專利名稱：在地下巖層中開(kāi)槽的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一穿越地下巖層(地下構(gòu)造)的井的旁邊開(kāi)槽的裝置和方法。
在油井和天然氣井的開(kāi)鑿技術(shù)中常常需要對(duì)巖層(地層)和/或井壁和周圍的水泥套筒打孔，以便把巖層中的流體引入井孔中。
通常的做法是用聚能炸藥射孔槍進(jìn)行這類打孔，該槍噴射出高速金屬粒子穿過(guò)井壁和水泥套筒而進(jìn)入周圍巖層。
人們已作出種種努力設(shè)計(jì)可在地下井孔旁打出不致于象使用射孔槍時(shí)那樣使周圍巖層變形和壓實(shí)的槽的裝置。
美國(guó)專利說(shuō)明書(shū)No.3225828公開(kāi)了一種包括一圓形槽切割輪的井下開(kāi)槽裝置。在使用該現(xiàn)有裝置時(shí)，該切割輪一邊局部地伸出該裝置外殼之外，一邊轉(zhuǎn)動(dòng)而在周圍井壁或井孔中開(kāi)出一槽，然后切割輪退入外殼中，該裝置從井中抽出。使用圓形槽切割輪的其它裝置可見(jiàn)美國(guó)專利說(shuō)明書(shū)No.4,106,561和4,220,201。
現(xiàn)有開(kāi)槽裝置的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于切割輪的最大尺寸小于鉆孔直徑的50％，因此在地下巖層中開(kāi)出的槽的深度較小。
本發(fā)明的目的是提供可加大在一穿越地下巖層的井的旁邊打出的槽的面積和深度、從而提高井孔與周圍巖層間的流通性的裝置和方法。
本發(fā)明裝置包括一鉸接在一殼體上的鋸臂，使得該鋸臂可在其基本平行于該殼體的縱向軸線的第一位置和其偏離該殼體的縱向軸線的第二位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)，該鋸臂配備有其上裝有一列切割元件的無(wú)端(環(huán)形)鏈條和使該鏈條圍繞該鋸臂轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。
最好是，該鋸臂由一橢圓形刀片構(gòu)成，而使無(wú)端鏈條圍繞鋸臂轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置包括一由一Moineau型容積式液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸。為了一邊轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條，一邊用鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)鋸臂，本發(fā)明裝置可包括一液壓活塞組件、一按照馬達(dá)上的液壓差使鋸臂逐漸轉(zhuǎn)向第二位置的鉸鏈機(jī)構(gòu)以及一在馬達(dá)上的液壓差消失時(shí)使鋸臂轉(zhuǎn)回第一位置的彈簧機(jī)構(gòu)。
該鉸鏈機(jī)構(gòu)最好包括一固定在鋸臂的受支撐端上的正齒輪，而該活塞組件包括一齒條，該齒條上的齒與正齒輪嚙合。
本發(fā)明方法包括如下步驟把一切割裝置下降到井中，該切割裝置包括一鋸臂，該鋸臂與一殼體鉸接，其上套有一無(wú)端鏈條，無(wú)端鏈條上裝有切割元件；一邊用鉸鏈?zhǔn)逛彵蹚钠淦叫杏谠摎んw的縱向軸線的第一位置逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)到其偏離所述縱向軸線的第二位置，一邊使無(wú)端鏈條圍繞鋸臂轉(zhuǎn)動(dòng)。在開(kāi)完槽后，用鉸鏈把鋸臂轉(zhuǎn)回第一位置后從井中抽出該切割裝置或把它移到另一有待切割的井下地點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖舉例詳述本發(fā)明，附圖中

圖1為一豎直井的不按比例的局部剖面圖，井中布置有本發(fā)明切割裝置；以及圖2為以不同于圖1比例繪制的該切割裝置的局部剖面圖。
圖1中示出一穿越地下巖層2的井1，井1包括其中裝有一套管5的鉆孔3。套管5與鉆孔3的壁之間的環(huán)形空間中充滿水泥7。
本發(fā)明切割裝置10包括外殼11和一鉸接在外殼11上的鋸臂15。鋸臂15上套有一無(wú)端鏈條24，該鏈條上裝有切割件25。該切割裝置10還包括一把鋸臂15與外殼11鉸接的裝置17、一馬達(dá)(未畫(huà)出)和一使無(wú)端鏈條24圍繞鋸臂15轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置20。
