CN1119499C - 用于在地下井眼中执行铣削操作的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于在地下井眼内执行铣削操作的装置，其包括：一个倾斜弯头(2)，该弯头可转动地固定于一定子壳体(1)上，并且装配有一个或多个可转动的铣刀(3，4)，使用时，所述铣刀能够与倾斜弯头(2)一起从定子壳体(1)转动到一伸出位置上，从而当定子壳体在井眼内转动时，在周围的套管(23)内切出一个窗口，或对井眼进行扩孔。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在地下井眼中执行铣削操作的装置。所述的铣削操作可以包括钻孔的扩孔或在井筒上切出一个窗口。
背景技术
美国专利5,551,509和公开号为WO 96/09460的国际专利申请PCT/GB95/02267中公开了一种可转动铣刀的使用方法，在该方法中，首先将铣刀导入油井套管中，然后通过沿固定于油井套管中的造斜器斜面在要开窗口的位置上向下挤压旋转铣刀而在油井套管中切出一个窗口。英国专利GB2,306,985公开了一种铣刀，这种铣刀被液压活塞沿径向压入要被切开的套管内，其中液压活塞沿径向从钻头的马达壳体内突出并被增压流体所驱动，同时增压流体还用于驱动钻头的液压马达。流体通过一挠性管被注入，并用于在窗口切割过程中穿过壳体沿纵向拉动或顶推铣刀。
现有的窗口切割装置具有以下缺陷：切开的窗口之形状和位置非常不精确，而且窗口切割操作还很费时，有时还产生大量很难从油井内除去的粗岩粉。
现有的铣削装置的另一缺陷在于：旋转的铣刀将对铣削装置施加一个很高而且可变的切向扭矩，而切向扭矩将使铣削装置沿切线方向移动。因此现有的铣削装置需要通过导向装置来导向，例如可靠固定于套管内的造斜器，从而避免铣削装置在铣削过程中的移动。
发明内容
本发明的目的在于避免现有铣削装置的缺陷。
本发明的装置包括：一定子壳体；一个倾斜弯头，该弯头可转动地固定在壳体上并装配有多个可转动的铣刀；一个驱动机构，用于相对弯头转动各个铣刀；和一回转机构，用于相对壳体在一缩回位置和一伸出位置之间回转弯头，其中在缩回位置上每个铣刀都基本与定子壳体对准，在伸出位置上每个铣刀都沿径向以一定角度沿远离壳体的方向突出。
该装置最好装配有一对可沿相反方向转动的铣刀，从而产生能够相互抵销、方向相反的切向力矩。
沿相反方向转动的铣刀能够在套管或其它油井套管内切成一个轮廓分明的窗口，而且被细磨过的窗口边缘易于密封。
定子壳体最好限定该装置的一个纵向中心平面，驱动机构最好包括一柔性的驱动轴，该驱动轴可围绕设置于所述中心平面上的转动轴线旋转，而且该驱动轴还构成了位于弯头内的齿轮机构的输入轴，所述齿轮机构包括一对沿相反方向转动的输出轴，每个输出轴上安装有一个铣刀。
回转机构最好能够允许弯头相对定子壳体围绕一基本垂直所述中心平面的枢轴转动；输出轴最好能够围绕相互平行的转动轴线旋转，而相互平行的转动轴线基本定位于距装置的中心平面等距离处；所述铣刀包括基本为圆筒形的主体，而主体上设置有螺旋状的铣齿，铣齿的螺旋角数值相等但旋向相反，相邻的铣刀之铣齿在所述中心平面上或靠近所述中心平面相面对。
驱动机构可以适当地包括一正位移式的液压马达，这种马达设置有一转子，该转子可转动地安装于定子壳体的上端，所述马达固定于挠性驱动轴的上端；所述回转机构可包括一液压活塞，该活塞可滑动地安装于定子壳体内的正位移式马达的出口和弯头的倾斜上表面之间，从而在使用过程中，使被马达喷出的增压传动流体作用于弯头的倾斜上表面上，以使弯头朝向其伸出位置回转。
在这种情况下，液压活塞最好滑动安装于挠性轴上，而挠性轴最好由弹性材料制成并能够对弯头施加一个残余扭矩，在没有液压力作用于活塞上时，这种残余扭矩将使弯头朝向其缩回位置回转。
如果该装置被用作套管窗口的铣削装置，那么最好将一钻屑收集箱固定于壳体上并位于铣刀之下，在使用时，从马达喷出的液压传动流体将铣刀内的钻屑冲入收集箱内。
附图说明
