专利名称：在地下岩层中开槽的装置和方法
技术领域：
本发明涉及在一穿越地下岩层(地下构造)的井的旁边开槽的装置和方法。
在油井和天然气井的开凿技术中常常需要对岩层(地层)和/或井壁和周围的水泥套筒打孔，以便把岩层中的流体引入井孔中。
通常的做法是用聚能炸药射孔枪进行这类打孔，该枪喷射出高速金属粒子穿过井壁和水泥套筒而进入周围岩层。
人们已作出种种努力设计可在地下井孔旁打出不致于象使用射孔枪时那样使周围岩层变形和压实的槽的装置。
美国专利说明书No.3225828公开了一种包括一圆形槽切割轮的井下开槽装置。在使用该现有装置时，该切割轮一边局部地伸出该装置外壳之外，一边转动而在周围井壁或井孔中开出一槽，然后切割轮退入外壳中，该装置从井中抽出。使用圆形槽切割轮的其它装置可见美国专利说明书No.4,106,561和4,220,201。
现有开槽装置的一个缺点是，由于切割轮的最大尺寸小于钻孔直径的50％，因此在地下岩层中开出的槽的深度较小。
本发明的目的是提供可加大在一穿越地下岩层的井的旁边打出的槽的面积和深度、从而提高井孔与周围岩层间的流通性的装置和方法。
本发明装置包括一铰接在一壳体上的锯臂，使得该锯臂可在其基本平行于该壳体的纵向轴线的第一位置和其偏离该壳体的纵向轴线的第二位置之间转动，该锯臂配备有其上装有一列切割元件的无端(环形)链条和使该链条围绕该锯臂转动的装置。
最好是，该锯臂由一椭圆形刀片构成，而使无端链条围绕锯臂转动的装置包括一由一Moineau型容积式液压马达驱动的驱动轴。为了一边转动链条，一边用铰链转动锯臂，本发明装置可包括一液压活塞组件、一按照马达上的液压差使锯臂逐渐转向第二位置的铰链机构以及一在马达上的液压差消失时使锯臂转回第一位置的弹簧机构。
该铰链机构最好包括一固定在锯臂的受支撑端上的正齿轮，而该活塞组件包括一齿条，该齿条上的齿与正齿轮啮合。
本发明方法包括如下步骤把一切割装置下降到井中，该切割装置包括一锯臂，该锯臂与一壳体铰接，其上套有一无端链条，无端链条上装有切割元件；一边用铰链使锯臂从其平行于该壳体的纵向轴线的第一位置逐渐转动到其偏离所述纵向轴线的第二位置，一边使无端链条围绕锯臂转动。在开完槽后，用铰链把锯臂转回第一位置后从井中抽出该切割装置或把它移到另一有待切割的井下地点。
下面结合附图举例详述本发明，附图中
图1为一竖直井的不按比例的局部剖面图，井中布置有本发明切割装置；以及图2为以不同于图1比例绘制的该切割装置的局部剖面图。
图1中示出一穿越地下岩层2的井1，井1包括其中装有一套管5的钻孔3。套管5与钻孔3的壁之间的环形空间中充满水泥7。
本发明切割装置10包括外壳11和一铰接在外壳11上的锯臂15。锯臂15上套有一无端链条24，该链条上装有切割件25。该切割装置10还包括一把锯臂15与外壳11铰接的装置17、一马达(未画出)和一使无端链条24围绕锯臂15转动的传动装置20。
该切割装置10在井1中悬挂在管21的底端。在把该切割装置10向下放入井1中时，锯臂15保持其与外壳11纵向轴线I平行的第一位置。当该切割装置到达有待于在套管5和周围岩层2中切割的位置时，开动马达而驱动无端链条24。同时锯臂15慢慢转向其偏离外壳11纵向轴线I的第二位置。如图1所示，在第二位置上，锯臂15与外壳11纵向轴线I垂直。然后切割装置10向上移动通过井1，无端链条24上的切割伸25开出一穿过套管5、水泥套筒7和周围岩层2的狭长槽23。当狭长槽23达到所要求长度时，锯臂15转回到第一位置，然后从井1中抽出切割装置10。狭长槽23每一面的表面积等于狭长槽23的长度乘以狭长槽23的与井1垂直的深度。
锯臂15的长度选择成狭长槽23的深度等于钻孔2的直径的0.25-3.0倍或以上，最好为钻孔2直径的0.5-1.50倍。
下面结合图2详述图1所示切割装置10。切割装置10包括一外壳11以及一与外壳11铰接的锯臂15。如图2所示，锯臂15可在其平行于外壳11的纵向轴线的第一位置与其偏离外壳11的纵向轴线的第二位置之间转动。
