CN111630248B - 清洗工具和相关操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供清洗工具和相关操作方法。实例实施例中的至少一些是包含以下的清洗工具：界定内部环形通道的工具主体、耦合到所述工具主体的接合件、套叠于所述接合件和工具主体内的套筒，以及安置于所述环形通道内的球。所述球通过所述套筒固持于所述环形通道内，且所述球被配置成在泵送到所述清洗工具中的流体冲击下沿着所述环形通道移动。所述球产生离开所述工具主体的流体流的脉动。此外，在一些实例***中，由所述工具主体产生的所述流体流以非垂直角度与套管的内径相交。

Description

清洗工具和相关操作方法
相关申请案的交叉引用
本申请案主张2017年12月6日申请的标题为“清洗工具和相关操作方法(CleanoutTools And Related Methods Of Operation)”的美国临时专利申请案第62/595,120号的权益，所述临时申请案以引用的方式并入本文中，就如同在下文完整重现一般。
背景技术
任何类别的井(例如，水井、油井、天然气井、注入井)的产量随时间减少。产量减少可由来自地下岩层的资源储量耗减所导致。然而，产量减少也可由流体耦合到储层的套管的孔眼自身中的污垢、颗粒、淤渣、石蜡和生物膜堆积所导致。在许多情况下，可通过使用清洗工具执行清洗工作来增加生产量(例如，水、油、天然气)。使清洗工作更彻底、更快或更便宜的任何清洗工具***或方法在市场中提供具竞争力的优点。
附图说明
为了详细描述实例实施例，现在参考附图，在附图中：
图1示出根据至少一些实施例的修井作业的部分横截面侧面图；
图2示出根据至少一些实施例的清洗工具的透视图；
图3示出根据至少一些实施例的实例清洗工具的分解透视图；
图4示出根据至少一些实施例的经组装清洗工具的横截面正视图；
图5示出根据至少一些实施例的牛鼻板(bull nose)的横截面视图；
图6示出根据至少一些实施例的工具主体的横截面视图；
图7示出根据至少一些实施例的工具主体的横截面视图(沿着图6的线7-7截取)；
图8示出根据至少一些实施例的套筒的横截面视图；
图9示出根据至少一些实施例的套筒的端视图(沿着图8的线9-9截取)；
图10示出根据至少一些实施例的接合件的横截面正视图；
图11示出根据至少一些实施例的处于工作中的清洗工具的特定仰角下的简化俯视(横截面)视图、处于工作中的清洗工具以及实例条带大小的简化侧视图；
图12示出根据至少一些实施例的处于工作中的清洗工具的特定仰角下的简化俯视图、处于工作中的清洗工具以及实例条带大小的简化侧视图；
图13示出根据至少一些实施例的可堆叠清洗工具***；和
图14示出根据至少一些实施例的方法。
具体实施方式
定义
使用各种术语来指代特定***组件。不同公司可指不同名称的组件本文档并不意欲对名称不同而非功能不同的组件进行区分。在以下讨论中并且在权利要求书中，术语“包含”和“包括”以一种开放式方式使用，并且因此应解释为意指“包含(但不限于)……”。并且，术语“耦合”意指间接或直接连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可能是通过直接连接，或通过经由其它装置和连接的间接连接。
相对于所述值的“约”应意指所述值加或减所述值的百分之五。
提及“孔”、“贯穿孔”、“埋头孔”或“盲孔”应不暗示或要求任何产生孔的方法。举例来说，可通过借助于钻头的开孔产生贯穿孔，或可通过在界定贯穿孔的模具中浇铸装置来产生贯穿孔。
涉及两个组件的特征的大小(例如，内径)的“相等”应意指在制造公差内相等。
相对于油气井内的方位的“上方”和“下方”应指进入油气井的距离，且未必指地表下方，这是因为一些油气井可具有在其中进入油气井的距离增加会产生相对于地表更浅的深度的部分(例如，在页岩层之后的“横向”部分)。
详细描述
以下论述针对本发明的各种实施例。尽管这些实施例中的一或多个可能是优选的，但不应将所公开的实施例解释为限制包含权利要求书的本公开的范围，或以其它方式作为限制包含权利要求书的本公开的范围来使用。另外，所属领域的技术人员将理解以下描述具有广泛的应用，并且任何实施例的论述仅意味着所述实施例示例性的论述，而并非意图暗示将包含权利要求书的本公开的范围限制于所述实施例。
各种实施例针对于清洗工具和相关操作方法。更具体地说，各种实施例针对于一种清洗工具，其包括工具主体、耦合到工具主体的接合件、安置于工具主体内的环形通道内的球，以及套叠于工具主体和接合件内的套筒(且套筒至少部分地封堵环形通道)。清洗工具包括穿过工具主体的多个端口，所述端口与环形通道流体连通。从地表泵送到清洗工具中的流体经由穿过套筒的导管进入环形通道，且导管的取向和环形通道内的流体流致使球围绕环形通道移动。球移动致使球周期性地循序阻挡端口，从而引起脉动的流体流离开端口。在一些情况下，端口被设计和构造成使得离开端口的流体流在套管内的不同于流体流离开端口时在套管内的深度的深度处与套管的内径相交。举例来说，流体流可从端口向下引导，或流体流可从端口向上引导或水平地向侧部外部引导。此外，在一些情况下，端口被设计和构造成使得离开端口的流体流的流体动力学方面为清洗工具提供旋转力，不过在一些实施例中，固持清洗工具以防旋转。如下文将更详细地论述，离开端口的流体流的非径向性质增加每一流体流在套管的内径上产生的条带面积或条带大小，可产生工具外部的流体的***效应，并且也可增加除垢的有效性。说明书现在面向读者转到实例修井作业。
