CN100387803C - 磨料水射流井下多辐射孔超深钻孔装置 - Google Patents

Abstract

一种磨料水射流井下多辐射孔超深钻孔装置，旨在解决井下多个辐射状的超深钻孔和提高油气井采收率的问题；其具有多管转向器(1)、工作管柱(2)、驱动与喷射系统(3)、控制系统(4)；多管转向器(1)主体(101)上开有内部含有滑道(105、109、110)的纵向直槽(106、107、108)，其上端与由液缸(21)、外管短接(22)、外管柱(23)组成的工作管柱(2)相接；由进液接头(301)、活塞(302)、活塞盘根(303)、喷管束(304)和射流钻头(308、309、310)组成的驱动与喷射系统(3)和控制系统(4)相连接，可在工作管柱(2)和多管转向器(1)内运动，向前时，由单喷管(305、306、307)组成的喷管束(304)和各射流钻头(308、309、310)可通过多管转向器(1)以多个单喷管(305、306、307)辐射状伸出，经各射流钻头(308、309、310)高速射出的磨料水可同时切割出多个超深径向孔道，实现油气层的深度贯通和产能增加。

Description

磨料水射流井下多辐射孔超深钻孔装置

技术领域：

本发明涉及一种油气井井下工具，特别是一种磨料水射流井下多辐射孔超深钻孔装置。

背景技术：

绝大部分油气井在完成油层套管固井后，要在油气层段进行射孔作业实现地层与井筒之间的油气沟通。通常的射孔方法有：子弹射孔、聚能弹射孔、复合聚能弹射孔、水力喷砂射孔、水力喷砂割缝射孔、磨料射流井下深穿透射孔、水力深穿透射孔等。目前最常用的方法有：聚能弹射孔、复合聚能弹射孔，射孔深度一般在0.4～0.7米之间。

由于绝大多数油气井是在泥浆循环下旋转钻成的，在井眼周围地层中，存在0.5-1.5米重晶石近井污染带，随着采油生产的进行，这个污染带会扩大，甚至达到好几米，严重影响油气井产量。所有类型的弹射孔技术，都有一个共同的缺点：射孔深度较低，不能有效穿越近井污染带；压实射孔通道，造成二次污染等。

水力喷砂射孔、水力喷砂割缝射孔虽然能增大油层裸露面积达到增产目的，但是一般射孔深度只有0.7～1.0米，也不能完全穿透近井污染带。而且，与最常用的复合聚能弹射孔相比，射孔深度大的优点不突出，且使用成本较高，应用较少。

中国专利文献02270099.4介绍了一种磨料射流井下深穿透射孔装置，基本处于一种概念阶段，目前没有见到相关应用的报道。仅从文献上看，该装置存在以下缺点：喷射管单根作业效率低，排量小、岩屑不易返排，喷射管存在失稳和砂卡等。

水力深穿透射孔技术是由美国人赫曼·J·舒尔史特发明，他将该技术申请了中国专利，专利号为86108916，该技术的基本原理是先用较大的液压力驱动冲头在套管上冲开一个孔，然后用液力驱动一根小胶管，穿过冲头上的小孔，小胶管前端装有一只水力喷射喷嘴，高压液体经过水力喷射喷嘴后，高速射出切割地层。喷管伸出深度一般在1～2米。这项技术在中国已经进行的少量现场应用表明，实用性比较差。除了具有结构复杂、井下控制阀件较多、对水质要求较高、冲孔器易折断、胶管易绕曲、可靠性低等缺点外，最主要的缺点是遇阻易折弯的高压胶管无法进行真正的孔眼深穿透，纯水破岩的低效性和对于坚硬地层的无能为力。

发明内容：

本发明的目的是针对油气田开发的实际需要，克服上述各种射孔技术，特别是水力深穿透射孔技术的各种缺点，经过长期研究及试验，提供一种新型实用的磨料水射流多辐射孔超深钻孔装置。即提供一种利用高压磨料水射流技术同时在井下钻三个或多个、深度达到2-5米以上的超深的辐射状径向孔道的钻孔装置。

