專利名稱：用于在管材中開窗口的方法以及用于該方法中的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于在管材中開窗口的方法以及用于所述方法中的裝置。
按常規，當需要在管材例如一段套管中開窗口時，要將造斜器下降到管材中就位。然后降低銑刀到工作管柱上的管材中并旋轉銑刀。造斜器具有長的錐形凹面，從而工作管柱的部分重量使銑刀對管材加偏壓，以保證銑刀能夠切入管材中并開出所需窗口。
盡管造斜器在長直管材中工作良好，但仍有兩個難題。第一，當管材通過縮徑處時，無法使用標準造斜器；第二，通常造斜器的錐形表面需要裝備有材料損耗層，例如黃銅，該層會受到銑刀沖蝕，每次使用造斜器時不得不更換該層。
在通過縮徑處的管材中開窗口的一種解決方法是將銑刀定位在所需位置并旋轉，直到銑刀最后切透管材。這有賴于由工作管柱提供足夠的徑向壓力，而且會是冗長乏味的工藝過程。
為了幫助解決該難題，本發明現提供一種用于在管材中開窗口的方法，其特征在于所述方法包含以下步驟將帶通孔的裝置放置于所述管材中的所需位置；將銑刀導入所述裝置中，直到所述銑刀作用于所述裝置和所述管材之間；以及旋轉所述銑刀，在所述管材中開窗口。
若使用造斜器開窗口，則最后必須將造斜器和與之相連的固定器拆除。一種極端情況是通過簡單地將造斜器和固定器鉆碎來實現。然而，制造造斜器是相當貴的，理想的是將造斜器回收再用。
為了便于回用，本發明提供一種內含造斜器的造斜器組件，其特征在于所述造斜器組件還包含一個連接裝置，用于造斜器與固定器的可脫開式連接。
銑刀通常是以其切削速度來判別的。當切削窗口時，大多數銑刀發生性能突然下降之后又恢復這種現象并不奇怪。這是由于包括“取心”在內的多種原因造成的。取心現象發生于銑刀的中心越過套管壁，且銑刀與管壁之間的相對速度為最小(理論上為零)。本發明即解決這一問題。
根據本發明，現提供一種用于在管材中銑削開口的銑刀，該銑刀具有刀體，該刀體包含上端，可連接鉆柱；下端，裝備有銑削和/或切削材料；第一液流孔，通常沿所述刀體軸向延伸；第二液流孔，從所述第一液流孔伸出，且在旋轉軸處開口于所述刀體的外表；若干斜向液流孔，從所述第一液流孔伸出，且環繞所述第二液流孔開口于所述刀體的外表，其特征在于所述第二液流孔襯有一層銑削和/或切削材料。
本發明還提供一種改進型西瓜銑刀(Watermelon mill)，其具有若干個裝備有切削或磨削材料的刀片，其特征在于至少所述刀片之一的徑向最外端包有切削或磨削材料。
為了更好地理解本發明，現通過示例并參照附圖加以說明，附圖中
圖1A為局部剖的側視簡圖，圖示為采用一種先有技術方法，試圖在一段套管中切削窗口的銑刀；圖1B為局部剖的側視簡圖，圖示為采用同樣的先有技術方法，試圖在另一段套管中切削窗口的銑刀；圖2A為側視剖面圖，圖示出固定在一段套管內的、根據本發明的裝置的第一實施例；圖2B為沿圖2A中2B-2B線所取的截面；圖3為與圖2A相似的視圖，只是圖示為裝置在使用中；圖4為側視剖面圖，圖示出在使用中的、根據本發明的裝置的第二實施例。
圖5A為根據本發明的造斜器組件的透視圖；圖5B為連接裝置的放大比例剖視圖，該連接裝置構成圖5A所示造斜器組件的一部分；圖5C為沿圖5A中5C-5C線所取的截面；圖5D為圖5A中所示連接裝置的一個元件的側視圖。
圖6A為根據本發明的銑刀第一實施例的側視圖6B為圖6A所示銑刀的底部平面圖；圖6C為與圖6A相似的視圖，只是局部剖開；圖6D為與沿圖6C中6D-6D線所做的視圖；圖7A根據本發明的銑刀第二實施例的側視圖，且局部剖開；圖7B為圖7A所示銑刀的底部平面圖。
圖8為常規西瓜銑刀的側視圖；圖9為根據本發明的改進型西瓜銑刀的側視圖；圖10A為部分剖開而部分不剖的側視圖，圖示為圖9所示改進型西瓜銑刀處于第一銑削系統中，即即刻就將使用；圖10B為與圖10A相似的視圖，只是圖示為改進型西瓜銑刀已處于窗口成形過程中；以及圖11為部分剖開而部分不剖的側視圖，圖示為圖9所示改進型西瓜銑刀處于第二銑削系統中，即窗口成形過程中。