在油气井筒以及与油气井筒相关联的清洗作业的上下文中产生各种实施例。以下描述是基于发展性情境；然而，发展性情境不应将工具的适用性仅限制于油气井筒。多种其它类型的井可受益于使用如下文所描述的这类工具和方法，例如水井、天然气井和处理井(例如，废弃流体被泵送到其中的井)。图1示出根据至少一些实施例的修井作业的部分横截面侧面图。图1未按比例绘制。特定来说，修井作业100包括修井机102，所述修井机102包括井架104，所述井架104具有用以升高和降低各种对象以进出油气井108的一或多个线106。实例油气井108从地表110延伸到油气储层112。油气井108可包含从地表110延伸到油气储层112并且在一些情况下，延伸到超过油气储层112的金属套管114。套管114可与各种地表阀门(例如，阀门树)相关联以控制进出套管114的内径的流，但地表阀门未示出以免不恰当地使图复杂化。套管114延伸到井眼116中，且可通过水泥118保持在套管114的外径与井眼116的内表面之间的环形间隙中的适当位置。在油气储层112的方位中，套管114具有多个孔眼120，从而产生流体流从油气储层112进入套管114的内径的路径。虽然油气井108且因此套管114示出为竖直的，但清洗工具的各种实施例和相关方法还可用于具有非竖直部分(例如，沿着页岩层的水平横向区段)的井中。
在修井作业的一些实例中，从套管114内移除生产管道(未具体示出)。此后，清洗工具122降入到套管114内并且置于与孔眼120成工作关系。一旦就位，便将流体泵送到清洗工具122中。在图1的实例情境中，储罐124位于地表110接近油气井108处，储罐124装纳流体126。流体126可以是例如淡水、盐水、酸溶液或水等具有与污垢和其它沉积物发生化学反应的添加物的任何适当的流体。储罐124流体耦合到正排量泵128(在图式中标记为“PDP”)的吸入口。正排量泵的出口流体耦合到旋转接头130，且所述旋转接头130流体耦合到管道132的内径。管道132又流体耦合到清洗工具122。在一些情况下，管道132是生产管道。也就是说，呈生产管道形式的管道132从套管114拉伸。清洗工具122耦合到生产管道的远端，并且接着将生产管道和清洗工具122降回到套管114中。在其它情况下，生产管道可通过修井机102从套管拉伸并且搁置一旁。接着，额外管道(例如，各个管接头，或连续管道)可为用以将清洗工具降低到套管114中的管道132。
顾名思义，旋转接头130使得泵128能够在管道和清洗工具122绕套管114的中心轴线旋转时输送流体到管道132中。相关地，在实例情况下，修井机102可包含处于地表的凯利-凯利(Kelley and Kelley)驱动器(统称为凯利134)以控制管道132和清洗工具122相对于套管114的旋转取向。如将在下文更详细地论述，在一些情况下，在清洗工具122横穿孔眼120的边界之间的轴向距离时，凯利134固持管道132和清洗工具122以防旋转。说明书现在转到根据实例实施例的清洗工具的描述。
图2示出根据至少一些实施例的清洗工具的透视图。特定来说，图2的实例清洗工具122包括在一端耦合到接合件202的工具主体200，且工具主体直接连接到与接合件202相对的牛鼻板204。接合件202示出为耦合到如上文所论述的管道132。工具主体200的在图2中可见的部分是中间部分206，且如所示，中间部分206是圆筒形。工具主体200另外包括向中间安置于中间部分206上的多个端口208。如下文将更详细地论述，端口208流体耦合到内部环形通道，所述内部环形通道内存在球。球在环形通道内移动致使离开端口208的流体流脉动。所述脉动可采用两种不同的形式。球围绕环形通道移动会循序阻挡穿过每一端口的流动。因此，脉动的第一方面是流体流穿过每一端口的开/关脉动。此外，当球阻挡每一端口208的内部孔口时，流体流从剩余的未被阻挡端口208的流动速率增加。因此，脉动的第二方面是离开每一端口208的流体流的压力(且因此流量)的连续增加和减小。
图3示出根据至少一些实施例的实例清洗工具的分解透视图。特定来说，图3示出实例清洗工具122包括牛鼻板204、工具主体200和接合件202。图3中进一步可见各种内部组件。描述开始于牛鼻板204且在概念上向右继续。特定来说，O型环300存在于牛鼻板204和工具主体200之间。特定来说，O型环300驻存在工具主体200上的环形凹槽中(所述凹槽在图3中不可见)，且当经组装时，O型环300密封牛鼻板204内的密封表面。定位螺丝302耦合穿过牛鼻板204上的螺纹孔口304并且将牛鼻板204锁定到工具主体200的第一端306。
接下来是实例工具主体200。工具主体200具有第一端306和与第一端306相对的第二端316。工具主体200界定安置于第一端306与第二端316之间的中间部分206。中间部分206是圆筒形并且具有中间外径(在图3中未具体标记)。在中间部分206中可见几个端口208。第一端306和第二端316各自具有一组外螺纹，且螺纹的节径小于中间部分206的外径(所述节径在图3中未具体标记)。
贯穿孔328被界定为穿过工具主体200的中间部分206。当经组装时，插销334叠套穿过贯穿孔328并与套筒322上的埋头孔或贯穿孔成工作关系(在下文更详细地论述)。插销334锁定套筒322以防旋转。在一些情况下，插销334与贯穿孔压入配合以将插销固持就位，且移除可涉及将插销334按压到工具主体200的内径中。在其它情况下，贯穿孔328可完全或部分地有螺纹，且插销334可具有外螺纹(未具体示出)，使得通过将插销334的螺纹与贯穿孔328的螺纹啮合来将插销334锁定就位。
