井壁抓紧元件 【技术领域】
所述实施例涉及油田工业中应用的井下牵引车。讨论了各种井下牵引车的组成元件。特别是，详细地说明了用于井下牵引车履带的抓紧元件连接件的实施例。
背景技术
油田工业中的驱动装置，如井下牵引车，可与油气井(hydrocarbonwells)的操作以及完井一同应用。例如，井下牵引车可以用来传送测井工具等设备，这些测井工具等设备用于搜集并记录相关油井的地质信息，并最终使它的生产力达到最优。在大斜度井或者水平井中，以这种方式使用具有该驱动装置来传送测井工具是非常有利的。这是因为井下牵引车擅长于在大斜度井或者弯曲井构造中运载测井工具，在该大斜度井或者弯曲井构造中，采用垂直吊放测井工具的方案是难以实现的。
上面提到的井下牵引车可通过可旋转的履带来操作，该可旋转的履带构造成接触井壁并抵靠井壁旋转以便使井下牵引车相对于井壁前进。例如，井下牵引车配备有居中架，该居中架连接到与井壁的侧面相对的履带接合面(tracks interfacing)。履带可由多个类似于链条的连接件组成。如同常规的农用履带式拖拉机或者坦克，然后履带旋转，连接件挤压住井壁，以便实现井孔中的牵引车驱动装置的前进。这样，附接在牵引车上的仪器设备，例如前述测井工具，可在井中传送。
上面提到的连接件其宽度通常约为1-4cm，由多个板组成(如图3中的板359和360)。这些板本身可由不锈钢或者其他耐用材料组成，其厚度不超过4mm。由于限制了板厚，因此这些板可采用相对便宜的传统冲压技术来形成。不过，4-10个板可通过一个指定连接件堆叠起来，以便实现所需的1-4cm的连接件宽度。
然而，在井下牵引车可适用于驱动工具通过各种井构造时，这些履带的连接件是非常易磨损和断裂的。除此之外，由于板的限制厚度，板的齿(见图3，齿310)排成一行，并形成通过连接件宽度的一条大致的直线。经过一段时间的使用，排成一条直线的齿就会引起板的不均匀磨损。这是由于井壁的圆周特性引起。当直线形的齿试图接触弧形井时，仅连接件的外边缘的板接触井壁(如位置315)，从而使这些板的磨损比其它更靠近连接件纵向中心的板的磨损大。结果，这些板就比其它的板更易损坏。
除此之外，由于连接件宽度上的较大面积都不接触井壁，因此现有技术的连接件不能有效挤压住井壁。这一点是确凿的，具体表现在最外面的板359的齿310顶进并损坏井壁；要么最外面的板359的齿310磨损到使得下一个最外面的板(即，紧挨最外面的板359的板360)接触井壁。
井下牵引车传递的荷载大小是影响井壁本身的磨损或磨损程度的因素。荷载的大小大致决定于施加到履带和井壁的接合面上的力的大小。假定井下牵引车用来运送相对较大的荷载(如测井工具)，那么磨损程度可能相当严重。因此，当履带旋转地通过井壁表面前进时，它们之间的不均匀接触可能会最终导致履带磨损和/或故障，甚至损坏井壁。
由于操作期间发生前述履带故障，因此仪器检修引起的停工期和设备修复将产生相当大的成本。并且，即使在履带完全丧失功能之前，履带和它的连接件的这种不均匀磨损将导致井下牵引车在作业过程中的固有无效功率的增大。例如，就在履带完全失效之前，履带仅剩下外边缘，其不能有效地使井下牵引车在井孔内前进。这种磨损的本质就是导致履带的抓紧能力的丧失，甚至可能导致滑动。这又导致井壁损害的增加。
与上面描述的履带的不均匀磨损相反，由于圆周特性，可直接导致对井壁的磨损。在下面的一些情况下，如井下牵引车拟穿过裸井构造时(openwell configurations)，对井壁产生的磨损比履带的磨损更应当引起关注。即，井下牵引车需要直接与土基接触。因此，井下牵引车需要横穿过各种土壤持结度(soil consistencies)，包括软的、甚至更容易倒塌的井壁。连接件边缘力的不均匀作用将导致井壁陷入或剪切破坏。与对履带的损害不同，从地面向下的数千尺位置处的井壁损害不能仅通过移除井下牵引车和更换履带来修复。
【发明内容】
提供一种用于接合井壁的驱动机构。所述驱动机构包括用于接触井壁的抓紧元件，其中所述抓紧元件构造有弧形表面，所述抓紧元件的弧形表面根据井壁的弧形特征来选择。
【附图说明】
图1是采用抓紧元件实施例的井下牵引车的侧视图，该抓紧元件具有弧形表面并设置井中；
