CN106285579B - 一种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置，这种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置由压力锁向组件、配重组件、压力调向组件依次连接构成，锁向缸筒与配重缸筒螺纹连接，配重缸筒与调向缸筒螺纹连接，三个缸筒依次连接构成容纳腔。压力锁向组件，其与配重组件相互接合以锁定配重组件，保证重力定向的精确程度；压力调向组件，通过压力驱动螺旋回转机构旋转并与配重组件接合，使射孔弹架锁定至预设角度。本发明利用重力定向，定向过程中射孔弹架与配重组件不接触，不产生阻力矩，定向精度更高。

Description

一种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置

技术领域

本发明涉及油田完井工程中水平井定向射孔定向装置，具体涉及一种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置。

背景技术

射孔完井是石油勘探开发领域中广泛应用的一项完井技术。射孔完井中的定向射孔工艺根据储层的岩性、井深轨迹与储层内夹层的钻遇关系等要求来确定合理的射孔方位。在水平井的定向射孔方式上按结构可以分为外定向射孔和内定向射孔。

外定向射孔采用中间接头焊接外置翼翅引向器，配合转动接头，通过引向器与井壁之间产生摩擦造成阻力不平衡，在偏心配重的作用下整体转动射孔弹架实现射孔定位。内定向射孔则是在射孔枪身内安装偏心配重块，在偏心重力作用下旋转弹架实现射孔定位。在目前国内外油田广泛应用的是内定向射孔技术，同外定向相比，在相同套管尺寸下内定向方式可搭配更大外径的射孔枪，从而可以选择更大装药量以改善射孔完井的效果。如果水平井的井筒中充满复杂介质，外定向装置的旋转可能会受到较大阻力，定向功能容易受到干扰。内定向装置由外层射孔枪管所包裹，整个定向部件位于枪管内部，不受井筒内环境影响，重力定向的精度更高。

在现有水平井内定向射孔装置中，整个弹架管串往往直接与偏心配重件固接在一起，通过下入水平井段后，偏心配重件在重力作用下旋转产生周向扭矩将弹架管串旋转至预设方位。这种定向方式使得旋转安装有一长串射孔弹的弹架管串所需扭矩全部由偏心配重件来承担。如果井斜角较小，则偏心配重块所提供的扭矩可能难以提供定向所需扭矩，导致定向失效；且重力定向后缺少锁向装置，若水平射孔的井段较长，分段射孔产生的强烈震动可能导致偏心配重件产生旋转，影响后续射孔精度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置，这种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置用于解决现有水平井内定向射孔装置利用重力作为定向和调向动力，调向力矩有限，缺少锁向装置，导致调整后方向误差较大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置由压力锁向组件、配重组件、压力调向组件依次连接构成，压力锁向组件包括锁向缸筒、活塞、滑键、第一压缩弹簧，活塞设置在锁向缸筒内，第一压缩弹簧环绕在活塞外，第一压缩弹簧的一端固定在活塞上，第一压缩弹簧的另一端固定在锁向缸筒内壁的凸台上；锁向缸筒上设置有侧孔，侧孔位于活塞的前面，活塞的另一端穿过凸台并且为自由端，自由端的端面设置摩擦盘，活塞与凸台通过滑键联接；配重组件包括配重缸筒、配重架、滑套、半圆柱形配重块，半圆柱形配重块在固定于配重架的中段，配重架位于滑套内，滑套位于配重缸筒内，配重架的两端与滑套均通过组合轴承连接，第二压缩弹簧一端固定在滑套的端面上，第二压缩弹簧另一端固定在压力调向组件的第一轴承座上；压力调向组件包括调向缸筒、螺旋杆、螺旋套、定位环，螺旋套与螺旋杆螺纹连接，螺旋套与调向缸筒螺纹连接，螺旋杆的一端连接定位环，螺旋杆的另一端与射孔弹架固接，螺旋杆一端与配重缸筒之间设置第一轴承，螺旋杆另一端与调向缸筒之间设置第二轴承，调向缸筒上设置进液孔。