參照附圖1A，圖中示出一段套管C。銑刀M安裝在鉆柱P的底部，并在點T處緊靠套管C。當鉆柱P旋轉時，銑刀M將摩擦套管C的內側。然而，可以體會到由于鉆柱P所固有的柔性，銑刀M對套管C不能加足夠的偏壓，因此在容許的時間段內開出窗口是不大可能的。
現參照圖1B，圖中示出一段套管S。銑刀L安裝在鉆柱R的底部，并在套管S彎曲段V的點N處緊靠套管S。當鉆柱R旋轉時，銑刀L將摩擦套管S的內側。由于套管S的彎曲，由銑刀L施加在套管S上的力將大于圖1A中銑刀M作用在套管C上的力。然而，開窗口仍須很長時間。
現參照圖2A、2B和3，圖示為根據本發明的裝置的第一實施例，該裝置以附圖標記10總體表示。
裝置10為帶有孔8的空心圓柱體9，該孔8從開口頂端7貫通到開口底端6。
裝置10定位于一段套管5內，且通過固定器4保持定位。
裝置的較低部分3被加工成一定的形狀，使得開口底端6如圖所示蓋住套管5的彎曲段1。
在使用中，可方便地將裝置10在工作管柱或撓性管(coiled tubing)上沿套管5向下進入，并且可方便地機械式啟動固定器4。
當裝置10就位后，就將銑刀11在鉆柱12上沿套管5向下。銑刀11從開口頂端7伸進裝置10，向下穿過孔8到達并支放在套管5的彎曲段。如圖3所示，銑刀11陷在裝置10的側面30和套管5之間，并且鉆柱12的后續部分重量使銑刀11偏壓在套管5上。
當銑刀11旋轉時，如圖3所示切入套管5并在其上開出窗口。銑刀11具有細長刀體13，它與裝置10的側面30保持接觸，此時至少形成第一窗口軸向長度的初始部分，最好至少為四分之一。
可以體會到在切削窗口時，銑刀11頂靠著區段30旋轉。需要的話，區段30可具有一層損耗支承層，當裝置10被回收后，可更換該層。或者，需要時也可將區段30加厚或硬化。
可以設想對所描述的裝置進行各種改型，例如裝置10的較低部分3的形狀(繼而是開口底端6的形狀)可加以改變，以便于形成通常所需形狀的窗口。
現轉到圖4，圖中示出了根據本發明的裝置的第二實施例。由附圖標記15總體表示的該裝置為帶有孔19的空心圓柱體16，該孔19從開口頂端17貫通到開口底端18，該孔基本上垂直于開口頂端17所在平面。裝置15具有傾斜的側壁21，該側壁終止于裝置15的底部。
在圖4中，裝置15支放在造斜器20的凹面24上。
在使用中，銑刀25在鉆柱26上下降伸入裝置15，且由傾斜側壁21導致偏斜，與套管壁22相接觸，傾斜側壁21起到造斜器20之凹面24的損耗支承的作用。鉆柱26的重量向下作用在銑刀25上，使銑刀25偏向嵌入套管壁22中，而隨后銑刀25旋轉，開出窗口27。
在該實施例中，造斜器20支承著裝置15，因此該裝置可由比較輕的材料制成。然而可以想到，若裝置15足夠結實，則也可以不用造斜器20。
需要時，裝置15可與造斜器20可拆式相連，并且如果需要，可以在使用前與造斜器20先下降就位。
還可以體會到盡管與固定器4類似的固定器是非常合意的，但并非在所有應用中都必須使用，例如當裝置與造斜器相連時。
現參照附圖5A，圖中示出由附圖標記200總體表示的造斜器組件。
造斜器組件200包含具有凹面204的造斜器202、固定器208和連接裝置206。
造斜器202和固定器208為基本的常規結構，固定器208在與本發明共同所有的US-A-5341873中加以描述。
如圖5B所示，連接裝置206具有上部構件222和(底部)打撈構件216,它們由安全銷210連接，該安全銷設計在43200公斤(95000磅)時失效，且該銷穿過打撈構件216頸部214的孔212及上部構件222低段的孔226。
上部構件222的頂部有凹槽228，用來容納從造斜器202底部向下伸出的突出部。然后造斜器202與上部構件222環繞該突出部焊接起來。
打撈構件216的底端具有突出部218，與固定器208焊接起來。
應注意到打撈構件216具有液體溢流通道211，該通道沿打撈構件216延伸并開口于空腔224中，該空腔成形于上部構件222中。上部構件222也具有與空腔224相通的液體溢流通道230。
