CN108915590A - 深穿透电控钻孔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油天然气钻完井技术领域，特别涉及一种深穿透电控钻孔装置。该装置包括地面控制系统和井下控制系统；还包括水压循环系统和机械钻孔系统，地面控制系统包括信号处理传输模块和地面供电模块，井下控制系统包括信号处理控制模块和井下供电模块，信号处理传输模块能够将接收到的信号进行处理并通过电缆传送给信号处理控制模块。本发明实现了能够直接在近井油层内钻出多个孔眼，钻孔深度长，能有效穿透污染带，孔眼清洁，没有压实效应，不会降低孔眼渗透率，保证套管完整性，不会损坏水泥环，不会造成水窜，实现了生产井增产、注入井增注的需求，现场施工简单。
Description
技术领域：
本发明涉及石油天然气钻完井技术领域，特别涉及一种深穿透电控钻孔装置。
背景技术：
当前，国内主力油田基本处于开发中后期，地层压力越来越低，在钻井、修井过程中，受到泥浆的影响，不可避免地对地层造成污染，形成近井污染带，据研究，污染半径一般在0.6～1.2m。目前沟通近井地层的主要方式是射孔，但射孔技术存在如下问题：1.深度短，目前穿透能力最强的127深穿透聚能射孔弹地面最大穿深达到1.5m，但仅能用于7″或较大尺寸套管，目前常用的51/2″及以下套管井，受到尺寸限制，普遍采用89射孔弹，穿深0.5～0.7m，难以穿透污染带。2.射孔会对油层造成二次污染，形成压实效应，压实区渗透率下降70％以上。这些问题严重影响了油气井的开发和产量。
另一方面，油田开发逐步进入二次/三次采油阶段，注入的大量流体(水或聚合物)，也造成注入层堵塞，导致注入压力高，影响开发效果。以东部某油田为例，聚合物驱工业化应用区块25个，动用地质储量4亿吨，聚合物驱井超过5000口，但是随着聚合物的不断注入，总体注入状况逐年变差。某区块相当一部分井(占总井数的20％以上)注入压力已接近油层破裂压力，注入速度被迫下调，严重影响了开发效果。
综上所述，无论是生产井还是注入井，都需要一种能够有效穿透近井污染带，且不存在压实效应的技术，以期提高近井地带的渗流能力，达到增产增注的目的。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种深穿透电控钻孔装置，该装置实现了能够直接在近井油层内钻出多个孔眼，钻孔深度长，能有效穿透污染带，孔眼清洁，没有压实效应，不会降低孔眼渗透率，保证套管完整性，不会损坏水泥环，不会造成水窜，实现了生产井增产、注入井增注的需求，现场施工简单。克服了现有射孔技术射孔深度短，难以穿透污染带，对油层造成二次污染，形成压实效应，压实区渗透率下降的不足。
本发明所采取的技术方案是：一种深穿透电控钻孔装置，包括地面控制系统和井下控制系统；还包括水压循环系统和机械钻孔系统，地面控制系统包括信号处理传输模块和地面供电模块，井下控制系统包括信号处理控制模块和井下供电模块，信号处理传输模块能够将接收到的信号进行处理并通过电缆传送给信号处理控制模块，信号处理控制模块能够将接收到的信号进行处理后传送给井下执行机构并对井下执行机构进行控制，地面供电模块能够对井场电源进行处理并通过电缆为井下供电模块供电，井下供电模块对接收到的电流进行处理并能够为井下执行机构供电，该井下执行机构包括电磁换向阀和电机驱动器，电动机Ⅰ和电动机Ⅱ均与电机驱动器相连接；
水压循环系统包括电动机Ⅰ和水泵，电动机Ⅰ输出轴与水泵连接，水泵进水口连接过滤器，水泵出水口通过水管与溢流阀、电磁换向阀相连接；
机械钻孔系统包括外筒和设置在外筒内部的水力加压器、扭矩传动器，外筒下端连接导向器，水力加压器包括缸筒主体和与缸筒主体相匹配的活塞，活塞下端连接活塞杆，活塞、活塞杆轴向均开有孔道，活塞上端的缸筒主体内部形成无杆腔，该无杆腔通过水管与电磁换向阀相连，活塞杆与缸筒主体之间的环形空间形成下密封腔，该下密封腔通过水管与电磁换向阀相连；
