CN104870743B - 支撑多分支窗的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于对多分支窗铣削系统提供扭矩支撑的系统和方法。一种铣削系统包括：细长主体，其具有第一端、第二端以及穿过所述主体的在所述第一端与第二端之间的部分而界定的铣削窗；铣刀，其可移动地布置在所述主体内；造斜器组合件，其至少部分地布置在所述主体内，且被配置为引导所述铣刀穿过所述铣削窗从所述主体出来，以便铣削套管出口；以及扭矩套，其耦合到所述主体，且在所述主体的在所述第一端与第二端之间的部分上方延伸，以便增加所述主体的抗扭力。

Description

支撑多分支窗的系统和方法

背景技术

本发明涉及用于地下操作中的设备，且明确地说，涉及用于向多分支窗铣削系统提供扭矩支撑的系统和方法。

碳氢化合物可能穿过横越一个或多个地层的相对复杂的井眼而产生。一些井眼可包括多分支井眼和/或侧线井眼。多分支井眼包括从母(或主)井眼延伸的一个或多个分支井眼。侧线井眼是从第一大体方向转向到第二大体方向的井眼。侧线井眼可在第一大体方向包括主井眼，且在第二大体方向上包括从所述主井眼转向的次要井眼。多分支井眼可包括一个或多个窗或套管出口，以允许形成对应的分支井眼。侧线井眼也可包括窗或套管出口，以允许井眼转向到第二大体方向。

可通过在主井眼的所需位置处，将套管接头和造斜器定位在套管柱中，来形成多分支或侧线井眼的套管出口。使用造斜器来使一个或多个铣刀相对于套管柱横向(或在替代定向上)偏转。偏转的铣刀穿透套管接头的部分，以形成套管柱中的套管出口。随后可将钻头插入穿过套管出口，以便切割分支或次要井眼。

用于形成套管出口的铣刀是通常用钻柱或工作管柱运送到分支或次要井眼的位置的铣削系统的部分。在大位移井应用中，表面处的扭矩不一定与铣削系统在井下所经历的扭矩相同。因此，铣削系统在尝试在井眼中定向、锚定、定位、取回、释放或操纵铣削系统时，经历高扭矩负载。此类铣削系统在扭矩传输方面受限，因为其通常仅在一侧上受支撑，且因此促进随之的铣削导轨上的不均匀负载和扭曲，这可导致铣削操作的失败。因此需要较稳健的铣削系统。

发明内容

本发明涉及用于地下操作中的设备，且明确地说，涉及用于向多分支窗铣削系统提供扭矩支撑的系统和方法。

在一些实施方案中，公开一种铣削系统。所述铣削系统可为细长主体，其具有第一端、第二端，以及穿过所述主体的一部分而界定于所述第一端与第二端之间的铣削窗；铣刀，其可移动地布置在所述主体内；造斜器组合件，其至少部分地布置在所述主体内，且被配置为引导所述铣刀穿过所述铣削窗从所述主体出来，以便铣削套管出口；以及扭矩套，其耦合到所述主体，且延伸过所述主体的位于所述第一端与第二端之间的部分，以便增加所述主体的抗扭力。

在其它实施方案中，公开一种加强铣削系统的方法。所述方法可包括提供细长主体，所述细长主体具有：第一端和第二端，以及造斜器组合件，其布置在所述第一端与第二端之间，所述造斜器组合件界定穿过所述主体的铣削窗，且将扭矩套耦合到所述主体，所述扭矩套在所述第一端与第二端之间延伸，且通常封闭所述铣削窗，以增加所述主体的抗扭力。

在其它实施方案中，公开一种在填满井眼的套管柱中铣削套管出口的方法。所述方法可包括：将铣削系统运送到井眼中，所述铣削系统包括细长主体，所述细长主体具有第一端和第二端，以及可移动地布置在其中的铣刀，所述主体进一步界定铣削窗；使用耦合到主体的扭矩套来加强铣削系统抵抗扭矩负载，所述扭矩套在所述第一端与第二端之间延伸，且大体上封闭铣削窗；使铣刀在主体内前进；以及使用布置在所述第一端与第二端之间的造斜器组合件来使铣刀偏转成与扭矩套接触；用铣刀铣穿所述扭矩套；以及退出所述主体，以用铣刀来铣削套管出口。

