CN116677337B - 一种井下套管外开窗工具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下套管外开窗工具和方法，涉及能源开采领域，井下套管外开窗工具包括插削钻头和冲击工具，上连接杆、下连接杆和上部弹簧同轴设置并从上至下依次竖直的安装于冲击外壳内，上连接杆的下端设有上连接齿，每个上连接齿具有上连接螺旋齿面，下连接杆的上端具有下连接齿，每个下连接齿具有与上连接螺旋齿面相适配的下连接螺旋齿面，插削钻头的上端穿过上部弹簧并与下连接杆连接。有益效果是：通过上部弹簧弹性力以及下连接螺旋齿面与上连接螺旋齿面配合运转产生轴向往复轴向运动，插削钻头实现沿轴向往复插削运动，移动行程大、运转平稳，可传递的扭矩大、动力足。可解决复杂老井的套管外开窗难题，实现老井眼的重入或封堵。

Description

一种井下套管外开窗工具和方法

技术领域

本发明涉及能源开采领域，具体涉及一种井下套管外开窗工具和方法。

背景技术

国内大批老井因服役年限较长、井筒套管腐蚀磨损、射孔等因素的影响，发生套变，出现套管内外漏气和层间窜气，携带浅层水向地面返液造成严重环保问题。

套断井治理受到当地政府高度重视，尤其是环保治理井，环保井彻底封堵技术急需攻克，刻不容缓。套断井的治理，最基本的方法是大修，如打捞作业、套管整形作业、套管补接与取套换套作业等。但部分老井井筒条件恶劣，无法完成原井筒大修作业，因此需要在老井附近打救援井，通过管外开窗进入套管内部进行修井作业。

目前我国存在诸多老油气田，这也为储气库大规模建设提供了基础，但一些油田区块老井情况复杂，存在多个分支，井筒内有落物或者存在套变，老井口坍塌等复杂情况，这导致不能通过原井眼对老井进行处理，需要在老井附近打救援井，随后再对老井眼进行封堵。

沿着老井眼轨迹打救援井，需要保持定向精度，使得救援井轨迹始终与老井眼轨迹保持合适距离。目前通常用到的导向工具是无源磁导向工具，它可以捕捉老井眼井筒套管的磁信号，再通过信号分析处理，计算出救援井井眼与老井眼的实时相对位置，为下一步定向钻进提供可靠参数。救援井完钻之后，之前的惯常处理方法通过救援井井眼向老井眼方向射孔，目的是贯穿老井眼套管，再把水泥浆挤入老井眼井筒内，实现老井眼的封堵。但这种以射孔贯穿老井眼，再挤入水泥浆封堵的方式具有很大不确定性，不能确保老井眼的封堵密封性。同时，该方式无法实现下部套断井搭桥再利用。

最佳的处理方式是通过套管外开窗，钻入老井眼，实现老井眼的重入，再注入水泥浆进行封堵，这样的处理方式可以确保套断环保治理井和储气库老井眼储盖层的有效封堵。但这种处理方式涉及到老井眼井筒的管外开窗工艺，目前来看，套管外开窗工具较少，利用现有的开窗技术和工艺，从救援井裸眼井眼打到老井眼的套管处，由于普通钻头硬度大且地层结构较软，钻头与套管接触容易打滑，难以直接从套管外开窗，通过管外开窗实现老井眼重入的施工过程难以实现。因此需要探索出一种新的工具、技术和方法来解决救援井到老井眼的套管外开窗及老井眼重入等难题，进而实现高效封堵老井眼，保障储气库建设安全、环保井(或称为救援井)冒油冒气井彻底封堵、使套管外开窗搭桥再利用得到实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何实现套管外开窗。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种井下套管外开窗工具，包括插削钻头和冲击工具，所述冲击工具包括冲击外壳、上连接杆、下连接杆和上部弹簧，所述上连接杆、所述下连接杆和所述上部弹簧同轴设置并从上至下依次竖直的安装于所述冲击外壳内，所述上连接杆的下端沿其周向设有至少一个向下延伸的上连接齿，每个所述上连接齿具有上连接螺旋齿面，所述下连接杆的上端沿其周向设有至少一个向上延伸的下连接齿，每个所述下连接齿具有与上连接螺旋齿面相适配的下连接螺旋齿面，所述插削钻头的上端穿过所述上部弹簧并与所述下连接杆连接。

