CN103375140A - 径向水平井定向装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向水平井定向装置及其操作方法，是为实现一趟管柱开多个套管开窗的目的而设计的，该装置转向筒连接油管柱和转向杆，转向杆连接转向器，转向筒的导向销插在转向杆的导向滑槽内，在上提和下放油管柱且带动转向筒上下移动时，导向销在导向滑槽内产生侧向推力，推动转向器旋转实现转向。本发明主要用于同油层钻多个井眼的径向水平井作业，其能解决径向井复杂的定向开窗问题，不需要下电缆及井下电动装置，只通过简单的机械装置实现下井、方位测量及多方位径向水平井眼定向的一次性完成，定位定向准确，作业工序简单，操作成本低，作业效率及精准度高。

Description

径向水平井定向装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种径向水平井定向装置及其操作方法，属于石油钻井开采技术领域。

背景技术

径向水平钻井又被称为超短半径水平井，最早产生于20世纪80年代，该技术在连续油管技术基础上提出，配备专用的关键钻井工具(主要包括射流钻头、轨迹控制装置、转向器等)，可以在已钻成井眼的主井眼的储层段，钻出一层至多层辐射状分支微小井眼。它可在0.3m或更小半径的垂直井眼中由垂直转向水平，可避免常规大、中、小曲率半径钻水平井工艺所需要的频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，保证水平井准确地进入油气层，且其水平井段长度可达100m，直径可达50mm以上，因此能增大泄油面积，提高油井产量、油气采收率和井控制储量。径向水平井作业效率高、成本低，非常适合老油田挖潜、断块和边际油藏开发，以及低渗特低渗油藏、煤层气藏增产作业。

传统的径向水平井作业主要由以下四步组成：1)转向器上端与油管连接，下端连接油管锚，通过修井机被下入作业井段；2)过油管下入陀螺仪测方位，通过转动地面油管而带动转向器旋转，以达到径向井设计钻孔方位，然后利用油管锚锁紧转向器，以防止其转动和滑动；3)连续油管依次与井下马达、柔性杆和钻头连接，从油管中下入，通过转向器到达套管内壁，启动地面高压泵，进行套管开窗，而后起出井下工具；4)高压软管上端连接连续管，下端连接喷射钻头，经油管内部下入，通过转向器进入已开好的套管窗口，再启动地面高压泵，进行水力喷射破岩，完成径向水平段钻井作业。

这种技术的主要缺点是：完成一个井眼后需要解锚，通过地面转动油管为井下转向器定向，由于地面至井下转向器间油管长度上千米甚至几千米，方向很难控制，旋转角度难以把握(实际作业中往往以误差不超过5°为准)，而且每次转动都要下入陀螺仪测定方位，工序繁琐，定向不准确，作业效率低。

近年来，随着径向水平井技术的发展，其作业方式和钻井工具均有较大改进，如下电缆方式，通过控制井下马达旋转定方位，但这些装置结构复杂，制作成本高，稳定性差，在井下复杂的环境中容易失效，而且，下电缆增加了作业工序，降低了效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种径向水平井定向装置及其操作方法，其能实现一次下井、一次测方位完成多方位径向水平井眼定向，减少作业工序，提高作业效率。

本发明的具体技术方案如下：

径向水平井定向装置：

转向筒底面设有中心孔，孔表面设有均布的径向导向销。转向筒顶端连接油管柱，筒内壁上端镶嵌引导套，筒内连接设有中心孔的阶梯圆柱形转向杆，转向杆缩径柱表面设有插入导向销的导向滑槽，缩径柱底端从转向筒中心孔穿出连接转向器。转向器内设有连通转向杆中心孔的转向弯道，转向器底端通过轴承连接油管锚。

径向水平井定向装置的操作方法如下：

1)用通径规通井，确保油管及井下定向工具顺利下入预定位置，即待开窗钻孔层位；

2)井下工具下到指定位置后，锁紧油管锚，以确保径向井定向工具不会上下移动；

3)过油管下入陀螺仪，测量定向工具转向器末端开孔方向，如开孔方向与预定方向不符，则可通过地面转动油管来调整，直至满足要求；

4)定向工具初始方位定好后，将陀螺仪起出井筒，利用连续油管携带井下套管开窗装置经由油管内部下入预定层位。当开窗装置下入到转向器位置时，在其转向弯道的导引下，指向开窗预定方向，开动地面高压泵驱动井下马达，带动开窗磨铣工具旋转实施套管开窗；

5)完成一个方向套管开窗后，上提开窗工具至转向器上端直管段中，上提和下放油管，使转向器沿预定方向转动；转向完成后，再重复步骤4)完成第二个方向套管开窗，其它方向开窗照此方法依次进行；

