CN1013781B - 井管钻孔器件及方法 - Google Patents

Abstract

一种井管穿孔机中有一个长形壳，其中有一个可向外移动的活动液压驱动冲头用以在井管上切割开孔。有一个高压液流喷嘴安装在软管的一端，当伸出井管以便在周围土壤中切割径向伸展的开孔时，该喷嘴从冲头的轴向孔中外伸。冲头有沿相对侧的纵向槽孔，使突片沿在井管上切割的开孔的相对侧向后弯折，防止冲孔作业中把井管的任何部分与并管脱离。

Description

本发明所属领域，为油井和/或气井井管钻孔装置，程序及方法等。本发明具体针对一种独特的装置和方法，利用高压流体驱动的穿孔器，在管壁上冲孔，然后用高压喷流，向井管外一个相当大的距离，穿过周围土壤，切削一条通道，供液态或气态烃流入井管。

绝大多数油井或气井用旋转钻进方法钻井，这种作业中通过钻杆柱把含有极细颗粒的钻井泥浆向下压送并从钻头送出用以排出钻屑、冷却和其他有益的效果。钻井泥浆中最常用的材料含有重晶石的极细颗粒。已发现钻孔周围土壤中，有钻井液污染向外扩展，距离钻孔从18英寸到四英尺。这种污染大部分由泥浆中的细颗粒形成，对于流入井管的烃，常形成很大的障碍。

已有很多权宜措施提出并采用，提供通入周围地层的流道，使进入井管的烃的流量增高。最常用的权宜措施，也许是使用炮弹式的装置，放在井管内;但是这种装置的弹丸，一般不能穿到污染区的外面，因此用这种装置通常不能取到最佳流量状态。因此，又有各种其他的建议提出，穿凿周围的地层。例如，美国专利第4，022，279号提出一种钻螺旋形井孔的方法，向井管外钻出一个很大的距离，以提高产量。但是，这专利中没有揭示实现理想螺旋钻孔的具体器械，不能肯定这种结构是否确有存在。

美国专利第3，370，887号，揭示了一种破裂器件，使用一种喷出塞子11（blow-out    plug），这塞子由喷入安装塞子壳体的高压的作用而 径向向外地喷出井管。达姆斯（Dahms）等人的美国专利第3，400，980及3，402，965号，都揭示了一种工具，该工具向下移动伸出井管的下端外面，并有可伸长的管件或软管，从工具上向外移动，同时排出高压液，以便在井的下端形成一个空穴。这专利的器件用于岩盐开采。埃得门兹（Edmunds）等人的第3，402，967号专利，揭示了一种器械，其运转与达姆斯等的专利相似。

马洛特的第3，547，191号美国专利，揭示了一种设备，将其下放井内，通过喷咀装置26、27排出高压液体。喷咀装置的排出液从井管上预先形成的开孔35中通过。

梅斯默（Messmer）的第3，318，395号美国专利揭示了一种其中包括一块固体火箭推进燃料34的工具，该工具下放到井中一个要求的位置上。将火箭燃料点燃，通过喷咀装置36向外排出的废气穿透井管和井管周围的混凝土。火箭（燃料）的排气中含有研磨颗粒，该研磨颗粒有助于切削作用，并起到周围的岩层中切割凹槽的作用，使岩层破裂，可望提高产量。

塔吉洛夫（Tagirov）等人的第4，050，529号专利揭示了一种工具，将其下放井管内，工具有喷咀装置，通过喷咀泵入含磨料的高压水，以便切割穿透井管和周围岩层。使用研磨材料造成矿井的永久性污染，以后在井中用阀、泵之类时，造成阀、泵之类的永久性磨损问题。周围岩层吸收磨料，堵塞岩层中的孔隙。

斯金纳（Skinner）等人的美国专利第4，346，761号揭示了一种系统，其中装有喷咀20，该系统可在井管内垂直上下移动以在井管上切割贯通长孔。喷咀装置不伸到井管以外，但喷咀喷出的高压喷流显然对周围岩层产生某种切割作用。