上述方案中配重架与活塞对应的一端安装有摩擦盘，配重架与定位环相对应的另一端侧壁上开有半圆形缺口定位孔，定位环上设置有外凸半圆形定位块。

上述方案中螺旋杆和螺旋套上都开有螺纹升角大于摩擦角的梯形螺纹，螺旋杆通过花键与定位环连接。

上述方案中螺旋杆、螺旋套内腔所开螺纹旋向与调向缸筒、螺旋套外表面所开螺纹旋向相反。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过重力确定射孔方位，利用井筒内加压完成射孔弹架换位调向，同时利用压力锁死射孔方向的新型压力锁定式水平井射孔定向装置，解决了现有水平井内定向射孔过程中利用重力作为定向和调向动力，调向力矩有限，缺少锁向装置，导致调整后方向误差较大的问题。

2、本发明利用重力定向，定向过程中射孔弹架与配重组件不接触，不产生阻力矩，定向精度更高。

3、本发明利用井筒内加压锁定配重组件，锁定过程稳定可靠，不产生周向力矩，摩擦盘无级制动确保重力定向精度。

4、本发明采用井筒内加压完成弹架换位调向，不需要配重组件提供调向力矩，防止重力定向装置受弹架及其他部件的阻力矩干扰，保证定向精度。

附图说明

图1为本发明定向装置非定向状态（未加压）示意图；

图2为本发明定向装置定向状态（已加压）示意图；

图3为本发明中配重组件示意图；

图4为本发明中压力调向组件示意图。

图中：1螺旋杆；2螺旋套；3第二轴承座；4调向缸筒；5定位环；6第一轴承座；7第一轴承；8配重缸筒；9锁向缸筒；10第一压缩弹簧；11活塞；12密封件；13摩擦盘；14组合轴承座；15组合轴承；16滑套；17配重架；18第二压缩弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2所示，这种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置由压力锁向组件、配重组件、压力调向组件依次连接构成，锁向缸筒9与配重缸筒8螺纹连接，配重缸筒8与调向缸筒4螺纹连接，三个缸筒依次连接构成容纳腔。压力锁向组件，其与配重组件相互接合以锁定配重组件，保证重力定向的精确程度；压力调向组件，通过压力驱动螺旋回转机构旋转并与配重组件接合，使射孔弹架锁定至预设角度。

压力锁向装置位于整个定向装置头部，在加压情况下通过摩擦盘13与配重组件接触锁定配重组件的周向方位。压力锁向装置包括锁向缸筒9、活塞11、滑键、第一压缩弹簧10，活塞11设置在锁向缸筒9内，活塞头与锁向缸筒9之间设置有环形密封件12，第一压缩弹簧10环绕在活塞11的前半部分外部，第一压缩弹簧10的一端固定在活塞头上，第一压缩弹簧10的另一端固定在锁向缸筒9内壁的凸台的台面上，第一压缩弹簧10为复位圆柱螺旋压缩弹簧；锁向缸筒9上设置有侧孔，侧孔位于活塞11的上方，活塞11的另一端穿过凸台并且为自由端，自由端的端面设置摩擦盘13，活塞11与凸台相接触的部位通过滑键联接，限制活塞11周向转动的滑键可以对配重组件根据重力所定的方位进行锁定。当向井筒加压时，高压流体通过锁向缸筒9侧壁所开流道孔进入锁向组件内腔推动活塞11克服第一压缩弹簧10的复位阻尼向装置内部滑动。活塞11上的摩擦盘13与配重组件配重架17上的摩擦盘相接触，继续推动配重组件克服第二压缩弹簧18的复位阻尼进行滑动。通过安装于活塞11上的滑键使得活塞11只能做轴向运动。通过摩擦盘13锁定配重组件中的配重架17，使得配重架17无法做周向旋转。

