用于将可膨胀管锚定到钻井壁的系统和方法 技术领域 本发明涉及用于形成在地层中的井眼内的可膨胀组件， 所述组件包括用于在膨胀 时获得增大径向膨胀的机构。更特别地， 本发明涉及可径向膨胀的装置， 其机械接合钻井 壁， 以形成锚。
背景技术 在钻油、 气井时， 使用在钻柱下端处被向下推动的钻头形成井眼。 在钻预定深度之 后， 取出钻柱和钻头， 并且通常使用称为套管的钢管的串为井眼加衬。 套管提供对井眼的支 撑， 并且便于将井眼的一定区域隔离， 例如将相邻的含油气地层隔离。 套管通常从井的表面 沿着井眼延伸到指定深度。因而环形区域限定在套管外侧和地层之间。该环形区域使用水 泥填充， 以将套管永久地安放在井眼中， 并且便于井眼内不同深度处的生产区和流体的隔 离。
可膨胀管状元件在油气钻井和生产领域获得不断增长的应用。 井眼中可膨胀管元 件的一个主要优点涉及与具有更传统的嵌套套管方案的常规井眼相比较， 增加了用于流体 生产或用于工具通过的井下的可用内径。通常， 可膨胀管状元件通过将未膨胀管状元件下 入井眼中， 之后， 将膨胀装置推动、 泵送或拉动通过所述管状元件来安装。膨胀率为膨胀之 后的直径与膨胀之前的直径的比率， 由膨胀器的有效直径确定。
当可膨胀管下入井眼中时， 其必须在期望深度处锚定到井眼内， 以防止可膨胀管 在膨胀过程中移动。 将可膨胀管锚定在井眼内允许通过膨胀器工具将该一定长度的可膨胀 管膨胀到井眼中。该锚定必须在可膨胀管和井眼的内径之间提供适当的接合， 以稳定可膨 胀管， 防止膨胀过程中在井眼内发生旋转运动和纵向轴向运动。
可膨胀管通常在先前的套管串已经安放在井眼中之后下入井眼中。 可膨胀管必须 延伸穿过先前的套管串的内径， 以到达准备要隔离的裸眼的井眼部分， 所述裸眼井眼的部 分位于先前安放的套管串下方。因此， 所述锚和可膨胀管的外径必须小于为井眼加衬的全 部先前的套管串， 以延伸穿过衬管到达存在裸眼井眼的深度处。
另外， 一旦当可膨胀管到达先前的套管或衬管下方的井眼的裸眼部分时， 井眼的 裸眼部分的内径通常大于先前的套管的内径。 为了将可膨胀管在井眼的裸眼部分中保持在 位， 锚必须具有足够大的外径， 以将可膨胀管在继续膨胀过程之前充分固定在裸眼井眼中 的位置处。
US-7104322 公开了在井眼内锚定可膨胀管的方法和设备。所述设备包括展开系 统， 其包括可充胀封隔元件。 所述封隔元件布置在衬管内部， 并且支撑在钻柱上。 当充胀时， 所述封隔元件使可膨胀管的锚定部分径向膨胀。锚定部分的外侧与井眼壁接合并形成锚。 可膨胀管的其余部分可随后使用膨胀器工具膨胀。 锚定部分的保持力和形状可通过改变封 隔器的特性， 例如改变封隔器的形状和壁厚来操纵。
但是， 如 US-7104322 中公开的， 管与地层的接合受管状元件的膨胀量限制， 所述 膨胀量通常受膨胀装置的机械限制条件约束。例如， 在未膨胀管和井眼壁之间的环形空间
比较大的情况下， 可获得的机械膨胀量可能不足以使膨胀管与钻井壁接合。
另外， 虽然管的外侧和井眼壁之间的将可膨胀管保持在位的摩擦力可抵抗由旋转 的膨胀工具在可膨胀管上产生的作用力， 但是在将膨胀器锥拉动通过可膨胀管时， 该摩擦 力可能不足以抵抗该作用力。如果摩擦力不够， 则膨胀工具可在膨胀过程中沿轴向移动可 膨胀元件， 并且未膨胀管可能阻塞先前的套管。 于是必须以相当高的代价取出未膨胀元件， 或者所述阻塞可能甚至付出更大的代价， 使井眼不可用。
因而， 期望提供一种装置， 其将在使管膨胀时， 甚至在已膨胀的管自身不与钻井壁 接合的情况下， 仍与钻井壁机械接合。 发明内容
本发明提供一种管安装装置， 其在管膨胀时， 甚至在膨胀管自身不与钻井壁接合 的情况下， 与钻井壁机械接合。
