件。因此，多个细长孔眼形成在细长部件之间，并且多个螺旋形部件由多个细长部件的相互连接形成。图10A显示管状部件1003的端部的立体图，图10B显示沿着轴线并通过管状部件1003的内部的立体图，而图10C显示管状部件1003的端部的放大视图。因此，图10A-10C显示在已经压缩管状部件1003之前松弛状态下的管状部件1003。
如图10A-10C中所示，螺旋形部件可以是实心(无空隙)的，使得螺旋形部件从管状部件的内径延伸到外径。然而，本公开不限于此，如螺旋形部件可以仅延伸通过管状部件的一部分或者仅仅接触管状部件的一部分。例如，在一个实施例中，螺旋形部件可以与管状部件的一侧齐平，例如与管状部件的内径齐平，并且螺旋形部件则可以仅部分地通过管状部件的厚度延伸。在这样的实施例中，螺旋形部件可以凹入所述管状部件内，并且不与管状部件的外径齐平。在另一个实施例中，不是与管状部件齐平或凹入所述管状部件内，螺旋形部件可以从管状部件的一侧突出。此外，在又一个实施例中，螺旋形部件还可以是中空的。在这样的实施例中，螺旋形部件的一个或多个部分则可以接触管状部件的内径和/或外径。中空螺旋形部件(例如，中空弹簧部件)则可以与管状部件一体形成，或者可以随后例如通过使用如下所述的连接方法连接到管状部件。假设螺旋形部件是中空的，则螺旋形部件可以用于在井下输送材料和/或信息。例如，螺旋形部件可以通过所述螺旋形部件传输电信号或脉冲，或者通过所述螺旋形部件输送流体和/或其它材料。
此外，螺旋形部件可以具有恒定螺距，或者螺旋形部件可以具有可变螺距。例如，螺旋形部件沿着管状部件的螺距可以是恒定的以形成典型的螺旋，或者螺旋形部件的螺距可以变化使得螺旋形部件变化，从而当与螺旋形部件的其它部分相比时，螺旋形部件在一些部分中可以与管状部件的轴线更加平行。因此，本领域的普通技术人员将认识到当在根据本公开的管状部件内形成螺旋形部件时，可以结合以上特征中的一个或可以结合以上所有特征。
如以上实施例所示和所述，螺旋形部件可以形成在管状部件的壁内，并且可以围绕管状部件的轴线限定。因此，在一些实施例中，螺旋形部件可以形成围绕管状部件的螺旋。然而，本领域的普通技术人员将认识到本公开不限于此，如螺旋形部件不局限于围绕管状部件的轴线限定。在另一个实施例中，代替上述方式，当形成在管状部件的壁内时，螺旋形部件可以沿着一个或多个交替变换或交变的方向弯曲。例如，螺旋形部件可以具有蜿蜒的形状，其中螺旋形部件可以沿着管状部件的一侧在交替变换或交变的方向上来回弯曲。此外，这些特征可以组合，其中螺旋形部件可以同时围绕管状部件的轴线限定并且沿着管状部件螺旋形部件的方向交替变换或交变。
当制造具有多个细长部件的管状部件时，首先可以将细长部件放置在诸如夹具的紧固装置内。这种紧固装置可以例如通过使多个细长部件被设置成相对于彼此平行而将细长部件保持成期望的布置。为了有助于获得期望的细长部件布置，可以将间隔保持器放置在细长部件之间。在制造之后，可以移除(例如，以化学方法移除、机械移除、热移除、电移除、或磁性移除)这些间隔保持器，其中由间隔保持器留下的空隙可以形成细长孔眼的至少一部分。
在获得期望的布置之后，可以例如通过接合、钎焊、通过涂敷粘合剂、通过使用连接部件(例如，机械卡扣)、通过使用连接细长部件的压力方法、或者通过本领域公知的方法使细长部件相互连接。细长部件可以在细长部件的一侧或两侧相互连接(例如，焊接)。如果在两侧相互连接，细长部件可以在紧固装置内颠倒或翻转，从而还对细长部件的相对侧进行接合、焊接或涂敷粘合材料。
