CN101429848B - 水力喷射侧钻径向分支井眼的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水力喷射侧钻径向分支井眼的方法及装置，其中该装置包括：第一油管，外径小于油井内设置的套管内径，该第一油管的端部连接一转向器；第二油管，外径小于所述第一油管内径，该第二油管连接进行侧钻径向分支井眼的侧钻工具；所述转向器的外部尺寸小于所述套管内径，所述转向器内具有连通顶部和侧壁的贯通通道，所述侧钻工具由所述转向器的顶部经贯通通道向侧壁折转。本发明克服了公知的缺陷，能够准确方便地将转向器固定在规定的地层位置，钻孔位置准确，特别适用于超短半径井侧钻，可方便地在海洋平台施工，避免因井下工具引起的井下事故，有效缩短钻井周期、节约钻井成本、减轻工人劳动强度、提高施工效果，具有良好的市场潜力。
Description
技术领域
本发明是关于一种在单一井眼内钻出多个支井的方法及装置，尤其是一种水力喷射侧钻径向分支井眼的方法及装置，本发明特别适用于石油、天燃气开采领域。
背景技术
分支井钻井技术是在单一井眼里钻出若干个支井，并且回到单个主井筒的钻井技术。目前，多分支井钻井技术方法很多，包括套管开窗锻铣侧钻、预设窗口、裸眼侧钻、径向分支井方法、膨胀管定位侧钻和智能分支井等。多分支井钻井技术具有很多优点：增加井眼在油藏中的长度、扩大泄油面积、提高采收率、改善油流动态剖面、减缓锥进速度、提供重力泄油途径、提高油气层纵向开采程度、提高裂缝油气藏裂缝钻遇率、经济开采边际油气藏和重质原油油藏、可重复利用上部井段，降低钻井成本、由于地面井口或海上井槽的减少而降低了平台的建造费用、降低油井管理和环境保护等费用，提高了经济效益。
作为套管侧钻关键技术之一的开窗，直接影响到钻井的周期、成本，严重时甚至会导致一口井的报废。如何确保套管开窗的一次成功率、提高开窗的高效性，一直是困扰油田侧钻技术的问题之一。目前油田常用套管开窗方式主要有两种：斜向器开窗和段铣开窗。如果侧钻地层硬，固井质量较差，老井井眼井下情况复杂、井斜角较大，套管及套管扶正器不易段铣，开窗点的可选范围有限时，一般选用斜向器开窗方式。否则通常采用段铣式开窗方式。
如图1所示，公知的斜向器开窗侧钻是在套管10内设置斜向器11，并通过固定在井眼底部的尾管12将所述斜向器11固定在需进行侧向开窗打分支井的位置，通过钻杆13将铣锥14放入套管10内，该铣锥14沿所述斜向器11到达欲开窗位置，利用转盘或井下动力钻具驱动开窗工具铣锥14沿着所述斜向器11的斜面导引方向将套管10的规定部位磨铣开出窗口15，然后从所开窗口15向套管10的外部钻出新的井眼。采用该方法时，固定在所述斜向器11下部的尾管12坐封易产生松动，因此在整个钻井过程中，当斜向器11坐封不牢固时，窗口15处容易引起事故。
如图2所示，公知的段铣开窗侧钻是将铣刀架22安装在钻杆21前部，在所述铣刀架22的前端固定扶正器24，在所述铣刀架22上固定铣刀23，并将固定有上述切削工具的钻杆21沿套管20下入到规定的段铣深度，在动力驱动下由所述铣刀23将窗口部位一周的套管20全部铣切掉，然后再向窗口25外侧(离开原井筒套管20)钻出新井眼。该段铣开窗方式的主要问题是：开窗工具效率低；钻头破岩速度慢；磨铣铁屑量大且形状大，清除困难；段铣后需用水泥将开窗处进行封堵，即本领域常说的进行大水泥塞候凝，对水泥的强度要求高。需将该水泥塞候凝钻塞(钻开)后才可进行新井眼侧钻。
目前，在套管井中实施连续油管侧钻的工艺较为复杂：首先下入一套挠性机械磨铣工具，在欲侧钻层位进行套管开窗，完成后起出磨铣工具，然后下入带有钻头的连续油管进行水平钻进，可水平伸入油层超过100米。该技术虽然取得了一定成效，但在下入防砂管特别是绕丝防砂管的层段以及井斜超过30°的井中，由于机械磨铣装置难以开窗，限制了该技术的实施。
上世纪90年代以来，出现了水力方法钻超短半径水平井技术。如图3所示，其作业程序为：首先在预钻层位31段铣套管30，然后扩孔，形成较大的孔腔32，再下入斜向器(图中未示出)，将顶端带有喷嘴34的连续油管35通过斜向器后边喷射边水平进入侧向地层进行侧向新井眼的开钻。目前在国内已施工近10口井，水平进入地层可到20米，且可以改变层位或方位重复钻进。该技术的主要问题是：前期准备工作比较复杂，需要多次下入管柱进行段铣、扩孔，钻井周期较长、作业程序比较复杂。
发明内容
本发明的目的是：提供一种水力喷射侧钻多分支井眼的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将端部固定了转向器的第一油管放入油井套管内，并下降到规定的深度；其中，所述转向器的外部尺寸小于所述套管内径，通过设置在所述转向器内的贯通通道将所述转向器的顶部和侧壁相连通；
(2)由设置在所述第一油管上的油管锚定器将该第一油管与所述套管固定，使所述转向器固定在所述规定的位置；
