專利名稱：一次起下鉆的銑削系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于穿過管狀套管切割窗口以便從現(xiàn)存的套管穿過地質(zhì)建造鉆斜孔的裝置和方法。
背景技術(shù)：
例如，根據(jù)US-A-6648068，以下內(nèi)容是已知的具有期望從其中進(jìn)行“側(cè)鉆”的井眼套管，并將造斜器和錐形銑刀組合件降下到套管中，在造斜器已經(jīng)被恰當(dāng)定向時(shí)將造斜器錨定至套管，中斷銑刀與造斜器之間的連接，并旋轉(zhuǎn)銑刀同時(shí)靠著造斜器向下移動(dòng)銑刀，以便穿過套管壁切割窗口，并從那時(shí)起繼續(xù)沿期望的方向切入地層。
如US-A-6648068中所公開的那樣，造斜器可以具有斜面，用來沿徑向向外對(duì)著套管的內(nèi)壁移動(dòng)銑刀，并且可以有兩個(gè)大約15°的斜面，這兩個(gè)斜面之間間隔有具有與套管的縱軸成大約3°的角度的另一斜面。銑刀由多個(gè)圓周布置的徑向延伸刀片形成，每個(gè)刀片具有大約15°的錐度，并且銑刀刀片面對(duì)切割材料。在錐形銑刀的上游，可以沿著鉆柱順序地布置淚滴式銑刀和西瓜式銑刀。
應(yīng)該理解，在于套管中切割窗口以及穿過地層側(cè)鉆到達(dá)新的勘探點(diǎn)的操作中，能量產(chǎn)生被停止，因而會(huì)造成收益的損失。因此，人們期望盡可能快速地進(jìn)行銑削和側(cè)鉆操作。本發(fā)明將設(shè)法提供一種可以達(dá)到該目的的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種側(cè)鉆系統(tǒng)，其包括一對(duì)沿縱軸布置的軸向連接的銑刀，每個(gè)銑刀具有多個(gè)錐形的圓周布置的徑向延伸的刀片，每個(gè)刀片具有錐形部分，至少一些刀片上具有切割表面，以用于在套管中切割窗口并然后在地層中側(cè)鉆；以及其上具有至少三個(gè)沿軸向隔開的斜面的造斜器，每個(gè)斜面之間間隔有大致軸向延伸的部分，每個(gè)斜面與縱軸成大致相同的傾角，并且還具有與刀片的錐形部分上的錐度相同的傾角，斜面之間的距離與串聯(lián)連接的銑刀對(duì)的刀片上的錐形部分之間的距離大致相同，其中在銑刀切割其中布置有所述系統(tǒng)的套管之前，斜面支撐兩個(gè)銑刀。
優(yōu)選地，上游銑刀具有比下游銑刀更大的直徑，并且上游銑刀被布置成在下游銑刀之前切割套管。
有利地，由硬化材料制成的按鈕元件朝向銑刀中的每個(gè)上的刀片中的至少一些的較小直徑端布置以與斜面作用，以便有助于防止銑刀銑削造斜器斜面并有助于沿徑向向外移動(dòng)銑刀以切割窗口。
優(yōu)選地，所有刀片上都設(shè)置有按鈕元件。
便利地，切割表面通過天然金剛石、多晶金剛石和碳化鎢中的一種或多種而被設(shè)置。
優(yōu)選地，每個(gè)按鈕元件均具有凸形外表面以刮擦造斜器。
有利地，按鈕元件由天然金剛石或多晶金剛石形成。
有利地，每個(gè)斜面的傾角和刀片上的錐形部分的錐度在與縱軸成7°至30°的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地，每個(gè)斜面的傾角和刀片上的錐形部分的錐度與縱軸成18°。
在本發(fā)明的一個(gè)特征中，提供了一種用來穿過管狀套管切割窗口的一次起下鉆(one trip)的銑削系統(tǒng)，其包括具有多個(gè)圓周布置的徑向延伸的刀片的銑刀，每個(gè)刀片具有錐形部分，至少一些刀片上具有切割表面，以用于切割窗口；以及由硬化材料制成的按鈕元件，其朝向刀片的較小直徑端布置并布置在刀片中的至少一些上以與造斜器的斜面作用，以便沿徑向向外移動(dòng)銑刀以切割窗口。
優(yōu)選地，所有刀片上都設(shè)有切割表面。
有利地，按鈕元件被設(shè)置在所有刀片上。
便利地，切割表面是天然金剛石、多晶金剛石和碳化鎢中的一種或多種。
優(yōu)選地，每個(gè)按鈕元件均具有凸形外表面以刮擦造斜器。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置有兩個(gè)串聯(lián)連接的銑刀，上游銑刀在使用中具有比下游銑刀更大的直徑。
