CN102146779B - 水平井井下定位定角钻孔开窗工具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种水平井井下定位定角钻孔开窗工具，该钻孔开窗工具是由一外部套筒形工具串和一穿设在该套筒形工具串内的内部钻孔工具串构成；所述套筒形工具串由上至下依序由抽油管、限位套管、连接管和携向器固定连接构成，该携向器前端设有测角装置；所述钻孔工具串由上至下依序由限位防扭转体、螺杆钻具、自动进给装置、柔性杆和刀头连接构成，一连续油管穿过限位防扭转体并导通连接于螺杆钻具；所述限位防扭转体卡设连接于限位套管内；所述柔性杆及其前端的刀头对应于携向器侧壁的开口。该水平井井下定位定角钻孔开窗工具，能够使水平井井下开窗实现准确定位定角，提高了开窗效率，对开窗后的煤层的处理更加合理，有效地提高了煤层气的产量。

Description

水平井井下定位定角钻孔开窗工具

技术领域

本发明是关于一种煤层气开采的钻孔开窗装置，尤其涉及一种水平井井下定位定角钻孔开窗工具。

背景技术

在煤层气开采领域中，通常是利用钻机钻出直井或直井及水平井后，在井筒内下入金属套管及玻璃钢套管进行固井，然后在煤层段的套管上钻孔开窗，接着下入水力喷射钻孔管串穿过套管窗口进行喷射钻孔卸压，通过降压排水致使煤层气解吸的方式开采煤层气资源。此种开采方式中的一个重要环节是在煤层段的套管上进行开窗。

目前，应用于煤层气水平井的套管开窗技术尚属于空白，研究发现该技术方面尚需解决的主要技术难题有：(1)套管开窗工具在井下不能定位，钻具启动时容易被加载的初始力压断，使用过程中钻具磨损较大；(2)开窗工具在钻孔开窗过程中如果受到较大阻力时，钻具可能受反向扭转而损坏；(3)钻具在向井下放入过程中，可能因无法定位(限位)而使钻具前端的钻头(或刀头)与携向器的前端壁面产生碰撞，甚至损坏钻头。

由上所述，在现有技术中套管开窗工具在井下不能定位，尤其针对水平井很难实现确定角度开窗，不能实现定位定角，造成在煤层气开采过程中，不能充分扩大产气面积、提高煤层气的产量，针对不同煤层，难以进行正常开采。

有鉴于此，本发明人凭借多年的相关设计和制造经验，提出一种水平井井下定位定角钻孔开窗工具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平井井下定位定角钻孔开窗工具，能够使套管开窗实现准确定位定角，以有效提高煤层气的产量。

本发明的另一目的在于提供一种水平井井下定位定角钻孔开窗工具，使定向钻孔工具不易损坏，有效提高开窗效率。

本发明的目的是这样实现的，一种水平井井下定位定角钻孔开窗工具，该钻孔开窗工具是由一外部套筒形工具串和一穿设在该套筒形工具串内的内部钻孔工具串构成；所述套筒形工具串由上至下依序由抽油管、限位套管、连接管和携向器固定连接构成，该携向器前端设有测角装置；所述钻孔工具串由上至下依序由限位防扭转体、螺杆钻具、自动进给装置、柔性杆和刀头连接构成，一连续油管穿过限位防扭转体并导通连接于螺杆钻具；所述限位防扭转体卡设连接于限位套管内；所述柔性杆及其前端的刀头对应于携向器侧壁的开口。

在本发明的一较佳实施方式中，所述限位套管为一上大下小的锥形套管，锥形套管内壁设有键槽；所述限位防扭转体为一与锥形套管内孔锥度相应的上大下小的锥体，该锥体的侧面设有与所述键槽对应的导向键。

在本发明的一较佳实施方式中，所述携向器侧壁的开口处设有轴承。

在本发明的一较佳实施方式中，所述自动进给装置是由套筒和滑设于套筒内的推杆构成，在套筒与推杆之间设有弹簧；推杆表面与套筒内壁之间设有导向键结构；所述套筒与螺杆钻具输出端连接，所述推杆与柔性杆输入端连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述测角装置由一盒体和固定设置在该盒体内的倾角传感器构成；该盒体由强力密封胶密封，倾角传感器输出导线通过线槽传至地面以供井上进行监测。

