鑽孔銑削裝置的製作方法

2023-07-12 08:34:06 1

專利名稱：鑽孔銑削裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在地下井孔中執行銑削操作的裝置。所述的銑削操作可以包括鑽孔的擴孔或在井筒上切出一個窗口。
美國專利5,551,509和公開號為WO96/09460的國際專利申請PCT/GB95/02267中公開了一種可轉動銑刀的使用方法，在該方法中，首先將銑刀導入油井套管中，然後通過沿固定於油井套管中的造斜器斜面在要開窗口的位置上向下擠壓旋轉銑刀而在油井套管中切出一個窗口。英國專利GB2,306,985公開了一種銑刀，這種銑刀被液壓活塞沿徑向壓入要被切開的套管內，其中液壓活塞沿徑向從鑽頭的馬達殼體內突出並被增壓流體所驅動，同時增壓流體還用於驅動鑽頭的液壓馬達。流體通過一撓性管被注入，並用於在窗口切割過程中穿過殼體沿縱向拉動或頂推銑刀。
現有的窗口切割裝置具有以下缺陷切開的窗口之形狀和位置非常不精確，而且窗口切割操作還很費時，有時還產生大量很難從油井內除去的粗巖粉。
現有的銑削裝置的另一缺陷在於旋轉的銑刀將對銑削裝置施加一個很高而且可變的切向扭矩，而切向扭矩將使銑削裝置沿切線方向移動。因此現有的銑削裝置需要通過導向裝置來導向，例如可靠固定於套管內的造斜器，從而避免銑削裝置在銑削過程中的移動。
本發明的目的在於避免現有銑削裝置的缺陷。
本發明的裝置包括一定子殼體；一個傾斜彎頭，該彎頭可轉動地固定在殼體上並裝配有多個可轉動的銑刀；一個驅動機構，用於相對彎頭轉動各個銑刀；和一迴轉機構，用於相對殼體在一縮回位置和一伸出位置之間迴轉彎頭，其中在縮回位置上每個銑刀都基本與定子殼體對準，在伸出位置上每個銑刀都沿徑向以一定角度沿遠離殼體的方向突出。
該裝置最好裝配有一對可沿相反方向轉動的銑刀，從而產生能夠相互抵銷、方向相反的切向力矩。
沿相反方向轉動的銑刀能夠在套管或其它油井套管內切成一個輪廓分明的窗口，而且被細磨過的窗口邊緣易於密封。
定子殼體最好限定該裝置的一個縱向中心平面，驅動機構最好包括一柔性的驅動軸，該驅動軸可圍繞設置於所述中心平面上的轉動軸線旋轉，而且該驅動軸還構成了位於彎頭內的齒輪機構的輸入軸，所述齒輪機構包括一對沿相反方向轉動的輸出軸，每個輸出軸上安裝有一個銑刀。
迴轉機構最好能夠允許彎頭相對定子殼體圍繞一基本垂直所述中心平面的樞軸轉動；輸出軸最好能夠圍繞相互平行的轉動軸線旋轉，而相互平行的轉動軸線基本定位於距裝置的中心平面等距離處；所述銑刀包括基本為圓筒形的主體，而主體上設置有螺旋狀的銑齒，銑齒的螺旋角數值相等但旋向相反，相鄰的銑刀之銑齒在所述中心平面上或靠近所述中心平面相面對。
驅動機構可以適當地包括一Moineau式的液壓馬達，這種馬達設置有一轉子，該轉子可轉動地安裝於定子殼體的上端，所述馬達固定於撓性驅動軸的上端；所述迴轉機構可包括一液壓活塞，該活塞可滑動地安裝於定子殼體內的Moineau式馬達的出口和彎頭的傾斜上表面之間，從而在使用過程中，使被馬達噴出的增壓傳動流體作用於彎頭的傾斜上表面上，以使彎頭朝向其伸出位置迴轉。
在這種情況下，液壓活塞最好滑動安裝於撓性軸上，而撓性軸最好由彈性材料製成並能夠對彎頭施加一個殘餘扭矩，在沒有液壓力作用於活塞上時，這種殘餘扭矩將使彎頭朝向其縮回位置迴轉。
如果該裝置被用作套管窗口的銑削裝置，那麼最好將一鑽屑收集箱固定於殼體上並位於銑刀之下，在使用時，從馬達噴出的液壓傳動流體將銑刀內的鑽屑衝入收集箱內。
參照附圖，接合如下的詳細說明將會清楚本發明之銑削裝置的特徵、目的及優點，其中


圖1為本發明的銑削裝置的側視圖，在該圖中，一對銑刀位於其縮回的位置上；圖2為權利要求1所述的銑削裝置的縱向剖視圖；圖3示出了圖2的銑削裝置，在該圖中，銑刀處於伸出狀態並正在油井套管上切出一個窗口；圖4示出了根據本發明的銑削裝置的另一實施例，在該實施例中，所述裝置被用作井孔的擴孔裝置。
