径向水平井井底转向装置及其施工方法

摘要

一种径向水平井井底转向装置及其施工方法，包括内管总成和外管总成，所述内管总成包含内管和转筒总成，所述内管的上端通过上活动缸体连接于油管柱下端，所述内管的中部安装有支撑体，支撑体与内管之间设置有能够使支持体和卡瓦片在相对运动时支持体能够对卡瓦片保持一定的挤压力而使卡瓦片对油管内壁保持一定的摩擦力的支撑体压簧，内管下部外壁设有内管定位槽，所述外管总成包含外管、卡瓦片、摩擦块和支撑板，外管的中部安装有摩擦块，所述外管上固定有与所述内管定位槽相配合的定位销，所述外管和支撑板之间通过一下活动缸体联接；本发明仅通过井口上提、下放油管柱便能够完成井下转向装置的锚定、转换方位和转筒转向，易于操作，工艺简单，能够一趟组合钻完任意多个不同方位、不同深度的径向井井眼。

权利要求

1.一种径向水平井井底转向装置，包括内管总成和外管总成，其特征在于：

所述内管总成包含内管和转筒总成，所述内管的上端通过上活动缸体连接于油管柱下端，所述内管的下端连接于转筒总成，所述内管的中部安装有支撑体，支撑体与内管壁之间设置有支撑体压簧，所述支撑体压簧能够使支撑体和卡瓦片相对运动时对卡瓦片保持一定的挤压力，使所述卡瓦片对套管壁保持一定的摩擦力，所述内管的下部外缘设有内管定位槽；

所述外管总成包含外管、所述卡瓦片、摩擦块和支撑板，外管的上端锁定所述卡瓦片的下端，所述卡瓦片能够在所述内管上支撑体的支撑下张开，外管的中部安装有摩擦块，所述摩擦块与外管壁之间安装有压簧，所述外管上固定有与所述内管定位槽相配合的定位销，所述外管的下部联接有支撑板，所述外管和支撑板之间通过下活动缸体相联接，从而使得外管和支撑板可通过下活动缸体进行相对转动。

2.如权利要求1所述的井底转向装置，其特征在于：所述上活动缸体和内管之间设有上补偿弹簧，以使油管柱和内管之间能实现一定范围内的轴向相向或反向运动，所述下活动缸体上还安装有下补偿弹簧，所述下补偿弹簧能够使外管和支撑板之间实现有限的轴向相向或反向运动。

3.如权利要求1或2所述的井底转向装置，其特征在于：所述内管定位槽至少包含一结合段，所述结合段包含第一上直槽和第一下直槽，第一下直槽的上端通过第一斜槽连通至第一上直槽的下部，其中，所述第一上直槽的上端至与第一斜槽的连接处的长度为a，所述第一斜槽的上端至第一下直槽的下端的垂直长度为b，所述第一下直槽的下端延伸有长度为c的第一容纳槽，所述容纳槽的中部连通有相对第一斜槽反向并斜向上的卡接槽。

4.如权利要求3所述的井底转向装置，其特征在于：所述内管定位槽还至少包含一滑动段，所述滑动段包含第二上直槽和第二下直槽，第二下直槽的上端通过第二斜槽连通至第二上直槽的下部，其中，所述第二上直槽的上端至与第二斜槽的连接处的长度为a，所述第二斜槽的上端至第二下直槽的下端的长度为b，所述第二下直槽的下端延伸有长度为c的第二容纳槽，在结合段和滑动段之间设有相对第一斜槽反向并斜向下的引导槽，所述引导槽的上端连接至第一上直槽的下端，下端连接至第二下直槽的下部。

5.如权利要求4所述的井底转向装置，其特征在于：设置多个通过引导槽连接的结合段和滑动段，其中，所述结合段和滑动段依次间隔设置或设置一个结合段和多个依次设置的滑动段。

6.如权利要求3-5中任一所述的井底转向装置的施工方法，包含如下步骤：

步骤一.在地面连接好工具，入井至预计深度，上提管柱，释放外管；

步骤二.下放管柱，完成井下工具锚定、转筒转向；

步骤三.下入高压射流钻具完成径向水平井的钻进；

步骤四.上提钻具，完成井下工具解锁、转筒恢复；

步骤五.下放钻具，完成变换方位、锚定和转筒转向；

反复步骤四和步骤五，完成同一深度多个方位径向水平井的钻进；

步骤六.上提油管至不同目的层深度，完成多个水平面多个径向水平井的钻进；

步骤七.完成整个井筒所设计的径向井钻进，起出管柱完钻。

7.如权利要求6所述的施工方法，其特征在于：步骤一的具体过程为：将外管的定位销位置处于内管定位槽的卡接槽处，使内管和外管在下井过程中处于相对静止状态，按设计下入至预计深度，上提内管高度为c，同时观察悬重变化，悬重稍有增加则完成外管释放。