(3)将外径小于所述第一油管内径的第二油管放入所述第一油管内，利用与所述第二油管相连接的磨铣钻头穿过所述转向器的通道，对所述套管侧壁磨铣形成开窗；
(4)将所述磨铣钻头更换为地层射流喷头，使所述地层射流喷头穿过所述开窗，向所述套管径向喷射地层破岩射流，形成径向分支井眼。
本发明的另一个目的是提供另一种水力喷射侧钻径向分支井眼的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将端部固定了转向器的第一油管放入油井套管内，并下降到规定的深度；其中，所述转向器的外部尺寸小于所述套管内径，通过设置在所述转向器内的贯通通道将所述转向器的顶部和侧壁相连通；
(2)由设置在所述第一油管上的油管锚定器将该第一油管与所述套管固定，使所述转向器固定在所述规定的位置；
(3)将外径小于所述第一油管内径的第二油管放入所述第一油管内，且在所述第二油管的端部安装有地层射流喷头，使所述地层射流喷头穿过所述转向器的通道；
(4)打开地面泵，开始打压，向所述地层射流喷头泵送开窗射流，所述地层射流喷头边喷射所述开窗射流，边将所述套管侧壁射穿形成开窗；
(5)然后向所述地层射流喷头泵送地层破岩射流，所述地层射流喷头继续边喷射所述地层破岩射流边进入地层，进行井眼侧钻，形成一个径向分支井眼。
本发明的再一个目的是提供又一种水力喷射侧钻径向分支井眼的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将端部固定了转向器的第一油管放入油井套管内，并下降到规定的深度；其中，所述转向器的外部尺寸小于所述套管内径，通过设置在所述转向器内的贯通通道将所述转向器的顶部和侧壁相连通；
(2)由设置在所述第一油管上的油管锚定器将该第一油管与所述套管固定，使所述转向器固定在所述规定的位置；
(3)将外径小于所述第一油管内径的第二油管放入所述第一油管内，且在所述第二油管的端部与带有开窗喷头的挠性管相连接；使所述开窗喷头穿过所述转向器的通道；
(4)打开地面泵，开始打压，通过所述第二油管及挠性管向所述开窗喷头泵送开窗射流，所述开窗喷头边喷射所述开窗射流，边将所述套管侧壁射穿形成开窗；其中，所述开窗射流采用在射流液体中混和有石英砂或陶粒的磨料射流；
(5)将所述开窗喷头更换为地层射流喷头，使所述地层射流喷头穿过所述开窗，向所述套管径向喷射地层破岩射流，形成径向分支井眼；具体是：在所述套管侧壁形成开窗后，从所述第一油管内取出第二油管、挠性管和开窗喷头；将所述地层射流喷头与所述挠性管相连接，再将带有地层射流喷头的挠性管和第二油管的端部相连接并放入所述第一油管内，使所述地层射流喷头、挠性管进入所述转向器通道；将所述地层射流喷头穿过转向器通道及套管开窗；由地面向所述地层射流喷头泵送地层破岩射流液，由于所述地层射流喷头具有分别向前和向后喷射射流的前部喷嘴和后部喷嘴，且后部喷嘴的数量多于前部喷嘴，因此所述地层射流喷头边喷射地层破岩射流边与所述挠性管一起进入地层，进行井眼侧钻，形成一个径向分支井眼。
本发明的又一个目的是提供一种水力喷射侧钻多分支井眼的装置，该装置包括：
第一油管，外径小于油井内设置的套管内径，所述第一油管的端部连接一转向器；
第二油管，外径小于所述第一油管内径，所述第二油管连接进行侧钻径向分支井眼的侧钻工具；
所述转向器的外部尺寸小于所述套管内径，所述转向器内具有连通顶部和侧壁的贯通通道，所述侧钻工具由所述转向器的顶部经贯通通道向侧壁折转；所述侧钻工具具有能在所述套管上形成开窗的开窗喷头，其中在所述第二油管的端部与挠性管的一端相连接，所述挠性管的另一端与所述开窗喷头相连接；所述侧钻工具还具有能进入地层，进行井眼侧钻，形成径向分支井眼的地层射流喷头，其中挠性管的一端与所述第二油管的端部相连接，另一端与所述地层射流喷头相连接；所述地层射流喷头具有分别向前和向后喷射射流的前部喷嘴和后部喷嘴，且后部喷嘴的数量多于前部喷嘴。
本发明的水力喷射侧钻多分支井眼的方法，克服了公知的侧钻井眼方法的缺陷，能够准确方便地将转向器固定在规定的地层位置，钻孔位置准确，对井内套管的强度破坏较小，特别适用于超短半径井侧钻。此外，本发明的方法操作步骤简单，克服了公知方法需多次反复提升钻具的缺陷，且不必动用常规大修地面设备，可以方便地在海洋平台施工，另外，采用磨料射流直接喷射钻进，减少了对井下钻具组合的要求，从而可避免因井下工具引起的井下事故，且射流不易对地层形成二次污染，可有效地缩短钻井周期、节约钻井成本、减轻工人劳动强度、提高施工效果，具有良好的市场潜力。
本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼的装置，结构简单，定位方便，能够快速、准确地在同一层面或不同层面打出多个径向分支井眼，大大提高了分支井的钻井施工效率，是油井高效增产和提高采收率的手段。
