CN103261560A - 用在地下井眼中的具有可扩张元件的工具以及相关方法 - Google Patents
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Abstract
用在地下井眼中的可扩张装置，包括配置成在缩回位置与伸出位置之间移动的至少一个构件。布置在管状本体中的锁定构件能够选择性地将所述至少一个构件保持在缩回位置上。操作可扩张装置的方法包括通过使管状本体的内壁与布置在形成于锁定套筒中的至少一个孔中的锁定构件接合来将可扩张装置的至少一个构件固定在缩回位置上。
Description
优先权
本申请要求于2010年11月8日申请的名称是“Earth Boring ToolsHaving Expandable Members and Related Methods”的美国临时专利申请序列号61/411,201的申请日的优先权。
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及用在地下井眼中的可扩张装置，更特别地涉及用于扩大井眼的可扩张扩眼器装置以及在钻进操作期间用于稳定底部钻具组合的可扩张稳定器以及相关的方法。
背景技术
可扩张扩眼器一般用于扩大地下井眼。传统上，在钻进油井、天然气井和地热井中，安装套管并施加水泥以防止井眼壁塌到地下井眼中，同时为后续钻进操作提供必要的支撑以获得更大的深度。套管传统上还安装成将不同的地层隔离，以防止地层流体的窜流并且在钻进井眼时能够实现对地层流体和压力的控制。为了增加先前钻出的井眼的深度，将新的套管铺放在先前的套管内并在其下方延伸。虽然添加额外的套管能够使井眼达到更大的深度，但是其具有使井眼变窄的缺点。使井眼变窄限制了井的任何后续部分的直径，因为钻头和任何另外的套管必须穿过已经存在的套管。因为井眼直径的减小是不理想的（因为它们限制了石油和天然气通过井眼的开采流速），所以扩大地下井眼来提供更大的井眼直径用于安装超出先前安装好的套管的额外套管以及能够实现碳氢化合物通过井眼的更好的开采流速通常是所需的。
已经使用多种方法来扩大井眼直径。用于扩大地下井眼的一种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围绕其轴线转动来形成扩大的井眼直径。在转让给本发明受让人的美国专利号4,635,738中披露了一种偏心钻头。双心钻头组件使用具有横向偏置轴的两个纵向叠加的钻头部分，它们在转动时产生扩大的井眼直径。在同样转让给本发明受让人的美国专利号5,957,223中披露了双心钻头的一个示例。
另一种用于扩大地下井眼的传统方法包括使用延伸的底部钻具组合，其具有在其远端上的领眼钻头和在领眼钻头上方某距离处的扩眼组件。这种布置允许使用任何传统的旋转钻头类型（例如牙轮钻头或刮刀钻头），因为领眼钻头以及组件的延伸特性在通过井眼中的紧点时具有更大的灵活性以及有效地使领眼钻头稳定的可能性以便于领眼钻头和后面的扩眼器将穿过将用于井眼的路径。延伸的底部钻具组合的该方面在定向钻进中是尤其重要的。为此，本发明的受让人已经将扩眼结构设计成所谓的“扩眼器翼”，其一般包括具有打捞颈的管状本体，在其顶部上具有螺纹连接部，在其也具有螺纹连接部的底部上具有钳起表面。转让给本发明受让人的美国专利号RE 36,817和5,495,899披露了包括扩眼器翼的扩眼结构。扩眼器翼工具的上中部包括一个或多个自管状本体基本径向向外凸出的纵向延伸刮刀，PDC切削元件设置在这些刮刀上。
正如上面提到的，传统的可扩张扩眼器可以用于扩大地下井眼并且可以包括可枢转地或者铰接地固定到管状本体并且由布置在其中的活塞致动的刮刀，正如由例如Warren的美国专利号5,402,856披露的。此外，Akesson等人的美国专利号6,360,831披露了一种传统的井眼开挖器，其包括装备有至少两个井眼开挖臂的本体，所述臂具有切削装置，该切削装置在流过本体的钻井液的压力的作用下而从本体中的静止位置移动到起作用的位置。一开始这些扩眼器中的刮刀是缩回的，以使工具通过钻柱上的井眼，一旦工具超过套管的端部，则将这些刮刀伸出，从而可以增加套管下方的井眼直径。
发明内容
在一些实施方式中，本发明包括用在地下井眼中的可扩张装置。该可扩张装置包括管状本体，该管状本体具有纵向孔和在管状本体的壁上的至少一个开口。至少一个构件定位在管状本体的壁上的至少一个开口内并且配置成在缩回位置与伸出位置之间运动。套筒构件布置在管状本体中并且具有形成通过套筒构件的流体通道的纵向孔以使流体从中流过。所述套筒构件包括保持部，该保持部的宽度大于套筒构件的相邻部分的宽度。锁定套筒具有形成于其中的至少一个孔和至少部分地设置在所述至少一个孔内的至少一个锁定构件。所述套筒构件的保持部选择性地保持所述至少一个锁定构件与管状本体的一部分接合以将所述至少一个构件保持在缩回位置上。
