热致动器和在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统.pdf

一种热致动器，包括第一部分；第二部分；锁定机构，在锁定机构的锁定位置，第一和第二部分相互连接，而在锁定机构的解锁位置，第一和第二部分分离；与锁定机构操作连接的膨胀材料。其中：锁定机构包括从第一部分延伸的构件，该构件具有当锁定机构处于锁定位置时接合第二部分的膨胀区域；可在锁定位置和解锁位置之间轴向移动的活塞；连接在第一部分与活塞之间的剪切机构，其将锁定机构保持在锁定位置，直至膨胀材料发生确定的膨胀，且其响应于暴露在选定的温度中而发生确定的膨胀时，致动活塞轴向移动从而致动锁定机构至解锁位置。本实用新型还披露了在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统。利用本实用新型，不需要使用表面干预。

1、  一种热致动器，包括：
第一部分；
第二部分；
锁定机构，在所述锁定机构的锁定位置，第一部分和第二部分相互连接，而在所述锁定机构的解锁位置，第一部分和第二部分分离；以及
与锁定机构操作连接的膨胀材料，
其特征在于，所述锁定机构包括：从所述第一部分延伸的构件，该构件具有当锁定机构处于锁定位置时接合第二部分的膨胀区域；可在锁定位置和解锁位置之间轴向移动的活塞；连接在第一部分与活塞之间的剪切机构，该剪切机构将锁定机构保持在锁定位置，直至膨胀材料发生确定的膨胀，且
该膨胀材料响应于暴露在选定的温度中而发生确定的膨胀时，该膨胀致动活塞轴向移动从而致动锁定机构至解锁位置。

2、  根据权利要求1所述的热致动器，其中所述膨胀材料包括液体、固体、或气体中的一种。

3、  根据权利要求1所述的热致动器，其中所述膨胀材料包括油。

4、  根据权利要求1所述的热致动器，还包括连接在第二部分和活塞之间的保持机构，当锁定机构在解锁位置时，该保持机构维持活塞与第二部分连接。

5、  一种在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统，该系统包括含有膨胀材料的分离工具，
其中所述分离工具包括：
连接至第一部件的第一部分，该第一部分具有容纳该膨胀材料的内腔室和形成通向腔室的开口的颈；
连接至第二部件的第二部分，该第二部分具有空腔；以及
锁定机构，在所述锁定机构的锁定位置，第一部分和第二部分相互连接，且所述空腔容纳该颈，而在所述锁定机构的解锁位置，第一部分和第二部分分离，
其特征在于，所述锁定机构包括：从所述第一部分延伸的构件，该构件具有当锁定机构处于锁定位置时接合第二部分的膨胀区域；可在锁定位置和解锁位置之间轴向移动的活塞；连接在第一部分与活塞之间的剪切机构，该剪切机构用于将锁定机构保持在锁定位置，直至膨胀材料发生确定的膨胀，且
该膨胀材料响应于暴露在选定的温度中而发生确定的膨胀时，该膨胀致动活塞轴向移动从而致动锁定机构至解锁位置。

6、  根据权利要求5所述的在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统，还包括连接在第二部分和活塞之间的保持机构，当该工具在解锁位置时该保持机构保持活塞与第二部分连接。

7、  根据权利要求5所述的在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统，其中膨胀材料包括液体、固体、或气体中的一种。