图2是图1所示的与井壁接触的井下牵引车的抓紧元件的剖视图；
图3是图1的井中的井下牵引车的抓紧元件的现有技术的实施例的剖视图；
图4是根据本发明的另一实施例的抓紧元件的剖视图；
图5是根据本发明的抓紧元件的一个实施例的立体图；
图6是连接形成履带的图5的多个抓紧元件的俯视图；
图7和8是根据本发明的可选实施例的抓紧元件。
【具体实施方式】
参考井下牵引车的履带用特定抓紧元件连接件来说明各实施例。重点在于具有单个完整主体或整体主体的抓紧元件连接件。然而，可采用各种抓紧元件连接件构造。无论这里所述的实施例是否包括具有根据井壁的表面弧形特征选择的弧形表面的抓紧元件连接件。
参考图1，所示的井下牵引车101形式的驱动机构的实施例位于大致水平或倾斜构造的井197中。在图示实施例中，井197是裸结构的，从而使得井下牵引车101的履带175可以与围绕井197的地质地层199直接接触。然而，在其它实施例中，井下牵引车可以通过衬垫封闭井的钻井套管来驱动。
图1所示的井下牵引车101可以是通过前面提到的履带175在井197中前进，履带175旋转地抵靠在井197的壁195上以便传送测井工具和附接到井197中的履带101的其它装置。在图1的实施例中，履带175显示为在居中架125的一侧，履带175可从该居中架125伸展配置。然而，可在井下牵引车101的各种实施例上配置大约1-4个履带175(如果需要甚至更多)。测井工具或其它适当工具可连接到居中架125的末端，并通过井下牵引车101的操作在井197中传送。
上述提到的居中架125可以配备有开放臂150等伸展机构，其把履带175伸展成与井壁195接合，以便允许履带175抵靠地旋转来推进牵引车101。可选地开放臂150可朝居中架125的内部移动，以便使履带175与井壁分离。这种广泛的传统伸展机构构造和其它致动器可以用于履带175的伸展和缩回。
无论采用何种特定的伸展或缩回机构，井下牵引车101可以构造成穿过不规则形状的井。例如，在小于一致直径(consistent diameter)的裸井的情况中，伸展机构和缩回机构可以通过传统的装置来一致工作，以便确保在整个井下牵引车101的传送操作中履带175在井壁195上的接合力大致一致。
由于设置了履带175，图1所示的井下牵引车101可适用于穿过水平或大倾斜度井。如图1所示，在伸展状态下，履带175从居中架125延伸并以带状方式靠近井壁195行走。可以采用其它臂或其它机构(未显示)以便确保履带175在井壁195上的一致接触。
此外，齿轮箱可以包含在居中架125中，用于通过传统装置来传递驱动链轮齿(未显示)的动力和旋转履带175。履带175还可以通过旋转螺杆或其它装置来驱动。无论采用特定的驱动技术，履带175适用于与井壁195配合并且抓紧井壁195，裸井或其它。因此，井下牵引车101可以通过所描述的履带175的旋转被有效地驱动通过井197。
在一个实施例中，前述履带175由多个抓紧元件或连接件100组成。每个抓紧元件100设置有齿110，用于接触和抓紧井壁195。参考图2和3的详细说明，图1的抓紧元件100构造有弧形表面201，该弧形表面201的半径可根据井197自身的直径来构造。因此，与现有技术的传统的井下牵引车的抓紧元件300不同，图1的抓紧元件100被特定地构造成使在井壁195和履带175上的磨损最小，并且被构造成在井下牵引车101在井197中驱动时在抓紧元件100的宽度上抓紧元件齿110和井壁195之间的接触面积被增大。
井壁195和履带175上的磨损的最小化是以这样的方式实现的，即以不损坏抓紧元件100的抓紧特征的方式。例如，如下面更详细的说明，抓紧元件100能够使齿110保持足够的锐利和耐用特征，用于操作期间井下牵引车101的适当前进。然而，尽管保持了齿110的特征，但是，由于抓紧元件100的弧形表面201(参见图2)，因此履带175的不均匀磨损或井壁195的恶化等可能性被最小化。
