CN113482535A - 一种自适应井下转向装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应井下转向装置及施工方法，设置导向柱，于所述的导向柱侧壁开口嵌设支撑臂，支撑臂一端与导向柱铰接；导向柱端部轴接转向动力总成；与所述的转向动力总成和支撑臂的另一端分别滑动铰接设置支撑杆；通过转向动力总成的轴向位移，带动支撑杆连同支撑臂相对于导向柱在0～90°的范围内转动。井下转向装置支撑臂转向角度可实时测量，能适应地层倾角变化对转向角度的要求，可根据电机电流变化实时监测支撑臂的井下状态，避免因扩孔井壁不规则支撑臂被卡，转向不到位或出现支撑臂损害等问题。

Description

一种自适应井下转向装置及施工方法

技术领域

本发明属于煤层气、石油、天然气钻井装备技术领域，涉及一种自适应井下转向装置及施工方法。

背景技术

高压水射流极小半径钻井技术(以下简称极小半径钻井技术)是钻井行业的前沿和热门技术，利用特殊的井下转向装置可在0.3m或更小转弯半径内实现高压水射流钻头垂直向水平的转向，然后利用高压水射流能量，沿目的层径向方向，侧钻出多个不同方位的放射状水平井眼。

目前已有套管开窗型极小半径钻井技术(ZL200810119469.1，ZL200910220786.7)无需套管锻铣扩孔或开窗开槽，采用固定滑道式井下转向装置，钻具可直接在套管内完成转向，具有作业周期短、费用低等优点，但受套管直径的制约，射流钻头和钻杆尺寸受到了极大的限制，导致成孔直径小、钻进长度有限等问题。锻铣扩孔型极小半径钻井技术需要进行锻铣套管、地层扩孔，采用活动式井下转向装置(ZL 92227568.8,ZL03239019.X，ZL201510519110.3，ZL 201510519288.8)，射流钻头和钻杆尺寸受限较小，能满足大直径钻孔的需求，但已有的活动式井下转向装置仍存在以下不足：①地层扩孔后可能由于井壁垮塌造成支撑臂无法紧贴孔壁，导致钻头掉入扩孔洞穴中无法顺利进入地层的问题；②支撑臂转向角度无法根据地层倾角变化进行调整，只能实现垂直向水平方向的转向，对于倾角较大的地层，易钻入邻近地层，影响目标地层改造效果；③无法实时监测支撑臂的井下状态，易出现由于扩孔井壁不规则支撑臂被卡，转向不到位或出现支撑臂损害等问题；④井下转向装置缺少钻头定位设置，由于钻杆具有一定伸缩性，仅根据深度数据不易判断钻头准确位置，钻头下放或者回收过程中未到达预设位置井下转向装置转向可能造成转向失败；⑤作业过程相对复杂，装置一次下井不同深度钻进对段间距要求高。

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，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种自适应井下转向装置及其施工方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应井下转向装置及施工方法，其结构简单，操作维护简便，能有效克服目前活动式井下转向装置因井壁易垮塌钻头易掉入洞穴、支撑臂转向角度无法根据地层倾角变化进行调整、转向角度不到位、缺少钻头定位设置、多层钻进段间距要求高等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种自适应井下转向装置，设置导向柱，于所述的导向柱侧壁开口嵌设支撑臂，支撑臂一端与导向柱铰接；导向柱端部轴接转向动力总成；与所述的转向动力总成和支撑臂的另一端分别滑动铰接设置支撑杆；通过转向动力总成的轴向位移，带动支撑杆连同支撑臂相对于导向柱在0～90°的范围内转动。

可选的，与所述的转向动力总成轴接设置电源控制总成，电源控制总成设置连接筒，连接筒内设置电源控制筒，电源控制筒上嵌设电源控制主板，且连接筒端部设置堵头。

可选的，在所述的支撑臂与导向柱的铰接端设置传感器安装位；在所述的支撑杆上沿偏心方向嵌设一端开放的引鞋卡槽，与所述的引鞋卡槽于径向连通设置多个排渣孔。

可选的，所述的传感器安装位上安装霍尔传感器和/或倾角传感器；所述的引鞋卡槽上安装光纤陀螺测量仪引鞋。

可选的，所述的支撑臂设置滑动插接的第一臂体和第二臂体；第二臂体上滑动铰接支撑杆，且第一臂体与第二臂体通过复位弹簧连接。

可选的，所述的第一臂体为四棱状的构件，其内沿轴向设置第一通槽；第一臂体上设置第一滑动槽和第二滑动槽，第一滑动槽用于第二臂体与第一臂体的滑动插接，第二滑动槽用于与支撑杆的滑动铰接。

