用于在管材中开窗口的方法以及用于该方法中的装置 本发明涉及用于在管材中开窗口的方法以及用于所述方法中的装置。
按常规，当需要在管材例如一段套管中开窗口时，要将造斜器下降到管材中就位。然后降低铣刀到工作管柱上的管材中并旋转铣刀。造斜器具有长的锥形凹面，从而工作管柱的部分重量使铣刀对管材加偏压，以保证铣刀能够切入管材中并开出所需窗口。
尽管造斜器在长直管材中工作良好，但仍有两个难题。第一，当管材通过缩径处时，无法使用标准造斜器；第二，通常造斜器的锥形表面需要装备有材料损耗层，例如黄铜，该层会受到铣刀冲蚀，每次使用造斜器时不得不更换该层。
在通过缩径处的管材中开窗口的一种解决方法是：将铣刀定位在所需位置并旋转，直到铣刀最后切透管材。这有赖于由工作管柱提供足够的径向压力，而且会是冗长乏味的工艺过程。
为了帮助解决该难题，本发明现提供一种用于在管材中开窗口的方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：
将带通孔的装置放置于所述管材中的所需位置；
将铣刀导入所述装置中，直到所述铣刀作用于所述装置和所述管材之间；以及
旋转所述铣刀，在所述管材中开窗口。
若使用造斜器开窗口，则最后必须将造斜器和与之相连的固定器拆除。一种极端情况是通过简单地将造斜器和固定器钻碎来实现。然而，制造造斜器是相当贵的，理想的是将造斜器回收再用。
为了便于回用，本发明提供一种内含造斜器的造斜器组件，其特征在于所述造斜器组件还包含一个连接装置，用于造斜器与固定器的可脱开式连接。
铣刀通常是以其切削速度来判别的。当切削窗口时，大多数铣刀发生性能突然下降之后又恢复这种现象并不奇怪。这是由于包括“取心”在内的多种原因造成的。取心现象发生于：铣刀的中心越过套管壁，且铣刀与管壁之间的相对速度为最小(理论上为零)。本发明即解决这一问题。
根据本发明，现提供一种用于在管材中铣削开口的铣刀，该铣刀具有刀体，该刀体包含：上端，可连接钻柱；下端，装备有铣削和/或切削材料；第一液流孔，通常沿所述刀体轴向延伸；第二液流孔，从所述第一液流孔伸出，且在旋转轴处开口于所述刀体的外表；若干斜向液流孔，从所述第一液流孔伸出，且环绕所述第二液流孔开口于所述刀体的外表，其特征在于：所述第二液流孔衬有一层铣削和/或切削材料。
本发明还提供一种改进型西瓜铣刀(Watermelon mill)，其具有若干个装备有切削或磨削材料地刀片，其特征在于：至少所述刀片之一的径向最外端包有切削或磨削材料。
为了更好地理解本发明，现通过示例并参照附图加以说明，附图中：
图1A为局部剖的侧视简图，图示为采用一种先有技术方法，试图在一段套管中切削窗口的铣刀；
图1B为局部剖的侧视简图，图示为采用同样的先有技术方法，试图在另一段套管中切削窗口的铣刀；
图2A为侧视剖面图，图示出固定在一段套管内的、根据本发明的装置的第一实施例；
图2B为沿图2A中2B-2B线所取的截面；
图3为与图2A相似的视图，只是图示为装置在使用中；
图4为侧视剖面图，图示出在使用中的、根据本发明的装置的第二实施例。
图5A为根据本发明的造斜器组件的透视图；
图5B为连接装置的放大比例剖视图，该连接装置构成图5A所示造斜器组件的一部分；
图5C为沿图5A中5C-5C线所取的截面；
图5D为图5A中所示连接装置的一个元件的侧视图。
图6A为根据本发明的铣刀第一实施例的侧视图；
图6B为图6A所示铣刀的底部平面图；
图6C为与图6A相似的视图，只是局部剖开；
图6D为与沿图6C中6D-6D线所做的视图；
图7A根据本发明的铣刀第二实施例的侧视图，且局部剖开；
图7B为图7A所示铣刀的底部平面图。
图8为常规西瓜铣刀的侧视图；
图9为根据本发明的改进型西瓜铣刀的侧视图；
图10A为部分剖开而部分不剖的侧视图，图示为图9所示改进型西瓜铣刀处于第一铣削系统中，即：即刻就将使用；
图10B为与图10A相似的视图，只是图示为改进型西瓜铣刀已处于窗口成形过程中；以及
图11为部分剖开而部分不剖的侧视图，图示为图9所示改进型西瓜铣刀处于第二铣削系统中，即：窗口成形过程中。
参照附图1A，图中示出一段套管C。铣刀M安装在钻柱P的底部，并在点T处紧靠套管C。当钻柱P旋转时，铣刀M将摩擦套管C的内侧。然而，可以体会到：由于钻柱P所固有的柔性，铣刀M对套管C不能加足够的偏压，因此在容许的时间段内开出窗口是不大可能的。