在使用中，當需要拆開造斜器組件200時，將帶有鉤子的打撈工具下降直到到達凹面204。然后操縱鉤子直到其進入凹面204內的矩形槽中。然后提升打撈工具。這會導致安全銷210失效，于是可收回造斜器202，液體溢流通道230便于上部構件222與打撈構件216的分離。
一但造斜器202和上部構件222被收回，可下降另一打撈工具，夾住打撈構件216以回收固定器208。需要時，液體溢流通道211可與一機構相連，以松脫固定器208，盡管固定器208可裝備有各種各樣的機構式或液壓式松脫裝置。
固定器208被松脫后，可被提升到表面并回收。
(本文所使用的術語“打撈構件”指的是為了拆開固定器而可被夾扣住的任何構件，并不局限于具有特別適合于被抓鉤取回的突邊和/或卡圈的構件。)現參照附圖6A至6D，圖中示出由附圖標記400總體表示的銑刀。銑刀400含有刀體402，該刀體具有上螺紋端404和在下端412的若干條(可選)刀片408。刀片408的導向面和銑刀400的底部均包覆有切削和/或磨削材料，例如帶或不帶分屑槽的銑削刀頭片和/或碳化鎢刀頭。
第一液流孔406(圖6C)從刀體402頂端下伸并分成為單一的第二液流孔，該孔是第一液流孔406的有效延伸(只是直徑小于第一液流孔406)；以及若干斜向液流孔16，這些斜孔從第一液流孔406向下和向外傾斜，且直徑小于第一液流孔406和第二液流孔的直徑。
第二液流孔開口于銑刀400的旋轉軸上，且孔內具有與銑刀400底部相似的切削和/或磨削材料。
在使用中，在銑刀400旋轉的同時，鉆探泥漿被泵送落入第一液流孔406。已經發現第二液流孔內具有切削和/或磨削材料能夠顯著提高鉆探效率。據估計在斜向液流孔16內側施加切削和/或磨削材料，會進一步略微提高效率。
現參照附圖7A和7B，圖中示出由附圖標記420總體表示的銑刀。銑刀420與銑刀400基本相似，由具有上螺紋端424的刀體422構成。但銑刀420不帶刀片。銑刀底面和底部側面均包覆有磨削材料，是由碳化鎢刀頭釬焊而成的。
第一液流孔426從刀體422頂端下伸并分成為單一的第二液流孔438，該孔是第一液流孔426的有效延伸(只是直徑較小)；以及若干斜向液流孔428，斜孔的直徑小于第一液流孔426和第二液流孔438的直徑。
如圖所示第二液流孔438內具有磨削材料。
圖8展示了由附圖標記270總體表示的常規西瓜銑刀。西瓜銑刀270具有刀體272，該刀體具有上螺紋端274、下端276和若干個側面包覆有銑削刀頭片和/或粘結銑削材料279的刀片278。
應注意到刀片278的外表面沒有包覆任何形式的研磨材料，而且實際上被修磨光滑，從而不會損傷在使用中所靠壓的造斜器表面。
圖9展示了根據本發明的改進型西瓜銑刀，以附圖標記290總體表示。西瓜銑刀290具有刀體292，該刀體具有上螺紋端294、下端296、和若干個刀片298，各刀片的側面及徑向外端均包覆有銑削刀頭片和/或粘結銑削材料。
改進型西瓜銑刀290在管材內開窗口時具有特殊用途，本文下面將參照附圖10A、10B和11加以描述。
圖10A所示銑削系統300包含有引子銑刀即窗口銑刀310和改進型西瓜銑刀312；它們由頸部322連接。改進型西瓜銑刀312的頂部與單獨一段鉆桿相連，該段鉆桿與鉆鋌底部相連。鉆鋌增加了銑削系統300的重量，而鉆桿則增加了柔性。
如圖10A所示，銑刀310底端支放于造斜器306的凹面304上，且銑刀310偏向壓靠套管。銑刀310和改進型西瓜銑刀312的尺寸和位置被設定成使得銑刀310開出初始窗口，而改進型西瓜銑刀312與管材嵌合但不接觸凹面304(圖10B)。由于改進型西瓜銑刀312不接觸凹面304，各刀片徑向外端的切削和/或銑削材料不會損傷凹面304，否則凹面304將被嚴重損傷。通過利用改進型西瓜銑刀312，可形成窗口及其邊緣，減少或省去了在停止銑削后要修整窗口的需要。這可以省去一個完整的“行程”，因此能節省相當大量的時間和金錢。此外，改進型西瓜銑刀312的粗糙外表面使所需轉矩降低，并且當其穿過窗口時可將窗口底部套管上的任何唇邊打磨平滑。