参照附图，接合如下的详细说明将会清楚本发明之铣削装置的特征、目的及优点，其中：
图1为本发明的铣削装置的侧视图，在该图中，一对铣刀位于其缩回的位置上；
图2为权利要求1所述的铣削装置的纵向剖视图；
图3示出了图2的铣削装置，在该图中，铣刀处于伸出状态并正在油井套管上切出一个窗口；
图4示出了根据本发明的铣削装置的另一实施例，在该实施例中，所述装置被用作井眼的扩孔装置。
具体实施方式
参见图1，图中示出了一个铣削装置，其包括：一定子壳体1，一倾斜弯头2和一对沿相反方向的双铣刀3和4。双铣刀3和4在铣削装置的对称中心平面上彼此相面对，该中心平面垂直于图1所在的平面，并且与附图所在的平面在中心轴线5处相交。
倾斜弯头2通过一对铰链销6可转动地悬挂于定子壳体1内，铰链销6允许弯头2围绕旋转轴线7转动，轴线7大体垂直于中心轴线5和铣削装置的对称中心平面。
弯头2包括一齿轮箱(未示出)，齿轮箱内设置有一挠性输入轴9和一对平行的输出轴8，输出轴8上分别安装有铣刀3和4，并且当挠性输入轴9在正位移式或其它液压马达或电机(未示出)的驱动下相对定子壳体1转动时，如箭头12所示，输出轴8可相对弯头2以相等的速度沿箭头10所示的相反方向转动。
铣刀3和4包括大体为圆筒形的主体，该主体上分别以大小相同但方向相反的螺旋角安装有螺旋状的铣齿，这些铣齿能够在铣削装置的对称中心平面上相互啮合。
当铣削装置被下入油井内时，弯头2及铣刀3和4处于缩回的输送状态下，在该状态下，铣刀3和4大体平行于铣削装置的中心轴线5，而且未从定子壳体1内突出，如图1和2所示。图2示出了在输送状态下，挠性轴9具有弯曲的形状，弯头2包括一上部斜面13，该斜面13上设置有一与活塞15的下端相接合的顶部14，活塞15可滑动地设置于定子壳体1的内部。
活塞15和弯头的上部斜面13形成了一个回转机构，该回转机构能够使倾斜弯头2朝向图3所示的伸出位置转动。
图3示出了被液压马达喷出的液体经活塞15的上端与挠性轴9之间的环形开口16流入活塞15的内部18，如箭头19所示。
环形开口16的流动限制在活塞15之上的空腔20与活塞内部18之间形成了液压压力差，这种压力差将使活塞穿过定子壳体1向下滑动，如箭头21所示。活塞的下移还向下推动弯头2的上部斜面13的顶部14，从而使弯头2相对枢轴线7转动，如箭头31所示。
铣刀3和4与弯头2一起围绕枢轴线7朝向伸出位置回转，并且同时被轴8所转动，从而在包围铣削装置的套管23上切开一个窗口22。
直到弯头2的整个上部斜面13与活塞15的下端接合时，铣刀3和4向外的回转才停止，在该位置上，铣刀3和4以预定的角度从定子壳体1内伸出。液体从活塞的内部18经一出口24喷出，液体以高速从出口24喷向铣刀3和4，从而冷却其铣齿11并将钻屑25冲走。接下来，液体通过一悬挂在定子壳体1之底部上的钻屑收集箱26循环流动，如箭头27所示。收集箱26内的导板28用于降低液体的流速，从而使钻屑能够在重力和/或磁力的作用下与液体分开并沉淀在收集箱的底部，然后，通过收集箱26顶部上的开口29将液体排入围绕铣削装置的环形空间内。
当铣刀3和4在油井套管23内切割窗口32时，铣削装置将通过设置于该装置之上的活塞(未示出)沿套管被向上拉动，直到窗口22具有所需的长度。该装置最好通过一挠性油管或钻柱悬挂于套管23内，在铣削过程中，挠性油管或钻柱将被逐渐向上拉动，同时该装置之上的活塞确保该装置能够通过套管23以一精确限定的速度在一精确限定的距离内向上移动。
铣刀3和4作用于定子壳体上的平衡力将使该装置在油井套管23内快速、精确地铣削出一个平直且轮廓清晰的窗口，而且不会在套管内部留下钻屑。应该理解：如果需要，铣刀也可以是非圆筒形的形状，例如可以是截锥形。在这种情况下，两个铣刀的转轴最好相交于该装置的中心平面上。
图4示出了根据本发明的装置的另一实施例，其中该装置用于无套管的地下钻孔的扩孔。
图4所示的装置上部与图1-3所示装置的上部相同，而且相同的附图标记表示相同的部件。
但是，图4所示的装置未包括钻屑收集箱，其设置有一定子壳体1，该壳体可围绕中心轴线5转动，如箭头40所示。
