CN116324118A - 铣削和捕捉装置 - Google Patents

Abstract

一种铣削系统可用于移除堵塞井眼的故障阀的部分。当铣削堵塞井眼的部分打开的阀时，待移除的目标材料可能不存在于井眼的中心轴线处，导致目标材料不完全包围铣削钻头，这可能导致钻头在铣削过程中偏离目标，从而降低铣削效率。所公开的铣削系统可用于铣削和捕捉任何井下阻塞物的试样，所述井下阻塞物在井眼的中心轴线附近没有任何材料。铣削系统的第一实施例可被构造成完全铣削出井眼中的材料，而第二实施例可用于铣削出井眼中的材料并进一步捕捉铣削后的材料或试样。

Description

铣削和捕捉装置

技术领域

本文公开的主题涉及铣削和捕捉装置，更具体地，涉及用于井下介入工具的铣削和捕捉装置。

背景技术

井眼的生产可能需要使用各种阀，包括但不限于球阀、闸阀或可用于堵塞井眼的任何其它类型的可移动屏障。阀门或可移动屏障可能在完全打开和完全关闭之间的位置故障。当阀在部分打开或关闭位置出现故障时，阀的一些部分可能会阻塞井眼流体的流动，并可能会影响将装置插入井眼和从井眼取出所需的间隙。铣削和捕捉装置将允许移除故障阀的阻塞部分，以清理井眼，使装置和井眼流体通过。

当铣削堵塞井眼的部分打开的阀时，待移除的目标材料可能不存在于井眼的中心轴线处，导致目标材料不完全包围铣削钻头，这可能导致钻头在铣削过程中偏离目标，从而降低铣削效率。对于部署在钻杆或连续油管上的铣削装置，系统通常可以在钻头上提供足够的扭矩和力来克服这种低效率；然而，对于部署在线缆上的铣削装置，可用的力和扭矩较小，因此难以克服钻头偏斜造成的损失。

这一部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本技术的各个方面相关的技术的各个方面。该讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本公开的各个方面。因此，应该理解的是，这些陈述应该从这个角度来阅读，而不是作为任何形式的承认。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件，在附图中:

图1是根据本公开的实施例的包括铣削系统的介入系统的实施例的示意图；

图2是具有容纳基于牵引车的介入工具和图1的铣削系统的运输工具的井的油田的概观图；

图3是位于井的水平部分内的图2的铣削系统的放大视图；

图4A-4C描绘了关闭、打开和部分打开不同量时的示例性闸阀和球阀；

图4D示出了处于部分打开构造的球阀，其部分可以通过图1-3的铣削系统移除；

图5是具有铣削钻头的图1-3的铣削系统的实施例的视图；

图6是具有环形切削器和中心主体的图5的铣削钻头的详细视图；

图7是图6的中心主体的一实施例的示意图；

图8是具有捕捉装置的图6的中心主体的替代实施例的示意图；

图9是环形切削器的替代实施例的示意图，该环形切削器包括弹簧和具有寻孔特征的中心主体；

图10是替代捕捉装置和替代寻孔器特征的示意图；

图11是具有万向节的中心主体的替代实施例的示意图；

图12是中心主体的一替代实施例的示意图，该中心主体被构造成既能铣削又能捕捉铣削切屑；和

图13A和13B是以展开(图13A)和折叠(图13B)构造示出的捕捉装置的替代实施例的示意图。

具体实施方式

下面将描述一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何这种实际实施方式的开发中，如同在任何工程或设计项目中一样，必须做出许多特定于实现的决定，以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束可能因实施方式而异。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，这仍然是设计、制作和制造的常规任务。

以下讨论与最初要求保护的主题范围相当的某些示例。这些示例不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以包含与下面阐述的示例相似或不同的各种形式。