在阅读对以下优选实施方案的描述之后，本领域的技术人员将容易明白本发明的特征和优势。

附图说明

下图用来说明本发明的某些方面，且下图不应被视为排它性实施方案。如本领域且受益于本公开的技术人员将想到，所公开的主题能够在形式和功能上具有相当大的修改、更改、组合和等效方案。

图1示出根据所公开的一个或多个实施方案的可使用铣削系统来形成套管出口的海洋油气平台。

图2示出母井眼与所钻的分支井眼之间的结合点的放大图。

图3A和图3B分别示出根据一个或多个实施方案的示例性铣削系统的等距视图和局部侧视图。

图4A和图4B分别示出根据一个或多个实施方案的包括耦合到其的示例性扭矩套的图3A和图3B的铣削系统的等距视图和局部侧视图。

具体实施方式

本发明涉及用于地下操作中的设备，且明确地说，涉及用于向多分支窗铣削系统提供扭矩支撑的系统和方法。

本文所公开的系统和方法提供较稳健的铣削系统，其可能够抵抗尝试在井下定向、锚定、定位、取回、释放或操纵铣削系统时所经历的增加的扭矩负载。在至少一个实施方案中，一种可铣削扭矩套可耦合到铣削系统，且可完全包裹造斜器或导向支撑件，这通常在旋转负载方面受限，因为其仅从轨道侧支撑。完全支撑导向支撑件可帮助减轻当尝试扭转穿过井下障碍物并锚定铣削系统来进行操作时，铣削系统所经历的不均匀的扭曲负载。此外，容易铣削穿过扭矩套的能力还可允许铣削系统按预期铣削套管出口。所公开的系统和方法可尤其有利地用于大位移井，或一般来说困难的井中，其中表面处的扭矩不一定与铣削系统在井下所经历的扭矩相同。

参看图1，示出根据一个或多个实施方案的海洋油气平台100，其可使用如本文所述的示例性铣削系统。尽管图1描绘海洋油气平台100，但本领域的技术人员将了解，本文所论述的各种实施方案同样非常适合套管接头合其它类型的石油和天然气钻井平台使用，例如基于地面的石油和天然气钻井平台，或位于任何其它地理位置处的钻井平台。然而，在所示出的实施方案中，平台100可为在位于海床106下方的水下石油和天然气构造104中心处的半潜式平台102。海底立板或导管108从平台102的甲板110延伸到布置在海床106上且包括一个或多个防喷器114的井口安装112。平台102具有起重设备116和井架118，用于提升和降低海底导管108内的管柱，例如钻柱120。

如所描绘，主井眼122已钻穿各个地球地层，包括岩层104。术语“母”和“主”井眼在本文可互换使用，来指定从其钻另一井眼的井眼。然而，将注意，母或主井眼不一定直接延伸到地球的表面，而是可替代地作为另一井眼的支路。套管柱124至少部分地接合在主井眼122内。术语“套管”在本文用来表示用于填满井眼的管状柱。在一些应用中，套管可为本领域的技术人员称为“衬垫”的类型，且可为分段式衬垫或连续衬垫，例如连续油管。

套管接头126可互连在套管柱124的细长部分或长度之间，且定位在井眼122内将钻支路或分支井眼128的所需位置处。因此，套管接头126有效地形成套管柱124的整体部分。术语“支路”和“分支”井眼在本文用来指示从其与另一井眼(例如母或主井眼122)的交叉点或结合点向外钻的井眼。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，支路或分支井眼可具有从其向外钻的另一支路或分支井眼。造斜器组合件130，或本领域的技术人员已知的另一类型的铣刀导向件可位于套管柱124和/或套管接头126内。造斜器组合件130可被配置为使一个或多个切削工具(即，铣刀)偏转到套管接头126的内壁中，使得套管出口132在所需的圆周位置处界定于其中。套管出口132提供套管接头126中的“窗”，一个或多个其它切削工具(即，钻头)可穿过所述窗而插入，以便钻分支井眼128。

