CN109281640A - 水平井自导向液压水力喷射装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种水平井自导向液压水力喷射装置及方法，装置包括上接头、液缸、连接套、推动杆、重力棒、方向控制环、转动环喷枪组件和下接头，将装置连接在管串中下入到设计射孔位置后提升井筒内压力，液缸受液压推动向下运动，带动推动杆和重力棒运动，重力棒通过方向控制环导引插入到转动环的螺旋铣槽内后带动转动环旋转，再将喷枪组件与转向环连接，并确定好角度后进行射孔作业，由此，本发明不受管串结构、井筒环境影响，定位方式不受外界环境影响，当工具内提升压力时，自导向机构强制喷射孔转向，喷射孔定向精准可靠。由此本发明可有效避免射穿无效或危险地层方向导致的井下事故，提高煤层气的采收率和瓦斯灾害治理效果。

Description

水平井自导向液压水力喷射装置及方法

技术领域

本发明涉及矿井下瓦斯抽采的技术领域，尤其涉及一种面向煤层气井增产及瓦斯治理井的水平井自导向液压水力喷射装置及方法。

背景技术

随着煤层气开发朝着复杂地质条件的推进，为了提高煤层气的采收率和开发效果，煤层气井的压裂增产、煤矿瓦斯灾害治理过程中，通过自导向实现水力喷砂方位的预设等特种作业成为必不可少的手段之一。

目前通用的解决方式主要分为两种，机械定向的水力喷射和电缆仪器配套进行定向的水力喷射。其中，机械定向水力喷射主要用于水平井作业中，通过在作业工具串上安装偏心构件，依靠偏心构件的重力行程翻转扭矩，进而控制整个工具串的转动实现预设方位的水力喷射，因其旋转力矩较小，加上受井下环境清洁程度、井筒摩阻、工具密封组件的摩擦力等影响都非常大，极易造成射孔方向不准确或偏差较大，最终严重影响定向射孔方向。电缆仪器配套进行的定向水力喷射主要应用在直井中，通过利用陀螺和定向键实现井下喷枪方位的测量，通过不断在地面转动作业管柱，最后达成作业管柱与预设方位一致，在实际作业过程中，因为作业井型的限制，水平段利用电子陀螺无法测量等因素，最终应用范围较窄。

综上所述，目前通用的两种定向方式存在定向误差大、作业难度大等问题，难以实现精准降低采煤工作面的瓦斯压力和瓦斯含量，难以精准实现井下瓦斯强化抽采目标。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事瓦斯抽采技术研究的经验和成果，研究设计出一种水平井自导向液压水力喷射装置及方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平井自导向液压水力喷射装置及方法，其结构简单，操作方便，能有效克服现有技术的缺陷，通过在水平段中下入预定工具串，通过液压的方式即可自动实现水力喷射工具的自导向，并且可在水平段多次重复使用，实现多次自导向。

为解决上述问题，本发明公开了1.一种水平井自导向液压水力喷射装置，包括上接头、液缸、连接套、推动杆、重力棒、方向控制环、转动环喷枪组件和下接头，其特征在于：

所述上接头和下接头分别设于两端，所述上接头内可滑动且不可转动的设有液缸，所述连接套的一端与上接头相连，所述推动杆可滑动的设置于连接套内，其一端与液缸的一端相连以随之移动，所述推动杆的前部与连接套之间形成供重力棒容置的环空，所述重力棒包含直径较大的头部和直径较小的圆柱部，所述圆柱部从头部向前偏心的延伸，而所述推动杆设有供部分的头部容置的环形凹槽，从而在重力棒位于该另一环空中时可以在重力作用下绕着推动杆进行重力的旋转直至落到势能最低点，所述推动杆的前部外周缘可滑动且不可转动的设有方向控制环，所述方向控制环设有供重力棒的圆柱部贯通的引导孔，所述转动环不可滑动且可相对转动的安装在连接套内部，所述转动环位于推动杆的右侧，所述转动环左侧的转动部设有一供重力棒插入的螺旋铣槽，所述螺旋铣槽的深度为螺旋逐渐增大，从而重力棒插入螺旋铣槽内时其移动将推动转动环进行旋转，所述转动环和下接头之间设有喷枪组件。