当介绍本公开的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”和“该”意在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着除了所列出的元素之外，还可以有另外的元素。此外，应当理解，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的引用不旨在被解释为排除也结合了所述特征的附加实施例的存在。此外，短语“A基于B”意在表示A至少部分基于B。此外，除非另有明确说明，否则术语“或”意在包括(例如，逻辑“或”)而非排他(例如，逻辑“异或”)。换句话说，短语“A或B”意在表示A、B或A和B两者。

石油和天然气行业包括许多子行业，如勘探、钻井、测井、开采、运输、提炼、零售等。在勘探和钻井期间，由于包括资源的发现、观察和/或开采的原因，井眼可能被钻入地下。这些资源可能包括石油、天然气、水或地下元素的任何其他组合。

井眼，有时被称为钻孔，可以是钻入地面的直的或弯曲的孔，从中可以发现、观察和/或提取资源。此外，井眼可具有水平钻井段，以增加产量和/或效率。在井眼形成之后，可以进行测井和生产。测井可包括对井眼穿过的地质构造进行详细记录，并且也可在井眼的形成(例如钻井)过程中实施。生产可以包括从井眼内提取资源。

井眼的生产可能需要使用各种阀门或可移动屏障来隔离井眼的各个部分。阀或可移动屏障可能在完全打开和完全关闭之间的位置故障，这可能阻碍井眼流体的流动，并且可能影响将装置插入井眼和从井眼移除所需的间隙。铣削装置将允许移除故障阀的阻塞部分，以清理井眼，用于设备和井眼流体的通过。此外，捕捉装置也可用于收集铣削的材料。

现在参考图1，示出了介入系统100的实施例的示意图。系统100包括具有铣削系统150的井下组件110，用于在井中执行铣削应用。还提供了通信传输线125。线125容纳在卷轴117上，卷轴117作为整个地面驱动系统(例如绞盘系统115)的一部分提供给油田190。因此，铣削系统150可以从油田表面190经过滑轮175和井口180部署到井中用于铣削操作。地面驱动系统115包括控制线125部署和/或为线125的部署产生运动的设备。

一旦井下铣削应用已经完成，上述输送线125允许工具取回的便利方式。具体而言，线125可以从地面驱动系统或绞盘系统115的卷轴117展开，以将铣削系统150部署到井中，卷轴117稍后被重新卷绕，以便一旦应用完成，就将其与铣削系统150一起收回。虽然所描绘的线125可以是线缆，但是连续油管或其他线类型也可以使用，并且地面驱动系统115可以包括注入器或其他合适的地面设备，例如但不限于用于将流体泵送到管道或井中以使泵送的流体能够将铣削系统150输送到井中的地面设备。

井下组件110可以获取导致部署调整的读数或测量值。具体地，如上所述，线缆125包括通信能力。因此，井下组件110的传感器111、112可用于在部署和铣削应用期间获取数据。

在所示的实施例中，输送线125通过如上所述的牵引机114连同绞盘系统115及其退绕卷轴117一起部署穿过井。在一实施例中，利用连续油管代替所示的线缆125，注入器可用作绞盘系统115的一部分。

现在参考图2，示出了具有井280的油田的概况，井280在其中包括阀283，并且容纳图1的牵引机驱动的井下组件110以及其输送模式(即，线缆电缆125)。在该视图中，示出了井下组件110穿过井280的水平部分287向阀283前进。更具体而言，井280包括由套管285限定的垂直部分，该垂直部分穿过多个地层290、295，在油田表面190下穿过几千英尺。在所示的实施例中，提供了传统的钻机225和压力控制设备250，以有助于所示的牵引机驱动的线缆输送。然而，在利用连续油管的情况下，可以在井口180上方设置注入器。此外，也如上所述，可以使用替代类型的运输工具，例如滑线(slickline)或钻杆。

继续参照图2的实施例，井280在垂直部分和套管285终止的弯头289处过渡到所述水平部分287。例如，这种类型的结构可以旨在从水平部分287的位置处的下部地层295中开采碳氢化合物。因此，作为完井、维护或监控的问题，阀283或其他可移动屏障可以位于井280的其他位置。