热致动器和在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统
技术领域
本实用新型主要涉及一种热致动器，以及一种在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统。
背景技术
油田工具和作业中通常使用致动器来移位构件，以获得期望的结果，如打开或关闭阀、移位套筒、加强密封(energizing a seal)、或者分离部件。在井下井眼(wellbore)作业中，目前的技术需要一种表面干预来致动该致动器。表面干预的例子主要包括操纵钻柱(well string：或井管柱)和通过钻柱给致动器施加液压。在至少一个分离装置中，使用诸如蒸汽或腐蚀剂的热流来溶化止动构件，从而分离相互连接的组件。
如上所述的，现有技术中存在的缺陷是需要利用表面干预来致动该致动器。
发明内容
本实用新型的热致动器所要解决的技术问题是不使用表面干预来致动致动器。
具体地，提出一种热致动器，其包括第一部分；第二部分；锁定机构，在所述锁定机构的锁定位置，第一部分和第二部分相互连接，而在所述锁定机构的解锁位置，第一部分和第二部分分离；以及与锁定机构操作连接的膨胀材料，该膨胀材料响应于暴露在选定的温度中而膨胀，其中：所述锁定机构包括：从所述第一部分延伸的构件，该构件具有当锁定机构处于锁定位置时接合第二部分的膨胀区域；可在锁定位置和解锁位置之间轴向移动的活塞；连接在第一部分与活塞之间的剪切机构，该剪切机构将锁定机构保持在锁定位置，直至膨胀材料发生确定的膨胀，且该膨胀材料响应于暴露在选定的温度中而发生确定的膨胀时，该膨胀致动活塞轴向移动从而致动锁定机构至解锁位置。
根据上述技术方案，本实用新型的热致动器与现有技术相比的有益效果是：致动器可以由致动器所处的环境的周围条件来致动，更具体地，致动器可以由材料响应于周围环境温度的膨胀或收缩而致动，从而无需使用表面干预。
本实用新型的在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统所要解决的技术问题同样是不利用表面干预使得井眼期望位置中的两个部件可以分离。
具体地，一种在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统，该系统包括含有膨胀材料的分离工具，其中所述分离工具包括：连接至第一部件的第一部分，该第一部分具有容纳该膨胀材料的内腔室和形成通向腔室的开口的颈；连接至第二部件的第二部分，该第二部分具有空腔；以及锁定机构，在所述锁定机构的锁定位置，第一部分和第二部分相互连接，且所述空腔容纳该颈，而在所述锁定机构的解锁位置，第一部分和第二部分分离。其中：所述锁定机构包括：从所述第一部分延伸的构件，该构件具有当锁定机构处于锁定位置时接合第二部分的膨胀区域；可在锁定位置和解锁位置之间轴向移动的活塞；连接在第一部分与活塞之间的剪切机构，该剪切机构将锁定机构保持在锁定位置，直至膨胀材料发生确定的膨胀，且该膨胀材料响应于暴露在选定的温度中而发生确定的膨胀时，该膨胀致动活塞轴向移动从而致动锁定机构至解锁位置。
根据上述技术方案，本实用新型的在井眼中期望的位置分离第二部件与第一部件的系统与现有技术相比的有益效果是：可以由材料响应于周围环境温度的膨胀或收缩而致动分离工具，从而无需使用表面干预。
上述内容大致描述了本实用新型的特征和技术效果，以更好地理解下面的对本实用新型的详细说明。下文中将描述形成本实用新型的权利要求的主题的其他特征和效果。
附图说明
结合以下附图，参考下文的本实用新型的具体实施例的详细描述，可以很好地理解上述以及本实用新型的其他特征和方面。其中：
图1是使用本实用新型的一个实施例的热致动器作为分离装置的井眼的示意图；
图2是在锁定位置的热致动器的一个实施例的示意图；
图3是在解锁位置的热致动器的一个实施例的示意图；以及
图4是热致动器的一个实施例的示意图，显示第一部件从第二部件分离。
具体实施方式
参考这些附图，其中描述的部件不必须依比例来显示，并且其中相同或相似的构件在全部的几幅图中用相同的附图标记来指明。
在此，术语“向上”和“向下”；“上面的”和“下面的”；以及其他类似的术语，指示一给定点或部件的相对的位置，用来更清楚地描述本实用新型的实施例的部件。通常，这些术语与一参考点相关，如钻井作业开始的表面为顶点，井的整个深度为最低点。