其他揭示用高压喷咀切割井管的专利，包括布朗（Brown）等人的第3，130，786号，匹特曼（Pitman）的第3，145，776号，乐夫（Love）等 人的第4，134，453号等。阿契保尔（Archibald）的美国再公告专利第Re29，021号，揭示了一种使用径向喷流的地下采掘系统，在井身内切割周围岩层。色默斯（Summers）的美国专利第4，317，492号，揭示了一种高压水喷流型的钻井系统，可用于开采作业和钻井作业，其中一个提供喷流的喷咀从井底向外移动，然后径向移动。杰可比（Jacobi）的第3，873，156号专利，也揭示了一种可以从井底伸出的喷流型采矿装置，用以在盐井中形成一个空穴。波雅节也夫（Boyadjieff）的美国专利第4，365，676号，揭示了一种可从井身径向向外移动的机械钻井设备，以钻出一个侧向孔。另外还有许多美国专利，使用高压喷咀装置，在井底或其附近切割岩层，这些专利中包括美国专利第2，018，285;2，258，001;2，271，005;2，345，816;2，707，616;2，758，653;2，796，129及2，838，117等号。

先有技艺领域中的器械，由于各种缺点，没有一个取得具体程度的成功。例如，仅从放在井管内的喷咀喷射一个高压喷流的器械，不能从井管向外喷射而切割出一个确有效果的距离。此外，这种器械作出的切割的方向和距离，受许多可变参数的影响，包括周围岩层的性质，因此难以取得可预料的效果。所有穿过井管壁工作的高压型喷流器械的一个问题，是必须在管壁上和周围混凝土上开孔，作为切穿周围岩层的一个先决条件。在某些已知的器械中，可以用喷咀流本身开孔，而其他器械要求使用另外的机械切削装置。用喷咀流切透井管的器械，有一个十分严重的缺点，即在井管中留存着切割液中常含有的磨料颗粒，以后，磨料成分终将从阀或诸如泵之类的其他组件中通过，对阀、泵之类起不利的作用。

使用分开的机械切割器械，其缺点是费大大的增加，即无论在增加设备的成本方面或使用设备切割井管消耗时间所增加的费用方面都大大的增加。这是当然的，因为使用这种器械要求把切割设备下降到井底， 在使用喷流型切割器前，必须先切割井管，然后将切割设备取出，再在井管中安放喷流装置。把工具安放在井中和从井中取出，一般需要进行既费时又昂贵的钻杆柱提起和放回的操作。

所有类型的钻孔器的一个共同缺点，是根本不能造成从井管向外贯穿岩层一个适当距离，以达到提高产量的目的。因此，极需要求设备能有效地向外穿透井管周围的土壤构造一段距离而超出井管外围线的井管污染区以外。

因此本发明的主要目的，是提出一种穿透井管外周土壤结构新颖的改进型设备和方法。

图1是一个侧视图，表示气井或油井的剖面，以及本发明用于井壁穿孔的地面设备和井下设备;

图1A是沿图1的A-A线的剖图;

图2示控制盘，藉以在本发明使用时作监测和控制;

图3是土壤的剖视图，表示油井的一部分，其中设置实施本发明的理想装置，理想装置处于不活动状态;

图4是与图3相似的剖视图，但观看角度约为图3的位置向左旋转90°，示设备的工作状态;

图5A是理想实施装置上端沿图3的5-5线的剖视图;

图5B、5C、5D、5E、5F、5G、5H、5I及5J均为沿图3的5-5线的剖视图，分别表示理想实施装置在图5所示之过滤组合件下方，顺序向下的各个部分;

图6是沿图5g及5h的6-6线的剖视;

图7是沿图6的7-7线的剖视图;

图8是理想实施所用的高压软管供入装置的局部分解透视图;

图9是沿图5i的9-9线的剖视图;

图10是沿图9的10-10线剖视图;

图11是沿图9的11-11线剖视图，表示井管冲孔器完成井管冲孔后所处伸出位置;

图12是与图11相似的剖视图，表示井管冲孔作业开始时的部件位置;

图13是冲孔驱动装置的分解透视图，该冲孔驱动装置用于起动在井管内切割一开孔的井管冲孔装置;

图14是用于理想实施方案的喷咀装置分解透视图;

图15是图14喷咀装置组装后的透视图;

图16是沿图15的16-16线剖视图;

图17是沿图16的17-17线剖视图;

图18A是液压/机械示意图，表示在井管冲孔作业开始前，理想实施方案中动力组件的位置;

图18B是与图18A相似的液压装置示意图，但表示的是在井管壁冲孔后部件所处位置;

