注入鑽頭的製作方法

2023-05-20 14:12:01

專利名稱：注入鑽頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在井管中鑽孔並且用於隨後將流體或流體混合物注入到圍繞該井管的環形空間或巖層內的設備，該設備包括外殼；布置在所述外殼內部的鑽頭組件，該鑽頭組件包括鑽頭，鑽頭具有ー個或更多個切削刃及沿著其外表面延伸的凹槽；以及連接至所述鑽頭組件的旋轉裝置，該旋轉裝置能夠旋轉鑽頭組件。
背景技術：
當建造用於石油和氣體生產的井時，井管被引入到鑽出的井內。為了優化生產，有時需要執行影響圍繞井管的環形空間的操作，例如，注入物質。通常的做法是在井管中形成穿孔並且隨後注入物質。然而形成穿孔並注入物質的任務並不輕鬆。其常常需要在井的內部進行多項耗時的操作。首先，井必須要在穿孔區域 下方被密封。其次，要配置用於形成穿孔的設備。第三，要將用於注入物質通過穿孔的設備降低到井內，以及第四，必須移除已形成的密封，以便井能夠操作。美國專利No. 6，195，853公開了ー種用於在油井中鑽水平孔的設備。該設備包括用於將該設備定位在井中的保持裝置和能夠徑向延伸以便對井的殼體進行穿孔的鑽孔裝置。當該設備定位在井中時，鑽孔裝置能夠通過激活起動鑽孔操作的杆徑向地延伸。美國專利No. 6，772，839公開了ー種用於刺穿井管並且將物質注入通過該刺穿構件到環形空間內的設備。該設備包括適於布置在井管中的工具本體、穿孔組件和用於將該設備定位在井管中的設定組件。該設備還包括至井的表面的流體連接，用於供應將通過該設備註入的物質。當在油井內部執行操作吋，時間是一項關鍵因素。現有技術中示出了許多關於如何在井管中鑽孔並注入物質的例子。然而其是在單獨的操作中被執行，每個操作都要求大量的裝備和執行時間。

發明內容
此處公開的是一種用於在井管中鑽孔並用於隨後將流體或流體混合物注入到圍繞所述井管的環形空間或巖層內的設備。其通過以下來實現，該設備包括流體供應裝置，用於將流體或流體混合物供應到旋轉的鑽頭的凹槽；圍繞鑽頭的鑽密封件，用於將設備相對於井管密封；驅動裝置，用於朝向井管推進鑽頭組件。此處還公開了該設備如何能夠用於執行在井管內部的操作，以及用於將流體或流體混合物注入通過在井管的表面中的穿孔。還公開一種鑽頭，其具有沿著鑽頭的外表面延伸的凹槽和切削刃，還具有外圍安裝的鑽密封件。在該方面的優點在於，對凹槽的鑽孔和注入流體或流體混合物的結合使用。通過使用與鑽頭結合的密封件，凹槽能夠被用於注入目的。其是減少用於將物質注入到圍繞井管的環形空間內所必須的操作次數和時間的方法。
在本發明的一個實施方式中，提供一種設備，其中，沿著鑽頭的外表面延伸的凹槽為螺旋形凹槽。在本發明的另ー實施方式中，提供一種設備，其中，用於將流體或流體混合物供應到凹槽的流體供應裝置流體連接至外殼內部的容器，並且該容器適於容納流體或流體混合物。在本發明的又ー實施方式中，提供一種設備，其中，用於將流體或流體混合物供應到所述凹槽的流體供應裝置連接至鑽頭的與切削刃相対的端部，使得流體能夠經由凹槽，從該設備輸送至環形空間內，而同時鑽頭延伸穿過井管。本發明的其他實施方式在從屬權利要求2、4和6-16中敘述。


在下文中，將參照通過附圖公開所示出的實施方式，較詳細地描述本發明。應當強 調，示出的實施方式僅用於示例目的，而不應當用來限定本發明的範圍。圖la-c是圖3中示出的設備沿橫截面A-A的視圖。圖Ia示出了在鑽頭已經穿透井管的中間位置的鑽頭組件。圖Ib示出了在鑽密封件正接觸井管的內表面的中間位置的鑽頭組件。圖Ic示出了在鑽密封件被擠壓在井管的內表面上的最大延伸位置的鑽頭組件。圖2是鑽密封件的一個實施方式的示意圖。圖3是該設備的一部分在縱向方向上的橫截面視圖。圖4示出了該設備的一個實施方式的示意圖，其在延伸位置具有頂託臂。應當強調，當在本說明中使用吋，術語「包括/包含/由...組成」用來詳細指明所闡明的特徵、整體、步驟或部件的存在，但不排除存在或附加ー個或更多個其他的特徵、整體、步驟、部件或它們的組。