配重组件负责在复杂井况下实现水平井射孔的内定向功能。配重组件包括配重缸筒8、配重架17、滑套16、半圆柱形配重块，参阅图2，半圆柱形配重块通过螺钉固定于配重架17的中段，配重架17位于滑套16内，滑套16位于配重缸筒8内，滑套16可以自由往复移动，配重架17与活塞11对应的一端安装有摩擦盘，配重架17的两端均与滑套16通过组合轴承15连接，组合轴承15通过组合轴承座14安装，这使得安装有配重块的配重架17可以在滑套16内自由做周向转动。第二压缩弹簧18一端固定在滑套16的端面上，第二压缩弹簧18另一端固定在压力调向组件的第一轴承座6上，当活塞11上的摩擦盘13与配重架17一端的摩擦盘片相接触，在进一步加压的情况下，压力锁向组件推动配重组件压缩第二压缩弹簧18进一步加大两摩擦盘之间的接触压力，增大摩擦力。配重架17与定位环5相对应的一端伸入到第二压缩弹簧18中，该端为自由端并且侧壁上开有半圆形缺口定位孔，定位环5也位于第二压缩弹簧18中，定位环5的端部也为自由的，定位环5上设置有外凸半圆形定位块，定位块与定位孔相配合设置，外凸半圆形定位块锁定压力调向组件的周向旋转。当定向装置被下入井下后，在偏心重力的作用下，配重块驱动配重架17旋转定位。由于后续过程配重架17既需要承受活塞11在轴向上较大的推力，又要承受配重块所施加的径向力，所以采用结构更为紧凑的组合轴承15。

参阅图3，压力调向组件位于定向装置尾端，在井筒加压作用于压力定向组件的同时，带压介质通过进液孔进入内腔，压力调向组件的内腔、螺旋套2、螺旋杆1实际上为一种液压螺旋回转机构。压力调向组件在压力作用下，可以实现调向组件与已锁定的配重组件相接合，实现射孔弹架的周向定位。压力调向组件包括调向缸筒4、螺旋杆1、螺旋套2、定位环5，螺旋套2与螺旋杆1螺纹连接，螺旋套2与调向缸筒4螺纹连接，螺旋杆1和螺旋套2上都开有螺纹升角大于摩擦角的梯形螺纹，螺旋杆1通过花键与定位环5连接；螺旋杆1、螺旋套2内腔所开螺纹旋向与调向缸筒4、螺旋套2外表面所开螺纹旋向相反。螺旋杆1的一端连接定位环5，螺旋杆1的另一端与射孔弹架固接，螺旋杆1一端与配重缸筒8之间设置第一轴承7，第一轴承7通过第一轴承座6安装，螺旋杆1另一端与调向缸筒4之间设置第二轴承，第二轴承通过第二轴承座3安装，在高压液体推挤螺旋套2做直线运动并旋转的时候，螺旋套2内部的螺旋副使螺旋杆1转动，在螺旋杆1旋转的同时，弹架管串也随着转动。调向缸筒4上设置进液孔，在井筒加压驱动压力锁向组件中的活塞11克服弹簧阻力推挤锁定配重组件时，高压流体通过调向缸筒4外壁的流道进入缸筒内腔。如图4所示，螺旋杆1、螺旋套2、调向缸筒4上均开有螺旋升角大于摩擦角的梯形螺纹，其中螺旋杆1、螺旋套2内腔所开螺纹旋向与缸筒、螺旋套2外表面所开螺纹旋向相反。

当带压介质注入密闭空腔后，压力推挤螺旋套2轴向移动的同时，驱动螺旋杆1进行周向回转。当压力锁向组件推动配重组件与外凸半圆形定位块接触后，定位块在螺旋杆1的作用下继续进行回转，直到外凸半圆进入配重组件的半圆形缺口定位孔中。由于压力锁向组件的锁定作用，压力调向组件停止回转完成射孔弹架的调向工作。继续加压至射孔枪的起爆压力后完成起爆射孔操作。

