專利名稱：在地下巖層中開槽的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在一穿越地下巖層(地下構造)的井的旁邊開槽的裝置和方法。
在油井和天然氣井的開鑿技術中常常需要對巖層(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行這類打孔，該槍噴射出高速金屬粒子穿過井壁和水泥套筒而進入周圍巖層。
人們已作出種種努力設計可在地下井孔旁打出不致于象使用射孔槍時那樣使周圍巖層變形和壓實的槽的裝置。
美國專利說明書No.3225828公開了一種包括一圓形槽切割輪的井下開槽裝置。在使用該現(xiàn)有裝置時，該切割輪一邊局部地伸出該裝置外殼之外，一邊轉動而在周圍井壁或井孔中開出一槽，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美國專利說明書No.4,106,561和4,220,201。
現(xiàn)有開槽裝置的一個缺點是，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動，該鋸臂配備有其上裝有一列切割元件的無端(環(huán)形)鏈條和使該鏈條圍繞該鋸臂轉動的裝置。
最好是，該鋸臂由一橢圓形刀片構成，而使無端鏈條圍繞鋸臂轉動的裝置包括一由一Moineau型容積式液壓馬達驅動的驅動軸。為了一邊轉動鏈條，一邊用鉸鏈轉動鋸臂，本發(fā)明裝置可包括一液壓活塞組件、一按照馬達上的液壓差使鋸臂逐漸轉向第二位置的鉸鏈機構以及一在馬達上的液壓差消失時使鋸臂轉回第一位置的彈簧機構。
該鉸鏈機構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，其上套有一無端鏈條，無端鏈條上裝有切割元件；一邊用鉸鏈使鋸臂從其平行于該殼體的縱向軸線的第一位置逐漸轉動到其偏離所述縱向軸線的第二位置，一邊使無端鏈條圍繞鋸臂轉動。在開完槽后，用鉸鏈把鋸臂轉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。
下面結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(未畫出)和一使無端鏈條24圍繞鋸臂15轉動的傳動裝置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，鋸臂15保持其與外殼11縱向軸線I平行的第一位置。當該切割裝置到達有待于在套管5和周圍巖層2中切割的位置時，開動馬達而驅動無端鏈條24。同時鋸臂15慢慢轉向其偏離外殼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向上移動通過井1，無端鏈條24上的切割伸25開出一穿過套管5、水泥套筒7和周圍巖層2的狹長槽23。當狹長槽23達到所要求長度時，鋸臂15轉回到第一位置，然后從井1中抽出切割裝置10。狹長槽23每一面的表面積等于狹長槽23的長度乘以狹長槽23的與井1垂直的深度。
鋸臂15的長度選擇成狹長槽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動。
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27，馬達27設有花鍵伸縮輸出軸28和傳動裝置20，從而使其上裝有切割件25的無端鏈條24圍繞鋸臂15轉動。
無端鏈條24套在一位于鋸臂15的受支撐端上的鏈輪29上。鏈輪29與一驅動軸30連接，該驅動軸30由一軸承組件(未畫出)可轉動地連接到外殼11上。驅動軸30的方向與外殼11的縱向軸線I垂直，而鋸臂15與驅動軸30鉸接。
驅動軸30又受傳動裝置20的驅動。該傳動裝置包括由套在驅動軸30上的被動齒輪31和裝在馬達27的伸縮輸出軸28底端的主動齒輪32構成的直線或螺旋傘齒輪。伸縮輸出軸28在靠近主動齒輪32處用一支撐件(未畫出)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。
用于鉸接鋸臂15的裝置17包括一使條37在外殼11縱向上平動的裝置35和一把該條37的平動轉變成鋸臂15的轉動的裝置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的轉動傳給鋸臂15。
使條37在外殼11的縱向上平動的裝置35包括其上有一開口46的活塞45和一管狀驅動組件48，該管狀驅動組件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上有一臺肩53，從而裝置35只能在臺肩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。從而齒條37和正齒輪40設計成在第一位置上，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。這兩個彈簧62和64為鋸臂15提供輕微的浮動懸掛，以使之適應套管和/周圍的水泥套筒及巖層的堅硬構造。
馬達27用支撐件67和68固定在內(nèi)管50上，而馬達27的伸縮輸出軸28穿過板71上的孔70。
馬達27為Moineau型容積式液壓馬達。馬達27與外殼11的縱向軸線I同軸線。上部支撐件67為一防止驅動馬達27的流體泄漏的圈。