8.如权利要求6所述的施工方法，其特征在于：步骤二的具体过程为：下放内管长度a+b+c，当悬重减少较大时完成转向器锚定和转筒转向。

9.如权利要求6所述的施工方法，其特征在于：步骤四的具体过程为：下放内管长度a+b+c，变换了方位并完成锚定和转筒转向。

10.如权利要求6所述的施工方法，其特征在于：步骤五的具体过程为：上提内管高度大于a+b+c，悬重稍有增加表明内外管同时向上移动，继续上提带动摩擦块至预计深度，下放管柱进行另一个水平面的径向井作业。

说明书

径向水平井井底转向装置及其施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石油、煤层气钻井设备的技术领域，尤其涉及一种径向水平井井底转向装置及其施工方法。

背景技术

[0002] 高压水射流径向水平井是钻井行业的前沿技术，可在0.3m或更小半径的垂直井段中从垂直转向水平，保证水平井准确的进入目的层；可在某一深度储层水平面上钻多个不同方位的水平井眼，也可在多个不同深度水平面上分别钻出多个径向水平井眼，能够增大泄油面积，提高单井产量、油气采收率和单井控制储量。超短半径水平井钻井技术作业效率高、成本低，适合低渗油气储层老油藏的开采，也适合用于煤层气的开采。

[0003] 目前已投入应用的径向井钻井技术水平(CN101660391A，CN101748970B)存在水平井段井眼直径小的缺陷，储层接触面积小，难以最大程度发挥水平井优势，大直径的径向水平井技术(CN2128666Y,CN2615322Y)的井下锚定和转向都存在着不同的缺陷，转向装置由井口的液压装置通过液压管控制，作业复杂，井下工具变换方位困难；锚定器由油管打压、销钉控制，作业程序复杂，钻完一个水平井段后必须起出管柱重新装销钉才能进行下一个井眼的钻进，作业周期长、风险大。

[0004] 为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种径向水平井井底转向装置及其施工方法，以克服上述缺陷。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种径向水平井井底转向装置及其施工方法，使井下管柱的锚定、定向、转向动作均由地面上提、下放油管柱控制，操作简单，可一趟组合钻完所有不同方位、不同深度的径向水平井眼，解决了现有技术中存在的问题。

[0006] 为解决上述问题，本发明公开了一种径向水平井井底转向装置，包括内管总成和外管总成，其特征在于：

[0007] 所述内管总成包含内管和转筒总成，所述内管的上端通过上活动缸体连接于油管柱下端，所述内管的下端连接于转筒总成，所述内管的中部安装有支撑体，支撑体与内管壁之间设置有支撑体压簧，所述支撑体压簧能够使支持体和卡瓦相对运动时对卡瓦保持一定的挤压力，使卡瓦对套管壁保持一定的摩擦力，所述内管的下部外缘设有内管定位槽；

[0008] 所述外管总成包含外管、卡瓦片、摩擦块和支撑板，外管的上端锁定所述卡瓦片的下端，卡瓦片能够在所述内管上支撑体的支撑下张开，外管的中部安装有摩擦块，所述摩擦块与外管壁之间安装有压簧，所述外管上固定有与所述内管定位槽相配合的定位销，所述外管的下部联接有支撑板，所述外管和支撑板之间通过下活动缸体相联接，从而使得外管和支撑板可通过下活动缸体进行相对转动。

[0009] 其中：所述上活动缸体和内管之间设有上补偿弹簧，以使油管柱和内管之间能实现一定范围内的轴向相向或反向运动，所述下活动缸体上还安装有下补偿弹簧，所述下补偿弹簧能够使外管和支撑板之间实现有限的轴向相向或反向运动。

[0010] 其中：所述内管定位槽至少包含一结合段，所述结合段包含第一上直槽和第一下直槽，第一下直槽的上端通过第一斜槽连通至第一上直槽的下部，其中，所述第一上直槽的上端至与第一斜槽的连接处的长度为a，所述第一斜槽的上端至第一下直槽的下端的垂直长度为b，所述第一下直槽的下端延伸有长度为c的第一容纳槽，所述容纳槽的中部连通有相对第一斜槽反向并斜向上的卡接槽。