在另外的实施方式中，本发明包括一种用在地下井眼中的可扩张装置。该可扩张装置包括管状本体，该管状本体具有纵向孔和在管状本体的壁上的至少一个开口。至少一个构件定位在所述管状本体的壁上的所述至少一个开口内并且配置成在缩回位置与伸出位置之间运动。套筒构件布置在管状本体中并且具有形成通过所述套筒构件的流体通道的纵向孔以使流体从中流过。所述套筒构件包括扩大部，所述扩大部的尺寸和结构能够选择性地保持管状本体内的至少一个可滑动的锁定构件与管状本体的一部分接合，以将所述至少一个构件保持在缩回位置上。
在又一个实施方式中，本发明包括一种用在地下井眼中的可扩张装置的操作方法。该方法包括将可扩张装置的至少一个构件固定在缩回位置上，其包括使可扩张装置的管状本体的内壁与布置在形成于锁定套筒中的至少一个孔中的至少一个锁定构件接合；使所述至少一个锁定构件与可扩张装置的管状本体的内壁脱开接合；以及将可扩张装置的所述至少一个构件从缩回位置移动到伸出位置。
附图说明
虽然本说明书是利用与本发明的实施方式相关的特别指出并明确声明的权利要求总结的，但是当结合附图阅读如下的描述时可以从中更容易地确定所披露的实施方式的各种特征和优点，其中：
图1是根据本发明的一个实施方式的可扩张扩眼器装置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表示的可扩张扩眼器装置的横向截面视图；
图3示出了正如由图2中的剖开线3-3表示的可扩张扩眼器装置的纵向截面视图；
图4示出了图3中示出的可扩张扩眼器装置的一部分的放大截面视图；
图5示出了正如由图4中的剖开线5-5表示的与根据本发明的可扩张装置的一个实施方式（比如图1中示出的可扩张装置）一起使用的锁定套筒的截面视图；以及
图6示出了处于扩张位置上的可扩张扩眼器装置的一个实施方式的局部纵向截面视图。
具体实施方式
这里呈现的图示在某些情况下不是任何特定钻地工具、可扩张装置、切削元件或者钻地工具的其他特征的实际视图，而仅是用于描述本发明实施方式的理想化表示。此外，这些图之间共用的元件可能保持使用相同的附图标记。
正如这里使用的，术语“远端”和“近端”是用于描述可扩张装置的部分及其构件相对于正被钻进的井眼的相对性术语。例如，可扩张装置的“远端”部是当在钻进或扩眼操作期间将可扩张装置布置在延伸到地层中的井眼中时相对更靠近井眼的井下部分（例如相对更靠近井眼的最远延伸部和伸入井眼中的钻柱的最远延伸部）的部分。可扩张装置的“近端部”是当在钻进或扩眼操作期间将可扩张装置布置在延伸到地层中的井眼中时相对更靠近井眼的井上部分（例如相对更加远离井眼的最远延伸部和延伸到井眼中的钻柱的最远延伸部）的部分。
在一些实施方式中，这里描述的可扩张装置可以类似于例如于2007年12月3日申请的名称是“Expandable Reamers forEarth-Boring Applications”的美国专利申请公报号US 2008/0102175A1和于2010年9月30日申请的名称是“Earth-Boring Tool havingExpandable Members and Related Methods”的美国专利申请号12/894,937中描述的可扩张装置。
图1中示出本发明的可扩张装置（例如可扩张扩眼器装置100）的一个实施方式。该可扩张扩眼器装置100可以包括具有纵轴线L108的基本圆柱形的管状本体108。可扩张扩眼器装置100的该管状本体108可以具有远端部90、近端191和外表面111。该可扩张扩眼器装置100的管状本体108的远端190可以包括一组螺纹（例如带螺纹的凸出销构件），用于将该远端190连接到钻柱的另一部分或者底部钻具组合（BHA）的另一个元件，比如携带用于钻出井眼的领眼钻头的一个或几个钻铤。在一些实施方式中，可扩张扩眼器装置100可以包括连接到管状本体108的下箱形连接部的下异径接头109。类似地，该可扩张扩眼器装置100的管状本体108的近端191可以包括一组螺纹（例如带螺纹的凹入箱形构件），用于将近端191连接到钻柱的另一部分或者底部钻具组合（BHA）的另一个元件。应该指出的是，虽然图1的实施方式图示了携带刮刀101的可扩张扩眼器装置100，但是该可扩张装置可以包括其他装置，比如上面携带稳定器块的、用于在钻进操作期间稳定钻进组件的可扩张稳定器装置。