本领域的技术人员将了解，尽管图1描绘主井眼122的垂直部分，但本文所描述的实施方案同样地适合用于具有其它方向配置的井眼，包括水平井眼、偏斜井眼、倾斜井眼，其组合以及类似井眼。此外，例如上方、下方、上、下、向上、向下、井口、井下等方向术语的使用是关于其在图中所描绘的例示性实施方案而使用，向上方向是朝向对应图的顶部，且向下方向是朝向对应图的底部，井口方向是朝向井的表面，且井下方向是朝向井的轴踵。

现在参看图2，继续参考图1，示出在钻分支井眼128或分支井眼128以其它方式形成于周围的地层104之前，主井眼122与分支井眼128(以虚线示出)之间的结合点的放大图。为了开始钻分支井眼128，铣削系统202可耦合到钻柱120(或任何其它类型的工作管柱)，且传送穿过井眼122，到达将钻分支井眼128的位置。铣削系统202可包括至少一个铣刀204，其被配置为与套管柱124接触，以便在其中铣削套管出口132。如下文更详细地论述，这可通过使用造斜器组合件130(图1)或另一类型的铣刀导向件系统重新引导铣刀204的轴向移动来完成。

在至少一个实施方案中，铣削系统202可为首过系统，其商业上可从美国得克萨斯州休斯顿市的哈利伯顿能源服务集团(Halliburton Energy Services)购得。然而，在其它实施方案中，铣削系统202可为本领域的技术人员已知的任何多分支铣削系统。举例来说，铣削系统202可为能够在套管柱124中铣削套管出口132，且随后促进向周围地层104中的钻井来形成分支井眼128的任何铣削系统。应注意，如图2中所描绘的铣削系统202不一定是按比例绘制的，而是出于例示性目的而示出，来套管接头合分支井眼128和套管出口132描述本公开的特征。

一旦到达将钻分支井眼128的位置，铣削系统202就可被配置为啮合布置在套管柱124内的锚锁销206。锚锁销206可包括互连的各种工具和管状长度，以便将铣削系统202旋转和对准(径向和轴向)到正确的出口角度定向和轴向井深度，来为铣削套管出口132作准备。在一些实施方案中，锚锁销206可为可从美国得克萨斯州休斯顿市的哈利伯顿能源服务集团购得的斯佩里(Sperry)多分支锁销或耦合系统。在其它实施方案中，锚锁销206可为具有不通过与剪切锁销组合的斜口管鞋定向引导件，或用来将铣削系统202定位在主井眼122内的合适深度以及用于形成套管出口132的正确出口角度定向的任何其它机械构件。

在一个或多个实施方案中，锚锁销206可包括锁销耦合208，其具有轮廓和多个圆周对准元件，所述圆周对准元件可操作来接纳铣削系统202的对应锁销机构或组合件306(图3A和图4A)，且从而将锁销组合件306定位在预定的圆周定向中。锚锁销206可还包括对准衬套210，其具有纵向狭槽，所述纵向狭槽圆周上相对于锁销耦合208的圆周对准元件。定位于锁销耦合208与对准衬套210之间的可为套管对准接头212，其可用来确保锁销耦合208相对于对准衬套210的恰当对准。本领域的技术人员将理解，锚锁销206可包括较大或较小数目的工具或不同工具集合，所述工具可操作来实现圆周参考元件与套管出口132的所需圆周定向之间的偏移角度的确定。

现在参考图3A和图3B，继续参看图2，图3A和图3B分别示出根据一个或多个实施方案的示例性铣削系统300的等距视图和局部侧视图。铣削系统300在一些方面可类似于图2的铣削系统202，且因此可用来帮助在套管柱124(图2)中形成套管出口132(图2)。如图所示出，铣削系统300可包括细长主体302，其具有第一端304a和第二端304b(图3B中未示出)。第一端304a可耦合或以其它方式附接到钻柱120(图2)，其将铣削系统300传送到井眼122(图2)中。第二端304b可包括锁销组合件306，其被配置为定位并连接到锚锁销206(图2)，如下文将更详细地描述。

如图3A中所描绘，铣削系统300可还包括造斜器组合件308，其形成主体302的整体部分，或以其它方式耦合或附接到主体302。造斜器组合件308(通常也称为“导向支撑件”)可为大体弓形且细长的部件，其在铣刀310在井下轴向地移动以铣削套管出口132(图2)时，支撑并引导铣刀310。在一些实施方案中，铣刀310可类似于图2的铣刀204。造斜器组合件308可被配置为引导铣刀310与套管柱124(图2)铣削啮合，且随后在铣刀310继续其轴向移动时，使铣刀310维持相对于主井眼122(图2)大体成直线。