随着陆基油田相继进入开发的中后阶段，开采难度不断加大、成本越来越高，海洋油田已逐步成为各国开发的主战场。由于平台成本等因素限制，海洋油田多采用钻分支井技术来提高平台利用效率和产量。此外，我国低渗透石油资源量约为210.7×108吨，占总资源量的22.4％，其中中油股份公司已经探明的未动用储量就高达32×108吨，占总探明储量的50％以上，扣除各种不确定因素后，低渗透已探明未动用储量至少为26×108吨储量，钻井已成为低渗透油田增产的主要途径。但是，常规侧钻井需要动用大修设备，施工周期较长、成本较高；同时，转弯半径往往较大，难以在薄油层精确定位侧钻。因此，实现简捷快速的井眼侧钻技术具有重要的现实意义。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1是公知的斜向器开窗侧钻示意图；
图2是公知的段铣开窗侧钻示意图；
图3是公知的水力方法钻超短半径井示意图；
图4A是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼方法的实施方式1的流程图；
图4B是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼方法的实施方式2的流程图；
图4C是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼方法的实施方式3的流程图；
图5是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置的一实施例图；
图6是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置的另一实施例图；
图7是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置的又一实施例图；
图8A、图8B、图8C是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置转向器结构示意图，其中，图8A为转向器整体状态示意图，图8B为转向器分解状态示意图，图8C为沿图8B中A-A线的剖视示意图；
图9是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置的地层射流喷头结构示意图；
图10A是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置的地层射流喷头结构的另一实施方式的喷头主体示意图；
图10B是图10A的喷头结构的叶轮示意图；
图10C是沿图10B中B-B线的剖视示意图；
图11是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置的限位接头结构示意图；
图12是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置的定向接头的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。
本发明涉及到水力喷射侧钻径向分支井眼方法，以及实现上述方法的水力喷射侧钻径向分支井眼装置。首先说明水力喷射侧钻径向分支井眼方法的具体实施方式。
实施方式1
请参见图4A，其为本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼方法的第一技术解决方案的流程图。本发明中该方案的水力喷射侧钻径向分支井眼的方法包括以下步骤：
(1)将端部固定了转向器44的第一油管40放入油井套管50内，并下降到规定的深度；其中，所述转向器44的外部尺寸小于所述套管50内径，通过设置在所述转向器44内的贯通通道将所述转向器的顶部和侧壁相连通；请配合参见图5；
(2)由设置在所述第一油管40上的油管锚定器41将该第一油管40与所述套管50固定，使所述转向器44固定在所述规定的深度位置；
(3)将外径小于所述第一油管40内径的第二油管(图中未示出)放入所述第一油管内，利用与所述第二油管相连接的磨铣钻头48穿过所述转向器44的通道，对所述套管侧壁进行开窗作业，并在所述套管侧壁上形成开窗49；
(4)将所述磨铣钻头48更换为地层射流喷头，使所述地层射流喷头穿过所述开窗49，向所述套管径向喷射地层破岩射流，形成径向分支井眼。
在步骤(1)中，进一步还包括将一限位接头43设置在转向器44的上部与第一油管40之间，利用该限位接头43能够限制对油井套管侧壁进行磨铣开窗的深度。所述限位接头43具有与转向器44通道相同孔径的通孔，所述通孔的直径大于与所述磨铣钻头相连接的柔性轴47、以及磨铣钻头48的直径，小于将螺杆马达45与所述柔性轴47相连接的接头46的直径，且所述限位接头43的通孔的上部形成锥面，以限制所述螺杆马达45的下降深度。