本发明的目的是通过研制一种高压磨料水喷射切割套管和管外水泥及地层而同时钻多个辐射状径向通道的井下装置来实现的。具体方案如下：

本发明主要由多管转向器、工作管柱、驱动与喷射系统、控制系统组成。多管转向器具有主体、滚轮和或滑板；工作管柱从下至上依次由液缸、外管短接、外管柱串接组成；驱动与喷射系统具有进液接头、活塞、活塞盘根、单喷管组成的喷管束和射流钻头；控制系统包括内杆柱和导向器。

多管转向器是本发明的核心部分，其在主体圆周方向上开有三个或多个纵向直槽，每个直槽中装有滚轮和或滑板，它们构成一个可供单喷管和射流钻头通过的滑道；且在主体上部内侧圆周方向对准每个滑道入口分别开有三个或多个导槽。驱动与喷射系统的进液接头、活塞、喷管束和射流钻头由上至下依次串接，活塞和装在其上的活塞盘根可在工作管柱的液缸内上下移动；喷管束是由三根或多根单喷管捆绑组成，每个单喷管下端各装有一只射流钻头；喷管束中单喷管数目与多管转向器主体纵向直槽数目相等；单喷管是金属管或钢丝编织胶管。控制系统的导向器通过固定在导向接头上的滑键自动进入导向套上的长键槽来实现喷管束的定方位，即导向；内杆柱是连接驱动与喷射系统至地面的抽油杆柱或钢丝绳或连续抽油杆，可控制驱动与喷射系统运动。

多管转向器的上端与工作管柱的液缸相接；驱动与喷射系统的上端与控制系统相接，它们位于工作管柱和多管转向器内部并可在其内前后运动，向前运动时，在高压磨料水的压力作用下，喷管束和其下端的射流钻头从下至上由多管转向器上的导槽逐渐分开向下进入和通过多管转向器主体上的各个滑道，使各单喷管和射流钻头从垂直方向转向水平或径向方向，以多个单喷管辐射状伸出，此时，高压磨料水经各射流钻头高速射出切割套管、管外水泥环和地层，可同时形成三个或多个比喷管本身直径大的超深径向孔道；向后运动时，可在地面通过控制系统将驱动与喷射系统复位或向上起出。

本发明设计新颖、结构合理，成本低，效率高，可实现地下油气层的多通道深度贯通和油气产量的显著提高。

附图说明：

图1是本发明同时钻三孔时总体结构与原理示意图。

图2是图1中B-B截面的剖面俯视示意图。

图3是图1中A-A截面的放大剖面示意图。

图4是本发明同时钻六孔时对应图1中A-A截面的剖面结构示意图。

具体实施方式：

下面通过附图和实例来进一步详细说明本发明所提出的磨料水射流多辐射孔超深钻孔装置的具体结构。

参考图1和图2，多管转向器1主要由主体101、滚轮102和或滑板等零件组成。其主体101圆周方向上开有三个或多个纵向直槽106、107、108，其内装有滚轮102和或滑板，它们构成一个供单喷管305、306、307和射流钻头308、309、310通过的滑道105、109、110，滑道105、109、110为挂钩形状，由反向大圆弧段、直线段、正向小圆弧段、出口矫直段组成，是各单喷管305、306、307实现由垂直到水平或径向转向的通道；多管转向器1上设置不同的出口矫直段角度，可使各单喷管305、306、307在出口水平线上下45°的范围内任一角度伸出；每个纵向直槽106、107、108的上部不开通，避免与另外的纵向直槽相交；由上往下第一个纵向直槽106下面的每个纵向直槽均低出与这个纵向直槽相邻的上一纵向直槽一段距离，绕开与这个纵向直槽相邻的上一纵向直槽内的滑道的出口矫直段，低出距离根据油井实际钻孔密度需求调节；对应每个直槽的外表面可铣成平面111。在主体101上部内侧圆周方向对准其上纵向直槽106、107、108内的各滑道105、109、110入口分别开有三个或多个导槽103，使各单喷管305、306、307和射流钻头308、309、310易于进入滑道105、109、110；主体101上端内侧为喇叭口104。主体101上端与工作管柱2的液缸21相连，下端留有连接螺纹。