根据本发明的用于将可膨胀管锚定到钻井壁的系统包括 ： 斜坡构件， 所述斜坡构 件具有位于一侧上的锚斜坡面和位于相反另一侧上的支撑斜坡面， 所述斜坡构件相对于所 述管的外侧固定 ； 锚构件， 所述锚构件具有相对于所述管的外侧固定的第一锚端， 和朝向 所述斜坡构件的锚斜坡面延伸的第二锚端， 所述第二锚端相对于所述管的外侧可动 ； 支撑 构件， 所述支撑构件具有相对于所述管的外侧固定的第一支撑端和朝向所述斜坡构件的支 撑斜坡面延伸的第二支撑端， 其中所述第二支撑端面与所述第一支撑端沿轴向间隔开距离 L B， 并且其中， 所述支撑构件包括支架， 所述支架在所述第一支撑端和所述第二支撑端之间 延伸， 所述支架和所述第二支撑端相对于所述管的外侧可动 ； 所述第一锚端和所述第一支 撑端限定在所述第一锚端和所述第一支撑端之间的初始轴向装置长度 L1 ； 其中， 所述可膨 胀管的在所述第一锚端和所述斜坡构件之间的部分的膨胀引起轴向装置长度充分缩短， 以 足以引起所述第二锚端径向向外移动， 并且由于与所述锚斜坡面接合而与钻井壁接合， 并 且其中， 所述可膨胀管的在所述斜坡构件和所述第一支撑端之间的部分的膨胀引起轴向装 置长度进一步缩短， 以引起所述第二支撑端径向向外移动， 并且由于与所述支撑斜坡面接 合而与第二锚端接合， 除非所述钻井壁阻止缩短， 于是将通过所述支架阻止所述可膨胀管 进一步缩短。
本发明的锚定装置使所述管和支架能够设计成使所述可膨胀管的在所述斜坡面 和所述第一支撑端之间的部分的膨胀引起所述轴向装置长度进一步缩短， 除非所述钻井壁 防止缩短， 于是通过所述支架防止所述可膨胀管进一步缩短。施加在管壁上的径向力可因 而被限制到预定最大径向力， 以可防止所述管壁在膨胀过程中塌陷。 此外， 能够滑动到支撑 斜坡侧上和在锚下方滑动的支架远离管并且朝向或进入地层延伸锚的径向可达距离。 附图说明 本发明可通过阅读下面参照附图对非限制性实施例的描述得到更好地理解， 附图 中， 每一幅图的相似的部件由相同的附图标记标示， 并且附图简要描述如下 ：
图 1 是在膨胀之前设置在井眼中的本发明第一实施例的示意性剖视图 ；
图 2 是处于中间膨胀水平的图 1 的装置的剖视图 ；
图 3 是在井眼中充分膨胀的图 1 的装置的剖视图 ；
图 4 是处于中间膨胀水平的本发明装置的第一替代实施例的剖视图 ； 图 5 是在井眼中充分膨胀的图 4 的装置的剖视图 ； 图 6 是适用于图 4 的系统中的锚的放大图 ； 图 7-11 是适用于本发明中的替代锚结构的放大图 ； 图 12 是膨胀之后的本发明的一个实施例的放大立体图 ； 图 13 是膨胀之后图 10 的装置的放大立体图 ； 图 14 是膨胀之后图 11 的装置的放大立体图 ； 图 15 是处于中间膨胀水平的本发明的另一个实施例的示意性剖视图 ； 图 16 是图 15 的装置的立体图 ； 图 17A-F 是显示图 15 的装置的操作的顺序的剖视图 ； 图 18 是处于中间膨胀水平的本发明的又一个实施例的示意性剖视图 ； 图 19 是图 18 的装置的立体图 ； 图 20A-F 是示出图 18 的装置的操作的顺序的剖视图。具体实施方式
图 1 显示了根据本发明第一实施例构造的用于将可膨胀管 20 锚定到井眼壁 11 的 可膨胀锚定装置 10。锚定装置 10 包括锚 12 和楔合构件 16， 其都安装在可膨胀管 20 的外 侧上， 并且以第一距离 L1 分开。可膨胀管 20 可包括单个管状元件， 或任意数量的相互连接 的管状元件。 管状元件可使用本领域中已知的螺纹连接 ( 未显示 ) 相互连接。 锚 12 包括固 定端 14， 其优选通过焊接或防止固定端 14 和管 20 之间相对运动的其他方式固定到管 20。 锚 12 的另一端朝向楔合构件 16 延伸， 但是不固定到管 20 的外侧， 以使除固定端 14 之外， 锚 12 的全部相对于管 20 自由运动。 锚 12 可构造成使其内径与管 20 的未膨胀的外径相同， 或优选大于管 20 的未膨胀的外径。
应可理解， 锚 12 和固定端 14 能以单个一体的部件形成， 所述单个一体的部件可由 已经结合的分开的件构造， 或包括没有机械结合的分开的件。优选至少固定端 14 可固定到 管 20， 优选但不一定通过焊接。
类似地， 楔合构件 16 优选通过焊接或防止其间相对运动的其他方式固定到管 20。 楔合构件 20 包括斜坡构件 18， 其朝向锚 12 延伸。斜坡 18 可构造具有任何期望的表面角 度。
楔合构件 16 和锚 12 的厚度为设计要素， 但是受膨胀之前系统的最大允许直径限 制， 所述最大允许直径小于先前的套管串的内径。