三个滑动构件（例如刮刀101、稳定器块等等）以在圆周方向上间隔的关系保持在管状本体108中，正如下面进一步描述，它们可以设置在沿着可扩张扩眼器装置100的、位于第一远端190和第二近端191之间的位置处。刮刀101可以由钢、硬质合金、颗粒基体复合材料（例如分散在整个金属基体材料中的硬质颗粒）或者正如本领域中公知的其他合适材料构成。刮刀101被保持在位于可扩张扩眼器装置100的管状本体108内的初始缩回位置，如图3中所示，但是其可以响应于液压压力的施加而移动到伸出位置，如图6中所示，并且在需要时返回到缩回位置，正如将要在这里描述的。可扩张扩眼器装置100可以配置成：在刮刀处于伸出位置时，所述刮刀101接合围绕其中布置可扩张扩眼器装置100的井眼的地下地层的壁，以移除地层材料；但是当刮刀101处于缩回位置时，所述刮刀不能操作以接合井眼内的地下地层的壁。虽然可扩张扩眼器装置100包括三个刮刀101，但是可以构想到可以使用一个、两个或三个以上的刮刀以获得某些优点。此外，虽然可扩张扩眼器装置100的刮刀101关于沿着管状本体108的纵轴线L108在圆周方向上对称地定位，但是这些刮刀还可以在圆周方向上非对称地以及关于所述纵轴线L108非对称地定位。可扩张扩眼器装置100还可以包括多个稳定器衬垫，以在钻进或扩眼过程中稳定可扩张扩眼器装置100的管状本体108。例如，所述可扩张扩眼器装置100可以包括上硬面衬垫、中硬面衬垫和下硬面衬垫。
图2是图1中示出的可扩张扩眼器装置100沿着其中示出的剖开线2-2截取的截面视图。如图2中所示，管状本体108的细长圆柱形壁包围在纵向上穿过管状本体108延伸的流体通道192。流体可以在管状本体108的纵向孔151（和套筒构件的纵向孔）中通过流体通道192以旁路关系流动，以基本防止刮刀101接触钻井液，尤其是在横向方向上，或者与纵轴线L108正交的方向上。通过防止刮刀101与流体接触，夹带颗粒的流体不太可能造成积聚或干涉可扩张装置100的操作特性。然而，可以认识到，对于可扩张扩眼器装置100的如下操作而言，对刮刀101的保护是不必要的：其中，正如下面进一步详细解释的，操作（即从初始位置、伸出位置和缩回位置的延伸）是通过作为流体压力与弹簧偏压力的合力的轴向力产生。该轴向力可以通过在轴向上作用于致动部件（比如非限定性的推顶套筒115（如图3中所示））来致动刮刀101，正如下面描述的。
仍然参见图2，为了更好地描述本发明的实施方式的方面，示出了其中一个刮刀101处在向外的或者伸出的位置上，而示出了其他刮刀101处在初始或缩回位置上。该可扩张扩眼器装置100可以配置成每个刮刀101的最外面的径向或横向部在处于初始或缩回位置上时凹入管状本体108内以便于不延伸超过管状本体108的外径最大部。这样的布置在可扩张扩眼器装置100布置在井眼的套管内时可以保护刮刀101，并且可以使可扩张扩眼器装置100能够通过井眼内的这种套管。在其他实施方式中，刮刀101的径向最外部可以与管状本体108的外径一致或者稍微超出所述外径。刮刀101在处于伸出位置上时可以延伸超出管状本体108的外径，例如以在扩眼操作中接合井眼的壁。
三个滑动刮刀101可以保持在形成于管状本体108中的三个刮刀轨道148中。这些刮刀101各自均携带多个切削元件118，用于在这些刮刀101处于伸出位置时（图3中示出）接合限定裸眼井壁的地下地层的材料。这些切削元件118可以是聚晶金刚石复合片（PDC）切削件或者本领域中公知的其他切削元件。
可选地，一个或多个刮刀101可以用稳定器块替代，所述稳定器块具有正如这里描述的用于容纳在可扩张扩眼器装置100中的轨道148的凹槽179中的导向件和轨道，其可以用作可扩张同心稳定器而不是扩眼器，其还可以用在具有其他同心扩眼器或偏心扩眼器的钻柱中。
图3示出了由图2中的剖开线3-3表示的可扩张扩眼器装置的纵向截面视图。该可扩张扩眼器装置100可以包括致动部件，比如连接到可伸出和可缩回刮刀101的推顶套筒115。扩眼器装置100的致动部件还可以包括连接到推顶套筒115的锁定套筒117。在一些实施方式中，锁定套筒117可以形成为推顶套筒115的一部分。所述推顶套筒可以直接或间接地连接（例如通过连杆）到可扩张扩眼器装置100的一个或多个刮刀101。正如下面更详细讨论的，推顶套筒115可以沿着朝向井口的方向159运动以使刮刀101在伸出与缩回位置之间转换。可扩张扩眼器装置100的刮刀101可以通过诸如套筒构件（例如移动套筒102）之类的保持部件保持在缩回位置上。
如图4中所示，可扩张扩眼器装置100可以包括移动套筒102，该移动套筒102可以沿着朝向井下的方向157从图4中示出的第一、初始位置移动到图6中示出的第二位置。在一些实施方式中，所述移动套筒102可以形成可扩张扩眼器装置100的纵向孔151的收缩部。例如，该移动套筒102可以布置在可扩张扩眼器装置100的纵向孔151内。在通过纵向孔151的钻井液的相对较低的流体流速下，移动套筒102可以允许流体从中通过。然而，在相对较高的流体流速下，移动套筒102可以开始限制通过移动套筒102的流体的量。流过形成于可扩张扩眼器装置100的纵向孔151中的流体通道的流体流通过移动套筒102的收缩部104实现的收缩可以导致在移动套筒102附近增加的液压压力。应该指出的是，虽然图4的实施方式图示了在其中间部上具有收缩部104的移动套筒，但是在另外的实施方式中，所述收缩部可以形成于移动套筒中任何合适的位置上。例如，如图6中所示，所述收缩部104可以位于移动套筒102的端部（例如井下部121或远端）上。在其他实施方式中，移动套筒102可以配置成容纳外部致动装置（例如球）来收缩或阻断通过可扩张扩眼器装置100的纵向孔151的流体流。