扭矩传动器包括轴承座，轴承座上端连接活塞杆，轴承座下端连接限位环，花键轴挂接在限位环上，花键轴内部设有孔道，花键轴与轴承座之间安装推力轴承，轴承座外壁上连接导向销，导向销能够沿外筒上的轴向滑道滑动，花键轴外壁上的花键与齿轮Ⅰ内壁上的花键槽相匹配，花键轴能够沿齿轮Ⅰ内壁上下滑动，齿轮Ⅰ外侧设有相配合使用的齿轮Ⅱ，齿轮Ⅱ内壁与电动机Ⅱ的输出轴相连接，花键轴下端连接内部有流道的软轴，软轴下端连接微型钻头。
信号处理传输模块包括手控面板、信号放大器和调制器，手控面板与信号放大器相连接，信号放大器分别与调制器、信号滤波器相连接，调制器分别与振荡器和功率放大器相连接，信号放大器收到手控面板生成的信号后能够将信号放大，信号滤波器能够对信号进行滤波，振荡器能够产生高频振荡电流，调制器能够将接收的经放大、滤波后的压电信号和高频振荡电流进行调制形成高频载波信号；
信号处理控制模块包括高频信号放大器和解调器，功率放大器通过电缆与高频信号放大器相连接，高频信号放大器与解调器相连接，解调器分别与同步振荡器、滤波器和控制信号放大器相连接，控制信号放大器与井下执行机构相连，同步振荡器产生的高频振荡电流与振荡器所产生的高频振荡电流频率和相位完全相同。
地面供电模块包括与井场电源相连的交流变频器，交流变频器与升压变压器相连接，升压变压器与过载保护器相连接，过载保护器通过电缆与地面供电模块的降压变压器相连，降压变压器与井下执行机构相连。
缸筒主体包括缸筒，缸筒上端连接内部设有流通孔道的压帽，缸筒下端连接压环，压环套装在在活塞杆外部，压帽上连接密封接头，密封接头通过水管与电磁换向阀相连。
下密封腔对应的缸筒主体侧壁上连接弯接头，弯接头通过水管与电磁换向阀相连。
活塞与缸筒主体之间通过密封组合进行密封。
推力轴承内侧设置中空的密封短接，密封短接上端外壁与轴承座之间密封，密封短接下端外壁与键轴内壁之间密封。
齿轮Ⅰ被定位环轴向限位，定位环固定在外筒上。
本发明的有益效果是：本发明实现了能够直接在近井油层内钻出多个孔眼，钻孔深度长，能有效穿透污染带，孔眼清洁，没有压实效应，不会降低孔眼渗透率，保证套管完整性，不会损坏水泥环，不会造成水窜，实现了生产井增产、注入井增注的需求，现场施工简单。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为地面控制系统的示意图。
图3为井下控制系统的示意图。
图4为水压循环系统的结构示意图。
图5为水压循环系统原理图。
图6为机械钻孔系统的结构示意图。
图7为水力加压器的结构示意图。
图8为扭矩传动器的结构示意图。
具体实施方式：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，一种深穿透电控钻孔装置，包括地面控制系统1和井下控制系统3；还包括水压循环系统4和机械钻孔系统5，地面控制系统1包括信号处理传输模块和地面供电模块，井下控制系统3包括信号处理控制模块和井下供电模块，信号处理传输模块能够将接收到的信号进行处理并通过电缆2传送给信号处理控制模块，信号处理控制模块能够将接收到的信号进行处理后传送给井下执行机构并对井下执行机构进行控制，地面供电模块能够对井场电源进行处理并通过电缆2为井下供电模块供电，井下供电模块对接收到的电流进行处理并能够为井下执行机构供电，该井下执行机构包括电磁换向阀405和电机驱动器，电动机Ⅰ401和电动机Ⅱ528均与电机驱动器相连接；
水压循环系统4包括电动机Ⅰ401和水泵402，电动机Ⅰ401输出轴与水泵402连接，水泵402进水口连接过滤器403，水泵402出水口通过水管406与溢流阀404、电磁换向阀405相连接；
机械钻孔系统5包括外筒56和设置在外筒56内部的水力加压器51、扭矩传动器52，外筒56下端连接导向器55，水力加压器51包括缸筒主体和与缸筒主体相匹配的活塞513，活塞513下端连接活塞杆516，活塞513、活塞杆516轴向均开有孔道，活塞513上端的缸筒主体内部形成无杆腔，该无杆腔通过水管406与电磁换向阀405相连，活塞杆516与缸筒主体之间的环形空间形成下密封腔，该下密封腔通过水管406与电磁换向阀405相连；
