井下组件可分离的连接件装置 【技术领域】
本发明一般地涉及一种井下组件的可分离的连接装置，特别是涉及将井下工具连接于挠性管管柱的可分离连接装置，更具体地说，涉及从地面上电致动以使挠性管管柱脱开卡住的井下钻具或井底组件(BHA)的连接装置。
背景技术
油井和气井的钻探越来越不再是对希望的油气地区从地面上钻探垂直的井孔。而是，这种方向性钻探的技术和方法，已经发展成钻斜钻孔、横向孔或有时是向上倾斜的井孔。在延伸扩展井中经常不是经济合理地或有效地使用连接的钻杆(drill pipe)。因此，钻井孔的工具和方法已经发展成使用挠性管(coiled tubing)，其包括一种或多种长度的连续的、不连接的管子缠绕在卷筒上，以储存超过井的最大长度的足够数量。该挠性管可以是金属挠性管，或是用更现代技术的复合挠性管。
在钻井应用中，一种具有各种部件，例如，井下电机、操纵组件和钻头的BHA连接于用于钻井的挠性管管柱(coiled tubing string)。有时出现这样地情况，希望从该BRA卸下管柱，例如，当BRA在钻井过程中卡在井里时，管柱必须从该BRA拆下，以便夹板连接(fishing)、震动(jarring)或其他操作，以恢复该BRA。
在使用连接的管钻井时，力矩能够作用在螺纹连接的连接装置上，以驱动传统的拆卸装置以卸下该BHA。但是，当使用连续的管子时，例如金属的或复合的挠性管，不能施加力矩将管柱从该BRA上拆下，并且，必须使用轴向拆卸装置。在管柱和BRA组件之间必须预先安装一个或多个轴向分离装置，如果并且当必须拆卸时，提供从井下拆卸挠性管管柱的拆卸装置。
为了拆卸挠性管管柱使用各种轴向拆卸装置，其中一些用从地面延伸到该拆卸装置的液力传动装置或电力线路来驱动活塞并实现分离。例如，公开在美国专利第5,984,006号中的一种这样的装置，包括应急分离工具，其能够从一个或多个井下钻具电分离挠性管。该分离工具包括可再分离的滑动件用加载螺母压靠在挠性管。该挠性管通过将电信号发送到井下分离装置而被分离。一旦起动，该分离装置迫使活塞向上直到该活塞接合滑动件壳体。该滑动件壳体联结于该加载螺母。该分离装置连续地对该活塞加力，随后该滑动件壳体向上将该加载螺母与该可再分离滑动件分离，从而使可再分离滑动件脱开该挠性管。
另一种这种装置，公开在美国专利第5,323,853号中，包括可选地随液力驱动装置或电致动活塞而定的冗余分离机构。在孔壁内侧延伸的、驱动分离装置所需要的附加电力线或电缆具有不利因素，其在正常钻井操作期间影响流体的流动。
另一种已知类型的分离装置为了致动随引导的流体流而定，使其形成背压并致动活塞。美国专利第5,718,291号描述一种这样的分离机构，为了致动或者取决于使用由于流体流过该机构而产生的背压，或者，如果防止流动，取决于使用在该机构的通道内形成的压力。在第一种模式下，由流体流动通过在可移动的套筒之上的限流器形成的背压克服偏置弹簧力以通过J形孔组件移动该套筒直到通道被堵塞。此后，形成在第二通道的压力克服剪切销，使活塞移动并分离将该机构的两部分锁在一起的掣子。如果流动被防止，形成在第二通道的压力使该活塞对着该可移动的套筒而移动以克服弹簧的力并选择性地通过J形孔组件移动套筒。这种套筒机构的缺点在于适当地对齐套筒以接合J形孔组件的止动件是很麻烦的。需要形成压力并且由从地面接通和关闭的旋转泵移动。
还有另一种用于驱动的现有的分离装置取决于从地面落进井中的球，密封流体通道，并在该球的后面形成压力以使其拆开。这种落球式的一种分离装置公开在美国专利第5,419,399号中，并包括其内具有可滑动活塞的壳体并且由剪切螺钉可分离地连接于该壳体。球从地面落入井中，被该活塞的上端所支承并堵塞流通通道，从而，在该活塞的心轴形成足以克服剪切螺钉的压力。该心轴向下移动使得键对齐以配合在该心轴的圆形槽内，以脱开凹口，使该管子从钻具上拆下。这种装置的缺点是操作者必须拉回或搅动该装置以使键落入槽中，否则它们不能这样做。