示出球308，且如下文更详细地论述，球308安置于工具主体200内的环形通道内(所述环形通道在图3中不可见)。定位螺丝312耦合穿过接合件202上的螺纹孔口314(在图3中仅可见一个螺纹孔口314)，在接合件202借助于相应螺纹耦合到工具主体200之后，将接合件202锁定到工具主体200的第二端316(在下文更详细地论述)。在实例***中，O型环318存在于工具主体200上的环形凹槽320，且当经组装时，O型环318密封接合件202内的密封表面(所述密封表面在图3中不可见)。
仍参考图3，实例清洗工具122另外包括套筒322。套筒322套叠于接合件202和工具主体200的内径内。套筒322包括孔346，其可为贯穿孔或埋头孔。孔346结合插销334工作，以旋转方式相对于工具主体200锁定套筒。套筒322另外包括多个导管324(在图3中仅可见三个导管)。导管324延伸穿过套筒322，且如中更详细展示，在导管324下方，将套筒322的内径326流体耦合到内有球308的环形通道。
实例清洗工具122另外包括呈内部弹簧或C型夹具的实例形式的锁定环336。当清洗工具122经组装时，锁定环336配合于接合件202的内部环形凹槽内(内部环形凹槽在图3中不可见)。当就位时，锁定环336邻靠套筒322的端面332。锁定环336界定贯穿孔338。在其它实例***中，锁定环336可实施为与接合件202套叠并且耦合到接合件202的内表面上的内螺纹的外螺纹螺母。由于通过插销334延伸穿过贯穿孔328进入孔346来防止套筒322的旋转，因此可使用将套筒固持于相对于接合件202和工具主体200的固定轴向位置中的任何适当的装置。在一些情况下，管道132(图3中未示出)可借助于锥形螺纹342耦合到接合件202。在其它情况下，清洗工具的额外级(在下文更详细地论述)可借助于耦合件344耦合到接合件202。
图4示出根据至少一些实施例的经组装清洗工具的横截面正视图。特定来说，图4示出直接耦合到工具主体200的牛鼻板204。在实例***中，牛鼻板204具有一组内管螺纹400。工具主体200具有一组外管螺纹404，且实例***中，牛鼻板204通过相应管螺纹400/404耦合到工具主体200。O型环300安置于工具主体200的端面410上的环形凹槽408内，其中环形凹槽408包围工具主体200的中心纵向轴线412。在替代实施例中，用于O型环300的环形凹槽可经界定于牛鼻板204所述。定位螺丝302旋拧穿过螺纹孔口304，定位螺丝302接触界定于工具主体200的外表面上的环形凹槽414并且抵靠着所述环形凹槽414锁定。环形凹槽414包围中心纵向轴线412，且环形凹槽414存在于外管螺纹404和工具主体200的中间部分206之间。
图4另外示出直接耦合到工具主体200的接合件202。在实例***中，工具主体200的第二端具有外管螺纹406。接合件202具有一组内管螺纹420，且在实例***中，接合件202通过相应螺纹406/420直接耦合到工具主体200。O型环318安置于工具主体200的端面426上的环形凹槽424内，其中所述环形凹槽包围工具主体200的中心纵向轴线412。在替代实施例中，用于O型环318的环形凹槽可界定于接合件202中。定位螺丝312旋拧穿过螺纹孔口314，定位螺丝312接触界定于工具主体200的外表面上的环形凹槽428并且抵靠着所述环形凹槽428锁定。环形凹槽428包围中心纵向轴线412，且环形凹槽428存在于外管螺纹406和工具主体200的中间部分206之间。
通过工具主体200界定环形通道430，环形通道430包围中心纵向轴线412。环形通道430通向工具主体200内的埋头孔(在下文更详细地论述的埋头孔)。实例环形通道430具有封闭的底部，且在一些情况下，封闭的底部具有半圆形横截面。在一些情况下，单个球308安置于环形通道430内。在实例实施例中，球308具有约千分之二(0.002)英寸的直径，小于环形通道的内径与工具主体的第二内径之间的差。
套筒322套叠于接合件202和工具主体200所述。在一端，套筒322邻靠界定于工具主体200内的环形肩部(在下文更详细地论述的环形肩部)。套筒322部分地遮挡环形通道430。套筒322具有多个导管324。每一导管324将清洗工具122的内部流动路径流体耦合到环形通道430。在实例实施例中，球308被配置成在环形通道430内环绕着中心纵向轴线412移动，且球308受环形通道430和套筒322限定以防轴向移动(相对于中心纵向轴线412)。图4中还示出插销334套叠于其中的贯穿孔328。插销334的远端套叠到孔346中，锁定套筒322以防相对于工具主体200旋转移动。在实践中，贯穿孔328和从环形通道430延伸到外径(未特定编号，但在下文参照图6更详细地论述)的孔两者不处于相同径向方位(即，横截面不必如图4中示出这两者)，但在图4中出于公开的目的添加贯穿孔328和插销334。
仍参考图4，在接合件202的第二端436(与工具主体200相对)，接合件202具有一组外部锥形螺纹432。接合件202的第二端436上的外部锥形螺纹432可用于耦合到管道132(未示出)，或可用于耦合到如所示的耦合件344。接合件202界定包围中心纵向轴线412的内部环形凹槽434。内部环形凹槽434结合锁定环336使用。特定来说，锁定环336界定略微小于内部环形凹槽434的最深点处的内径的外径。锁定环336经压缩用于安装，且当所述压缩释放时，锁定环336膨胀到内部环形凹槽434中。此外，当在内部环形凹槽434内适当位置时，锁定环336邻靠套筒322的端面332，因此抵靠着工具主体200内的环形肩部(在下文更详细地论述环形肩部)将套筒固持在适当位置。