扭矩传动器52包括轴承座520，轴承座520上端连接活塞杆516，轴承座520下端连接限位环523，花键轴524挂接在限位环523上，花键轴524内部设有孔道，花键轴524与轴承座520之间安装推力轴承522，轴承座520外壁上连接导向销521，导向销521能够沿外筒56上的轴向滑道滑动，花键轴524外壁上的花键与齿轮Ⅰ525内壁上的花键槽相匹配，花键轴524能够沿齿轮Ⅰ525内壁上下滑动，齿轮Ⅰ525外侧设有相配合使用的齿轮Ⅱ529，齿轮Ⅱ529内壁与电动机Ⅱ528的输出轴相连接，花键轴524下端连接内部有流道的软轴53，软轴53下端连接微型钻头54。
信号处理传输模块包括手控面板、信号放大器和调制器，手控面板与信号放大器相连接，信号放大器分别与调制器、信号滤波器相连接，调制器分别与振荡器和功率放大器相连接，信号放大器收到手控面板生成的信号后能够将信号放大，信号滤波器能够对信号进行滤波，振荡器能够产生高频振荡电流，调制器能够将接收的经放大、滤波后的压电信号和高频振荡电流进行调制形成高频载波信号；
信号处理控制模块包括高频信号放大器和解调器，功率放大器通过电缆2与高频信号放大器相连接，高频信号放大器与解调器相连接，解调器分别与同步振荡器、滤波器和控制信号放大器相连接，控制信号放大器与井下执行机构相连，同步振荡器产生的高频振荡电流与振荡器所产生的高频振荡电流频率和相位完全相同。
地面供电模块包括与井场电源相连的交流变频器，交流变频器与升压变压器相连接，升压变压器与过载保护器相连接，过载保护器通过电缆2与地面供电模块的降压变压器相连，降压变压器与井下执行机构相连。
缸筒主体包括缸筒512，缸筒512上端连接内部设有流通孔道的压帽511，缸筒512下端连接压环515，压环515套装在在活塞杆516外部，压帽511上连接密封接头510，密封接头510通过水管406与电磁换向阀405相连。
下密封腔对应的缸筒主体侧壁上连接弯接头517，弯接头517通过水管406与电磁换向阀405相连。
活塞513与缸筒主体之间通过密封组合514进行密封。
推力轴承522内侧设置中空的密封短接527，密封短接527上端外壁与轴承座520之间密封，密封短接527下端外壁与键轴524内壁之间密封。
齿轮Ⅰ525被定位环526轴向限位，定位环526固定在外筒56上。
使用时，信号放大器收到手控面板生成的信号后将其放大，传送至调制器，并由信号滤波器对信号进行滤波，以降低或消除干扰信号，同时减少信号失真，振荡器会产生高频振荡电流，并将此电流传送至调制器，调制器同时接收经放大、滤波后压电信号和高频振荡电流后将两者进行调制，形成便于远距离传输的高频载波信号，通过电缆2传送至井下控制系统3。交流变频器接收井场电源，并按照仪器需求改变其频率，传送至升压变压器，升压变压器的作用是将电源升压，以便降低电流在测井电缆产生的损耗和压降，然后进入过载保护器，过载保护器会在井下仪器短路或其它故障时自动切断电流，避免仪器损坏，电流经过载保护器进入电缆2，向井下控制系统3供电。
井下控制系统3通过电缆2接收地面控制系统1发送的控制信号和电源。经过远距离电缆传输，高频载波信号会被衰减和干扰，首先经过高频放大器将其放大，传送至解调器，同步振荡器产生高频振荡电流，此振荡电流与地面控制系统1中的振荡器所产生高频振荡电流频率和相位完全相同，完全同步，解调器收到同步振荡器生成的同步振荡电流和高频载波信号后，将高频载波信号进行解调，消除载波分量，将信号还原，此信号经滤波器消除干扰信号后，由控制信号放大器进行放大，最后传送至电磁换向阀405和电机驱动器，控制电机启动/停止和电磁阀的机能转换。降压变压器通过电缆2接收地面控制系统1发送的高压电流，并进行降压处理，分别向电磁换向阀405和电机驱动器供电，用以实施电机的驱动和电磁换向阀的机能转换。