移动套筒102的收缩部104的近端上的增加的压力和移动套筒102的收缩部104的远端上的减小的压力可以形成压差，并且可以沿着朝向井下的方向157向移动套筒102施加力。该力可以使移动套筒102沿着朝向井下的方向157平移。在一些实施方式中，管状本体108的纵向孔151中的沿着朝向井下的方向157从移动套筒102的收缩部104开始的流体流动路径（例如井下部分121）可以包括比收缩部104的横截面积或直径大的横截面积或直径，以增加收缩部104的近端与收缩部104的远端之间的压差。在另外的实施方式中，可以使用其他方法来收缩通过移动套筒102的流体流，以便于使移动套筒102沿着朝向井下的方向157移动。例如，可以选择性地在移动套筒102内布置障碍物，以至少部分地阻挡流体从中流过，以便于沿着朝向井下的方向157向移动套筒102施加力。
移动套筒102可以至少部分地容纳在扩眼器装置100的致动部件的一部分内（例如推顶套筒115的一部分和/或锁定套筒117的一部分中）。例如，推顶套筒115和锁定套筒117可以保持在移动套筒102与可扩张扩眼器装置100的管状本体108的内壁109之间。
推顶套筒115可以通过移动套筒102保持在初始位置上。例如，移动套筒102的一部分可以用于将推顶套筒115的一部分（或者连接到其上的另一元件，例如锁定套筒117）固定到可扩张扩眼器装置100的管状本体108的内壁109的一部分上。例如，锁定套筒117可以连接到推顶套筒115，并且可以包括一个或多个锁定构件122用于接合管状本体108的内壁109。锁定套筒117可以包括一个或多个孔120（例如穿过锁定套筒117相对于管状本体108的纵轴线L108横向延伸的孔120），所述孔具有布置其中的一个或多个锁定构件122。布置在这些孔120中的锁定构件122可以在其中移动。例如，锁定构件122可以相对于管状本体108的纵轴线L108（图1）在基本横向方向上在伸出位置（如图6中所示）与缩回位置（如图4中所示）之间滑动平移。应该指出的是虽然图4的实施方式图示了可滑动的锁定构件122，但是在另外的实施方式中，锁定构件可以在伸出位置与缩回位置之间以任何合适的方式移动。例如，一个或多个锁定构件可以部分地连接（例如借助销钉连接）在所述孔内并且可以在伸出位置与缩回位置之间转动。在一些实施方式中，还可以将推顶套筒偏压在初始位置上（例如通过弹簧116）。
在一些实施方式中，锁定套筒117可以具有形成于其中的一个或多个凹部126（例如沿着锁定套筒117的长度延伸的凹部）以使流体围绕锁定套筒117流动（例如在管状本体108的内壁109与锁定套筒117之间）。
图5示出了正如由图4中的剖开线5-5表示的锁定套筒117的截面视图。如图5中所示，锁定套筒117包括能在锁定套筒117的所述孔120中平移的锁定构件122。通过示例，示出了处于缩回位置上的两个锁定构件122A并且示出了处于扩张位置上的两个锁定构件122B。在一些实施方式中，可以在锁定套筒117中形成一个或多个凹部（例如围绕锁定套筒117的圆周面延伸的凹部）以使流体围绕锁定套筒117流动（例如在管状本体108的内壁109与锁定套筒117之间）并且可以与凹部126连通（图4）。例如，锁定套筒117可以包括伸出部132，其形成用于锁定构件122的孔120并且配置成当将锁定套筒117布置在管状本体108中时其基本延伸（如图4中所示）到管状本体108的内壁109。锁定套筒117还可以包括在伸出部132之间的凹入部134，其配置成当将锁定套筒117布置在管状本体108中时偏离管状本体108的内壁109以形成凹部126。
所述锁定套筒117可以包括形成于其中的纵向孔130，移动套筒102的一部分（图4）可以容纳在该纵向孔130中。
回到图4，当移动套筒102处于初始位置上时，液压压力可以作用在位于移动套筒102的外表面与管状本体108的内表面之间的、连接锁定套筒117的推顶套筒115上。在具有或没有液压压力的情况下，当可扩张扩眼器装置100处于初始位置上时，锁定套筒117的锁定构件122阻止推顶套筒115移动（例如沿着朝向井口的方向159）。锁定构件122可以由移动套筒102保持在形成于管状本体108的纵向孔151中（例如形成于内壁109中）的一个或多个凹槽124（例如环形凹槽）之间。例如，移动套筒102可以包括放大或保持部，例如止挡部105，其横截面积（例如包括形成于止挡部105中的纵向孔130的面积的横截面积）大于移动套筒102的相邻部分的横截面积。通过进一步的示例，移动套筒102的止挡部105可以具有比如宽度（例如垂直于纵轴线L108（图1）的尺寸）或外径大于移动套筒102的相邻部分（例如收缩部104）的宽度或外径的尺寸。每个锁定构件122可以在由移动套筒102的止挡部105压缩接合时接合管状本体108的凹槽124。锁定构件122可以保持锁定套筒117就位，并且防止推顶套筒115沿着朝向井口的方向159移动，所述锁定套筒17可以连接到推顶套筒115或者与推顶套筒115一体形成。当移动套筒102的止挡部105的较大外径移动越过锁定构件122时，锁定构件122可以朝向移动套筒102的较小外径（例如移动套筒102的伸出部106的较小外径）轴向向内缩回。当锁定构件122在轴向上向内缩回并且与管状本体108的凹槽124脱开时，推顶套筒115能够响应于主要在轴向方向（例如沿着朝向井口的方向159）上的液压压力而移动。