具體實施例方式參照附圖，其中示出了設備(50)的一個實施方式，該設備具有外殼(11)、鑽頭組件和旋轉裝置(14)。該鑽頭組件布置在外殼(11)中並連接至旋轉裝置(14)。鑽頭組件包括鑽套(12)，其為帶有頂板出)的管狀元件的形式、鑽頭(I)和鑽密封件⑵。鑽頭⑴和鑽密封件⑵安裝至頂板(6)。鑽密封件⑵布置為在鑽頭⑴的基部圍繞鑽頭(I)。鑽頭(I)的基部應當被理解為鑽頭(I)與頂板(6)相交的位置。鑽頭(I)具有錐形前端部(4)和穿透頂板￠)的後端部(5)。螺旋形凹槽(3)沿著鑽頭(I)的外表面從前端部(4)延伸至後端部(5)。此外，鑽頭(I)在前端部(4)處並且沿著螺旋形凹槽(3)具有切削刃。鑽頭(I)可被解釋為螺旋鑽。旋轉裝置(14)通過齒輪，例如正齒輪/直齒輪連接至鑽頭組件的鑽套(12)。當被激活時，旋轉裝置(14)旋轉鑽套(12)，引起鑽頭⑴和鑽密封件⑵旋轉。該旋轉裝置可以是例如電動機、液壓裝置或本領域技術人員已知的其他裝置。鑽頭⑴以下述方式安裝至頂板(6):—直延伸至鑽頭⑴的後端部(5)的凹槽
(3)可從該後端部(5)到達。根據操作階段，凹槽(3)是用於移除鑽孔殘渣的鑽孔凹槽或用於注入流體或流體混合物的注入凹槽。
鑽頭組件能夠從如圖3中所示的在外殼(11)內部的縮回位置徑向推進到如圖IC中所示的延伸位置。必要時，鑽頭組件能夠縮到外殼(11)內部的位置。鑽頭組件的徑向運動能夠通過多種驅動裝置獲得，例如，液壓的、機械的或本領域技術人員已知的其他裝置。在一個實施方式中，通過提供液壓到鑽套(12)來移動該鑽頭組件。通過施加壓力到鑽頭組件並推進該鑽頭組件，能夠實現鑽孔操作。在鑽孔操作期間，鑽孔殘渣能夠通過鑽孔凹槽
(3)從鑽頭⑴離開。鑽孔殘渣的尺寸除了別的之外還由鑽頭設計、施加到鑽頭⑴上的壓力的量以及旋轉速度的結合確定。為了達到滿意的鑽孔結果，鑽頭(I)具有特殊加工的切削刃和特殊的切削角。當鑽頭(I)已經一直鑽孔穿過井管(20)時，通過進一步推進該鑽頭組件並因而將鑽密封件(2)擠壓在井管(20)上，形成流體密封。
參照圖2，示出了鑽密封件⑵的一個實施方式的示意圖，其包括外圈(21)，例如唇形密封，以及內圈(22)，例如X-密封。當鑽密封件(2)被擠壓在井管(20)的內表面上並且在外圈(21)的內部形成流體壓力時，在鑽密封件(2)和井管(20)的內表面之間形成流體密封。鑽密封件(2)具有自增強效果，這是由於流體的壓力將增強密封機構。施加於鑽密封件(2)的內表面上的壓力將增強密封效果。已建立的密封形成流體連接，該流體連接從鑽頭(I)的後端部(5)延伸，通過注入凹槽(3)並進入到環形空間或者甚至在特殊環境下進入到圍繞該井的巖層內。當鑽頭組件在其最大延伸位置並且鑽密封件(2)被推壓到井管(20)上時，能夠實現注入操作。通過經由流體供應裝置將流體或流體混合物供應到鑽頭(I)的後端部(5)，流體或流體混合物能夠通過注入凹槽(3)注入到井的環形物內或巖層內。該流體或流體混合物，例如，其中環氧化物，從在外殼(11)內部的一個或更多個容器供應，通過饋送通道(7)至注入凹槽(3)。在一個實施方式中，該設備具有包含不同的流體或流體混合物的不同容器。在饋送通道(7)內部，布置有用於混合供應的流體的裝置(未示出)。例如，該裝置可以為靜態混合器，其通過影響流體路徑使得流體被混合。來自注入流體或流體混合物的壓力將移除在鑽孔操作期間可能已經積累在凹槽中的鑽孔殘渣。如果注入凹槽在注入期間被堵塞，鑽頭則能夠被旋轉以移除阻塞的材料。