井下控制系统3启动电机401并带动水泵402运行，水泵402进水口经过滤器403吸取井筒内的水液，生成高压水流，水流压力由溢流阀404调定，生成稳定的系统压力，高压水流经过电磁换向阀405进入水力加压器51，电磁换向阀405是三位四通换向阀，当其处于左位机能时，高压水流进入水力加压器51无杆腔，推动活塞杆516伸出，为软轴53和微型钻头54施加钻压；当电磁换向阀405处于右位机能时，高压水流进入水力加压器51下密封腔，使活塞杆516回收复位，当电磁换向阀405处于中位机能时，活塞杆516保持位置不变。
电机528在井下控制系统3的控制下通电运行，输出扭矩通过小齿轮529和大齿轮525啮合，并通过大齿轮525将扭矩传递到花键轴524上，进一步传递到软轴53和微型钻头54上，为微型钻头破岩提供扭矩，花键轴524顶端与轴承座520通过推力球轴承522连接，并由于导向销521的反扭矩作用，轴承座520只能沿轴线移动，不会随着花键轴524转动，密封短节527实现流体与推力轴承522的隔离，避免流体进入轴承内造成腐蚀，此外，轴承座520上端受到水力加压器51的推力，将该推力经过轴承座520、推力轴承522施加到键轴524上，进一步将推力传递至软轴53和微型钻头54上，为破岩提供钻压，随着钻进的不断深入，轴承座520连同轴承522、限位环523、花键轴524在水力加压器52作用下沿着轴线下移，导向销521始终在外筒56上的轴向滑道内，防止轴承座520及以上部件转动。
其中软轴53中间设有流道，能够实现弯曲变形，同时具有一定刚度，可以传递扭矩和钻压。
其中微型钻头54采用金刚石材料制作，微型钻头54留有水眼，能实现对地层的切削。
其中导向器55内设转向轨迹，能实现软轴53和微型钻头54从垂直方向转换到水平方向。
以单一孔眼为例进行实施说明：电缆2悬吊井下控制系统3、水压循环系统4、机械钻孔系统5下入至井内油层或其他目标层位，地面控制系统1通过电缆2向井下供电和发送控制指令，井下控制系统3接收地面指令和电源，按照指令水压循环系统4运行，并通过水管406向水力加压器51无杆腔内注入高压水流，水压推动活塞513和活塞杆516下移，并将此推力施加到扭矩传动器52，进一步传递到软轴53、微型钻头54上，在此推力下，软轴53和微型钻头54沿导向器55垂直切入地层，形成钻压，然后扭矩传动器52运行，电机528带动花键轴524以及软轴53、微型钻头54旋转，微型钻头54在钻压和扭矩作用下垂直于井壁切削钻孔，微型钻头54上的水眼不断流出水液，清除岩屑，当完成一个孔眼施工后，水压循环系统4切换出水口，高压水流进入水力加压器51的下密封腔，致使活塞杆516回收上移，带动扭矩传动器52及软轴53、微型钻头54收回，直至微型钻头54退回到导向器55内，停止回收和旋转动作，断电后，水压循环系统4中电磁换向阀405转换至中位“O”机能，能防止软轴53和微型钻头54自行下移，至此完成一个孔眼施工。实施多个孔眼施工时，重复上述操作过程。
本发明钻孔深度可控，能达到2m及以上长度，能够有效穿透污染带；本发明名称中的“深穿透”即指能够在API标准靶心中穿深达到0.8m及以上的长度。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种深穿透电控钻孔装置，包括地面控制系统(1)和井下控制系统(3)；其特征在于：还包括水压循环系统(4)和机械钻孔系统(5)，地面控制系统(1)包括信号处理传输模块和地面供电模块，井下控制系统(3)包括信号处理控制模块和井下供电模块，信号处理传输模块能够将接收到的信号进行处理并通过电缆(2)传送给信号处理控制模块，信号处理控制模块能够将接收到的信号进行处理后传送给井下执行机构并对井下执行机构进行控制，地面供电模块能够对井场电源进行处理并通过电缆(2)为井下供电模块供电，井下供电模块对接收到的电流进行处理并能够为井下执行机构供电，该井下执行机构包括电磁换向阀(405)和电机驱动器，电动机Ⅰ(401)和电动机Ⅱ(528)均与电机驱动器相连接；