6)当最后一个方向套管开窗作业完成后，上提连续油管起出套管开窗工具，换为径向井喷射钻进装置，过油管下入到定向装置，当径向井喷射钻进软管到达转向器位置时，将在转向弯道的导引下，直接进入套管窗口，然后开动地面高压泵，进行第一个径向井眼钻进；

7)当第一个径向井眼钻成后，将径向井喷射钻进装置退至转向器上端直管段，上提和下放油管使转向器沿预定方向转动；转向完成后，重复步骤6)完成第二个方向径向井眼的钻进，其它方向照此方法依次进行。至最后一个井眼钻成后，起出井下工具，即完成多方位径向井的钻井操作。

本发明主要用于同油层钻多个井眼的径向水平井作业，其能解决径向井复杂的定向开窗问题，不需要下电缆及井下电动装置，只通过简单的机械装置实现下井、方位测量及多方位径向水平井眼定向的一次性完成，定位定向准确，作业工序简单，操作成本低，作业效率及精准度高。

附图说明

图1为径向水平井定向装置结构示意图；

图2为上提油管柱时径向水平井定向装置示意图；

图3为径向水平井定向装置转向后结构示意图；

图4为油管柱上行时转向器转动原理图；

图5为油管柱下行时转向器转动原理图。

图6为径向水平井定向装置转向器转向方位示意图。

具体实施方式

实施例：

参照图1至6对本发明的实施例进一步说明：

径向水平井定向装置：

转向筒4底面设有中心孔，孔表面设有均布的四个径向导向销6。转向筒4顶端丝扣连接油管柱2，筒内上端镶嵌引导套3，筒内连接设有中心孔的阶梯圆柱形转向杆5，转向杆5缩径柱表面上设有插入导向销6的导向滑槽，缩径柱底端从转向筒4中心孔穿出连接转向器7。转向器7内设有连通转向杆5中心孔的转向弯道10，转向器7底端通过轴承11连接油管锚8。

本发明径向水平井定向装置的操作步骤如下：

1)用通径规通井，确保油管及井下定向工具顺利下入预定位置，即待开窗钻孔层位；

2)井下工具下到指定位置后，锁紧油管锚8，以确保径向井定向工具不会上下移动；

3)过油管下入陀螺仪，测量定向工具转向器末端开孔方向，如开孔方向与预定方向不符，则可通过地面转动油管来调整，直至满足要求；

图4和图5为转向杆5导向滑槽的展开图，360度的展开面被平均划分为8份，即定向装置一次下井可进行8个方向的开窗，相邻窗口之间夹角为45度。也可将该展开面划分为N等份，也就是在转向杆5上均匀布置N组滑道，每上提和下放一次，转向杆5即旋转360/N度，N越大每次旋转的角度越小，角度调节越精细，越容易实现任意方位开窗钻孔，N的大小取决于工具加工要求和实际需求。定向过程中，该装置只要求开窗方向与转向器转向弯道10方向的夹角为360/N度的整数倍即可。当开窗方向与转向器转向弯道10方向的夹角为360/N度的X倍时(X≤N)，则可上提和下放油管柱X次或者N-X次，便可使转向器转向弯道10的方向与预定开窗方向吻合(油管柱2上提和下放X次还是N-X次取决于转向器7的转动方向)。N越大，开窗方向与转向器7预置的N个方向重合的概率就越高，越容易实现一次定向。如果测得的转向器7方位与所需开窗方位夹角为360/N度的小数倍，则需要在地面适当旋转油管柱2，调整转向器7角度，直至转向器7方位与所需开窗方位夹角为360/N度的整数倍。常规定向装置的角度调整要求开窗方向必须与转向弯道10方向重合，属一对一调整，而本装置方向调整属1对多调整，成功概率提高很多，非常容易实现精确定向。

4)定向工具初始方位定好后，将陀螺仪起出井筒，利用连续油管携带井下套管开窗装置经由油管内部下入预定层位。当开窗装置下入到转向器7位置时，在其转向弯道10的导引下，指向开窗预定方向，开动地面高压泵驱动井下马达，带动开窗磨铣工具旋转实施套管开窗；

5)完成一个方向套管开窗后，上提开窗工具至转向器7上端直管段中，上提和下放油管的操作均使转向器7产生同向转动。转向完成后，再重复步骤4完成第二个方向套管开窗，其它方向开窗照此方法依次进行；

连接在一起的转向筒4、引导套3和油管柱2不能转动，而转向杆5与其下端连接的转向器可自由旋转，导向销6卡在转向杆5的导向滑槽中，油管锚8用以确保转向杆5和转向器7不能上下移动。如图2和4所示，当上提油管柱2且带动转向筒4上行时，导向销6的上提力作用在转向杆5导向滑槽的上斜面53，产生侧向推力，推动转向杆5旋转。随着转向销6上行至导向滑槽上死点51时，停止上提油管柱，转为下放油管柱2。当导向销6接触到下斜面54时，向下的推力在下斜面上产生侧向推力，该侧向推力与上提油管柱2时产生的侧向推力方向一致，继续推动转向杆5旋转。随着导向销6下行至导向滑槽下死点52时，停止下放油管柱2，至此完成转向器7一次转向。