當鑽頭⑴在徑向方向上移動時，饋送通道(7)的連接至鑽頭⑴的後端部(5)的部分延長。其通過鑽套(12)相對於饋送通道套管(13)移動來實現。當鑽頭(I)朝向延伸位置移動時，在鑽套(12)和饋送通道套管(13)之間的重疊逐漸減少，從而增加饋送通道的總長度。為了控制鑽頭(I)的位置，傳感器系統結合在設備(50)中。該傳感器系統用於通過同時旋轉鑽密封件(2)並將該鑽密封件(2)擠壓在井管(20)的內表面上來避免損害該鑽密封件(2)。當鑽頭(I)已經穿透井管(20)時，鑽頭組件的旋轉停止在預定的位置。該鑽頭組件接著被推進並且鑽密封件(20)被擠壓在井管(20)的內表面上，以致以流體密封的方式與井管(20)接合。在一個實施方式中，傳感器系統為磁性傳感器系統，其包括剛性連接於鑽套(12)的磁體(未示出)和布置在外殼(11)內部的傳感器(未示出)，用於檢測鑽頭(I)在徑向方向上的精確位置。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，可以以許多不同的方式形成上述的傳感器系統。本發明的用途在該設備的描述之後，將對其用途和操作進行進一步的詳細說明。適合用於在井的內部操作的設備藉助傳統的裝置，例如螺線管材、鑽柱或本領域技術人員已知的其他裝置插入到井管內，因而將不再進行任何細節的描述。一旦該設備處於所考慮的位置，則頂託臂(41)從外殼(11)延伸，例如，參見圖4。頂託臂(41)的目的是在鑽孔和注入操作期間將該裝置固定在井管的內部。當裝置被擠壓在井管的內表面上時，通過將鑽頭組件朝向井管(20)的內表面在徑向方向上移動來開始鑽孔操作。通過旋轉和逐漸地推進鑽頭，鑽頭的切削刃能夠鑽孔穿過井管(20)。當鑽頭已經一直切削穿過井管
(20)時，通過進一步推進該鑽頭組件鑽密封件(2)被擠壓在井管(20)的內表面上。通過鑽頭(I)的注入通道(3)形成的流體密封流動通路可被用於使流體或流體混合物注入到環形 空間內。如果流體或流體混合物，例如，環氧化物，在壓力下供應至鑽頭(I)的後端部(5)，該流體或流體混合物將流動通過注入凹槽(3)並且進入到圍繞井的環形空間內。在流體或流體混合物已經被注入之後，鑽頭(I)縮回至如圖3中所示的外殼(11)內部的位置。頂託臂(41)縮回並且該設備不再固定於井管的內部。該設備接著能夠被移動，以執行在不同位置的操作，或者被拉出井並為後續的重新配置做準備。上文中所描述的鑽孔設備的用途不限於井管。該鑽孔設備也可用於其他的管狀結構，例如但不限於管道系統、汙水管、水管、廢水管、落水管、通風井、煙囪、風力渦輪機塔架、隧道或窄井。應當指出，附圖以及上文中的說明已經以簡單且示意性的方式示出示例性實施方式。沒有示出內部的電子的和機械的具體細節，因為本領域技術人員應熟悉這些細節並且它們也僅能不必要使本說明變得複雜。
權利要求
1.一種用於在井管中鑽孔並用於隨續將流體或流體混合物注入到圍繞所述井管的環形空間或巖層內的設備，其特徵在於，所述設備包括 (a)外殼； (b)鑽頭組件，所述鑽頭組件布置在所述外殼內部，所述鑽頭組件包括 鑽頭，所述鑽頭具有ー個或更多個切削刃以及凹槽，所述ー個或更多個切削刃以及凹槽沿著所述鑽頭的外表面延伸； (c)旋轉裝置，所述旋轉裝置連接至所述鑽頭組件，所述旋轉裝置能夠使所述鑽頭組件旋轉； (d)流體供應裝置，所述流體供應裝置用於將流體或流體混合物供應到所述旋轉鑽頭的所述凹槽； (e)鑽密封件，所述鑽密封件圍繞所述鑽頭，用於將所述設備相對於所述井管密封； (f)驅動裝置，所述驅動裝置用於朝向所述井管推進所述鑽頭組件。
2.根據權利要求I所述的設備，其中，沿著所述鑽頭的外表面延伸的所述凹槽為螺旋形凹槽。