现参照图1B，图中示出一段套管S。铣刀L安装在钻柱R的底部，并在套管S弯曲段V的点N处紧靠套管S。当钻柱R旋转时，铣刀L将摩擦套管S的内侧。由于套管S的弯曲，由铣刀L施加在套管S上的力将大于图1A中铣刀M作用在套管C上的力。然而，开窗口仍须很长时间。
现参照图2A、2B和3，图示为根据本发明的装置的第一实施例，该装置以附图标记10总体表示。
装置10为带有孔8的空心圆柱体9，该孔8从开口顶端7贯通到开口底端6。
装置10定位于一段套管5内，且通过固定器4保持定位。
装置的较低部分3被加工成一定的形状，使得开口底端6如图所示盖住套管5的弯曲段1。
在使用中，可方便地将装置10在工作管柱或挠性管(coiled tubing)上沿套管5向下进入，并且可方便地机械式启动固定器4。
当装置10就位后，就将铣刀11在钻柱12上沿套管5向下。铣刀11从开口顶端7伸进装置10，向下穿过孔8到达并支放在套管5的弯曲段。如图3所示，铣刀11陷在装置10的侧面30和套管5之间，并且钻柱12的后续部分重量使铣刀11偏压在套管5上。
当铣刀11旋转时，如图3所示切入套管5并在其上开出窗口。铣刀11具有细长刀体13，它与装置10的侧面30保持接触，此时至少形成第一窗口轴向长度的初始部分，最好至少为四分之一。
可以体会到：在切削窗口时，铣刀11顶靠着区段30旋转。需要的话，区段30可具有一层损耗支承层，当装置10被回收后，可更换该层。或者，需要时也可将区段30加厚或硬化。
可以设想对所描述的装置进行各种改型，例如装置10的较低部分3的形状(继而是开口底端6的形状)可加以改变，以便于形成通常所需形状的窗口。
现转到图4，图中示出了根据本发明的装置的第二实施例。由附图标记15总体表示的该装置为带有孔19的空心圆柱体16，该孔19从开口顶端17贯通到开口底端18，该孔基本上垂直于开口顶端17所在平面。装置15具有倾斜的侧壁21，该侧壁终止于装置15的底部。
在图4中，装置15支放在造斜器20的凹面24上。
在使用中，铣刀25在钻柱26上下降伸入装置15，且由倾斜侧壁21导致偏斜，与套管壁22相接触，倾斜侧壁21起到造斜器20之凹面24的损耗支承的作用。钻柱26的重量向下作用在铣刀25上，使铣刀25偏向嵌入套管壁22中，而随后铣刀25旋转，开出窗口27。
在该实施例中，造斜器20支承着装置15，因此该装置可由比较轻的材料制成。然而可以想到，若装置15足够结实，则也可以不用造斜器20。
需要时，装置15可与造斜器20可拆式相连，并且如果需要，可以在使用前与造斜器20先下降就位。
还可以体会到：尽管与固定器4类似的固定器是非常合意的，但并非在所有应用中都必须使用，例如当装置与造斜器相连时。
现参照附图5A，图中示出由附图标记200总体表示的造斜器组件。
造斜器组件200包含具有凹面204的造斜器202、固定器208和连接装置206。
造斜器202和固定器208为基本的常规结构，固定器208在与本发明共同所有的US-A-5341873中加以描述。
如图5B所示，连接装置206具有上部构件222和(底部)打捞构件216,它们由安全销210连接，该安全销设计在43200公斤(95000磅)时失效，且该销穿过打捞构件216颈部214的孔212及上部构件222低段的孔226。
上部构件222的顶部有凹槽228，用来容纳从造斜器202底部向下伸出的突出部。然后造斜器202与上部构件222环绕该突出部焊接起来。
打捞构件216的底端具有突出部218，与固定器208焊接起来。
应注意到：打捞构件216具有液体溢流通道211，该通道沿打捞构件216延伸并开口于空腔224中，该空腔成形于上部构件222中。上部构件222也具有与空腔224相通的液体溢流通道230。
在使用中，当需要拆开造斜器组件200时，将带有钩子的打捞工具下降直到到达凹面204。然后操纵钩子直到其进入凹面204内的矩形槽中。然后提升打捞工具。这会导致安全销210失效，于是可收回造斜器202，液体溢流通道230便于上部构件222与打捞构件216的分离。
一但造斜器202和上部构件222被收回，可下降另一打捞工具，夹住打捞构件216以回收固定器208。需要时，液体溢流通道211可与一机构相连，以松脱固定器208，尽管固定器208可装备有各种各样的机构式或液压式松脱装置。