一旦将细长部件相互连接，从而形成管状部件的壁的至少一部分，管状部件的这部分可以大致是平坦的。在这样的实施例中，管状部件的一部分可以放置在弯曲管状部件的一部分的机械弯曲机中。一种普通类型的机械弯曲机是基本上装入三个或更多个辊的辊子弯卷机。可以调节这些辊，使得当管状部件的一部分通过机械弯曲机时，仅最小的曲率量形成在管状部件的一部分内。管状部件的一部分则可以多次通过机械弯曲机，直到达到期望的曲率。例如，如果获得大约180度的期望曲率，则管状部件的两个类似部分可以通过上述方法制造而成，其中管状部件的两个类似部分可以相互连接，然后生成整个管状部件。此外，如果管状部件的一部分形成有超过大约180度的曲率，则管状部件的相对应部分可以被形成为与另一个管状部件部分结合，以生成整个管状部件。在其它实施例中，根据管状部件的应用可以将轴向弯曲和径向弯曲并入到本公开的管状部件内，然而，本领域的普通技术人员将认识到其它类型的方法可以用于形成本申请的管状部件。
在一个示例中，回到图8，细长部件811C、811D、811E可以相对于彼此对齐并一体形成，以形成细长部件811A，而细长部件811F、811G、811H可以相对于彼此对齐并一体形成，以形成细长部件811B。这些细长部件811A、811B然后可以被设置成相对于彼此平行，并且可以形成螺旋形部件805。例如，细长部件811A、811B可以相互连接，其中细长部件811A、811B的连接部可以形成螺旋形部件805。虽然多种方法可以用于生成螺旋形部件805，但是一种方法可以是将细长部件811A、811B相互接合，其中接合材料(例如，焊接材料)可以生成螺旋形部件805。
在本公开的其它实施例中，当制造具有多个细长部件、且多个细长孔眼设置在所述多个细长部件之间的管状部件时，可以使用多种其它方法。在一个实施例中，可以例如通过淀积粒子以形成螺旋形部件的一部分或所有螺旋形部件而使用粒子淀积。粒子淀积可以包括一种或多种不同的方法，或不同方法的组合。例如，粒子淀积可以包括例如通过使用射束以淀积粒子的高能量密度淀积。这可以包括激光淀积、电子淀积、等离子淀积、或本领域公知的任何其它高能量密度方法。粒子淀积则可以是诸如粉末、等离子体、或蒸汽的固体、液体、或气体形式。与典型的接合和钎焊方法相比，粒子淀积可以更加准确并且容易控制。在另一个实施例中，可以使用粒子淀积，诸如使用粒子淀积金属，以形成管状部件的一部分或所有管状部件。例如，可以使用粒子淀积形成根据本公开的整个管状部件，或仅仅一部分，例如，螺旋形部件、或螺旋形部件的一部分可以使用粒子淀积形成。此外，在另一个实施例中，切割工具(以上给出的示例)可以用于形成管状部件的一部分或所有管状部件。例如，切割工具可以用于形成管状部件内的至少一个孔眼，或者可以用于扩大管状部件内的至少一个孔眼。
此外，为了有助于管状部件的制造，例如在形成螺旋形部件之前，可以在细长部件的一个或多个内形成沟槽。例如，在制造期间，在形成螺旋形部件和/或使细长部件与螺旋形部件相互连接之前，可以对齐多个细长部件。沟槽可以在螺旋形部件的至少一部分所定位的位置中沿着细长部件的边缘形成。沟槽可以在制造细长部件期间(例如，当细长部件成形时)形成，或者沟槽可以例如通过切割或铣削沟槽到细长部件的边缘中而形成在细长部件内。此外，在不背离本申请的保护范围的情况下，可以使用本领域公知的其它方法(例如，通过使用高能量方法(例如，激光))使沟槽形成到细长部件内。