有利地，錐形部分的錐度在與所述系統(tǒng)的縱軸成7°至30°的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地，錐形部分的錐度與所述系統(tǒng)的縱軸成18°。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種側(cè)鉆方法，包括下列步驟將一對(duì)可釋放地連接到造斜器上的串聯(lián)連接的銑刀降下到鉆孔套管中，每個(gè)銑刀具有多個(gè)圓周布置的徑向延伸的刀片，每個(gè)刀片具有錐形部分，并且造斜器上設(shè)置有至少三個(gè)沿軸向隔開的斜面，每個(gè)斜面之間間隔有大致軸向延伸的部分，每個(gè)斜面與縱軸之間具有大致相同的傾角，并且刀片的錐形部分上的錐度具有相似的傾角，斜面之間的距離與刀片的錐形部分之間的距離大致相同，將造斜器定向，使得斜面轉(zhuǎn)向用于在套管中切割窗口并切入地層到達(dá)期望的新位置的期望的方向，釋放銑刀與造斜器之間的連接，旋轉(zhuǎn)銑刀并向下移動(dòng)銑刀，使得每個(gè)相應(yīng)的銑刀的錐形刀片刮擦相應(yīng)的斜面，銑刀靠在斜面上的向下移動(dòng)使銑刀中的上游銑刀首先切割套管，并且繼續(xù)的向下移動(dòng)使下游銑刀切割套管，繼續(xù)的向下移動(dòng)使窗口被切入到套管中，并使側(cè)鉆操作穿過地層而被執(zhí)行。
由于下游銑刀具有比上游銑刀更小的直徑，所以增大了穿透速度，從而導(dǎo)致更快的側(cè)鉆。


現(xiàn)在將參考附圖，通過舉例的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，在附圖中圖1示出了位于套管的縱向截面中的根據(jù)本發(fā)明的側(cè)鉆系統(tǒng)，圖2、3和4示出了在套管內(nèi)的窗口切割操作期間，銑刀沿著造斜器的不同操作位置的局部視圖，并且圖5示出了造斜器的內(nèi)表面的局部視圖。
在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，管狀、通常為鋼質(zhì)的套管2襯在地層1中所形成的鉆孔內(nèi)。套管內(nèi)布置有造斜器3，一旦將造斜器恰當(dāng)定向，該造斜器便通過錨定組件4被設(shè)置在套管中的恰當(dāng)位置上，其中錨定組件4例如通過液壓導(dǎo)向管5而被操作，或者可選地，錨定組件也可被機(jī)械坐封。具有縱軸的一次起下鉆的銑削系統(tǒng)6，通過具有多個(gè)圓周布置的徑向延伸刀片的第一銑刀8，同樣具有多個(gè)圓周布置的徑向延伸刀片的第二銑刀9，以及所謂的西瓜式銑刀10的串聯(lián)連接，而形成在鉆柱軸環(huán)(drillstring collar)7上。至少一些錐形刀片，并且優(yōu)選地，所有刀片中的每個(gè)，具有由天然金剛石、多晶金剛石和碳化鎢中的一種或多種形成的切割表面。第一銑刀具有比第二銑刀小的直徑，下文會(huì)對(duì)此進(jìn)行說明。
最初，如圖2所示，通過可釋放連接件21將銑削系統(tǒng)6固定在造斜器3上。通常，可釋放連接件是易卸螺栓21，其被固定在造斜器上，并且最初也被固定在銑削系統(tǒng)(例如，第一銑刀8)上。
造斜器3具有弓形地形成以與套管2的內(nèi)表面大致一致的外表面，并且造斜器具有在內(nèi)部弓形地形成的凹面以與銑削系統(tǒng)6的銑刀協(xié)同工作。造斜器設(shè)置有沿該造斜器縱向隔開的斜面31、32和33，斜面與套管縱軸成7°至30°的范圍內(nèi)的角度，并且優(yōu)選地，斜面與套管縱軸成18°的角度。盡管如果需要可以設(shè)置更多的斜面，但圖中示出了三個(gè)斜面。斜面之間間隔有與套管縱軸成0°-5°的角度的大致筆直的部分34、35。
如圖5所示，斜面的表面可以覆有金剛石元件或碳化鎢元件36以便向銑削系統(tǒng)6提供抗磨性。這些元件優(yōu)選地被銅焊到造斜器上，并且這些元件可以具有平面或半球形外表面?？梢圆捎帽人境龅脑嗷蚋俚脑?。