參見圖1，圖中示出了一個銑削裝置，其包括一定子殼體1，一傾斜彎頭2和一對沿相反方向的雙銑刀3和4。雙銑刀3和4在銑削裝置的對稱中心平面上彼此相面對，該中心平面垂直於圖1所在的平面，並且與附圖所在的平面在中心軸線5處相交。
傾斜彎頭2通過一對鉸鏈銷6可轉動地懸掛於定子殼體1內，鉸鏈銷6允許彎頭2圍繞旋轉軸線7轉動，軸線7大體垂直於中心軸線5和銑削裝置的對稱中心平面。
彎頭2包括一齒輪箱(未示出)，齒輪箱內設置有一撓性輸入軸9和一對平行的輸出軸8，輸出軸8上分別安裝有銑刀3和4，並且當撓性輸入軸9在Moineau式或其它液壓馬達或電機(未示出)的驅動下相對定子殼體1轉動時，如箭頭12所示，輸出軸8可相對彎頭2以相等的速度沿箭頭10所示的相反方向轉動。
銑刀3和4包括大體為圓筒形的主體，該主體上分別以大小相同但方向相反的螺旋角安裝有螺旋狀的銑齒，這些銑齒能夠在銑削裝置的對稱中心平面上相互嚙合。
當銑削裝置被下入油井內時，彎頭2及銑刀3和4處於縮回的輸送狀態下，在該狀態下，銑刀3和4大體平行於銑削裝置的中心軸線5，而且未從定子殼體1內突出，如圖1和2所示。圖2示出了在輸送狀態下，撓性軸9具有彎曲的形狀，彎頭2包括一上部斜面13，該斜面13上設置有一與活塞15的下端相接合的頂部14，活塞15可滑動地設置於定子殼體1的內部。
活塞15和彎頭的上部斜面13形成了一個迴轉機構，該迴轉機構能夠使傾斜彎頭2朝向圖3所示的伸出位置轉動。
圖3示出了被液壓馬達噴出的液體經活塞15的上端與撓性軸9之間的環形開口16流入活塞15的內部18，如箭頭19所示。
環形開口16的流動限制在活塞15之上的空腔20與活塞內部18之間形成了液壓壓力差，這種壓力差將使活塞穿過定子殼體1向下滑動，如箭頭21所示。活塞的下移還向下推動彎頭2的上部斜面13的頂部14，從而使彎頭2相對樞軸線7轉動，如箭頭31所示。
銑刀3和4與彎頭2一起圍繞樞軸線7朝向伸出位置迴轉，並且同時被軸8所轉動，從而在包圍銑削裝置的套管23上切開一個窗口22。
直到彎頭2的整個上部斜面13與活塞15的下端接合時，銑刀3和4向外的迴轉才停止，在該位置上，銑刀3和4以預定的角度從定子殼體1內伸出。液體從活塞的內部18經一出口24噴出，液體以高速從出口24噴向銑刀3和4，從而冷卻其銑齒11並將鑽屑25衝走。接下來，液體通過一懸掛在定子殼體1之底部上的鑽屑收集箱26循環流動，如箭頭27所示。收集箱26內的導板28用於降低液體的流速，從而使鑽屑能夠在重力和/或磁力的作用下與液體分開並沉澱在收集箱的底部，然後，通過收集箱26頂部上的開口29將液體排入圍繞銑削裝置的環形空間內。
當銑刀3和4在油井套管23內切割窗口32時，銑削裝置將通過設置於該裝置之上的活塞(未示出)沿套管被向上拉動，直到窗口22具有所需的長度。該裝置最好通過一撓性油管或鑽柱懸掛於套管23內，在銑削過程中，撓性油管或鑽柱將被逐漸向上拉動，同時該裝置之上的活塞確保該裝置能夠通過套管23以一精確限定的速度在一精確限定的距離內向上移動。
銑刀3和4作用於定子殼體上的平衡力將使該裝置在油井套管23內快速、精確地銑削出一個平直且輪廓清晰的窗口，而且不會在套管內部留下鑽屑。應該理解如果需要，銑刀也可以是非圓筒形的形狀，例如可以是截錐形。在這種情況下，兩個銑刀的轉軸最好相交於該裝置的中心平面上。
圖4示出了根據本發明的裝置的另一實施例，其中該裝置用於無套管的地下鑽孔的擴孔。
圖4所示的裝置上部與圖1-3所示裝置的上部相同，而且相同的附圖標記表示相同的部件。
但是，圖4所示的裝置未包括鑽屑收集箱，其設置有一定子殼體1，該殼體可圍繞中心軸線5轉動，如箭頭40所示。
圖4所示的裝置安裝有一個銑刀4，當定子殼體轉動，且銑刀4相對彎頭2同時轉動時，可完成對井孔41的擴孔作業。彎頭2以相同於圖1-3所示的方式伸出和縮回。
撓性軸9通過設置於彎頭2內的齒輪箱與輸出軸8相連接，或者也可以與輸出軸8一體製成。如果需要，圖4所示的擴孔裝置可以安裝有一對沿相反方向轉動的雙銑刀4，這與圖1-3所示的情況相同。