该切割装置还包括一把锯臂15与外壳11铰接的装置17和一马达27，马达27设有花键伸缩输出轴28和传动装置20，从而使其上装有切割件25的无端链条24围绕锯臂15转动。
无端链条24套在一位于锯臂15的受支撑端上的链轮29上。链轮29与一驱动轴30连接，该驱动轴30由一轴承组件(未画出)可转动地连接到外壳11上。驱动轴30的方向与外壳11的纵向轴线I垂直，而锯臂15与驱动轴30铰接。
驱动轴30又受传动装置20的驱动。该传动装置包括由套在驱动轴30上的被动齿轮31和装在马达27的伸缩输出轴28底端的主动齿轮32构成的直线或螺旋伞齿轮。伸缩输出轴28在靠近主动齿轮32处用一支撑件(未画出)支撑而防止该伸缩输出轴28的该端发生轴向或横向移动。
用于铰接锯臂15的装置17包括一使条37在外壳11纵向上平动的装置35和一把该条37的平动转变成锯臂15的转动的装置39。装置39包括一与条37上的齿41啮合的正齿轮40。正齿轮40上有一与锯臂15连接的臂42而把正齿轮40的转动传给锯臂15。
使条37在外壳11的纵向上平动的装置35包括其上有一开口46的活塞45和一管状驱动组件48，该管状驱动组件48包括一外壳49和一内管50。外壳49的顶端与活塞45连接，而条37连接在内管50的底端。
外壳11上有一向里凸起的圈52，而外管49上有一台肩53，从而装置35只能在台肩53与向里凸起的圈52发生抵靠的第一位置和活塞45与向里凸起的圈52发生抵靠的第二位置之间移动。从而齿条37和正齿轮40设计成在第一位置上，该锯臂15与外壳11同向；而在第二位置上，锯臂15与外壳11垂直。
该外壳上还有向里凸起的支撑圈55，而内管50上有向外凸起的圈56。在内管50与外壳11之间的环形空间60中装有两个弹簧一位于向里凸起的支撑圈35与向外凸起的圈52之间的复位弹簧62和一位于向外凸起的圈56与外壳49底端之间的压缩弹簧64。这两个弹簧62和64为锯臂15提供轻微的浮动悬挂，以使之适应套管和/周围的水泥套筒及岩层的坚硬构造。
马达27用支撑件67和68固定在内管50上，而马达27的伸缩输出轴28穿过板71上的孔70。
马达27为Moineau型容积式液压马达。马达27与外壳11的纵向轴线I同轴线。上部支撑件67为一防止驱动马达27的流体泄漏的圈。
正常工作时，把切割装置10往下放入井1中(见图1)到管21的底端。在放下切割装置10时，锯臂15处于与纵向轴线I同轴的第一位置。然后驱动流体流过管21而开动马达27，该流体经开口46流入容积马达27。马达27的伸缩输出轴28通过传动装置20驱动其上有切割件25的无端链条24。
流过管21的流体还作用在活塞45上，从而导致用于使条37平动的装置35向下移动，从而锯臂15慢慢转向偏离外壳11纵向轴线I的位置。当锯臂15转动时，切割件25割穿套管5(见图1)、水泥层7和地下岩层2。当锯臂15与纵向轴线I垂直时，上提切割装置10而在地下岩层2中形成狭长槽23。
当狭长槽23达到所要求长度时，中断流体供应，复位弹簧62上顶装置35而上移条37，从而锯臂15回到其第一位置。然后从井1中抽出切割装置10。
锯臂15的长度不受该外壳或钻孔的直径的限制，因此该槽的深度可比使用圆形切割刀的现有切割装置大得多。而且，本发明狭长槽的壁为平面，因此与用射孔枪打出的同样深度的现有孔比较，一个槽可增产至少25％。按本发明方法开出的狭长槽还有利于对井作进一步处理，如卵石回填、水力破碎和其它增产处理。若本发明的槽与卵石回填结合使用，由于不存在其中细料堵塞用现有射孔技术打出的卵石过滤层孔道的危区(crunched zone)，因此产量可望大大提高(高达300％)。
该切割装置可设置管道系统和喷嘴，从而使用驱动马达的流体冲洗切割件。
通过适当选择井中流体的密度，可控制锯臂处的流体压力。该压力可大于岩层压力而便于切割岩层。该压力也可小于岩层压力，从而流体从岩层流入井中而用来冲洗切割件。