图19是表示理想实施方案作业循环的定时表。

首先参看图1，表示在有井管12向下穿透储油地层14的油井10中利用本发明理想实施方案的情况。在井管的外周有一个污染区16，其中有在钻井作业中被压入含油岩层中的钻井泥浆成分。此外，在紧接井管周围的区域中，一般有在钻井完成后灌注的混凝土护层。

本发明有一个长管形的井下设备20，用一个有若干传统管段的管柱22从地面向下悬垂，最下面的管段上连接一个有传统结构的稳定器/锚定器24，该稳定器/锚定器上有可选择控制的装置，可向外膨胀而接触井管12的内壁，以把该稳定器/锚定器锚定在某一固定位置上。该长形的装置20的上端用一根短管段26固定在稳定器/锚定器24上。

管柱22的上端有一个用传统装置30支持在修井装置（图未示）等上的转节28，并连接以一条低压软管32及一根连接到加压流体源的高压软 管34。软管32及34从拖车36形式的车辆上伸出，车内安装有控制盘40的控制台38。并且，拖车36有一台电机37，驱动传统高低压泵装置，泵和软管32及34连接，并由控制台的控制盘40控制。泵接受来自由传统两级元件过滤组合件18上伸出的吸入管线17的工作液，过滤组合件18从一辆液罐车19接受未过滤工作液，滤出全部尺寸大于50微米的颗粒。高压泵是一台五活塞正排量泵，提供可调频率的脉冲输出。

该长管形的井下设备20，由若干互相连接的管形壳件形成，其内设置有各种功能件和装置。外壳功能件如图3所示提供从上到下的各功能段，有一个过滤功能段44，一个控制功能段46，一个吹管油缸段48，一个吹管段50，一个冲孔器段52和一个冲孔器油缸段54。

过滤器段44有一个上部44A、一个中间部44B和一个底部44C。上部44A及底部44C用螺纹和中间部44B连接，很清晰地表示在图5A中。圆柱过滤器56安装在上部44A中的支撑套筒58上，滤出来自钻杆柱和过滤组合件18下游的其他设备而进入的工作流体中的大于100微米的颗粒。一个保护屏60遮盖住过滤件56的上端，该过滤件有下部间距的平行支柱件61，利用传统夹具62夹持在支撑套筒58上。设备的工作流体一般是柴油或海水。在任何情况下，用泵将工作流体经管柱向下送，通过上进口孔64进入过滤器段，工作流体从进口孔向下流，然后，向上并向内通过圆柱过滤件56进入支撑套筒58内，再通过下排出孔64向下排出，再进入控制头壳46。

壳底部44C的下端用螺纹连接管接头件66（图5B），管接头件66有较厚的内壁68，下端有小孔径圆孔部分70，有一个上端有螺纹的大孔径中心圆孔部分72，其上端则有更大孔径的圆孔74。有一个螺纹套筒76拧在螺纹孔72′的螺纹中，有一条高压导管78从套筒76中通过。密封装置80及82保证从壁68中通过的任何液体可以从高压导管78的内通道79中流过。

高压导管78的下端，用螺纹拧在第五管形壳段86的横壁84中，壳段86的上端用螺纹拧在管接头件66的下端。有一个单向阀110安装在横壁84的下面，该阀和排出管路108的上端连接，管路108有限流装置109，并且从储压器106、油缸98等的背后通过，而其下端和旋转控制阀150连接（图5E及18A）。第二高压导管90和设在横壁84中的安装件91连接，与第一高压导管78接通。第二高压导管90的下端和一个T形件92（图5C）连接，从T形件92上有第三及第四高压管94及96伸出。

管路94和一个冲头起动件或阀驱动油缸98的下端连接，第四高压管路96的下端和第二T形件100（图5D）连接。油缸98的上端或盖端通过管路99和第三T形件102连接，第三T形件又通过管路104和传统低压储压器106的下端连接，储压器106有一个上加压气体腔和一个下油腔，中间用浮式活塞105（图18A）分隔开。低压储压器106的上端上放置一个安装件107，在井表面使该储压器在活塞105（图18A）上方的上腔可被加压到使井表面有1，000磅/平方英寸的理想设定压力。然后下腔加压到超出1，500磅/平方英寸，使活塞105在储压器中处于中间位置，氮的压力和油的压力平衡。并且，第三T形件102通过管路112和一个计量阀114连接，在将组合件下放到井中以前，用该计量阀将燃料柴油的工作流体首先充灌管路104及112和油缸98的上端。