为了使所述转向器44的方位准确，在所述转向器44的上部与第一油管40之间还连接有定向接头42，在本实施方式中，优选所述定向接头42的一端与所述限位接头43相连接，另一端与所述第一油管40相连接。所述定向接头42的内壁面上沿径向伸出的定向销421，请配合参见图12。安装所述转向器44时，确定所述定向销421与所述转向器44的相对方位，在将所述定向接头42和所述转向器44放入油井套管50后，即，进行上述步骤(2)的作业时，通过电测手段来确认所述定向接头的方向，从而确定所述转向器的方向，使所述径向分支井眼开设在规定的方向。
优选将所述油管锚定器41的一端与所述第一油管40相连接，另一端连接所述定向接头42。在一个具体实施例中，所述第一油管的下部依次连接了油管锚定器41、定向接头42、限位接头43和转向器44。在进行上述步骤(2)的作业时，完成上述通过电测手段进行定向销421与转向器44的相对方位确定后，通过所述油管锚定器41将上述转向器及各部件按要求的方位固定在油井套管内的规定位置。
请参见图5，该图表示了对所述油井套管侧壁进行开窗步骤时的装置连接状态，在完成步骤(1)、(2)后，由图可见，步骤(3)中，在所述第二油管(图中未示出)的下端连接了螺杆马达45、柔性轴47和磨铣钻头48；在将所述第二油管放入第一油管40内时，将所述柔性轴47和磨铣钻头48由所述转向器44的顶部沿所述通道转向至转向器的侧壁；然后驱动所述螺杆马达45旋转，动力由柔性轴47传递给磨铣钻头48，对所述套管侧壁进行磨铣开窗。
当连接所述螺杆马达45和柔性轴47的接头46与所述限位接头43接触时，所述磨铣钻头48已将所述套管50打穿，完成了在所述套管上开窗作业，进行上述步骤(4)的作业，从地面将所述第二油管向上提起，从而将所述第二油管、螺杆马达45、柔性轴47和磨铣钻头48从所述套管50内起出；再将带有地层射流喷头52的挠性管51与所述第二油管相连接；将带有地层射流喷头52的挠性管51的第二油管放入所述第一油管40内，所述地层射流喷头52、挠性管51进入所述转向器44的通道；使所述地层射流喷头52穿过转向器通道及套管开窗49，从所述开窗49向套管径向外侧边喷射地层破岩射流边进入地层，如图6所示，该图表示的是形成径向分支井眼装置连接状态。在本实施方式中，所述地层射流喷头52上布置有往前和往后喷射射流的喷嘴521、522，前部喷嘴521喷出的射流用于破碎岩石，向后射出的射流产生反作用力，用于推动挠性管及喷头在地层中前进。所述喷头可以采用自振空化喷头或双射流喷头。
具体为，在所述地层射流喷头52穿过转向器通道及套管开窗49后，打开地面泵，开始打压，向所述地层射流喷头泵送地层破岩射流，所述地层射流喷头52边喷射所述地层破岩射流，边与所述挠性管51一起进入地层，进行侧钻，形成一个径向分支井眼70。然后，根据设计要求可以解除油管锚定器41与套管50之间的锚定，向上移动转向器44，在另一高度位置重复上述步骤，进行另一径向分支井眼的钻进；或转动转向器44，在同一高度层面的其它方向重复上述步骤，进行另一径向分支井眼的钻进。
所述地层破岩射流可以是在射流液体中混和有石英砂或陶粒的磨料射流，或者采用水或聚合物溶液或油类液体射流，如清水射流。所述磨料射流的混和比例，例如可为6％-8％的体积比。所述聚合物溶液例如可为聚丙烯酰胺(质量浓度为0.1％-0.3％)，所述的油类液体例如可为柴油等。
所述挠性管51采用具有挠性(可弯曲变形并复位)的金属管，长度超过1000米，且中间没有接头的金属连续挠性管，或高压胶管。有关转向器、磨铣钻头和射流喷头的具体结构在后面说明。
本实施方式的水力喷射侧钻径向分支井眼方法中，所述的第一油管和第二油管可以是普通油管，也可以采用连续油管。本发明的方法在井下可反复连续开窗和钻出多条径向分支井眼。适用于套管井或裸眼井。
本实施方式通过螺杆马达45驱动磨铣钻头48旋转钻开套管50(在套管50上完成开窗)，然后起出螺杆马达45和磨铣钻头48，再下入带有向前和向后喷射射流的喷嘴521、522的地层射流喷头52，该喷头52边喷射地层破岩射流边进入地层。本实施方式的优点是钻开套管比较可靠，同时，避免了在对套管进行开窗时，使用磨料射流带来的管路及喷嘴等设备磨损问题、省去了地面磨料混和设备，但需要起下两次管柱。
实施方式2
请参见图4B，其为本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼方法的第二技术解决方案的流程图。本发明中该方案的水力喷射侧钻径向分支井眼的方法包括以下步骤：
(1)将端部固定了转向器44的第一油管40放入油井套管50内，并下降到规定的深度；其中，所述转向器44的外部尺寸小于所述套管50内径，通过设置在所述转向器44内的贯通通道将所述转向器的顶部和侧壁相连通；
(2)由设置在所述第一油管40上的油管锚定器41将该第一油管40与所述套管50固定，使所述转向器44固定在所述规定的深度位置；
(3)将外径小于所述第一油管40内径的第二油管放入所述第一油管内，且在所述第二油管的端部安装有地层射流喷头52，使所述地层射流喷头52穿过所述转向器的通道；