其中：所述液缸和上接头之间形成一环空以容纳复位弹簧，所述复位弹簧的后端抵靠于液缸的环形凸起以提供液缸的回复力。

其中：所述上接头内固设有一定向螺钉，所述液缸的缸体上设有一轴向延伸的供定向螺钉前后滑动的滑槽。

其中：所述喷枪组件包含喷枪外壳和喷嘴，所述喷嘴安装在喷枪外壳上，所述喷枪外壳的左端通过上轴承组件可旋转的连接至连接套，右端通过下轴承组件和旋转套连接至下接头。

其中：所述上轴承组件包含轴承端套，所述轴承端套的左端与连接套连接，一轴承安装在转动环、轴承端套与连接套形成的环空内，在轴承端套的右侧端面还安装有另一轴承，所述喷枪外壳的左端内部通过螺纹与转动环的插入部相连。

其中：所述旋转套左端与喷枪外壳右端内部通过螺纹连接在一起，所述下轴承组件包含下端轴承环，所述下端轴承环套装在旋转套外，所述下端轴承环内部凸台的左右端面各安装一个轴承，而下接头的左端与旋转套。

其中：所述推动杆包含杆体，且所述杆体的中部设有凸缘，所述凸缘的前侧设有供重力棒的头部部分容置的环形凹槽。

其中：所述杆体的右端设有轴向延伸的外键槽部，所述方向控制环的环体内壁设有与所述外键槽部配合滑动的内键槽部。

其中：所述转动环的螺旋铣槽的角度在320-360之间，所述螺旋铣槽的宽度大于重力棒中圆柱部的直径。

还公开了一种水平井自导向液压水力喷射方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：将上述的水平井自导向液压水力喷射装置连接在管串中下入到设计射孔位置；

步骤二：提升井筒内压力，液缸受液压推动向下运动，运动时带动推动杆一起向下运动，由于重力棒处于自由状态时在重力作用下自动下落至势能最低点，推动杆运动时带动重力棒运动，重力棒通过方向控制环导引继续运动，插入到转动环的螺旋铣槽内；

步骤三：重力棒顶在转动环的螺旋铣槽内并带动转动环旋转，重力棒最终将插入螺旋铣槽末端而完成旋转；

步骤四：喷枪组件与转向环连接，并确定好角度，进行射孔作业。

通过上述结构可知，本发明的水平井自导向液压水力喷射装置及方法具有如下效果：

1、液压强制推动喷枪外壳旋转，从而控制喷射孔相对重力方向的角度；

2、能够保证带有喷射孔的部件与管串上下连接工具周向转动分离，保证其旋转不受管串及井筒内环境影响。

3、定向精度高，定向方位误差在±5°以内。能实现定方位增透压裂，精准实现井下瓦斯强化抽采目标。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的水平井自导向液压水力喷射装置的结构示意图。

图2显示了本发明在液力推动下向前运动后的示意图。

图3显示了本发明中推动杆的示意图。

图4显示了本发明中重力棒的示意图。

图5显示了本发明中方向控制环的示意图。

图6显示了本发明中转动环外壳虚化后的示意图。

图7显示了本发明中转动环的三维示意视图。

附图标记：

1上接头、2液缸、3复位弹簧、4定向螺钉、5连接套、6推动杆、7重力棒、8方向控制环、9限位接头、10转动环、11轴承、12轴承端套、13喷枪外壳、14喷嘴、15下轴承端环、16旋转套、17下接头、61杆体、62连接部、63凸缘、64环形凹槽、65外键槽部、66间隔部、71头部、72圆柱部、73锥形部、81环体、82引导孔、83内键槽部、101转动部、102插入部、103螺旋铣槽、104定位孔。

具体实施方式

参见图1和2，显示了本发明的水平井自导向液压水力喷射装置。

所述水平井自导向液压水力喷射装置可包括上接头1、液缸2、复位弹簧3、定向螺钉4、连接套5、推动杆6、重力棒7、方向控制环8、限位接头9、转动环10、喷枪组件和下接头17，其中，所述上接头1和下接头17分别设于两端，所述上接头1内可前后滑动且不可转动的设有液缸2，所述液缸2和上接头1之间形成一环空以容纳所述复位弹簧3，所述复位弹簧3的后端抵靠于液缸2的环形凸起以提供液缸2的回复力。