本发明的有益效果是：通过上部弹簧弹性力以及下连接螺旋齿面与上连接螺旋齿面配合运转产生轴向往复轴向运动，插削钻头实现沿轴向往复插削运动，采用下连接螺旋齿面与上连接螺旋齿面相配合的结构，下连接杆移动行程大、运转平稳，并且上连接杆与下连接杆可传递的扭矩大、动力足。本方案克服了采用常规旋转钻井方式时钻头容易向地层滑移缺点，采用往复插削形式可将老井眼的套管外部凸平面插出一个孔洞，从而便于后期作业。可解决复杂老井的套管外开窗难题，实现老井眼的重入或封堵，封堵时可保证老井眼的封堵密封性，为该区块储气库建设奠定基础。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述冲击工具还包括下部轴承、活塞杆、下部弹簧和冲击轴，所述下部轴承、所述活塞杆和所述冲击轴同轴设置，所述下部轴承和所述活塞杆位于所述冲击外壳内，所述下连接杆的下端通过所述下部轴承与所述活塞杆的上端相连，所述活塞杆的下端与所述冲击轴的上端固定连接，所述冲击轴的下端伸出所述冲击外壳并与所述插削钻头固定连接，所述下部弹簧套设于所述冲击轴的外侧，其一端与所述活塞杆抵接，另一端被限位。

采用上述进一步方案的有益效果是：下连接杆的下端通过下部轴承与活塞杆的上端相连，下连接杆与活塞杆相对转动，活塞杆仅直线往复移动，并通过活塞杆和冲击轴带动插削钻头移动，下部弹簧用于使活塞杆向上复位，保证活塞杆和下连接杆等结构复位的可靠性。

进一步，所述下连接杆的侧壁还具有螺旋形的外啮合齿，所述冲击外壳的内壁具有与所述外啮合齿相适配的内啮合槽，所述外啮合齿与所述内啮合槽螺纹配合。

采用上述进一步方案的有益效果是：外啮合齿与内啮合槽配合，对下连接杆进行导向，下连接杆的移动和转动过程中无抖动，运转更平稳，向下方插削钻头传递的力更大，插削效果更好。

进一步，所述冲击工具还包括活塞组件，所述活塞组件固定于所述活塞杆上，所述活塞组件与所述冲击外壳的内壁滑动抵接，并在所述冲击外壳内上下往复移动。

采用上述进一步方案的有益效果是：活塞组件与冲击外壳的内壁配合，对活塞杆的直线往复移动进行导向，使活塞杆移动更加平稳。

进一步，所述冲击工具还包括防掉半环，所述冲击轴侧壁具有防掉槽口，所述防掉半环固定于所述防掉槽口内，且所述防掉半环的外径大于所述冲击轴的外径，所述冲击外壳内具有限制所述防掉半环移动范围的防掉结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：防掉半环可防止冲击轴从冲击外壳中脱出。

进一步，所述冲击工具还包括密封组件，所述密封组件固定于所述冲击外壳下端的内壁，并与所述冲击轴密封的滑动抵接。

采用上述进一步方案的有益效果是：密封组件用于密封冲击外壳与冲击轴之间的间隙，以防止碎岩与泥浆进入内部，避免往复直线运动卡死情况的发生。

进一步，所述冲击轴与所述冲击外壳花键连接并导向。

采用上述进一步方案的有益效果是：冲击轴与冲击外壳花键配合，利用花键对冲击轴导向，进行长距离的无转动的直线往复运动。

进一步，还包括螺杆钻具，所述螺杆钻具包括钻具壳体、螺旋转子和传动轴，所述螺旋转子和所述传动轴从上至下依次连接并安装于所述钻具壳体内，所述钻具壳体的下端与所述冲击外壳的上端固定连接，所述传动轴的下端与所述上连接杆的上端固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：流体进入螺杆钻具的钻具壳体内，并流经螺旋转子，带动螺旋转子转动，从而为传动轴提供动力，传动轴带动上连接杆绕自身轴线转动。