锚 12 和楔合构件 16 每一个可具有环形或分段结构。在分段结构中， 锚 12 和 / 或 楔合构件 16 可包括多个纵向带、 杆或板。例如， 可使用八条带， 每一条带围绕管 20 的外圆 周的 45 度或更小的角度延伸。或者， 锚 12 和 / 或楔合构件 16 可既包括环形部分又包括分 段部分。在后面的情况下， 优选环形部分位于分开距离 L1 的外侧。
还优选的是， 任何固定端和 / 或环形部分可由延展性材料形成， 并且具有的厚度 和长度可足以在不需要过分的力的情况下膨胀。 适当的延展性材料例如为碳钢 A333。 所述 材料相对于拉伸具有例如 30 或更大数量级的弹性模量， 且相对于扭转具有 11 或更大数量 级的弹性模量。可膨胀锚定装置 10 用于与可膨胀管 20 结合使用， 可膨胀管 20 又由膨胀装置 30 膨胀。如图所示， 膨胀装置 30 可包括具有截头圆锥形膨胀表面 32 的锥， 其在推动或拉动膨 胀装置 30 通过管 20 时增大管 20 的内径， 但是应可理解， 膨胀装置 30 可包括用于将径向膨 胀力施加到管 20 内部的任何适当机构。
参照图 2 和图 3， 可看到当膨胀装置 30 移动通过管 20 时， 管 20 缩短。因而， 当膨 胀装置 30 从 L1 的一端移动到另一端时， 楔合构件 16 和锚 12 的固定端 14 之间的距离减小。 一旦当膨胀装置 30 已经移动经过楔合构件 16 时， 达到楔合构件 16 和锚 12 的固定端 14 之 间的最终距离， 并且限定为距离 L2。由于除了固定端 14， 锚 12 没有固定到管 20， 因此管 20 的缩短对锚 12 的长度实际上没有影响。
对于给定的管和膨胀率， 可预测如果管在膨胀过程中没有受到约束的情况下将发 生的缩短量。在一个优选实施例中， 距离 L1 选择成使缩短量足够使锚 12 与楔合构件 16 重 叠期望的纵向距离， 所述缩短量可表达为 L1 和 L2 之间的差。L1 和 L2 之间的差为膨胀率、 膨 胀模式的函数， 以及， 不用说， 为原始管壁厚的函数， 并且可根据这些参数预测。
在本文使用时， “膨胀模式” 区分所谓的受拉膨胀和受压膨胀， 受拉膨胀和受压膨 胀又用于描述膨胀过程中管经受的应力状态。在受拉膨胀过程中， 膨胀装置从固定可膨胀 管的位置移动远离， 所述位置例如为锚的位置。 在受压膨胀过程中， 膨胀装置朝向固定可膨 胀管的位置移动。可膨胀管在受压膨胀过程中比在受拉膨胀过程中缩短约两倍多。本文中 缩短表示管 ( 的一部分 ) 膨胀前后的长度差。在管膨胀过程中， 膨胀模式可改变。另外， 可 膨胀管的重量可引起二阶效应。但是， 如下面更详细描述的， 通常膨胀模式已知。因而， 可 以并且期望计算和使用预定间距 L1， 其将导致期望的重叠和锚 12 的向外移动。 在根据本发明的可膨胀管状元件的膨胀过程中， 管的设置有本发明的锚的部分优 选在第一步中膨胀。 在该第一步过程中， 夹紧装置将未膨胀管状元件保持在预定位置中， 直 到锚与井眼壁接合。与膨胀装置结合操作的适当的夹紧装置例如在 US-2009/0014172-A1 中公开， 所述专利在该方面以引用的方式并入本文中。 在第一膨胀步骤中， 夹紧装置与管壁 接合。然后， 致动器， 包括例如液压致动器， 将膨胀装置拉动通过管， 直到使锚被启用。在随 后的步骤中， 一旦当锚已经与井眼壁接合时， 管状元件的其余部分可通过将膨胀装置朝向 表面拉动来膨胀。通过朝向表面拉动膨胀器的膨胀与其他膨胀方式相比较相对较快。使用 夹具系统的膨胀可称为受压膨胀， 其中， 当锚被启用时时将膨胀器拉向表面称为受拉膨胀。 因而， 当锚被启用并且与井眼壁接合时， 可改变膨胀模式。
作为夹紧系统的一种替代方案， 可膨胀管状元件 20 的串可在其井下处封闭 ( 未示 出 )， 在封闭端和膨胀装置 30 之间形成封闭的流体压力室。 即， 在将包括封闭端的可膨胀管 和膨胀装置引入井眼中之前， 在表面处将井下端封闭。膨胀装置 30 将设置有连接其顶端和 底端的流体通道。 例如， 中空管柱的管连接到流体通道的顶端， 以使压力下的流体从表面通 过膨胀装置进入流体压力室中， 其中， 流体压力室中的生成压力推动膨胀装置通过可膨胀 管。利用膨胀装置下方的压力室的膨胀称为受拉膨胀。