(4)打开地面泵，开始打压，向所述地层射流喷头52泵送开窗射流，所述地层射流喷头52边喷射所述开窗射流，边将所述套管50侧壁射穿形成开窗；
(5)然后向所述地层射流喷头52泵送地层破岩射流，所述地层射流喷头继续边喷射所述地层破岩射流边进入地层，进行井眼侧钻，形成一个径向分支井眼70。
本实施例与实施方式1的不同之处是在所述第二油管的端部直接安装有地层射流喷头52，通过向所述地层射流喷头52泵送开窗射流和地层破岩射流，进行将所述套管侧壁射穿形成开窗和进行井眼侧钻作业，而不用把磨铣钻头更换为地层射流喷头。由于本实施方式的方法在进行侧钻作业中，不需要将第二油管提起更换钻进工具，因此本实施方式的方法具有较高的作业效率。
请参见图6，该图也同时为表示本实施方式的中各装置的连接关系的示意图，由图可见，转向器44采用了与实施方式1相同的连接结构，即在第一油管40的下端依次连接了油管锚定器41、定向接头42、限位接头43和转向器44，虽然图6中表示在转向器44和定向接头42之间连接了限位接头，是为了使该连接结构通用，避免反复拆卸。为了使结构简单，在本实施方式中可以将该限位接头去除。
本实施方式在步骤(1)中将所述转向器44放入油井套管50内后，为了使所述转向器44的方位准确，采用与实施方式1相同的方法，由定向接头42通过电测确定转向器44的方位后，进行步骤(2)，由油管锚定器41将所述转向器44及上述连接转向器44的各部件按要求的方位固定在油井套管内的规定位置。
在步骤(3)中所述地层射流喷头52通过挠性管51与所述第二油管相连接，再下入带有地层射流喷头52的挠性管51，将所述挠性管和地层射流喷头52由所述转向器44的顶部沿所述通道转向至转向器的侧壁。在步骤(4)采用在射流液体中混和有石英砂或陶粒的磨料射流为开窗射流的工作介质，压力升至50～70MPa，所述磨料射流由挠性管51及地层射流喷头52穿过转向器44后直接射穿套管50的管壁。其中，所述磨料射流的混和比例，例如可为6％-8％的体积比。根据在地面测试喷射完成对套管50开窗时间的实验结果，决定喷射上述开窗射流的时间，通常在实际施工时，比实验结果多喷射几分钟，以保证将套管完全打穿。另外，还可以从挠性管51的送进方面来判断是否完成对所述套管壁开窗作业：如果没有完成对套管壁的开窗作业，则在地面无法送进挠性管51。在确认已将所述套管壁射穿后，接着执行步骤(5)，所述地层射流喷头52边喷射地层破岩射流边进入地层，完成一个分支井眼的钻进。所述地层射流喷头52根据所述转向器44设置的贯通通道的角度，在地层中喷射出成一定角度的分支井眼，例如可以从转向器44的顶部转向90度，在地层中形成水平分支井眼。
如图6所示，该图表示的是形成径向分支井眼装置连接状态。在本实施方式中，所述地层射流喷头上布置有往前和往后喷射射流的前部喷嘴521、后部喷嘴522，前部喷嘴521喷出的射流用于破碎套管侧壁或岩石，后部喷嘴522向后射出的射流产生反作用力，用于推动挠性管51及地层射流喷头52向套管侧壁或地层中前进。在本实施方式中所述喷头52为自振空化喷头或双射流喷头。
本实施方式中，所述地层破岩射流可以与所述开窗射流采用同样的工作介质，即，在射流液体中混和有石英砂或陶粒的磨料射流，从而在整个径向分支井眼的钻进作业中，无需更换工作介质，减化了工作程序。且本实施方式是直接下入带有向前和向后喷嘴的地层射流喷头，并通过喷射磨料射流钻开套管和地层。该方式的优点是仅起下一次管柱、施工周期较短，省去了实施方式1中的螺杆马达等部件，同时，使用磨料射流可提高地层破岩效率，缺点是对管路、喷嘴、转向器等设备的磨损较为严重，地面需要配合磨料混和设备。
本实施方式的其他结构(如第一油管与油管锚定器、定向接头、限位接头和转向器的连接关系)、工作原理和有益效果与实施方式1的相同，在此不再赘述。
实施方式3
请参见图4C，其为本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼方法的第三技术解决方案的流程图。本发明中该方案的水力喷射侧钻径向分支井眼的方法包括以下步骤：
(1)将端部固定了转向器44的第一油管40放入油井套管50内，并下降到规定的深度；其中，所述转向器的外部尺寸小于等于所述套管内径，通过设置在所述转向器44内的贯通通道将所述转向器的顶部和侧壁相连通；
(2)由设置在所述第一油管40上的油管锚定器41将该第一油管40与所述套管50固定，使所述转向器44固定在所述规定的深度位置；
(3)将外径小于所述第一油管40内径的第二油管61放入所述第一油管内，且在所述第二油管61的端部与带有开窗喷头64的挠性管62相连接；使所述开窗喷头64穿过所述转向器44的通道；
(4)打开地面泵，开始打压，通过所述第二油管61及挠性管62向所述开窗喷头64泵送开窗射流，所述开窗喷头64边喷射所述开窗射流，边将所述套管侧壁射穿形成开窗；
(5)将所述开窗喷头更换为地层射流喷头52，使所述地层射流喷头52穿过所述开窗49，向所述套管50的径向喷射地层破岩射流，形成径向分支井眼70。