其中，为实现所述液缸2相对上接头1的不可转动，所述上接头1内固设有一定向螺钉4，所述液缸2的缸体上设有一轴向延伸的供定向螺钉4前后滑动的滑槽，从而当液缸2在液力推动下向右运动时，其将压缩复位弹簧3，且因定向螺钉4将其与上接头1的周向锁定，所以其只能周向向右运动而无法旋转。当液力消失时，复位弹簧3将推动液缸2向左运动回到原位。

所述连接套5的一端(图中左端)与上接头1相连，所述推动杆6可滑动的设置于连接套5内，其一端(图中左端)与液缸2的一端相连以随之向左或向右移动，所述推动杆6的前部与连接套5之间形成供重力棒7容置的另一环空，且参见图4，所述重力棒7包含直径较大的头部71和直径较小的圆柱部72，所述圆柱部72从头部71向前偏心的延伸，而所述推动杆6设有供部分的头部71容置的环形凹槽，从而在重力棒7位于该另一环空中时可以在重力作用下绕着推动杆6进行重力的旋转，直至落到势能最低点。且由于其左端的头部直径较大，其将被推动杆6带动进行向左或向右移动。所述推动杆6的前部外周缘可滑动且不可转动的设有方向控制环8，所述推动杆6和方向控制环8可通过键槽配合结构或销钉锁定结构套装在一起，从而在键槽或销钉配合下，二者周向旋转锁定，无法发生相对旋转，只能在左右方向上有相对位移，所述方向控制环8设有供重力棒7的圆柱部72贯通的多个引导孔。所述限位接头9的左端与推动杆6相连，所述转动环10不可滑动且可相对转动的安装在连接套5内部，所述转动环10位于推动杆6的右侧，且参见图6和图7，所述转动环10包含左侧的转动部101和右侧的插入部102，所述转动部101和插入部102之间形成台阶面，设有一可供重力棒7插入的螺旋铣槽103，所述螺旋铣槽103的深度为螺旋逐渐增大，且在螺旋铣槽103的末端设有定位孔104，从而重力棒7插入螺旋铣槽103内时，由于螺旋铣槽103的深度逐渐增加，重力棒7的向右移动将推动转动环10进行旋转，直至重力棒7圆柱部72的末端深入到螺旋铣槽103最深处的定位孔104内，完成整个旋转动作。

其中，所述转动环10和下接头17之间设有喷枪组件，所述喷枪组件包含喷枪外壳13和喷嘴14，所述喷枪外壳13的左端通过上轴承组件可旋转的连接至连接套5，右端通过下轴承组件和旋转套16连接至下接头17，所述上轴承组件包含轴承端套12，所述轴承端套12的左端与连接套5连接，一轴承11安装在转动环10、轴承端套12与连接套5形成的环空内，所述轴承11的左端与转动环10的台阶面接触，右端与轴承端套12的左侧端面接触，且在轴承端套12的右侧端面还安装有另一轴承，所述喷枪外壳13的左端内部通过螺纹与转动环10的插入部102相连，所述喷嘴安装在喷枪外壳13上，所述喷枪外壳13上喷嘴安装孔只有一个，且其方向在与转动环10通过螺纹连接时，可以控制与转动环10上铣槽最深处的角度，并可通过配钻安装一紧定螺钉锁定二者之间的角度关系。所述旋转套16左端与喷枪外壳13右端内部通过螺纹连接在一起，所述下轴承组件包含下端轴承环15，所述下端轴承环15套装在旋转套16外，所述下端轴承环15内部凸台的左右端面各安装一个轴承，而下接头17的左端与旋转套16相连，从而通过两个轴承组件中的四个轴承及其相关结构将喷枪外壳与工具上下接头分离，使其之间可以自由旋转。

