CN103210176A - 井下设备的远程控制设备、用于这种设备的部件、用于这种设备的远程状态指示装置以及相关方法 - Google Patents

井下设备的远程控制设备、用于这种设备的部件、用于这种设备的远程状态指示装置以及相关方法 Download PDF

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CN103210176A CN2011800550650A CN201180055065A CN103210176A CN 103210176 A CN103210176 A CN 103210176A CN 2011800550650 A CN2011800550650 A CN 2011800550650A CN 201180055065 A CN201180055065 A CN 201180055065A CN 103210176 A CN103210176 A CN 103210176A
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Abstract

一种可扩张设备，可以包括管状本体、阀活塞和推顶套筒。所述管状本体可以包括穿过其延伸的流体通路，所述阀活塞可以布置在该管状本体内，所述阀活塞构造成响应于通过所述流体通路的钻井液的压力在所述管状本体内轴向运动并且构造成选择性地控制流入环形腔室中的流体流。所述推顶套筒可以布置在所述管状本体内并且连接到至少一个可扩张部件，所述推顶套筒构造成响应于流入所述环形腔室中的流体流而轴向运动，使所述至少一个可扩张部件伸出。附加地，所述可扩张设备可以构造成产生表示所述至少一个可扩张部件的伸出的信号。

Description

井下设备的远程控制设备、用于这种设备的部件、用于这种设备的远程状态指示装置以及相关方法
优先权
本申请要求于2011年6月27日申请的、名称为“REMOTELYCONTROLLED APPARATUS FOR DOWNHOLE APPLICATIONS,COMPONENTS FOR SUCH APPARATUS,REMOTE STATUSINDICATION DEVICES FOR SUCH APPARATUS,AND RELATEDMETHODS”的待审美国专利申请序列号13/169,743的优先权。
本申请还要求于2010年10月4日申请的、名称为“STATUSINDICATORS FOR USE IN EARTH-BORING TOOLS HAVINGEXPANDABLE MEMBERS AND METHODS OF MAKING ANDUSING SUCH STATUS INDICATIORS AND EARTH-BORINGTOOLS”的美国临时申请序列号61/389,578的优先权。
本申请还要求于2010年11月12日申请的、名称为“REMOTELYCONTROLLED APPARATUS FOR DOWNHOLE APPLICATIONSAND RELATED METHODS”的美国临时申请序列号61/412,911的优先权。
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及用在地下井孔中的远程控制设备及其元件。一些实施方式涉及用于扩大地下井孔的可扩张扩孔设备，一些实施方式涉及用于在钻进操作期间稳定底部钻具组合的可扩张稳定器设备，其他实施方式涉及用在地下井孔中的其他设备，在其他实施方式涉及致动设备和系统。实施方式另外涉及用于远程检测这种远程控制设备的操作状态的装置和方法。
背景技术
用于碳氢化合物（石油和天然气）开采以及用于其他目的，比如地热能开采的井眼（也称做井孔）是利用钻柱钻出的，所述钻柱包括具有钻进组件（也称做钻探组件或底部钻具组合或“BHA”）的管状构件（也称做“钻柱”），所述钻进组件包括连接到其底端的钻头。使所述转动转动来剪切或碎裂岩层材料以钻出井孔。所述钻柱通常包括在钻进操作期间需要远程实现工作和停止工作的工具或其他装置。这些工具和装置包括扩孔器、稳定器或者用于操纵钻头的力施加构件。采油井包括诸如阀、入流控制装置等等之类的受远程控制的装置。这里所披露的内容提供了一种用于控制这些装置以及其他井下工具或装置的新颖设备。
可扩张工具一般用在钻进油井、天然气井和地热井的井下操作中。例如，可扩张扩孔器一般用于扩大地下井孔。在钻进油井、天然气井和地热井中，套管柱（该术语广义上包括衬管）安装并用水泥粘结在井孔内井孔壁塌方到井孔中，同时为后续钻进操作提供必要的支撑以获得更大的深度。套管还可以安装成将不同的地层隔离，以防止地层流体的交叉流动，并在钻进井孔时能够实现对地层流体的控制。为了增加之前钻出的井孔的深度，将新的套管放入之前安装好的套管内并伸到之前安装好的套管下方。虽然添加另外的套管能够使井孔达到更大的深度，但是其具有使井孔变窄的缺点。使井孔变窄限制了井的任意后续部分的直径，这是因为钻头和任意另外的套管必须通过现存的套管。因为井孔直径的减小是不理想的，这是由于它们限制了通过该井孔进行的石油和天然气开采的流速，所以通常扩大地下井孔是可取的以提供更大的井孔直径用于安装超出之前安装好的套管的另外的套管并且能够实现通过该井孔的更好的开采流速。
已经使用多种方法来扩大井孔直径。一种用于扩大地下井孔的传统方法包括使用偏心和双心钻头。例如，使具有横向延伸或扩大切削部的偏心钻头相对于其轴转动以产生扩大的井孔直径。双心钻头组件使用两个纵向叠加的钻头部分，它们具有横向偏置的纵轴线，当使钻头转动时产生扩大的井孔直径。
另一种用于扩大地下井孔的传统方法包括使用在远端部上具有导向钻头的延伸底部钻具组合和在上方一定距离处的扩孔器组件。这种构造允许使用任何类型的标准转动钻头，即牙轮钻头或刮刀钻头，因为导向钻头以及该组件的延伸性质在通过缩小点时具有更大的灵活性以及有效地稳定导向钻头的可能性以便于导向钻头以及随后的扩孔器将横贯为井孔准备的路径。延伸底部钻具组合的该方法在定向钻进中是尤其显著的。为此目的的一种设计包括所谓的“扩孔器翼”，其一般包括具有打捞颈的管状本体，在其顶部具有螺纹连接部，在其底部具有吊钳牙板表面，也具有螺纹连接部。扩孔器翼工具的上中部包括一个或多个纵向延伸的刮刀片，它们自所述管状本体基本径向向外伸出，刮刀片的外边缘承载PDC切削元件。
正如上面提到的，传统的可扩张扩孔器可以用于扩大地下井孔并且可以包括可枢转或铰接地固定到管状本体并且由布置其中的活塞致动的刮刀片。此外，可以使用传统的井孔打开器，其包括装备有至少两个孔打开臂的本体，所述孔打开臂具有切削单元，通过流过所述本体的钻井液的压力可以使所述切削单元从本体中的静止位置移动到可动位置。最初使这些扩孔器中的刮刀片缩回以使所述工具通过钻柱上的井孔，一旦所述工具超出套管的端部，就使这些刮刀片伸出，因此可以增加套管下方的孔直径。
一些传统可扩张扩孔器的刮刀片的尺寸形成为使它们本身与管状本体之间的间隙最小以便于防止任何钻进泥浆和泥土碎片留在所述间隙中并将所述刮刀片约束到管状本体上。这些传统可扩张扩孔器的刮刀片利用来自于工具内部的压力以将力径向向外地施加到使承载切削元件刮刀片横向运动的活塞上。一些人感觉到一些传统扩孔器的特性使力偏离而使活塞倾斜并堵塞，防止弹簧将刮刀片横向向内缩回。还有，一些传统可扩张扩孔器组件的设计没能在刮刀片堵塞和向上拉向井孔套管时帮助刮刀片缩回。此外，一些传统液压致动扩孔器使用布置在形状非常复杂并且昂贵的活塞周围的昂贵密封件或者承载切削元件的刮刀片。为了防止倾斜，一些传统扩孔器将活塞形状设计的很古怪以便于试图避免料想的倾斜，这需要匹配以及复杂的密封结构。这些密封件在延伸使用之后恐怕可能泄露。
尽管存在在较小直径的井孔下方钻出和/或扩出较大直径的井孔的各种现有方法，但是存在对实现这样的目的的改进的装置和方法的需要。例如，双心和扩孔器翼组件的局限性在于这种工具的通过直径是不可调节的并且受扩孔直径限制。此外，传统的双心和偏心钻头可能具有从为井孔准备的路径晃动和偏离的趋势。传统的可扩张扩孔组件虽然有时比双心和偏心钻头更稳定，但是在通过较小直径的井孔或套管部是可能遭到破坏，其可能过早地被致动并且在致动之后从井孔移除时可能存在困难。