铣刀310可包括引导块312(也称为“行进引导块”或“铣刀块”)，其可在造斜器组合件308内大体支撑和引导铣刀310。如所示出，造斜器组合件308可界定或以其它方式形成转入平面部分316中的斜坡部分314。随着铣刀310向井下前进，引导块312沿斜坡部分314轴向平移，这逐渐迫使旋转的铣刀310与套管柱124的内表面接触，从而起始套管出口132(图2)的形成。随着铣刀310继续向井下前进，引导块312沿造斜器组合件308的平面部分316移动，且套管出口132(图2)的轴向长度或开口对应地扩大。对造斜器组合件308及其与铣刀310和引导块312的相互作用的进一步描述可在标题为“Multicut Casing Window Mill andMethod for Forming a Casing Window”美国专利No.5,778,980中找到，所述专利的内容特此以全文引用的方式并入本文中。

铣削组合件300的主体302可进一步界定铣削开口或窗318，其可允许铣刀310径向延伸到主体302之外，并与套管柱124(图2)接触，以便铣削套管出口132(图2)。虽然铣削窗318促进铣刀310从细长主体302无障碍地出来，但铣削窗318可同时造成主体302或造斜器组合件308的某一量的轴向弱化。举例来说，对应于造斜器组合件308的铣削组合件300的主体302可仅在其一侧上被轴向和径向支撑，而相对侧是开放的，以便提供铣削窗318。因此，主体302沿其轴向长度，在界定铣削窗318之处较弱。

当试图在井眼122内定向、锚定、定位、取回、释放或以其它方式操纵铣削系统300时，铣削系统300可经历扭矩或旋转负载。举例来说，当试图将铣削系统300锚定在锚锁销206(图2)处时，可存在增加的扭矩负载。此过程可包括用锁销组合件306来定位锚锁销206，以及通过钻柱120将轴向负载施加到铣削系统300，使得锁销组合件306恰当地插入到锚锁销206中。可接着缩回且同时旋转铣削系统300，以便将锁销组合件306适当地啮合到锚锁销206。在一些应用中，施加到铣削系统300的此旋转力可使主体302超扭矩，且导致不均匀的扭曲负载，这可能导致主体302和/或造斜器组合件308的塑性变形。如果造斜器组合件308变形，那么铣刀310可能被卡住或堵住，或套管出口132可能被不恰当地铣削或定位。

根据一个或多个实施方案，可通过加强主体302，使得其更好地能够承受通过钻柱120(图2)施加到铣削系统300的扭矩装载，来降低主体302和/或造斜器组合件308的扭转故障的风险。此类加强可最好沿主体302的在面临扭矩负载时最容易屈从的部分(例如界定铣削窗318之处)使用。

现在参看图4A和图4B，继续参看图2以及图3A到图3B，图4A和图4B分别示出根据至少一个实施方案的包括耦合到其的示例性扭矩套402的铣削系统300的等距视图和局部侧视图。扭矩套402可耦合到铣削系统300，以便提供加强高扭矩支撑部件。如所示出，在至少一个实施方案中，扭矩套402可被配置为轴向且在圆周上包围造斜器组合件308，包括大体上封闭铣削窗318，其可至少部分地促成主体302的轴向弱化。在操作中，扭矩套402可被配置为例如当在井眼122内操纵铣削系统300时，允许通过铣削系统300施加扭矩，但同时用来降低主体302和/或造斜器组合件308的扭转故障的风险。

扭矩套402可为大体上细长且圆柱形的部件，其沿主体302的轴向长度延伸。在其它实施方案中，扭矩套402可为弓形部件，但不一定被设计成完全围绕主体302延伸，而是可表征为圆柱形槽。扭矩套402可耦合或以其它方式附接到主体302。在一些实施方案中，例如，扭矩套402可通过附接在第一端304a和第二端304b处，来耦合到主体。在其它实施方案中，然而，在不脱离本公开的范围的情况下，扭矩套402可在所述第一端304a与第二端304b之间的任何中间点处耦合到主体302。扭矩套402可使用机械扣件(例如固定螺丝、螺栓等)耦合到主体302。在其它实施方案中，扭矩套402可使用多种其它机械紧固技术耦合在每一端304a、304b处，包括但不限于螺纹、焊接或钎焊、粘合剂、卡环、雉堞墙、磁性耦合布置、摩擦配合、过盈配合，其组合，等等。