还有另一种分离装置，公开在美国专利第5,526,888号中，并包括可插入地连接并由掣子锁定在一起的上下壳体、操纵该掣子的开槽的活塞、导向活塞和由导向活塞的运动操作的锁定机构。密封球落入井中并坐落在活塞的上端以形成足以克服剪切销的压力差，从而使该导向活塞轴向向下移动。导向活塞的运动将锁定机构分离，因此开槽的活塞轴向延伸以撤回该掣子并因而拆开上下壳体。
本发明克服了现有技术的不足。
【发明内容】
本发明的拆卸组件连接井下组件的两部分，该井下组件具有连接于挠性管管柱的井下设备。该拆卸组件包括连接于该井下组件一部分的第一壳体和连接于该井下组件另一部分的第二壳体。该两个壳体由分离组件以可分开方式连接在一起。该分离组件由将旋转运动转换成直线运动的连接装置连结于电机上的驱动轮系(drive train)。该分离组件包括锁定部件，其具有接合该两个壳体的连接位置和与该两个壳体之一脱开的不连接的位置。该电机由延伸通过该挠性管的导线连接于地面，由此该电机可以从地面被驱动以移动连接在连接位置和分离位置之间的该分离组件。
一个实施例的特征是选择性地被驱动的拆卸组件，该组件包括外壳体；设置在该外壳体中并具有空腔的内壳体；设置在该空腔中的锁紧装置，用于以可分离方式将该该内壳体与外壳体锁定在一起；安装在该空腔中的可电驱动的电源，用于驱动该锁紧装置；联结于该电源的驱动轮系；以及将该锁紧装置和该驱动轮系联结在一起的连接装置，用于接合和脱开该锁紧装置。在本发明的一个实施例中，拆卸组件设置在具有井底组件的井下组件中，该井底组件连接于挠性管，该挠性管具有导线，其延伸到地面和从地面选择性地驱动的电机；具有第一端和第二端的导螺杆(lead screw)，并且第一端联结于电机；联结于导螺杆第一端并由万向节连接于分离轴的导螺杆套筒，该分离轴具有有圆形槽的外表面和设置在内壳体的横向孔中的多个锁紧销，其一端在非锁紧的和分离的位置设置在分离轴槽内，而另一端在锁紧和连接位置设置在围绕外壳体的的内槽中。
本发明还包括从挠性管脱开井底组件的方法，该方法包括：通过指令信号驱动电机；旋转连接于该电机和分离轴的的导螺杆；轴向移动该分离轴一段距离，使该分离轴上的槽足以对齐径向延伸的销钉的内端，并移动该分离轴以将该销钉的外端带出该外壳体槽。
在本发明的一个实施例中，示出了用于分离卡住点之上的井下组件的一部分的拆卸组件。本发明的拆卸组件在挠性管管柱的运行中十分有用。多个这种拆卸组件可以用于井下组件不同位置。这样可以选择性地驱动井下组件中的一个或多个拆卸组件，以分离最接近卡住点的这个拆卸组件，从而使被拉出的井下组件的长度最小，大大地增加了夹板连接(fishing)操作成功的机会，使在夹板连接期间对BRA部件的损坏最小。
本发明的特征是拆卸组件具有共同的电和机械连接。并且，拆卸组件是可选择性地重新连接的。这使操作者能够驱动该拆卸组件试图拆下该井下组件。如果，尽管该拆卸组件已经被驱动，该井下组件仍然被卡住，那末，该井下组件的卡住点可能位于该拆卸组件之上的井孔中。操作者可以发信号给该拆卸组件重新连接。该操作者然后起动该起初驱动的拆卸组件之上的井中的拆卸组件。本发明的另一个特征是不需要使用锥形楔锁紧机构，这种机构在这种应用中是通常使用的。但是，锥形楔锁紧机构往往尺寸偏大并且在钻井中长时间的井下振动中成为半锁紧状态，这使分离操作如果不是不可能的话，也变得十分困难。本发明的拆卸组件利用锁紧销钉和分离轴。由于是圆形的几何形状，减少了半锁紧的可能以防止分离。
因此，本发明包括特征和优点的结合，其能够克服现有技术的各种缺点。上面所述的各种特征以及其他特征对于本领域的技术人员来说，在参考附图阅读了下面对本发明的优选实施例的详细说明之后，很容易明白。