[0011] 其中：所述内管定位槽还至少包含一滑动段，所述滑动段包含第二上直槽和第二下直槽，第二下直槽的上端通过第二斜槽连通至第二上直槽的下部，其中，所述第二上直槽的上端至与第二斜槽的连接处的长度为a，所述第二斜槽的上端至第二下直槽的下端的长度为b，所述第二下直槽的下端延伸有长度为c的第二容纳槽，在结合段和滑动段之间设有相对第一斜槽反向并斜向下的引导槽，所述引导槽的上端连接至第一上直槽的下端，下端连接至第二下直槽的下部，。

[0012] 其中：设置多个通过引导槽连接的结合段和滑动段，其中，所述结合段和滑动段依次间隔设置或设置一个结合段和多个依次设置的滑动段。

[0013] 如上任一所述的井底转向装置的施工方法，包含如下步骤：

[0014] 步骤一.在地面连接好工具，入井至预计深度，上提管柱，释放外管；

[0015] 步骤二.下放管柱，完成井下工具锚定、转筒转向；

[0016] 步骤三.下入高压射流钻具完成径向水平井的钻进；

[0017] 步骤四.上提钻具，完成井下工具解锁、转筒恢复；

[0018] 步骤五.下放钻具，完成变换方位、锚定和转筒转向；

[0019] 反复步骤四和步骤五，完成同一深度多个方位径向水平井的钻进；

[0020] 步骤六.上提油管至不同目的层深度，完成多个水平面多个径向水平井的钻进；

[0021] 步骤七.完成整个井筒所设计的径向井钻进，起出管柱完钻。

[0022] 其中：步骤一的具体过程为：将外管的定位销位置处于内管定位槽的卡接槽处，使内管和外管在下井过程中处于相对静止状态，按设计下入至预计深度，上提内管高度为c，同时观察悬重变化，悬重稍有增加则完成外管释放。

[0023] 其中：步骤二的具体过程为：下放内管长度a+b+c，当悬重减少较大时完成转向器锚定和转筒转向。

[0024] 其中：步骤四的具体过程为：下放内管长度a+b+c，变换了方位并完成锚定和转筒转向。

[0025] 其中：步骤五的具体过程为：上提内管高度大于a+b+c，悬重稍有增加表明内外管同时向上移动，继续上提带动摩擦块至预计深度，下放管柱进行另一个水平面的径向井作业。

[0026] 通过上述结构可知，本发明的径向水平井井底转向装置及其施工方法具有如下效果：

[0027] 1、仅通过井口上提、下放油管柱便能够完成井下工具锚定、转换方位和转筒转向；完成一个水平面的多个方位的径向井作业后，上提油管带动内管上移，内管通过定位销带动外管上移，到达下一个目的深度后下放油管锚定井下工具，进行下一个水平面的径向井钻进；

[0028] 2、径向井井眼直径大，储层接触面积大，易于操作，工艺简单；

[0029] 3、能够一趟钻柱组合钻完任意多个不同方位、不同深度的径向井井眼。

[0030] 本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

[0031] 图1显示了本发明的径向水平井井底转向装置的示意图。

[0032] 图2显示了本发明中内管定位槽的其中一实施例的放大示意图。

[0033] 图3显示了本发明中内管定位槽的另一实施例的放大示意图。

[0034] 附图标记：

[0035] 1.油管，2.内管上接头，3.上活动缸体，4.上补偿弹簧，5.内管，6.支撑体，7.卡瓦，8.卡瓦锁定块，9.摩擦块，10.压簧，11.压簧螺丝，12.定位销，13.内管定位槽，14.下活动缸体，15.下补偿弹簧，16.支持板，17.转筒总成，18.转筒固定销，19.支撑体压簧。

具体实施方式

[0036] 参见图1，显示了本发明的径向水平井井底转向装置。

[0037] 所述径向水平井井底转向装置包括内管总成和外管总成，所述内管总成包含油管1、内管上接头2、内管5和转筒总成17，所述油管1的下端可通过所述内管上接头2连接于内管5，所述内管5的下端连接于转筒总成17，其中，所述内管上接头2和内管5可通过上活动缸体3相联接，可选的是，所述上活动缸体3和内管5之间设有上补偿弹簧4，以使内管上接头2和内管5之间能实现一定范围内的轴向相向或反向运动，所述内管5的中部安装有支撑体6，支撑体6与内管5之间设置有支撑体压簧19，所述支撑体压簧19能够使支持体和卡瓦相对运动时对卡瓦保持一定的挤压力，使卡瓦对套管壁保持一定的摩擦力，所述内管5的下部外缘设有一内管定位槽13。