可选的，所述的第二臂体为与第一臂体插接的四棱状的构件，其内沿轴向设置第二通槽；在所述的第二臂体下设置与第一臂体连接的复位弹簧。

可选的，所述的转向动力总成设置转向动力筒，转向动力筒内套设推杆；导向柱上沿轴向设置支撑杆滑轨，推杆端部与所述的支撑杆端部于支撑杆滑轨处铰接。

可选的，还设置线缆总成，所述的线缆总成设置地面控制台、线缆绞车、总线缆和分线缆；并于转向动力总成端部设置线缆连接头，总线缆和分线缆于线缆连接头处穿插设置。

一种自适应井下转向装置的施工方法，包括如下步骤：

步骤1，依次连接丢手、导向柱、支撑臂、支撑杆、转向动力总成、电源控制总成和线缆总成形成自适应井下转向装置，总线缆连同下井管柱下至设计深度；

步骤2，导向管内下入光纤陀螺测量仪，光纤陀螺测量仪引鞋进入支撑杆的引鞋卡槽42，获取支撑臂的方位，转动下井管柱使支撑臂至设计方位，起出光纤陀螺测量仪；

步骤3，导向管内下入高压水射流钻头，通过高压水射流钻头经过支撑臂3上的霍尔传感器，判断高压水射流钻头是否达到支撑臂预定位置；

步骤4，启动地面控制台，实现支撑臂的转向，利用倾角传感器判断支撑臂是否转向到预定角度；

步骤5，进行侧钻水平井钻进；

步骤6，回收钻具进入支撑臂，回收支撑臂进入导向柱的支撑臂卡槽内，起出钻具；

步骤7，井口旋转下井管柱，重复步骤2-步骤6完成设计钻孔的钻进。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)井下转向装置支撑臂转向角度可实时测量，能适应地层倾角变化对转向角度的要求，可根据电机电流变化实时监测支撑臂的井下状态，避免因扩孔井壁不规则支撑臂被卡，转向不到位或出现支撑臂损害等问题；

(2)井下转向装置支撑臂可二次伸缩，解决了地层扩孔后可能由于井壁垮塌造成支撑臂无法紧贴孔壁，导致钻头掉入扩孔洞穴中无法顺利进入地层的问题；

(3)井下转向装置实现了钻头位置测量，避免出现钻头下放或者回收过程中未到达预设位置井下转向装置转向可能造成转向失败问题；

(4)作业过程简单、快捷，井下转向装置不受钻进段间距的影响，一次下井可任意深度、任意方位施工。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本发明的自适应井下转向装置的整体结构示意图；

图2是图1中支撑臂结构示意图；

图3是图1中支撑杆结构示意图；

图4是本发明的自适应井下转向装置的施工流程图；

图中各标号表示为：

1-丢手、2-导向柱、21-导向轮、22-支撑臂卡槽、23-支撑杆滑轨；

3-支撑臂、31-第一臂体、311-第一通槽、312-铰接孔、313-传感器安装位、314-第一滑动槽、315-第二滑动槽、316-弹簧安装杆安装孔；

32-第二臂体、321-复位弹簧、322-弹簧安装杆、323-第二通槽、324-第一滑动槽连接孔、325-第一滑动轮、326-排渣槽、327-复位弹簧安装位、328-第二滑动轮；

33-传感器；

4-支撑杆、41-排渣孔、42-引鞋卡槽、43-支撑杆第一铰接孔、44-支撑杆第二铰接孔；

5-转向动力总成、51-转向动力筒、52-推杆；

6-电源控制总成、61-连接筒、62-电源控制筒、63-电源控制主板、64-堵头；

7、线缆总成、71-地面控制台、72-线缆绞车、73-总线缆、74-分线缆、75-线缆连接头、751-主线缆安装环、752-分线缆安装环。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对本发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。

本公开中提到的方位词，比如“轴向”指的是图中导向柱2所在的轴向，“径向”指的是与轴向垂直的方向。“周向”指的是筒形部件的横切面的圆周方向；本公开中提到的“腔”指的是至少端面开口的封闭空间，“面”指的是位于一个方向的板面，“台”指的是带有至少一个功能面的块体。“内、外、上、下、左、右”均是面对文中附图时所对应的方位朝向。