现在参考图3，并另外参考图2，井下组件110和输送线125的放大图被描绘为由井280的水平部分287内的定心器113居中。定心器113可以帮助定心铣削系统150，并且在其他实施例中，可以集成到旋转铣削系统150的旋转模块中。为了说明的目的，组件110被描述为在井下方向(箭头375)朝着阀283移动。如图所示，组件的牵引器114配备有辊314或轮子，用于辅助井下前进。

现在参考图4A-4D，阀283可以是现有技术中已知的任何阀，包括但不限于闸阀283a(图4A)、球阀283b、283c(图4B、4C)或任何其他类型的可用于堵塞井眼的可移动屏障；图4A示出了处于打开位置(1)、部分打开位置(2)和关闭位置(3)的闸阀283a。如果闸阀283a在部分打开位置(2)或关闭位置(3)故障，则闸阀283a落入套管285内的部分可能需要铣掉。图4B示出了具有座置球(左侧)和空球座(右侧)的球阀283b。图4C示出了球阀283c在完全关闭(左侧)到部分打开以及逐渐打开到完全打开(右侧)之间的各种位置，其中球阀可能在关闭、打开或任何程度的部分打开时故障。根据球阀283c打开的量，落入套管285内的可能需要磨掉或去除的材料的量将会变化，图4D示出了球阀283c的将在磨铣过程中被去除以清理套管或井眼285的部分。在本实施例中，被移除的阀283c的试样或部分或残余物是楔形的，但是可以是任何形状，这取决于阻塞套管或井眼285的材料的量。

图5示出了铣削系统150的实施例，该铣削系统150包括用于控制工具和致动器的电子部分505、锚和推动器部分510、旋转工具520和铣削钻头530，锚和推动器部分510提供用于铣削穿过井下材料的钻压(WOB)并反作用于铣削扭矩，旋转工具520旋转铣削钻头以产生扭矩，铣削钻头530铣削穿过故障阀283的阻塞部分。铣削系统150可用于铣削和捕捉任何井下阻塞物的试样，该井下阻塞物在井眼的中心轴线附近没有任何材料。

图6示出了图5的铣削钻头530，其包括环形切削器610和设置在环形切削器610内的中心主体640。在图7中进一步详细示出的中心主体640的第一实施例可被构造成完全铣削出井眼285内的材料(例如，阀283)。中心主体640包括内部铣削装置710。内部铣削装置710还可以包括可更换的切削镶片720，或者可以包括直接加工到铣削装置本身的主体640中的切削结构。

内部铣削装置710的下端还可以包括端铣削件730，用于在钻头中心(即，井眼的中心轴线)附近插入带有固体材料的目标283。取决于铣削目标283的形状和材料，内部铣削装置710的具体构造可以包括各种不同的形状并使用各种切削结构720。不管构造如何，由内部铣削装置710一侧上的切削产生的径向力被环形切削器610上的相反径向力反作用。为了有助于在目标283的中心开始切削，内部铣削装置710凹进环形切削器610的前缘615内，因此环形切削器610将在内部铣削装置710接触目标283之前加工出定位槽(pocket)。对于球形目标，环形切削器610可能倾向于自居中，使得环形切削器610上的径向反作用力从接触力的径向分量开始，然后一旦定位槽已经被铣削，就转变为与平坦目标相同的行为。与没有环绕环形切削器的铣削钻头相比，本发明的这个实施例提高了切削器上的力，并且更好地保持了初始铣削轨迹。