[0038] 其中，所述支撑体压簧19的一端连接于所述内管5外缘的一凹陷内，另一端连接于所述支撑体6内缘的另一凹陷内，从而实现弹性连接。

[0039] 参见图2和图3，所述内管定位槽13的结构可通过特别设置，有效应用于本发明，其至少包含一结合段，所述结合段包含第一上直槽105和第一下直槽103，第一下直槽103的上端通过第一斜槽104连通至第一上直槽105的下部，其中，所述第一上直槽105的上端至与第一斜槽104的连接处的长度为a，所述第一斜槽104的上端至第一下直槽103的下端的长度为b，所述第一下直槽103的下端延伸有长度为c的第一容纳槽102，所述容纳槽102的中部连通有相对第一斜槽104反向并斜向上的卡接槽101。

[0040] 其中，所述内管定位槽13还可包含一滑动段，所述滑动段包含第二上直槽109和第二下直槽107，第二下直槽107的上端通过第二斜槽108连通至第二上直槽109的下部，其中，所述第二上直槽109的上端至与第二斜槽108的连接处的长度为a，所述第二斜槽108的上端至第二下直槽107的下端的长度为b，所述第二下直槽107的下端延伸有长度为c的第二容纳槽106，为实现从结合段至滑动段的引导，在结合段和滑动段之间设有相对第一斜槽104反向并斜向下的引导槽110，可选的是，所述引导槽110的上端连接至第一上直槽105的下端，下端连接至第二下直槽107的下部，如图2所示，由于引导槽110的上端直接连接至第一上直槽105，故在定位销向下滑动时，更易于从引导槽110滑入第二下直槽107，当然，在定位销滑动回第一下直槽103也不会影响后续的运动。

[0041] 参见图3的另一实施例中，可设置多个通过引导槽连接的结合段和滑动段，可将结合段和滑动段依次间隔设置，也可仅设置一个结合段和多个依次设置的滑动段。

[0042] 所述外管总成包含外管、卡瓦7、摩擦块9和支撑板16，外管的上端通过一卡瓦锁定块8锁定所述卡瓦7的下端，卡瓦7的内缘可在支撑体6的支持下张开，可选的是，所述支撑体6的外缘形成从下至上的锥形结构，所述卡瓦7内缘为与支撑体6外缘锥形的内锥形结构，以实现张开操作，外管的中部安装有摩擦块9，所述摩擦块9的下部通过压簧螺丝11安装在外管上，所述摩擦块9的中部与外管之间安装有压簧10，所述压簧10的一端连接于所述外管外缘的一凹口内，另一端连接于所述摩擦块9内缘的另一凹口内，从而实现弹性连接。

[0043] 所述外管上固定有与所述内管定位槽13相配合的定位销12，所述外管的下部联接有支撑板16，可选的是，所述外管和支撑板16之间通过一下活动缸体14联接，从而使得外管和支撑板16可通过下活动缸体14进行相对转动，其中，所述下活动缸体14上还可安装有下补偿弹簧15，所述下补偿弹簧15使外管和支撑板16之间实现有限的轴向相反或反向运动。

[0044] 下面对本发明的具体操作过程进行描述：

[0045] 下井之前将外管的定位销12位置处于内管5的内管定位槽13的卡接槽101处，使内管5和外管在下入井筒过程中处于相对静止状态，内管5下端转筒总成17通过转筒固定销18与支持板16相联接，转筒总成17和支持板16相对平行，呈向下垂直的状态。到达设定井深后上提内管，上提高度为c，同时观察悬重变化，由于摩擦块9作用，当悬重稍有增加说明由于内管5向上运动定位销12已处于内管定位槽13的第一容纳槽102的下端位置，由于上下活动缸体3、14和转筒总成17的作用内管5、转筒总成17作为一体可相对外管和油管1转动；再下放内管，下放长度为b，此时定位销12已处于内管定位槽13的第一上直槽105和第一斜槽104的连接处，由于下活动缸体14和下补偿弹簧15的作用，转筒总成17仍保持垂直或者稍有弯曲；继续下放内管，下放长度为a,此时定位销12已处于内管定位槽13的第一上直槽105的上端位置，此阶段支持体6将外管卡瓦7向油管壁推挤，由于支撑体6中支撑体压簧19的作用，使卡瓦7对油管壁保持一定的压力，使得外管与油管相对静止，随着支撑体6的继续下移，卡瓦7对油管壁的压力越来越来，最终完成外管的锁定，同时由于外管相对油管壁静止，支持板16也相对静止，而转筒总成17则继续下放，在转筒固定销18发生转向，转筒总成17下端由垂直转向为水平，同时完成锚定和转向。