其中，参见图3和图5，所述推动杆6包含杆体61，所述杆体61左端的连接部62可设有连接至液缸2的外螺纹，以与液缸2右端的内螺纹进行螺纹啮合固定，且所述杆体61的中部设有凸缘63，所述凸缘62的前侧设有供重力棒7的头部71部分容置的环形凹槽63，优选的是，所述杆体61的右端设有轴向延伸的外键槽部65，所述方向控制环8的环体81内壁设有与所述外键槽部65配合滑动的内键槽部83，且所述环体81的周缘间隔设有多个引导孔82，从而无论方向控制环如何安装都便于重力棒7在任意位置的贯通，从而方便安装和使用，且方向控制环8可通过引导孔的数量调节定向精度，所述引导孔的数量在12-24个之间。

优选的是，参见图4所示，所述重力棒7的圆柱部72的顶端设有锥形部73，所述锥形部73为尖锥状结构，以便于与方向控制环8和转动环10的配合，从而重力棒可以在推动杆与连接套形成的环空内自由旋转，偏心的圆柱部定位在推动杆的环形凹槽内，推动杆在前后运动过程中可带着重力棒一起前后运动。

其中，参见图6和图7，所述转动环10的螺旋铣槽103的角度在优选在320-360之间，所述螺旋铣槽103的宽度大于重力棒7中圆柱部72的直径。

其中，重力棒通过穿越固定旋转方向的方向控制环内部引导孔实现定向，并通过插入转动环内部螺旋铣槽来控制转动环进而控制喷射孔方向。

其中，喷枪外壳上的喷嘴安装孔方向可在地面上与转动环的最终定位孔或螺旋深入铣槽调整角度关系并锁定，喷枪外壳上下端安装推力轴承。

本发明还涉及了一种水平井自导向液压水力喷射方法，其包含如下步骤：

步骤一：将水平井自导向液压水力喷射装置连接在管串中下入到设计射孔位置；

步骤二：提升井筒内压力，液缸2受液压推动向下运动，运动时带动推动杆6一起向下运动，由于重力棒7处于自由状态时在重力作用下自动下落至势能最低点，推动杆6运动时带动重力棒7运动，重力棒7通过方向控制环8导引(且优选的通过方向控制环8重力方向最低点的引导孔内)，重力棒7方向锁定并在推动杆6带动下继续运动，插入到转动环10的螺旋铣槽内；

步骤三：重力棒7顶在转动环10的螺旋铣槽内并带动转动环10旋转，重力棒7最终将插入螺旋铣槽末端(优选位于转动环10定向孔内)，完成旋转；

步骤四：喷枪组件与转向环10连接，并确定好角度，进行射孔作业。优选的喷枪外壳与转动环10通过螺纹连接并使用紧定螺钉固定方向，根据井况要求固定好喷枪外壳13上喷嘴14与转动环10最终定向孔之间的角度关系，转动环10完成旋转时，喷枪外壳13和喷嘴14也随之旋转到预定角度进行射孔作业。此时可通过上轴承组件和下轴承组件将喷枪外壳13与其上下端结构实现旋转方向分离，使喷枪外壳13能够自由旋转，不受上下端结构限制。

步骤五：当工具内压力降下来后，液缸2、连接套5、推动杆6、重力棒7在复位弹簧3的复位力作用下回到初始位置，继续下放管串至下一射孔位置即可重复上述步骤来实现另一地层的定向射孔作业。

综上可知，本发明的一种水平井自导向液压水力喷射装置及方法不受管串结构、井筒环境影响，时刻保持在势能最低端。定位方式不受外界环境影响。喷射孔与管串旋转分离，旋转不受管串压力磨阻影响。当工具内提升压力时，自导向机构强制喷射孔转向，喷射孔定向精准可靠。由此本发明可有效避免射穿无效或危险地层方向导致的井下事故，提高煤层气的采收率和瓦斯灾害治理效果。其优点在于：

1、喷射孔射孔与重力之间角度可在地面按照设计进行调整。

2、液力驱动自导向部件旋转，强制控制喷射孔旋转至设计方位角度。

3、喷射孔与整个管串旋转分离，可自由旋转，不受管串及井筒环境影响。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (10)

