CN101065554B - 侧钻系统和方法及其铣刀和造斜器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧钻系统，其具有一对串联连接的铣刀(8、9)，每个铣刀具有多个圆周布置的刀片，这些刀片上具有锥形切割部分(82、92)，以用于在套管中切割窗口并然后在地层中侧钻。造斜器具有至少三个沿轴向隔开的斜面，每个斜面之间间隔有大致轴向延伸的部分。每个斜面与纵轴之间具有相同的倾角，并且斜面之间的距离与铣刀(8、9)上的锥形部分之间的距离相同，使得在操作中时，负荷分担在两个铣刀之间。铣刀具有由硬化材料制成的位于锥形切割部分上的钮状(83、93)以使钮状刮擦造斜器斜面(31、32、33)。

Description

侧钻系统和方法及其铣刀和造斜器

技术领域

本发明涉及一种用于穿过管状套管切割窗口以便从现存的套管穿过地质建造钻斜孔的装置和方法。

背景技术

例如，根据US-A-6648068，以下内容是已知的：具有期望从其中进行“侧钻”的井眼套管，并将造斜器和锥形铣刀组合件降下到套管中，在造斜器已经被恰当定向时将造斜器锚定至套管，中断铣刀与造斜器之间的连接，并旋转铣刀同时靠着造斜器向下移动铣刀，以便穿过套管壁切割窗口，并从那时起继续沿期望的方向切入地层。

如US-A-6648068中所公开的那样，造斜器可以具有斜面，用来沿径向向外对着套管的内壁移动铣刀，并且可以有两个大约15°的斜面，这两个斜面之间间隔有具有与套管的纵轴成大约3°的角度的另一斜面。铣刀由多个圆周布置的径向延伸刀片形成，每个刀片具有大约15°的锥度，并且铣刀刀片面对切割材料。在锥形铣刀的上游，可以沿着钻柱顺序地布置泪滴式铣刀和西瓜式铣刀。

应该理解，在于套管中切割窗口以及穿过地层侧钻到达新的勘探点的操作中，能量产生被停止，因而会造成收益的损失。因此，人们期望尽可能快速地进行铣削和侧钻操作。本发明将设法提供一种可以达到该目的的装置和方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种侧钻系统，其包括：一对沿纵轴布置的轴向连接的铣刀，每个铣刀具有多个锥形的圆周布置的径向延伸的刀片，每个刀片具有锥形部分，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层中侧钻；以及其上具有至少三个沿轴向隔开的斜面的造斜器，每个斜面之间间隔有大致轴向延伸的部分，每个斜面与纵轴成大致相同的倾角，并且还具有与刀片的锥形部分上的锥度相同的倾角，斜面之间的距离与串联连接的铣刀对的刀片上的锥形部分之间的距离大致相同，其中在铣刀切割其中布置有所述系统的套管之前，斜面支撑两个铣刀。

优选地，上游铣刀具有比下游铣刀更大的直径，并且上游铣刀被布置成在下游铣刀之前切割套管。

有利地，由硬化材料制成的钮状元件朝向铣刀中的每个上的刀片中的至少一些的较小直径端布置以与斜面作用，以便有助于防止铣刀铣削造斜器斜面并有助于沿径向向外移动铣刀以切割窗口。

优选地，所有刀片上都设置有钮状元件。

便利地，切割表面通过天然金刚石、多晶金刚石和碳化钨中的一种或多种而被设置。

优选地，每个钮状元件均具有凸形外表面以刮擦造斜器。

有利地，钮状元件由天然金刚石或多晶金刚石形成。

有利地，每个斜面的倾角和刀片上的锥形部分的锥度在与纵轴成7°至30°的范围内，并且优选地，每个斜面的倾角和刀片上的锥形部分的锥度与纵轴成18°。

在本发明的一个特征中，提供了一种用来穿过管状套管切割窗口的一次起下钻(one trip)的铣削系统，其包括：具有多个圆周布置的径向延伸的刀片的铣刀，每个刀片具有锥形部分，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钮状元件，其朝向刀片的较小直径端布置并布置在刀片中的至少一些上以与造斜器的斜面作用，以便沿径向向外移动铣刀以切割窗口。

