CN1144875A - 直角转向水平钻进系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种水平井钻进系统，特别是一种可以在井筒内直接转向水平，钻出与主井筒成直角相交水平井的直角转向水平井钻进系统。它主要由钻杆总成、钻头、转向器、组合接头、定向器、导杆、护管几部分组成。它可以从一口直井、斜井、中长曲率水平井中至少钻出一口沿储层延伸的水平井。可使油气的产量、产速、采收率大幅度提高。本系统除用于油气开采外，还可用于地侵采矿、地热开发等领域。

Description

直角转向水平钻进系统

本发明涉及的是一种水平井钻进系统，该系统可以从一口井中钻出至少一口最大转向角为直角的沿储层延伸的水平井，所述的主井可以是垂直井、斜井或中长曲率的水平井。

人们为了提高石油开采中油气的单井产量、产速及采收率，早在半个世纪以前就探索并发明成功了水平井钻进技术及其设备，在这半个多世纪里、人们不断对这项技术进行改进、发展、推陈出新，发明出了一系列成功的水平井钻进系统(包括其工艺、设备)，总的概括起来，主要有以下几类：长半径水平井钻进设备系统；中半径水平井钻进设备系统(包括井下泥浆马达系统)；短半径水平井钻进系统(ZUBLIN万向接头短半径水平井钻进系统，简称ZUBLIN系统)；超短半径径向井系统(简称URRS系统)。其中长半径水平井钻进系统所采用的设备即为普通的钻井设备外加造斜器，它是通过在钻进过程中控制进行多次造斜来实现其转向而逐渐转成水平的；中半径水平井钻进系统与前一种基本相同，只是有些设备采用了井下泥浆马达系统驱动钻头钻进，这两种水平井钻进系统虽然有钻出的水平井段较长的优点，但其工艺技术复杂，对地下条件要求高，对一些复杂油气藏、薄油藏难以适用，另外，完井工艺也是十分复杂，钻井成本高；ZUBLIN短半径水平井系统是一套主要由柔性万向接头及随钻控制造斜装置组成的水平井钻进系统，它有易于控制、钻出的水平井段相对较长、转向半径小等优点，但其设备复杂，完井工艺也很复杂，同样对于复杂油气藏不适用，钻井成本高；URRS超短半径径向水平井系统虽然有转向半径小(30-60CM)，易于操作的优点，但其只能采用喷射法钻进，钻出的径向水平井井径太小(45CM左右)，水平井段短，通常只有20-50M长，钻进作业时需事先预开窗，并必须进行扩孔作业，然后才能安放造斜器，工艺复杂，且采用这套系统钻完井后，完井工艺亦十分复杂，由于这些原因，URRS系统虽然早已研制成功，但一直未能被广泛推广使用。CN1080015A所公开的一套水平井钻进系统，由于钻头总成上的蜗轮结构难以提供足够的扭矩，且钻杆总成的强度太低，因而难以在实际中得到应用。

本发明的目的之一就是为了解决现有水平钻井设备工艺复杂问题，提供出一套可以在套管内直接转成水平，操作工艺简单、可直接在井筒内转成水平钻出的水平井钻进系统。

本发明的目的之二是为了提供一套可以在直井、斜井、中长曲率半径水平井下，沿储层方向钻出至少一口径向水平井的直角转向水平井钻进系统。

本发明目的之三是为了提供出一套水平井段完井工艺简单的直角转向水平井钻进系统。

本发明的目的之四是为了最终能大幅度提高油气采收率、产速及累计总采出量，提供出一套可以广泛适用于多种地层条件、能够被广泛使用的水平井钻进系统。(注：这里的说的“水平”不是一般意义上所指的“水平”，其水平面指的是目的储集层的层面，所说的“水平井”就是指沿目的储集层延伸且平行目的储层面的井段。)

为实现其目的，本发明提出了一套包括由钻杆总成、转向器、钻头、连接在钻杆总成上端的导管及接在转向器上端的护管所组成的一种水平钻进系统。其中钻杆总成为由弹性钢带、首、末节链节及普通链节连成的链管及位于链管内的柔性内管及其前端头组成，链节上带有可将相邻链节锁为一体的，由锁定臂、锁定肩、开启键组成的锁定装置，所述的转向器前端装有限位卡轮，转向轨道(通道)上端设有滚轮，后端设有用于打开链节锁定装置的压锁柱；在所述的钻头上设有防止钻头与钻杆总成脱离的锁定栓及锁定孔，钻头的后端有与钻杆总成首节链节卡接的连接套筒；在钻杆总成与导管之间装有由上环套、套筒、下环套、连在下环套下端的缓冲簧、与缓冲簧连为一体的连接套及将导管与柔性内管固定为一体的连接施压套组成的组合接头；在转向器的下端接有定向器，其中轴周围设有至少两只弹性臂，每只弹性臂上设有至少两只可与井壁咬合，使转向器不能在井下转动的定位卡轮。