图5示出根据实例实施例的牛鼻板的横截面视图。特定来说，实例牛鼻板204包括平远端500和膨胀到外径ODBN的锥形截头区段502。在实例***中，牛鼻板的外径ODBN等于工具主体200的中间部分206的外径(图4)。与锥形平截头部502相反，牛鼻板204界定内有内管螺纹400的近端。内管螺纹的节径PD对应于工具主体200的外管螺纹404的节径(图4，且在下文更详细地论述)。图5中还可见在清洗工具122组装期间定位螺丝302(图3)可旋拧到其中的实例螺纹孔口304。实例牛鼻板204由金属材料制成，不仅能承受外表面上的物理接触(例如，置于套管114中，或碰撞井眼116的底部)，而且能承受当在使用中时跨清洗工具122的压力差。牛鼻板的其它形状是可能的，例如半圆形，或仅为平坦的。
图6示出根据至少一些实施例的工具主体的横截面视图。特定来说，工具主体200包括第一端306和与第一端306相对的第二端316。工具主体200另外界定中间部分206，且在实例实施例中，中间部分206是圆筒形并且界定中心纵向轴线412。此外，中间部分206界定外径ODMP。对于供在具有五英寸内径的套管中使用的实例清洗工具，外径ODMP可为约3.125英寸。然而，可视需要在较大和较小套管内使用较大和较小清洗工具。工具主体200包括第一端306上的外管螺纹404。外管螺纹404界定小于中间部分206的外径ODMP的节径PD。图6的横截面视图还示出环形凹槽414。实例环形凹槽414具有小于外管螺纹404的节径PD并且小于中间部分206的外径ODMP的外径(未具体标记以免不恰当地使图复杂化)。如先前所提到，定位螺丝302抵靠着环形凹槽414的外径安放以有助于将牛鼻板204固持在适当位置。
工具主体200另外包括第二端316上的外管螺纹406。在实例***中，外管螺纹406界定与第一端306上的外管螺纹404的节径PD相同的节径PD。因此，外管螺纹406的节径小于中间部分206的外径ODMP。图6的横截面视图还示出环形凹槽428。实例环形凹槽428具有小于外管螺纹404/406的节径并且小于中间部分206的外径ODMP的外径(未具体标记以免不恰当地使图复杂化)。如先前所提到，定位螺丝312(图3)抵靠着环形凹槽428的外径安放以有助于将接合件202固持在适当位置。
仍参考图6，实例工具主体200另外包括内部流道600。内部流道600包括工具主体200内的第一孔602，以及工具主体200内的埋头孔604。第一孔602具有与中心纵向轴线412同轴的中心轴线，且第一孔602沿着从第一端306朝向内部流道600的中间延伸的第一轴向长度L1界定内径IDB。埋头孔604界定与中心纵向轴线412同轴的中心轴线。埋头孔604沿着从第二端316朝向内部流道600的中间延伸的第二轴向长度L2界定内径IDCB。埋头孔604的内径IDCB大于第一孔602的内径IDB。在第一孔602与埋头孔604的交点处形成环形肩部606。虽然在图6中以横截面示出，但环形肩部606界定并存在于平面内(在图6的视图中，所述平面垂直于页面)，且所述平面垂直于中心纵向轴线412。
图6另外示出界定于工具主体200内的环形通道430。环形通道430包围埋头孔604，且环形通道430在埋头孔604的内径IDCB处敞开。环形通道430具有封闭的底部608。环形通道430界定大于埋头孔的内径IDCB的内径IDAC。虽然内径IDAC处的通道的“底部”可呈多种形式，但在实例***中，封闭的底部608具有半圆形横截面，其具有中心为C的曲率半径R，其中中心C存在于环形通道430内。环形通道430另外界定与埋头孔604的内径IDCB相交并且形成角度α的侧壁610。在实例清洗工具中，角度α是约60度角，但还预期较大和较小角度。
实例工具主体200另外包括穿过工具主体200的端口208。图6出于解释的目的以横截面示出两个端口208；然而，实例清洗工具122具有五个端口且因此在任何特定横截面中仅一个端口可为可见的。参考表示所有端口208的上端口208，每一端口具有环形通道430内的内部孔口612，以及穿过中间部分206的外径的外部孔口614。在一些实例***中，内部孔口612存在于环形通道430的由曲率半径R界定的部分内，使得球308(图6中未示出)可更好地阻挡穿过每一端口的流动；然而，内部孔口也可部分或整体地存在于侧壁610的直线部分上。每一端口界定与中间部分206的外径形成角度β的流道轴线616。考虑角度的另一方式是流道轴线616与中心纵向轴线412形成角度β(在流道轴线616与中心纵向轴线412相交或投射到中心纵向轴线412上的情况下)。换句话说，在清洗工具122的使用中，流体流从环形通道430移动穿过端口208，离开端口208，并且在套管内的不同于流体流离开清洗工具122的轴向深度的轴向深度处与套管的内径相交。在实例***中，角度β为约45度角(不管是测量到中间部分206的外径还是测量到中心纵向轴线412)。在所述孔口的方位保持不变时，外部孔口614的方位针对不同值的角度β为不同的。
图6还示出(用虚线)贯穿孔328。贯穿孔328用虚线示出是因为贯穿孔328和端口208不存在于相同径向方位处，且因此两者将不在图6中的横截面中同时可见。然而，实例贯穿孔328在中间部分206的外径和内部流道600的较大直径之间延伸穿过工具主体200，使得插销334(图6中未示出)可与邻靠肩部606的套筒22(未示出)相互作用。