另外，如果可扩张工具的操作人员没哟意识到可扩张工具的操作状态（例如工具处在扩张还是缩回位置上），可能发生对工具、钻柱和/或井孔的破坏，并且可能浪费操作时间和支出。因此，改进的可扩张设备和操作状态检测方法是值得拥有的。
发明内容
在一些实施方式中，可扩张设备可以包括管状本体、阀活塞和推顶套筒。所述管状本体可以包括穿过其延伸的流体通路，所述阀活塞可以布置在该管状本体内，所述阀活塞构造成响应于通过所述流体通路的钻井液的压力在所述管状本体内轴向运动并且构造成选择性地控制流入环形腔室中的流体流。所述推顶套筒可以布置在所述管状本体内并且连接到至少一个可扩张部件，所述推顶套筒构造成响应于流入所述环形腔室中的流体流而轴向运动，使所述至少一个可扩张部件伸出。附加地，所述可扩张设备可以构造成产生表示所述至少一个可扩张部件的伸出的信号。
在另外的实施方式中，操作可扩张设备的方法可以包括将可扩张设备定位在井孔中、引导流体流通过可扩张设备的管状本体的流体通路以及响应于流过所述流体通路的流体流使阀活塞相对于管状本体轴向运动以向环形腔室打开至少一个流体端口。该方法还可以包括在通过所述至少一个流体端口将流体流引入环形腔室中的情况下使推顶套筒相对于管状本体轴向运动，以及使连接到所述推顶套筒的至少一个可扩张部件伸出，并且检测所述至少一个可扩张部件的伸出。
附图说明
图1是本发明的可扩张设备的一个实施方式的侧视图。
图2示出了正如由图1中的剖开线2-2标示出的可扩张设备的横向截面视图。
图3示出了图1中示出的可扩张设备处于中性位置上的纵向截面视图。
图4示出了图1中示出的可扩张设备处于锁定的闭合位置上的纵向截面视图。
图5示出了图1中示出的可扩张设备处于锁定的打开位置上的纵向截面视图。
图6A-6B示出了包括套爪的阀活塞和阀套的纵向截面局部视图。
图7A-7B示出了包括制动器的阀活塞和阀套的纵向截面局部视图。
图8A-8B示出了包括密封构件以临时闭合推顶套筒喷嘴端口的可扩张设备的一部分的纵向截面局部视图。
图9A示出了在颈缩孔的两侧上包括流体端口的可扩张设备的纵向截面视图。
图9B示出了图9A中示出的可扩张设备在刮刀片扩张的情况下的放大截面视图。
图10是包括根据本发明的实施方式的可扩张设备的钻进系统的正视图。
图11A示出了包括缓冲器的阀活塞和阀套的截面局部视图。
图12A-13C示出了包括轨道和销装置的阀活塞和阀套的截面视图。
图13示出了在图12A-12C的阀活塞中的流体端口的放大视图。
图14A和14B示出了位于比如图3-图5中示出的可扩张装置的阀活塞和阀套的交界处的V形密封组件的截面局部视图。
图15示出了比如图1-5中示出的包括状态指示器并且处于缩回构造的可扩张设备的底部的放大截面视图。
图16示出了当可扩张扩孔器设备处于伸出构造时图15中示出的可扩张设备的底部的放大截面视图。
图17示出了如图15中示出的状态指示器的放大截面视图。
图18示出了如图16中示出的状态指示器的放大截面视图。
图19-23示出了状态指示器的另外的实施方式的纵向侧视图。
图24示出了阀活塞内的钻井液的压力与阀活塞相对于状态指示器的移动距离之间关系的简化图表。
具体实施方式
这里呈现的附图在一些情况下不是任意特定可扩张设备或其元件的实际视图，而仅是用于描述本发明的实施方式的理想化的表示。此外，图之间共有的元件可以保留相同的附图标记。
本发明的各个实施方式涉及可扩张设备。通过示例和非限制性方式，可扩张设备可以包括可扩张扩孔器设备、可扩张稳定器设备或者类似的设备。正如这里更详细描述的，本发明的可扩张设备可以远程地在位于井孔内的至少两个操作位置之间选择。对于正在控制或管理可扩张设备的操作的操作人员来说，获知工具在井孔中的当前操作位置是重要的，比如以防止对工具、井孔造成破坏或其他问题。因此，本发明的实施方式包括便于远程检测可扩张设备的操作位置改变（例如当可扩张设备从缩回位置变化到扩张位置时）的特征。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的包括可扩张扩孔器的可扩张设备100。所述可扩张扩孔器可以与于2007年12月3日申请的、名称为“Expandable Reamers for Earth Boring Applications”的美国专利公报号2008/0128175中描述的可扩张设备类似。
所述可扩张设备100可以包括基本圆柱形的具有纵轴线L的管状本体105。可扩张设备100的管状本体105可以具有下端110和上端115。正如这里参照端部110，115使用的术语“下”和“上”指的是当将可扩张设备100定位在井孔内时这些端部110，115相对于彼此的典型位置。所述可扩张设备100的管状本体105的下端110可以包括一组螺纹（带螺纹的凸型销构件），用于将该下端110连接到钻柱的另一部分或者底部钻具组合（BHA）的另一元件，比如承载着用于钻出井孔的导向钻头的钻铤。类似地，可扩张设备100的管状本体105的上端115可以包括一组螺纹（例如带螺纹的凹型盒状构件），用于将该上端115连接到钻柱的另一部分或者底部钻具组合（BHA）的另一元件（例如上异径接头）。
至少一个可扩张部件可以沿着可扩张设备100定位。例如，构造为滑动式切削块或刮刀片120，125，130（见图2）的三个可扩张部件可以以沿周向间隔的关系定位保持在管状本体105中，正如下面进一步描述的，并且可以沿着可扩张设备100设置在下端110和上端115之间的位置上。刮刀片120，125，130可以由钢、碳化钨、颗粒基体复合材料（例如散布在金属基体材料的硬颗粒）或者正如本领域中公知的其他合适的材料构成。刮刀片120，125，130以初始的缩回位置保持在可扩张设备100的管状本体105内，如图3中所示，但是在需要时可以响应于液压压力的施加而移动到伸出位置（图4中示出）和移动到缩回位置（图5中示出），正如这里将要描述的。可扩张设备100可以构造成：在刮刀片120，125，130处于伸出位置时，刮刀片120，125，130接合其中布置有该可扩张设备100的井孔周围的地下地层的壁，以移除地层材料；但是当刮刀片120，125，130处于缩回位置时，不能如此操作以接合井孔内的地下地层。虽然可扩张设备100包括三个刮刀片120，125，130，但是可以想到的是可以使用一个、两个或三个以上的刮刀片来获得优点。此外，虽然刮刀片120，125，130轴向地沿着管状本体105、在周向上对称地定位，但是这些刮刀片还可以在周向上非对称地定位，并且沿着纵轴线L朝着端部110或115的方向非对称地定位。
可扩张设备100可选地可以包括多个稳定器块135，140，145。在一些实施方式中，中间稳定器块140和下稳定器块145可以结合成一体式的稳定器块。稳定器块135，140，145可以便于可扩张设备100在通过套管或衬管下放就位时以及在对井孔钻进和扩孔时在井孔内的对中。在其他实施方式中，可以不使用稳定器块。在这些实施方式中，管状本体105在图1中示出的稳定器块所处位置的纵向部分中可以包括较大的外径，以提供与稳定器块提供的功能类似的对中功能。
上稳定器块135可以用于停止或限制刮刀片120，125，130（还见图3）的向前的移动，确定刮刀片120，125，130在钻进时可以接合井孔的程度。上稳定器块125除了在刮刀片伸出时提供限制刮刀片横向范围的支撑止挡之外，可以在刮刀片120，125，130缩回并且钻柱的可扩张设备100在钻柱转动且定位在井孔内的不需要扩张孔的区域中时提供额外的稳定性。有利地，上稳定器块135可以由技术人员，尤其是本领域的技术人员安装、移除和/或替换，可以使刮刀片120，125，130接合井孔的程度容易地增大或减小到与图示出的不同的程度。可选地，可以意识到，可以定制在上稳定器块135的轨道侧上连接的挡块，以便于当刮刀片沿着刮刀片轨道220完全定位到伸出位置时限制刮刀片120，125，130可以横向延伸的程度。稳定器块135，140，145可以包括敷焊硬合金支承垫（未示出），以在钻进操作期间在使可扩张设备100在井孔内稳定的同时提供接触井孔壁的表面。