内部铣削装置710和环形切削器610可以在750处刚性连接，从而一起旋转。铣削钻头530(图6)连接到旋转部分520(图5),连接特征设置在中心主体640的上端。铣削钻头还可以包含用于在内部铣削装置710内捕捉铣削切屑的孔770，以及用于将切屑导向孔770的通道或凹槽。环形切削器610还可以包含用于允许未被捕捉的钻屑离开铣削钻头530的孔。在一个或多个实施例中，环形切削器610可以布置为外部定心器或套筒，并且可以用于提供居中、目标对准、目标铣削扭矩反作用或其组合。在一个或多个实施例中，环形切削器610可以与内部铣削装置710连接，使得内部铣削装置710相对于环形切削器610旋转。例如，内部铣削装置710和环形切削器610可以使用轴承接头或其他现在已知或将来已知的旋转接头连接。在一个或多个实施例中，环形切削器610可以被构造为在铣削目标283被铣削时轴向移动。在该实施例中，内部铣削装置710可以相对于环形切削器610旋转，或者环形切削器610和内部铣削装置710可以一起旋转。在一个或多个实施例中，环形切削器610不相对于内部铣削装置710旋转，并且内部铣削装置710被构造成当内部铣削装置710在铣削方向上轴向移动时铣削环形切削器610的一部分。例如，环形切削器610可以使用接头连接到中心主体640，该接头提供径向支撑并允许在轴向上运动，例如轴颈轴承等。在一实施例中，在操作期间，环形切削器610将相对于内部铣削装置710轴向移动。

图8示出了图6的中心主体640的第二实施例，该中心主体640可用于铣削出井眼285内的材料(例如，阀283)并进一步捕捉铣削后的材料或试样410(见图4D)。中心主体640包括内部轴810和捕捉装置830。内部轴810在径向方向上可以是实心的或柔性的。内部轴810和环形切削器610可以彼此刚性附接或联接，以传递扭矩，同时允许独立的轴向运动。在本实施例中，内部轴810连接到捕捉装置830，捕捉装置830包括圆柱形刷子。刷子830包括具有一定硬度的周向分布的刷毛。刷子830可以定位或延伸超过环形切削器610下端的前缘615，以便于捕捉下部试样材料。刷子830的刷毛可以在轴向和/或切线方向上被偏置，以在进入打开的阀283时提供低刚度，而在相反方向上提供高刚度。在一实施例中，刷子830的刷毛可以被偏压，其自由端轴向远离铣削前进的方向，并且切向远离铣削旋转的方向。当楔形试样410(图4D)被环形切削器610从阀283上完全切下时，刷子830的刷毛将推动试样410抵靠环形切削器610的内径，并防止试样410通过环形切削器610的中心落回。

图9示出了中心主体640的替代实施例，其还包括环形切削器610上的弹簧910，用于偏置环形切削器610和内部轴810的相对轴向位置。捕捉装置830可以由任何合适的材料制成，并且具有任何合适的构造，该构造允许捕捉装置830穿过铣削目标283，并且一旦穿过铣削目标283的相对侧就以大的扩张率扩张。

在本实施例中，内部轴810还包括具有捕捉装置830的柔性轴960和位于柔性轴960下端的寻孔器特征955。寻孔器特征955帮助带有柔性轴960的捕捉装置830进入阀283并穿过铣削目标283，然后一旦穿过铣削目标283的相对侧就扩张。在本实施例中，寻孔器特征955包括与柔性轴960一起旋转的成角度的尖端。柔性轴960可以由任何合适的材料制成，并且具有允许柔性轴960相对于环形切削器610偏置到标称中心位置的任何合适的构造。当成角度的尖端955接触阀表面283时，柔性轴960允许尖端955径向偏转，同时继续与轴960一起旋转，直到尖端955与部分打开的阀283中的孔对准。当成角度的尖端955与孔对准时，偏置行为导致成角度的尖端955朝着名义上居中的位置向后移动并进入孔中。因为内孔表面名义上垂直于旋转方向，所以成角度的尖端955被防止离开孔，并且柔性轴960适应一些旋转弯曲行为。在替代实施例中，寻孔器特征955可以包括安装在柔性轴960上的锥形环。锥形环寻孔器可能非常适合与球阀一起使用，当锥形环接触球阀的球面时，球阀会产生径向力。锥形环寻孔器以与成角度的尖端寻孔器955相似的方式工作。