进一步，所述螺杆钻具还包括万向轴，所述钻具壳体的中部具有可弯折的万向段，所述螺旋转子、所述万向轴和所述传动轴从上至下依次连接，且所述万向轴对应位于所述万向段内。

采用上述进一步方案的有益效果是：设置万向轴和万向段，从而螺旋转子与传动轴可呈不同夹角设置，不需要同轴设置就可以传动，以适用于各种井下工况。

本发明还提供一种井下套管外开窗方法，采用所述井下套管外开窗工具实现，包括以下步骤：

步骤1，在老井眼附近钻出一口救援井，直至遇到所述老井眼的套管；

步骤2，在所述救援井内下入救援井套管，并固井；

步骤3，在所述救援井内利用所述冲击工具下入所述插削钻头至所述老井眼的套管旁边，随后通过所述冲击工具控制所述插削钻头上下往复运动，以实现插削所述老井眼的套管；

步骤4，修窗；

步骤5，封堵所述老井眼；或者，从所述救援井重入所述老井眼。

有益效果是：本方案克服了采用常规旋转钻井方式时钻头容易向地层滑移缺点，采用往复插削形式可将老井眼的套管外部凸平面插出一个孔洞，从而便于后期作业。可解决复杂老井的套管外开窗难题，实现老井眼的重入或封堵，封堵时可保证老井眼的封堵密封性，为该区块储气库建设奠定基础。

附图说明

图1为本发明井下套管外开窗工具的结构图；

图2为本发明螺杆钻具的剖视图；

图3为本发明冲击工具的剖视图；

图4为图3冲击工具下半部分的放大图；

图5为图3冲击工具上半部分的放大图；

图6为本发明上连接杆的三维图；

图7为本发明下连接杆的三维图；

图8为本发明上接头的三维图；

图9为本发明滑套短节的三维图；

图10为本发明冲击轴的主视图；

图11为本发明插削钻头的三维图；

图12为本发明井下套管外开窗方法的通过磁导向工具串跟踪老井眼的示意图；

图13为本发明井下套管外开窗方法的钻救援井的示意图；

图14为本发明通过冲击工具插削老井眼的套管的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100、螺杆钻具；1、防掉总成；2、螺旋转子；3、万向轴；4、传动轴；401、下短节；

200、冲击工具；5、上接头；501、内啮合槽；6、动力传递接头；7、上连接杆；701、上连接螺旋齿面；8、下连接杆；801、下连接螺旋齿面；802、外啮合齿；9、上部轴承；10、中部连接短节；11、上部弹簧；12、连接轴；13、下部轴承；14、锁紧螺母；15、活塞锁紧帽；16、活塞密封总成；17、活塞套筒；18、活塞杆；19、上垫圈；20、下部弹簧；21、下垫圈；22、护套；23、防掉半环；24、冲击轴壳体；25、滑套短节；2501、内花键槽；26、轴向专用密封总成；27、滑套短节锁紧帽；28、防尘密封圈；29、冲击轴；2901、冲击轴内螺纹段；2902、冲击轴密封面；2903、外花键齿；2904、防掉槽口；

30、插削钻头；3001、钻头外螺纹段；3002、插削齿；31、套断处；32、老井眼；33、救援井；34、钻柱；35、地面放电设备；36、磁导向采集系统；37、放电电极；38、磁导向测量系统；39、PDC钻头。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图14所示，本实施例提供一种井下套管外开窗工具，包括插削钻头30和冲击工具200，所述冲击工具200包括冲击外壳、上连接杆7、下连接杆8和上部弹簧11，所述上连接杆7、所述下连接杆8和所述上部弹簧11同轴设置并从上至下依次竖直的安装于所述冲击外壳内，所述上连接杆7的下端沿其周向设有至少一个向下延伸的上连接齿，每个所述上连接齿具有上连接螺旋齿面701，所述下连接杆8的上端沿其周向设有至少一个向上延伸的下连接齿，每个所述下连接齿具有与上连接螺旋齿面701相适配的下连接螺旋齿面801，所述插削钻头30的上端穿过所述上部弹簧11并与所述下连接杆8连接。其中，随着所述上连接杆7转动，所述下连接螺旋齿面801沿所述上连接螺旋齿面701移动，使所述插削钻头30向下移动，或者，所述下连接杆8在所述上部弹簧11的弹性力作用下复位，所述插削钻头30向上移动。