这里公开的内容教导了一种热致动器10，所述热致动器利用该热致动器所处的位置的环境温度致动。在此所描述的本实用新型涉及在井眼作业中用于井下的分离装置(disconnect device)的实施例。然而，应认识到，该热致动器也可以使用在各种作业和工序中，如切换阀构件、加强密封等。
热致动器10包括第一部分22；第二部分24；锁定机构60，在锁定机构60的锁定位置，第一部分22和第二部分24相互连接，而在锁定机构60的解锁位置，第一部分22和第二部分24分离；以及与锁定机构60操作连接的膨胀材料28，该膨胀材料28响应于暴露在选定的温度中而膨胀，其中：锁定机构60包括：从所述第一部分22延伸的构件，该构件具有当锁定机构60处于锁定位置时接合第二部分24的膨胀区域38；可在锁定位置和解锁位置之间轴向移动的活塞26；连接在第一部分22与活塞26之间的剪切机构48，该剪切机构48将锁定机构60保持在锁定位置，直至膨胀材料28发生确定的膨胀，且该膨胀材料28响应于暴露在选定的温度中而发生确定的膨胀时，该膨胀致动活塞26轴向移动从而致动锁定机构60至解锁位置。
相应地，本实用新型提出了一种在井眼12中期望的位置分离第二部件20与第一部件18的系统，该系统包括含有膨胀材料28的分离工具，其中所述分离工具包括：连接至第一部件18的第一部分22，该第一部分22具有容纳该膨胀材料的内腔室34和形成通向腔室的开口的颈32；连接至第二部件20的第二部分24，该第二部分24具有空腔50；以及锁定机构60，在锁定机构60的锁定位置，第一部分22和第二部分24相互连接，且空腔50容纳该颈32，而在锁定机构60的解锁位置，第一部分22和第二部分24分离。其中：锁定机构60包括：从第一部分22延伸的构件，该构件具有当锁定机构60处于锁定位置时接合第二部分24的膨胀区域38；可在锁定位置和解锁位置之间轴向移动的活塞26；连接在第一部分22与活塞26之间的剪切机构48，该剪切机构48将锁定机构60保持在锁定位置，直至膨胀材料28发生确定的膨胀，且该膨胀材料28响应于暴露在选定的温度中而发生确定的膨胀时，该膨胀致动活塞26轴向移动从而致动锁定机构60至解锁位置。
下面参照附图详细描述本实用新型的技术方案。
图1是一井眼12的示意图，其中热致动器10的一个实施例用作分离装置。井眼12从地面14钻到地下层16。热致动器10使得第一部件18和第二部件20相互连接，以使这些部件相互结合地下送到井眼12中。当将致动器10和部件18、20定位到井眼12中期望的位置时，使热致动器10致动以分离部件18和20。
在图示的实施例，第一部件18是挠性油管，第二部件20是油管管柱。油管管柱20是主油管管柱(primary tubing string)，用来将挠性油管管柱18下送到位而不被破坏。
一旦挠性管18到位，地下层16中的热量使热致动器10致动至一分离位置，在该分离位置挠性管18与管柱20脱离。然后挠性管18可以从井眼12中移出，而将油管管柱20留在适当位置以便在下一作业中使用，或将油管管柱20留在不与主油管管柱20连接的位置。
参考图2，图2显示了在锁定机构60处于锁定位置的热致动器10的一实施例。热致动器包括与第二部分24可分离地连接的第一部分22，活塞26和热致膨胀材料28。
第一部分22为圆柱体，该圆柱体具有连接端30、反向颈(opposingneck)32、和内腔室34。颈32形成一通向腔室34的开口，其尺寸形成为可容纳活塞26的一部分。具有臂和膨胀部分或指状物38的套爪(collet)36从颈32大体上轴向延伸。
图示连接端30为与挠性油管18连接的带螺纹连接件(图1)。其他连接方式，如焊接等也可以用于连接端30。
第二部分24包括大致管状的外壳，该外壳形成一适于容纳颈32和活塞26的空腔50。第二部分24的内表面42轮廓形成为包括至少一个凹进部件44，当热致动器10的锁定机构60位于锁定位置时，用于容纳套爪36的膨胀区域38。活塞26包括一个外部的，台阶形平台46，其具有一突出部分，当热致动器10的锁定机构60位于锁定位置时，该突出部分使膨胀区域38保持在凹进部件44中。活塞26还可以包括一个直径扩大端52。