在一个或多个实施方案中，扭矩套402可由通常可被铣刀310铣削的材料制成。因此，扭矩套402不会不利地影响铣削机器300的任何操作特征，而是可替代地允许套管出口132(图2)的高效铣削，同时用于增加主体302的抗扭力。在一些实施方案中，扭矩套402可由铝或任何铝合金制成。在其它实施方案中，扭矩套402可由任何软性的可铣削材料制成，包括但不限于铜、铜合金、低碳钢、树脂、塑料、聚合物、织物加强型聚合物、碳纤维、加强型碳纤维、玻璃纤维、复合材料、任何轻量/低密度材料，其组合，等等。

虽然由较软且通常可铣削的材料制成，但扭矩套402可仍用来加强主体302，对抗试图在井眼122内定向、锚定、定位、取回、释放或以其它方式操纵铣削系统300时可经历的高扭矩负载的攻击。这可证明在大位移井眼中尤其有利，其中在表面处施加的扭矩可不是铣削系统300所经历的相同扭矩。在此类大位移应用中，铣削系统300可无意地超扭矩并永久损坏，除非为高扭矩负载恰当地加强。扭矩套402可通过在屈从或以其它方式扭曲成塑性变形之前，帮助铣削系统300承受增加的扭矩负载来提供此加强。此类对扭矩负载的增加的抵抗力可证明有利的，例如，在试图将锁销组合件306耦合到锚锁销206(图2)时，其中可通过钻柱120施加大量的扭矩，以便恰当地连接铣削系统300。

因此，本发明非常适于获得所提到的目的和优势，以及其中固有的那些目的和优势。上文所公开的特定实施方案仅为例示性的，因为可以受益于本文教示的本领域技术人员明白可以不同但等效的方式来修改和实践本发明。此外，除了所附权利要求书中所描述，无意限于本文所示的构造或设计的细节。因此，明显的是，可更改、组合或修改上文所公开的特定例示性实施方案，且所有此类变化均被视为在本发明的范围和精神内。本文例示性地公开的本发明可在无本文未具体公开的任何元素和/或本文所公开的任何任选元素的情况下合适地实践。虽然以“包含”、“含有”或“包括”各种组件或步骤的措词来描述组成部分和方法，但所述组成部分和方法也可“本质上由”或“由”各种组件和步骤“组成”。上文所公开的任何数目和范围可变化某一量。所有公开的具有下限和上限的数值范围，均特定公开属于所述范围内的任何数字和任何所包括的范围。明确地说，本文所公开的每个值范围(或形式，“从约a到约b”，或同等地，“从大约a到大约b”，或同等地，“从大约a到b”)将被理解为陈述包含在较广的值范围内的每个数字和范围。并且，权利要求中的项具有其简单普通意义，除非专利权所有人另有明确且清楚的界定。此外，如所附权利要求书中所使用的不定冠词“一”在本文界定为表示一个或多个其所介绍的元素而不是其中的一个。如果词语或术语在本说明书与可以引用的方式并入本文中的一个或多个专利或其它文献中的使用存在任何冲突，那么应采用与本说明书一致的定义。

Claims (20)

1.一种铣削系统，包括：

细长主体，具有第一端、第二端和无障碍的铣削窗，所述铣削窗穿过所述主体的位于所述第一端与所述第二端之间的部分而被界定；

铣刀，可移动地布置在所述主体内；

造斜器组合件，至少部分地布置在所述主体内，且与所述铣削窗对准以引导所述铣刀穿过所述铣削窗从所述主体出来，以便穿过径向相邻套管铣削套管出口；以及

扭矩套，耦合到所述主体的外部，且在所述主体的位于所述第一端与所述第二端之间的部分上方延伸，以封闭所述铣削窗的至少一部分，且由此增加所述主体的抗扭力。

2.如权利要求1所述的铣削系统，其中所述扭矩套在轴向上和圆周上包围所述造斜器组合件的至少一部分。

3.如权利要求1所述的铣削系统，其中所述扭矩套为圆柱形槽。

4.如权利要求1所述的铣削系统，其中所述扭矩套在所述第一端和所述第二端处耦合到所述主体。

5.如权利要求1所述的铣削系统，其中所述扭矩套以机械方式附接到所述主体。

6.如权利要求5所述的铣削系统，其中所述扭矩套使用以下各项中的至少一项以机械方式附接到所述主体：机械扣件、螺纹、焊接、粘合剂、卡环、雉堞墙、磁性耦合布置、摩擦配合、过盈配合及其组合。