现在参照图 4、 5 和 6， 一个替代实施例包括锚 42， 其具有固定端 44、 带有切割端 47 的第一部分 46、 第二部分 48、 和布置在第一和第二部分 4、 48 之间的铰接部 45。铰接部 45 设置成使锚 42 在膨胀过程中塑性变形。当楔合构件 16 开始在锚 42 下方滑动时， 切割端 47 将被径向向外推动。铰接部 45 将提供用于第一部分 46 相对于第二部分 48 的旋转点， 允许
切割端 47 朝向地层旋转。
在一个实施例中， 一旦当铰接部 45 到达其旋转极限和 / 或楔合构件 16 到达铰接 部 45 并且在锚 42 的第二部分 48 下面滑动时， 第二部分 48 将开始径向向外旋转， 由此增大 切割端 47 与地层接合的角度。
在图 4 和 6 中， 铰接部 45 显示为锚 42 外侧中的凹槽或沟槽。图 5 中， 凹槽由于锚 42 弯曲而闭合。
图 7-10 显示了锚的替代实施例。图 7 中， 锚 52 具有逐渐缩减的第一部分 53。图 8 中， 锚 54 具有厚度减小的第一部分 55。图 9 中， 锚 56 具有包括直线槽口 57 的铰接部。
图 10 中， 锚 58 具有第一部分 59， 该第一部分具有减小的厚度和增强的切割端 60， 所述切割端包括楔状或叶片状尖头， 所述尖头比第一部分 59 的其余部分更厚。两个或多个 所述尖头可连续布置。
应可理解， 前述仅为示例性实施例， 并且两部件式锚可具有各种各样形状中的任 何形状。在每一个例子中， 第一部分和第二部分之间的接合部处出现的厚度的增大和因此 弯曲力的增大限定铰接部， 所述铰接部又限定弯曲和塑性变形的程度。 因而， 铰接部的位置 和第一部分的相对长度决定进入地层的锚的可达距离。 图 12 显示了具有基本上恒定厚度的锚 12， 其在膨胀之后滑在楔合构件 16 上。锚 的端部设置有增强切割端 60， 其包括楔状或叶片状尖头， 所述尖头比锚的其余部分更厚。 切 割端 60 被朝向地层 72 推动， 并且部分地被推动进入地层 72 中， 以将衬管锚定在地层中。 穿 入深度示意性地以 L3 标示。斜坡构件 18 相对于管轴线的角度和接触长度设计用于在将膨 胀装置拉动通过衬管过程中避免衬管的过大载荷。
可膨胀衬管 20 的膨胀过程致动本发明的锚定装置。由于在膨胀装置从 L1 的一端 移动到另一端时衬管缩短， 因此锚 12 滑动到楔合构件 16 的斜坡 18 上。在不存在铰接部的 情况下， 锚的自由端可与楔合构件 16 重叠期望的纵向距离 L4( 图 12)。优选最小化重叠的 长度 L4， 以限制膨胀力的增大。
切割端或尖头 60 将在衬管 20 膨胀过程中锚施加在地层上的径向力集中在尖头的 端面上。因而， 向每地层面积施加的径向力增大。地层的局部阻力或强度可表达为每面积 的阻力 ( 例如单位为 psi 或 Pa)。井眼中的地层阻力范围可在 500psi 到 16000psi， 并且可 例如测量或估计。 这允许地层和尖头之间的接触面积以及尖头上相应的最大径向力设计成 使尖头在管状元件膨胀过程中穿入地层中超过预定的最小穿入深度 L3( 图 12)。
锚的改进的实施例在其受到外力时将其自身锁定在地层中。换句话说， 锚的设计 使得， 锚的尖头端在受到这样的力时试图进一步地穿入地层中， 与例如抵着井眼壁摩擦相 反。这称为自锁定作用。外力包括例如当膨胀器超过锚定装置 10 的位置时在管 20 膨胀过 程中由膨胀装置 30 传送到管 20 的向上的力。
图 13 显示了锚 12， 其设置有膨胀之后并且经受附加的外部载荷之后厚度减小的 第一部分 59。在受到力时， 锚的尖头端相对于管 20 径向向外卷曲， 并且进入地层中。
当作用在锚的尖头端上的力矩大于锚的最弱部分的弯曲力矩 Mh 时， 尖头向外卷 曲。在图 13 的实施例中， 这是第一部分 59。通常， 力矩为管壁和地层 72 之间的距离 L5、 外 力 Fe 和生成作用力 Fr( 图 13) 的函数。这里， Fr 还取决于地层硬度和穿入深度 L3， 因为当 每面积所需的力 Fr 超过地层强度 ( 以 psi 或 Pa 表示 ) 时， 地层将破碎或粉碎。但是上述
数值可能局部不同。大约当 Mh ＜ L5 ＊ Fr 时， 锚将提供自锁定作用。