结合图1-3，本发明的自适应井下转向装置，设置导向柱2，于导向柱2侧壁开口嵌设支撑臂3，支撑臂3一端与导向柱2铰接；导向柱2端部轴接转向动力总成5；与转向动力总成5和支撑臂3的另一端分别滑动铰接设置支撑杆4；通过转向动力总成5的轴向位移，带动支撑杆4连同支撑臂3相对于导向柱2在0～90°的范围内转动。转向机械总成包含丢手1、导向柱2、支撑臂3及支撑杆4，丢手1上端通过螺纹与油管柱相连接，下端通过销钉与下端导向柱2连接，导向柱2下端通过螺纹与转向动力筒51连接，支撑臂3通过轴销与导向柱2连接，支撑杆4上端通过轴销与支撑臂3连接，支撑杆4下端通过轴销7与转向动力总成5的推杆52的上部连接。用于连接丢手1的销钉在施工过程中出现井下事故，管柱无法正常提出时，可通过上提一定拉力，剪断销钉，实现上部管柱的顺利提出，销钉数量可结合所用管柱的强度和作业车的拉力综合考虑确定，对于1000m以浅的作业井，拉力30t作业车，一般可考虑3-4个销钉。导向柱2上部设置有导向轮21，利于钻头和高压管通过，下部设置支撑臂卡槽22用于支撑臂3和支撑杆4的伸出和回收。导向柱2的主体为柱形或棱柱形结构。推杆52、支撑杆4和支撑臂3形成三连杆机构，推杆52可以带动支撑杆4和支撑臂3运动，支撑臂3围绕导向柱2上的轴销在平行于导向柱2(处于导向柱内)和垂直于导向柱2之间运动。

在本公开的实施例中，与转向动力总成5轴接设置电源控制总成6，电源控制总成6设置连接筒61，连接筒61内设置电源控制筒62，电源控制筒62上嵌设电源控制主板63，且连接筒61端部设置堵头64。电源控制总成6包含电源控制筒62，电源控制筒62包括连接筒61和堵头64三部分，连接筒61通过螺纹与转向动力筒51连接，电源控制主板63放置于连接筒61内，电源控制主板63进行密封设计实现独立防水。

在本公开的实施例中，在支撑臂3与导向柱2的铰接端设置传感器安装位313；在支撑杆4上沿偏心方向嵌设一端开放的引鞋卡槽42，与引鞋卡槽42于径向连通设置多个排渣孔41。支撑杆4设置有光纤陀螺测量仪的引鞋卡槽42，支撑杆在垂直状态，光纤陀螺测量仪引鞋能够进入引鞋卡槽42在引鞋卡位键的作用下实现支撑臂3方位的测量。引鞋卡槽42周边设置有2个排渣孔41，以防止钻屑落入支撑杆引鞋卡槽42，造成测量仪器引鞋无法再次顺利进入引鞋卡槽42而定位失败，支撑杆4的两端具体通过支撑杆第一铰接孔43和支撑杆第二铰接孔44分别与支撑臂3和推杆5铰接。

在本公开的实施例中，传感器安装位313上安装的传感器33包括霍尔传感器和/或倾角传感器；引鞋卡槽42上安装光纤陀螺测量仪引鞋。霍尔传感器用于测量钻头是否到位，选择倾角传感器用于测量支撑臂3伸出的角度；光纤陀螺测量仪获取支撑臂3的方位。

在本公开的实施例中，支撑臂3设置滑动插接的第一臂体31和第二臂体32；第二臂体32上滑动铰接支撑杆4，且第一臂体31与第二臂体32通过复位弹簧321连接。比如在本公开的实施例中，第一臂体31为四棱状的构件，其内沿轴向设置第一通槽311，左端设置铰接孔312，用于与导向柱2铰接，与铰接孔312相邻，在第一臂体31上设置传感器安装位313，第一臂体31下部的传感器安装位313处设置有传感器33，选择霍尔传感器用于测量钻头是否到位，选择倾角传感器用于测量支撑臂3伸出的角度；第一臂体31上设置第一滑动槽314和第二滑动槽315，第一滑动槽314用于第二臂体32与第一臂体31的滑动插接，第二滑动槽315用于与支撑杆4的滑动铰接；在第一臂体31的右下方设置弹簧安装杆安装孔316，用于安装复位弹簧321套接的弹簧安装杆322。比如，在本公开的实施例中，第二臂体32为与第一臂体31插接的四棱状的构件，其内沿轴向设置第二通槽323；在第二臂体32下设置与第一臂体31连接的复位弹簧321。支撑臂3由第一臂体31和第二臂体32组成，第一臂体31上的第一滑动槽314和第二臂体32的第一滑动槽连接孔324通过轴销连接，连接第一臂体31和第二臂体32的轴销可在第一臂体31第一滑动槽314中运动，第一臂体31和第二臂体32下部设置复位弹簧安装位327，通过装有复位弹簧321的弹簧安装杆322连接，从而使第二臂体32在支撑臂3回收状态时可以回到与第一臂体31连接的最初位置。支撑臂3外形为四棱状结构，支撑臂3在长度方向上是中空的，为近圆柱状，利于钻头和高压管通过。支撑臂3在上部和出口位置的下部各设置有滑动轮，即第一滑动轮325和第二滑动轮328，利于钻头和高压管通过。支撑臂3的4个壁面都设置有排渣槽326，确保钻屑不在臂内堆积，影响钻具前进或收回。