参考图1和图3，工作管柱2的液缸21、外管短接22、外管柱23是从下至上依次连接的；外管柱23由依次连接至井口装置的油管和油管短接组成；液缸21内径大于驱动与喷射系统3的喷管304外轮廓直径，可以有效限制驱动与喷射系统3的喷管束304失稳。

参考图1、图2、图3，驱动与喷射系统3的进液接头301、活塞302、喷管束304和射流钻头308、309、310由上至下依次串接，位于工作管柱2和多管转向器1内部并可前后移动；高压磨料水312入口313开在进液接头301紧靠活塞302处，防止磨料沉积；活塞盘根303装在活塞302上，可封住液缸21内活塞302上下液体；高压磨料水312可驱动活塞302和活塞盘根303在液缸21内向下滑动；喷管束304是由三根或多根单喷管305、306、307捆绑组成，每个单喷管305、306、307下端各装有一只射流钻头308、309、310；喷管束304中单喷管305、306、307数目与多管转向器1主体101上纵向直槽106、107、108数目相等，单喷管305、306、307是金属管或钢丝编织胶管；喷管束304随活塞302向下运动时，组成喷管束302的单喷管305、306、307和射流钻头308、309、310由下至上由多管转向器1上的导槽103逐渐分开进入和通过多管转向器1主体101上的各个滑道105、109、110，并辐射状伸出而进入地层；经由射流钻头308、309、310高速喷出的锥形磨料水311可切割套管、管外水泥环和地层，形成比喷管本身直径大的孔眼。

参考图1，控制系统4的内杆柱41是连接导向接头421或活塞302至地面的抽油杆柱或钢丝绳或连续抽油杆，含各类接头；导向器42具有导向接头421、导向套423、滑键422；导向接头421下端与进液接头301连接；滑键422固定在导向接头421上，导向套423安装在工作管柱2的外管短接22内，导向套423上开有上端为喇叭口的长键槽424，滑键422可在长键槽424内滑动。

在图1的实施例中，多管转向器1上纵向直槽106、107、108数目为三个，是奇数，任意一纵向直槽106、107、108中轴面112均通过主体101中轴线，并将其余纵向直槽对称分布在中轴面两边。在图4的实施例中，六根单喷管组成一喷管束304，属于单喷管数目多的情况，一般五根以上的单喷管组成的喷管束304可在其中心位置设置静止不动的中心导杆50；而且，多管转向器1纵向直槽数目为六个时，属轴对称偶数分布，为避开与之对称的纵向直槽，每个纵向直槽中轴面沿图4中箭头方向偏离多管转向器1主体101中轴线。

Claims (6)

1.一种磨料水射流井下多辐射孔超深钻孔装置，其特征在于具有多管转向器(1)、工作管柱(2)、驱动与喷射系统(3)、控制系统(4)；多管转向器(1)具有主体(101)和滚轮(102)，主体(101)上开有内含有多个滑道(105、109、110)的纵向直槽(106、107、108)；多管转向器(1)上端与由液缸(21)、外管短接(22)、外管柱(23)串接组成的工作管柱(2)相接；由进液接头(301)、活塞(302)、活塞盘根(303)、喷管束(304)和射流钻头(308、309、310)组成的驱动与喷射系统(3)上端与具有内杆柱(41)、导向器(42)的控制系统(4)相接；驱动与喷射系统(3)可在多管转向器(1)和工作管柱(2)内前后运动，向前运动时，该系统(3)的由单喷管(305、306、307)组成的喷管束(304)和各射流钻头(308、309、310)向下通过多管转向器(1)以多个单喷管(305、306、307)辐射状径向伸出，高压磨料水(312)经各射流钻头(308、309、310)高速射出并同时在井下切割出多个超深径向孔道。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：

