CN101158271B - 油水井油层定点深穿透水平钻孔装置 - Google Patents

Abstract

一种油水井油层定点深穿透水平钻孔装置。主要解决现有的两种射孔设备在施工过程中存在地面投资大、设备结构复杂、在近井地带形成压实带及损伤套管的问题。其特征在于：由测控系统(I)、步进系统(II)、动力系统(III)、钻枪系统(IV)、锚定系统(V)及循环系统(Ⅵ)组成，其中每个系统又由若干个零件组成。该装置采用机电一体化设计，通过动力电缆进行起下，在地面用计算机对井下水平钻孔机进行实时监测与控制，可在套管、水泥环及储层中钻出孔眼深、孔径大、没有压实带的水平孔，消除常规射孔造成的压实带，具有控制简单、不损伤套管等优点。

Description

油水井油层定点深穿透水平钻孔装置

技术领域：

本发明涉及油田采油工程技术领域，属于一种油水井油层定点深穿透水平钻孔装置。

背景技术：

目前，油田应用的淹没型定点磨料射孔设备，包括泵车、混沙车、灌车及井下射孔设备，该套设备成本比较高，并且射孔深度受围压的影响较大，对套管有很大程度的损伤；水力深穿透射流射孔技术是近年来发展起来的一种用于油田改造的射孔技术，也是是油田应用的一种增产改造工艺，但是水力深穿透射流射孔设备结构也比较复杂，主要包括地面泵车、罐车及井下射孔机，由于该设备结构复杂，在施工过程中对水质要求苛刻，冬季无法施工作业，造成了现场施工成功率低，并且在近井地带形成了压实带，大大降低了油水井近井地带的导流能力。

发明内容：

为了克服现有的两种射孔设备在施工过程中存在地面投资大、设备结构复杂、在近井地带形成压实带及损伤套管的不足，本发明提供一种油水井油层定点深穿透水平钻孔装置，该装置采用机电一体化设计，通过动力电缆进行起下，在地面用计算机对井下水平钻孔机进行实时监测与控制，可在套管、水泥环及储层中钻出孔眼深、孔径大、没有压实带的水平孔，消除常规射孔造成的压实带，具有控制简单、不损伤套管等优点。

本发明的技术方案是：该油水井油层定点深穿透水平钻孔装置，由测控系统、步进系统、动力系统、钻枪系统、锚定系统及循环系统组成。

a、测控系统由上接头、电缆接头、垫片、电缆头压帽、接线柱、“O”型密封圈、连接主体、防转销钉、接线座、测控外套及嵌入式测控装置组成，其中上接头与电缆头压帽通过螺纹连接，电缆接头与垫片套装在上接头中，并通过电缆头压帽定位压紧，电缆头压帽与接线座通过螺纹连接，接线柱插在接线座的内孔内，通过“O”型密封圈进行密封，连接主体与测控外套通过梯形螺纹连接，并且通过防转销钉进行定位，连接主体通过电缆头压帽与接线柱进行定位，并且通过“O”型密封圈与接线座进行密封，嵌入式测控装置直接固定在测控外套内部的台阶上；

b、步进系统由步进电机、连接螺栓、步进电机连接体、定位键、定位环、连接螺母、步进电机轴套、旋转体、步进接头、丝杠连接杆、丝杠及动力外套组成，其中步进电机的端部有螺栓孔，步进电机通过连接螺栓与步进电机连接体连接，步进电机连接体直接固定在步进接头的端部，测控外套与旋转体通过螺纹连接，并通过防转销钉定位，旋转体通过定位环和防转销钉来限位，定位环与测控外套、步进接头之间通过“O”型密封圈来密封，步进电机轴端的一端直接插在步进电机轴套的一端，并通过定位键来旋转定位，步进电机轴套的另一端与丝杠连接杆的一端通过连接螺栓连接，并利用连接螺母紧固，丝杠连接杆的另一端通过连接螺栓与丝杠连接，并利用连接螺母紧固，动力外套的一端与旋转体通过螺纹连接，并通过防转销钉定位，旋转体通过定位环和防转销钉来限位，定位环与动力外套、步进接头之间通过“O”型密封圈来密封；