[0046] 完成一个径向井眼后上提内管高度a+b+c，此时定位销12可处于内管定位槽13的第二容纳槽106的下端位置，此过程中支撑体6上行，卡瓦7对油管壁的挤压力逐渐变小，完成解除锚定，同时由于外管相对静止，支持板16也相对静止，转筒总成17在转筒固定销18作用下逐渐从径向恢复垂直，完成恢复，再下放内管长度a+b+c，定位销12处于内管定位槽13的第二上直槽109的上端位置，由于内管定位槽13的作用，井下变换一个方位，同时完成锚定和转向。

[0047] 同一深度径向井完成后，上提内管使定位销12处于内管定位槽13的第一容纳槽或第二容纳槽的下端位置，继续上提，带动外管上摩擦块9至预计深度，下放内管进行下一个水平面的径向井作用。

[0048] 本发明径向水平井井底转向装置的施工方法包含如下步骤：

[0049] 步骤一.下入至预计深度，上提管柱，释放外管；

[0050] 下井之前将外管的定位销12位置处于内管定位槽13的卡接槽101处，使内管5和外管在下井过程中处于相对静止状态，按设计下入至预计深度，上提内管，上提高度为c，同时观察悬重变化，由于摩擦块9作用，当悬重稍有增加说明由于内管5向上运动使定位销12已处于内管定位槽13的第一容纳槽102的下端位置，完成外管释放。

[0051] 步骤二.下放管柱，完成井下工具锚定、转向；

[0052] 下放内管长度a+b+c，同时观察悬重变化，当悬重减少较大时说明定位销12已处于内管定位槽13的第一上直槽105的上端位置，完成锚定和转向；

[0053] 步骤三.下入高压射流钻具进行径向水平井钻进；

[0054] 步骤四.上提钻具，完成井下工具解锁、恢复；

[0055] 上提内管高度a+b+c，由于定位槽13中引导槽的作用，此时定位销12处于内管定位槽13的第二容纳槽107的下端位置，此过程中支撑体6上行，卡瓦7对油管壁的挤压力逐渐变小，完成解除锚定，同时由于外管相对静止，支持板16也相对静止，转筒总成17在转筒固定销18作用下逐渐从径向恢复垂直，完成恢复；

[0056] 步骤五.下放钻具，完成变换方位、锚定和转向；

[0057] 下放内管长度a+b+c，定位销12处于内管定位槽13的第二上直槽109的上端位置，由于从结合段引导至滑动段，整个钻具变换了一个方位，同时完成锚定和转向。

[0058] 如此反复步骤四和步骤五，通过引导槽的作用，使钻具从一个段(结合段或滑动段)转向下一个段(滑动段或结合段)，从而完成同一深度多个径向水平井的钻进；

[0059] 步骤六.上提油管，完成多个水平面多个径向水平井的钻进；

[0060] 上提内管，上提高度大于a+b+c，同时观察悬重变化，由于摩擦块9作用，当悬重稍有增加说明内外管同时向上移动，定位销12处于内管定位槽13的第一容纳槽或第二容纳槽的下端位置，继续上提，带动摩擦块9至预计深度，下放内管重复多次步骤四和步骤五，进行另一个水平面的径向井作用。如此反复完成多个水平面多个径向井的钻进。

[0061] 步骤七.按设计完成整个井筒的径向井钻进，起出。

[0062] 按设计完成整个井筒不同水平面多个径向井的钻进后直接上提钻具，起出井口完井。

[0063] 由此可见，本发明具有如下优点：

[0064] 1、仅通过上提、下放油管便能够完成井下锚定、转换方位和转向；完成一个水平面的多个径向井作业后，上提油管带动内管上移，内管通过定位销带动外管上移，到达下一个目的深度后下放油管坐卡，进行下一个水平面的径向井钻进；

[0065] 2、径向井井眼直径大，储层接触面积大，易于操作，工艺简单；

[0066] 3、能够一趟组合钻完任意多个不同方位、不同深度的径向井井眼。

[0067] 显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。