正常工作時，把切割裝置10往下放入井1中(見圖1)到管21的底端。在放下切割裝置10時，鋸臂15處于與縱向軸線I同軸的第一位置。然后驅動流體流過管21而開動馬達27，該流體經(jīng)開口46流入容積馬達27。馬達27的伸縮輸出軸28通過傳動裝置20驅動其上有切割件25的無端鏈條24。
流過管21的流體還作用在活塞45上，從而導致用于使條37平動的裝置35向下移動，從而鋸臂15慢慢轉向偏離外殼11縱向軸線I的位置。當鋸臂15轉動時，切割件25割穿套管5(見圖1)、水泥層7和地下巖層2。當鋸臂15與縱向軸線I垂直時，上提切割裝置10而在地下巖層2中形成狹長槽23。
當狹長槽23達到所要求長度時，中斷流體供應，復位彈簧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，一個槽可增產(chǎn)至少25％。按本發(fā)明方法開出的狹長槽還有利于對井作進一步處理，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合使用，由于不存在其中細料堵塞用現(xiàn)有射孔技術打出的卵石過濾層孔道的危區(qū)(crunched zone)，因此產(chǎn)量可望大大提高(高達300％)。
該切割裝置可設置管道系統(tǒng)和噴嘴，從而使用驅動馬達的流體沖洗切割件。
通過適當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沖洗切割件。
結合圖2所述裝置的馬達為容積式液壓馬達，但也可代之以液力渦輪機或電動機，若馬達由流體驅動，則切割裝置裝在鉆桿或盤管之類管子的底端。若馬達為電動機，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裝置，以把將切割裝置放入井下的管子的轉動傳給無端鏈條。
條37可代之以由一電動機驅動的可轉動心軸，該心軸與正齒輪配合。
本發(fā)明切割裝置可裝有不止一個鋸臂，例如兩個對稱的鋸臂。此時第二鋸臂(未畫出)可鉸接在驅動軸30上而由一受一齒條驅動的正齒輪轉動。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。
如結合圖1所述，切割件割穿套管、水泥和巖層。應該看到，若井帶有襯筒，則切割件割穿該襯筒；巖井為一開孔，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出一槽的圓形鋸片，然后轉動鏈鋸通過該槽而在水泥套筒和周圍巖層中開出一槽。
圖1所示井為一豎直井，但本發(fā)明切割裝置并不限于應用于豎直井。該井也可為斜井或水平井，此時“向上”一詞指指向井口的方向。
無端鏈條可視馬達和傳動裝置而在兩個方向上轉動。
可向上(如結合附圖1所述)，也可向下開出狹長槽。
切割件25用耐磨材料制成，例如碳化鎢、天然或人造鉆石。
應該看到，在切割件切割的同時把鋸臂15慢慢轉動到圖1所示橫向位置、在開完槽后使鋸臂回到縱向位置的鉸鏈機構多種多樣。
因此應該看到，附圖所示切割裝置的實施例只是例示性的。
權利要求
1.一種在一穿越地下巖層的井的旁邊開槽的切割裝置，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動的鋸臂，一套在該鋸臂上、其上有切割件的無端鏈條以及使該鏈條圍繞該鋸臂轉動的裝置。
2.按權利要求1所述的切割裝置，其中，該鋸臂由一橢圓形刀片構成，其長度使得狹長槽的深度為該井內(nèi)徑的至少0.5倍。
3.按權利要求1或2所述的切割裝置，其中，使無端鏈條圍繞鋸臂轉動的裝置包括一由一馬達驅動的驅動軸。
4.按權利要求3所述的切割裝置，其中，該無端鏈條套在一可轉動地裝在該鋸臂受支撐端的一鏈輪上，該鏈輪裝在該驅動軸上。
5.按權利要求3或4所述的切割裝置，其中，該驅動軸由一軸承組件可轉動地與該外殼連接，從而使該驅動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動軸鉸接而使該鋸臂可相對該外殼和該驅動軸轉動。
6.按權利要求3所述的切割裝置，其中，該馬達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。
7.按權利要求6所述的切割裝置，其中，該裝置包括一液壓活塞組件、一按照該馬達上的液壓差使該鋸臂轉到第二位置的鉸鏈機構以及在該馬達上不存在液壓差時使鋸臂轉回第一位置的彈簧機構。
8.按權利要求7所述的切割裝置，其中，該鉸鏈機構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動到其偏離該縱向軸線的第二位置，一邊使無端鏈條圍繞鋸臂轉動；把鋸臂轉回第一位置；和從井中抽出該切割裝置。
10.按權利要求9所述的方法，其中，鋸臂的長度選定成使得狹長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槽的切割裝置，包括其上套有一無端鏈條(24)的鋸臂(15)，而該鏈條上裝有切割件(25)。使用時，臂(15)一邊從一相對于井孔的縱向位置慢慢轉向一與井孔橫交的位置，鏈條(24)一邊圍繞臂(15)轉動，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E21B43/11GK1154731SQ95194437
公開日1997年7月16日 申請日期1995年8月1日 優(yōu)先權日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 申請人:國際殼牌研究有限公司