图10示出了中心主体640的替代实施例，其中寻孔器特征包括锥形环1055，内部轴1010还包括弹簧1075，以在一个轴向方向上提供高刚度，在相反的轴向方向上提供低刚度。本实施例还包括替代的捕捉装置1030，其是通过铰链1035联接到锥形环1055的挡板(flapper)。可以允许挡板1030向上折叠以穿过阀283(图4D),但是可以防止挡板1030向下折叠以捕捉试样410。挡板1030也可以使用至少一个弹簧沿打开方向偏置。

图11示出了包括锥形环寻孔器特征1055的中心主体640的替代实施例，其中内部轴1110还包括弹簧1075。在本实施例中，内部轴1110是柔性轴，该柔性轴是由至少两个万向节1160连接的分段实心轴。本实施例还包括挡板1030，以捕捉任何通过铰链1035联接到锥形环1055的铣削的试样。

图12示出了一个替代实施例，其中中心主体640被构造成既铣削又捕捉试样410(图4D)。在内部轴1210的下端由铣削钻头1230代替了寻孔器特征。在本实施例中，内部轴1210还可以包括弹簧1075。铣削钻头1230被构造为仅移除阀283(图4D)中心的材料，之后捕捉装置1030(例如挡板)可以穿过铣削钻头1230在阀中产生的孔。

图13A和13B示出了捕捉装置1330的替代实施例，该捕捉装置1330可以与任何上述公开的内部轴810、1010、1110、1210一起使用。捕捉装置1330可以是成形的杯子，该杯子被构造成在一个方向上折叠，但在相反方向上阻止翻转。捕捉装置1330可由任何合适的材料制成，包括但不限于弹性体和金属片，当捕捉装置1330被推动通过如图13B所示的限制部时，该材料允许捕捉装置1330在一个方向上折叠，然后再次扩张通过如图13A所示的限制部。如果金属片用于捕捉装置1330，金属片可以是波纹状的，以允许其折叠。

在操作中，井下组件110在孔中运行至合适的深度。旋转部分520(图5)从地面控制开始。旋转部分520旋转环形切削器610(图6)，该环形切削器610包括中心主体640，该中心主体640具有在本发明中描述的实施例之一或其变型。推动器部分510(图5)将铣削钻头530推进到目标283中(图4D)。随着材料被铣削，井下组件110随着材料被从目标移除而向井下移动。对于使用被构造用于捕捉试样410(图4D)的中心主体的实施例，捕捉装置810、1030、1330被定位在环形切削器610的前面，使得试样在从目标的基底材料分离之前被保留。对于使用被构造用于全孔材料移除的中心主体的实施例，环形切削器610反作用于由内部铣削装置710(图7)产生的径向力。在该第一次铣削操作完成之后，可以执行后续的铣削操作，其中重复该过程，但是后续的铣削切屑将先前的铣削切屑进一步向上推动到内部铣削装置710中，在那里，铣削碎屑可以保留在铣削钻头530内部，并且井下组件110可以被带回地面。