优选地，所有刀片上都设有切割表面。

有利地，钮状元件被设置在所有刀片上。

便利地，切割表面是天然金刚石、多晶金刚石和碳化钨中的一种或多种。

优选地，每个钮状元件均具有凸形外表面以刮擦造斜器。

在一个优选实施例中，设置有两个串联连接的铣刀，上游铣刀在使用中具有比下游铣刀更大的直径。

有利地，锥形部分的锥度在与所述系统的纵轴成7°至30°的范围内，并且优选地，锥形部分的锥度与所述系统的纵轴成18°。

根据本发明的第二方面，提供了一种侧钻方法，包括下列步骤：

将一对可释放地连接到造斜器上的串联连接的铣刀降下到钻孔套管中，每个铣刀具有多个圆周布置的径向延伸的刀片，每个刀片具有锥形部分，并且造斜器上设置有至少三个沿轴向隔开的斜面，每个斜面之间间隔有大致轴向延伸的部分，每个斜面与纵轴之间具有大致相同的倾角，并且刀片的锥形部分上的锥度具有相似的倾角，斜面之间的距离与刀片的锥形部分之间的距离大致相同，

将造斜器定向，使得斜面转向用于在套管中切割窗口并切入地层到达期望的新位置的期望的方向，

释放铣刀与造斜器之间的连接，

旋转铣刀并向下移动铣刀，使得每个相应的铣刀的锥形刀片刮擦相应的斜面，铣刀靠在斜面上的向下移动使铣刀中的上游铣刀首先切割套管，并且继续的向下移动使下游铣刀切割套管，继续的向下移动使窗口被切入到套管中，并使侧钻操作穿过地层而被执行。

由于下游铣刀具有比上游铣刀更小的直径，所以增大了穿透速度，从而导致更快的侧钻。

附图说明

现在将参考附图，通过举例的方式对本发明进行描述，在附图中：

图1示出了位于套管的纵向截面中的根据本发明的侧钻系统，

图2、3和4示出了在套管内的窗口切割操作期间，铣刀沿着造斜器的不同操作位置的局部视图，并且

图5示出了造斜器的内表面的局部视图。

在附图中，相同的附图标记表示相同的部分。

具体实施方式

参考图1，管状、通常为钢质的套管2衬在地层1中所形成的钻孔内。套管内布置有造斜器3，一旦将造斜器恰当定向，该造斜器便通过锚定组件4被设置在套管中的恰当位置上，其中锚定组件4例如通过液压导向管5而被操作，或者可选地，锚定组件也可被机械坐封。具有纵轴的一次起下钻的铣削系统6，通过具有多个圆周布置的径向延伸刀片的第一铣刀8，同样具有多个圆周布置的径向延伸刀片的第二铣刀9，以及所谓的西瓜式铣刀10的串联连接，而形成在钻柱轴环(drillstring collar)7上。至少一些锥形刀片，并且优选地，所有刀片中的每个，具有由天然金刚石、多晶金刚石和碳化钨中的一种或多种形成的切割表面。第一铣刀具有比第二铣刀小的直径，下文会对此进行说明。

最初，如图2所示，通过可释放连接件21将铣削系统6固定在造斜器3上。通常，可释放连接件是易卸螺栓21，其被固定在造斜器上，并且最初也被固定在铣削系统(例如，第一铣刀8)上。

造斜器3具有弓形地形成以与套管2的内表面大致一致的外表面，并且造斜器具有在内部弓形地形成的凹面以与铣削系统6的铣刀协同工作。造斜器设置有沿该造斜器纵向隔开的斜面31、32和33，斜面与套管纵轴成7°至30°的范围内的角度，并且优选地，斜面与套管纵轴成18°的角度。尽管如果需要可以设置更多的斜面，但图中示出了三个斜面。斜面之间间隔有与套管纵轴成0°-5°的角度的大致笔直的部分34、35。