固定器208被松脱后，可被提升到表面并回收。
(本文所使用的术语“打捞构件”指的是：为了拆开固定器而可被夹扣住的任何构件，并不局限于具有特别适合于被抓钩取回的突边和/或卡圈的构件。)
现参照附图6A至6D，图中示出由附图标记400总体表示的铣刀。铣刀400含有刀体402，该刀体具有上螺纹端404和在下端412的若干条(可选)刀片408。刀片408的导向面和铣刀400的底部均包覆有切削和/或磨削材料，例如带或不带分屑槽的铣削刀头片和/或碳化钨刀头。
第一液流孔406(图6C)从刀体402顶端下伸并分成为：单一的第二液流孔，该孔是第一液流孔406的有效延伸(只是直径小于第一液流孔406)；以及若干斜向液流孔16，这些斜孔从第一液流孔406向下和向外倾斜，且直径小于第一液流孔406和第二液流孔的直径。
第二液流孔开口于铣刀400的旋转轴上，且孔内具有与铣刀400底部相似的切削和/或磨削材料。
在使用中，在铣刀400旋转的同时，钻探泥浆被泵送落入第一液流孔406。已经发现：第二液流孔内具有切削和/或磨削材料能够显著提高钻探效率。据估计在斜向液流孔16内侧施加切削和/或磨削材料，会进一步略微提高效率。
现参照附图7A和7B，图中示出由附图标记420总体表示的铣刀。铣刀420与铣刀400基本相似，由具有上螺纹端424的刀体422构成。但铣刀420不带刀片。铣刀底面和底部侧面均包覆有磨削材料，是由碳化钨刀头钎焊而成的。
第一液流孔426从刀体422顶端下伸并分成为：单一的第二液流孔438，该孔是第一液流孔426的有效延伸(只是直径较小)；以及若干斜向液流孔428，斜孔的直径小于第一液流孔426和第二液流孔438的直径。
如图所示第二液流孔438内具有磨削材料。
图8展示了由附图标记270总体表示的常规西瓜铣刀。西瓜铣刀270具有刀体272，该刀体具有上螺纹端274、下端276和若干个侧面包覆有铣削刀头片和/或粘结铣削材料279的刀片278。
应注意到：刀片278的外表面没有包覆任何形式的研磨材料，而且实际上被修磨光滑，从而不会损伤在使用中所靠压的造斜器表面。
图9展示了根据本发明的改进型西瓜铣刀，以附图标记290总体表示。西瓜铣刀290具有刀体292，该刀体具有上螺纹端294、下端296、和若干个刀片298，各刀片的侧面及径向外端均包覆有铣削刀头片和/或粘结铣削材料。
改进型西瓜铣刀290在管材内开窗口时具有特殊用途，本文下面将参照附图10A、10B和11加以描述。
图10A所示铣削系统300包含有引子铣刀即窗口铣刀310和改进型西瓜铣刀312；它们由颈部322连接。改进型西瓜铣刀312的顶部与单独一段钻杆相连，该段钻杆与钻铤底部相连。钻铤增加了铣削系统300的重量，而钻杆则增加了柔性。
如图10A所示，铣刀310底端支放于造斜器306的凹面304上，且铣刀310偏向压靠套管。铣刀310和改进型西瓜铣刀312的尺寸和位置被设定成：使得铣刀310开出初始窗口，而改进型西瓜铣刀312与管材嵌合但不接触凹面304(图10B)。由于改进型西瓜铣刀312不接触凹面304，各刀片径向外端的切削和/或铣削材料不会损伤凹面304，否则凹面304将被严重损伤。通过利用改进型西瓜铣刀312，可形成窗口及其边缘，减少或省去了在停止铣削后要修整窗口的需要。这可以省去一个完整的“行程”，因此能节省相当大量的时间和金钱。此外，改进型西瓜铣刀312的粗糙外表面使所需转矩降低，并且当其穿过窗口时可将窗口底部套管上的任何唇边打磨平滑。
当需要开较大的窗口时，可使用铣削系统350(图11)。该系统包含有窗口铣刀360、常规西瓜铣刀362和一个改进型西瓜铣刀364。在使用中，引子铣刀(未示出)在套管352上先切割出初始窗口并退出。然后铣削系统350下降就位并旋转。窗口铣刀360穿过套管352周围的环形水泥354进入钻扩成形。
常规型西瓜铣刀362支承在造斜器359的凹面358上，并开始开窗口，而改进型西瓜铣刀364则进一步扩大窗口并修整窗口边缘。此方案被设计成：使得改进型西瓜铣刀364的支承处与造斜器359的凹面358之间具有最小间隙。
现场实验已表明，使用改进型西瓜铣刀364可节省非常大量的时间。