通过上部弹簧11弹性力以及下连接螺旋齿面801与上连接螺旋齿面701配合运转产生轴向往复轴向运动，插削钻头30实现沿轴向往复插削运动，采用下连接螺旋齿面801与上连接螺旋齿面701相配合的结构，将上连接杆7绕冲击外壳轴线的转动动作转化为插削钻头30沿冲击外壳轴线的直线运动，下连接杆8移动行程大、运转平稳，并且上连接杆7与下连接杆8可传递的扭矩大、动力足。

现有开窗方式通常为套管内开窗，工具串下部有斜向器，钻头或铣锥磨鞋在套管内顺着斜向器斜面开窗。这种方式，钻头在内管内通过下部斜向器和套管将其约束住，相对容易开窗。从套管外进入套管内部时，若继续采用套管内开窗方式下部斜向器斜面若对不准套管，则无法开窗；即使对准了，由于开窗点钻头无套管约束，旋转钻头时钻头易向地层滑移，造成开窗失败。

本方案克服了采用常规旋转钻井方式时钻头容易向地层滑移缺点，采用往复插削形式可将老井眼32的套管外部凸平面插出一个孔洞，从而便于后期作业。可解决复杂老井的套管外开窗难题，实现老井眼的重入或封堵，封堵时可保证老井眼的封堵密封性，为该区块储气库建设奠定基础。

具体的，工作时，井下套管外开窗工具竖直设置，如图1-图7所示，上连接杆7的上连接齿还具有与其轴线平行的上连接断面，下连接杆8的下连接齿还具有与其轴线平行的下连接断面，上连接杆7绕其轴线转动时，先是在上部弹簧11的弹性力作用下，下连接螺旋齿面801与上连接螺旋齿面701抵接并沿其移动，下连接杆8产生向下移动的动作，带动插削钻头30向下移动，直至上连接杆7与下连接杆8相对移动至上连接齿的齿顶(上连接齿的下端)和下连接齿的齿顶(下连接齿的上端)抵接，随后，在上部弹簧11的弹性力作用下，上连接齿与下连接齿沿上连接断面和下连接断面相互靠近，下连接杆8向上移动复位，带动插削钻头30向上移动。上连接杆7再转动至下连接螺旋齿面801与上连接螺旋齿面701抵接时，重复上述动作。

可选的，上连接杆7转动时，在下连接螺旋齿面801与上连接螺旋齿面701配合作用下，下连接杆8实现绕自身轴线转动并向下移动，或者冲击外壳设置沿其轴线方向的导向机构，使下连接杆8仅沿轴线方向向下移动，而不发生转动。

可选的，插削钻头30与下连接杆8直接固定连接；或者两者通过其他部件间接的固定连接或传动连接，例如插削钻头30与下连接杆8通过轴承连接，或采用本说明书后续方案记载的连接方式。只要能够将下连接杆8的直线往复移动传递至插削钻头30的方案均在本发明的保护范围内。

具体的，所述冲击外壳包括依次固定连接且内部依次连通的上接头5、中部连接短节10、冲击轴壳体24和滑套短节25。上连接杆7和下连接杆8安装于上接头5内，上部弹簧11的上端位于上接头5内，下端位于中部连接短节10内，并与中部连接短节10内的台阶面抵接，实现对上部弹簧11下端的限位。

更为具体的，上部弹簧11的上端与所述下连接杆8的下端之间还设置有上部轴承9，这样，当下连接杆8转动时，上部弹簧11不会发生扭转，上部弹簧11仅沿其轴向伸缩，避免了上部弹簧11因扭转动作而造成损坏。