該切割裝置10在井1中懸掛在管21的底端。在把該切割裝置10向下放入井1中時(shí)，鋸臂15保持其與外殼11縱向軸線I平行的第一位置。當(dāng)該切割裝置到達(dá)有待于在套管5和周圍巖層2中切割的位置時(shí)，開(kāi)動(dòng)馬達(dá)而驅(qū)動(dòng)無(wú)端鏈條24。同時(shí)鋸臂15慢慢轉(zhuǎn)向其偏離外殼11縱向軸線I的第二位置。如圖1所示，在第二位置上，鋸臂15與外殼11縱向軸線I垂直。然后切割裝置10向上移動(dòng)通過(guò)井1，無(wú)端鏈條24上的切割伸25開(kāi)出一穿過(guò)套管5、水泥套筒7和周圍巖層2的狹長(zhǎng)槽23。當(dāng)狹長(zhǎng)槽23達(dá)到所要求長(zhǎng)度時(shí)，鋸臂15轉(zhuǎn)回到第一位置，然后從井1中抽出切割裝置10。狹長(zhǎng)槽23每一面的表面積等于狹長(zhǎng)槽23的長(zhǎng)度乘以狹長(zhǎng)槽23的與井1垂直的深度。
鋸臂15的長(zhǎng)度選擇成狹長(zhǎng)槽23的深度等于鉆孔2的直徑的0.25-3.0倍或以上，最好為鉆孔2直徑的0.5-1.50倍。
下面結(jié)合圖2詳述圖1所示切割裝置10。切割裝置10包括一外殼11以及一與外殼11鉸接的鋸臂15。如圖2所示，鋸臂15可在其平行于外殼11的縱向軸線的第一位置與其偏離外殼11的縱向軸線的第二位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)。
該切割裝置還包括一把鋸臂15與外殼11鉸接的裝置17和一馬達(dá)27，馬達(dá)27設(shè)有花鍵伸縮輸出軸28和傳動(dòng)裝置20，從而使其上裝有切割件25的無(wú)端鏈條24圍繞鋸臂15轉(zhuǎn)動(dòng)。
無(wú)端鏈條24套在一位于鋸臂15的受支撐端上的鏈輪29上。鏈輪29與一驅(qū)動(dòng)軸30連接，該驅(qū)動(dòng)軸30由一軸承組件(未畫(huà)出)可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接到外殼11上。驅(qū)動(dòng)軸30的方向與外殼11的縱向軸線I垂直，而鋸臂15與驅(qū)動(dòng)軸30鉸接。
驅(qū)動(dòng)軸30又受傳動(dòng)裝置20的驅(qū)動(dòng)。該傳動(dòng)裝置包括由套在驅(qū)動(dòng)軸30上的被動(dòng)齒輪31和裝在馬達(dá)27的伸縮輸出軸28底端的主動(dòng)齒輪32構(gòu)成的直線或螺旋傘齒輪。伸縮輸出軸28在靠近主動(dòng)齒輪32處用一支撐件(未畫(huà)出)支撐而防止該伸縮輸出軸28的該端發(fā)生軸向或橫向移動(dòng)。
用于鉸接鋸臂15的裝置17包括一使條37在外殼11縱向上平動(dòng)的裝置35和一把該條37的平動(dòng)轉(zhuǎn)變成鋸臂15的轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置39。裝置39包括一與條37上的齒41嚙合的正齒輪40。正齒輪40上有一與鋸臂15連接的臂42而把正齒輪40的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給鋸臂15。
使條37在外殼11的縱向上平動(dòng)的裝置35包括其上有一開(kāi)口46的活塞45和一管狀驅(qū)動(dòng)組件48，該管狀驅(qū)動(dòng)組件48包括一外殼49和一內(nèi)管50。外殼49的頂端與活塞45連接，而條37連接在內(nèi)管50的底端。
外殼11上有一向里凸起的圈52，而外管49上有一臺(tái)肩53，從而裝置35只能在臺(tái)肩53與向里凸起的圈52發(fā)生抵靠的第一位置和活塞45與向里凸起的圈52發(fā)生抵靠的第二位置之間移動(dòng)。從而齒條37和正齒輪40設(shè)計(jì)成在第一位置上，該鋸臂15與外殼11同向；而在第二位置上，鋸臂15與外殼11垂直。
該外殼上還有向里凸起的支撐圈55，而內(nèi)管50上有向外凸起的圈56。在內(nèi)管50與外殼11之間的環(huán)形空間60中裝有兩個(gè)彈簧一位于向里凸起的支撐圈35與向外凸起的圈52之間的復(fù)位彈簧62和一位于向外凸起的圈56與外殼49底端之間的壓縮彈簧64。這兩個(gè)彈簧62和64為鋸臂15提供輕微的浮動(dòng)懸掛，以使之適應(yīng)套管和/周圍的水泥套筒及巖層的堅(jiān)硬構(gòu)造。
馬達(dá)27用支撐件67和68固定在內(nèi)管50上，而馬達(dá)27的伸縮輸出軸28穿過(guò)板71上的孔70。