在另一个实施例中， 锚包括一个或多个铰接部 57、 62、 66( 图 11、 14)。 现在， 锚的弯 曲阻力或强度在铰接部的位置处最低。与上面所述的实施例类似， 当受到提供的力矩超过 铰接部中的一个或多个的弯曲力矩的力时， 锚的尖头端 60 将径向向外卷曲或弯曲， 并且进 入地层中。
参照图 11 和 14， 当受力时， 锚 12 将例如首先在铰接部 62 的位置处弯曲， 以使尖 头 60 开始朝向地层并且远离管 20 卷曲。当铰接部 62 闭合时， 锚将在铰接部 66 的位置处 弯曲， 以使尖头 60 和部分 64 将朝向地层并且远离管 20 卷曲。当铰接部 66 闭合时， 锚将在 铰接部 57 的位置处弯曲， 以使尖头 60、 部分 64 和部分 68 朝向地层并且远离管 20 卷曲。当 铰接部 57 闭合时， 锚将达到图 14 中所示的状态。
在铰接部以凹槽或槽口 ( 图 6、 9) 提供的情况下， 凹槽或槽口可在一些变形量之后 闭合， 因而停止作为铰接部的操作， 限制进一步变形 ( 图 14)。 这也称为自锁定， 并且在一些 情况下是期望的。
最大锚定力例如由弯折弯曲区 59 或铰接部所需的力、 地层强度及锚与地层之间 的垂直于管轴线的接触面积、 穿入深度、 围绕管状元件的圆周布置的锚的数量等中的一个 或多个确定。 在其他实施例中， 可提供不止一个铰接部， 以使变形的锚具有例如图 11 和 14 中示 出的形状。相邻的铰接部之间的相应部分的长度 L6、 L7 决定锚沿径向方向的可达距离。铰 接部之间的较厚的部分防止锚弯折 ( 图 14)， 因而设定锚进入或朝向地层的可达距离。 最大 锚定力随着穿入深度而增大， 因为锚定力取决于锚和地层之间的接触面积。
参照图 14， 在包括一个或多个铰接部的实施例中， 与相应铰接部相邻的相对较厚 的部分 64、 68、 58 将限制这种卷曲运动。锚将在铰接部的位置处卷曲， 但是该卷曲运动将在 与相应铰接部邻接的较厚部分如图 14 中所示接触时结束。较厚部分 68、 64 的长度 L6、 L7 因 而决定锚的最终形状。例如， 在图 14 中所示的实施例中， 长度 L6 决定锚的端部将延伸远离 衬管多远， 因为相邻的铰接部 57、 66 将闭合， 并且锚的进一步弯折仅在更大的力施加到其 时才发生。因而， 长度 L6 使得能够设定穿入深度 L3 和 / 或最小锚定力。锚 12 在地层 72 中 的穿入深度 L3 部分取决于地层的强度或硬度。
在图 15 到 17 中所示的另一个实施例中， 本发明的锚定装置目的在于提供最大的 向上锚定力， 以防止衬管移动， 同时限制衬管上的径向向里的力， 所述径向向里的力可导致 衬管壁塌陷。锚 12 的与楔合构件重叠的部分接合地层并且被推到地层中， 衬管的壁必须能 够提供作用力。
参照图 15， 根据本发明第二实施例构造的锚定装置 110 包括锚 112 和楔合构件 116， 其都安装在可膨胀管 20 的外侧上， 并且以第一距离 L1 分开。锚 112 包括固定端 114， 其优选通过焊接或防止固定端 114 和管 20 之间相对运动的其他方式固定到管 20。锚 112 的自由的另一端朝向楔合构件 116 延伸， 而不固定到管 20 的外侧， 以使除固定端 114 之外， 锚 112 的全部相对于管 20 自由运动。锚 112 可构造成使其内径与管 20 的未膨胀的外径相 同， 或大于管 20 的未膨胀的外径。
类似地， 楔合构件 116 包括固定端 117， 其优选通过焊接或防止固定端 117 和管 20 之间相对运动的其他方式固定到管 20。楔合构件 116 的自由的另一端朝向锚 112 延伸， 并
且限定长度为 LB 的支架 115。支架 115 不固定到管 20 的外侧， 并且相对于管 20 自由运动。 在自由端处， 楔合构件 116 包括斜坡构件 118， 其朝向锚 112 延伸。斜坡 118 可以任何期望 的表面角度构造， 并且可为与支架 115 一体或为与支架 115 分开的部件。
楔合构件 116 和锚 112 的厚度为设计要素， 但是受膨胀之前系统的最大允许直径 限制， 所述最大允许直径小于先前的套管串的内径。