图7示出根据至少一些实施例的工具主体的横截面视图(沿着图6的线7-7截取)。特定来说，图7中可见中间部分206和其外径。环形通道430存在于工具主体200内，并且还可见环形肩部606。每一端口208的内部孔口612处于环形通道430的侧壁610上。如图7中所示，至少一些实例清洗工具122恰好具有围绕环形通道430均匀间隔开的五个端口208。如前所述，每一端口208界定流道轴线616，其为每一端口208的长中心轴线。图7另外示出每一流道轴线616在流道轴线616与从中心纵向轴线412(在图7的视图中，中心纵向轴线412是点)起的在内部孔口612处与流道轴线616相交的径向线618之间形成角度γ(仅标记一个流道轴线以免进一步使图复杂化)。在一些实例***中，角度γ是约30度角。就流体动力来说，在清洗工具122的使用中，流体流从环形通道430以将旋转力施加到清洗工具122的方式移动穿过端口208，并且离开端口208。实例工具主体200被安装成使得旋转力往往会紧固组件之间(例如，工具主体122和接合件202之间)的各种管和锥形螺纹连接。并且如下文更详细地论述，在一些实例使用方法中，在不考虑产生的旋转力的情况下，将清洗工具122固持在恒定旋转取向处。
图8示出根据至少一些实施例的套筒的横截面视图。特定来说，套筒322包括圆筒形并且具有外径ODS的外表面800。外径ODS经选择以使得套筒322可套叠于接合件202的内径内并且邻接接合件202的内径，并且可套叠于工具主体200的埋头孔604内并且邻接工具主体200的埋头孔604，而非必需组件之间的压入配合连接。套筒322界定延伸穿过套筒322的贯穿孔806。贯穿孔806具有内径ID和与中心纵向轴线412同轴的中心轴线。套筒322界定第一端802，和与第一端802相对的第二端804。套筒322另外界定第一端802上的端面808。端面808界定并且存在于于平面内(在图8的视图中，所述平面垂直于页面)，且所述平面垂直于中心纵向轴线412。当经组装到清洗工具122中时，端面808邻靠环形肩部606(图6)。套筒322还具有套筒322的第二端804上的端面332。端面332界定并且存在于平面内(在图8的视图中，所述平面垂直于页面)，且所述平面还垂直于中心纵向轴线412。当经组装到清洗工具122中时，端面332邻靠锁定环336(图3)。
套筒322另外包括穿过套筒322的主体的多个导管324。图8出于解释的目的以横截面示出两个导管324；然而，实例清洗工具122具有穿过工具主体200的五个端口，且实例套筒322同样地可具有围绕套筒322均匀间隔开的五个导管324。因此，可在任何特定横截面中仅一个导管可见。然而，参考表示所述导管324的上端口导管324，每一导管324具有贯穿孔806的内径ID上的内部孔口812，以及外表面800的外径ODS上的外部孔口814。每一导管界定与套筒322的外表面800形成角度
Figure BDA0002595098550000101
的导管轴线816。考虑角度的另一方式是导管轴线816与中心纵向轴线412形成角度
Figure BDA0002595098550000102
(在导管轴线816与中心纵向轴线412相交或投射到中心纵向轴线412上的情况下)。当套筒322经组装到接合件202和工具主体200中时，端口208与环形通道430成工作关系，且因此贯穿孔806中的流体可传送到环形通道430中以使球308移动，且所述流体穿过工具主体中的端口208排出。
仍参考图8，并且再次参考套筒322的第二端804，第二端316另外包括一组拆卸器孔818。顾名思义，拆卸器孔818可用于帮助将套筒套叠到接合件202和工具主体200中，且同样可用于帮助将套筒322抽出接合件202和工具主体200。
图9示出根据至少一些实施例的套筒的端视图(沿着图8的线9-9截取)。特定来说，图9的视图(用虚线)示出具有五个导管324的实例***中的导管324的相对方位。贯穿孔806存在于套筒322内。每一导管324的内部孔口812处于套筒322的内径上。如图9中所示，至少一些实例清洗工具122恰好具有围绕套筒322均匀间隔开的五个导管324(并且当经组装时，导管与环形通道430(图4)成工作关系)。如前所述，每一导管324界定导管轴线816，其为每一导管324的长中心轴线。图9另外示出每一导管轴线816在导管轴线816与从中心纵向轴线412(在图9的视图中，中心纵向轴线412是点)起的在内部孔口812处与导管轴线816相交的径向线900之间形成角度λ(仅标记一个导管轴线以免进一步使图复杂化)。在一些实例***中，角度λ是约45度角。
实例套筒322另外包括孔346(虚线)，说明性地示出为贯穿孔。如先前所提及，套筒322的孔346与贯穿孔328(图3)对齐，且插销334(图3)套叠穿过贯穿孔328以与孔346具关系从而阻止套筒322相对于工具主体200旋转。图9还示出孔346的径向方位的一个实例对齐。特定来说，考虑实例五个导管324围绕套筒322均匀间隔开，孔346的中心轴线可存在于相对于在最靠近的相邻导管324的内部孔口812处与导管轴线816相交的径向线900成角度η。在一些实例***中，角度η是约28度角。