图2是图1中示出的可扩张设备100的沿着其中示出的剖开线2-2的截面视图。如图2中所示，管状本体105包围通过该管状本体105纵向延伸的流体通路205。该流体通路205引导流体大部分通过推顶套筒215的内孔210。为了更好地描述该实施方式的方面，在图2中示出的刮刀片125和130处于初始的或者缩回的位置，而刮刀片120则被示出为处于向外的或者伸出的位置。可扩张设备100可以构造成当处于初始的或缩回的位置上时每个刮刀片120，125，130的径向或横向最外侧部凹入管状本体105内，因此其不能超出管状本体105的外径的最大范围。这种构造可以在可扩张设备100布置在井孔的套管内时保护刮刀片120，125，130，套管或者二者均保护，并且可以使可扩张设备100通过井孔内的这种套管。在其他实施方式中，刮刀片120，125，130的径向最外侧部可以与管状本体105的外径一致或者稍微超出管状本体的外径。正如由刮刀片120图示出的，刮刀片120，125，130在处于伸出位置上时可以超出管状本体105的外径延伸以在扩孔操作中接合井孔的壁。
图3是图1和2中示出的可扩张设备100沿着图2中示出的剖开线3-3的另一截面视图。参见图2和3，管状本体105将三个滑动切削元件块或刮刀片120，125，130定位保持在三个相应的刮刀片轨道220中。刮刀片120，125，130每个承载多个切削元件225，用于当刮刀片120，125，130处于伸出位置时接合限定裸眼井壁的地下地层的材料。切削元件225可以是聚晶金刚石复合片（PDC）切削件或者对于本领域普通技术人员公知的其他切削元件，正如在美国专利号7,036,611中总体描述的。
参见图3，刮刀片120，125，130（正如由刮刀片120图示出的）可以铰接地连接到推顶套筒215。推顶套筒215可以构造成响应于施加到一端或另一端或者两端上的压力而在管状本体105内轴向滑动。在一些实施方式中，推顶套筒215可以布置在管状本体105中并且构造可以类似于由上面引用的美国专利公报号2008/0128175描述的推顶套筒并且由正如其中描述的弹簧偏压。然而，如图3中所示，这里描述的可扩张设备100不需要使用中央固定式套筒，而是推顶套筒215的内孔210可以形成流体通路。
如图3中所示，推顶套筒215可以包括在相对的纵向端处的上表面310和下表面315。这种推顶套筒215可以构造并定位成使得所述上表面310包括比下表面315更小的环形表面区域，从而当加压流体在两个表面上施加类似的压力时在下表面315上形成比上表面310上更大的力，正如下面更详细描述的。在钻进之前，第一弹簧133可以将推顶套筒215朝向可扩张设备100的底端110偏压。该第一弹簧133可以抵抗推顶套筒215朝向可扩张设备100的上端115的运动，从而将刮刀片120，125，130偏压到缩回位置。这方便了可扩张扩孔器100从井孔的插入和/或移除——刮刀片120，125，130不接合地下地层或者限定井孔的套管的壁。
推顶套筒215还可以包括多个喷嘴端口335，这些喷嘴端口可以与用于将钻井液引向刮刀片120，125，130的多个喷嘴336连通。
如图3-5中所示，所述多个喷嘴端口335可以构造成它们总是与所述多个喷嘴336连通。换言之，不管刮刀片120，125，130的位置如何，所述多个喷嘴端口335和对应的喷嘴336可以总是处于持续打开的位置。使喷嘴端口335和对应的喷嘴336处于持续打开的位置可以有助于防止在喷嘴端口335和对应的喷嘴336中形成任何堵塞。此外，使喷嘴端口335和对应的喷嘴336处于持续打开的位置可以有助于在井孔中时保持刮刀片120，125，130和可扩张设备100的外部总是凉的。然而，在一些实施方式中，喷嘴端口335可以临时关闭，比如用来产生钻井液的可察觉的压力变化，正如这里将参照图8更详细描述的。
再次参见图3，阀活塞216还可以设置在可扩张设备100内并且构造成响应于施加到该阀活塞216的流体压力在可扩张设备100内轴向运动。在可扩张设备100扩张之前，可以将阀活塞216朝向可扩张设备100的上端115偏压，比如通过弹簧134。可扩张设备100还可以包括轴向围绕所述阀活塞216的固定阀套144（例如相对于管状本体105固定）。所述阀套144可以包括上部146和下部148。所述阀套144的下部148可以包括至少一个流体端口140，该流体端口140构造成选择性地与形成在阀活塞216中的至少一个流体端口129对准。当阀活塞216的所述至少一个流体端口129与阀套144的下部148的至少一个流体端口140对准时，流体可以从流体通路205流到管状本体105的内侧壁与阀套144的外表面之间的下环形腔室345，并且与推顶套筒215的下表面315连通。在另外的实施方式中，所述阀活塞216可以不包括流体端口129，而是可以其他方式相对于所述阀套144纵向运动并且使所述至少一个流体端口140不被堵塞以使流体从中流过，比如在图9A和9B中示出的。
在操作时，推顶套筒215初始可以朝向下端110定位，其中阀活塞216的至少一个流体端口129与阀套144的下部148的至少一个流体端口140并不对准。该初始位置还可以称做中性位置并且在图3中示出。在该中性位置上，刮刀片120，125，130处于缩回位置上并且由将推顶套筒215朝向可扩张设备100的底端110偏压的第一弹簧133保持这样的状况而没有任何流体流动。可以使诸如钻井液之类的流体在箭头405的方向上流过流体通路205。当所述流体流过流体通路205时，除了被迫通过由连接到阀活塞216的喷嘴202形成的减小的区域的流体之外，所述流体在阀活塞216的表面136上施加力。当所述表面136和喷嘴202上的压力足够大以克服第二弹簧134的偏压力时，阀活塞128在轴向上朝向可扩张设备100的底端110运动，如图4中所示。如图4中所示，尽管阀活塞已经在轴向上朝向可扩张设备100的底端100运动，但是所述阀活塞216的所述至少一个流体端口120保持与阀套144的下部148的所述至少一个流体端口140不对准。该位置——如图4中所示——可以称做锁定的闭合位置。在该锁定的闭合位置上，刮刀片将保持在完全缩回的位置上，同时流体流过流体通路205，因为阀活塞216的位置可以机械地保持，比如通过这里参照图12A-12C进一步描述的销和销轨道机构。
当所述阀活塞216的所述至少一个流体端口129和所述阀套144的下部148的所述至少一个流体端口140选择性地对准时，正如下面更详细描述的，流体从流体通路205流入环形腔室345，使流体将环形腔室345加压并在推顶套筒215的下表面315上施加力。如上所述，推顶套筒215的下表面315具有比上表面310更大的表面积。因此，在流体将相等的或者基本相等的压强施加到上表面310和下表面315的情况下，施加在具有较大表面积的下表面315上的力将大于施加在具有较小表面积的上表面310上的力，这是由于该力等于施加的压强与压强的作用面积的乘积。当下表面315上的压力足够大以克服由第一弹簧133施加的力时，得到的合力是向上的并且使推顶套筒215向上滑动，从而使刮刀片120，125，130伸出，如图5中所示，这也称做锁定的打开位置。
在一些实施方式中，可以包括可重置的止回阀，比如位于所述至少一个流体端口140内，其可以防止流体流过所述至少一个流体端口140直到获得预定压力。在所述阀活塞216的所述至少一个流体端口和所述阀套144的下部148的所述至少一个流体端口140选择性对准之后，可以延缓启动，直到获得预定的流体压力。由此，在刮刀片120，125，130移动到扩张位置之前可以获得预定的流体压力。然后可以检测到特定的压力或压力变化——比如通过正如这里进一步描述的压力传感器，并且向操作人员发送刮刀片120，125，130已经移动到扩张位置的信号。通过设置止回阀，所获得的峰值压力以及在启动后的压力变化可以增大，并且峰值压力或者压力变化的测量结果可以更容易地确定，并且在指示刮刀片120，125，130已经移动到伸出位置方面可以更可靠。