阀驱动油缸98触动一个直线/旋转运动变换器116，变换器116又用以触动一个传统的旋转阀118，使之到达两个可能到达的位置中的一个位置上。旋转阀118有一个高压进口，通过管路120和第二T形件100连接，该旋转阀还和管路185、122及124连接。一个有一个阻流器109′和单向阀110′的排出管路108′还和阀118相连，如图18A所示。除在井口把它的上腔里用氮加压到2000磅/平方英寸外，一个其它都和低压增压器106相同的高压储压器126安放在旋转阀118的下方，该储压器有管路128和它的下端相连并向下伸展到第四T形件130（图5E）。储压器 126有一个活塞127，把它的上气体腔和一个下油腔分隔开，下油腔加压到2400磅/平方英寸，把活塞127大致放在中间位置上，并把氮的压力增高到相同数值。有一条管路132，从T形件130向下伸，连接第二阀驱动或切割起动油缸134的上端。为适应不同的油井状态，可将管柱或储压器中的压力任意调节或设定。

阀驱动油缸134有一个带活塞杆138的活塞136，杆的外端上安装辊子140，该辊子可和直线导向表面141接触并嵌入一个随动件144中的槽孔142中。因为活塞杆138有辊子140及导向表面141共同作用而限制杆38不绕它的轴旋转，于是杆138的轴向往复运动，由于元件144及142间的反作用力，使随动件144旋转。由于随动件144固定在第二旋转阀150旋转阀芯148的上端，活塞136的作动便可将阀芯旋转到两个可能达到的位置中的一个选定的位置上，控制从阀中通过的液流。还应注意第一阀驱动油缸98及其相关的第一旋转阀118，构造上和油缸及阀装置134，150等相同，如上文所述。

压力管路160从第二T形件100（图5D）向下伸，其下端和一个第五T形件162连接，T形件162如图5E所示。管路164从第五T形件162向下伸，连接第二阀驱动油缸134的下端。压力管路166从第五T形件162向下伸，连接第二旋转阀件150的一个进口孔。管路170及172和管路174相同也连接阀150。

第五管形壳段86的下端用螺纹和第六管形壳段176的上端连接，如图5F所示。在第六管形壳段176的上端中设置一个内横壁178，有一个安装件180，连接内横壁178上方的管路122的下端，该安装件还连接高压软管182的上端。高压软管182的另端，连接导管184，导管184的下端，和一个活动凸轮256（图13）的基部257连接。

管路170及172从旋转阀150向下伸并和穿过内横壁178的安装件连接。第六管形壳段176的下端，用螺纹和第七管形壳段186的上端 相连，管形壳段186中安装一个喷咀驱动油缸188。管形壳段186的下端和第八管形壳段189的上端连接。软管伸缩驱动油缸188安装在壳段186内，有一个油缸盖190，管路172的下端连接在该油缸盖上面，以便接通管孔191，如图5F所示。管路170连接油缸188的活塞杆端，如图5G所示。一个活塞192安装在活塞杆194上，活塞杆194有一条轴向通道196，贯通活塞192的全部长度，可清晰见于图5F中。可以看见杆194的轴向通道196其下端和连接块202中的通道204相连。导管184在油缸188后面向下伸。

一条包括一层柔性螺旋形不锈钢网外鞘208和一根用凯夫拉尔（E.I.杜邦公司商标KEVLAR）制造的高压塑料内管209的复合材料喷咀软管206安装在活动支承块200上，由支承块200携带往复活动。应能看到软管206的另端或外端为喷咀装置210提供支承，如图16所示。在任何情况下活动支承块200放在安装在一个有槽孔的锚定212（图8）中有槽孔的金属导管216中，锚定块212用机加工成的槽214之类和第十一管形壳段186固定安装。向下伸的有槽孔金属导向管216的上端安装在锚定块212中，并有一条纵向槽孔218沿该导向管的全部长度伸展，槽孔218有足够的宽度，供活动支承块200的颈部201纳入其中并沿该槽孔长度方向活动。槽孔218有足够的长度，使活动支承块200的活动距离等于活塞杆194的冲程。