【附图说明】
为了更详细地描述本发明的优选实施例，请参考附图，其中：
图1A是具有井下组件的实例井的示意图；
图1B是图1所示井底组件的放大图；
图2是图1A和1B的复合挠性管的剖面图；
图3是在连接条件下本发明的拆卸组件实施例的纵向剖面图；
图4沿图3的4-4平面的剖面图；
图5是图3所示拆卸组件的局部放大图；
图5A是图5所示万向节的放大分解图；
图5B是图5和图5A所示万向节的放大图；
图6是在松开位置的图3-图5的拆卸组件的纵向剖面图；
图7是在卸开位置的图3-图5的拆卸组件的纵向剖面图；
【具体实施方式】
本发明可以有不同形式的实施例。这些实施例示于附图中，并且下面将详细描述本发明的具体实施例，应当明白，所公开的内容是本发明原理的举例说明，而不是将本发明限制在所示出的和所描述的范围内。
本发明的井下组件优选地包括连接于井底组件的复合挠性管管柱。本发明的各种实施例提供多种不同的井底组件的结构，其每种用于许多不同类型井中的一种的井下操作，包括新井、延伸扩展井、延伸现存井、侧线井、斜钻井以及其他类型的井。应当明白，井底组件可以仅仅是用于在井中进行井下操作的井下钻具井下操作经常涉及钻孔和在井中完成产油区(pay zone)，但是本发明不限于这些操作。本发明的实施例提供使用本发明系统的多种方法。应当充分认识到，下面所讨论的实施例的不同技术可以单独使用，或者适当地组合以在井下操作中产生所希望的结果。特别是，本发明的系统实际上可以用于任何类型的井下操作。提到“上”或“下”是为了描述简单，“上”是指向地面，“下”是指向井底。术语“联结(couple)”在这里是指可以为永久性的或选择性的直接或间接连接。因此，如果第一装置“联结”于第二装置，那末该连接可以是直接连接，或经其他装置和/或连接的间接连接。
开始参考图1A，图1A示出一个用于本发明的拆卸组件10的示例性的操作环境。在地面上，操作系统12包括能源14、地面处理器和挠性管卷筒18。分配头(injector head)单元20将挠性管30从卷筒18供给并引导到井22中。延伸到井22中的井下组件24包括挠性管管柱26和井底组件28。该井底组件28在图中示为连接于挠性管管柱26的下端，并延伸到斜钻井或水平井32。挠性管管柱26的下端可以通过拆卸组件10a连接于井底组件28。
虽然挠性管30优选为复合挠性管，下面也用复合挠性管描述，但是应当明白，本发明不限于复合挠性管，并且可以是具有安装在钢挠性管上的电导体的钢挠性管。挠性管30的长度30a和30b的邻近端可以由本发明的拆卸组件10b连接。在所描述的优选实施例中，拆卸组件10c将构成井底组件的一组部件与井底组件28的另一组部件连接在一起。应当明白，实施例的描述其目的是为了说明，并且本发明不限于在井底组件中的具体位置。如果拆卸组件10不是用于连接复合挠性管30的长度30a、30b，或不是将复合挠性管30连接于井底组件28，另一种类型的连接器公开在2000年3月24日提交的公开序列号为09/534,685的美国专利申请中，其发明名称为“挠性管连接器”。应当明白，拆卸组件10可以与上述申请公开的连接器一起用于。
参考图1B，图1B示出由各种部件构成的一种类型的井底组件28。井底组件28具有具有第一组部件，包括安装在驱动轴36上的钻头34，轴承组件38，包括电子部分42的操纵组件40，并且该操纵组件40优选靠近具有倾斜仪和磁强计的钻头定向传感器44，上部恒速(CV)子组件46具有电线子组件的电源部分48、单向阀50、稳定性子组件52。井底组件28还具有第二组部件，包括具有定向软件包、附加传感器和井底控制装置的传感器子组件54、推进系统，其包括下部跟踪回压控制模块58、下部张力/压力子组件60、压力测量子组件62、上部跟踪回压控制模块64、上部张力/压力子组件68、和监控子组件68。