在另外的实施方式中，可以使用套爪400来将阀活塞216保持在轴向位置上，直到施加预定的轴向力（例如当获得预定的流体压力或流体流速时），如图6A和6B中所示，这可以便于峰值压力和压力变化中的至少一个可以经由压力传感器容易地识别并且利用其来警告操作人员刮刀片120，125，130已经移动到伸出位置。所述套爪400可以包括多个端节段402，这些端节段连接到可以将这些端节段402径向向内偏压的偏压构件404。所述阀活塞216可以包括肩部410，当可扩张设备100处于中性位置上时，所述偏压套爪400的端节段402可以定位在所述肩部410上方，如图6A中所示。在向阀活塞216施加预定轴向力之后（例如当获得预定的流体压力或流体流速时），所述肩部410可以推顶套爪400的端节段402并且克服由套爪400的偏压构件404施加的力并将所述端节段402径向向外推，如图6B中所示。在这一点上，在施加到阀活塞216的轴向力超过阈值量之前，阀活塞216不能移出闭合位置。通过保持阀活塞216的位置直到施加预定大小的力，使阀活塞216的肩部410越过套爪400的端节段402所需的流体流速和压力可以大于在已经将端节段402径向向外推过所述肩部410之后使所述阀活塞216移动所需的流体流速和压力。在这一点上，预定流体流速和压力中的至少一个可以在刮刀片120，125，130（图2）移动到扩张位置之前获得。然后可以检测到特定的压力或压力变化并且使用该特定的压力或压力变化向操作人员发送刮刀片120，125，130已经移动到扩张位置的信号。
此外，还可以使用套爪400来将阀活塞216保持在与刮刀片120，125，130的完全扩张位置对应的轴向位置上。在这一点上，至少一个套爪400可以相对于至少一个肩部410定位，以抵抗阀活塞216从对应于刮刀片120，125，130的完全缩回位置的第一轴向位置（例如相对低的钻井液压力状态）和对应于刮刀片120，125，130的完全扩张位置的第二轴向位置（例如相对高的钻井液压力状态）中的一个或多个离开的运动。
在另外的实施方式中，可以利用制动器500来将阀活塞216保持在选定的轴向位置上直到施加预定轴向力（例如当获得预定压力时），如图7A和7B中所示。该制动器500可以包括可动突出部502，偏压构件506将其朝向阀活塞216偏压，比如通过弹簧（例如螺旋压缩弹簧或者贝氏垫圈堆）。所述阀活塞216可以包括腔室，比如可以围绕阀活塞216在圆周方向上延伸的凹槽504，当这些装置处于中性位置上时，所述可动突出部502可以至少部分地定位在所述腔室（例如凹槽504）内，如图7A中所示。在向阀活塞216施加预定轴向力之后，凹槽504可以推顶制动器500的可动突出部502并且克服由制动器500的偏压构件506施加的力并将所述可动突出部502从凹槽504推出，如图7B中所示。在这一点上，在施加到阀活塞216的轴向力超出阈值量之前，阀活塞216不能移出中性位置。通过保持阀活塞216的位置直到施加预定大小的力，使阀活塞216的凹槽504移动越过制动器500的可动突出部502所需的流体流速和压力可以大于在已经将可动突出部502推过所述凹槽504之后使阀活塞216运动所需的流体流速和压力。在这一点上，在刮刀片120，125，130（图2）移动到扩张位置之前可以获得预定的流体压力。在这一点上，在刮刀片120，125，130（图2）移动到扩张位置之前可以获得预定流体流速和压力中的至少一个。然后可以检测到特定的压力或者压力变化并且用于向操作人员发送刮刀片120，125，130已经移动到扩张位置的信号。
此外，还可以使用制动器500来将阀活塞216保持在与刮刀片120，125，130的完全扩张位置对应的轴向位置上。在这一点上，至少一个制动器500可以相对于至少一个凹槽504定位，以抵抗阀活塞216从对应于刮刀片120，125，130的完全缩回位置的第一轴向位置（例如相对低的钻井液压力状态）和对应于刮刀片120，125，130的完全扩张位置的第二轴向位置（例如相对高的钻井液压力状态）中的一个或多个离开的运动。
在另外的实施方式中，所述多个喷嘴端口335可以构造成它们与所述多个喷嘴连通——除了在将刮刀片定位在不完全扩张的位置上时之外，这可以便于经由压力传感器可靠识别峰值压力和压力变化中的至少一个，并且使用其来警告操作人员刮刀片120，125，130已经移动到伸出位置。例如，所述多个喷嘴端口335和对应的喷嘴可以就在刮刀片120，125，130要处于完全扩张位置之前闭合，从而不再流体连通——比如通过越过密封构件600来实现，如图8A中所示。这种作为缩回位置与完全扩张位置之间的工具过渡的临时性喷嘴端口闭合可以提供显著的且可靠的可检测的压力变化，其可以被检测以向操作人员发送刮刀片已经移动到完全扩张位置的信号。比如另一个示例，所述多个喷嘴端口335和对应的喷嘴可以在刮刀片120，125，130处于完全缩回位置时通过密封构件610截断流体连通并且在刮刀片处于完全扩张位置时打开流体连通，如图8B中所示。
在另外的实施方式中，可扩张设备1100可以在颈缩孔（neckeddown orifice）1325的两侧上包括流体端口1320和1321，如图9A和9B中所示。当其中一个流体端口1320，1321闭合时，如图9A所示，通过管状本体的任何流体将被引导通过颈缩孔1325。在两个流体端口1320和1321均朝向上环形腔室1330打开的情况下，如图9B中所示，流体从颈缩孔1325上方的上流体端口1320流出，进入上环形腔室1330，然后通过颈缩孔1325下方的下流体端口1321返回到流体通路1205中。这通过流体端口1320和1321增加了钻井液可以流过（例如通过颈缩孔1325和通过上环形腔室1330）的总的流动面积。总的流动面积的增加导致颈缩孔1325上方的流体压力的显著减小。
由于致动可扩张设备1100而导致的这种压力变化可以用于方便可扩张设备1100的操作状态的检测。压力变化可以通过压力监视装置检测，其可以向操作人员警告可扩张设备1100的操作状态。压力变化可以在包括监视到的立管压力的数据中识别，并且可以向操作人员指示可扩张设备1100的刮刀片1120处于扩张位置中。换言之，压力变化可以向操作人员提供刮刀片1120已经扩张以用于接合井孔的信号。
在至少一些实施方式中，压力变化可以是由流体端口1320和1321促使的大约140psi（965KPa）与大约270psi（1.86MPa）之间的压降。在一个非限制性示例中，推顶套筒1215可以包括具有大约2.25英寸（大约57.2mm）直径的内孔1210，流体端口1320和1321可以是大约2英寸（50.8mm）长和大约1英寸（25.4mm）宽。在这样的实施方式中，假设没有喷嘴，（根据各个实施方式这些喷嘴是可选的）包括大约1.625英寸（大约41.275mm）内径的颈缩孔1325可以导致大约140psi（大约965KPa）的监视到的立管压降。在这样的实施方式的另一个示例中，包括大约1.4英寸（大约35.56mm）内径的颈缩孔1325可以导致大约269psi（大约1.855MPa）的监视到的立管压降。
在另外的实施方式中，声学传感器1500可以连接到钻柱1502——比如在井孔1504外部的位置上，并且与计算机1506通讯，如图10中所示。声学传感器1500可以检测可以通过钻柱1502传播的压力波（即声波）。当致动可扩张设备100并且刮刀片120，125，130移动到扩张位置时，可扩张设备的元件可能碰撞可扩张设备100的其他元件，如图5中所示。例如，刮刀片120，125，130可能碰撞稳定器块135。这种碰撞可以使压力波通过钻柱1502传播，其可以由声学传感器1500检测。声学传感器1500然后向计算机1506传递对应于检测到的压力波的信号，并且可以向操作人员发送刮刀片120，125，130已经移动到扩张位置的信号。
此外，压力传感器比如压力换能器可以包括在钻柱1502内，或者钻井液的流动线路的其他地方，并且可以与计算机1506通讯。然后获取一段时间内的压力测量结果并传递到计算机。然后可以比较压力测量结果，比如通过计算机根据时间绘制图表，并且可以利用一段时间内的测量到的压力变化确定可扩张设备100的操作状态，比如是否刮刀片120，125，130已经移动到扩张位置。通过利用在一段时间内的比较结果，即便对应于可扩张设备的操作状态改变的测量到的峰值压力相比于基线测量结果相对较小，那么在一段时间内的压力比较结果可以提供压力变化的表示，并且可以使用其来警告操作人员工具操作状态的变化。