后动支承块200中的孔220的上端闭合，其下端和高压软管件206连接，并通过若干连接孔230和孔204接通，如图5G所示。喷咀210的切割液通过轴向孔196，孔204，外孔230及220输送，目的将在下文中有更详细讨论。导向管216的下端终止于设在第八管形壳段234上端的横壁232上，软管206从壁232上的一个孔236中穿过。应能看到第一及第二导向管定位块222及224固定在第七管形壳段186的内壁上，用以把导向管216的下端支持在相对于壳的一固定位置上。第八管形壳 段234的上端用螺纹连接第七管形壳段186的下端。第八管形壳段234的下端用螺纹和第九管形壳段244相连。

第二导向管238从孔236向下伸，用连接件240连接第三导向管242，可清楚地见于图5H中。喷咀软管206向下穿过导向管238及242，在其内轴向活动。

第三导向管242的下端穿过导向盘252（图13）的一个孔250，导向盘252用机螺丝254固定在冲头驱动凸轮256的上端上，该凸轮有基部257和一个在中线上纵向伸展的管件容纳槽孔258，导向管242则放置在槽孔中。导向管242的下端连接冲头件260的凸轮随动件基部258，冲头件260中有一个内螺纹短轴262和一个可卸外尖264。

在冲头驱动凸轮256上的一个共同平面内设置有第一及第二冲头推伸平面凸轮表面268和270，该表面268及270分别和井管冲孔装置基部258的平随动器表面272及274接触。此外，在冲头驱动凸轮256上也设置有一个第二对冲头推伸驱动凸轮表面280及282，该表面280及282和凸轮冲头装置260基部258的相应匹配平表面284及286作驱动接触。于是，冲头驱动凸轮256向上移动，用于把冲头装置258、262、264向外推以执行冲孔操作。相反，在图10，11及12中可清晰看到，凸轮256的向下活动使凸轮256的燕尾凸轮表面290、292与凸轮冲头装置260基部258的毗邻平表面293、294一起作用以使冲头件后退。

冲头驱动凸轮256的向上移动是由活塞杆300的动作实现，活塞杆300有一个用机螺丝304固定在冲头驱动凸轮256的基部257的连接头302。杆300的下端连接油缸件308中的活塞306，油缸上端用螺纹接合有一个缸盖310。并且，盖310上端还有一个螺纹套筒，用螺纹和第十管形壳段246的下端连接，壳段246上端也用螺纹和第九管形壳段244的下端连接。缸盖312用固定在盖312的下端上并形成工具件20的下端范围的保护尖件314把油缸308的下端关闭。

一个轴向孔316沿杆300的长度伸展并和油缸308的盖端接通，如图5J所示。此外，杆300有一个第二孔318，其下端和缸盖310上的一个环形腔320接通，可清楚地见于图5J中。孔316和导管185相连。上述的连接由连接头257中的孔320、322及324实现（见图9）。与此相似，孔318通过孔330、332及334和导管184连接。

井管冲头装置260放在安装在管形壳段246中的导向套筒340内，在管形壳段246的径向上伸出。此外，有一个厚加强圆筒部分342以配合方式轴向地安装在管形壳段246内，而导向套筒340则穿出该厚加强圆筒部分342，如图5I中。并且，应注意到有一个垫板350被焊接在第十管形壳段246的外表面上，其位置与冲头件260在径向相对侧。从而在冲孔作业中，用垫板350吸收并分散冲头件向外冲击井管造成的反作用力。

冲头件260有一条轴向软管通道353（图13），该通道从壳段262及264中通过，软管件206可在该通道里进退。并且，在冲头组成部分262、264的每侧，设有通槽354，使切屑的回流进入井管。可卸外冲尖264的外端的位置由第一平表面256及第二平表面258限定，这两表面由冲头的轴线伸出所沿而通过的管路260阻止。有一条弧形通道362把软管放置孔353和第三导向管242的下端连接，为软管件206提供畅顺的导槽。此结构能使冲尖264在受到相当大的侧力时，如冲尖在冲孔作业后不能完全退后以及在工具上作用有向上的力时发生的那样，容许从元件262剪开冲尖264。