拆卸组件10以可分离方式连接于井底组件28的第一和第二组部件，具体说，可分离地连接于钻头34、操纵组件40和具有推进系统56的电源部分48。如果拆卸组件10不用于将复合挠性管30连接于井底组件28，另一种类型的连接是瓣阀落球释放装置70。参见，例如，2000年2月15日提交的序列号为09/504,569的美国专利申请，其发明名称为“用于横向油井钻探应用的可重复循环的落球释放装置”，其通过参考结合于此。
应当明白，井底组件10可以包括其他钻具。构成井底组件28的钻具根据将要进行的井下操作而定。应当明白，本发明不限于特定的井底组件，其他的可选组件也可以被使用。还应当明白，拆卸组件10可以用来连接构成井底组件28的任何两组部件。
参考图2，图2是构成管柱26的挠性管30，优选包括由复合材料制造的管子并包括不渗透流体的衬里72，玻璃纤维层74，围绕衬里72和玻璃纤维层74的多个导线，玻璃纤维层74包括埋入保护树脂层80中的电源导线76、78，多个载荷传递层82，其形成碳纤维基质，耐磨层84，聚偏氟乙烯(PVDF)层86以及由玻璃纤维性成的外耐磨层88。不渗透的流体的衬里72是一个内管，优选由聚合物，例如聚氯乙烯或聚乙烯，或任何其他能够经受在钻井所用的钻探流体中的化学物质和井下所遇到的温度的材料制成。内衬72是不渗透流体的，因而将载荷传递层74与通过衬里72的流动孔的钻探流体隔离。载荷传递层82优选是具有足够多的层数的树脂纤维，以承受悬垂于流体中的管柱26所要求的载荷，包括管柱26和井底组件28的重量。载荷传递层82的纤维优选为缠绕在热固性或可固化树脂上。载荷传递层82提供管柱26的机械性质。耐磨层84优选为最外载荷传递层82并且可以是牺牲层。虽然只示出一个耐磨层84，需要时还可以有附加耐磨层。PVDF层86是不渗透流体的并隔离载荷传递层82。最外耐磨层88是最外层纤维，并且是牺牲层。复合挠性管也公开在1998年5月20日提交的序列号为09/081,961的美国专利申请中，其发明名称为“井系统”，通过参考结合于此。
设置在复合管臂内的电源导线76、78沿复合挠性管管柱26的整个长度延伸并连接于井底组件28。导线76、78连接于电源14和地面处理器16。其下端连接于井底组件28的电子软件包。导线76、78为井底组件28提供电源和指令信号。其他数据也可以通过导线76、78传输。
参考图3和图4，图3和图4示出具有内壳体90和外壳体92的拆卸组件10。内壳体90包括用于与第一组BRA部件螺纹接合的螺纹连接件94，和用于与第一组BRA部件电连接的电连接件96。用于钻探流体流的多个通道95(图4中清楚可见)延伸通过内壳体90的纵向长度。外壳体92包括用于与第二组BRA部件螺纹接合的螺纹连接件98，和用于与第二组BRA部件电连接的电连接件100。该电连接件将复合挠性管管柱26壁中的导线76、78与通过通道101纵向延伸通过内壳体90的壁128的导线电连接在一起。外壳体92包括螺纹连接在一起的上孔部分92a和下孔部分92b，以便于将外壳体92和内壳体90组装在一起。外壳体92在其内径上还具有一对纵向间隔的内圆周槽91、93。内锁定槽91、93具有圆形截面，提供凸轮表面。内壳体90包括上夹板连接颈缩部分106，其具有电连接器108，与安装在外壳体92的上孔部分92b内的电导体112电连接。内壳体90以可分离方式与外壳体92联结，优选通过渐开线花键104。花键104传递在内壳体90和外壳体92之间传输的任何力矩。
参考图5，内壳体90还包括轴向延伸的纵向凹槽110，减小直径的上孔部形成孔114。孔114的上端终止在与外壳体92上的插销口118a、118b对齐的横向孔116。上孔114形成一个面向下的圆形台肩122。凹槽110的中间减小直径部分形成一个减小直径的凹槽120，其位于孔114和凹槽110的其余部分124之间。减小直径的凹槽120形成圆形台肩121。多个横向孔126从孔114通过内壳体90的外壁128延伸。