请参见图7，其为表示本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼方法中第三实施方式对套管进行开窗作业的各部件的连接关系示意图。由图7并结合图4C可见，本实施方式与实施方式2的不同之处是首先采用开窗喷头64进行磨料射流开窗，然后更换为地层射流喷头52进行喷射破岩侧钻。在本实施方式中，喷射套管和地层用的是两种结构的喷头，即，所述开窗喷头64仅具有向前喷射射流的前部喷嘴，没有后向喷射射流的后部喷嘴，从而可以避免当采如实施方式2的地层射流喷头52进行套管侧壁开窗作业时，由后部喷嘴向后喷射的磨料射流会对管路、喷头、转向器等设备造成较为严重的磨损的缺陷。
如图7所示，转向器44采用了与实施方式1相同的连接结构，即在第一油管40的下端依次连接了油管锚定器41、定向接头42、限位接头43和转向器44。
在本实施方式中，连接有开窗喷头64的挠性管62通过接头63与第二油管61相连接，利用所述限位接头43能够限制对油井套管侧壁进行磨料射流开窗的深度。所述限位接头43具有与转向器44通道相同孔径的通孔，所述通孔的直径大于与所述挠性管62、以及开窗喷头64的直径，小于将第二油管61与所述挠性管62相连接的接头63的直径，且所述通孔的上部形成锥面，以限制所述第二油管61的下降深度。
在步骤(3)中，将所述挠性管62和开窗喷头由所述转向器的顶部沿所述通道转向至转向器的侧壁。
当连接所述第二油管61和挠性管62的接头63与第一油管上固定的所述限位接头43接触时，所述开窗喷头64已将所述套管打穿，完成了在所述套管上开窗作业，则进行步骤(5)的作业：从所述第一油管40内起出第二油管61、挠性管62和开窗喷头64；如图6所示，将挠性管51的一端与第二油管(在此图中，第二油管未示出)相连接，所述挠性管51的另一端与地层射流喷头52相连接，再将连接后的第二油管、挠性管51、地层射流喷头52放入所述第一油管40内，使所述地层射流喷头52、挠性管51进入所述转向器44的通道内；将所述地层射流喷头52穿过转向器通道及套管开窗49；由地面向所述地层射流喷头52泵送地层破岩射流液，所述地层射流喷头52边喷射地层破岩射流边与所述挠性管51一起进入地层，进行井眼侧钻，形成一个径向分支井眼。在本实施方式中，所述开窗射流可以采用在射流液体中混和有石英砂或陶粒的磨料射流；所述地层破岩射流可以采用水或聚合物溶液或油类液体射流。所述磨料射流中石英砂或陶粒与水的混和比例，例如可为6％-8％的体积比。所述聚合物溶液例如可为聚丙烯酰胺(质量浓度为0.1％-0.3％)，所述的油类液体例如可为柴油等。
所述第二油管为公知的产品，在其中充满高压(50MPa)流体时不变形。
上述分别与地层射流喷头52和开窗喷头64相连接的挠性管51和62可以采用相同的材质结构。然后，根据所需侧钻径向分支井眼的位置要求可以移动或转动转向器后，再进行径向分支井眼的钻进。采用本发明的方法在井下可反复连续开窗和钻出多条径向分支井眼。适用于套管井或裸眼井。
在本实施方式中，由于是先下入带有开窗喷头64，该开窗喷头64只有前向喷射射流的前部喷嘴521，将套管壁喷开后起出该开窗喷头64，再下具有分别向前和向后喷射射流的前部喷嘴和后部喷嘴的地层射流喷头52，边喷射地层破岩射流边进入地层。该方式的优点是在进行套管开窗作业时，对管路、喷头等设备的磨损相对较小，但是需要起下两次管柱，同时，地面需要配合磨料混和设备。
本实施方式的其他结构(如第一油管与油管锚定器、定向接头、限位接头和转向器的连接关系)、工作原理和有益效果与实施方式1的相同，在此不再赘述。
现对照图5到图12，说明本发明的实现上述方法的水力喷射侧钻径向分支井眼装置。
本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼的装置包括：第一油管40，所述第一油管40的外径小于竖向油井内设置的套管50的内径，在所述第一油管40的端部连接一转向器44；以及外径小于所述第一油管40内径的第二油管，所述第二油管连接进行侧钻径向分支井眼的侧钻工具。所述限位接头的一端与所述转向器上部相连接，另一端与所述第一油管相连接。
请参见图8A、图8B、图8C，分别为本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置转向器44的结构示意图，其中，图8A为转向器整体状态示意图，图8B为转向器分解状态示意图，图8C为沿图8B中A-A线的剖视示意图。所述转向器44的外部尺寸小于所述套管50内径，所述转向器44内具有连通顶部和侧壁的贯通通道441，所述侧钻工具能够从所述转向器44的顶部入口442通过所述转向器的贯通通道441向侧壁的出口443折转。优选所述侧钻工具通过所述贯通通道441能够折转90度，则所述侧钻工具通过能够折转90度的转向器转向后，可以向所述套管50的径向方向侧钻形成水平的分支井眼。