喷咀装置210有一个喷咀架372，该喷咀架有一个轴向孔374从一个中间腔376伸出，并有一个外埋头碟形扩散表面378。有一个旋转套筒308安装在喷咀架372外表面上旋转，并有若干倾斜喷咀382，各有内端连接一个环形槽384，环形槽384利用喷咀架372中的径向通道386接通中间腔376。旋转套筒380用和它的外端连接的定位夹388定位。还应 看到的是：倾斜喷咀382的外端终止于旋转套筒380外表面上的圆环碟形扩散槽390中。喷咀架372的一个内部392和有内塑料和外金属软管鞘件208连接，从而从里面流出的高压流体必然通过通道394进入中间腔376。定位装置396保持软管组成部分和喷咀体元件之间的连接。

现对一个完全的运转循环作叙述，可理解这运转循环既可用于新井的初次冲孔，又可用于旧井修复。两种运转中的工作程序基本相同。开始时把管柱和全部井下设备从井中提出，将完井泥浆灌进井中，确定在井下保持全井底压力。

将低压储压器106和高压储压器126分别加压到1，000磅/平方英寸和2000磅/平方英寸，为设备20作下放井中的准备。将压力为1500磅/平方英寸的工作流体通过阀114灌入储压器106下端及相关元件104、102和第一驱动油缸98的上端。与此相似，将压力为2400磅/平方英寸的工作流体灌入高压储压器126的下端和油缸134的上端。按理想把全部液路、阀、油缸等都灌满以便尽最大可能防止气泡，为此可采用传统操作方法。

然后利用管柱22将长形的井下设备20下放井中。当在井口增加管柱22的分段时，用低压软管接头32向该管柱注液。设备20达到要求的深度后，通过管柱22加液压，促动传统液力稳定锚定装置24工作，该压力使楔合块25向外移动并接触井管12的内壁，使工具在井管内的一个固定位置上有效锁定。也可以使用传统的机械作动锚定装置。

然后将高压软管34和转节28连接，于是在井口对管柱施加压力，使之增高到4000磅/平方英寸，保持这压力约五分钟，确定系统有无泄漏。如未测出泄漏，便将压力泄放，可认为系统已可开始作冲孔操作。在循环的这个阶段中，该部件的位置如图18A所示，在图19中为在T1所反映的情况。具体而言，活塞306在下方后退的位置上，冲头组件258、262、264在冲头后退的位置上。吹管软管伸缩杆194在其后 退（上方）位置上，喷咀210内缩并完全被包围在穿过冲头组件262、264的轴向孔353中。在时间T2时，井口表面压力开始增高，达到5000磅/平方英寸，外加T3时的由于管内摩擦损耗造成的压力降。把这压力通入高压导管90，使第一阀驱动油缸98的活塞杆端内的压力提高到足以抵制储压器106里的氮气压力，从而使油缸98中的活塞在时间T4内从图18A所示的伸出位置达到图18B所示的后退位置。

活塞在油缸98中的上述活动，使阀118移动到图18B示的位置上，从而使高压施加到油缸308的盖端，以便触发活塞306、连杆300和冲头驱动凸轮256的向上移动。于是冲头装置258、262、264开始向井管壁移动;但是，由于从油缸308的活塞杆端排出的液体受到限流装置109′的限制，从而使冲头装置的移动速度受到控制。活塞306从图18A的后退位置到达图18B的伸出位置，约需1.5分钟（时间T4至T5），在这段时间里，冲头元件264等将从完全后退的位置，经过图12该冲头元件和井管12接触的中间位置，达到时间T4时如图11所示的完全伸出位置。应该观察到由于有槽口354使冲孔作业产生向后弯伸出井管的外面但保持与井管连接的突片体400、402。这样，从井管上被除去而形成孔眼的井管部分，保持和井管相连而没有可能干扰喷咀的运转，或冲孔作业完成后也不干扰石油从岩层中流入。油缸188的活塞杆194，在冲头移动到其伸出的位置过程中，由于高压导管90中的工作压力强度不足以使油缸134盖端的油压抵抗高压储压器126中的气压，故停留在图18A所示的后退位置上，而阀150则停留在图18A所示的位置上。

冲头元件达到完全伸出的位置上后，使系统在5000磅/平方英寸压力下继续维持1.5分钟，使系统完全稳定。稳定阶段结束后，系统便可开始作喷咀装置210的运转等，进行对周围岩层的穿透。