然而，诸如金属的材料则可以例如通过接合、钎焊、或激光淀积而淀积在此沟槽内，其中淀积在沟槽内的材料将形成螺旋形部件。此外，沟槽可以促进淀积材料在管状部件内的穿透。这可以使淀积材料能够形成有较大径向厚度的螺旋形部件。此外，不是将材料淀积在沟槽内，而是可以将预先制造的螺旋形部件放置到沟槽内。例如，弹簧、或多个弹簧可以设置在形成在细长部件内的沟槽中。这些弹簧则可以通过诸如钎焊、锻造、接合、粘接、或本领域公知的其它类似方法的传统连接或结合方法连接到细长部件。
在另一个实施例中，本公开的管状部件还可以具有涂层，所述涂层在制造期间涂敷到所述管状部件。如上所述，涂层可以涂敷到管状部件以增加管状部件的机械性能。此外，管状部件可以具有涂敷到其上以控制细长孔眼的尺寸的涂层。例如，在其中管状部件的细长孔眼太大的实施例中，可以将涂层涂敷到所述管状部件。此涂层可以用于将细长孔眼的尺寸减少到期望的尺寸。
此外，在其它实施例中，多个螺旋形部件可以被设置成例如以并排布置的方式彼此相邻。在这样的实施例中，螺旋形部件则可以相互接触，或者螺旋形部件的至少一部分可以相互接触。多个螺旋形部件至少在一些部分中彼此相邻的这种布置可以用于增加管状部件的弹簧常数。
在压缩本公开的管状部件之后，并且在井下将管状部件设置在井筒内之前，管状部件可以通过保持装置而被保持在压缩状态下。保持装置可以包括围绕管状部件的外径设置的带、套管、或卷绕物，可以包括连接到管状部件的接头、定位焊、焊料、或环氧树脂，可以包括围绕管状部件的外侧设置的可除、可剪切、或可变形的带、涂层、或层，可以包括连接到管状部件的化学粘合剂，或者可以包括本领域公知的任何其它保持装置。这些保持装置可以将膨胀能保持在管状部件中。
然后，一旦在井下并且在期望的位置处，可以释放保持装置，使得壁的膨胀能将管状部件膨胀到较大的直径。这可以通过溶解、分解、剪切围绕管状部件的外径设置的外部套管、带、或涂层、使围绕管状部件的外径设置的外部套管、带、或涂层变形、或者移除围绕管状部件的外径设置的外部套管、带、或涂层、或者通过破坏或溶解设置在管状部件上的接头、焊缝、焊料、环氧树脂或化学粘合剂来实现。然而，在其它实施例中，诸如上述工作筒、芯棒或锥体的机械装置仍然可以用于膨胀管状部件。在这样的实施例中，管状部件的膨胀能可以与机械装置的膨胀能结合使用。通过利用机械装置增加管状部件的膨胀能，管状部件可以能够增加井下可膨胀管材的地层压力。
例如，在一个实施例中，套管可以围绕管状部件的外径的至少一部分设置。这种套管可以由热反应材料和/或化学反应材料形成。因此，当套管围绕管状部件设置时，套管可以被冷却，例如，其中套管可以接触管状部件的周围。假设套管内的反应足够强，套管可以甚至将管状部件压缩到期望的直径。因此，当将管状部件放置在井下时，可以加热套管，其中套管会膨胀，从而允许管状部件也膨胀。
此外，在另一个实施例中，弹性体材料可以结合到管状部件的使用中。例如，在一个实施例中，弹性体材料、或具有弹性体材料的套管可以围绕管状部件设置。这种套管或弹性体材料则可以用于隔离管状部件内部的环境与管状部件外部的环境。例如，在这样的实施例中，套管可以是不渗水的，其中套管可以防止水横过管状部件移动或移动通过所述管状部件。因此，在这样的实施例中，管状部件可以用于防止水在管状部件的位置处在井筒内流动。