第一銑刀8和第二銑刀9中的每個(gè)均具有多個(gè)具有例如拋物線形狀的刀片81、91，刀片81、91具有大致平坦的錐形部分82、92，錐形部分82、92中的每個(gè)均具有沿著使用中的方向朝鉆孔底部的錐度，以提供與銑削系統(tǒng)的縱軸成7°至30°的傾角，優(yōu)選地為18°的傾角，并且該傾角合乎需要地與造斜器上的斜面31、32和33的角度相一致。在一些錐形部分82、92的下部，或者優(yōu)選地，在每個(gè)錐形部分82、92的下部，設(shè)有由例如天然金剛石或多晶金剛石的硬化材料制成的按鈕元件83、93。按鈕元件83、93被凹進(jìn)至少一些刀片(優(yōu)選地為所有刀片)中的孔內(nèi)，使得只有5％-10％的按鈕元件從刀片突出。典型地，按鈕元件突出的量為大約0.8mm，并且按鈕元件可以具有平面的或者優(yōu)選地為凸形的外表面，以減小對(duì)造斜器的斜面31、32和33的刮擦。優(yōu)選地，所有刀片上都設(shè)置有按鈕元件。
刀片81、91使錐形部分82、92在其下端連接到更加傾斜的切割表面84、94，并且在錐形部分的上端，分別是大致垂直延伸的切割表面85、95，切割表面85、95繼而分別連接到向內(nèi)傾斜的切割部分86、96。銑刀8的下端設(shè)置有大致水平的切割表面87。
在操作中，為了執(zhí)行側(cè)鉆，在圖2中所示的位置，造斜器和一次起下鉆的銑削系統(tǒng)通過螺栓21組合連接在一起，并被降下到套管2中。當(dāng)位于套管內(nèi)的恰當(dāng)?shù)奈恢酶叨葧r(shí)，通過凸出物(spigot)22連接到造斜器上的錨定組件4，通過旋轉(zhuǎn)而被定向以具有期望的極座標(biāo)以側(cè)鉆到新的鉆孔位置。錨定組件4在優(yōu)選實(shí)施例中經(jīng)由液壓管5水力坐封，并且造斜器與銑削系統(tǒng)6之間的螺栓21連接被釋放，優(yōu)選是被易卸地釋放，以通過向上或向下垂直地移動(dòng)銑削系統(tǒng)來避開螺栓。在該方面中，與US-A-6648068中所示的系統(tǒng)不同，由于下面的第一銑刀8不是連接在斜面31、32之一上，而是布置在中間位置上，所以可以沿向下的方向避開螺栓21。
當(dāng)將銑削系統(tǒng)6從造斜器釋放時(shí)，銑削系統(tǒng)因而旋轉(zhuǎn)并在套管2內(nèi)沿縱向向下移動(dòng)，使得按鈕元件83、93刮擦斜面31、32上的元件36。由于按鈕元件83、93和元件36，所以基本上可以防止銑刀8、9的切割銑削表面銑削造斜器的斜面，而切割銑削表面銑削造斜器的斜面是現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。而且，由于第一和第二銑刀的錐形部分之間的距離被布置成與造斜器上的斜面之間的距離相同，所以每個(gè)銑刀8、9具有與相應(yīng)斜面嚙合的刀片，從而分擔(dān)了施加給銑削系統(tǒng)的向下的力。因此，切割負(fù)荷大致平均地分擔(dān)在斜面31、32之間，并且因此，優(yōu)于單個(gè)錐形銑刀與斜面嚙合的現(xiàn)有技術(shù)，使用本發(fā)明可以增大向下的力。按鈕元件83、93還可以減小切入造斜器中而不是套管中的風(fēng)險(xiǎn)。
在圖3中所示的位置，軸向、縱向上較低的第一銑刀8具有比上游的第二銑刀9更小的外徑，并且是能夠與筆直部分34并排布置的直徑，并且第二銑刀9具有比套管2的內(nèi)徑稍小的直徑。合乎需要的是，切割表面至少在按鈕元件接觸到套管壁之前開始切割窗口。由于銑刀刀片縱向向下移動(dòng)各個(gè)斜面31、32，所以使銑削系統(tǒng)向右(如圖所示)偏離軸，結(jié)果是刀片91的切割表面開始在套管2中切割窗口。利用沿著斜面31、32的繼續(xù)移動(dòng)，使第一銑刀切割表面也與套管壁接觸并開始銑削另外的窗口。
當(dāng)銑刀8、9已經(jīng)越過筆直部分35、34時(shí)，正由上游銑刀9所銑削的窗口與由第一銑刀8銑削的窗口連通。銑刀8、9進(jìn)一步的向下移動(dòng)使它們沿著斜面32、33移動(dòng)，并使銑削系統(tǒng)進(jìn)一步偏離，直到銑刀9的刀片刮擦斜面33，這樣，銑刀8不再與造斜器接觸，而是在它接著沿另一筆直部分36和具有典型地在與縱軸成3°至15°的范圍內(nèi)的角度的錐形部分37行進(jìn)時(shí)，被移動(dòng)成進(jìn)入切割地層的狀態(tài)。
由于前面的銑刀即下游的第一銑刀8具有比銑刀9更小的直徑，所以可以獲得更大的特別是穿過地層的穿透速度。銑削系統(tǒng)繼續(xù)向下的移動(dòng)使銑刀退出套管2并朝向新的鉆探位置切入地層1。
權(quán)利要求