继续参考图2，前述抓紧元件100中的一个的剖视图显示抓紧元件100与井壁195接触。该描述揭示了抓紧元件100的剖视图，该抓紧元件100具有单个完整或整体地形成的主体200，该主体200通过弧形表面200与井壁195接触。在一个实施例中，该弧形表面201在抓紧元件100的齿110的顶点处。该单个完整主体200可以是传统的陶瓷、复合材料或耐用金属。
如图2所示，单个完整主体200在抓紧元件100的齿110处终止，抓紧元件100构造用于在井壁的接合面275上抓紧井壁195。根据图2，还可知齿110的弧形表面201的大致连续的特征，以及与井壁195的弧形特征相配合的方式。如上所提到的，抓紧元件100的弧形表面201显著减小抓紧元件100和井壁195上的磨损量。
继续参考图2和3，这里所示实施例的抓紧元件100与现有技术的抓紧元件300相反。如图所示，每个抓紧元件200，300包括穿过抓紧元件200，300的主体来固定辊子225，325的销钉250，350。然而，如上所述，图2的抓紧元件100的单个完整主体200包括用于接触井壁的弧形表面201，但是横跨现有技术的抓紧元件300的宽度的板具有直线布置的齿310。根据下面的说明，这种区别的结果可能会是显著的。
与图2中所示的弧形表面201和井壁195之间的基本配合且平滑的接合面275不同，现有技术的抓紧元件300由侧板359和内部板360组成，侧板359和内部板360的平坦表面的角部315与井壁195接触(参见图3)。因此，现有技术的接合面375包括在井壁195和现有技术的抓紧元件300之间的较大的非接触面积。结果，现有技术的抓紧元件300施加在井壁195上的力通过前述角部315专有地被引导。因此，当抓紧元件300推动负载通过井197时，现有技术的抓紧元件300上的磨损不均匀地集中到侧板359上。因此在井壁195的区域390上造成极大的应力。
通过现有技术的抓紧元件300的侧板359施加的前述不均匀力会导致侧板359的恶化损害，恶化损害的程度和速率取决于抓紧元件300推动的负载量和侧板359的耐用性等因素。无论如何，与本文描述的采用弧形表面201的实施例的抓紧元件100相比，现有技术的抓紧元件300容易更加快地和严重地恶化。因此，采用这种现有技术的抓紧元件300的履带更容易变得无效和最终更容易丧失功能。
除了在现有技术的抓紧元件300的边缘处的磨损外，井壁195自身也受到这些边缘(即侧板359)的磨损和损害。在图1-3所示的裸井197的情况下这特别地令人关心，在裸井197的情况下，井壁195包括裸露的并且可能软的地质地层199，该地质地层199容易被施加的这种局部力所损坏。这能够通过图3知道，其中现有技术的抓紧元件300的侧板359施加的不均匀的局部力已经造成地层199出现被损坏的位置390。对井壁195的刮擦和剪切破坏是明显的。
继续参考图2和3，通过弧形表面201可基本避免对抓紧元件100和井壁195的磨损和破坏，该弧形表面201如本发明的实施例所提及的那样接触井壁195。弧形表面201根据井197的弧形特性或特征构造。事实上，弧形表面201的半径可根据给定的井197的特定弧形尺寸(例如它的直径)来构造。
例如，在一个实施例中，井197的直径大约8.5英寸，通过传统的8英寸钻头形成。因此，抓紧元件100可构造有半径大约为4.25英寸的弧形表面201。因此，弧形表面201的形状与井壁195的形状大致匹配。结果，在牵引车101的操作期间抓紧元件100在井壁195上的力可以基本均匀地分布。因此，抓紧元件100的不均匀磨损不可能出现，操作中对井壁195的破坏的可能性最小。事实上，以这种方式使对井壁195的破坏的可能性最小，可提高被认为不可用于牵引操作的具有更软地层的裸井的寿命。
尽管参考8.5英寸直径的井197来进行了说明，但是其它井尺寸是公知的，例如大约6.5英寸直径和大约10.5英寸直径的井尺寸，这些尺寸的井分别通过大约6英寸到10英寸的各种钻头钻出。因此，抓紧元件100的实施例可构造有半径为大约3.25英寸或5.25英寸的弧形表面201以便匹配这种井尺寸。此外，也可采用其它许多的弧形表面201半径，这取决于井197的直径。只要弧形表面201根据涉及的井197的弧形特征来构造，就可实现前述实施例的优点和效果。