在一些实施方式中，锁定套筒117可以抵靠可扩张扩眼器装置100的一部分。例如，当锁定套筒117处于由移动套筒102保持的初始位置上时，锁定套筒117可以抵靠布置在管状本体108中的环112或者形成于管状本体108中的肩部。
在移动套筒102从初始位置上沿着朝向井下的方向157移动足够远、以使锁定套筒117的锁定构件122能够与管状本体108的凹槽124脱开之后，连接到推顶套筒115的锁定套筒117的锁定构件122可以均沿着朝向井口的方向159移动。为了使推顶套筒115沿着朝向井口的方向159移动，由液压流体流造成的管状本体108的纵向孔151与外表面111之间的压差必须足以克服弹簧116的回复力或偏压力。
可以使用诸如弹簧之类的偏压元件110来将移动套筒102偏压到初始位置。该偏压元件110可以布置在可扩张扩眼器装置100的纵向孔151中。该偏压元件110可以抵靠移动套筒102的一部分并抵靠管状本体108的一部分，以向移动套筒102施加将移动套筒102推向初始位置的力。例如，偏压元件110可以抵靠管状本体108的一部分（例如布置在管状本体108中的环112，形成于管状本体108中的肩部，等等）并且可以在形成于移动套筒102的止挡部105上的肩部113处抵靠移动套筒102。在一些实施方式中，偏压元件110可以连接到管状本体108的一部分或者移动套筒102的一部分。在其他实施方式中，偏压元件110可以由形成于管状本体108中的凹槽或者形成于移动套筒102中的凹槽保持。
当移动套筒102沿着朝向井下的方向157移动时，移动套筒102的止挡部105可以抵靠形成于管状本体108中的环112的一部分，并且所述环112可以阻止移动套筒102移动越过所述环112。移动套筒102还可以包括自止挡部105沿着朝向井下的方向157延伸的导向部107。该导向部107可以容纳在由管状本体108的环112形成的孔内并且可以在轴向上对准移动套筒102并引导移动套筒102在管状本体108内沿着朝向井下的方向157的移动。
移动套筒102的延伸部106可以在沿着管状本体108的纵向孔151的方向上延伸。该延伸部106还可以沿着锁定套筒117和推顶套筒115的一部分延伸，以在推顶套筒115和锁定套筒117沿着朝向井口的方向159移动时防止流体流流过锁定套筒117中的孔120。
现在参照图4和6，现在描述可扩张扩眼装置100的操作方面。在将可扩张扩眼器装置100“触发”到扩张位置之前，将可扩张扩眼器装置100保持在初始的、缩回位置上，如图4中所示。当偏压元件110将移动套筒102偏压在初始位置上时，刮刀致动部件（例如推顶套筒115）不能致动刮刀101。移动套筒102在其远端上具有放大的端部构件（例如止挡部105）。该较大直径的止挡部105将锁定套筒117的锁定构件122保持在固定位置上，阻止推顶套筒115在压差作用下向上移动并致动刮刀101。锁定构件122至少部分地布置在管状本体108的纵向孔151中的凹槽124中。当需要触发可扩张扩眼器装置100时，使移动套筒102沿着朝向井下的方向157移动以释放锁定套筒117的锁定构件122。例如，使钻井液通过扩眼器装置100的流动速度增加，以增加移动套筒102的收缩部104处的液压压力并向移动套筒102施加力（例如由于压差形成的力），使移动套筒102沿着朝向井下的方向157平移。
如图6中所示，移动套筒102可以从初始位置开始沿着朝向井下的方向157移动足够远，以使锁定套筒117的锁定构件122从管状本体108的凹槽124中脱开。连接到压力致动推顶套筒115的锁定套筒117可以在流体压力影响（例如来自于通过锁定套筒117、移动套筒102和所述环112中的一个或多个中的孔（例如齿形孔136）供应的流体）下可以沿着朝向井口的方向159移动。当增加的流体流量使流体压力升高时，克服弹簧116的偏压力，使推顶套筒115能够沿着朝向井口的方向159移动。推顶套筒115沿着朝向井口的方向159的移动可以使借助销和连杆178连接到刮刀101的轭114移动到刮刀101，以便于使刮刀101沿着朝向井口的方向159移动。在沿着朝向井口的方向159移动的过程中，每个刮刀101沿着斜坡或轨道148移动——所述刮刀安装于所述斜坡或轨道上（例如经由一种修改的方榫槽179（图2））。