水压循环系统(4)包括电动机Ⅰ(401)和水泵(402)，电动机Ⅰ(401)输出轴与水泵(402)连接，水泵(402)进水口连接过滤器(403)，水泵(402)出水口通过水管(406)与溢流阀(404)、电磁换向阀(405)相连接；
机械钻孔系统(5)包括外筒(56)和设置在外筒(56)内部的水力加压器(51)、扭矩传动器(52)，外筒(56)下端连接导向器(55)，水力加压器(51)包括缸筒主体和与缸筒主体相匹配的活塞(513)，活塞(513)下端连接活塞杆(516)，活塞(513)、活塞杆(516)轴向均开有孔道，活塞(513)上端的缸筒主体内部形成无杆腔，该无杆腔通过水管(406)与电磁换向阀(405)相连，活塞杆(516)与缸筒主体之间的环形空间形成下密封腔，该下密封腔通过水管(406)与电磁换向阀(405)相连；
扭矩传动器(52)包括轴承座(520)，轴承座(520)上端连接活塞杆(516)，轴承座(520)下端连接限位环(523)，花键轴(524)挂接在限位环(523)上，花键轴(524)内部设有孔道，花键轴(524)与轴承座(520)之间安装推力轴承(522)，轴承座(520)外壁上连接导向销(521)，导向销(521)能够沿外筒(56)上的轴向滑道滑动，花键轴(524)外壁上的花键与齿轮Ⅰ(525)内壁上的花键槽相匹配，花键轴(524)能够沿齿轮Ⅰ(525)内壁上下滑动，齿轮Ⅰ(525)外侧设有相配合使用的齿轮Ⅱ(529)，齿轮Ⅱ(529)内壁与电动机Ⅱ(528)的输出轴相连接，花键轴(524)下端连接内部有流道的软轴(53)，软轴(53)下端连接微型钻头(54)。
2.按照权利要求1所述的深穿透电控钻孔装置，其特征在于：所述信号处理传输模块包括手控面板、信号放大器和调制器，手控面板与信号放大器相连接，信号放大器分别与调制器、信号滤波器相连接，调制器分别与振荡器和功率放大器相连接，信号放大器收到手控面板生成的信号后能够将信号放大，信号滤波器能够对信号进行滤波，振荡器能够产生高频振荡电流，调制器能够将接收的经放大、滤波后的压电信号和高频振荡电流进行调制形成高频载波信号；
信号处理控制模块包括高频信号放大器和解调器，功率放大器通过电缆(2)与高频信号放大器相连接，高频信号放大器与解调器相连接，解调器分别与同步振荡器、滤波器和控制信号放大器相连接，控制信号放大器与井下执行机构相连，同步振荡器产生的高频振荡电流与振荡器所产生的高频振荡电流频率和相位完全相同。
3.按照权利要求1所述的深穿透电控钻孔装置，其特征在于：所述地面供电模块包括与井场电源相连的交流变频器，交流变频器与升压变压器相连接，升压变压器与过载保护器相连接，过载保护器通过电缆(2)与地面供电模块的降压变压器相连，降压变压器与井下执行机构相连。
4.按照权利要求1所述的深穿透电控钻孔装置，其特征在于：所述缸筒主体包括缸筒(512)，缸筒(512)上端连接内部设有流通孔道的压帽(511)，缸筒(512)下端连接压环(515)，压环(515)套装在在活塞杆(516)外部，压帽(511)上连接密封接头(510)，密封接头(510)通过水管(406)与电磁换向阀(405)相连。
5.按照权利要求1所述的深穿透电控钻孔装置，其特征在于：所述下密封腔对应的缸筒主体侧壁上连接弯接头(517)，弯接头(517)通过水管(406)与电磁换向阀(405)相连。
6.按照权利要求1所述的深穿透电控钻孔装置，其特征在于：所述活塞(513)与缸筒主体之间通过密封组合(514)进行密封。
7.按照权利要求1所述的深穿透电控钻孔装置，其特征在于：所述推力轴承(522)内侧设置中空的密封短接(527)，密封短接(527)上端外壁与轴承座(520)之间密封，密封短接(527)下端外壁与键轴(524)内壁之间密封。
8.按照权利要求1所述的深穿透电控钻孔装置，其特征在于：所述齿轮Ⅰ(525)被定位环(526)轴向限位，定位环(526)固定在外筒(56)上。
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