结合图2所述装置的马达为容积式液压马达，但也可代之以液力涡轮机或电动机，若马达由流体驱动，则切割装置装在钻杆或盘管之类管子的底端。若马达为电动机，则切割装置装在电线或内部装有电线的盘管的底端。该切割装置也可装有传动装置，以把将切割装置放入井下的管子的转动传给无端链条。
条37可代之以由一电动机驱动的可转动心轴，该心轴与正齿轮配合。
本发明切割装置可装有不止一个锯臂，例如两个对称的锯臂。此时第二锯臂(未画出)可铰接在驱动轴30上而由一受一齿条驱动的正齿轮转动。齿条和正齿轮可布置在图2所示正齿轮40和齿条37的镜象位置上。
如结合图1所述，切割件割穿套管、水泥和岩层。应该看到，若井带有衬筒，则切割件割穿该衬筒；岩井为一开孔，则只切割岩层。
此外，若该井有一钢套管或衬筒，则该装置可装有一首先在该钢套管或衬筒中开出一槽的圆形锯片，然后转动链锯通过该槽而在水泥套筒和周围岩层中开出一槽。
图1所示井为一竖直井，但本发明切割装置并不限于应用于竖直井。该井也可为斜井或水平井，此时“向上”一词指指向井口的方向。
无端链条可视马达和传动装置而在两个方向上转动。
可向上(如结合附图1所述)，也可向下开出狭长槽。
切割件25用耐磨材料制成，例如碳化钨、天然或人造钻石。
应该看到，在切割件切割的同时把锯臂15慢慢转动到图1所示横向位置、在开完槽后使锯臂回到纵向位置的铰链机构多种多样。
因此应该看到，附图所示切割装置的实施例只是例示性的。
权利要求
1.一种在一穿越地下岩层的井的旁边开槽的切割装置，该装置包括一铰接在一外壳之上从而可在其平行于该外壳纵向轴线的第一位置和其偏离该纵向轴线的第二位置间转动的锯臂，一套在该锯臂上、其上有切割件的无端链条以及使该链条围绕该锯臂转动的装置。
2.按权利要求1所述的切割装置，其中，该锯臂由一椭圆形刀片构成，其长度使得狭长槽的深度为该井内径的至少0.5倍。
3.按权利要求1或2所述的切割装置，其中，使无端链条围绕锯臂转动的装置包括一由一马达驱动的驱动轴。
4.按权利要求3所述的切割装置，其中，该无端链条套在一可转动地装在该锯臂受支撑端的一链轮上，该链轮装在该驱动轴上。
5.按权利要求3或4所述的切割装置，其中，该驱动轴由一轴承组件可转动地与该外壳连接，从而使该驱动轴的方向与该外壳的纵向轴线基本垂直，而该锯臂由另一轴承组件与该驱动轴铰接而使该锯臂可相对该外壳和该驱动轴转动。
6.按权利要求3所述的切割装置，其中，该马达为一在该外壳中与该外壳的纵向轴线基本同轴的容积式液压马达。
7.按权利要求6所述的切割装置，其中，该装置包括一液压活塞组件、一按照该马达上的液压差使该锯臂转到第二位置的铰链机构以及在该马达上不存在液压差时使锯臂转回第一位置的弹簧机构。
8.按权利要求7所述的切割装置，其中，该铰链机构包括一固定在锯臂受支撑端上的正齿轮，而该活塞组件包括一齿条，其上的齿与该正齿轮啮合。
9.一种在一穿越地下岩层的井的旁边开槽的方法，该方法包括下列步骤把一切割装置往下放入井中，该切割装置包括一铰接在一外壳上的锯臂，锯臂上套有一无端链条，链条上装有切割件；一边把锯臂从其平行于外壳纵向轴线的第一位置转动到其偏离该纵向轴线的第二位置，一边使无端链条围绕锯臂转动；把锯臂转回第一位置；和从井中抽出该切割装置。
10.按权利要求9所述的方法，其中，锯臂的长度选定成使得狭长槽的深度为该井直径的至少0.5倍。
全文摘要
一种在一穿越地下岩层的井的旁边开槽的切割装置，包括其上套有一无端链条(24)的锯臂(15)，而该链条上装有切割件(25)。使用时，臂(15)一边从一相对于井孔的纵向位置慢慢转向一与井孔横交的位置，链条(24)一边围绕臂(15)转动，从而使切割件(25)在岩层(2)和套管或衬筒(5)(若有的话)中切出一槽。
文档编号E21B43/11GK1154731SQ95194437
公开日1997年7月16日 申请日期1995年8月1日 优先权日1994年8月2日
发明者布伦特·雷诺·罗斯, 罗伯特·尼古拉斯·沃勒尔 申请人:国际壳牌研究有限公司