在上述任一方案的基础上，所述冲击工具200还包括下部轴承13、活塞杆18、下部弹簧20和冲击轴29，所述下部轴承13、所述活塞杆18和所述冲击轴29同轴设置，所述下部轴承13和所述活塞杆18位于所述冲击外壳内，所述下连接杆8的下端通过所述下部轴承13与所述活塞杆18的上端相连，所述活塞杆18的下端与所述冲击轴29的上端固定连接，所述冲击轴29的下端伸出所述冲击外壳并与所述插削钻头30固定连接，所述下部弹簧20套设于所述冲击轴29的外侧，其一端与所述活塞杆18抵接，另一端被限位。

下连接杆8的下端通过下部轴承13与活塞杆18的上端相连，下连接杆8与活塞杆18相对转动，活塞杆18仅直线往复移动，并通过活塞杆18和冲击轴29带动插削钻头30移动，下部弹簧20用于使活塞杆18向上复位，保证活塞杆18和下连接杆8等结构复位的可靠性。

具体的，下连接杆8的下端还固定连接有连接轴12，连接轴12的下端通过下部轴承13与活塞杆18的上端相连，上部弹簧11套设在连接轴12外。更为具体的，下部轴承13与活塞杆18之间通过锁紧螺母14连接。下连接杆8与连接轴12同步转动，由于存在下部轴承13，锁紧螺母14与活塞杆18仅沿其轴线直线往复移动。

具体的，冲击轴壳体内壁具有弹簧限位凸台，冲击轴壳体内还固定有护套22，护套22位于弹簧限位凸台下方，且与其间隔设置。下部弹簧20位于护套22和弹簧限位凸台之间，并被两者限位。下部弹簧20的上端与活塞杆18之间还设有上垫圈19，起到缓冲作用。下部弹簧20的下端还与冲击轴29的轴肩抵接，两者之间还设有下垫圈21，下垫圈21起到缓冲作用。

在上述任一方案的基础上，所述下连接杆8的侧壁还具有螺旋形的外啮合齿802，所述冲击外壳的内壁具有与所述外啮合齿802相适配的内啮合槽501，所述外啮合齿802与所述内啮合槽501螺纹配合。

外啮合齿802与内啮合槽501配合，对下连接杆8进行导向，下连接杆8的移动和转动过程中无抖动，运转更平稳，向下方插削钻头30传递的力更大，插削效果更好。

具体的，内啮合槽501位于上接头5的内壁。

在上述任一方案的基础上，所述冲击工具200还包括活塞组件，所述活塞组件固定于所述活塞杆18上，所述活塞组件与所述冲击外壳的内壁滑动抵接，并在所述冲击外壳内上下往复移动。

活塞组件与冲击外壳的内壁配合，对活塞杆18的直线往复移动进行导向，使活塞杆18移动更加平稳。

具体的，所述活塞组件包括活塞锁紧帽15、活塞密封总成16和活塞套筒17，活塞锁紧帽15与活塞套筒17均固定于活塞杆18外壁，活塞锁紧帽15和活塞套筒17的外壁上形成有环形的活塞密封槽，活塞密封总成16安装于活塞密封槽内，活塞密封总成16与冲击轴壳体24的内壁紧密接触并导向。活塞密封总成16采用常见的密封材料制成。

在上述任一方案的基础上，所述冲击工具200还包括防掉半环23，所述冲击轴29侧壁具有防掉槽口2904，所述防掉半环23固定于所述防掉槽口2904内，且所述防掉半环23的外径大于所述冲击轴29的外径，所述冲击外壳内具有限制所述防掉半环23移动范围的防掉结构。

防掉半环23可防止冲击轴29从冲击外壳中脱出。

防掉结构具体为：护套22上端具有沿径向向内的护套凸起，护套22下端与滑套短节25上端面抵接，且滑套短节25上端的内径小于护套22的内径，从而两者之间形成放掉台阶结构，防掉半环23沿其轴向移动的范围被限制在护套凸起和放掉台阶结构之间。可替代的，放掉结构也可以为通过其他形式形成的冲击外壳内部的两个凸起结构。