在这一点上，压力传感器和声学传感器1500中的一个或两个可以连接到计算机1506，可以可靠地检测刮刀片120，125，130到扩张位置和缩回位置的其中一个的运动并向操作人员通讯。
在另外的实施方式中，可以使用缓冲器1600来减慢阀活塞216在至少一个方向上的移动，如图11A和11B中所示。所述缓冲器1600可以包括流体填充腔室，比如包括其中限定第一流体存储器1604和第二流体存储器1606的阀活塞216的一部分1602的环形腔室。阀活塞216的该部分1602可以包括形成于其中的一个或多个孔1608，以使流体能够在第一流体存储器1604与第二流体存储器1606之间流动。这些孔1608的尺寸可以选择性地设定，并且包含在第一和第二流体存储器1604和1606中的流体的流体特性（例如粘度）可以选择成控制第一流体存储器1604与第二流体存储器1606之间的流速，从而控制致动速度。通过利用缓冲器1600减慢阀活塞216的轴向运动，可以延迟致动，并且可以在立管中获得增加的流体压力。此外，可以增加流体压力变化的持续时间。然后可以检测到特定压力和压力变化中的至少一个，并且使用其来向操作人员发送可扩张设备100的刮刀片120，125，130已经移动到扩张位置和缩回位置中的其中一个的信号。
为了缩回刮刀片120，125，130，再次参见图3-5，阀活塞216的至少一个流体端口129和阀套144的下部148的至少一个流体端口140可以选择性地错开，以阻止流体流入环形腔室345中并且在推顶套筒215的下表面315上施加压力。当阀活塞216的至少一个流体端口129和阀套144的下部148的至少一个流体端口140选择性地错开时，一定体积的钻井液可能保持被限制在下腔室345中。因此可以设置通过管状本体105的侧壁延伸的至少一个释压喷嘴350以使钻井液从环形腔室345溢出并进入井孔壁与可扩张设备100之间的区域中。所述至少一个释压喷嘴350可以总是打开或者在施加压力差比如止回阀之后打开，因此也可以称做压力释放喷嘴或泄放喷嘴。所述的一个或多个释压喷嘴350可以包括相对小的流动路径，以便于当流体端口129，140对准并且钻井液填充环形腔室345时不损失显著的压力。通过示例和非限定方式，释压喷嘴350的至少一个实施方式可以包括直径大约0.125英寸（大约3.175mm）的流动路径。在一些实施方式中，释压喷嘴350可以包括硬质合金流动喷嘴。所使用的释压喷嘴的尺寸和/或数量可以选择成在致动后获得可检测的立管压力变化。例如，具有大约四分之一（1/4）英寸（大约6.35mm）开口直径的单个释压喷嘴的使用可以提供大约80psi（大约550KPa）的立管压力变化。不过，有些传感器在检测大约80psi（大约550KPa）的立管压力变化方面可能不够可靠。有鉴于此，可以增加释压喷嘴350的尺寸和/或数量以提供更大的立管压力变化并且提供可靠的可检测的压力信号以向操作人员警告可扩张设备100的操作状态。例如，在一些实施方式中，高于大约100psi（大约690KPa）的立管压力变化可以由位于立管中的压力传感器可靠地检测，释压喷嘴350的尺寸和数量可以选择成在致动后获得大于大约100psi（大约690KPa）的立管压力变化。在另外的实施方式中，高于大约150psi（大约1.03MPa）的立管压力变化可以由位于立管中的压力传感器可靠地检测，释压喷嘴350的尺寸和数量可以选择成在致动之后获得大于大约150psi（大约1.03MPa）的立管压力变化。在一些实施方式中，可以使用两个释压喷嘴350，它们每个具有大约四分之一（1/4）英寸（大约6.35mm）的开口直径，并且可以提供大约200psi（大约1.38MPa）的立管压力变化。在另外的实施方式中，释压喷嘴350可以选择成具有大于大约四分之一（1/4）英寸（大约6.35mm）的开口直径，比如大约10/32英寸（大约8mm）或者更大的开口直径。
除了所述的一个或多个释压喷嘴350之外，可以设置至少一个高压释放装置355以在释压喷嘴350失效（例如堵塞）的情况下释放压力。所述至少一个高压释放装置355例如可以包括备用爆裂盘、高压止回阀或者其他装置。所述至少一个高压释放装置355可以经受高达大约每平方英寸五千磅（5000psi）（大约34.5MPa）的压力。在至少一些实施方式中，可以在所述至少一个高压释放装置355上方定位筛管（比如类似于图13中示出的筛管1900），以防止固体碎屑破坏所述至少一个高压释放装置355的元件（例如备用爆裂盘）。
正如之前参照图3-5讨论的，阀活塞216的位置可以相对于阀套144机械地保持在比如中性位置、锁定的打开位置和锁定的闭合位置中的一个上。图12A-12C图示了用于阀的这种机械操作的销和销轨道系统。机械操作的阀包括阀活塞216和阀套144，它们经由销1700和销轨道1702结构连接。
例如，所述阀活塞216可以包括形成在其外表面上、并且构造成接收阀套144的内表面上的一个或多个销1700的销轨道1702。替代性地，在其他实施方式中，所述阀活塞216可以包括在其外表面上的一个或多个销（未示出），并且所述阀套144可以包括形成在内表面上的销轨道，用于接收阀活塞216的所述一个或多个销。在一些实施方式中，所述销轨道1702可以具有通常在本领域中称做“J形狭槽”的结构。
在操作中，所述阀活塞216可以由在向上方向上施加力的第二弹簧134偏压。所述阀活塞216可以构造至少一部分具有减小的内径，比如喷嘴202，提供对钻井液的向下流动的限制。当钻井液流过阀活塞216及其减小的内径时，由减小的内径形成的限制部上方的压力可以足以克服由第二弹簧134施加的向上的力，使阀活塞216向下移动并且压缩第二弹簧134。如果钻井液流被消除或者减小到选定阈值以下，由第二弹簧134施加的向上的力可以足以使阀活塞216至少部分地向上运动。
参见图12A-12C，销轨道1702接收一个或多个销，比如由阀套144承载的销1700。通过一个或多个销1700与销轨道1702的接合而在纵向和转动方向上引导阀活塞216。例如，当存在相对小的或者没有流体流流过阀活塞216时，由第二弹簧134施加的力将阀活塞216向上偏压并且所述销1700位于销轨道1702的第一下钩部1704中，如图12A中所示。这对应于图3中示出的扩孔器设备的中性位置。当钻井液以足够的流速流过阀活塞216以克服由第二弹簧134施加的力并且将阀活塞216向下偏压时，轨道1702沿着销1700运动直到销1700与销轨道1702的上倾斜侧壁1706接触。由于销1700与所述上倾斜侧壁1706接合，阀活塞216继续运动，直到所述销1700位于第一上钩部1708中。当轨道1702及其上倾斜侧壁1706由销1700接合时，假设连接销1700的阀套144固定在管状本体105内，则阀活塞216将被迫转动。阀活塞216的轴向运动可以使阀活塞216中的一个或多个流体端口129与提供和环形腔室345流体连通的阀套144中的一个或多个流体端口140对准或错开（图3-5）。当所述销1700处于第一上钩部1708中时，如图12B中所示，可以使流体端口129，140错开。这对应于如图4中所示的可扩张设备100的锁定的闭合位置。在锁定的闭合位置上，刮刀片将处于缩回的位置上，只要存在高到足以克服弹簧134的力的流体流量。