岩层穿透作业在T6时开始，初步把导管90中的压力提高到等于7500磅/平方英寸压力水平，外加管柱和井下设备中的压力损耗。在T7时达 到更高的压力。压力增高对阀118的位置没有影响，这阀停留在图18B所示的位置上。然而该高压足以抵抗高压储压器126中的气压而把油缸134的活塞从外伸的位置移动到其后退的位置（在T8时达到该位置）。于是阀150在T8时移动到图18B所示的位置，使高压液体通过管路172流到油缸188的缸盖端，于是油缸188立刻开始从后退位置移动到伸出位置。油缸188的移动速度受排出管路108中的限流装置109的控制。

在时间T7时向油缸188的盖端中加高压流体，除使活塞和活塞杆组192、194开始向下和伸出外，还使高压流体通过通道191、196、204、230及220流入软管件209中从而促动软管件外端上的喷咀装置210。喷咀装置210的高压喷流切穿周围的岩层，被冲刷的切屑通过设置在冲头组件262、264相对两侧上的槽口354进入井管。控制高压泵，使之提供每分钟200次的压力脉冲，直到喷咀离开冲头件的端部元件264，这时频率提高到每分钟500脉冲。喷咀向外伸入周围岩层的速度由油缸188的排出管路170里的限流装置171控制。软管装置209及喷咀装置210最后在时间T9达到图4所示的完全伸出的位置。于是在岩层14中切成一个空穴500。由于喷咀架372轴向孔374中的喷流的切割作用，空穴500从井管向外伸的径向距离，略长于活塞油缸188的冲程长度。还应该理解到可以把油缸188制造得相当长，使之从井管向外穿透的深度可达15英尺或以上。

在一个足以保证吹管喷咀装置完全伸展的预定时间间隔中把系统保持在较高的压力水平。时间间隔终了后，在时间T10时，开始将导管90中的压力向零下降，在T11时，很快达到零压力，由于储压器106及126中气体施力，使油缸98及134达到伸出的位置;阀118及150同时退回到图18A所示的位置上。但是，由于没有在活塞188或308上施加液压，元件194、256、262、264、306全停留在图18B所示的位置上，因此全处在图中所示的伸出状态。

吹管的后退是通过在时间T12时把导管90里的压力增高到4000磅/平方英寸予以实现的。导管90里4000磅/平方英寸的压力则通过阀118和导管122、182、184、334、332、330及318通到油缸308的杆端，以便触发活塞306及相关喷头驱动凸轮256的后退运动。后退速度由限流器319按一种明显的方式控制，油缸308便在T13时达到完全后退的状态。油缸308盖端的排液通过止逆阀110排出，弃置入设备20的壳体内;然而在壳体上设有渗出孔（图未示），使排出液在适当的时候流入井管。在T2时，油缸188还和油缸308同时被促动，因为导管90中的压力通过导管170通到油缸188的杆端以触发该油缸及喷咀软管装置209、210等后退。这循环在T13时完成后，冲头组件262、264便完全退到在井管中的原始位置上，软管件206完全后退，使得喷咀210被完全包围在冲头件内。在T14时导管90中的压力下降到零，便使设备处在可从井中拆卸或在井中再定位的状态。

然后可以松解稳定锚装置24，使井下设备20可以移到井管中的另一位置上，以便对周围岩层进行下一次穿透。工具的活动可以是在井管中的同一深度中简单旋转到另一位置，或将全套工具升降到不同的深度作下一穿透操作。图4示出深于空穴500的第二空穴500A和一个在中间高度上但角度与空穴500及500A不同的第三穿凿空穴500B。经过所要求的次数的穿透后，把全套工具从井管中取出，配合井眼重放采油管和相关的泵等，从周围岩层14汲取油流。

由此，可以看到可将本发明是可运转地向外在周围岩层中有效穿凿，达到的深度和取得的准确度则远超过已有技术中的穿凿设备。并且，器械极端可靠而无故障，因为全部作业仅依靠在井口改变施加在井管的工作流体的压力来进行控制。不需要有复杂的井下传感器、控制装置、或其他感测附件。

应理解：虽然在本文中揭示了本发明的理想实施方案，但在本技术 领域的普通技术人员无疑可以想出许多修改形式，因此本发明的精神和范围，应仅限定在以后附之权利要求书。

Claims (9)