c、动力系统由滑动轨道、丝杠外套连接体、丝杠外套、拉压力传感器、导向体、轴承、两个限位箱、旋转电机及软轴连接杆组成，其中丝杠外套套在丝杠上，通过丝杠的旋装，丝杠外套可以前后移动，丝杠外套与丝杠外套连接体通过连接螺栓连接固定，丝杠外套连接体与拉压力传感器通过连接螺栓连接，拉压力传感器与上面的限位箱通过连接螺栓连接，并通过上面的限位箱一端的矩形槽限位，上面的限位箱与旋转电机的上端通过连接螺栓连接，旋转电机的下端与下面的限位箱通过连接螺栓进行连接，两个限位箱的侧面均安装有导向体，通过导向体在滑动轨道的沟槽内滑动，旋转电机下端输出轴与软轴连接杆通过连接螺栓进行连接，并利用连接螺母紧固；

d、钻枪系统由软轴外套、软轴、钻枪主体及钻头组成，钻枪主体的上端装有定位环、旋转体，定位环与钻枪主体之间及旋转体与钻枪主体之间均通过防转销钉限位，动力外套与旋转体通过螺纹连接并通过防转销钉定位，定位环与动力外套之间、定位环与钻枪主体之间通过“O”型密封圈密封，软轴套的下端通过螺纹固定在钻枪主体上端的中心孔内，钻枪主体的中心孔下部为“L”型且与钻枪主体的侧壁相通，软轴连接杆与软轴通过螺纹连接，软轴置于钻枪主体的“L”型中心孔中，软轴的下端与钻头通过螺纹连接；

e、锚定系统由压板、弹簧、锚爪、循环系统外套、出液管、滤网、电源线通管及连接螺母组成，在钻枪主体的侧面对称安装两个锚爪并且在锚爪的中间位置有压板及弹簧，通过压板将弹簧压紧，钻枪主体的下端安装定位环及旋转体，定位环与钻枪主体之间通过防转销钉限位，循环系统外套的一端与旋转体通过螺纹连接，并通过防转销钉定位，旋转体与钻枪主体之间通过防转销钉来限位，定位环与循环系统外套、钻枪主体之间通过“O”型密封圈来密封；在钻枪主体的下端开有与锚爪相连通的孔，在钻孔机正常工作时，高压水从这个孔经过，把压力传递给锚爪，使其工作；电源线通管的一端与钻枪主体通过螺纹连接，循环系统中的齿轮泵电机的电源线在中间穿过，在循环系统外套的内部空余空间内用滤网填充；

f、循环系统主要由齿轮泵、齿轮泵连接板、齿轮泵轴套、连接体、齿轮泵电机、齿轮泵电机保护板及下接头组成，齿轮泵的进液口直接抽汲经过滤网过滤的井下水，齿轮泵直接固定在齿轮泵连接板上，齿轮泵连接板与连接体通过连接螺栓连接；电源线通管的下端与连接体通过螺纹连接，齿轮泵电机的电源线从电源线通管穿过，齿轮泵电机的一端直接固定在连接体上，另一端通过连接螺栓固定在齿轮泵电机保护板上，齿轮泵电机输出轴与齿轮泵输出轴通过齿轮泵轴套进行连接；循环系统外套的下端通过螺纹与下接头连接，并通过防转销钉定位，通过“O”型密封圈来密封。

所述的油水井油层定点深穿透水平钻孔装置，通过动力电缆以载波的形式将地面控制信号传递给井下水平钻孔机，通过井下水平钻孔机来实现钻头、软轴的旋转及软轴携带钻头的进给，并对转速、钻压、进给速度进行调节，同时将井下水平钻孔机的钻压、转矩、转速等测试反馈信号传递到地面上的计算机上。

本发明具有如下有益效果：由于采取上述方案，采用机电一体化设计，通过动力电缆进行起下，在地面用计算机对井下水平钻孔机进行实时监测与控制，可在套管、水泥环及储层中钻出孔眼深、孔径大、没有压实带的水平孔，可更有效的穿透钻井及修井作业造成的伤害区，消除常规射孔造成的压实带，有效增大油水井近井地带的导流能力，加大低渗透、低含水层的注采强度，对挖潜高渗透厚层内未动用或动用差部位的剩余油将起到积极作用。具有控制简单、不损伤套管等优点。