与已知的各种水平井钻进系统相比，本发明有以下几方面的优点：无须进行造斜，可在井筒内直接控制转向，转成水平或转成0-90度范围内任意一个需要的角度钻出，沿储层层面向前推进；操作工艺简单；完井工艺简单，可实现钻井、完井一次完成；适应范围广，可适用于多种类型的普通水平井技术设备难以适用的复杂油气藏；能朝多个方向钻出辐射式水平井，因而可使油气采收率大幅度提高。

本发明既适用于油气开发中钻新井、又适用于对现有老油井的改造再生。同时还适用地侵采矿、地热开采、煤层气开采等。

下面结合附图详细说明本发明的实施例：

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明钻杆总成之链管结构示意图

图3为钻杆总成首节链节的结构示意图

图4为钻杆总成普通链节的结构视图

图5为本发明末节链节之结构示意图

图6为本发明钻头结构示意图

图7为本发明钻头与钻杆总成的连接装配关系示意图

图8为本发明钻头与钻杆总成控制脱开装置结构示意图

图9为其控制脱开装置的键与键槽的结构及装配关系视图

图10为另一种钻头(喷射式)与钻杆总成的装配关系示意图

图11为本发明钻杆总成之内管的结构示意图

图12为本发明转向器结构视图

图13为本发明另一种转向器结构示意图

图14为本发明组合接头剖视图

图15为本发明定向器结构示意图

图16为本发明在斜井及倾斜目的层条件下的使用状态示意图

图17为本发明所钻出的水平辐射井之井身系统的立体结构视图

实施例1：

图1所示的为本发明实施例1的结构组成，它包括钻杆总成1、钻头2、转向器3、定向器8、导管6、连在导管6与钻杆总成1之向的组合接头5、位于导管6上端与普通钻杆对接的转换接头9、连在转向器3上端的护管4、及护管4上端的台肩套7。从图2-图7可以看出，钻杆总成1由弹性钢带102、首节链节101、普通链节104、末节链节105组成的链管100，位于链管100内的由粗钢丝簧管134、细钢丝簧管136、密封高分子材料138复合而成的柔性内管126及带有“P”形键的前端头122组成，柔性内管126与其前端头122，通过与前端头122铸接为一体的钢簧连管123连为一体，在链管100的链节上设有能将相邻链节锁定的由锁定臂110、锁定肩112、开启键114组成的锁定装置，它可以将键管的每相邻两个链节之间锁定，使钻杆总成1形成一个任何方向都不能弯转的钢性柱体，便于在水平钻入地层时控制方向，保持所设计的角度、方位不变，同时有效传递钻压，链管100的壁上设有许多小孔或/和狭缝，便于油气的渗入，在链管的首节链节101上设有与钻头2匹配的固定环套116，它插入钻头的环形空间206中，并通过锁定栓208穿过锁定孔204，卡入链节101上的锁定槽118使钻头2与钻杆总成1之间连为一体，柔性内管126的前端头122插接在钻头连接套筒210内，前端头122上的“P”型键124与连接套筒210内的“P”型键槽212相吻合，钻头2内的密封环218将钻头2与柔性内管前端头122之间密封。

参见图8、图9，连接套筒210与柔性内管122组合成可控脱开装置，在水平井钻进过程中，旋转动力即是通过导管6、柔性内管126、柔性内管前端头122、键124、键槽212驱动钻头2转动，钻井完成后，可通过井口控制使内管126带动前端头122作一下回转，使“P”型键124的前端从键槽212的前端移出，再拉动柔性内管126，即可将柔性内管与钻头2脱开。

图12所示的为转向器3的剖视图，它前端装有使系统向后压挤的限位卡轮302，以便尽可能利用井筒空间，便于钻杆总成1转向，转向轨道304的上端装有滚轮308，底部装有滚轴306，用于减小钻杆总成1通过时的阻力，下部设有由调节栓312、旋转调节套314组成的调节装置，它可以调节钻杆总成的转向角度，转向器3的后部设有用于打开钻杆总成1链节之间锁定装置的开启柱310，当钻杆总成1从其转向通道306中通过时，开启柱310将链节上的锁定臂110、开启键114向里压，使得锁定臂110前端的小钩与锁定肩112脱开，这样链管即可实现向前上方向弯转，并转过转向器通道306，经井筒10上的正对目的层位所预开的窗口，沿储层水平钻入地层。图10所示的柔性内管126是由一层粗钢丝簧管134、数层细钢丝簧管136、弹性高分子材料138复合而成，因而柔性内管126本身是可以随着钻杆总成1弯转的，当钻杆总成1的各部分链节移出转向轨道306时，由于受到链节间的挤压力，其上的锁定装置又重新锁定，使钻杆总成1又成为一个任何方向均不能弯转的钢性柱体。