在移动套筒102抵抗偏压元件110的力沿着朝向井下的方向157移动之后，止挡部105可以抵靠管状本体108的环112。在其他实施方式中，止挡部105可以不抵靠所述环112，因为移动套筒102的移动可以由偏压元件110或其本身的偏压元件110的力阻挡。
如图6中所示，锁定套筒117可以包括形成于其一部分中的一个或多个凹部，以能够实现围绕锁定套筒117的流体流动（例如在可扩张扩眼器装置100的纵向孔151与锁定套筒117和管状本体108的内壁109之间的容积（例如腔室）之间）。例如，锁定套筒117可以包括形成于锁定套筒117端部（例如远端和/或近端）中的齿形孔136。
在钻井液通过移动套筒102的流速减小到选定流速值以下时，偏压元件110可以在弹簧116的偏压力作用下使移动套筒102返回到图4中示出的初始位置。当移动套筒102返回到初始位置时，锁定套筒117和锁定构件122可以返回到初始位置并且移动套筒102可以再次将锁定构件122固定在管状本体108的凹槽124中。具有轭114的推顶套筒115也可以返回到初始位置并且刮刀101可以返回到缩回位置。在一些实施方式中，当锁定套筒117正在返回到初始位置（例如借助弹簧116的力）时，（在缩回位置122A上的（图5））锁定构件122可以抵靠移动套筒102的止挡部105的边缘（例如斜切边缘）并且使移动套筒102沿着向下的方向157移动。在沿着朝向井下的方向移动选定的距离之后，偏压元件110的力可以用于沿着朝向井口的方向159推顶所述移动套筒102。偏压元件110使移动套筒102沿着朝向井口的方向159的移动可以用于使止挡部105的横向侧部与锁定构件122接触，从而在横向方向上压迫锁定构件（例如以将锁定构件122固定在管状本体108的凹槽124中）。
在钻井液通过移动套筒102的流速升高或超过选定的流速值时，移动套筒102可以再次沿着朝向井下的方向157移动，将锁定套筒117的锁定构件122释放，如图6中所示。具有轭114的推顶套筒115和刮刀101然后可以向上移动，其中刮刀101沿着轨道148移动，以再次在井眼中扩出具有规定较大直径的孔。这样，可扩张扩眼器装置100可以使刮刀101以重复的方式（例如无限次）在缩回位置与扩张位置之间移动。可扩张扩眼器装置100还可以使钻井液能够流过管状本体108并在使刮刀101扩张或缩回之后（例如在使可扩张扩眼器装置100的元件从初始位置移动之后）通过远端190（图3）从管状本体108流出。
本发明的实施方式可以特别有用地提供如下的可扩张装置，该可扩张装置具有可以在初始位置与触发位置之间可以重复转换的致动机构，在所述初始位置上可扩张装置的刮刀或块保持在固定的缩回状态，在所述触发位置上可扩张装置的刮刀或块可以延伸到扩张状态。例如，可以使套筒构件移动到井下位置并且使刮刀一开始伸出，刮刀可以缩回并且套筒构件将返回到初始位置，将刮刀固定在缩回位置上。在这些实施方式中，例如利用连接到扩眼器装置的井下端部的领眼钻头的钻进可以重新开始，同时通过扩眼器装置将钻井液泵送到领眼钻头而不会使刮刀再次移动到伸出位置（即不进行扩眼）——只要流速保持低于使套筒构件沿着朝向井下的方向移动所需的速度即可。换言之，可以使钻井液以低于使套筒构件沿着朝向井下的方向移动、解锁锁定套筒的锁定构件所需流速的流速流过套筒构件，同时利用连接到扩眼器装置的领眼钻头钻孔并使刮刀缩回。
下面描述另外的非限制性示例实施方式。
实施方式1：一种用在地下井眼中的可扩张装置，包括：管状本体，所述管状本体具有纵向孔和在所述管状本体的壁上的至少一个开口；定位在所述管状本体的所述壁上的所述至少一个开口内的至少一个构件，所述至少一个构件配置成在缩回位置与伸出位置之间移动；布置在管状本体中的套筒构件，其具有纵向孔，所述纵向孔形成通过所述套筒构件的流体通道以使流体能够从中流过，所述套筒构件包括保持部，所述保持部的宽度大于所述套筒构件的相邻部分的宽度；以及锁定套筒，其具有形成于其中的至少一个孔和至少部分地布置在所述至少一个孔内的至少一个锁定构件，其中所述套筒构件的所述保持部选择性地保持所述至少一个锁定构件与所述管状本体的一部分接合，以将所述至少一个构件保持在所述缩回位置上。
实施方式2：根据实施方式1所述的可扩张装置，其中所述套筒构件在初始位置时保持所述至少一个锁定构件与所述管状本体接合，并且在触发位置时能够使所述至少一个锁定构件与所述管状本体脱开接合。
实施方式3：根据实施方式1或2所述的可扩张装置，其中所述锁定套筒包括形成于其中的多个孔以及多个锁定构件，所述多个锁定构件中的各锁定构件布置在所述多个孔中的各孔中。
实施方式4：根据实施方式3所述的可扩张装置，其中所述多个锁定构件中的每个锁定构件包括可滑动锁定构件，各可滑动锁定构件能够在形成于所述锁定套筒中的所述多个孔的各孔内沿着基本垂直于所述纵向孔的方向移动。