7.如权利要求6所述的铣削系统，其中所述焊接是钎焊。

8.如权利要求1所述的铣削系统，其中所述扭矩套由可铣削材料制成。

9.如权利要求8所述的铣削系统，其中所述可铣削材料是选自由以下各项组成的群组：铝、铝合金、铜、铜合金、低碳钢、聚合物、碳纤维、玻璃纤维、复合材料、轻量/低密度材料及其组合。

10.一种加强铣削系统的方法，包括：

提供具有第一端和第二端的细长主体，以及固定在所述主体的内部且布置在所述第一端与所述第二端之间的造斜器组合件，其中铣削窗穿过所述主体的位于所述第一端与所述第二端之间的部分而被界定；以及

将扭矩套耦合到所述主体的外部，所述扭矩套在所述主体的位于所述第一端与所述第二端之间的部分上延伸，且封闭所述铣削窗的无障碍部分，以增加所述主体的抗扭力。

11.如权利要求10所述的方法，其中将所述扭矩套耦合到所述主体还包括使用机械扣件、螺纹、焊接、粘合剂、卡环、雉堞墙、磁性耦合布置、摩擦配合、过盈配合及其组合中的至少一项来以机械方式将所述扭矩套附接到所述第一端和所述第二端。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述焊接是钎焊。

13.如权利要求10所述的方法，其中将所述扭矩套耦合到所述主体还包括在轴向上和圆周上包围所述造斜器组合件的至少一部分。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述扭矩套由选自包括以下各项的群组的可铣削材料制成：铝、铝合金、铜、铜合金、低碳钢、聚合物、碳纤维、玻璃纤维、复合材料、轻量/低密度材料及其组合。

15.一种在填满井眼的套管柱中铣削套管出口的方法，包括：

将铣削系统运送到所述井眼中，所述铣削系统包括细长主体和铣刀，所述主体具有第一端和第二端，所述铣刀可移动地布置在其中，其中铣削窗穿过所述主体的位于所述第一端与所述第二端之间的部分而被界定；

用耦合到所述主体的外部的扭矩套来减轻所述主体的扭矩负载，所述扭矩套在所述主体的位于所述第一端与所述第二端之间的部分上延伸，且封闭所述铣削窗的无障碍的部分；

使所述铣刀在所述主体内前进，并使用造斜器组合件来使所述铣刀偏转成与所述扭矩套接触；

用所述铣刀铣削穿过所述扭矩套并退出所述主体；以及

用所述铣刀穿过所述套管来铣削所述套管出口。

16.如权利要求15所述的方法，其中用所述扭矩套来加强所述铣削系统以对抗扭矩负载还包括使用机械扣件、螺纹、焊接、粘合剂、卡环、雉堞墙、磁性耦合布置、摩擦配合、过盈配合及其组合中的至少一项来以机械方式将所述扭矩套附接到所述主体的所述第一端和所述第二端。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述焊接是钎焊。

18.如权利要求15所述的方法，还包括用所述扭矩套在轴向上和圆周上包围所述造斜器组合件的至少一部分。

19.如权利要求15所述的方法，其中铣削穿过所述扭矩套还包括铣削穿过选自包括以下各项的群组的可铣削材料：铝、铝合金、铜、铜合金、低碳钢、聚合物、碳纤维、玻璃纤维、复合材料、任何轻量/低密度材料及其组合。

20.如权利要求15所述的方法，还包括：

通过耦合到所述铣削系统的钻柱将扭矩负载施加到所述铣削系统，以便在所述井眼内操纵所述铣削系统；以及

用所述扭矩套来抵抗所述扭矩负载，从而防止所述铣削系统超扭矩。