附图说明：

附图1-图6从上到下顺序连接后是本发明的结构示意图；

附图1是本发明测控系统I的结构示意图；

附图2是本发明步进系统II的结构示意图；

附图3是本发明动力系统III的结构示意图；

附图4是本发明钻枪系统IV的结构示意图；

附图5是本发明锚定系统V的结构示意图；

附图6是本发明循环系统VI的结构示意图。

图中I-测控系统，II-步进系统，III-动力系统，IV-钻枪系统，V-锚定系统，VI-循环系统，1-上接头，2-电缆接头，3-垫片，4-电缆头压帽，5-接线柱，6-“O”型密封圈，7-连接主体，8-防转销钉，9-接线座，10-测控外套，11-嵌入式测控装置，12-步进电机，13-连接螺栓，14-步进电机连接体，15-定位键，16-定位环，17-连接螺母，18-步进电机轴套，19-旋转体，20-步进接头，21-丝杠连接杆，22-丝杠，23-动力外套，24-滑动轨道，25-丝杠外套连接体，26-丝杠外套，27-拉压力传感器，28-导向体，29-轴承，30-限位箱，31-旋转电机，32-软轴连接杆，33-软轴外套，34-软轴，35-钻枪主体，36-钻头，37-压板，38-弹簧，39-锚爪，40-循环系统外套，41-出液管，42-滤网，43-电源线通管，44-螺母，45-齿轮泵，46-齿轮泵连接板，47-齿轮泵轴套，48-连接体，49-齿轮泵电机，50-齿轮泵电机保护板，51-下接头。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图6所示，该油水井油层定点深穿透水平钻孔装置由测控系统I、步进系统II、动力系统III、钻枪系统IV、锚定系统V及循环系统VI组成。

a、由图1所示，测控系统I由上接头1、电缆接头2、垫片3、电缆头压帽4、接线柱5、“O”型密封圈6、连接主体7、防转销钉8、接线座9、测控外套10及嵌入式测控装置11组成，其中上接头1与电缆头压帽4通过螺纹连接，电缆接头2与垫片3套装在上接头1中，并通过电缆头压帽4定位压紧，电缆头压帽4与接线座9通过螺纹连接，接线柱5插在接线座9的内孔内，通过“O”型密封圈6进行密封，连接主体7与测控外套10通过梯形螺纹连接，通过防转销钉8进行定位，连接主体7通过电缆头压帽4与接线柱5进行定位，并且通过“O”型密封圈6与接线座9进行密封，嵌入式测控装置11直接固定在测控外套10内部的台阶上；

b、由图2所示，步进系统II由步进电机12、连接螺栓13、步进电机连接体14、定位键15、定位环16、连接螺母17、步进电机轴套18、旋转体19、步进接头20、丝杠连接杆21、丝杠22及动力外套23组成，其中步进电机12的端部有螺栓孔，通过连接螺栓13与步进电机连接体14连接，步进电机连接体14直接固定在步进接头20的端部，测控外套10与旋转体19通过螺纹连接，并通过防转销钉8定位，旋转体19通过定位环16和防转销钉8来限位，定位环16与测控外套10、步进接头21之间通过“O”型密封圈6来密封，步进电机12轴端的一端直接插在步进电机轴套18的一端，并通过定位键15来旋转定位，步进电机轴套18的另一端与丝杠连接杆21的一端通过连接螺栓13连接，并利用连接螺母17紧固，丝杠连接杆21的另一端通过连接螺栓13与丝杠22连接，并利用连接螺母17紧固，动力外套23的一端与旋转体19通过螺纹连接，并通过防转销钉8定位，旋转体19通过定位环16和防转销钉8来限位，定位环16与动力外套23、步进接头20之间通过“O”型密封圈6来密封；