图14所示的组合接头5由上环套500、套筒502、下环套506、与下环套连为一体的缓冲簧510、缓冲簧下端的连接套512及将导管6与柔性内管126连为一体的施压套504组成，下环套506上端设有减阻滚轴508，连接套512上设有螺丝口514。钻进过程中钻压即是通过导管6连接试压套504加在下环套506上，并通过缓冲簧510缓冲后，经链管100传递至钻头2。当一口水平井段钻完后，控制将钻具回转一下，将柔性内管前端头122与钻头2之间脱开，并将连接套512与末节链节101之间的螺丝口514旋开，然后上提钻具，旋转施压套504脱离下环套506上移，并抵到上环套500，即带着组合接头5上移，当上环套500抵到护管上端头7时，又带动护管4、转向器3、定向器8一起上移，并同时将柔性内管126及其前端头122从链管100中抽出，而只将链管100、钻头2留在水平井段内，起支撑井壁及防沙作用，这样就完成了完井作业工序。为了便于修井作业，最好控制使链管100的末端刚好与水平井段口平齐，或稍往里一点。

图15所示，本发明定向装置的中轴800的周围装有弹性臂802，每支弹性臂上装有若干只定位卡轮804，其齿为圆环形尖齿，它能与井壁10紧紧咬合，使得转向器3只能上下移动，而不能在井下转动，这样，当系统在井口组合好并按设计的方位定向并下入井内后，定向器8即可使转向器3的方位保持不变。

图16所示为本发明在斜井及储层倾斜条件下通过调节转向器3的转向角度，所钻出的沿储层延伸的水平井的状态视图。

图17所示为本发明在一口普通直井目的层所钻出的多口辐射式水平井的井身系统立体视图。

实施例2：

参见图10，实施例2与实施例1结构组成及特征基本相同，所不同的是，实施例2的钻头为由喷射钻头体128、喷嘴130组成的喷射式钻头，钻进过程中高压钻井液通过导管6、柔性内管126从喷嘴130中高速喷出，在地层中钻出一段水平井，其它工艺过程与实施例1相同。

实施例3：

参见图13，实施例3与实施例1所描述的内容基本相同，所不同的是，实施例3采用了转向角度固定为90度、且转向轨道下底面设了一个以压锁凸筋318代替滚轴的转向器，当钻杆总成1通过转向器内部通道时，转向器壳体316上的开启柱及压锁凸筋318将链节间的锁定装置打开，使得钻杆总成1可以弯转，并通过转换器钻入地层。

以上实施例只是对本发明所作的解释说明，而本发明本身并不局限于所列举的实施例。

Claims (10)

1、一种水平井钻进系统，它包括钻杆总成、钻头、转向器、连在钻杆总成上端与普通钻杆对接的导管及连在转向器上端的护管，其特征在于：

a.钻杆总成的外部为由首、末节特殊链节及中间普通链节连为一体的链管，链管内为柔性(复合)内管及柔性内管前端头；

b.转向器的前端装有定位卡轮，转向轨道(通道)上端设有滚轮，后部设有用于打开链节锁定装置的压锁柱；

c.钻头上设有防止钻头与钻杆总成脱离的锁定栓及锁定孔，钻头的后端设有与钻杆总成对接的连接套筒，其上开有键槽；

d.在钻杆总成与导管之间装有组合接头，它包括上环套、套筒、下环套，与下环套连为一体的缓冲簧、连在缓冲簧下端的连接套及将导管与柔性内管固定为一体的连接施压套；

e.在转向器的下端设有定向器，定向器中轴的周围设有至少两只弹性臂，每只弹性臂上装有至少两只定位卡轮。

2、如权利要求1所述的水平井钻进系统，其特征在于：所述链管的链节连接处的弹性钢带上设有“D”形槽。

3、如权利要求1所述的水平井钻进系统，其特征在于：组合接头的下环套上端装有减阻滚珠。

4、如权利要求1所述的水平井钻进系统，其特征在于：在柔性(复合)内管的前端头上设有键，其形状为“P”形。

5、如权利要求1所述的水平井钻进系统，其特征在于：链管的壁上加工有便于油气渗透的孔或/和缝。

6、如权利要求1所述的水平井钻进系统，其特征在于：钻头后端的环形空间中装有减阻滚珠。

7、如权利要求1所述的水平井钻进系统，其特征在于：定向器的定位卡轮上设有平行于卡轮圆面的环形尖齿。

8、如权利要求1所述的水平井钻进系统，其特征在于：钻头连接套筒内壁上的键槽形状为“P”形。

9、如权利要求1所述的水平井钻进系统，其特征在于：柔性内管壁上有一层粗钢丝簧管和至少两层细钢丝簧管。

10、如权利要求9所述的柔性内管，其特征在于：粗钢丝簧管位于复合内管的最外层。

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