分离组件130设置在内壳体90内并包括多个与分离轴134接合的锁紧销132。锁紧销132由拧入横向孔126中的保持器136设置在内壳体90中。分离轴134的上端以可滑动方式接纳在减小直径孔114内而下端由连接件135连接，以驱动连接于电机138的驱动轮系。分离轴134具有纵向延伸的细长槽142，其接纳安装在内壳体90的壁128中的导向销144，以防止分离组件130和内壳体90之间的相对运动。
每个锁紧销132分别具有内端146和外端148，并且从分离轴134径向地向外壳体92延伸，在图4中清楚可见。分离轴134还包括在图6所示的分离位置与内销端146对齐的外圆周分离槽150，从而锁定在分离槽150中的销钉132。外部分离槽150具有一般的平底部和锥形侧面的截面，如图3-图5所示，内销端146在连接位置不与外圆周分离槽150对齐。
仍然参考图3-图5、图5A和图5B，，分离组件130还包括由万向节154连接于分离轴134的导螺杆套152，以容纳井下组件24的弯曲部分。万向节154优选联结三个部件，即分离轴134、扇形部分220、导螺杆套152。分离轴134具有孔156，导螺杆套152具有孔160，扇形部分220具有孔225和230。当组装万向节154时(见图5B)。孔156和孔230对齐，而孔160和孔225对齐。销钉164插入孔中以防止分离轴134和导螺杆套152分离。
驱动轮系140由具有中心孔168的支撑套筒166支撑在凹槽110内，一个穿过该中心孔的圆形限制凸缘172在其中心部分形成衬套174，通过衬套174接纳驱动轮系140。密封件167、169设置在内壳体90和支撑套筒166之间。驱动轮系140包括导螺杆170，其被导螺杆套152用螺纹拧紧在一端。导螺杆170包括中心盲孔176，和外部圆形轴承凸缘178，接合设置在圆形限制凸缘172和圆形轴承凸缘178之间的轴承垫圈180。
转换器182在其下端联结于电机138的驱动轴184并且在其上端通过销钉连接于导螺杆170。转换器182在支撑套筒166内的衬套内旋转。密封件194设置在衬套174和导螺杆170之间。
支撑套筒166具有形成凸缘的端部190。形成凸缘的端部190接合圆形的台肩121。压力补偿活塞192设置在导螺杆套152周围并在支撑套筒166内。密封件196设置在导螺杆套152和压力补偿活塞192之间，而密封件198设置在活塞192和支撑套筒166之间。
润滑流体充满分离组件130的周围并且驱动轮系140包括孔114、导螺杆套152和中心孔168。当分离组件130和驱动轮系140移动时，润滑流体必须能够流动并且不影响分离组件130和驱动轮系140的移动。因此，上压力释放口200设置在靠近在横向孔116中的分离轴的向上端，下压力释放口202设置在中心盲孔176。
电机138经有头螺钉204联结在安装于电子软件包208的保持套筒206，电子软件包20设置在空腔110中的电机138的下方。电机138通过导线76、78连接于地面212并且能够从地面被控制或顺时针方向，或反时针方向旋转。保持器210用螺纹拧紧在空腔110的下端，以将电机138和电子软件包208安装在内壳体90的空腔110内。凸形电连接器96延伸通过将电子软件包208与井底组件28连接在一起的该保持器210，井底组件28螺纹连接在内壳体90的下端94。如图4所示，导线通道101纵向延伸通过内壳体90的壁128，以通过该可拆组件10从地面电连接到该井底孔组件28。