c、由图3所示，动力系统III由滑动轨道24、丝杠外套连接体25、丝杠外套26、拉压力传感器27、导向体28、轴承29、两个限位箱30、旋转电机31及软轴连接杆32组成，其中丝杠外套26套在丝杠22上，通过丝杠22的旋装，丝杠外套26可以前后移动，丝杠外套26与丝杠外套连接体25通过连接螺栓13连接固定，丝杠外套连接体25与拉压力传感器27通过连接螺栓13连接，拉压力传感器27与上面的限位箱30通过连接螺栓13连接，并通过上面的限位箱30一端的矩形槽限位，上面的限位箱30与旋转电机31的上端通过连接螺栓13连接，旋转电机31的下端与下面的限位箱30通过连接螺栓13进行连接，两个限位箱30的侧面均安装有导向体28，通过导向体28在滑动轨道24的沟槽内滑动，旋转电机31下端输出轴与软轴连接杆32通过连接螺栓13进行连接，并利用连接螺母17紧固；

d、由图4所示，钻枪系统IV由软轴外套33、软轴34、钻枪主体35及钻头36组成，钻枪主体35的上端装有定位环16、旋转体19，定位环16与钻枪主体35之间及旋转体19与钻枪主体35之间均通过防转销钉8限位，动力外套23与旋转体19通过螺纹连接并通过防转销钉8定位，定位环16与动力外套23之间、钻枪主体35之间通过“O”型密封圈6密封，软轴套33的下端通过螺纹固定在钻枪主体35上端的中心孔内，钻枪主体35的中心孔下部为“L”型且与钻枪主体35的侧壁相通，软轴连接杆32与软轴34通过螺纹连接，软轴34置于钻枪主体35的“L”型中心孔中，软轴34的下端与钻头36通过螺纹连接；

e、由图5所示，锚定系统V由压板37、弹簧38、锚爪39、循环系统外套40、出液管41、滤网42、电源线通管43及连接螺母44组成，在钻枪主体35的侧面对称安装两个锚爪39并且在锚爪39的中间位置有压板37及弹簧38，通过压板37将弹簧38压紧，具体施实时，在钻枪主体35的侧面某位置对称开两个Φ51mm的圆柱形孔，并且在两个Φ51mm的圆柱形孔的中心位置开有Φ10mm的孔，两个锚爪39分别座在Φ51mm的圆柱形孔内，并且在锚爪39的中间位置开矩形槽和Φ22mm的圆孔，压板37座在矩形槽内，弹簧38直接放在Φ22mm圆孔内，在钻枪主体35的另一端开Φ10mm的孔，与Φ51mm圆柱形孔的中心位置的Φ10mm孔互相连通。

钻枪主体35的下端安装定位环16及旋转体19，定位环16与钻枪主体35之间通过防转销钉8限位，循环系统外套40的一端与旋转体19通过螺纹连接，并通过防转销钉8定位，旋转体19与钻枪主体35之间通过防转销钉8来限位，定位环16与循环系统外套40、钻枪主体35之间通过“O”型密封圈6来密封；在钻枪主体35的下端开有与锚爪39相连通的孔，在钻孔机正常工作时，高压水从这个孔经过，把压力传递给锚爪39，使其工作；电源线通管43的一端与钻枪主体35通过螺纹连接，电源线通管43与电源线通管43之间通过螺母44相连接，循环系统VI中的齿轮泵电机49的电源线在中间穿过，在循环系统外套40的内部空余空间内用滤网42填充，滤网42对进入齿轮泵45的井下水起到过滤的作用。

f、由图6所示，循环系统VI主要由齿轮泵45、齿轮泵连接板46、齿轮泵轴套47、连接体48、齿轮泵电机49、齿轮泵电机保护板50及下接头51组成，齿轮泵45的进液口直接抽汲经过滤网42过滤的井下水，齿轮泵45直接固定在齿轮泵连接板46上，齿轮泵连接板46与连接体48通过连接螺栓13连接；电源线通管43的下端与连接体48通过螺纹连接，齿轮泵电机49的电源线从电源线通管43穿过，齿轮泵电机49的一端直接固定在连接体48上，另一端通过连接螺栓13固定在齿轮泵电机保护板50上，齿轮泵电机49输出轴与齿轮泵45输出轴通过齿轮泵轴套47进行连接；循环系统外套40的下端通过螺纹与下接头51连接，并通过防转销钉8定位，通过“O”型密封圈6来密封。