如图5所示，斜面的表面可以覆有金刚石元件或碳化钨元件36以便向铣削系统6提供抗磨性。这些元件优选地被铜焊到造斜器上，并且这些元件可以具有平面或半球形外表面。可以采用比所示出的元件更多或更少的元件。

第一铣刀8和第二铣刀9中的每个均具有多个具有例如抛物线形状的刀片81、91，刀片81、91具有大致平坦的锥形部分82、92，锥形部分82、92中的每个均具有沿着使用中的方向朝钻孔底部的锥度，以提供与铣削系统的纵轴成7°至30°的倾角，优选地为18°的倾角，并且该倾角合乎需要地与造斜器上的斜面31、32和33的角度相一致。在一些锥形部分82、92的下部，或者优选地，在每个锥形部分82、92的下部，设有由例如天然金刚石或多晶金刚石的硬化材料制成的钮状元件83、93。钮状元件83、93被凹进至少一些刀片(优选地为所有刀片)中的孔内，使得只有5％-10％的钮状元件从刀片突出。典型地，钮状元件突出的量为大约0.8mm，并且钮状元件可以具有平面的或者优选地为凸形的外表面，以减小对造斜器的斜面31、32和33的刮擦。优选地，所有刀片上都设置有钮状元件。

刀片81、91使锥形部分82、92在其下端连接到更加倾斜的切割表面84、94，并且在锥形部分的上端，分别是大致垂直延伸的切割表面85、95，切割表面85、95继而分别连接到向内倾斜的切割部分86、96。铣刀8的下端设置有大致水平的切割表面87。

在操作中，为了执行侧钻，在图2中所示的位置，造斜器和一次起下钻的铣削系统通过螺栓21组合连接在一起，并被降下到套管2中。当位于套管内的恰当的位置高度时，通过凸出物(spigot)22连接到造斜器上的锚定组件4，通过旋转而被定向以具有期望的极座标以侧钻到新的钻孔位置。锚定组件4在优选实施例中经由液压管5水力坐封，并且造斜器与铣削系统6之间的螺栓21连接被释放，优选是被易卸地释放，以通过向上或向下垂直地移动铣削系统来避开螺栓。在该方面中，与US-A-6648068中所示的系统不同，由于下面的第一铣刀8不是连接在斜面31、32之一上，而是布置在中间位置上，所以可以沿向下的方向避开螺栓21。

当将铣削系统6从造斜器释放时，铣削系统因而旋转并在套管2内沿纵向向下移动，使得钮状元件83、93刮擦斜面31、32上的元件36。由于钮状元件83、93和元件36，所以基本上可以防止铣刀8、9的切割铣削表面铣削造斜器的斜面，而切割铣削表面铣削造斜器的斜面是现有技术的缺陷。而且，由于第一和第二铣刀的锥形部分之间的距离被布置成与造斜器上的斜面之间的距离相同，所以每个铣刀8、9具有与相应斜面啮合的刀片，从而分担了施加给铣削系统的向下的力。因此，切割负荷大致平均地分担在斜面31、32之间，并且因此，优于单个锥形铣刀与斜面啮合的现有技术，使用本发明可以增大向下的力。钮状元件83、93还可以减小切入造斜器中而不是套管中的风险。

在图3中所示的位置，轴向、纵向上较低的第一铣刀8具有比上游的第二铣刀9更小的外径，并且是能够与笔直部分34并排布置的直径，并且第二铣刀9具有比套管2的内径稍小的直径。合乎需要的是，切割表面至少在钮状元件接触到套管壁之前开始切割窗口。由于铣刀刀片纵向向下移动各个斜面31、32，所以使铣削系统向右(如图所示)偏离轴，结果是刀片91的切割表面开始在套管2中切割窗口。利用沿着斜面31、32的继续移动，使第一铣刀切割表面也与套管壁接触并开始铣削另外的窗口。

当铣刀8、9已经越过笔直部分35、34时，正由上游铣刀9所铣削的窗口与由第一铣刀8铣削的窗口连通。铣刀8、9进一步的向下移动使它们沿着斜面32、33移动，并使铣削系统进一步偏离，直到铣刀9的刀片刮擦斜面33，这样，铣刀8不再与造斜器接触，而是在它接着沿另一笔直部分36和具有典型地在与纵轴成3°至15°的范围内的角度的锥形部分37行进时，被移动成进入切割地层的状态。