1、一种用于有井管的矿井的井壁穿孔器件，该穿孔器件包括：

(a)一个长管形壳体有上端和下端，该上端可和在地面上安装的修井设备连接，该壳体有适宜在井管中轴向移动的尺寸和形状，

其特征在于为该穿孔器件还包括：

(b)一个可向外移动的冲头件，该冲头件有内端和外端，该外端有一个当受强力推向这井管时可在井管上凿一个孔的井管切割装置；

(c)支持该冲头件并用于引导该冲头件相对于该长管形壳体在后退和伸出的两位置之间活动的导向装置，在后退位置时该冲头件的该外端基本处于该长管形壳范围内，而在伸出时该冲头件的该外端伸到该壳体的外面；

(d)该长管形壳和该冲头件有当该冲头装置处在后退的位置上时可在一个井管内放置该冲头装置并在其内移动而当该冲头件处于伸出位置上时使该冲头装置的该外端伸到该井管的外表面以外的尺寸和形状；

(e)用以推动冲头件在其后退和伸出的位置之间运动的动力作动冲头驱动装置；

(f)高压液喷流提供装置，其中有一个和在该冲头件中的后退位置及伸出位置之间活动而安装的喷咀装置连接的高压工作流体供源，在后退位置上时该喷咀装置处在该冲头件内，而在伸出位置上时该喷咀装置处于该冲头件的外面，把高压喷流喷到该冲头件的外端以外以切割并清除周围的土壤结构。

2、如权利要求1中所述之穿孔器件，其特征为该冲头件有一条在该冲头件内伸展的内喷咀导向通道，该喷流供给喷咀装置位于该喷咀导向通道内沿该通道活动。

3、如权利要求2中所述之穿孔器件，其特征为该活动冲头件的外端有两个基本为平面的表面，该表面沿基本与该冲头件纵向轴线垂直伸展的横向线相交。

4、如权利要求3中之器械，其特征为该冲头件还另外有一条用以将该喷咀装置操作中产生的土壤切屑输送入该井管的切屑清理通道，该通道沿该冲头件的外表面伸展。

5、如权利要求4中所述之穿孔器件，其特征为：

（a）该高压液喷流供给装置中有用以接受高压切削流体的软管装置，其内端与高压工作流体供源连接，外端与该喷咀装置连接;

（b）用以将该软管装置轴向通过该冲头件移动以使该喷咀装置向外移动超过该冲头件而进入周围土壤结构或把该喷咀装置退到该冲头件包围的位置上的软管驱动动力装置。

6、一种对井管及周围地层凿孔的方法，其中包括如下步骤：

（a）对低压储压器（106）和高压储压器（126）分别灌注以不同压力的工作液体，以便排出其中和其相关部件中的工作液体中的气泡;通过管柱（22）将冲头件下放井中，并放置在所需深度与需穿孔的地层对正;当该冲头件达到所需的位置后，将低压管（32）连接到管柱（22）上，用通过管柱（22）的液体压力促动液力稳定锚定装置（24），使得该稳定锚定装置（24）有效地锁定在井管内的一个固定位置上;利用转节（28）将高压管（34）连接到该管柱（22）上，将井口压力增高到4000磅/平方英寸，并将该压力保持约5分钟，以保证系统内不发生漏泄现象，然后降低该压力;其特征为该方法还包括如下步骤：

（b）向一液压控制回路供给第一压力水平的工作流体，从而逼使冲头装置（258、262、264）向外移动通过井管而达到伸出位置，以便在井管穿凿一个孔眼;

（c）向一该液压控制回路供给第二压力水平的工作液体，从而沿设置在该冲头元件之内的导向装置将一个喷咀装置移动通过该井管上的该孔眼，同时从该喷咀装置供给高压喷流以切割周围的岩层，并保持该冲头装置在穿过该孔眼的伸出位置上，而该喷咀装置向外移动的切割动作是通过在其外端上安装该喷咀装置的软管装置沿着设置在该冲头元件之内的导向装置向外移动而实现的。

7、在权利要求6中所述之方法，其特征为该方法另外包括如下步骤：

（d）在向该液压控制回路供给一个第三压力水平，以及又供给一个第四压力水平的工作流体后，随之反应，把该冲头装置和该喷咀装置退回到该井管内。

8、如权利要求7中所述之方法，其特征为该各压力水平是通过控制其输出与该液压回路连接的泵的输出而取得的。

9、如权利要求8中所述之方法，其特征为该压力水平从最低到最高，依次为：该第三压力水平，该第四压力水平，该第一压力水平和该第二压力水平。

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