图10示出根据至少一些实施例的接合件的横截面正视图。特定来说，实例接合件202包括为圆筒形并且具有与中心纵向轴线412同轴的中心轴线的外表面1000。预期其它外表面1000形状。接合件202另外包含界定等于工具主体200的埋头孔604的内径IDCB(图6)的内径IDJ的贯穿孔1002。接合件202界定第一端1004和与第一端1004相对的第二端1006。第一端1004包含接合件202的贯穿孔1002的内表面上的内管螺纹1008。当经组装到实例清洗工具122中时，内管螺纹1008耦合到工具主体200的第二端上的外管螺纹406(图6)。第二端1006包括与接合件202的第一端1004相对的外表面上的外部锥形螺纹342。此外，实例接合件202界定接合件202的第二端1006上的贯穿孔1002的内表面上的内径1012。还可见第一端1004上的螺纹孔口314。说明书现在转到清洗工具122的操作特性。
图11示出根据至少一些实施例的处于工作中的清洗工具的特定仰角下的简化俯视(横截面)视图、处于工作中的清洗工具(中间部分)以及实例条带大小(下部部分)的简化侧视图。特定来说，在上部部分和下部部分中可见相同实例清洗工具1100产生冲击背衬为水泥1106的套管1104的内径的流体流1102。如由上部和中间部分所示，流体流1102沿着从实例中心纵向轴线1108起的径向线排出。因此，在流体流排出端口(未特定编号)时，不存在向下(或向上)到流体流1102的分量。下部部分示出流体流1102在套管1104的内表面上产生的条带区域1110。如所示出，条带区域1110是圆形并且具有直径Ds，并且可能地，条带直径Ds略大于离开实例清洗工具1100的流体流1102的直径(未具体标记)。
图12示出根据至少一些实施例的处于工作中的清洗工具的特定仰角下的简化俯视图(上部部分)、处于工作中的清洗工具(中间部分)以及实例条带大小(下部部分)的简化侧视图。特定来说，在上部部分和下部部分中可见清洗工具122产生冲击背衬为水泥118的套管114的内径的流体流1202。如由上部部分所示，流体流1202沿着形成如上文所界定的角度γ的流道轴线。如由中间部分所示，流体流1202沿着形成如上文所界定的角度β的实例向下流道轴线排出。下部部分示出流体流1202在套管114的内表面上产生的条带区域1210。对于图11中示出的情境，实例条带区域1110叠置于条带区域1210内。改变流体流1202存在于与本说明书的教示一致的清洗工具122中的角度会增加用于流体流1102/1202的对应特性的条带区域1210。本说明书的发明人发现增加的条带面积或条带大小使得能够以等流体利用量更好地清洗套管。虽然本发明人不希望依赖于任何特定物理解释，但一个可能的物理解释是流体流与套管的角度可帮助流体流驱散污垢，因此促进污垢剥落。所述角度也可产生流体在工具的外径与套管的内径之间的环面处的***运动，以及球在工具内产生的周期性地阻挡或减少穿过每一端口的流量的脉动。此外，当那些流体流与孔眼120(图1)相交时，流体流与套管的角度也可具有某些优点。再次，虽然本发明人不希望依赖于任何特定物理解释，但一个关于孔眼的可能的物理解释可为所述角度产生流体在孔眼120中的更佳涡旋动作，所述涡旋动作倾向于在孔眼中的涡旋流体中吸走污垢和碎屑，所述污垢和碎屑接着更可能流入套管(而非从端口的流道轴线与孔眼的流道轴线对齐产生的“直接命中”进一步推进到孔眼中)。
关于此点论述的清洗工具的各种实施例假设工具主体200直接耦合到牛鼻板204，且因此不穿过工具内的流体。然而，关于此点论述的实例组件可堆叠以产生具有多个端口且因此多个工具主体的清洗工具。图13示出根据至少一些实施例的可堆叠清洗工具***。特定来说，上部图1300示出关于此点论述的实例清洗工具122。在图13中不对各种组件进行重新编号以免不恰当地使论述复杂化。上部图的组件可与中间图1302或下部图1304的组件中的任一个或两个组合。因此，耦合件344可用于将上部图1300的接合件202连接到中间图1302的接合件202。虽然在中间图1302的左侧示出耦合件344，但耦合件344可用于连接上部图1300的组件的右侧(使得流体流从相反方向上的相应工具主体的突出部产生)。除中间图1302的组件之外或替代地，上部图1300的组件同样可耦合到下部图1304的组件。因此，下部图1304的耦合件344可用于将下部图1304的接合件202连接到上部图1300(或中间图1302)的接合件202。虽然在下部图1304的左侧示出耦合件344，但耦合件344可用于连接上部图1300的组件的右侧。图13的下部图1304还示出与工具主体200类似地构造的实例工具主体1306，不同之处仅在于每一端口的流道轴线与从中心纵向轴线(在图13中未具体示出)延伸的径向线共面和同轴。因此，可使用接合件202和耦合件344组合多个工具主体200/1306以产生整体清洗工具，以产生多个流体流(所述流体流具有到套管的多个途径向量)。
图14示出根据至少一些实施例的方法。特定来说，所述方法开始(框1400)并且可包括：将清洗工具降入到油气井的套管内，所述降入直到清洗工具到达对应于穿过套管的孔眼的第一边界的第一深度(框1402)；将流体从地表处的泵泵抽到清洗工具中(例如，使得清洗工具中的流体的压力介于20,000PSI和30,000PSI之间并且包含20,000PSI和30,000PSI)(框1404)；通过穿过清洗工具的端口产生流体流，所述流体流在套管内的不同于套管内的其中流体流离开清洗工具的轴向深度的轴向深度处与套管的内径相交，流体流离开清洗工具提供旋转力到清洗工具，并且脉动流体流(框1406)；在清洗工具从第一深度移动到对应于孔眼的第二边界的第二深度时，将清洗工具固持于相对于套管的旋转取向处，所述第二边界与第一边界相对(框1408)；和将清洗工具移动到第一深度并且使清洗工具旋转预定角度旋转(框1410)。此后，方法结束框(1412)，可能重复至少一次，且在实例实施例中，所述方法重复多次以使得清洗工具进行了完整旋转。