所述的油水井油层定点深穿透水平钻孔装置，通过动力电缆以载波的形式将地面控制信号传递给井下水平钻孔机，通过井下水平钻孔机来实现钻头36、软轴34的旋转及软轴34携带钻头36的进给，并对转速、钻压、进给速度进行调节，同时将井下水平钻孔机的钻压、转矩、转速等测试反馈信号传递到地面上的计算机上。

在进行油层定点深穿透水平钻孔时，首先利用动力电缆将该装置下到目的层位，然后通过动力电缆以载波的形式将地面控制信号传递给井下水平钻孔装置，井下水平钻孔装置利用软轴34顶端的钻头36在套管壁上开孔，接着软轴34携带钻头36进给，继续在水泥环及储层上开孔，当钻深达到设计要求后，低速旋转软轴34，收回钻头36，钻孔完成。

Claims (2)

1.一种油水井油层定点深穿透水平钻孔装置，由测控系统(I)、步进系统(II)、动力系统(III)、钻枪系统(IV)、锚定系统(V)及循环系统(VI)组成，其特征在于：

a、测控系统(I)由上接头(1)、电缆接头(2)、垫片(3)、电缆头压帽(4)、接线柱(5)、“O”型密封圈(6)、连接主体(7)、防转销钉(8)、接线座(9)、测控外套(10)及嵌入式测控装置(11)组成，其中上接头(1)与电缆头压帽(4)通过螺纹连接，电缆接头(2)与垫片(3)套装在上接头(1)中，并通过电缆头压帽(4)定位压紧，电缆头压帽(4)与接线座(9)通过螺纹连接，接线柱(5)插在接线座(9)的内孔内，通过“O”型密封圈(6)进行密封，连接主体(7)与测控外套(10)通过梯形螺纹连接，并且通过防转销钉(8)进行定位，连接主体(7)通过电缆头压帽(4)与接线柱(5)进行定位，并且通过“O”型密封圈(6)与接线座(9)进行密封，嵌入式测控装置(11)直接固定在测控外套(10)内部的台阶上；

b、步进系统(II)由步进电机(12)、连接螺栓(13)、步进电机连接体(14)、定位键(15)、定位环(16)、连接螺母(17)、步进电机轴套(18)、旋转体(19)、步进接头(20)、丝杠连接杆(21)、丝杠(22)及动力外套(23)组成，其中步进电机(12)的端部有螺栓孔，步进电机(12)通过连接螺栓(13)与步进电机连接体(14)连接，步进电机连接体(14)直接固定在步进接头(20)的端部，测控外套(10)与旋转体(19)通过螺纹连接，并通过防转销钉(8)定位，旋转体(19)通过定位环(16)和防转销钉(8)来限位，定位环(16)与测控外套(10)、步进接头(20)之间通过“O”型密封圈(6)来密封，步进电机(12)轴端的一端直接插在步进电机轴套(18)的一端，并通过定位键(15)来旋转定位，步进电机轴套(18)的另一端与丝杠连接杆(21)的一端通过连接螺栓(13)连接，并利用连接螺母(17)紧固，丝杠连接杆(21)的另一端通过连接螺栓(13)与丝杠(22)连接，并利用连接螺母(17)紧固，动力外套(23)的一端与旋转体(19)通过螺纹连接，并通过防转销钉(8)定位，旋转体(19)通过定位环(16)和防转销钉(8)来限位，定位环(16)与动力外套(23)、步进接头(20)之间通过“O”型密封圈(6)来密封；

c、动力系统(III)由滑动轨道(24)、丝杠外套连接体(25)、丝杠外套(26)、拉压力传感器(27)、导向体(28)、轴承(29)、两个限位箱(30)、旋转电机(31)及软轴连接杆(32)组成，其中丝杠外套(26)套在丝杠(22)上，通过丝杠(22)的旋装，丝杠外套(26)可以前后移动，丝杠外套(26)与丝杠外套连接体(25)通过连接螺栓(13)连接固定，丝杠外套连接体(25)与拉压力传感器(27)通过连接螺栓(13)连接，拉压力传感器(27)与上面的限位箱(30)通过连接螺栓(13)连接，并通过上面的限位箱(30)一端的矩形槽限位，上面的限位箱(30)与旋转电机(31)的上端通过连接螺栓(13)连接，旋转电机(31)的下端与下面的限位箱(30)通过连接螺栓(13)进行连接，两个限位箱(30)的侧面均安装有导向体(28)，通过导向体(28)在滑动轨道(24)的沟槽内滑动，旋转电机(31)下端输出轴与软轴连接杆(32)通过连接螺栓(13)进行连接，并利用连接螺母(17)紧固；