6)当最后一个方向套管开窗作业完成后，上提连续油管起出套管开窗工具，换为径向井喷射钻进装置，过油管下入到定向装置，当径向井喷射钻进软管到达转向器7位置时，将在转向弯道10的导引下，直接进入套管窗口，开动地面高压泵，进行第一个径向井眼钻进；

7)当第一个径向井眼钻成后，将径向井喷射钻进装置退至转向器上端直管段，上提和下放油管均使转向器产生同向转动，转向完成后，重复步骤6)完成第二个方向径向井眼钻进，其它方向照此方法依次进行。直至最后一个井眼钻成后，起出井下工具，即完成多方位径向井的钻井操作。

作业前，为防止由于套变等原因造成工具遇阻或遇卡，利用通径规通井。将定向工具用油管柱2下入预定作业层位并以油管锚8锚定在套管1管壁上，以防其上下滑动，造成定向不准。过油管下入陀螺仪测方位，于定位销9配合进行定向，定位销9要与转向器7中的转向弯道10方向对应，如果首次测得转向器7与所需开窗方位夹角为360/N度的整数倍，则可不必调整油管，直接进行精确定位，否则，需要在地面对油管柱2和转向器7的角度进行调整。

以下为实钻举例说明：

如图6所示，31-38为8个方向代码，每相邻两个方向夹角为45度，现假设31、32、34、37为预定四个径向井眼的四个钻进方向，则采用如下操作实现：

当陀螺仪下井定方位后，从31方向开始进行第一开窗作业；第一开窗完成后，上提和下放油管柱一次，使转向器指向32方向(转向器旋转方向为逆时针)，进行第二开窗作业；第二开窗完成后，上提和下放油管柱二次，使转向器指向34方向，进行第三开窗作业；第三开窗完成后，再上提和下放油管柱三次，使转向器指向37方向，进行第四开窗作业。

当完成37方向套管开窗作业后，保持油管不动，将套管开窗装置更换为径向井喷射钻进装置，首先穿过37方向窗口进行第四径向井眼钻进作业；当37方向径向井眼完成后，上提和下放油管柱两次，使转向器指向31方向并进行第一径向井眼钻进作业；之后依次上提和下放油管柱一次和两次，相继完成32和34方向的第二和第三径向井眼的钻进作业。

Claims (2)

1.一种径向水平井定向装置，其特征在于：

转向筒(4)底面设有中心孔，孔表面设有均布的径向导向销(6)；转向筒(4)顶端连接油管柱(2)，筒内上端镶嵌引导套(3)，筒内连接设有中心孔的阶梯圆柱形转向杆(5)，转向杆(5)缩径柱表面设有插入导向销(6)的导向滑槽，缩径柱底端从转向筒(4)中心孔穿出连接转向器(7)；转向器(7)内设有连通转向杆(5)中心孔的转向弯道(10)，转向器(7)底端通过轴承(11)连接油管锚(8)。

2.一种径向水平井定向装置操作方法，其特征在于：

1)用通径规通井，确保油管及井下定向工具顺利下入预定位置，即待开窗钻孔层位；

2)井下工具下到指定位置后，锁紧油管锚(8)，以确保径向井定向工具不会上下移动；

3)过油管下入陀螺仪，测量定向工具转向器(7)末端开孔方向，如开孔方向与预定方向不符，则可通过地面转动油管来调整，直至满足要求；

4)定向工具初始方位定好后，将陀螺仪起出井筒，利用连续油管携带井下套管开窗装置经由油管内部下入预定层位。当开窗装置下入到转向器(7)位置时，在其转向弯道(10)的导引下，指向开窗预定方向，开动地面高压泵驱动井下马达，带动开窗磨铣工具旋转实施套管开窗；

5)完成一个方向套管开窗后，上提开窗工具至转向器(7)上端直管段中，上提和下放油管，使转向器(7)产生同向转动；转向完成后，再重复步骤4)完成第二个方向套管开窗，其它方向开窗照此方法依次进行；

6)当最后一个方向套管开窗作业完成后，上提连续油管起出套管开窗工具，换为径向井喷射钻进装置，过油管下入到定向装置，当径向井喷射钻进软管到达转向器(7)位置时，将在转向弯道(10)的导引下，直接进入套管窗口，然后开动地面高压泵，进行第一个径向井眼钻进；

7)当第一个径向井眼钻成后，将径向井喷射钻进装置退至转向器(7)上端直管段，上提和下放油管使转向器产生同向转动；转向完成后，重复步骤6)完成第二个方向径向井眼的钻进，其它方向照此方法依次进行。至最后一个井眼钻成后，起出井下工具，即完成多方位径向井的钻井操作。

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