在本公开的实施例中，转向动力总成5设置转向动力筒51，转向动力筒51内套设推杆52；导向柱2上沿轴向设置支撑杆滑轨23，推杆52端部与所述的支撑杆4端部于支撑杆滑轨23处铰接。转向动力总成包含转向动力筒51及推杆52，外筒上端通过螺纹与导向柱2下端连接，下端通过螺纹与连接筒61连接，推杆52安装于转向动力筒51内，推杆52上部与支撑杆下端通过轴销连接，推杆52下部电源线与电源控制总成中电源相连接。推杆52与导向柱2之间设置有密封件，密封件为阻力小且密封可靠的密封件，本实施例中选用丁腈橡胶材质的o型圈。

在本公开的实施例中，还设置线缆总成7，线缆总成7设置地面控制台71、线缆绞车72、总线缆73和分线缆74；并于转向动力总成5端部设置线缆连接头75，总线缆73和分线缆74于线缆连接头75处穿插设置。线缆连接头75设置有主线缆安装环751和分线缆安装环752，通过孔进行了耐压密封。总线缆73、分线缆74用于供电和通讯，线缆绞车72用于下放和回收线缆，地面控制台71用于指令的发布、井下转向装置状态的监控

本发明提供的自适应井下转向装置施工方法，以在500米井深煤层气井施工为背景，结合图4，具体包括以下步骤：

步骤1，依次连接丢手1、导向柱2、支撑臂3、支撑杆4、转向动力总成5、电源控制总成6和线缆总成7形成自适应井下转向装置，总线缆73连同下井管柱下至设计深度；采用接箍用线缆保护器将总线缆73固定于管柱上，其中接箍用线缆保护器用于管柱接箍处，避免管柱下入过程或施工过程对线缆的磨损和磕碰；

步骤2，导向管2内下入光纤陀螺测量仪，光纤陀螺测量仪引鞋进入支撑杆4的引鞋卡槽42，获取支撑臂3的方位；从下井管柱内下入光纤陀螺测量仪，光纤陀螺测量仪引鞋进入井下转向装置支撑杆引鞋卡槽42，实现光纤陀螺测量仪测量方位的固定，并通过引鞋卡槽42定位与井下转向装置支撑臂3的对应关系，获取支撑臂3的方位；转动下井管柱使支撑臂3至设计方位，起出光纤陀螺测量仪；

步骤3，导向管2内下入高压水射流钻头，通过高压水射流钻头经过支撑臂3上的霍尔传感器，判断高压水射流钻头是否达到支撑臂3预定位置；

步骤4，启动地面控制台71，实现支撑臂3的转向，利用倾角传感器判断支撑臂(3)是否转向到预定角度；

井下转向装置地面控制台71通过总线缆73和分线缆74进行供电和通讯，推杆52获得指令后，推杆52上推带动支撑杆4和支撑臂3运动，当支撑臂3到达90度后，如果井壁有垮塌现象，支撑臂3无法贴上井壁，则第二臂体32开始外伸，实现支撑臂3的伸长；此外，可通过电机电流变化判断支撑臂3所处状态，正常支撑臂3抬起的电流为0.5A左右，当支撑臂3转向未到达90度而出现电流急剧增大的现象，即可判断支撑臂3提前遇阻，此处扩孔未达到预定直径要求，当支撑臂3转向到达90度，第二臂体32开始外伸，此时出现电流急剧增大的现象，则说明支撑臂3已经碰上井壁；

步骤5，进行侧钻水平井钻进；

步骤6，回收钻具进入支撑臂3，回收支撑臂3进入导向柱2的支撑臂卡槽22内，起出钻具；施工完成后，推杆52回收，第一臂体31和第二臂体32在复位弹簧321的作用下回收到最初装配长度，随着推杆52收回，支撑杆4及支撑臂3收回到导向柱2槽中。此时，也可通过电机电流变化判断支撑臂3所处状态，正常支撑臂3回收的电流为0.2A左右，当支撑臂3回收未到达0度而出现电流急剧增大的现象，即可判断支撑臂3遇阻，可能是支撑臂3回收路线有岩屑堆积，则需要停止回收，先进行冲屑处理；