本领域的普通技术人员将认识到根据本公开多种材料可以用于形成管状部件，或形成管状部件的至少一部分。例如，金属和非金属材料都可以用于形成管状部件。可以使用的一些金属材料的示例是双金属或复合金属。可以使用的一些非金属材料的示例是诸如碳纤维的纤维材料、陶瓷、聚合物(例如，高强度塑料)、或复合材料。此外，本领域的普通技术人员将认识到金属和非金属材料的组合可以用于本公开的管状部件。
此外，本领域的普通技术人员将认识到本公开的管状部件可以被构造成相互连接，或者与本领域公知的任何其它管状部件连接。在一个实施例中，管状部件可以包括设置在管状部件的至少一个端部上的螺纹连接部。此螺纹连接部可以形成在管状部件的端部上，可以添加在管状部件上，或者可以使用将螺纹连接部设置在管材的端部上的本领域公知的任何其它方法。此外，在不背离本公开的情况下，诸如压配合、锻压、摩擦接合、邻接(例如，诸如将一个管连接到另一个管的倒钩、钩子或紧固件的机械连接器)、弹性过盈的本领域公知的其它方法可以用于连接管状部件。此外，管状部件的端部可以是能够固定的，例如可以形成为刚性结构。例如，管状部件的端部可以被接合、焊接、钎焊、或使用激光淀积，以防止管状部件的端部的任何断裂或皱缩。在这样的实施例中，管状部件的端部可以被构造成与管状部件一起膨胀和压缩，但是管状部件端部处的细长部件则可以被固定在一起，而不是独立地布置。这可以带给管状部件的端部刚性，由此增加管状部件的强度。
根据本公开形成的管状部件中的一个或多个可以提供具有一个或多个以下特性的可膨胀管材。可膨胀管材可以具有大约至少115％-180％的膨胀率，可以具有大约25-250微米(0.0001-0.0098英寸)的颗粒尺寸保留值(particle size retention)，可以具有至少大约800-1000psi(5520-6900kPa)的柔性地层接触(flexible formation contact)，并且可以具有至少大约8000psi(55,200kPa)的破裂额定值(collapse rating)。
本公开的实施例可以提供以下优点中的一个或多个。首先，本公开可以提供一种可膨胀管材，所述可膨胀管材可自膨胀，从而消除对膨胀可膨胀管材的另外的工具需要。这可以消除将另外的管材串下入井下以膨胀可膨胀管材的需要，从而增加井筒操作的效率。其次，本公开可以提供一种可以收回并再次使用的可膨胀管材。这里所述的管状部件优选地进行弹性变形，而不是进行塑性变形(即，永久变形)。因此，当管状部件从一个井筒操作收回时，所述管状部件可以被收回并且在另一个井筒操作中被再次使用。此外，本公开可以提供一种可以定制用在各种井筒操作中的可膨胀管材。通过调节可膨胀管材的一个或多个特征，可膨胀管材的弹簧常数可以随意地增加或减小。
此外，本公开可以提供一种产生基本上一致的弹簧常数的可膨胀管材。具体地，当可膨胀管材压缩和膨胀时，可膨胀管材的弹簧常数可以基本上保持一致。最后，本公开可以提供一种限制和/或控制在压缩和膨胀期间轴向长度的变化的可膨胀管材。例如，设置在可膨胀管材内的细长孔眼和细长部件可以在压缩和膨胀期间控制管状部件的轴向长度。因此，当可膨胀管材压缩和膨胀时，可膨胀管材的轴向长度可以保持基本上一致，或者可以伸长，或者可以缩短。此外，可膨胀管材的一部分可以被形成为使得可膨胀管材的一部分在压缩和膨胀期间做不同的响应。例如，可膨胀管材的一部分在压缩期间可以伸长，而可膨胀管材的另一部分在压缩期间可以缩短。
虽然已经相对于有限数量的实施例说明了本公开，但是具有本公开的益处的本领域的普通技术人员将认识到可以设计不背离如这里所述的公开的保护范围的其它实施例，因此，本公开的保护范围应该仅由所附权利要求限制。