为了使流体端口129，140对准，根据图12A-12C的实施方式，可以减小或消除钻井液压力，使阀活塞216响应于第二弹簧134的力向上运动。当将阀活塞216向上偏压时，其相对于由阀套144承载的销1700运动，直到所述销1700与销轨道1702的下倾斜侧壁1710接触。下倾斜侧壁1710继续沿着所述销1700运动，直到所述销1700位于（未示出的）第二下钩部1712中。当销轨道1702的下倾斜侧壁1710沿着所述销1700运动时，再次迫使阀活塞216转动。当再次使钻井液流动并且流体压力再次增大时，阀活塞216向下偏压并且销轨道1702沿着所述销1700运动直到所述销1700与轨道1705的上倾斜侧壁1714接触。轨道1705的上倾斜侧壁1714沿着所述销1700运动直到所述销1700位于如图12C中所示的第二上钩部1716中。当所述销轨道1702的上倾斜侧壁1714相对于销1700运动时，迫使阀活塞216仍然进一步在阀套144内转动。这种轴向运动使流体端口129，140彼此对准，使钻井液流入环形腔室345中并且使推顶套筒215如上面所描述的那样滑动。这对应于图5中示出的可扩张设备100的锁定的打开位置。在锁定的打开位置上，刮刀片将处于伸出的位置上，只要存在高到足以克服弹簧134的力的流体流量。一旦所述销1700完成围绕轨道1705的圆周的移动，轨道1705本身就能够重复。类似地，当使用一个以上的销1700时，每个销1700可以具有镜像轨道（即径向对称）使得可以实现中性、锁定的打开和锁定的闭合位置中的每个位置。
显然，根据上面描述的各个实施方式的任一个体现出的阀可以通过简单地减小钻井液的流速和再次增加钻井液的流速以使阀活塞216向上和向下运动、由于销和轨道构造而导致上面所述的转动和轴向移动来重复地打开和闭合。此外，还可以使用用于控制流体流到环形腔室345（图3-5）的流量的阀的其他实施方式。
由于前面所述的内容，操作人员可以使本发明的各个实施方式的可扩张设备扩张和收缩无数次。因为可扩张设备的状态可以在井下改变多次，所以能够可靠地检测可扩张设备的操作状态是尤其重要的。
在一些实施方式中，正如之前讨论的和如图12A-12C中示出的，具有受限横截面积的喷嘴202可以连接到阀活塞216。如图12C中所示，喷嘴202可以包括穿过喷嘴202的侧壁延伸的至少一个流体端口1800。当可扩张设备处于如图12A和12B中示出的中性或锁定的闭合位置上时，喷嘴202保留在阀套144内。因此，当可扩张设备100处于中性或锁定的闭合位置上时，至少基本没有流体可以通过所述至少一个流体端口1800。然而，如图12C中所示，当可扩张设备100处于锁定的打开位置上时，喷嘴202超出阀套144的端部延伸。这使得流体能够通过喷嘴202中的至少一个流体端口1800，从而增加了流体流的可用面积，这可以导致通过可扩张设备100的钻井液的可视的压降。因此，通过检测和/或监视由通过喷嘴中的至少一个流体端口1800的流体流的有无造成的钻井液的压力变化，可以确定阀活塞216的位置，从而可以确定刮刀片的位置。
在至少一些实施方式中，正如之前讨论的，防止碎屑和其他颗粒进入环形流体腔室345是所需的。因此，在一些实施方式中，可以至少在阀活塞216的至少一个流体端口129上方放置筛管1900，其位于阀活塞216与阀套144之间，如图14A和14B中所示。筛管1900可以阻止可能堵塞所述至少一个流体端口、所述一个或多个释压喷嘴中的至少一个的经过所述至少一个流体端口129的固体材料流。在一些实施方式中，所述筛管1900可以包括围绕阀活塞216在圆周方向上延伸的圆柱形衬套。
筛管1900内的开口可以小到足以阻止钻井液中的固体碎屑进入环形腔室345。例如，在一些实施方式中，筛管1900内的开口可以具有小于大约百分之五英寸（0.05”）（大约1.27mm）的宽度。在另外的实施方式中，筛管1900内的开口可以具有小于大约千分之十五英寸（0.015”）（大约0.381mm）的宽度。在钻进期间，钻井液的速度可以起到清洁筛管1900的作用，防止筛管1900堵塞。
在一些实施方式中，可扩张设备100可以包括至少一个粘结的密封件，以在除了可扩张设备100处于锁定的打开位置（见图5和12C）时之外防止流体进入环形腔室345。例如，如图3中所示，可扩张设备100的第一密封件1902和第二密封件1904可以是粘结的密封件。所述第一密封件1902可以位于阀套144的上部146与下部148之间并且提供阀套144与阀活塞216之间的密封。所述第二密封件1904可以位于连接到阀活塞216的喷嘴202上并且提供喷嘴202与阀套144之间的密封。密封件1902，1904可以包括具有矩形截面的金属环或垫圈，其具有至少一个开口。弹性体环安装在金属环内的开口内并且粘结到金属环上。弹性体环的破裂由限制弹性体环变形的金属环阻挡。传统的密封件比如塑料或O形环密封件在可扩张设备100操作期间经历的压力和条件下可能被破坏或丢失。通过用粘结的密封件替代这种传统的密封件，密封件1902，1904更可能经受住可扩张设备100的操作条件和压力。
在另外的实施方式中，可扩张设备100可以包括至少一个V形密封件，如图14A和14B中所示，以在除了可扩张设备100处于锁定的打开位置（见图5和12C）时之外防止流体进入环形腔室345。例如，可扩张设备100的第一密封件1902和第二密封件1904可以包括V形密封组件1906。该V形密封组件1906可以包括V形密封件1908、第一V形备用环1910、第二V形备用环1912、第二适配件1914和第二适配件1916。所述V形密封件1908可以具有基本成形为人字形或“V”形的横截面。类似地，第一和第二V形备用环1910和1912可以具有基本成形为人字形或“V”形的横截面。第一和第二适配件1914和1916可以成形为使组装好的V形密封件1908与第一和第二V形备用环1910和1912适当地安装在密封套1918内。通过用V形密封件替代这种传统的密封件，密封件1902，1904更可能经受住可扩张设备100的操作状态和压力。如图14A中所示，当流体端口129位于V形密封组件1906的第一侧上时，V形密封组件1906可以防止阀活塞216的流体端口129与阀套144的流体端口140之间的流体连通。如图14B中所示，当流体端口129移动越过V形密封组件1906时，流体端口129和140可以对准并且流体连通。当阀活塞的流体端口129移动越过V形密封组件1906时，流体端口129内的流体处于压力之下并且V形密封组件1906可以暴露于这种加压的流体。V形密封组件1906可以在该位置中提供可靠的密封并且相对于传统的密封件可以具有提高的密封件寿命。
图15是根据另一实施方式的可扩张设备2100的底部12的放大视图，其包括状态指示器2200以便于可扩张设备2100的操作状态的远程检测。如图15和16中所示，阀活塞2128可以包括连接到阀活塞2128的底端2204的喷嘴2202。虽然如下的示例涉及喷嘴2202在管状本体2108内的位置，但是应该理解的是在一些实施方式中可以省去喷嘴2202。例如，在一些实施方式中，正如这里详细描述的状态指示器2200可以用于产生表示阀活塞2128的底端2204相对于状态指示器2200的位置的信号。例如，该信号可以包括例如立管内钻井液的可检测或可测量的压力或压力变化形式的压力信号。如图15中所示，该状态指示器2200可以连接到阀套2144的下部2148。该状态指示器2200构造成向操作钻进系统的人员指示喷嘴2202相对于状态指示器2200的位置。因为喷嘴2202连接到阀活塞2128，所以喷嘴2202的位置还指示阀活塞2128的位置，从而指示推顶套筒2115和刮刀片120，125，130（图2）的期望的和预期的位置。如果状态指示器2200指示喷嘴2202不在状态指示器2200上方，如图15中所示，那该状态指示器220就有效地指示刮刀片被缩回或者至少应该被缩回。如果状态指示器2200指示喷嘴2202在状态指示器2200上方，如图16中所示，那该状态指示器2200就有效地指示可扩张设备2100处于伸出位置上。