馬達(dá)27為Moineau型容積式液壓馬達(dá)。馬達(dá)27與外殼11的縱向軸線I同軸線。上部支撐件67為一防止驅(qū)動(dòng)馬達(dá)27的流體泄漏的圈。
正常工作時(shí)，把切割裝置10往下放入井1中(見(jiàn)圖1)到管21的底端。在放下切割裝置10時(shí)，鋸臂15處于與縱向軸線I同軸的第一位置。然后驅(qū)動(dòng)流體流過(guò)管21而開(kāi)動(dòng)馬達(dá)27，該流體經(jīng)開(kāi)口46流入容積馬達(dá)27。馬達(dá)27的伸縮輸出軸28通過(guò)傳動(dòng)裝置20驅(qū)動(dòng)其上有切割件25的無(wú)端鏈條24。
流過(guò)管21的流體還作用在活塞45上，從而導(dǎo)致用于使條37平動(dòng)的裝置35向下移動(dòng)，從而鋸臂15慢慢轉(zhuǎn)向偏離外殼11縱向軸線I的位置。當(dāng)鋸臂15轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，切割件25割穿套管5(見(jiàn)圖1)、水泥層7和地下巖層2。當(dāng)鋸臂15與縱向軸線I垂直時(shí)，上提切割裝置10而在地下巖層2中形成狹長(zhǎng)槽23。
當(dāng)狹長(zhǎng)槽23達(dá)到所要求長(zhǎng)度時(shí)，中斷流體供應(yīng)，復(fù)位彈簧62上頂裝置35而上移條37，從而鋸臂15回到其第一位置。然后從井1中抽出切割裝置10。
鋸臂15的長(zhǎng)度不受該外殼或鉆孔的直徑的限制，因此該槽的深度可比使用圓形切割刀的現(xiàn)有切割裝置大得多。而且，本發(fā)明狹長(zhǎng)槽的壁為平面，因此與用射孔槍打出的同樣深度的現(xiàn)有孔比較，一個(gè)槽可增產(chǎn)至少25％。按本發(fā)明方法開(kāi)出的狹長(zhǎng)槽還有利于對(duì)井作進(jìn)一步處理，如卵石回填、水力破碎和其它增產(chǎn)處理。若本發(fā)明的槽與卵石回填結(jié)合使用，由于不存在其中細(xì)料堵塞用現(xiàn)有射孔技術(shù)打出的卵石過(guò)濾層孔道的危區(qū)(crunched zone)，因此產(chǎn)量可望大大提高(高達(dá)300％)。
該切割裝置可設(shè)置管道系統(tǒng)和噴嘴，從而使用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的流體沖洗切割件。
通過(guò)適當(dāng)選擇井中流體的密度，可控制鋸臂處的流體壓力。該壓力可大于巖層壓力而便于切割巖層。該壓力也可小于巖層壓力，從而流體從巖層流入井中而用來(lái)沖洗切割件。
結(jié)合圖2所述裝置的馬達(dá)為容積式液壓馬達(dá)，但也可代之以液力渦輪機(jī)或電動(dòng)機(jī)，若馬達(dá)由流體驅(qū)動(dòng)，則切割裝置裝在鉆桿或盤管之類管子的底端。若馬達(dá)為電動(dòng)機(jī)，則切割裝置裝在電線或內(nèi)部裝有電線的盤管的底端。該切割裝置也可裝有傳動(dòng)裝置，以把將切割裝置放入井下的管子的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給無(wú)端鏈條。
條37可代之以由一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的可轉(zhuǎn)動(dòng)心軸，該心軸與正齒輪配合。
本發(fā)明切割裝置可裝有不止一個(gè)鋸臂，例如兩個(gè)對(duì)稱的鋸臂。此時(shí)第二鋸臂(未畫(huà)出)可鉸接在驅(qū)動(dòng)軸30上而由一受一齒條驅(qū)動(dòng)的正齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。齒條和正齒輪可布置在圖2所示正齒輪40和齒條37的鏡象位置上。
如結(jié)合圖1所述，切割件割穿套管、水泥和巖層。應(yīng)該看到，若井帶有襯筒，則切割件割穿該襯筒；巖井為一開(kāi)孔，則只切割巖層。
此外，若該井有一鋼套管或襯筒，則該裝置可裝有一首先在該鋼套管或襯筒中開(kāi)出一槽的圓形鋸片，然后轉(zhuǎn)動(dòng)鏈鋸?fù)ㄟ^(guò)該槽而在水泥套筒和周圍巖層中開(kāi)出一槽。
圖1所示井為一豎直井，但本發(fā)明切割裝置并不限于應(yīng)用于豎直井。該井也可為斜井或水平井，此時(shí)“向上”一詞指指向井口的方向。