实施方式5：根据实施方式1至4中任一所述的可扩张装置，其中所述套筒构件包括收缩部，所述收缩部形成所述纵向孔的一部分，所述收缩部的横截面积小于所述纵向孔的相邻部分的横截面积，所述收缩部使得通过所述套筒构件的流动通道收缩，以使所述套筒构件能够响应于选定的流速而沿着朝向井下的方向移动。
实施方式6：根据实施方式1至5中任一所述的可扩张装置，还包括布置在所述管状本体的纵向孔内的推顶套筒，所述推顶套筒连接到所述至少一个构件和所述锁定套筒，所述推顶套筒配置成响应于通过所述纵向孔的钻井液的流速使所述至少一个构件从缩回位置移动到伸出位置，其中所述套筒构件至少部分地定位在推顶套筒内，所述套筒构件的保持部配置成在初始位置时固定所述推顶套筒和所述锁定套筒，防止它们在所述管状本体内轴向移动。
实施方式7：根据实施方式6所述的可扩张装置，其中所述套筒构件配置成在初始位置时选择性地保持所述推顶套筒，并且当在触发位置、沿着朝向井下的方向移动时释放所述推顶套筒。
实施方式8：根据实施方式1至7中任一所述的可扩张装置，其中所述锁定套筒包括形成于其中的至少一个凹部，所述至少一个凹部能够使流体围绕所述锁定套筒的一部分流动。
实施方式9：根据实施方式1至8中任一所述的可扩张装置，其中所述套筒构件被偏压在初始位置上。
实施方式10：根据实施方式1至9中任一所述的可扩张装置，其中所述可扩张装置包括可扩张扩眼器装置和可扩张稳定器装置中的至少一个。
实施方式11：一种用在地下井眼中的可扩张装置，包括：管状本体，其具有纵向孔和在该管状本体的壁上的至少一个开口；定位在所述管状本体的所述壁上的所述至少一个开口内的至少一个构件，所述至少一个构件配置成在缩回位置与伸出位置之间移动；以及布置在管状本体中的套筒构件，其具有纵向孔，该纵向孔形成通过套筒构件的流体通道以使流体能够从中流过，所述套筒构件包括扩大部，该扩大部的尺寸和配置使得保持管状本体内的至少一个可滑动锁定构件与管状本体的一部分接合，以将所述至少一个构件保持在缩回位置上。
实施方式12：根据实施方式11所述的可扩张装置，其中所述套筒构件的移动使所述至少一个可滑动锁定构件能够与所述管状本体的那一部分脱开接合，从而能使所述至少一个构件移动到伸出位置。
实施方式13：根据实施方式11或12所述的可扩张装置，其中所述至少一个可滑动锁定构件包括多个可滑动锁定构件，各可滑动锁定构件布置在多个孔的一个孔中，所述多个孔形成于布置在管状本体中的锁定套筒中。
实施方式14：一种用在地下井眼中的可扩张装置的操作方法，包括：将可扩张装置的至少一个构件固定在缩回位置上，该步骤包括使可扩张装置的管状本体的内壁与布置在形成于锁定套筒中的至少一个孔中的至少一个锁定构件接合；使所述至少一个锁定构件与所述可扩张装置的管状本体的内壁脱开接合；以及将所述可扩张装置的所述至少一个构件从所述缩回位置移动到伸出位置。
实施方式15：根据实施方式14所述的方法，其中将可扩张装置的至少一个构件固定在缩回位置上的步骤还包括使所述至少一个锁定构件与至少部分地布置在所述可扩张装置的管状本体中的套筒构件的扩大部分接合。
实施方式16：根据实施方式15所述的方法，其中使所述至少一个锁定构件与所述可扩张装置的管状本体的内壁脱开接合的步骤包括释放所述至少一个锁定构件与所述套筒构件的扩大部分的接合，这包括使所述套筒构件的扩大部分沿着朝向井下的方向从第一位置移动到第二位置。
实施方式17：根据实施方式16所述的方法，其中使所述套筒构件的扩大部分沿着朝向井下的方向从第一位置移动到第二位置的步骤包括：在通过所述套筒构件延伸的流体流动路径中形成收缩部；以及响应于在所述流体流动路径中的、收缩部处的所述套筒构件内流体压力的增加，使所述套筒构件沿着朝向井下的方向移动。
实施方式18：根据实施方式17所述的方法，还包括偏压所述套筒构件，以响应于所述套筒构件中流体压力的减小而返回到所述第一位置。
实施方式19：根据实施方式15到18中任一所述的方法，还包括：在使所述至少一个构件从所述缩回位置移动到所述伸出位置之后、在所述至少一个构件处于所述伸出位置时，利用所述至少一个构件上的至少一个切削元件扩大井眼。
实施方式20：根据实施方式19所述的方法，还包括：减小所述套筒构件内的流体压力，以使所述至少一个构件能够从所述伸出位置返回到所述缩回位置；以及在扩大井眼之后在所述至少一个构件处于缩回位置上时利用领眼钻头进一步钻进井眼。
虽然已经示出并描述了本发明的特殊实施方式，但是对于本领域技术人员来说可以做出许多变型和其他实施方式。因此，本发明旨在仅由所附的权利要求以及它们的合法等价方式限定。
Claims (17)
1.一种用在地下井眼中的可扩张装置，包括：
管状本体，所述管状本体具有纵向孔和在所述管状本体的壁上的至少一个开口；
定位在所述管状本体的所述壁上的所述至少一个开口内的至少一个构件，所述至少一个构件配置成在缩回位置与伸出位置之间移动；