由上所述，在本发明的水平井井下定位定角钻孔开窗工具中，由于携向器前端设置了测角装置，在地面即可准确测定开窗位置的倾角，因此，能够使水平井井下开窗实现准确定位定角，提高了开窗效率，对开窗后的煤层的处理更加合理，有效地提高了煤层气的产量。再者，本发明的外部套筒形工具串上设有限位套管，内部钻孔工具串设有限位防扭转体，所述限位防扭转体卡设连接于限位套管内构成了限位防扭转装置，一方面能够防止注入内部钻孔工具串时，钻具前端的钻头与携向器的前端壁面发生碰撞而损坏，另一方面能够避免钻孔开窗过程中钻具受到较大阻力时可能受反向扭转而损坏。

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：为本发明水平井井下定位定角钻孔开窗工具的结构示意图。

图2：为本发明中外部套筒形工具串的结构示意图。

图3：为本发明中内部钻孔工具串的结构示意图。

图4：为使用本发明水平井井下定位定角钻孔开窗工具进行井下开窗的工艺流程示意图。

图5：为本发明中自动进给装置的结构示意图。

图6：为本发明中携向器的结构示意图。

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。

在煤层气开采过程中，钻井完毕并固井后，在煤层段套管上钻孔开窗。针对不同井开窗钻孔的工艺也不同；对于竖直井需要在金属套管上垂直于井筒方向的径向开窗；对于水平井需把开窗工具送至水平井段，在玻璃钢套管上开窗。但是，不论哪种井型，都需要确定开窗的位置和角度，以保证准确、快速、安全的完成开窗工序。

如图1所示，本发明提出一种水平井井下定位定角钻孔开窗工具100，该钻孔开窗工具100是由一外部套筒形工具串1和一穿设在该套筒形工具串内的内部钻孔工具串2构成；如图2所示，所述套筒形工具串1由上至下依序由抽油管11、限位套管12、连接管13和携向器14固定连接构成，该携向器14前端设有测角装置15；如图3所示，所述钻孔工具串2由上至下依序由限位防扭转体21、螺杆钻具22、自动进给装置23、柔性杆24和刀头25连接构成，一连续油管26穿过限位防扭转体21并导通连接于螺杆钻具22；所述限位防扭转体21卡设连接于限位套管12内；所述柔性杆24及其前端的刀头25对应于携向器14侧壁的开口141。

使用本发明的水平井井下定位定角钻孔开窗工具100进行开窗作业时，如图4所示，首先根据煤层的位置，确定开窗位置到井口的距离；然后由注入器将抽油管11、限位套管12、连接管13和携向器14构成的外部套筒形工具串1沿着井筒套管输送到设计深度要求的开窗位置；接着根据地质资料确定的煤层倾角调整抽油管，使携向器开口141(出口角度)与煤层保持一致(如果出口角度不正确，还需要继续调整，直至出口角度正确为止)；而后将连续油管26与由限位防扭转体21、螺杆钻具22、自动进给装置23、柔性杆24和刀头25组成的内部钻孔工具串2相连，并由注入器将内部钻孔工具串2从外部套筒形工具串1的内部输送至开窗位置，使柔性杆24及其前端的刀头25穿出携向器14侧壁的开口141并与井筒的玻璃钢套管内壁接触；开启地面高压泵，螺杆钻具工作，调整注入器进给进行开窗；判断高压泵输出参数是否正常(不正常接续调整注入器进给)，如果高压泵输出参数正常，刀头开始钻孔，直至完成开窗。

由上所述，在本发明的水平井井下定位定角钻孔开窗工具中，由于携向器前端设置了测角装置，在地面即可准确测定开窗位置的倾角，因此，能够使水平井井下开窗实现准确定位定角，提高了开窗效率，对开窗后的煤层的处理更加合理，有效地提高了煤层气的产量。再者，本发明的外部套筒形工具串上设有限位套管，内部钻孔工具串设有限位防扭转体，所述限位防扭转体卡设连接于限位套管内构成了限位防扭转装置，一方面能够防止注入内部钻孔工具串时，钻具前端的钻头与携向器的前端壁面发生碰撞而损坏，另一方面能够避免钻孔开窗过程中钻具受到较大阻力时可能受反向扭转而损坏。

进一步，在本实施方式中，如图1、图2所示，所述限位套管12为一上大下小的锥形套管，锥形套管内壁设有键槽121；所述限位防扭转体21为一与锥形套管内孔锥度相应的上大下小的锥体，锥体的径向尺寸略小于锥形套管内孔尺寸，该锥体的侧面设有与所述键槽121对应的导向键211。开窗作业时，限位防扭转体21卡设连接于限位套管12内，所述导向键211嵌入所述键槽121，这样就可以防止限位防扭转体21相对限位套管12转动。所述对应的键和键槽可以设置多对。