在上述任一方案的基础上，所述冲击工具200还包括密封组件，所述密封组件固定于所述冲击外壳下端的内壁，并与所述冲击轴29密封的滑动连接。

密封组件用于密封冲击外壳与冲击轴29之间的间隙，以防止碎岩与泥浆进入内部，避免往复直线运动卡死情况的发生。

具体的，密封组件包括轴向专用密封总成26、滑套短节锁紧帽27和防尘密封圈28，轴向专用密封总成26套设在滑套短节25与冲击轴29之间，起到密封作用，滑套短节锁紧帽27与滑套短节25下端固定连接，并将轴向专用密封总成26固定，防尘密封圈28安装于滑套短节锁紧帽27内壁，并与冲击轴29密封。可替代的，密封组件可以仅包括轴向专用密封总成26，轴向专用密封总成26与滑套短节25固定连接。

其中，轴向专用密封总成26采用常见的密封材料制成。

在上述任一方案的基础上，所述冲击轴29与所述冲击外壳花键连接并导向。

冲击轴29与冲击外壳花键配合，利用花键对冲击轴29导向，进行长距离的无转动的直线往复运动。

具体的，冲击轴29的外壁具有外花键齿2903，滑套短节25的内壁具有内花键槽2501，外花键齿2903与内花键槽2501花键配合，实现冲击轴29的直线导向。

具体的，冲击轴29下端还具有冲击轴内螺纹段2901，插削钻头30的上端具有钻头外螺纹段3001，冲击轴29与插削钻头30通过冲击轴内螺纹段2901和钻头外螺纹段3001螺纹连接。

具体的，冲击轴29的外壁具有冲击轴密封面2902，冲击轴29的冲击轴密封面2902与所述密封组件密封接触。

具体的，插削钻头30下端的周向具有多个沿其轴向设置的插削齿3002，插削齿3002结构类似于花键或齿轮，或类似于用于加工齿轮的插齿刀，外表面经过特殊处理，使其可以插削钢制的套管。

在上述任一方案的基础上，井下套管外开窗工具还包括螺杆钻具100，所述螺杆钻具100包括钻具壳体、螺旋转子2和传动轴4，所述螺旋转子2和所述传动轴4从上至下依次连接并安装于所述钻具壳体内，所述钻具壳体的下端与所述冲击外壳的上端固定连接，所述传动轴4的下端与所述上连接杆7的上端固定连接。

流体进入螺杆钻具100的钻具壳体内，并流经螺旋转子2，带动螺旋转子2转动，从而为传动轴4提供动力，传动轴4带动上连接杆7绕自身轴线转动。

具体的，上连接杆7的上端还固定连接有动力传递接头6，上连接杆7的上端通过动力传递接头6与传动轴4的下端固定连接。

具体的，钻具壳体的下端还固定有下短节401，钻具壳体的下端通过下短节401与冲击外壳的上端螺纹连接。

具体的，传动轴4通过轴承可转动的安装在钻具壳体内。

具体的，钻具壳体的上端固定有防掉总成1，防掉总成1内具有阶梯孔，螺旋转子2的上端具有转子限位端头，转子限位端头的直径大于所述阶梯孔的直径，从而阶梯孔可以避免转子限位端头向下脱出钻具壳体。

在上述任一方案的基础上，所述螺杆钻具100还包括万向轴3，所述钻具壳体的中部具有可弯折的万向段，所述螺旋转子2、所述万向轴3和所述传动轴4从上至下依次连接，且所述万向轴3对应位于所述万向段内。