a.多管转向器(1)的主体(101)在圆周方向上开有三个或多个纵向直槽(106、107、108)，纵向直槽(106、107、108)内装有滚轮(102)和或滑板，它们构成一个供单喷管(305、306、307)和射流钻头(308、309、310)通过的滑道(105、109、110)，滑道(105、109、110)为挂钩形状，由反向大圆弧段、直线段、正向小圆弧段、出口矫直段组成，是各单喷管(305、306、307)实现由垂直到水平或径向转向的通道；每个纵向直槽(106、107、108)的上部不开通，避免与其它纵向直槽相交；由上往下第一个纵向直槽(106)下面的每个纵向直槽均低出与这个纵向直槽相邻的上一纵向直槽一段距离，绕开与这个纵向直槽相邻的上一纵向直槽内的滑道的出口矫直段；

b.多管转向器(1)主体(101)上的多个纵向直槽数目为奇数时，任意一纵向直槽中轴面(112)均通过主体(101)中轴线，并使其余纵向直槽对称分布在该中轴面两边；纵向直槽数目为偶数时，任意一纵向直槽中轴面偏离主体(101)中轴线；

c.多管转向器(1)主体(101)上部内侧圆周方向对准主体(101)上纵向直槽(106、107、108)内的各滑道(105、109、110)入口分别开有三个或多个导槽(103)；主体(101)上端内侧为喇叭口(104)；

d.多管转向器(1)设置不同出口矫直段角度，使各单喷管(305、306、307)可在出口水平线上下45°的范围内任一角度伸出。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：工作管柱(2)的液缸(21)、外管短接(22)、外管柱(23)是从下至上依次连接的；外管柱(23)由依次连接至井口装置的油管和油管短接组成；液缸(21)下端连接着多管转向器(1)的主体(101)，液缸(21)内径大于驱动与喷射系统(3)的喷管束(304)外轮廓直径。

4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：驱动与喷射系统(3)的进液接头(301)、活塞(302)、喷管束(304)和射流钻头(308、309、310)由上至下依次串接，该系统(3)位于工作管柱(2)和多管转向器(1)内部并可前后移动；高压磨料水(312)入口(313)开在进液接头(301)紧靠活塞(302)处；活塞盘根(303)装在活塞(302)上，可封住液缸(21)内活塞(302)上下液体；高压磨料水(312)可驱动活塞(302)和活塞盘根(303)在液缸(21)内向下滑动；喷管束(304)是由三根或多根单喷管(305、306、307)捆绑组成，每个单喷管(305、306、307)下端各装有一只射流钻头(308、309、310)；喷管束(304)随活塞(302)向下运动时，组成喷管束(302)的单喷管(305、306、307)和射流钻头(308、309、310)由下至上由多管转向器(1)上部的多个导槽(103)逐渐分开，进入和通过多管转向器(1)主体(101)上的各个滑道(105、109、110)，并辐射状伸出而进入地层；喷管束(304)的单喷管(305、306、307)是金属管或钢丝编织胶管，单喷管(305、306、307)数目与多管转向器(1)主体(101)纵向直槽(106、107、108)数目相等；射流钻头(308、309、310)高速喷出的锥形磨料水(311)可切割套管、管外水泥环和地层。

5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：控制系统(4)的内杆柱(41)是连接导向接头(421)或活塞(302)至地面的抽油杆柱或钢丝绳或连续抽油杆；导向器(42)具有导向接头(421)、导向套(423)、滑键(422)；导向接头(421)下端与进液接头(301)连接；滑键(422)固定在导向接头(421)上，导向套(423)安装在工作管柱(2)的外管短接(22)内，导向套(423)上开有上端为喇叭口的长键槽(424)，滑键(422)可在长键槽(424)内滑动。

6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：当驱动与喷射系统(3)的单喷管(305、306、307)数为五根以上时，喷管束(304)内设置有静止的中心导杆(50)。

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