3.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，用於將流體或流體混合物供應到所述凹槽的所述流體供應裝置流體地連接至位於所述外殼內部的容器，所述容器適於容納流體或流體混合物。
4.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，用於將流體或流體混合物供應到所述凹槽的所述流體供應裝置流體地連接至位於所述外殼內部的複數個容器，所述複數個容器適於容納不同的流體或流體混合物。
5.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，用於將流體或流體混合物供應到所述凹槽的所述流體供應裝置連接至所述鑽頭的與所述切削刃相対的端部，使得流體能夠經由所述凹槽從所述設備輸送至環形空間內，同時所述鑽頭延伸穿過所述井管。
6.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述鑽頭能夠相對於所述鑽密封件運動。
7.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述驅動裝置適合能夠使所述鑽頭組件縮回。
8.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，注入的所述流體的壓カ將增強所述鑽密封件對所述流體或流體混合物的注入的密封效果。
9.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述鑽密封件具有收斂的內面。
10.根據前述權利要求中任一項所述的設備，包括用於確定所述鑽頭在徑向方向上的位置的傳感器。
11.根據權利要求10所述的設備，其中，所述傳感器為磁性傳感器，所述磁性傳感器包括剛性地安裝至所述套管的磁體以及布置在所述外殼內部用於檢測所述磁體的位置的傳感器。
12.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述鑽頭組件包括可旋轉的鑽套，所述可旋轉的鑽套連接至所述鑽頭並且連接至所述驅動裝置。
13.根據權利要求12所述的設備，其中，所述鑽套連接至所述旋轉裝置。
14.根據權利要求13所述的設備，其中，所述鑽密封件安裝在所述鑽套上。
15.根據權利要求8所述的設備，其中，所述鑽密封件安裝在所述外殼上。
16.根據前述權利要求中任一項所述的設備，包括用於將所述設備緊壓在所述井管的內表面上的裝置。
17.根據前述權利要求中任一項所述的設備的用途，用於執行在井管內部的操作。
18.根據權利要求16所述的設備的用途，用於將流體或流體混合物注入通過在井管的表面中的穿孔。
19.一種用於與權利要求1-18中任一項所述的設備一起使用的鑽頭，所述鑽頭具有沿著所述鑽頭的外表面延伸的凹槽和切削刃，所述鑽頭還具有外圍安裝的鑽密封件。
20.ー種將流體注入巖層內的方法，該方法使用根據權利要求1-18中任ー項所述的設備，其中，使用所述鑽頭在井管中鑽孔，並且在所述鑽頭延伸穿過所述井管的同時注入所述 流體。
全文摘要
一種用於在井管中鑽孔並用於隨後將流體或流體混合物注入到圍繞井管的環形空間或巖層內的設備。該設備包括外殼和布置在外殼內部的鑽頭組件。在鑽頭組件中，布置有鑽頭，鑽頭具有切削刃和沿著鑽頭外表面延伸的凹槽。該設備還包括能夠旋轉鑽頭組件的旋轉裝置以及用於將流體或流體混合物供應到旋轉鑽頭的凹槽的流體供應裝置。密封件圍繞鑽頭並能夠相對於井管的內表面密封設備。
文檔編號E21B7/04GK102812201SQ201080061196
公開日2012年12月5日 申請日期2010年11月9日 優先權日2009年11月13日
發明者埃多·伯克霍爾茨, 於爾蓋爾·格克汗, 克勞斯·瓦爾曼 申請人:馬士基橄欖和氣體公司