图17是在可扩张设备2100处于闭合位置上时状态指示器2200的一个实施方式的放大视图。在一些实施方式中，状态指示器2200包括至少两个部分，该至少两个部分中的每个部分在垂直于纵轴线L的平面内均具有不同的横截面积。例如，在一个实施方式中，如图17中所示，该状态指示器2200包括具有第一横截面积2212的第一部分2206、具有第二横截面积2214的第二部分2208和具有第三横截面积2216的第三部分2210。如图17中所示，第一横截面积2212小于第二横截面积2214，第二横截面积2214大于第三横截面积2216，第三横截面积2216大于第一横截面积2212。图17的状态指示器2200的不同的横截面积2212，2214，2216是非限制性示例，可以使用使横截面积不同的任意组合。例如，在具有三个部分2206，2208，2210的状态指示器2200中，如图17中所示，如下相对的横截面积的另外的实施方式可以包括：第一横截面积2212可以大于第二横截面积2214，第二横截面积2214可以小于第三横截面积2216（例如见图19）；第一横截面积2212可以小于第二横截面积2214，第二横截面积2214可以小于第三横截面积2216（例如见图20）；第一横截面积2212可以大于第二横截面积2214，第二横截面积2214可以大于第三横截面积2216（例如见图21）。此外，横截面积2212，2214，2216之间的过渡可以是逐渐的，如图17中所示，或者横截面积2212，2214，2216之间的过渡可以是突然的，如图19中所示。每个部分2206，2208，2210的长度（在平行于纵轴线L（图1）的方向上）可以基本相等，如图19-21中所示，或者这些部分2206，2208，2210可以具有不同的长度，如图22中所示。图17和19-22中示出的状态指示器2200的实施方式是非限制性示例，可以使用具有至少两种不同横截面积的任意几何形状或结构来构成状态指示器2200。
在另外的实施方式中，状态指示器2200可以仅包括单个横截面积，比如如图23中所示的杆。如果该状态指示器2200包括单个横截面积，那当阀活塞2128处于初始的近端位置上并且刮刀片处于缩回位置上时该状态指示器2200可以完全在喷嘴2202外部。
继续参见图17，所述状态指示器2200还可以包括基部2220。所述基部2220可以包括多个穿过所述基部2220延伸的孔或狭缝形式的流体通路2222，其使得钻井液能够纵向地通过所述基部2220。所述状态指示器2200的基部2220可以连接到阀套2144的下部2148，以相对于阀套2144将状态指示器2200固定就位。在一些实施方式中，所述状态指示器的基部2220可以可移除地连接到阀套2144的下部2148。例如，状态指示器2200的基部2220和阀套2144的下部2148中的每一个均可以包括互补的螺纹组（未示出），用于将状态指示器2200连接到阀套2144的下部2148。在一些实施方式中，所述下部2148可以包括构造成容纳形成在状态指示器2200的基部2220上的环形凸出部的环形凹槽2218。状态指示器220和阀套2144的下部2148中的至少一个可以由抗腐蚀材料构成。例如，在一些实施方式中，状态指示器2200可以包括硬质材料，比如硬质合金材料（例如钴钨硬质合金材料）或者氮化或表面渗碳硬化钢。
喷嘴2202可以构造成当阀活塞2128从初始近端位置移动到不同的远端位置以使刮刀片伸出时越过状态指示器2200。图18示出了当阀活塞2128处于用于刮刀片伸出的远端位置上时状态指示器2200上方的喷嘴2202。在一些实施方式中，穿过喷嘴2202延伸的流体通路2192可以具有一致的横截面。替代性地，如图17和18中所示，所述喷嘴2202可以包括凸出部2224，其是穿过喷嘴2202延伸的流体通路2192的最小横截面区域。
在操作中，当泵送流体通过穿过喷嘴2202延伸的内部流体通路2192时，钻柱或底部钻具组合内（例如扩孔器设备2100内）的钻井液的压力可以由操作的钻进系统的人员或设备测量和监视。当阀活塞2128从初始近端位置移动到后续远端位置时，喷嘴将在状态指示器2200的至少一部分上移动，这将造成被监视的钻井液的流体压力的改变。钻井液的压力的这些改变可以用于确定喷嘴2202与状态指示器2200的关系，进而指示所述阀活塞2128是处在近端位置还是处在远端位置上，以及刮刀片应该处于缩回位置还是伸出位置上。
例如，如图17中所示，当阀活塞2128处于初始近端位置上时状态指示器2200的第一部分2206可以布置在喷嘴2202内。通过内部流体通路2192移动的流体的压力可以取决于流体通路2192（钻井液通过流体通路2192流过喷嘴2102）的最小横截面积。换言之，当流体流过喷嘴2102时，流体必须通过由喷嘴2202的内表面和状态指示器2200的外表面限定的环形空间。该环形空间可以具有等于通过喷嘴2202的流体通路2192的横截面积与布置在喷嘴202内的状态指示器2200的横截面积之差的最小值的最小横截面积（在正交于纵轴线L的公共平面中）。因为状态指示器2200的第二部分2208的横截面积2214不同于第一部分2206的横截面积2212，所以当喷嘴2202从状态指示器2200的第一部分2206行进到达第二部分2208时钻井液的压力将会改变。类似地，因为状态指示器2200的第二部分2208的横截面积2214不同于状态指示器2200的第三部分2210的横截面积2216，所以当喷嘴2202从第二部分2208移动到达第三部分2210时钻井液的压力将会改变。
图24是在钻井液流过阀活塞2128时，阀活塞2128内的钻井液的压力P与阀活塞2128从初始近端位置移动到后续远端位置时阀活塞2128移动的距离X之间的函数关系简化图表。继续参见图24，对于图17和18中示出的状态指示器2200，可以观察到第一压力P1，状态指示器2200的第一部分2206在喷嘴2202内，如图17中示出。当可扩张设备2100从闭合位置移动到打开位置时，阀活塞2128从图17中示出的初始近端位置移动到图18中示出的后续远端位置，当喷嘴2202的凸出部2224越过状态指示器2200的第二部分2208时，将会观察到对应于第二压力P2的可视压力剧增。例如，当阀活塞2128已经移动第一距离X1时，凸出部2224将到达状态指示器2200的第一部分2206与第二部分2208之间的过渡部，压力然后将从第一压力P1增加到高于P1的升高的压力P2。当阀活塞2128移动第二、更远的距离X时，凸出部2224将到达状态指示器2200的第二部分2208与第三部分2210之间的过渡部，然后压力从第二压力P2下降到低于P2的较低压力P3。在本发明的一些实施方式中，第三压力P3可以高于第一压力P1，然而在本发明的另外的实施方式中，第三压力P3可以等于或小于第一压力P1。通过检测和/或监视由喷嘴2202与状态指示器2200之间的相对运动造成的阀活塞2128内（或者钻柱或底部钻具组合内的其他位置上）的压力变化，可以确定阀活塞2128的位置，从而可以确定刮刀片的位置。
例如，在一个实施方式中，状态指示器2200可以至少基本是圆柱形的。第二部分2208可以具有大约等于第一部分2206的直径大约三倍的直径，第三部分2210可以具有大约等于大约第一部分2206直径的直径。例如，在一个实施方式中，仅作为说明性的，第一部分2206可以具有大约二分之一英寸（0.5”）（大约12.7mm）的直径，第二部分2208可以具有大约一又百分之四十七英寸（1.47”）（大约37.3mm）的直径，第三部分2210可以具有大约十分之八英寸（0.8”）（大约20.3mm）的直径。对于给定的流体密度，在大约每分钟六百加仑（600gpm）（大约0.0378m3/s）的初始流体流速下，喷嘴2202内的第一部分2206产生横跨喷嘴2202和状态指示器2200的第一压降。在一些实施方式中，第一压降可以少于大约100psi（大约689KPa）。然后可以将流体流速增加到每分钟大约八百加仑（800gpm）（大约0.0505m3/s），其横跨喷嘴2202和状态指示器2200产生第二压降。该第二压降可以高于大约每平方英寸一百磅（100psi）（大约689KPa），例如该第二压降可以大约每平方英寸一百三十磅（130psi）（大约896KPa）。在800gpm（大约0.0505m3/s）下，阀活塞2128开始朝向可扩张设备2100的远端2190（图15）运动，使喷嘴2202的凸出部2224越过状态指示器2200。当喷嘴2202的凸出部2224越过状态指示器2200的第二部分2208时，用于流体流动的可用横截面积显著减小，使得在喷嘴2202和状态指示器2200两侧造成压降的显著增加。压降的大小例如可以在大约500psi（大约3.45MPa）或更大、大约750psi（大约5.17MPa）或更大或者甚至大约1000psi（大约6.89MPa）或更大（例如大约每平方英寸一千两百七十三磅（1273psi）（大约8.777MPa））时达到峰值。当喷嘴2202的凸出部2224继续移动到达状态指示器2200的第三部分2210上的位置时，压降可以减小到第三压降。第三压降可以高于第二压降但是低于压力峰值。例如，第三压降可以大约每平方英寸一百五十磅（150psi）（大约1.03MPa）。