当锁定机构60位于该锁定位置，第一部分22和活塞26通过机构48，通常为剪切机构(shear mechanism)，保持相互连接。剪切机构可以包括任何剪切、破裂、易碎或割裂型的装置，如销、螺钉、盘、或其他在施加一确定的力时就解开连接的装置。
活塞26、膨胀区域38和凹进部件44相互结合地运作，用作可释放的如上所述的锁定机构60。锁定机构60在锁定位置使得第一和第二部分在相对于彼此固定的位置相互连接，以防止在工具下送到井眼内时第一和第二部分发生意外的或提前的分离。热致膨胀材料28操作连接至锁定机构60。如图3所示，当材料28做出确定的膨胀时，致动锁定机构60至解锁位置。
第二部分24也包括连接端40，其适用于与油管管柱20(图1)连接。对于图示和所描述的实施例，连接端40是适于焊接至油管管柱的接头(sub)。然而，应当认识到，连接端40可以包括其他接合方式，如攻丝，以符合所期望的应用。
热致膨胀材料28提供将锁定机构60移动至解锁位置的激发或致动能量。材料28可以包括任何响应于热能而膨胀的材料(液体、固体、或气体)。材料28的体积热膨胀系数必须是使材料响应于表面14(图1)的温度与地层16的期望深度处的温度之间的温度差而膨胀。虽然用于致动分离装置10的操作器可以供给热量，但通常期望当暴露在地层16中的期望位置的环境温度中时出现致动。膨胀材料的例子包括液压油(它容易适用于大多数的应用)、固体和气体。许多制造商都提供适用的液压油，例如壳牌公司(Shell)提供的名为TELLUS32的液压油。材料28的选择、腔室34的体积、以及活塞26的移动范围，可以被调整以满足该表面与期望的致动位置之间的温度差。
现在说明在锁定或者下送位置组装热致动器10。活塞26与膨胀端部52定位在空腔50内。端部52位于距离空腔50的后壁54一定距离处，以留下一空间56。活塞26的外部平台46推动并保持所述套爪36的膨胀区域38在内表面42的凹进部件44中。
热致动器10还可包括连接在第二部分24和活塞26之间的保持机构58，如卡簧(snap spring)，它可以从第二部分24定位成接合活塞26的膨胀端部52。当锁定机构60在解锁位置时，该保持机构58维持活塞26与第二部分24的连接。第一部件18连接至第一部分22，且第二部件20连接至第二部分24。热致膨胀材料28设置在腔室34中，使其填满腔室34的体积，直至活塞26。对于本示例，填充0.25升液压油到腔室34中，直至活塞26。该表面或下送(run-in)温度是20摄氏度。期望的致动点处的预期温度是100摄氏度，在该点处液压油的体积将膨胀至0.267升。
现在参考图1至4描述热致动器10的操作。热致动器10在使得第一部件18和第二部件20相互连接的位置组装。部件18、20和致动器10下送到井眼12中至期望的深度和位置。
暴露致动器，更确切地，暴露膨胀材料28至地层16中相对于表面14升高的温度中，使材料28膨胀。材料28膨胀，从而向轴向远离第一部分22和腔室34的方向推动活塞26。剪切机构48将活塞26保持在固定的位置，且第一第一部分22维持腔室34的体积大体上不变。材料28的膨胀产生的压力作用在活塞26的区域61上，从而在剪切机构48上施加一个力。腔室34中的压力上升，直到超过剪切机构48的能力，从而释放第一部分22与活塞26之间的连接。然后，材料28的膨胀带来的压力轴向移动活塞26。随着活塞26的移动，套爪36的膨胀区域38径向向内向着外部台阶46逐渐减小的直径部分移动，这从凹进部件44和第二部分24之间的接合松开区域38。图3显示锁定机构60位于解锁位置的致动器10。在锁定机构60解锁的情况下，第一部分22从第二部分24分离。
如图4所示，当端部52向空腔50的后壁移动时，保持机构58向着活塞26径向向内移动。保持机构58的位置在空腔50内围绕活塞形成限制。该限制维持活塞26与第二部分24连接，从而防止活塞26释放至井眼中，并防止在锁定位置重新接合锁定机构60。图4显示当对第一部分22施加一向上的力时，第一部分22和第二部分24分离的情形。
从上述对本实用新型的具体实施例的详细描述，显然公开了一种新颖的热致动器。虽然在此详细公开了本实用新型的具体实施例，但这仅是为了描述本实用新型的各种特征和各个方面，而不是限制本实用新型的保护范围。可以预期：在不偏离所附权利要求书中限定的本实用新型的精神和保护范围的情况下，可以对这些公开的实施例做出各种替换、变化、和/或修改(包括但不限于这里所暗示的变型)。