如上所述，弧形表面201可根据所涉及的井197的直径来选择。然而，根据下面更详细的说明，为了使对井壁195或对弧形表面201的边缘的磨损最小，弧形表面201没有必要与井197完全连续或与井197的半径基本相同。例如，足以在抓紧元件100和井壁195之间提供超过半数的接触的弧形表面201可以是根据井197的弧形特征构造弧形表面201的几个方式中的一个。如下所述，这仍然能够保证抓紧元件100掘到井195中的程度最小。
通过实例，设定上述情况，即设定8.5英寸直径(4.25英寸半径)的裸井197穿过软地层199的情况，采用非匹配的弧形表面201(例如半径为3.25英寸)可以实现显著好处。即，尽管弧形表面201的半径与井197的半径相差一个英寸，在软井壁195中的小于大约1mm的掘进导致过半数的弧形表面201与井壁195稳定直接接触。这与现有技术的抓紧元件300的平坦表面不同，为了在平坦表面和井壁195之间提供过半数的接触，其需要使过半数的接合面375遭受恶化破坏(参见图3)。因此，这两种情况是显著不同的，这里所述的实施例的弧形表面201仍称为与井197的弧形形状大致匹配(即，尽管半径尺寸存在前述差)。规定另一个方式，具有位于井197的半径尺寸内的半径的弧形表面201可认为与井壁195的弧形形状大致匹配。
如图2所示，抓紧元件100可由主要由单个完整或整体形成的主体200构成，主体200根据井197的尺寸来提供弧形表面201。然而，如上所提及，根据井来提供弧形表面201不要求全部连续的表面。例如，现有技术的抓紧元件300不能在与井壁195的接合面375处提供弧形表面。然而，抓紧元件400的新的实施例设置有这种分段主体。例如，抓紧元件400可由多个成型板459-462形成，多个成型板459-462通过销钉250和辊子225保持在一起，其中每个连续的内部板460-462逐渐增加地高于它更外部的相邻板。这样，最内部板462比板461高，板461比板460高，板460比侧板459高。因此，在组合中，板459-462在板形成的宽度方向上形成弧形表面401，其中弧形表面401根据井197的弧形特征和尺寸构造。请注意，尽管图4的抓紧元件400显示成具有八个成型板459-462，在可选实施例中，抓紧元件400可具有任何期望数量的板，这些板以任何适当的横向布置方式布置。例如，每两个板之间可存在横向间隙。
在图5所示的实施例中，单个完整主体500设置成具有凸出区域(maleregion)575、凹陷区域(female region)525和中间区域550，其中凸出区域575和凹陷区域525都包括多个弧形齿510。这种主体500可以是图6所示的端到端的连接，以便形成连续的链条或履带675。这种区域可以通过销钉250和辊子225连接。如图所示，每个主体500的这种凸出区域575的尺寸被制成装配在每个相邻的主体500的凹陷区域525中。此外，销钉连接的凸缘区域575和凹陷区域525扇的齿可布置成使得在履带675的宽度上，凸出区域575和凹陷区域525组合形成基本连续的齿510。还请注意，履带675的宽度仅包括位于销钉连接的主体500之间的两个连接点680。这是用于与现有技术的抓紧元件300的板所形成的七个连接点380相比，下面说明它们的显著区别。
在另一实施例中，抓紧元件可包括单个完整主体，然而该单个完整主体在弧形表面处具有一定程度的不连续性。例如，附加辊可定位在单个完整主体的凸出区域575的中心处。这有助于履带675移动通过井壁195并提高履带675和履带驱动机构的相互作用。然而，在这种情况下，为了在每个抓紧元件上容纳附加辊，需要在履带675的表面上提供孔道。然而，这种孔道将穿过每个抓紧元件的弧形表面，在弧形表面和井壁195之间的插入中留有间隙或中断。
尽管在上述实施例中在弧形表面和井壁195之间的物理接触中存在轻微中断，但是弧形表面仍可认为是基于井壁195的弧形特征构造的。事实上，弧形表面201可说成与井197的尺寸大致匹配。例如，在具有居中辊的一个这种实施例中，即使存在所示的孔道，弧形表面被构造成以大约50％～大约97％的接合面与井壁195连续接触。结果，抓紧元件的外边缘处的磨损的可能性或抓紧元件对井壁195的损坏可最小化。因此，如上述其它实施例，尽管弧形表面存在一定程度的不连续，也能够基本实现其优点。