d、钻枪系统(IV)由软轴外套(33)、软轴(34)、钻枪主体(35)及钻头(36)组成，钻枪主体(35)的上端装有定位环(16)、旋转体(19)，定位环(16)与钻枪主体(35)之间及旋转体(19)与钻枪主体(35)之间均通过防转销钉(8)限位，动力外套(23)与旋转体(19)通过螺纹连接并通过防转销钉(8)定位，定位环(16)与动力外套(23)之间、定位环(16)与钻枪主体(35)之间通过“O”型密封圈(6)密封，软轴套(33)的下端通过螺纹固定在钻枪主体(35)上端的中心孔内，钻枪主体(35)的中心孔下部为“L”型且与钻枪主体(35)的侧壁相通，软轴连接杆(32)与软轴(34)通过螺纹连接，软轴(34)置于钻枪主体(35)的“L”型中心孔中，软轴(34)的下端与钻头(36)通过螺纹连接；

e、锚定系统(V)由压板(37)、弹簧(38)、锚爪(39)、循环系统外套(40)、出液管(41)、滤网(42)、电源线通管(43)及连接螺母(44)组成，在钻枪主体(35)的侧面对称安装两个锚爪(39)并且在锚爪(39)的中间位置有压板(37)及弹簧(38)，通过压板(37)将弹簧(38)压紧，钻枪主体(35)的下端安装定位环(16)及旋转体(19)，定位环(16)与钻枪主体(35)之间通过防转销钉(8)限位，循环系统外套(40)的一端与旋转体(19)通过螺纹连接，并通过防转销钉(8)定位，旋转体(19)与钻枪主体(35)之间通过防转销钉(8)来限位，定位环(16)与循环系统外套(40)、钻枪主体(35)之间通过“O”型密封圈(6)来密封；在钻枪主体(35)的下端开有与锚爪(39)相连通的孔，在钻孔机正常工作时，高压水从这个孔经过，把压力传递给锚爪(39)，使其工作；电源线通管(43)的一端与钻枪主体(35)通过螺纹连接，循环系统(VI)中的齿轮泵电机(49)的电源线在中间穿过，在循环系统外套(40)的内部空余空间内用滤网(42)填充；

f、循环系统(VI)主要由齿轮泵(45)、齿轮泵连接板(46)、齿轮泵轴套(47)、连接体(48)、齿轮泵电机(49)、齿轮泵电机保护板(50)及下接头(51)组成，齿轮泵(45)的进液口直接抽汲经过滤网(42)过滤的井下水，齿轮泵(45)直接固定在齿轮泵连接板(46)上，齿轮泵连接板(46)与连接体(48)通过连接螺栓(13)连接；电源线通管(43)的下端与连接体(48)通过螺纹连接，齿轮泵电机(49)的电源线从电源线通管(43)穿过，齿轮泵电机(49)的一端直接固定在连接体(48)上，另一端通过连接螺栓(13)固定在齿轮泵电机保护板(50)上，齿轮泵电机(49)输出轴与齿轮泵(45)输出轴通过齿轮泵轴套(47)进行连接；循环系统外套(40)的下端通过螺纹与下接头(51)连接，并通过防转销钉(8)定位，并且通过“O”型密封圈(6)来密封。

2.根据权利要求1所述的油水井油层定点深穿透水平钻孔装置，其特征在于：通过动力电缆以载波的形式将地面控制信号传递给井下水平钻孔机，通过井下水平钻孔机来实现钻头(36)、软轴(34)的旋转及软轴(34)携带钻头(36)的进给，并对转速、钻压、进给速度进行调节，同时将井下水平钻孔机的钻压、转矩、转速这些测试反馈信号传递到地面上的计算机上。

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