正如之前提到的，在一些实施方式中，状态指示器2200可以包括如图23中示出的单个相同横截面积。在该实施方式中，当喷嘴2202越过状态指示器2200时仅可以观察到单种压力增加。因此，若状态指示器2200横截面积变化越多（比如两种或更多种横截面积），则可以确定的喷嘴2202的位置的精确性就越高。
在另外的实施方式中，在阀活塞处于远端位置上并且刮刀片120，125，130（图2）已经移动到完全扩张位置上之后，状态指示器2200可以完全闭合喷嘴2202并且防止流体流过喷嘴2202。由此，可以获得立管压力的显著增加，然后可以检测到特定压力或者压力变化，以向操作人员发送刮刀片120，125，130已经移动到扩张位置的信号。例如，状态指示器可以基本如图19中所示构造，并且可以具有第三部分2210，该第三部分的大小和形状设计成当喷嘴2202在第三部分2210上延伸时密封喷嘴2202。在可扩张设备210的刮刀片120，125，130已经移动到扩张位置并且喷嘴2202已经闭合时，压力传感器将会检测到压力增加，并且可以警告操作人员，然后可以调节流体流以获得合适的操作压力。
此外，尽管这里所描述的可扩张设备包括阀活塞，但是状态指示器2200还可以用在本领域中公知的其他可扩张设备中。
尽管前面披露的内容阐明了包括可扩张扩孔器设备的可扩张设备的实施方式，但是本发明并不局限于此。例如，根据本发明的其他实施方式，可扩张设备可以包括可扩张稳定器，其中一个或多个可扩张部件可以包括稳定器块。因此，虽然在附图中已经描述并示出了某些实施方式，但是这些实施方式只是说明性的，对本发明的范围并不构成限制，本发明并不局限于所示出和描述的特定结构和构造，因为对所描述的实施方式的各种其他的添加和修改以及删除对于本领域技术人员来说是显而易见的。
因此，虽然在附图中已经描述并示出了某些实施方式，但是这些实施方式只是说明性的，对本发明的范围并不构成限制，本发明并不局限于所示出和描述的特定结构和构造，因为对所描述的实施方式的各种其他的添加和修改以及删除对于本领域技术人员来说是显而易见的。此外，本发明的实施方式的特征可以与本发明的其他实施方式的特征进行结合，并且还可以与其他可扩张装置结合或者包含在其他可扩张装置中。因此，本发明的范围仅由这里随后的权利要求以及它们的合法等价方式限定。

Claims (20)

1.一种可扩张设备，包括：
管状本体，其包括穿过其延伸的流体通路；
布置在所述管状本体内的阀活塞，所述阀活塞构造成响应于通过所述流体通路的钻井液的压力而在所述管状本体内轴向运动，并且构造成选择性地控制流入一环形腔室中的流体流；以及
布置在所述管状本体内并且连接到至少一个可扩张部件的推顶套筒，所述推顶套筒构造成响应于流入所述环形腔室的流体流而轴向运动，从而使所述至少一个可扩张部件伸出；
其中，所述可扩张设备构造成产生表示所述至少一个可扩张部件的伸出的信号。
2.根据权利要求1所述的可扩张设备，其中，所述喷嘴包括穿过所述阀活塞的侧壁延伸的至少一个流体端口，并且穿过所述阀活塞的侧壁延伸的所述至少一个流体端口在所述至少一个可扩张部件伸出时是打开的。
3.根据权利要求2所述的可扩张设备，其中，所述至少一个喷嘴端口定位和构造成当所述可扩张设备处于完全扩张位置时打开以提供所述流体通路和所述至少一个喷嘴之间的流体路径，并且定位和构造成当所述可扩张设备处于完全缩回位置时关闭。
4.根据权利要求2所述的可扩张设备，其中，所述至少一个喷嘴端口定位和构造成当所述可扩张设备处于完全扩张位置时以及当所述可扩张设备处于完全缩回位置时打开并提供所述流体通路和所述至少一个喷嘴之间的流体路径，并且定位和构造成当所述可扩张设备从缩回位置过渡到扩张位置时临时关闭。
5.根据权利要求1所述的可扩张设备，其包括保持装置，所述保持装置定位和构造成对抗所述阀活塞的轴向运动，并且当所述可扩张设备内达到预定的压力时允许所述阀活塞的轴向运动。
6.根据权利要求5所述的可扩张设备，其中，所述保持装置定位和构造成对抗所述阀活塞的从完全缩回位置和完全扩张位置中的至少一个位置离开的轴向运动。
7.根据权利要求6所述的可扩张设备，其中，所述保持装置包括套爪和制动器中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的可扩张设备，还包括：
连接到所述管状本体的钻柱，所述钻柱具有用于将所述流体送至所述流体通路的中央流体通道；以及
与所述中央流体通道流体连通的压力传感器。
9.根据权利要求1所述的可扩张设备，还包括：
连接到所述管状本体的钻柱，所述钻柱具有用于将所述流体送至所述流体通路的中央流体通道；以及
连接至所述钻柱的声学传感器。
10.根据权利要求1所述的可扩张设备，还包括缓冲器，所述缓冲器定位和构造成沿至少一个轴向方向减缓所述阀活塞的轴向运动。
11.根据权利要求1所述的可扩张设备，还包括布置于所述管状本体的纵向孔内的状态指示器，所述状态指示器构造成响应于阀活塞在所述管状本体内轴向向下移动而限制所述阀活塞的一部分横截面积。
12.根据权利要求1所述的可扩张设备，其中，所述环形腔室包括至少一个泄放喷嘴，所述泄放喷嘴的的尺寸和构造设定为在致动时提供至少大约690kPa的立管压力变化。
13.根据权利要求1所述的可扩张设备，还包括：
至少一个销和轨道，其组合起来构造成响应于弹簧的向上偏压力和由流过所述阀活塞的孔的钻井液流提供的轴向向下力的选择性施加而控制所述阀活塞在阀套内的相对于所述阀套的转动和轴向运动；
至少一个孔，其从所述流体通路横向延伸至所述阀活塞的外部；以及
至少一个阀端口，其构造用于响应所述阀活塞在所述阀套内的相对于所述阀套的转动和纵向运动中的至少一种运动而与所述至少一个孔选择性地对准，以将来自于所述流体通路的钻井液与所述环形腔室连通。
14.一种操作可扩张设备的方法，包括：
将可扩张设备定位在井孔中；
引导流体流过所述可扩张设备的管状本体的流体通路；
响应于流体流而使阀活塞相对于所述管状本体轴向运动，以使流体通路与一环形腔室连通；
在将流体引导到所述环形腔室中的情况下，使推顶套筒相对于所述管状本体轴向运动；
利用所述推顶套筒使得至少一个可扩张部件伸出；以及
检测所述至少一个可扩张部件的伸出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，检测所述至少一个可扩张部件的伸出的步骤包括检测流体压力的变化。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括如下步骤中的至少一个步骤：打开所述阀活塞中的至少一个流体端口，以促使流体压力的变化；以及在使所述阀活塞移动时暂时关闭至少一个流体端口，以促使流体压力的变化。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在获得预定压力之前，借助制动器和套爪中的至少一个保持所述阀活塞的轴向位置；以及
在达到所述预定压力之后，释放所述阀活塞并且使所述阀活塞移动，以促使流体压力的变化。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括使用缓冲器来减缓所述阀活塞的运动，以促使流体压力的变化。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，检测所述至少一个可扩张部件的伸出的步骤包括检测通过连接至所述管状本体的钻柱传播的压力波。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，检测通过连接至所述管状本体的钻柱传播的压力波的步骤还包括利用声学传感器检测通过所述钻柱传播的压力波。
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