现在继续参考图6，履带675的上表面适用于图1所示的牵引车101。在这个实施例中，履带675的整个上表面是弧形的，并且具体地，延伸过履带675宽度的每个齿510是弧形的。这样，每个齿510形成图2所示的弧形表面200。该系列的“y形”抓紧元件500具有许多如上所述的齿510，用于如图2所示地抓紧井壁195和沿井壁195推进。事实上，在图示实施例中，每个抓紧元件500包括在中间区域550、凹陷区域510和凸出区域575处的齿510。这种“y形”抓紧元件500类似重叠链条连接件地排列以便形成履带675。
在可选实施例中，例如图7所示，抓紧元件700由可选的凸出部分(即“t形的”)775和凹陷部分725(即“H形”)组成。在该实施例中，抓紧元件700的凸出部分775和凹陷部分725交替地定位以便形成适用于图1的牵引车101的履带。在另一个可选实施例中，例如图8所示的实施例中，每个抓紧元件800包括凹陷和凸出互锁部分。
再返回去参考图5和6，在上述区域550、525和575中，中间区域550包括单个完整主体200的最宽部分，并且是图2所示的抓紧元件100的分段。横过抓紧元件100的该区域550的齿110由单独的抓紧元件100整体地形成，而不借助于相邻的抓紧元件100。因此，这种齿110可以有利地没有侧接合面，下面详细说明其优点。
现在参考图2和3，说明了与具有由独立的板359，360形成的主体的抓紧元件300相比、采用具有单个完整主体200的抓紧元件100的优点。即，除了容易提供基本连续的弧形表面201外，通过采用主要由单个完整主体200组成的抓紧元件100可实现其它优点。
如图3所示，现有技术的抓紧元件300包括由堆叠的板359，360组成的主体。结果，在抓紧元件300上出现多个侧接合面380。每个这种侧接合面380出现能够聚集灰尘和废物并且引起摩擦的位置，这会影响井下牵引车操作性能。例如，在图3所示的现有技术的抓紧元件300的情况中，残留物将能够一路到达穿过板359，360旋转的销钉350的接合面。
这种旋转的效率可受到所述聚集的残留物的影响。假定牵引车操作集中在与地层199直接接触的裸井壁195处，则很容易以这种方式聚集残留物。例如，传统的裸油气井197中存在的腐蚀性化学物质，灰尘、悬浮的砂子、岩石、泥浆、钻井流体添加剂和其它残留物。如上所述，单个完整主体200的使用会使图3所示的现有技术的抓紧元件300的主体中出现的接合面380最小。例如，在图5和6的实施例中，每个抓紧元件500的主体550不包括接合面，同时凸出区域575和凹陷区域525的接合面仅在履带675宽度上的两个位置处。
即使没有残留物聚集，图3所示的现有技术的抓紧元件300的大量侧接合面意味着销钉350被强迫穿过多个板359，360。另一方面，单个完整主体200的使用提供额外的稳定性，并且避免板359，360的独立移动或旋转的可能性。结果，销钉旋转的效率不会被抓紧元件100的主体的对抗地移动的板359，360所摩擦地降低。通过给抓紧元件100设置单个完整主体200，可极大地避免大量侧接合面导致的对抗。
上述实施例清楚地说明了用于井下牵引车的履带和抓紧元件连接件的磨损和破坏问题。具体地，井壁的弧形特征造成的抓紧元件上的不均匀磨损的问题和抓紧元件施压的井壁的磨损问题被基本避免。结果，在井下牵引车操作期间履带失效或无效的出现被最小化，并且保持井壁的完整无损性。在裸井的情况下，这是重要的优点，特别是对于穿过软地层的那些裸井。通过保护井壁和抓紧元件完整性，可节省现场花费在设备维修上的时间。进一步地，这里描述的牵引实施例的有效性提高了以前认为不能用于牵引操作的通过软地层的裸井的寿命。
已经参考本发明的优选实施例进行了前述说明。但是，对本领域的熟练技术人员而言，可以知道的是，在不脱离本发明的原理和保护范围的情况下，实践中可对描述的结构和方法进行修改和变化。因此，前述说明不应视作仅用于前述实际结构和附图中显示的结构，而应当视作与所附权利要求一致或对所附权利要求的支持，所附权利要求具有最完全和最合理的保护范围。