在一些实例方法中，清洗工具的端口指向下(以及侧边或γ组件)，且因此可在下行冲程上执行大部分清洗。然而，在其它情况下，清洗工具的端口可指向下(以及侧边或γ组件)，且因此可在上行行程上执行大部分清洗。也就是说，在一些情况下，通过端口在套管内的在流体流与套管的内径的相交处上方的轴向深度处产生流体流，且在其它情况下，通过端口在套管内的在流体流与套管的内径的相交处下方的轴向深度处产生流体流。
以上论述意指说明本发明的原理和各实施例。一旦完全了解上文公开内容，许多变化和修改对于所属领域的技术人员将变得显而易见。举例来说，虽然套筒示出为单件，但预期具有两个或更多个构件的套管。此外，虽然在油气井的上下文中进行描述，但清洗工具可用于清洗例如水井、注入井、处理井、油井和天然气井等多种井筒中的任一个。此外，清洗工具可用以清洗除井和井筒以外的许多类型的结构，例如各种大小的管道、管线、大炮、加压气体缸、集装箱等等。又另外，虽然实例工具描述为在其远端上具有牛鼻板，但在一些情况下，牛鼻板可替换为任何合适的类型的钻头(例如，牙轮、多晶金刚石切割机(PDC))。希望将所附权利要求书解释为涵盖所有此类变化和修改。

Claims (23)

1.一种清洗工具，其包括：
第一工具主体，其包括：
外表面、第一端、与所述第一端相对的第二端、所述第一端与第二端之间的轴向长度以及中间部分，所述中间部分是圆筒形并且具有中间外径，且所述中间部分具有中心纵向轴线；
内表面，其界定第一内径、大于所述第一内径的第二内径以及安置于所述第一内径与所述第二内径之间的环形肩部；
环形通道，其包围所述第一工具主体内的所述内表面，所述环形通道具有与所述第二内径相交的两个侧壁，且所述环形通道具有其内径大于所述第一内径和第二内径的封闭底部；
多个端口，其穿过所述第一工具主体，每一端口具有所述环形通道内的内部孔口和穿过所述第一工具主体的所述中间部分的外部孔口，且所述端口围绕所述环形通道隔开；
第一接合件，其耦合到所述第一工具主体，所述第一接合件界定具有与所述中心纵向轴线同轴的中心轴线的贯穿孔以及等于所述第二内径的内径；
第一套筒，其套叠于所述第一接合件内，所述第一套筒邻靠所述环形肩部并且部分地遮挡环形通道，所述第一套筒包括内径、外径以及多个导管，每一导管具有所述第一套筒的所述内径上的内部孔口和所述第一套筒的所述外径上的外部孔口，每一导管的所述外部孔口流体耦合到所述环形通道；
第一球，其具有小于所述环形通道的所述内径与所述第二内径之间的差的直径，所述第一球被配置成在所述环形通道内环绕着所述中心纵向轴线移动，且所述第一球受所述环形通道限定以防相对于所述中心纵向轴线的轴向移动；和
第一锁定环，其处于所述第一接合件内并且邻靠所述第一套筒。
2.根据权利要求1所述的清洗工具，其中所述环形通道的所述封闭底部另外包括具有中心在所述环形通道内的曲率半径的半圆形横截面。
3.根据权利要求2所述的清洗工具，其中所述曲率半径是所述第一球的所述直径的一半。
4.根据权利要求2所述的清洗工具，其中如在包含所述中心纵向轴线的平面中测量，所述环形通道的所述两个侧壁形成约60度角的角度。
5.根据权利要求2所述的清洗工具，其中所述第一球具有约千分之二英寸的直径，小于所述环形通道的所述内径与所述第一工具主体的所述第二内径之间的差。
6.根据权利要求1所述的清洗工具，其中每一端口界定流道轴线，每一流道轴线与所述中心纵向轴线形成约45度角的角度。
7.根据权利要求6所述的清洗工具，其中每一流道轴线与从穿过相应端口的所述内部孔口的所述中心纵向轴线起的径向线形成约30度角的角度。
8.根据权利要求7所述的清洗工具，其中所述多个端口另外包括围绕所述环形通道均匀间隔开的五个端口。
9.根据权利要求1所述的清洗工具，其另外包括：
贯穿孔，其被界定为穿过所述第一工具主体；
孔，其界定于所述第一套筒中；和
插销，其安置成套叠穿过所述贯穿孔并与界定于所述第一套筒中的所述孔成工作关系，所述插销被配置成阻止所述第一套筒相对于所述第一工具主体旋转。
10.根据权利要求1所述的清洗工具，其中每一导管界定导管轴线，每一导管轴线与所述中心纵向轴线形成约45度角的角度。
11.根据权利要求10所述的清洗工具，其中每一导管轴线与从穿过所述导管的所述内部孔口的所述中心纵向轴线起的径向线形成约55度角的角度。
12.根据权利要求11所述的清洗工具，其中所述多个端口另外包括围绕所述环形通道均匀间隔开的五个端口，且所述多个导管另外包括围绕所述环形通道均匀间隔开的五个导管，所述五个导管成角度地安置于所述五个端口之间。
13.根据权利要求1所述的清洗工具，其另外包括：
第二工具主体，其耦合到与所述第一工具主体相对的所述第一接合件，所述第二工具主体包括：
第一内径、大于所述第二工具主体的所述第一内径的第二内径，以及处于所述第二工具主体的所述第一内径与所述第二工具主体的所述第二内径的交点处的环形肩部；
环形通道，其界定于所述第二工具主体内，所述第二工具主体的所述环形通道具有两个侧壁和封闭底部；
多个端口，其穿过所述第二工具主体以到达所述第二工具主体的所述环形通道；
第二接合件，其耦合到所述第二工具主体，所述第二接合件界定具有与所述中心纵向轴线同轴的中心轴线的贯穿孔；
第二套筒，其套叠于所述第二接合件内，所述第二套筒邻靠所述第二工具主体的所述环形肩部并且部分地遮挡所述第二工具主体的环形通道，且多个导管穿过所述第二套筒；