在操作中，电机138从地面212被驱动使驱动轴184旋转驱动轮系140。当驱动轮系140旋转时，导螺杆170在导螺杆套152内旋转，根据电机138的旋转方向，连接件135使分离轴134往复运动或朝向电机138或离开电机138。因此，根据来自地面的指令，电机138移动分离轴134，或者向图3-图5所示的连接位置，或分离，且分离位置示于图6-图7。
分离轴134、锁紧销132、内圆周槽91和93、以及/或外圆周槽150中的一个或多个包括锁214，其能够以可松开方式锁定连接于第二组BRA部件的外壳体92、连接于第一组BRA部件的内壳体90，而连接件146用作接合和脱开锁214的装置。
在如图3-图5所示的连接位置，锁紧销132对齐外壳体92的内圆周槽91、93，并设置在其内，并在外壳体92和内壳体90之间传递轴向载荷。锁紧销132由分离轴134保持在锁紧位置。
图6示出处于连接位置的拆卸组件10。根据来自地面的指令，电机致动，从而致动并旋转导螺杆170。由于导螺杆170在导螺杆套152内旋转，分离轴134借助于导螺杆170和形成连接件135的导螺杆套152之间的螺纹啮合轴向向下移动。轴承凸缘178和轴承垫圈180接受导螺杆170的推力。如前所述，导向销144和纵向细长槽142防止轴134和内壳体90之间的相对运动而使分离轴134轴向移动，但是防止分离轴134旋转。如图6所示，导螺杆170已经轴向移动分离轴134使得外圆周槽150现在与锁紧销132对齐。
仍然参考图6，在指令信号被送到电机138以脱开拆卸组件10之后，所示拆卸组件10处于分离位置。电机138的驱动优选直接从地面212发生，优选经过延伸通过复合挠性管管柱26的壁的导线76、78。例如，操作者将指令信号发送给电机138指示电机138脱开拆卸组件10。如果有多个拆卸组件用于井下组件24，则每个拆卸组件10被赋予专门的指令地址。来自地面212的指令包括将被拆卸的拆卸组件10的地址。如果特定的拆卸组件10与该指令信号匹配，该拆卸组件10的电机138被驱动并旋转导螺杆170。当相应于脱开指令的电机138朝着电机138驱动导螺杆170时，导螺杆170朝着电机138轴向拉动分离轴134。一旦外圆周槽150对齐锁紧销132，则产生图6的分离位置，并且锁紧销132可以径向运动进入外圆周槽150。在锁紧销132已经移出内圆周槽91、93并进入外圆周槽150之后，拆卸组件10处于分离位置并且外壳体92准备与内壳体90分离，并且当具有第一组BRA部件的内壳体90保持在井内时，拆卸组件10被拉出井外。
图7示出处于分离位置的外壳体92和内壳体90。如图所示，销钉132已经移动进入外圆周槽150并且外壳体92已经与内壳体90分离。外壳体92然后可以被拉出井外，使夹板连接颈缩部分106暴露在井上以便夹板接合操作，以修正卡在井里的BRA部分。
有时，在拆卸组件10被驱动并放置在分离位置之后，外壳体92不能够与内壳体90分离，这表示井底孔组件26的卡住点在拆卸组件10的上方。本发明可以使指令信号发送到电机138以在相反的方向转动导螺杆170，即，将分离轴134轴向推离电机138。分离轴134然后被移动直到锁紧销132径向地向外带动并且外端148接合内圆周槽91、93。这锁紧该钻具以正常运行，如图3-图5所示。操作者这时可以选择起动在刚刚被起动的那个拆卸组件上面的另一个拆卸组件10以尝试分离另一个上孔。
虽然已经示出并描述了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神实质和公开范围的情况下对其进行各种修改。该系统和设备的许多变化和修改是可能的并且在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围不限于所描述的实施例，而仅仅有权利要求限定，其范围应当包括权利要求主体的等同物。