當需要開較大的窗口時，可使用銑削系統350(圖11)。該系統包含有窗口銑刀360、常規西瓜銑刀362和一個改進型西瓜銑刀364。在使用中，引子銑刀(未示出)在套管352上先切割出初始窗口并退出。然后銑削系統350下降就位并旋轉。窗口銑刀360穿過套管352周圍的環形水泥354進入鉆擴成形。
常規型西瓜銑刀362支承在造斜器359的凹面358上，并開始開窗口，而改進型西瓜銑刀364則進一步擴大窗口并修整窗口邊緣。此方案被設計成使得改進型西瓜銑刀364的支承處與造斜器359的凹面358之間具有最小間隙。
現場實驗已表明，使用改進型西瓜銑刀364可節省非常大量的時間。
權利要求
1．一種用于在管材中開窗口的方法，其特征在于所述方法包含以下步驟將帶通孔(8；19)的裝置(10；15)放置在所述管材(5；22)中的所需位置；將銑刀(11；25)導入所述裝置(10；15)中，直到所述銑刀(11；25)作用于所述裝置(10；15)和所述管材(5；22)之間；以及旋轉所述銑刀(11；25)，在所述管材(5；22)中開窗口。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于所述管材(5；22)為一段套管。
3．如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，它還包含下述步驟在導入所述銑刀(11；25)之前，先將所述裝置(10；15)固定在所述管材(5；22)中。
4．如權利要求1,2或3所述的方法，其特征在于，它還包含下述步驟在窗口成形后，將銑刀(11；25)移出管材(5；22)。
5．如權利要求1,2,3或4所述的方法，其特征在于，它還包含下述步驟在窗口成形后，將裝置(10；15)移出管材(5；22)。
6．如權利要求4和5所述的方法，其特征在于，它還包含下述步驟將銑刀(11；25)和裝置(10；15)一同移出管材(5；22)。
7．如上述任一權利要求所述的方法，其特征在于，它還包含下述步驟將所述裝置(15)支承在造斜器(20)上。
8．一種用于權利要求1所述方法中的裝置(10；15)，該裝置(10；15)包含具有通孔(8；19)的圓柱體(9；16)，該通孔從一個開口端(7；17)貫通到另一開口端(6；18)。
9．如權利要求8所述的裝置，其特征在于，它還具有固定器(4)，當所述管材使用時，該固定器使所述圓柱體(9；16)與所述管材(5；22)保持斜接。
10．如權利要求8或9所述的裝置，其特征在于所述另一開口端(6；18)傾斜于所述開口端(7；17)所在平面。
11．如權利要求10所述的裝置，其特征在于所述另一開口端(18)基本垂直于所述開口端(7)所在平面。
12．如權利要求8,9,10或11所述的裝置，其特征在于，它連接于造斜器。
13．如權利要求8至12中任一項所述的裝置，其特征在于一個具有細長刀體(13)的銑刀(11)。
14．如權利要求13所述的裝置，其特征在于所述銑刀(11)含有帶外研磨表面的銑削部分，并且所述細長刀體(13)外徑基本光滑且與銑削部分的直徑基本相同，該細長刀體可用來靠壓所述裝置(10)而所述銑削部分用來靠壓所述套管(5)。
15．一種含有造斜器(202)的造斜器組件(200)，其特征在于所述造斜器組件(200)還含有連接裝置(206)，用于造斜器(202)與固定器(208)的可脫開式連接。
16．如權利要求15所述的造斜器組件，其特征在于，所述連接裝置(206)包含具有空腔(224)的第一構件(222)，伸入所述空腔(224)中并與之可脫開式連接的打撈構件(216)。
17．如權利要求16所述的造斜器組件，其特征在于，它包括至少一個與所述空腔(224)相通的液體溢流通道(211；230)，以便于所述第一構件(222)和所述打撈構件(216)的分離。