第二球，其安置于所述第二工具主体的所述环形通道内，所述第二球被配置成在所述第二工具主体的所述环形通道内环绕着所述中心纵向轴线移动，且所述第二球受所述第二工具主体的所述环形通道限定以免相对于所述中心纵向轴线轴向移动；
第二锁定环，其处于所述第二接合件内并且邻靠所述第二套筒，所述第二锁定环被配置成将所述第二套筒固持在所述第二接合件和第二工具主体内。
14.根据权利要求1所述的清洗工具，其中牛鼻板直接耦合到与所述第一接合件相对的所述第一工具主体。
15.一种对井执行清洗工作的方法，所述方法包括：
a)将清洗工具降入到所述井的套管内，所述降入直到所述清洗工具到达对应于穿过所述套管的孔眼的第一边界的第一深度；
b)将流体从地表处的泵泵抽到所述清洗工具中；
c)通过穿过所述清洗工具的端口产生流体流，所述流体流在所述套管内的第一轴向深度处与所述套管的内径相交，所述第一轴向深度不同于所述套管内的所述流体流离开所述清洗工具的第二轴向深度，离开所述清洗工具的所述流体流将旋转力提供到所述清洗工具，并且脉动所述流体流；
d)在所述清洗工具从所述第一深度移动到对应于所述孔眼的第二边界的第二深度时，将所述清洗工具固持于相对于所述套管的旋转取向处，所述第二边界与所述第一边界相对；和接着
e)使所述清洗工具移动到所述第一深度并且使所述清洗工具旋转预定角度旋转；
f)重复步骤b)-e)至少一次。
16.根据权利要求15所述的方法，其中重复步骤f)直到所述清洗工具进行了完整旋转。
17.根据权利要求15所述的方法：
其中降入所述清洗工具另外包括降入直到所述清洗工具到达所述孔眼上方的第一方位；且
其中使所述清洗工具从所述第一深度移动到所述第二深度另外包括增加所述清洗工具进入所述井的距离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中通过穿过所述清洗工具的端口产生流体流另外包括通过所述端口在所述套管内的所述第一轴向深度的上方的所述第二轴向深度处产生流体流。
19.根据权利要求15所述的方法：
其中降入所述清洗工具另外包括降入直到所述清洗工具到达所述孔眼下方的第一方位；且
其中使所述清洗工具从所述第一深度移动到所述第二深度另外包括减小所述清洗工具进入所述井的距离。
20.根据权利要求19所述的方法，其中通过穿过所述清洗工具的端口产生流体流另外包括通过所述端口在所述套管内的所述第一轴向深度的下方的所述第二轴向深度处产生流体流。
21.根据权利要求15所述的方法，其中将所述清洗工具固持在所述旋转取向处另外包括通过所述地表处的修井机固持。
22.根据权利要求15所述的方法，其中产生脉动的流体流另外包括使球围绕所述清洗工具内的环形通道移动，所述球周期性地循序阻挡穿过每一端口的流动。
23.一种清洗工具，其包括：
工具主体，其包括：
第一端、与所述第一端相对的第二端和中间部分，所述中间部分是圆筒形并且具有中间外径，所述中间部分具有中心纵向轴线；
所述第一端上的螺纹，其具有小于所述中间外径的节径；
所述第二端上的螺纹，其具有小于所述中间外径的节径；
所述工具主体内的第一孔，所述第一孔具有与所述中心纵向轴线同轴的中心轴线，且所述第一孔沿着从所述第一端延伸的第一轴向长度界定内径；
所述工具主体内的埋头孔，所述埋头孔界定与所述中心纵向轴线同轴的中心轴线，所述埋头孔沿着从所述第二端延伸的第二轴向长度界定内径，且所述埋头孔的所述内径大于所述第一孔的所述内径；
环形肩部，其处于所述第一孔与所述埋头孔的交点处；
界定于所述工具主体内的环形通道，所述环形通道包围所述埋头孔，所述环形通道在所述埋头孔的所述内径处敞开，所述环形通道具有其内径大于所述埋头孔的所述内径的封闭底部，所述封闭底部具有其曲率半径的中心在所述环形通道内的半圆形横截面，且所述环形通道界定与所述埋头孔的所述内径相交并且形成约60度角的角度的侧壁；
穿过所述工具主体的五个端口，每一端口具有所述环形通道内的内部孔口和穿过所述中间外径的外部孔口，每一端口界定流道轴线，每一流道轴线与所述中心纵向轴线形成约45度角的角度，每一流道轴线与从穿过相应端口的所述内部孔口的所述中心纵向轴线起的径向线形成约30度角的角度，且所述五个端口围绕所述环形通道均匀间隔开；
接合件，其耦合到工具主体，所述接合件包括：
外表面，其为圆筒形并且具有与所述中心纵向轴线同轴的中心轴线；
贯穿孔，其界定等于所述埋头孔的所述内径的内径；
所述接合件的第一端上的所述贯穿孔的内表面上的螺纹，所述贯穿孔的所述内表面上的所述螺纹耦合到所述工具主体的所述第二端上的所述螺纹；
与所述接合件的所述第一端相对的所述接合件的第二端上的所述接合件的所述外表面上的螺纹；
套筒，其套叠于所述接合件和工具主体内，所述套筒包括：
内径、外径、第一端、与所述套筒的所述第一端相对的第二端、所述套筒的所述第一端上的邻靠所述环形肩部的端面、所述套筒的所述第二端上的端面，以及与所述中心纵向轴线同轴的中心轴线；
穿过所述套筒的五个导管，每一导管具有内部孔口和外部孔口，每一导管界定导管轴线，每一导管轴线与所述中心纵向轴线形成约45度角的角度，每一导管轴线与从穿过所述导管的所述内部孔口的所述中心纵向轴线起的径向线形成约55度角的角度，且所述五个导管围绕所述环形通道的内径均匀间隔开；
所述五个导管安置于所述五个端口之间；
锁定环，其处于所述接合件内并且邻靠所述套筒的所述第二端上的所述端面；和
球，其具有约千分之二英寸的直径，小于环形通道的所述内径与所述埋头孔的所述内径之间的差。
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