所述转向器44内设置的贯通通道441的横截面为能使所述侧钻工具通过的圆形孔道。在本实施例中，为便于加工，所述转向器44由对称的两个通道本体444、445构成，将螺栓贯穿设置在所述两个通道本体444、445上的多个螺孔446，将所述两个通道本体444、445连接成一体，构成所述转向器44。所述每一通道本体444、445上分别对应设有半圆形通道4411，当由螺栓将通道本体444、445连接成一体时，每一通道本体上面的半圆形通道4411对合形成为一圆形贯通通道441。
所述侧钻工具的第一实施例为包括依次连接在所述第二油管端部的螺杆马达45、柔性轴47和磨铣钻头48，请配合参见图5。
所述侧钻工具的第二实施例为包括挠性管51和地层射流喷头52，所述挠性管51的一端与所述第二油管的端部相连接，另一端与所述地层射流喷头52相连接，请配合参见图6。
所述侧钻工具的第三实施例为包括连接在所述第二油管61端部连接有带有开窗喷头64的挠性管62，请配合参见图7。
上述地层射流喷头52可以采用自振空化喷头，也可以采用双射流喷头52’。
如图5、6、7所示，优选所述水力喷射侧钻径向分支井眼装置，还具有限位接头43，所述限位接头43的一端与所述转向器44的上部相连接，另一端连接所述第一油管40。请配合参见图11，所述限位接头43具有与转向器44的通道441相同孔径的通孔431，所述通孔431的直径大于等于所述柔性轴47或挠性管51、62、以及磨铣钻头48或地层射流喷头52或开窗喷头64的直径，小于所述螺杆马达45或第二油管61的直径，且所述通孔431的上部形成为一扩孔432，该扩孔432与下部通孔431的连接部形成限位锥面433，该锥面433能够限制所述螺杆马达45或第二油管61的下降深度。通常所述螺杆马达45与挠性轴47通过接头46相连接，所述第二油管61与挠性管62通过接头63相连接，所述限位接头43的扩孔432大于所述接头46、63的外径，并能够通过锥面433对所述接头46、63起到限制下降的作用。
优选的是，在所述限位接头43和第一油管40之间设有定向接头42，请配合参见图12，所述定向接头42为一中空柱状体，其内径能够使所述侧钻工具顺利穿过，且所述定向接头42的内壁面上沿径向向内伸出有一定向销421，可以通过电测手段来确认所述定向接头42的方向，从而确定所述转向器44的方向。装置下井时，需要提前确定定向销421和转向器44的相对方位。下井后，借助电测手段测出定向接头42的方位，从而可以推算出转向器44的方位，以保证将径向分支井眼开设有规定的方向。
优选的方案是，在所述第一油管上还设有油管锚定器41，通过所述油管锚定器41与所述套管50的内壁相固定，使所述转向器44固定在规定的位置。在本实施方式中，所述油管锚定器41的一端与所述定向接头42相连接，另一端与所述第一油管相连接。油管锚定器41的设置位置并不限于此。
图9、图10A、图10B、图10C为是本发明的水力喷射侧钻径向分支井眼装置的地层射流喷头结构示意图。
图9为自振空化喷头结构示意图。本发明的一个实施方式是，所述地层射流喷头52采用图9所示的自振空化喷头，该喷头为一柱状体，其内设有中空的进口流道520，所述进口流道520的一端为与挠性管51相连接的开口端523，另一端与设置在所述柱状体前端部的多个能够向前喷射射流的前部喷嘴521相连通；在所述喷头52的侧壁上设有多个与所述进口流道520相连通的通孔，所述通孔构成能够向后喷射射流的后部喷嘴522。
所述多个前部喷嘴521和多个后部喷嘴522按照一定相位、角度布置在所述地层射流喷头52的前端和侧壁上，通过前部喷嘴521和后部喷嘴522的数量、直径、角度等布置方式来钻孔、移动、控制方向轨迹和清洗携带破碎的岩屑。
一个优选的实施例是，在所述喷头52的前端部设置3～5个前部喷嘴521，该前部喷嘴521的直径优选为0.5～1.5mm，且所述各前部喷嘴521可是平行于喷头52纵轴线设置，也可构成为与纵轴线呈10～20度夹角。在所述喷头51的侧壁上优选设置5～8个后部喷嘴522，该后部喷嘴522的直径优选为0.5～1.5mm，且与纵轴线呈10～30度夹角。在相同直径条件下，优选后部喷嘴数量多于前部喷嘴521，以使所述喷嘴向后喷射的力量大于向前喷射的力量，从而产生向前推进的合力、推动地层射流喷头52在地层中前进。
图10为双射流喷头结构示意图。本发明的另一个实施方式是，所述地层射流喷头52可以采用图10A、10B、10C所示的双射流喷头52’，该双射流喷头52’为一柱状体，其内具有中空的进口流道520’，所述进口流道520’的一端为与挠性管相连接的开口端523’，另一端连接一锥形的出口流道524’，在所述出口流道524’的前端设有一个前部喷嘴521’。所述进口流道520’的前部、且位于所述锥形出口流道524’的后部构成一容置室525’，一叶轮526’容置在该容置室内。在所述双射流喷头52’的侧壁上设有多个与所述进口流道520’相连通的通孔，所述通孔构成能够向后喷射射流的后部喷嘴522’。