由于前面的铣刀即下游的第一铣刀8具有比铣刀9更小的直径，所以可以获得更大的特别是穿过地层的穿透速度。铣削系统继续向下的移动使铣刀退出套管2并朝向新的钻探位置切入地层1。

Claims (13)

1.一种侧钻系统，包括：

一对沿纵轴布置的轴向连接的铣刀(8、9)，其特征在于每个铣刀具有多个锥形的圆周布置的径向延伸的刀片(81、91)，每个刀片具有锥形部分(82、92)，至少一些刀片上具有切割表面(84-86；94-96)，以用于在套管(2)中切割窗口并然后在地层中侧钻；以及

其上具有至少三个沿轴向隔开的斜面(31-33)的造斜器(3)，每个斜面之间间隔有大致轴向延伸的部分(34、35)，每个所述斜面与纵轴成大致相同的倾角，并且还具有与刀片的所述锥形部分上的锥度相同的倾角，斜面之间的距离与串联连接的铣刀对的刀片上的锥形部分之间的距离大致相同，其中在铣刀切割其中布置有所述系统的套管之前，斜面支撑两个铣刀。

2.如权利要求1所述的系统，其中上游铣刀(9)具有比下游铣刀(8)更大的直径，并且上游铣刀被布置成在下游铣刀之前切割套管。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中由硬化材料制成的钮状元件(83、93)朝向所述铣刀中的每个上的所述刀片中的至少一些的较小直径端布置以与斜面作用，以便有助于防止铣刀铣削造斜器斜面并有助于沿径向向外移动铣刀以切割所述窗口。

4.如权利要求1或2所述的系统，其中所有所述刀片上都设置有钮状元件。

5.如权利要求1或2所述的系统，其中所述切割表面(84-86；94-96)通过天然金刚石、多晶金刚石和碳化钨中的一种或多种而被设置。

6.如权利要求4所述的系统，其中每个所述钮状元件均具有凸形外表面以刮擦所述造斜器。

7.如权利要求4所述的系统，其中所述钮状元件由天然金刚石或多晶金刚石形成。

8.如权利要求1或2所述的系统，其中每个斜面的所述倾角和刀片上的所述锥形部分的锥度的角度在与纵轴成7°至30°的范围内。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述角度为与纵轴成18°。

10.一种侧钻方法，包括下列步骤：

将一对可释放地连接到造斜器上的串联连接的铣刀(8、9)降下到钻孔套管中，每个所述铣刀具有多个圆周布置的径向延伸的刀片(81、91)，每个刀片具有锥形部分(82、92)，并且所述造斜器上设置有至少三个沿轴向隔开的斜面(31-33)，每个所述斜面之间间隔有大致轴向延伸的部分(34、35)，每个斜面与纵轴之间具有大致相同的倾角，并且所述刀片的所述锥形部分上的锥度具有相似的倾角，斜面之间的距离与刀片的锥形部分之间的距离大致相同，

将造斜器定向，使得斜面转向用于在套管中切割窗口并切入所述地层到达期望的新位置的期望的方向，

释放铣刀与造斜器之间的连接，

旋转铣刀并向下移动所述铣刀，使得每个相应的铣刀的锥形部分刮擦相应的斜面，所述铣刀靠在所述斜面上的向下移动使铣刀中的上游铣刀首先切割套管，并且继续的向下移动使下游铣刀切割套管，继续的向下移动以在套管中切割窗口，并使侧钻操作穿过地层而被执行。

11.如权利要求10所述的方法，其中上游铣刀(9)具有比下游铣刀(8)更大的直径，并且上游铣刀被布置成在下游铣刀之前切割套管。

12.用于权利要求1-9中任一项所述的系统或权利要求10或11所述的方法的一对轴向连接的铣刀(8、9)。

13.用于权利要求1-9中任一项所述的系统或权利要求10或11所述的方法的造斜器(3)。

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