锚 112 和楔合构件 116 每一个可具有环形或分段结构。在分段结构中， 锚 112 和 / 或楔合构件 116 可包括多个纵向带、 杆或板。如图 16 中所示， 锚 112 和楔合构件 116 每一 个分别包括例如八条带 122、 124。八条带 122、 124 围绕管 20 的外圆周延伸。可任选地， 锚 112 和 / 或楔合构件 116 包括分段部分， 所述分段部分包括多个带或指状物 126， 其具有比 带 122 更小的宽度。所述锚和楔合构件可包括适合于管 20 的尺寸的任意数量的带 122 和 / 或相应指状物 126。
可膨胀锚定装置 110 用于与可膨胀管 20 结合使用， 可膨胀管 20 又由在图 1-3 中 大体上示出的膨胀装置 30 膨胀。在膨胀过程中， 膨胀装置沿箭头 128 的方向移动。
参照图 17A 到 17F， 可看到当膨胀装置 ( 其位置由箭头 30 标示 ) 移动通过管 20 时， 管 20 缩短。首先， 锚 112 的自由端接触斜坡构件 118( 图 17A)。直到膨胀装置到达斜坡构 件， 缩短的结果为斜坡构件 118 和锚 112 的固定端 114 之间的距离减小。锚的自由端将滑 动到斜坡构件上， 并且朝向钻井壁 11 滑动， 重叠在斜坡构件上， 从管 20 延伸远离。优选地， 锚 112 的长度选择成使其自由端在膨胀装置经过斜坡 118 时与钻井壁 11 接合 ( 图 17B)。
膨胀装置随后行进超过斜坡构件， 并且管 20 在膨胀器的位置处继续膨胀和缩短。 由于所述缩短， 楔合构件 116 的固定端 117 朝向锚 112 移动， 结果斜坡构件 118 推抵锚着 112( 图 17C)。如果锚 112 的自由端上的径向力大于地层的局部阻力或强度， 则自由端处的 尖头 60 将进一步地穿入地层中 ( 图 17D)， 其中所述径向力由管状元件 20 由于其膨胀而造 成的缩短产生。
但是， 如果所述径向力小于或等于地层的局部阻力或强度， 则锚的尖头 60 将不能 进一步地穿入地层中。在该情况下， 锚 112 将由地层保持在位， 并且斜坡构件 118 将又由锚 112 保持在位。由于楔合构件 116 的支架 115 不能沿管 20 的外侧进一步滑动， 因此不可能 发生进一步缩短。一旦当膨胀装置已经移动经过楔合构件 116 的固定端 117 时， 就达到楔 合构件 116 和锚 112 的固定端 114 之间的最终距离， 并且限定为 L8( 图 17D)。由于在膨胀 过程的一部分过程中阻止管缩短， 因此该实施例的最终总装置长度 L8 可能没有根据图 1 的 实施例构造并且具有相同 L1 的装置的 L2 那样小。该差别是由于在管穿过支架 115 的长度 LB 的至少某部分时可能已经阻止管缩短。
当包括斜坡构件 118 的楔合构件 116 的自由端由锚保持在位时， 施加到衬管 20 的 壁的最大载荷约等于所谓的固定 - 固定载荷。所述固定 - 固定载荷为当膨胀器在固定衬管 的两点之间移动时施加到衬管壁的局部载荷， 其中衬管在所述两点固定以使衬管不可能在 所述两点之间缩短。由于固定 - 固定载荷可提前确定， 例如在实验室测试过程中确定， 因此 本发明的锚定装置 10 可设计成使施加在地层上的径向力不超过管 20 的壁的最大径向载 荷。 因而， 本发明的锚定装置确保管壁可具有足够强度来在膨胀过程中抵抗最大径向力， 以 使壁在锚与地层接合时， 将基本上保持圆柱状， 即圆形。
由于管壁上的最大载荷不会超过固定 - 固定载荷， 因此图 15 到 17 中所示的实施例允许可膨胀管设计成甚至在地层太硬以致于不能接纳锚 112 的情况下， 仍避免塌缩， 其 中所述固定 - 固定载荷可计算或至少通过经验确定。这将防止管壁在膨胀过程中塌陷、 断 裂或类似损坏。如上所述， 如果可膨胀元件损坏， 则可能使得整个井下部分不能用， 于是必 须以相当大的代价取出。本发明的可膨胀管方案因而在该方面大大提高可靠性。
膨胀过程中作用在衬管上和地层上的径向载荷例如取决于斜坡 118 的表面角度、 楔合构件 116 和衬管 20 之间的摩擦力、 楔合构件 116 和锚 112 之间的摩擦力、 地层硬度、 膨 胀过程中管壁和地层之间的距离等中的一个或多个。 斜坡的表面角度优选设计成施加最大 径向力， 同时径向载荷保持在衬管的径向塌陷载荷范围内。