無(wú)端鏈條可視馬達(dá)和傳動(dòng)裝置而在兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。
可向上(如結(jié)合附圖1所述)，也可向下開(kāi)出狹長(zhǎng)槽。
切割件25用耐磨材料制成，例如碳化鎢、天然或人造鉆石。
應(yīng)該看到，在切割件切割的同時(shí)把鋸臂15慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)到圖1所示橫向位置、在開(kāi)完槽后使鋸臂回到縱向位置的鉸鏈機(jī)構(gòu)多種多樣。
因此應(yīng)該看到，附圖所示切割裝置的實(shí)施例只是例示性的。
權(quán)利要求
1.一種在一穿越地下巖層的井的旁邊開(kāi)槽的切割裝置，該裝置包括一鉸接在一外殼之上從而可在其平行于該外殼縱向軸線的第一位置和其偏離該縱向軸線的第二位置間轉(zhuǎn)動(dòng)的鋸臂，一套在該鋸臂上、其上有切割件的無(wú)端鏈條以及使該鏈條圍繞該鋸臂轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。
2.按權(quán)利要求1所述的切割裝置，其中，該鋸臂由一橢圓形刀片構(gòu)成，其長(zhǎng)度使得狹長(zhǎng)槽的深度為該井內(nèi)徑的至少0.5倍。
3.按權(quán)利要求1或2所述的切割裝置，其中，使無(wú)端鏈條圍繞鋸臂轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置包括一由一馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸。
4.按權(quán)利要求3所述的切割裝置，其中，該無(wú)端鏈條套在一可轉(zhuǎn)動(dòng)地裝在該鋸臂受支撐端的一鏈輪上，該鏈輪裝在該驅(qū)動(dòng)軸上。
5.按權(quán)利要求3或4所述的切割裝置，其中，該驅(qū)動(dòng)軸由一軸承組件可轉(zhuǎn)動(dòng)地與該外殼連接，從而使該驅(qū)動(dòng)軸的方向與該外殼的縱向軸線基本垂直，而該鋸臂由另一軸承組件與該驅(qū)動(dòng)軸鉸接而使該鋸臂可相對(duì)該外殼和該驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.按權(quán)利要求3所述的切割裝置，其中，該馬達(dá)為一在該外殼中與該外殼的縱向軸線基本同軸的容積式液壓馬達(dá)。
7.按權(quán)利要求6所述的切割裝置，其中，該裝置包括一液壓活塞組件、一按照該馬達(dá)上的液壓差使該鋸臂轉(zhuǎn)到第二位置的鉸鏈機(jī)構(gòu)以及在該馬達(dá)上不存在液壓差時(shí)使鋸臂轉(zhuǎn)回第一位置的彈簧機(jī)構(gòu)。
8.按權(quán)利要求7所述的切割裝置，其中，該鉸鏈機(jī)構(gòu)包括一固定在鋸臂受支撐端上的正齒輪，而該活塞組件包括一齒條，其上的齒與該正齒輪嚙合。
9.一種在一穿越地下巖層的井的旁邊開(kāi)槽的方法，該方法包括下列步驟把一切割裝置往下放入井中，該切割裝置包括一鉸接在一外殼上的鋸臂，鋸臂上套有一無(wú)端鏈條，鏈條上裝有切割件；一邊把鋸臂從其平行于外殼縱向軸線的第一位置轉(zhuǎn)動(dòng)到其偏離該縱向軸線的第二位置，一邊使無(wú)端鏈條圍繞鋸臂轉(zhuǎn)動(dòng)；把鋸臂轉(zhuǎn)回第一位置；和從井中抽出該切割裝置。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其中，鋸臂的長(zhǎng)度選定成使得狹長(zhǎng)槽的深度為該井直徑的至少0.5倍。
全文摘要
一種在一穿越地下巖層的井的旁邊開(kāi)槽的切割裝置，包括其上套有一無(wú)端鏈條(24)的鋸臂(15)，而該鏈條上裝有切割件(25)。使用時(shí)，臂(15)一邊從一相對(duì)于井孔的縱向位置慢慢轉(zhuǎn)向一與井孔橫交的位置，鏈條(24)一邊圍繞臂(15)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使切割件(25)在巖層(2)和套管或襯筒(5)(若有的話)中切出一槽。
文檔編號(hào)E21B43/11GK1154731SQ95194437
公開(kāi)日1997年7月16日 申請(qǐng)日期1995年8月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月2日
發(fā)明者布倫特·雷諾·羅斯, 羅伯特·尼古拉斯·沃勒爾 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司