在一实施例中，捕捉机构可以由任何合适的柔性材料制成，包括但不限于弹性体，以实现相同的目的。

在一实施例中，捕捉机构可以与另一个捕捉机构结合使用，或者组合成一件。

在一实施例中，捕捉机构可以由任何数量的挡板臂制成。

在一实施例中，保持挡板臂打开的弹簧可以多种方式安装，包括内部或外部弓形弹簧。

在一实施例中，内部轴可以足够长，使得在铣削开始之前，捕捉机构延伸到阀下方。

在一实施例中，捕捉机构可以构造有故意的薄弱点，使得捕捉机构反转或以其他方式断裂，而不会在井中留下任何部件，以使得井下组件能够在铣削操作完成之前从井眼中拔出。

在一实施例中，捕捉机构可以使用更复杂的连杆来为捕捉机构提供结构支撑，同时仍然允许捕捉机构向内折叠。

在一实施例中，捕捉机构的底部可以使用集成的寻孔器特征来增加或最大化捕捉机构穿过部分打开的阀前进的可能性。

在一实施例中，集成的寻孔器特征可以通过缓慢旋转铣削钻头同时牵引或放松运输工具来工作。

在一实施例中，通过集成螺钉或弹簧加载的释放机构以仅在铣削钻头旋转后打开，捕捉机构可以主动打开而不是被动打开。

在一实施例中，捕捉机构挡板臂的端部可以具有集成特征，以最小化在拉出井眼时捕捉在限制部上的机会。

在一实施例中，除了铣削穿过部分打开的阀之外，捕捉机构可以用于其他铣削操作。

在一实施例中，除了铣削之外，捕捉机构还可以用于井下保持/捕捉。

虽然本公开可以有各种修改和替代形式，但是已经通过附图中的示例示出了具体实施例，并且已经在此详细描述了具体实施例。然而，应该理解的是，本公开不旨在限于所公开的特定形式。例如，虽然这里描述的一些实施例包含铣削和捕捉系统的特定组合，但是其他组合也是可能的。相反，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

本文提出和要求保护的技术被引用并应用于实际性质的实物和具体示例，它们明显地改进了本技术领域，因此不是抽象的、无形的或纯理论的。此外，如果本说明书末尾所附的任何权利要求包含一个或多个被指定为“用于[执行][一功能]…的装置”或者用于[执行][一功能]…的步骤”的元件，旨在这样的元件要根据35U.S.C.112(f)进行解释。然而，对于包含以任何其他方式指定的元件的任何权利要求，旨在这样的元件不要根据35U.S.C.112(f)进行解释。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等同结构元件，则这些其他示例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种铣削装置，包括:

构造为从阻塞物切削铣削切屑的环形切削器；

设置在环形切削器内的中心主体；和

设置在中心主体中的内部铣削装置；

其中内部铣削装置凹入环形切削器的下端内。

2.根据权利要求1所述的铣削装置，其中所述内部铣削装置和所述环形切削器刚性连接并一起旋转。

3.根据权利要求1所述的铣削装置，其中所述内部铣削装置包括用于在内部铣削装置内捕捉铣削切屑的孔。

4.一种铣削装置，包括:

构造为从阻塞物切削铣削切屑的环形切削器；和

设置在环形切削器内的中心主体，该中心主体包括内部轴和设置在该内部轴的一端处的捕捉装置。

5.根据权利要求4所述的铣削装置，其中所述捕捉装置包括具有分布式刷毛的刷子，所述分布式刷毛被偏置以在第一方向上提供较大硬度，在与第一方向相反的另一方向上提供较小硬度。

6.根据权利要求4所述的铣削装置，其中所述捕捉装置包括挡板臂。

7.一种铣削装置，包括:

构造为从阻塞物切削铣削切屑的环形切削器；和

设置在环形切削器内的中心主体，该中心主体包括柔性轴和设置在该柔性轴的一端处的寻孔器特征。

8.根据权利要求7所述的铣削装置，其中所述寻孔器特征包括与所述柔性轴一起旋转的成角度的尖端。

9.根据权利要求7所述的铣削装置，其中寻孔器特征包括安装在柔性轴的一端上的锥形环。

10.一种铣削装置，包括:

环形切削器；

设置在环形切削器内的中心主体，其中环形切削器使用允许中心主体相对于环形切削器旋转的连接件连接到中心主体；和

设置在中心主体中的内部铣削装置；

其中该内部铣削装置凹入所述环形切削器的下端内。

11.根据权利要求10所述的铣削装置，其中所述环形切削器被构造为轴向地移动。

12.根据权利要求10所述的铣削装置，其中所述环形切削器用于提供居中、目标对准、目标铣削扭矩反作用或其组合。

13.根据权利要求10所述的铣削装置，其中所述内部铣削装置被构造成在所述内部铣削装置沿铣削方向轴向地移动时铣削环形切削器的一部分。

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