由于管壁上的径向和轴向载荷受限， 因此图 15 到 17 的实施例适用于较硬的地层， 例如强度或硬度例如为 3000(20MPa) 到 4000psi(28Mp) 或更大的地层。另外， 管壁上的径 向载荷可能通过限制锚和楔合构件之间的重叠部分和 / 或通过限制锚和地层之间的接触 面积来限制。锚和地层之间的垂直于管半径的接触面积最小化来减小衬管上的径向载荷。 在一个实际的实施例中， 斜坡 118 的表面角度在 30 到 60 度范围内， 例如约 45 度。
参照图 18， 根据本发明又一个实施例构造的锚定装置 210 包括锚 212 和楔合构件 216， 其都安装在可膨胀管 20 的外侧上。锚 212 包括固定端 214， 其优选通过焊接或防止固 定端 214 和管 20 之间相对运动的其他方式固定到管 20。锚 212 的自由的另一端朝向楔合 构件 216 延伸， 但是不固定到管 20 的外侧， 以使除固定端 214 之外， 锚 212 的全部相对于管 20 自由运动。锚 112 可构造成使其内径与管 20 的未膨胀的外径相同， 或大于管 20 的未膨 胀的外径。 同样， 楔合构件 216 包括固定端 217， 其优选通过焊接或防止固定端 217 和管 20 之 间相对运动的其他方式固定到管 20。楔合构件 216 的自由的另一端朝向锚 212 延伸， 并且 不固定到管 20 的外侧， 以使除固定端 217 之外， 楔合构件 216 的全部相对于管 20 自由运动。 楔合构件 216 可构造成使其内径与管 20 的未膨胀的外径相同， 或大于管 20 的未膨胀的外 径。
斜坡构件 218 布置在锚 212 的自由端和楔合构件 216 的自由端之间。 斜坡构件 218 包括锚斜坡面 219a， 其沿锚 216 的方向逐渐缩减 ； 和楔合斜坡面 219b， 其沿楔合构件 216 的 方向逐渐缩减。斜坡构件 218 优选固定到管 20 的外侧， 以防止其间相对移动。
锚 212 的自由端可设置有尖头 60， 所述尖头 60 具有面向管 20 的倾斜侧部 280。 倾 斜侧部 280 与锚斜坡面 219a 配合。楔合构件 216 的自由端可设置有增厚端 282， 其具有倾 斜顶部表面 284 和倾斜底部表面 286。倾斜顶部表面 284 与锚 218 配合， 如图 18 中所示。 倾斜底部表面与楔合斜坡面 219b 配合。
锚 212 和楔合构件 216 每一个可具有环形和 / 或分段结构。在分段结构中， 锚 212 和 / 或楔合构件 216 可包括多个纵向带、 杆或板。如图 19 中所示， 锚 212 和楔合构件 216 每一个分别包括例如八条带 222、 224。八条带 122、 124 围绕管 20 的外圆周延伸。可任选 地， 锚 212 和 / 或楔合构件 216 的带包括分段部分， 所述分段部分包括多个带或指状物 225、 226， 其具有小于带 122 的宽度。锚和楔合构件可包括适合于管 20 的尺寸的任意数量的带 222 和 / 或相应的指状物 226。
参照图 20A 到 20F， 可看到当膨胀装置 ( 其位置由箭头 30 标示 ) 移动通过管 20 时， 管 20 缩短。首先， 锚 212 的自由端接触斜坡面 219a( 图 20A)。直到膨胀装置到达斜坡
构件， 缩短的结果为斜坡构件 218 和锚 212 的固定端 214 之间的距离减小。锚的自由端将 滑动到斜坡构件的斜坡面 219a 上， 并且朝向地层滑动， 重叠在斜坡构件上， 从管 20 延伸远 离。优选地， 锚 212 的长度选择成使其自由端接触或延伸到地层中 ( 图 17B)。