图4所示的装置安装有一个铣刀4，当定子壳体转动，且铣刀4相对弯头2同时转动时，可完成对井眼41的扩孔作业。弯头2以相同于图1-3所示的方式伸出和缩回。
挠性轴9通过设置于弯头2内的齿轮箱与输出轴8相连接，或者也可以与输出轴8一体制成。如果需要，图4所示的扩孔装置可以安装有一对沿相反方向转动的双铣刀4，这与图1-3所示的情况相同。
Claims (9)
1.一种用于在地下井眼中执行铣削操作的装置，其包括：一定子壳体；一倾斜弯头(2)，该弯头可转动地固定于定子壳体(1)上并设置有多个可转动的铣刀(3，4)；一用于相对倾斜弯头转动每个铣刀的驱动机构；一个用于使所述倾斜弯头相对定子壳体在一缩回位置与一伸出位置之间转动的回转机构(13，15)，其中在缩回位置上，每个铣刀都与定子壳体(1)对准，在伸出位置上，每个铣刀都以一定的角度沿侧向从定子壳体突出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述定子壳体(1)限定该装置的一个纵向中心平面，所述驱动机构包括一个挠性轴(9)，该挠性轴可围绕定位于所述中心平面内的转动轴线旋转，该挠性轴还形成了一个输入轴，所述输入轴可直接或间接与各安装有一个铣刀(3，4)的输出轴(8)相连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述回转机构(13，15)允许倾斜弯头(2)相对定子壳体(1)绕一垂直所述装置之中心平面的枢轴线(7)转动。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述倾斜弯头(2)设置有一对沿相反方向转动的铣刀(3，4)，所述铣刀分别安装于输出轴(8)上，而所述两个输出轴(8)可围绕相互平行且距所述装置之中心平面等距离的转动轴线旋转，所述铣刀(3，4)包括为圆筒形的主体，所述主体上设置有螺旋状铣齿，所述铣齿的螺旋角大小相等但旋向相反，相邻的铣刀之铣齿在所述装置之中心平面上或在靠近中心平面处相面对。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述倾斜弯头(2)设置有一对沿相反方向转动的铣刀(3，4)，所述铣刀安装于输出轴(8)上，所述两个输出轴(8)可分别围绕转动轴线旋转，所述转动轴线在位于所述中心平面内的相交位置上相交，所述铣刀具有截锥状的主体，在所述主体上设置有相互啮合的铣齿。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述驱动机构包括一液压马达，该液压马达设置有一转子，所述转子可转动地安装于定子壳体(1)内并与挠性轴(9)相连接。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述液压马达是一个设置于定子壳体(1)上端的正位移式马达，所述回转机构(13，15)包括一液压活塞(15)，所述活塞滑动安装于定子壳体(1)内正位移式马达的出口和倾斜弯头(2)的上部斜面(13)之间，从而在使用时，被马达喷出的增压传动流体将活塞抵压在倾斜弯头的所述上部斜面上，从而使倾斜弯头朝向其伸出位置转动。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述液压活塞(15)滑动安装于挠性轴(9)上，所述挠性轴(9)由弹性材料制成并对倾斜弯头(2)施加一个残余力矩，在没有液压压力作用于活塞上时，该残余力矩将使倾斜弯头朝向其伸出位置转动。
9.根据权利要求4或7所述的装置，其特征在于：所述装置用于在油井套管内铣削出一个窗口(22)，一位于铣刀之下的钻屑收集箱(26)固定于所述壳体上，在使用时，从马达喷出的液压传动流体将钻屑(25)从铣刀上冲入钻屑收集箱(26)内。
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