1.一種側(cè)鉆系統(tǒng)，包括一對(duì)沿縱軸布置的軸向連接的銑刀，每個(gè)銑刀具有多個(gè)錐形的圓周布置的徑向延伸的刀片，每個(gè)刀片具有錐形部分，至少一些刀片上具有切割表面，以用于在套管中切割窗口并然后在地層中側(cè)鉆；以及其上具有至少三個(gè)沿軸向隔開的斜面的造斜器，每個(gè)斜面之間間隔有大致軸向延伸的部分，每個(gè)所述斜面與縱軸成大致相同的傾角，并且還具有與刀片的所述錐形部分上的錐度相同的傾角，斜面之間的距離與串聯(lián)連接的銑刀對(duì)的刀片上的錐形部分之間的距離大致相同，其中在銑刀切割其中布置有所述系統(tǒng)的套管之前，斜面支撐兩個(gè)銑刀。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中上游銑刀具有比下游銑刀更大的直徑，并且上游銑刀被布置成在下游銑刀之前切割套管。
3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中由硬化材料制成的按鈕元件朝向所述銑刀中的每個(gè)上的所述刀片中的至少一些的較小直徑端布置以與斜面作用，以便有助于防止銑刀銑削造斜器斜面并有助于沿徑向向外移動(dòng)銑刀以切割所述窗口。
4.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所有所述刀片上都設(shè)置有按鈕元件。
5.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述切割表面通過天然金剛石、多晶金剛石和碳化鎢中的一種或多種而被設(shè)置。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述按鈕元件均具有凸形外表面以刮擦所述造斜器。
7.如權(quán)利要求4或6所述的系統(tǒng)，其中所述按鈕元件由天然金剛石或多晶金剛石形成。
8.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)斜面的所述傾角和刀片上的所述錐形部分的錐度在與縱軸成7°至30°的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述角度為與縱軸成18°。
10.一種側(cè)鉆方法，包括下列步驟將一對(duì)可釋放地連接到造斜器上的串聯(lián)連接的銑刀降下到鉆孔套管中，每個(gè)所述銑刀具有多個(gè)圓周布置的徑向延伸的刀片，每個(gè)刀片具有錐形部分，并且所述造斜器上設(shè)置有至少三個(gè)沿軸向隔開的斜面，每個(gè)所述斜面之間間隔有大致軸向延伸的部分，每個(gè)斜面與縱軸之間具有大致相同的傾角，并且所述刀片的所述錐形部分上的錐度具有相似的傾角，斜面之間的距離與刀片的錐形部分之間的距離大致相同，將造斜器定向，使得斜面轉(zhuǎn)向用于在套管中切割窗口并切入所述地層到達(dá)期望的新位置的期望的方向，釋放銑刀與造斜器之間的連接，旋轉(zhuǎn)銑刀并向下移動(dòng)所述銑刀，使得每個(gè)相應(yīng)的銑刀的錐形刀片刮擦相應(yīng)的斜面，所述銑刀靠在所述斜面上的向下移動(dòng)使銑刀中的上游銑刀首先切割套管，并且繼續(xù)的向下移動(dòng)使下游銑刀切割套管，繼續(xù)的向下移動(dòng)使窗口被切入到套管中，并使側(cè)鉆操作穿過地層而被執(zhí)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種側(cè)鉆系統(tǒng)，其具有一對(duì)串聯(lián)連接的銑刀(8、9)，每個(gè)銑刀具有多個(gè)圓周布置的刀片，這些刀片上具有錐形切割部分(82、92)，以用于在套管中切割窗口并然后在地層中側(cè)鉆。造斜器具有至少三個(gè)沿軸向隔開的斜面，每個(gè)斜面之間間隔有大致軸向延伸的部分。每個(gè)斜面與縱軸之間具有相同的傾角，并且斜面之間的距離與銑刀(8、9)上的錐形部分之間的距離相同，使得在操作中時(shí)，負(fù)荷分擔(dān)在兩個(gè)銑刀之間。銑刀具有由硬化材料制成的位于錐形切割部分上的按鈕(83、93)以使按鈕刮擦造斜器斜面(31、32、33)。
文檔編號(hào)E21B10/26GK101065554SQ200580040210
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者M·C·內(nèi)夫 申請(qǐng)人:M·C·內(nèi)夫