布置在管状本体中的套筒构件，其具有纵向孔，所述纵向孔形成通过所述套筒构件的流体通道以使流体能够从中流过，所述套筒构件包括保持部，所述保持部的宽度大于所述套筒构件的相邻部分的宽度；以及
锁定套筒，其具有形成于其中的至少一个孔和至少部分地布置在所述至少一个孔内的至少一个锁定构件，其中所述套筒构件的所述保持部选择性地保持所述至少一个锁定构件与所述管状本体的一部分接合，以将所述至少一个构件保持在所述缩回位置上。
2.根据权利要求1所述的可扩张装置，其中所述套筒构件在初始位置时保持所述至少一个锁定构件与所述管状本体接合，并且在触发位置时能够使所述至少一个锁定构件与所述管状本体脱开接合。
3.根据权利要求1所述的可扩张装置，其中所述锁定套筒包括形成于其中的多个孔以及多个锁定构件，所述多个锁定构件中的各锁定构件布置在所述多个孔中的各孔中。
4.根据权利要求3所述的可扩张装置，其中所述多个锁定构件中的每个锁定构件包括可滑动锁定构件，各可滑动锁定构件能够在形成于所述锁定套筒中的所述多个孔的各孔内沿着基本垂直于所述纵向孔的方向移动。
5.根据权利要求1所述的可扩张装置，其中所述套筒构件包括收缩部，所述收缩部形成所述纵向孔的一部分，所述收缩部的横截面积小于所述纵向孔的相邻部分的横截面积，所述收缩部使得通过所述套筒构件的流动通道收缩，以使所述套筒构件能够响应于选定的流速而沿着朝向井下的方向移动。
6.根据权利要求1所述的可扩张装置，还包括布置在所述管状本体的纵向孔内的推顶套筒，所述推顶套筒连接到所述至少一个构件和所述锁定套筒，所述推顶套筒配置成响应于通过所述纵向孔的钻井液的流速使所述至少一个构件从缩回位置移动到伸出位置，其中所述套筒构件至少部分地定位在推顶套筒内，所述套筒构件的保持部配置成在初始位置时固定所述推顶套筒和所述锁定套筒，防止它们在所述管状本体内轴向移动。
7.根据权利要求6所述的可扩张装置，其中所述套筒构件配置成在初始位置时选择性地保持所述推顶套筒，并且当在触发位置、沿着朝向井下的方向移动时释放所述推顶套筒。
8.根据权利要求1所述的可扩张装置，其中所述锁定套筒包括形成于其中的至少一个凹部，所述至少一个凹部能够使流体围绕所述锁定套筒的一部分流动。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的可扩张装置，其中所述套筒构件被偏压在初始位置上。
10.根据权利要求1所述的可扩张装置，其中所述可扩张装置包括可扩张扩眼器装置和可扩张稳定器装置中的至少一个。
11.一种用在地下井眼中的可扩张装置的操作方法，包括：
将可扩张装置的至少一个构件固定在缩回位置上，该步骤包括使可扩张装置的管状本体的内壁与布置在形成于锁定套筒中的至少一个孔中的至少一个锁定构件接合；
使所述至少一个锁定构件与所述可扩张装置的管状本体的内壁脱开接合；以及
将所述可扩张装置的所述至少一个构件从所述缩回位置移动到伸出位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将可扩张装置的至少一个构件固定在缩回位置上的步骤还包括使所述至少一个锁定构件与至少部分地布置在所述可扩张装置的管状本体中的套筒构件的扩大部分接合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使所述至少一个锁定构件与所述可扩张装置的管状本体的内壁脱开接合的步骤包括释放所述至少一个锁定构件与所述套筒构件的扩大部分的接合，这包括使所述套筒构件的扩大部分沿着朝向井下的方向从第一位置移动到第二位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中使所述套筒构件的扩大部分沿着朝向井下的方向从第一位置移动到第二位置的步骤包括：
在通过所述套筒构件延伸的流体流动路径中形成收缩部；以及
响应于在所述流体流动路径中的、收缩部处的所述套筒构件内流体压力的增加，使所述套筒构件沿着朝向井下的方向移动。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括偏压所述套筒构件，以响应于所述套筒构件中流体压力的减小而返回到所述第一位置。
16.根据权利要求12到15中任一项所述的方法，还包括：在使所述至少一个构件从所述缩回位置移动到所述伸出位置之后、在所述至少一个构件处于所述伸出位置时，利用所述至少一个构件上的至少一个切削元件扩大井眼。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
减小所述套筒构件内的流体压力，以使所述至少一个构件能够从所述伸出位置返回到所述缩回位置；以及
在扩大井眼之后在所述至少一个构件处于缩回位置上时利用领眼钻头进一步钻进井眼。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130821 |