在本实施方式中，如图5所示，所述自动进给装置23是由套筒231和滑设于套筒内的推杆232构成，在套筒231与推杆232之间设有弹簧233，从而达到自动调整进给量的目的，自动进给的行程可根据开窗需要设定，可调范围为0-40mm；推杆232表面与套筒231内壁之间设有导向键结构(图中未示出)，以保证推杆232和套筒231两者能够一体转动；所述套筒231与螺杆钻具22输出端连接，所述推杆232与柔性杆24输入端连接。

如图6所示，所述携向器14侧壁的开口141处设有轴承3，可减少在工作过程中柔性杆与携向器之间的摩擦，增加钻具的使用寿命。在本实施方式中，柔性杆结构类似万向节结构，每节长度为42mm-52mm，节与节用销轴连接在一起，形成一个可传递扭矩的柔性杆，杆的末端接球形刀头。

如图1所示，在本实施方式中，所述测角装置15由一盒体151和固定设置在该盒体内的倾角传感器152构成；该盒体151由强力密封胶密封，保证在5MPa水压下密封防水性良好；倾角传感器152的输出导线1521通过线槽传至地面以供井上进行监测，为下一步操作提供数据。

在本实施方式中，所述螺杆钻具是现有结构，螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具；当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动螺杆钻具的转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过传动轴和柔性杆传递给钻头，从而实现套管开窗作业。

本发明水平井井下定位定角钻孔开窗工具具有如下有益效果：

1.本发明在携向器前端设置了测角装置，在地面即可准确测定开窗位置的倾角，不仅可以应用于垂直井，而且将其应用范围扩大至水平井，并且使水力喷射钻孔开采煤层气的方法应用于水平井也变得可行，提高了煤层气的抽放效率；

2.本发明采用带有键槽的套筒结构，可实现自动进给，且推力可调，提高了柔性杆的寿命；

3.本发明设置了螺杆钻具的限位防扭转装置，可承担来自连续油管的推力，保证柔性杆的受力恒定，提高了开孔效率；

4.本发明在携向器开口处设置了轴承，可减少在工作过程中柔性杆与携向器之间的摩擦，提高了钻具的使用寿命。

下面是使用本发明水平井井下定位定角钻孔开窗工具进行开窗作业的一具体实例：

针对MB-Y1井，煤层段水平井520m，煤层段水平井井壁煤体用4英寸玻璃钢套管支撑；使用该套定位定角钻孔开窗工具在煤层段玻璃钢套管上开窗，厚度为10mm的玻璃钢套管，开窗时间18分钟，定位误差3mm，定角误差0.8°；为下一步压裂工具进入煤层提供了具有准确位置和角度的窗口。

本发明水平井井下定位定角钻孔开窗工具已应用于3口煤层气水平井侧向钻孔，自应用该钻孔开窗工具以来，可以准确定位定角进行钻孔开窗，定位误差不超过5mm，定角误差不超过1°，平均开窗时间为15min。

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出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种水平井井下定位定角钻孔开窗工具，其特征在于：该钻孔开窗工具是由一外部套筒形工具串和一穿设在该套筒形工具串内的内部钻孔工具串构成；所述套筒形工具串由上至下依序由抽油管、限位套管、连接管和携向器固定连接构成，该携向器前端设有测角装置；所述钻孔工具串由上至下依序由限位防扭转体、螺杆钻具、自动进给装置、柔性杆和刀头连接构成，一连续油管穿过限位防扭转体并导通连接于螺杆钻具；所述限位防扭转体卡设连接于限位套管内；所述柔性杆及其前端的刀头对应于携向器侧壁的开口。

2.如权利要求1所述的水平井井下定位定角钻孔开窗工具，其特征在于：所述限位套管为一上大下小的锥形套管，锥形套管内壁设有键槽；所述限位防扭转体为一与锥形套管内孔锥度相应的上大下小的锥体，该锥体的侧面设有与所述键槽对应的导向键。

3.如权利要求1所述的水平井井下定位定角钻孔开窗工具，其特征在于：所述携向器侧壁的开口处设有轴承。

4.如权利要求1所述的水平井井下定位定角钻孔开窗工具，其特征在于：所述自动进给装置是由套筒和滑设于套筒内的推杆构成，在套筒与推杆之间设有弹簧；推杆表面与套筒内壁之间设有导向键结构；所述套筒与螺杆钻具输出端连接，所述推杆与柔性杆输入端连接。

5.如权利要求1所述的水平井井下定位定角钻孔开窗工具，其特征在于：所述测角装置由一盒体和固定设置在该盒体内的倾角传感器构成；该盒体由强力密封胶密封，倾角传感器输出导线通过线槽传至地面以供井上进行监测。

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