膨胀装置随后行进超过斜坡构件 218， 并且管 20 在膨胀器的位置处继续膨胀和缩 短。由于所述缩短， 楔合构件 216 的固定端 217 朝向斜坡构件 218 移动， 结果底部表面 286 滑动到斜坡面 219b 上， 其中顶部表面 284 推抵着锚 212( 图 20D、 20E)。如果锚 212 的自由 端上的径向力超过地层的局部阻力或强度， 则自由端将进一步地穿入地层中 ( 图 20D)， 其 中所述径向力由管状元件 20 由于其膨胀造成的缩短产生。但是， 如果在锚 212 自由端处的 所述径向力小于或等于地层的局部阻力或强度， 则锚的尖头 60 将不能穿入地层中。在该情 况下， 锚 212 将由地层保持在位， 并且楔合构件 216 的自由端将又将抵靠着锚 212 固定。由 于斜坡构件 218 的自由端不能沿管 20 的外侧进一步滑动， 因此不可能发生进一步缩短。一 旦当膨胀装置已经移动经过楔合构件 216 的固定端 217 时， 就达到楔合构件 216 的自由端 和锚 212 的固定端 214 之间的最终距离， 并且限定为 L9( 图 20D)。由于在膨胀过程的一部 分过程中阻止管缩短， 因此对于给定的 L1， L9 不如 L2 那样小。
当楔合构件 216 的自由端由锚保持在位时， 施加到衬管 20 的壁的最大载荷约等于 所谓的固定 - 固定载荷。所述固定 - 固定载荷为当膨胀器在固定衬管的两个位置之间移动 时施加到衬管壁的局部载荷， 其中衬管在所述两个位置固定以使衬管不可能在所述两个位 置之间缩短。由于固定 - 固定载荷可提前确定， 例如在实验室测试过程中确定， 因此衬管壁 可设计成具有足够强度来在膨胀过程中抵抗载荷， 从而可防止可膨胀管的壁塌陷。 因此， 图 18-20 的装置适用于软和硬地层。 但是由于楔合构件 216 可将锚朝向地层推动， 并且推入地 层中， 因此锚 212 可比锚 12、 112 进一步延伸远离管壁并且进入地层中。锚 212 可延伸到地 层中例如约两到三倍远。
在一个实际的实施例中， 可膨胀管状元件可膨胀以使其半径增大高达约 30％， 例 如约 10％到 15％。管的长度可缩短例如 5％到 10％。
对于外径为九又八分之五 (9 又 5/8) 英寸的管状元件， 锚和 / 或楔合构件的厚度 可在 0.3 到 1 英寸 (1 到 2.5cm) 范围内， 例如约 0.5 英寸 (1.2cm)。斜坡相对于管状元件的 轴线的角度可通常为 30 到 60 度数量级， 例如约 45 度。重叠距离 L4 为例如 0.5 到 2 英寸 (1 到 5cm)。锚的长度可在 3 到 16 英寸 (7.5 到 40cm) 范围内。支架的长度 LB 可在 4 到 20 英寸 (10 到 50cm) 范围内。最小穿入深度 L3 可在 0.2 到 1 英寸 (5 到 25mm) 范围内。长度 L5 可在 1 到 4 英寸 (2 到 10cm) 范围内。长度 L6 可在 1 到 8 英寸 (2 到 20cm) 范围内。
围绕管的圆周设置的单个锚定装置可提供高达例如 3 到 4MN 例如约 2MN 的锚定 力。管可设置有任意数量的连贯的锚定装置， 以增大最大锚定力。本发明的锚定装置可放 大或缩小， 以与任何尺寸的在油气钻井时通常使用的可膨胀管状元件匹配。使可膨胀管状 元件膨胀所需的力可沿本发明的锚定构件的长度局部增大例如约 5％到 50％。在焊接部 14、 17 的位置处， 膨胀力增大例如约 10％到 20％。在斜坡构件位置处， 当尖头 60 与地层接 合时， 膨胀力可增大约 20％到 40％。在固定 - 固定膨胀过程中， 如针对图 17 和 20 所述的， 膨胀力可增大约 5％到 20％的范围， 例如约 10％。
在图 18-20 中所示的装置的一个实际实施例中， 锚斜坡面 219a 相对于管轴线的角 度可在 40 到 45 度范围内， 例如约 45 度。楔合斜坡面 219b 相对于管轴线的角度例如在 25到 40 度范围内， 例如约 30 度。
倾斜顶部表面 284 相对于管轴线的角度在 30 到 45 度范围内， 例如约 38 度。该角 度选择用于在锚 212 和楔合构件 216 之间形成足够大的区域， 以避免两个部件屈服并且促 进这两个部件的相对滑动。 倾斜底部表面 286 相对于管轴线的角度约等于楔合斜坡面 219b 的角度 ( 例如约 45 度 )， 以确保两个部件之间在膨胀过程中充分接触。
上面提供的全部示例性尺寸和形状可缩放并且适于通常用于开发和生产油气的 任何可膨胀管状元件的外径。
本发明不限于其上述实施例， 其中， 可想到落在所附权利要求范围内的许多修改 形式。相应实施例的特征可例如组合。