本发明工作时，活塞11推挤配重组件滑套16向装置内部滑动，配重架17尾端会与压力调向组件定位环5接触。此时，定位环5上的半圆形定位块与配重架17圆筒外壁之间为线接触。随着动作继续进行，定位环5沿着配重架17外壁继续旋转滑动。压力调向组件定位环5和第二压缩弹簧18所提供的反向作用力使得活塞11上摩擦盘13与配重架17上摩擦盘之间产生压紧力，锁定配重架17的周向旋转。当压力调向组件定位环5上的半圆形定位块旋转滑至配重架17上的半圆形缺口时，配重组件继续轴向移动锁定螺旋杆1，完成弹架管串的定向操作。井筒继续加压，压力超过压力引爆装置的起爆压力后，射孔弹激发射孔。

射孔动作完成后，定向装置的内腔不再承受高压。压力锁向组件中的活塞11在第一压缩弹簧10的复位力作用下解除对配重组件的锁定，并向装置外部滑动。配重组件在第二压缩弹簧18的复位力作用下与压力调向组件的定位环5脱开并滑动至初始位置，整个定向装置恢复至非定向状态。

控制螺旋套2内圈和螺旋杆1的梯形螺纹升角、导程及螺旋杆1长度可以改变螺旋杆1与螺旋套2的相对旋转速度及螺旋套2的旋转角速度。调整的原则是保证配重组件配重架17与压力调向组件定位环5接触前，螺旋套2并没有旋转移动至螺旋杆1尾端。调整上述螺旋套2及螺旋杆1的梯形螺纹升角及导程还可以控制螺旋杆1在定向时产生回转力矩的大小。

本发明为一种水平井内定向射孔中的定向工具，通过重力定向、压力调向及锁向完成射孔弹在枪身内的自动定向，以实现在水平井段的定向射孔。

Claims (3)

1.一种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置，其特征在于：这种用于水平井的压力锁定式射孔定向装置由压力锁向组件、配重组件、压力调向组件依次连接构成，压力锁向组件包括锁向缸筒（9）、活塞（11）、滑键、第一压缩弹簧（10），活塞（11）设置在锁向缸筒（9）内，第一压缩弹簧（10）环绕在活塞（11）外，第一压缩弹簧（10）的一端固定在活塞（11）上，第一压缩弹簧（10）的另一端固定在锁向缸筒（9）内壁的凸台上；锁向缸筒（9）上设置有侧孔，侧孔位于活塞（11）的上方，活塞（11）的另一端穿过凸台并且为自由端，自由端的端面设置摩擦盘（13），活塞（11）与凸台通过滑键联接；配重组件包括配重缸筒（8）、配重架（17）、滑套（16）、半圆柱形配重块，半圆柱形配重块固定于配重架（17）的中段，配重架（17）位于滑套（16）内，滑套（16）位于配重缸筒（8）内，配重架（17）的两端与滑套（16）均通过组合轴承（15）连接，第二压缩弹簧（18）一端固定在滑套（16）的端面上，第二压缩弹簧（18）另一端固定在压力调向组件的第一轴承座（6）上；压力调向组件包括调向缸筒（4）、螺旋杆（1）、螺旋套（2）、定位环（5），螺旋套（2）与螺旋杆（1）螺纹连接，螺旋套（2）与调向缸筒（4）螺纹连接，螺旋杆（1）的一端连接定位环（5），螺旋杆（1）的另一端与射孔弹架固接，螺旋杆（1）一端与配重缸筒（8）之间设置第一轴承（7），螺旋杆（1）另一端与调向缸筒（4）之间设置第二轴承，调向缸筒（4）上设置进液孔。

2.根据权利要求1所述的用于水平井的压力锁定式射孔定向装置，其特征在于：所述的配重架（17）与活塞（11）对应的一端安装有摩擦盘，配重架（17）与定位环（5）相对应的另一端侧壁上开有半圆形缺口定位孔，定位环（5）上设置有外凸半圆形定位块。

3.根据权利要求2所述的用于水平井的压力锁定式射孔定向装置，其特征在于：所述的螺旋杆（1）和螺旋套（2）上都开有螺纹升角大于摩擦角的梯形螺纹，螺旋杆（1）通过花键与定位环（5）连接。