1.一种水平井自导向液压水力喷射装置，包括上接头、液缸、连接套、推动杆、重力棒、方向控制环、转动环喷枪组件和下接头，其特征在于：

所述上接头和下接头分别设于两端，所述上接头内可滑动且不可转动的设有液缸，所述连接套的一端与上接头相连，所述推动杆可滑动的设置于连接套内，其一端与液缸的一端相连以随之移动，所述推动杆的前部与连接套之间形成供重力棒容置的环空，所述重力棒包含直径较大的头部和直径较小的圆柱部，所述圆柱部从头部向前偏心的延伸，而所述推动杆设有供部分的头部容置的环形凹槽，从而在重力棒位于该另一环空中时可以在重力作用下绕着推动杆进行重力的旋转直至落到势能最低点，所述推动杆的前部外周缘可滑动且不可转动的设有方向控制环，所述方向控制环设有供重力棒的圆柱部贯通的引导孔，所述转动环不可滑动且可相对转动的安装在连接套内部，所述转动环位于推动杆的右侧，所述转动环左侧的转动部设有一供重力棒插入的螺旋铣槽，所述螺旋铣槽的深度为螺旋逐渐增大，从而重力棒插入螺旋铣槽内时其移动将推动转动环进行旋转，所述转动环和下接头之间设有喷枪组件。

2.如权利要求1所述的水平井自导向液压水力喷射装置，其特征在于：所述液缸和上接头之间形成一环空以容纳复位弹簧，所述复位弹簧的后端抵靠于液缸的环形凸起以提供液缸的回复力。

3.如权利要求1所述的水平井自导向液压水力喷射装置，其特征在于：所述上接头内固设有一定向螺钉，所述液缸的缸体上设有一轴向延伸的供定向螺钉前后滑动的滑槽。

4.如权利要求1所述的水平井自导向液压水力喷射装置，其特征在于：所述喷枪组件包含喷枪外壳和喷嘴，所述喷嘴安装在喷枪外壳上，所述喷枪外壳的左端通过上轴承组件可旋转的连接至连接套，右端通过下轴承组件和旋转套连接至下接头。

5.如权利要求4所述的水平井自导向液压水力喷射装置，其特征在于：所述上轴承组件包含轴承端套，所述轴承端套的左端与连接套连接，一轴承安装在转动环、轴承端套与连接套形成的环空内，在轴承端套的右侧端面还安装有另一轴承，所述喷枪外壳的左端内部通过螺纹与转动环的插入部相连。

6.如权利要求4所述的水平井自导向液压水力喷射装置，其特征在于：所述旋转套左端与喷枪外壳右端内部通过螺纹连接在一起，所述下轴承组件包含下端轴承环，所述下端轴承环套装在旋转套外，所述下端轴承环内部凸台的左右端面各安装一个轴承，而下接头的左端与旋转套。

7.如权利要求1所述的水平井自导向液压水力喷射装置，其特征在于：所述推动杆包含杆体，且所述杆体的中部设有凸缘，所述凸缘的前侧设有供重力棒的头部部分容置的环形凹槽。

8.如权利要求7所述的水平井自导向液压水力喷射装置，其特征在于：所述杆体的右端设有轴向延伸的外键槽部，所述方向控制环的环体内壁设有与所述外键槽部配合滑动的内键槽部。

9.如权利要求1所述的水平井自导向液压水力喷射装置，其特征在于：所述转动环的螺旋铣槽的角度在320-360之间，所述螺旋铣槽的宽度大于重力棒中圆柱部的直径。

10.一种水平井自导向液压水力喷射方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：将权利要求1-9中任一所述的水平井自导向液压水力喷射装置连接在管串中下入到设计射孔位置；

步骤二：提升井筒内压力，液缸受液压推动向下运动，运动时带动推动杆一起向下运动，由于重力棒处于自由状态时在重力作用下自动下落至势能最低点，推动杆运动时带动重力棒运动，重力棒通过方向控制环导引继续运动，插入到转动环的螺旋铣槽内；

步骤三：重力棒顶在转动环的螺旋铣槽内并带动转动环旋转，重力棒最终将插入螺旋铣槽末端而完成旋转；

步骤四：喷枪组件与转向环连接，并确定好角度，进行射孔作业。