步骤7，井口旋转下井管柱，重复步骤2-步骤6完成设计钻孔的钻进。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种自适应井下转向装置，其特征在于，设置导向柱(2)，于所述的导向柱(2)侧壁开口嵌设支撑臂(3)，支撑臂(3)一端与导向柱(2)铰接；

导向柱(2)端部轴接转向动力总成(5)；与所述的转向动力总成(5)和支撑臂(3)的另一端分别滑动铰接设置支撑杆(4)；

通过转向动力总成(5)的轴向位移，带动支撑杆(4)连同支撑臂(3)相对于导向柱(2)在0～90°的范围内转动。

2.根据权利要求1所述的自适应井下转向装置，其特征在于，与所述的转向动力总成(5)轴接设置电源控制总成(6)，电源控制总成(6)设置连接筒(61)，连接筒(61)内设置电源控制筒(62)，电源控制筒(62)上嵌设电源控制主板(63)，且连接筒(61)端部设置堵头(64)。

3.根据权利要求1或2所述的自适应井下转向装置，其特征在于，在所述的支撑臂(3)与导向柱(2)的铰接端设置传感器安装位(313)；

在所述的支撑杆(4)上沿偏心方向嵌设一端开放的引鞋卡槽(42)，与所述的引鞋卡槽(42)于径向连通设置多个排渣孔(41)。

4.根据权利要求3所述的自适应井下转向装置，其特征在于，所述的传感器安装位(313)上安装霍尔传感器和/或倾角传感器；

所述的引鞋卡槽(42)上安装光纤陀螺测量仪引鞋。

5.根据权利要求1或2所述的自适应井下转向装置，其特征在于，所述的支撑臂(3)设置滑动插接的第一臂体(31)和第二臂体(32)；

第二臂体(32)上滑动铰接支撑杆(4)，且第一臂体(31)与第二臂体(32)通过复位弹簧(321)连接。

6.根据权利要求5所述的自适应井下转向装置，其特征在于，所述的第一臂体(31)为四棱状的构件，其内沿轴向设置第一通槽(311)；

第一臂体(31)上设置第一滑动槽(314)和第二滑动槽(315)，第一滑动槽(314)用于第二臂体(32)与第一臂体(31)的滑动插接，第二滑动槽(315)用于与支撑杆(4)的滑动铰接。

7.根据权利要求5所述的自适应井下转向装置，其特征在于，所述的第二臂体(32)为与第一臂体(31)插接的四棱状的构件，其内沿轴向设置第二通槽(323)；

在所述的第二臂体(32)下设置与第一臂体(31)连接的复位弹簧(321)。

8.根据权利要求1或2所述的自适应井下转向装置，其特征在于，所述的转向动力总成(5)设置转向动力筒(51)，转向动力筒(51)内套设推杆(52)；

导向柱(2)上沿轴向设置支撑杆滑轨(23)，推杆(52)端部与所述的支撑杆(4)端部于支撑杆滑轨(23)处铰接。

9.根据权利要求1或2所述的自适应井下转向装置，其特征在于，还设置线缆总成(7)，所述的线缆总成(7)设置地面控制台(71)、线缆绞车(72)、总线缆(73)和分线缆(74)；

并于转向动力总成(5)端部设置线缆连接头(75)，总线缆(73)和分线缆(74)于线缆连接头(75)处穿插设置。

10.一种自适应井下转向装置的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，依次连接丢手(1)、导向柱(2)、支撑臂(3)、支撑杆(4)、转向动力总成(5)、电源控制总成(6)和线缆总成(7)形成自适应井下转向装置，总线缆(73)连同下井管柱下至设计深度；

步骤2，导向管(2)内下入光纤陀螺测量仪，光纤陀螺测量仪引鞋进入支撑杆(4)的引鞋卡槽(42)，获取支撑臂(3)的方位，转动下井管柱使支撑臂(3)至设计方位，起出光纤陀螺测量仪；

步骤3，导向管(2)内下入高压水射流钻头，通过高压水射流钻头经过支撑臂(3)上的霍尔传感器，判断高压水射流钻头是否达到支撑臂(3)预定位置；

步骤4，启动地面控制台(71)，实现支撑臂(3)的转向，利用倾角传感器判断支撑臂(3)是否转向到预定角度；

步骤5，进行侧钻水平井钻进；

步骤6，回收钻具进入支撑臂(3)，回收支撑臂(3)进入导向柱(2)的支撑臂卡槽(22)内，起出钻具；

步骤7，井口旋转下井管柱，重复步骤2-步骤6完成设计钻孔的钻进。

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