所述后部喷嘴522’与位于所述叶轮526’后部的进口流道520’相连通。射流经过叶轮526’后形成旋转射流，可以有效地扩大地层中的孔眼直径，同时，又可以增强中心射流的空化作用。流体介质可以是磨料射流(磨穿套管和钻进地层)，或者地层破岩射流(只是在地层中破岩钻进)。优选设置在所述双射流喷头52’前端的前部喷嘴521’的直径为1.5～2.0mm，设置在所述喷头52’侧壁上的多个后部喷嘴522’的布置方式与上述自振空化喷头的后部喷嘴522相同，其作用和效果也相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种水力喷射侧钻径向分支井眼的装置，所述装置包括：
第一油管，外径小于油井内设置的套管内径，所述第一油管的端部连接一转向器，所述转向器的外部尺寸小于所述套管内径，所述转向器内具有连通顶部和侧壁的贯通通道；
油管锚定器，所述油管锚定器设置在所述第一油管上，通过所述油管锚定器与所述套管内壁固定，使所述转向器固定在规定的位置；
第二油管，外径小于所述第一油管内径，所述第二油管连接进行侧钻径向分支井眼的侧钻工具；
所述侧钻工具由所述转向器的顶部经贯通通道向侧壁折转；所述转向器内设置的贯通通道的横截面为能使所述侧钻工具通过的圆形孔道；该圆形孔道能使所述侧钻工具折转90度；
所述侧钻工具包括挠性管和地层射流喷头，所述挠性管的一端与所述第二油管的端部相连接，另一端与所述地层射流喷头相连接；
限位接头，所述限位接头的一端与所述转向器上部相连接，另一端与所述第一油管相连接；所述限位接头具有与转向器通道相同孔径的通孔，所述通孔的直径大于所述挠性管以及所述地层射流喷头的直径，小于所述第二油管的直径，且所述限位接头的通孔的上部为一扩孔，该扩孔与下部通孔的连接部形成限位锥面，以限制所述第二油管下降深度；
定向接头，定向接头设置在所述限位接头和第一油管之间，所述定向接头为一中空柱状体，其内径能够使所述侧钻工具顺利穿过，且所述定向接头的内壁面上沿径向向内伸出有一定向销，安装所述转向器时确定所述定向销与所述转向器的相对方位，在将所述定向接头和所述转向器放入油井套管后，可以通过电测手段来确认所述定向接头的方向，从而确定所述转向器的方向；
所述地层射流喷头为自振空化喷头，所述自振空化喷头为一端柱状体，其内设有中空的进口流道，所述进口流道的一端为与挠性管相连接的开口端，另一端与设置在所述柱状体前端部的多个喷嘴相连通；在所述喷头的侧壁上设有多个与所述进口流道相连通的通孔。
2.一种水力喷射侧钻径向分支井眼的装置，所述装置包括：
第一油管，外径小于油井内设置的套管内径，所述第一油管的端部连接一转向器，所述转向器的外部尺寸小于所述套管内径，所述转向器内具有连通顶部和侧壁的贯通通道；
油管锚定器，所述油管锚定器设置在所述第一油管上，通过所述油管锚定器与所述套管内壁固定，使所述转向器固定在规定的位置；
第二油管，外径小于所述第一油管内径，所述第二油管连接进行侧钻径向分支井眼的侧钻工具；
所述侧钻工具由所述转向器的顶部经贯通通道向侧壁折转；所述转向器内设置的贯通通道的横截面为能使所述侧钻工具通过的圆形孔道；该圆形孔道能使所述侧钻工具折转90度；
所述侧钻工具包括挠性管和地层射流喷头，所述挠性管的一端与所述第二油管的端部相连接，另一端与所述地层射流喷头相连接；
限位接头，所述限位接头的一端与所述转向器上部相连接，另一端与所述第一油管相连接；所述限位接头具有与转向器通道相同孔径的通孔，所述通孔的直径大于所述挠性管以及所述地层射流喷头的直径，小于所述第二油管的直径，且所述限位接头的通孔的上部为一扩孔，该扩孔与下部通孔的连接部形成限位锥面，以限制所述第二油管下降深度；
定向接头，定向接头设置在所述限位接头和第一油管之间，所述定向接头为一中空柱状体，其内径能够使所述侧钻工具顺利穿过，且所述定向接头的内壁面上沿径向向内伸出有一定向销，安装所述转向器时确定所述定向销与所述转向器的相对方位，在将所述定向接头和所述转向器放入油井套管后，可以通过电测手段来确认所述定向接头的方向，从而确定所述转向器的方向；
所述地层射流喷头为双射流喷头，所述双射流喷头具有中空的进口流道，所述进口流道的一端为与挠性管相连接的开口端，另一端连接锥形的出口流道，在所述出口流道的前端设有一个喷嘴；所述进口流道的前部、且位于所述锥形出口流道的后部设置有叶轮；在所述喷头的侧壁上设有多个与所述进口流道相连通的通孔。
3.如权利要求2所述的水力喷射侧钻径向分支井眼的装置，其中，所述通孔与所述叶轮后部的进口流道相连通。
4.如权利要求1-3之任一权利要求所述的一种水力喷射侧钻径向分支井眼的装置，所述转向器由对称的两个通道本体构成，通过螺栓将所述两个通道本体连接构成所述转向器；每一所述通道本体上分别对应设有半圆形通道。
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