18．如權利要求15,16或17所述的造斜器組件，其特征在于所述連接裝置(206)含有安全銷(210)，該銷的失效能確保所述造斜器(202)與所述固定器(208)分離。
19．如權利要求15,16,17或18所述的造斜器組件，其特征在于，它包括有所述固定器(208)。
20．如權利要求19所述的造斜器組件，其特征在于所述固定器(208)為封隔器。
21．一種在管材中開窗口的方法，該方法包含以下步驟將如權利要求15所述的造斜器組件安置在管材中，在所述管材中開出所述窗口，并通過以下方式回收所述造斜器組件中的造斜器，即用打撈工具與所述造斜器(202)咬合、施加足夠的力使所述造斜器(202)與所述固定器(208)分離、并收回所述造斜器(202)。
22．一種用于在管材中銑削窗口的銑刀(400；420)，該銑刀包含刀體(402；422)，該刀體具有可與鉆柱相連接的上端，裝備有銑削和/或切削材料的下端，大致沿所述刀體軸向延伸的第一液流孔(406；426)，從第一液流孔伸出且大致在旋轉軸處開口于所述刀體(402；422)外表的第二液流孔，以及若干從所述第一液流孔(406；426)伸出、并在第二液流孔周圍開口于所述刀體外表的斜向液流孔(416,438)，其特征在于所述第二液流孔襯有一層銑削和/或切削材料(413,436)。
23．如權利要求22所述的銑刀，其特征在于至少所述斜向液流孔(416；438)之一也具有一層銑削和/或切削材料。
24．如權利要求22或23所述的銑刀，其特征在于所述第二液流孔的直徑小于所述第一液流孔(406；426)。
25．如權利要求22,23或24所述的銑刀，其特征在于所述斜向液流孔的直徑小于所述第二液流孔，至少在孔內鑲襯切削和/或磨削材料之前即如此。
26．一種改進型西瓜銑刀(290)，該銑刀具有若干個裝備有切削或磨削材料的刀片(298)，其特征在于至少所述刀片(298)之一的徑向外端敷有切削或磨削材料。
27．一種在管材中開窗口的方法，該方法包含以下步驟利用由造斜器支承的窗口銑刀開出窗口，再利用與所述引子銑刀相連的第二銑刀擴大所述窗口，其特征在于所述第二銑刀含有如權利要求26所述的改進型西瓜銑刀，并且所述方法還包含下述步驟所述改進型西瓜銑刀被設定尺寸并布置成，使得其在使用中不會觸及(或不會明顯靠壓)所述造斜器。
28．一種用于在穿過地層延伸的井筒內的管材中開窗口的方法，該方法包括運轉與造斜器可脫開式固定的引子銑刀進入井筒，伸入要在其上開窗口的管材內，將造斜器固定在井筒中的所需位置，將引子銑刀脫離造斜器，旋轉引子銑刀以在管材中形成初始開口，將引子銑刀移出井筒，在初始開口位置將銑削系統導入井筒并進入管材內，銑削系統含有窗口銑刀；頸部構件，其底端與窗口銑刀相連；西瓜銑刀，與頸部構件頂端相連；窗口銑刀具有銑削刀片，為粗糙或光滑的外表面；西瓜銑刀具有銑削刀片，為包鑲著銑削材料的粗糙外表面；并且旋轉銑削系統以銑削管材，在其上形成最終的開口，西瓜銑刀和頸部構件被設定尺寸并布置成使得西瓜銑刀不會銑削造斜器。
29．如權利要求28所述的方法，其特征在于窗口銑刀穿過管材，形成帶有唇邊的窗口，且該方法還包括通過旋轉西瓜銑刀使唇邊光滑。
30．如權利要求28或29所述的方法，其特征在于窗口銑刀具有如權利要求22,23,24或25所述之銑刀的全部特性，且還帶有具光滑徑向外表面的刀片。
全文摘要
一種用于在管材中開窗口的方法,包含以下步驟:將帶有通孔(8;19)的裝置(10;15)置放在所述管材(5;22)內的所需位置;將銑刀(11;25)導入所述裝置(10;15),直到所述銑刀(11;25)作用于所述裝置(10;15)和所述管材(5;22)之間;并且旋轉所述銑刀(11;25),在所述管材(5;22)中開出窗口。
文檔編號E21B10/60GK1209858SQ97191888
公開日1999年3月3日 申請日期1997年1月24日 優先權日1996年1月24日
發明者小威廉姆·艾倫·布利澤德, 戴爾·埃利奧特·蘭福德, 休伯特·尤金·哈爾福德, 約翰·亞歷山大·杜克 申請人:韋瑟福德/拉姆公司