權利要求
1．一種用於在地下井孔中執行銑削操作的裝置，其包括一定子殼體；一傾斜彎頭，該彎頭可轉動地固定於定子殼體上並設置有多個可轉動的銑刀；一用於相對傾斜彎頭轉動每個銑刀的驅動機構；一個用於使所述傾斜彎頭相對定子殼體在一縮回位置與一伸出位置之間轉動的迴轉機構，其中在縮回位置上，每個銑刀都大體與定子殼體對準，在伸出位置上，每個銑刀都以一定的角度沿側向從定子殼體突出。
2．根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述定子殼體限定該裝置的一個縱向中心平面，所述驅動機構包括一個撓性軸，該撓性軸可圍繞定位於所述中心平面內的轉動軸線旋轉，該撓性軸還形成了一個輸入軸，所述輸入軸可直接或間接與各安裝有一個銑刀的輸出軸相連接。
3．根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述迴轉機構允許傾斜彎頭相對定子殼體繞一基本垂直所述裝置之中心平面的樞軸線轉動。
4．根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於所述傾斜彎頭設置有一對沿相反方向轉動的銑刀，所述銑刀分別安裝於輸出軸上，而所述輸出軸可圍繞相互平行且距所述裝置之中心平面等距離的轉動軸線旋轉，所述銑刀包括基本為圓筒形的主體，所述主體上設置有螺旋狀銑齒，所述銑齒的螺旋角大小相等但旋向相反，相鄰的銑刀之銑齒在所述裝置之中心平面上或在靠近中心平面處相面對。
5．根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述傾斜彎頭設置有一對沿相反方向轉動的銑刀，所述銑刀安裝於輸出軸上，所述輸出軸可分別圍繞轉動軸線旋轉，所述轉動軸線在位於所述中心平面內的相交位置上相交，所述銑刀具有截錐狀的主體，在所述主體上設置有相互嚙合的銑齒。
6．根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述驅動機構包括一液壓馬達，該液壓馬達設置有一轉子，所述轉子可轉動地安裝於定子殼體內並與撓性軸相連接。
7．根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於所述液壓馬達是一個設置於定子殼體上端的Moineau式馬達，所述迴轉機構包括一液壓活塞，所述活塞滑動安裝於定子殼體內Moineau式馬達的出口和傾斜彎頭的上部斜面之間，從而在使用時，被馬達噴出的增壓傳動流體將活塞抵壓在傾斜彎頭的所述上部斜面上，從而使傾斜彎頭朝向其伸出位置轉動。
8．根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於所述液壓活塞滑動安裝於撓性軸上，所述撓性軸由彈性材料製成並對傾斜彎頭施加一個殘餘力矩，在沒有液壓壓力作用於活塞上時，該殘餘力矩將使傾斜彎頭朝向其伸出位置轉動。
9．根據權利要求4和7所述的裝置，其特徵在於所述裝置用於在油井套管內銑削出一個窗口，一位於銑刀之下的鑽屑收集箱固定於所述殼體上，在使用時，從馬達噴出的液壓傳動流體將鑽屑從銑刀上衝入鑽屑收集箱內。
全文摘要
一種用於在地下井孔內執行銑削操作的裝置,其包括:一個傾斜彎頭(2),該彎頭可轉動地固定於一定子殼體(1)上,並且裝配有一個或多個可轉動的銑刀(3,4),使用時,所述銑刀能夠與傾斜彎頭(2)一起從定子殼體(1)轉動到一伸出位置上,從而當定子殼體在井孔內轉動時,在周圍的套管(23)內切出一個窗口,或對井孔進行擴孔。
文檔編號E21B27/02GK1305562SQ99807158
公開日2001年7月25日 申請日期1999年6月9日 優先權日1998年6月10日
發明者馬克·伊曼紐爾·阿莫裡, 西蒙·勞倫斯·費舍, 麥可·愛德華·伯恩汀, 奧諾·威勒姆瑟, 馬克·威爾森·安德森 申請人:國際殼牌研究有限公司