设置万向轴3和万向段，从而螺旋转子2与传动轴4可呈不同夹角设置，不需要同轴设置就可以传动，以适用于各种井下工况。

在其中一个具体的示例中，井下套管外开窗工具的工作过程为：螺杆钻具100的上端与钻柱34连接，且其内部的通孔为钻井液提供通道，泥浆流入钻具壳体中带动螺旋转子2进行旋转，通过万向轴3实现传动轴4的旋转。钻具壳体的万向段有不同弯角可供选择，开窗作业时保持井下套管外开窗工具下端的高处对准老井眼32的套管。冲击工具200外部通过上接头5与螺杆钻具100的下短节401螺纹连接，内部通过动力传递接头6与传动轴4与进行连接，从而将螺杆钻具100内部旋转运作传递给冲击工具200的上连接杆7，上连接杆7与下连接杆8通过上连接螺旋齿面701和下连接螺旋齿面801啮合配合,将旋转运动转变为沿其轴线的直线往复运动。上部轴承9、中部连接短节10、上部弹簧11、连接轴12及下部轴承13等零件组成一级弹簧缓冲装置，同时可以使下连接杆8在上部弹簧11的弹力作用下恢复至原位。活塞密封总成16、活塞套筒17和活塞杆18等零件组成活塞组件，当下连接杆8与上连接杆7的螺旋齿面啮合时，旋转运动转变为直线往复运动，从而带动连接轴12产生位移，促使活塞杆18进行运动，活塞组件提供导向。上垫圈19、下部弹簧20和下垫圈21等零件组成二级弹簧缓冲装置，该装置与一级弹簧缓冲装置配合使用，使冲击轴29往复运动。滑套短节25和冲击轴29通过花键配合，可以进行长距离无转动的往复直线运动。轴向专用密封总成26、滑套短节锁紧帽27和防尘密封圈28等零件构成滑套短节25与冲击轴29的滑动密封装置，用于密封两结构之间的间隙，以防止碎岩与泥浆进入内部，避免往复直线运动卡死情况的发生，插削钻头30与冲击轴29下端通过螺纹连接，并随冲击轴29直线往复移动，从而插削老井眼32的套管。

本发明还提供一种井下套管外开窗方法，采用所述井下套管外开窗工具实现，包括以下步骤：

步骤1，在老井眼32附近钻出一口救援井33，直至遇到所述老井眼32的套管；

步骤2，在所述救援井33内下入救援井套管，并固井；

步骤3，在所述救援井33内利用所述冲击工具200下入所述插削钻头30至所述老井眼32的套管旁边，随后通过所述冲击工具200控制所述插削钻头30上下往复运动，以实现插削所述老井眼32的套管；

步骤4，修窗；

步骤5，封堵所述老井眼32；或者，从所述救援井33重入所述老井眼32。

本方案克服了采用常规旋转钻井方式时钻头容易向地层滑移缺点，采用往复插削形式可将老井眼32的套管外部凸平面插出一个孔洞，从而便于后期作业。可解决复杂老井的套管外开窗难题，实现老井眼的重入或封堵，封堵时可保证老井眼的封堵密封性，为该区块储气库建设奠定基础。

其中，从救援井33重入老井眼32，指的是：可以将开采设备从救援井33重新进入到老井眼32内进行开采。

本方案可应用于任意形式的老井眼的套管外开窗，在其中一个具体的示例中，如图12-图14所示，一种井下套管外开窗的方法，具体为：首先，如图12所示，通过磁导向工具串的导向作用，跟踪老井眼32(例如老井眼32为套断井，套断井内的套管从套断处31断开，分为上部套管和下部套管)，打出一口救援井33，在救援井33中下入钻柱34和PDC钻头39(聚晶金刚石复合片钻头)钻至老井眼32的套管处。具体的，对于套断井来说，该救援井33在套断处31开始与老井眼32并行，并延伸一定的深度(50米-100米)，随后与老井眼32轴线夹角呈小角度(3°以内)钻遇老井眼32的下部套管。

随后，起出磁导向工具串和井下钻具，在救援井33内下救援井套管固井。

待固井完成后，下入开窗井下工具串，开窗工具串自下而上分别包括插削钻头30、冲击工具200和套管开窗外特制的螺杆钻具100以及钻柱34。开窗工具串在井口转盘面的驱动下进行旋转，泥浆水从开窗工具串中流入，经过螺旋转子2，带动螺旋转子2进行旋转，上连接杆7与下连接杆8进行组合，使得旋转运动转变为往复直线运动，从而使得插削钻头30对套断井的下部套管外表面进行上下往复插削，切削出孔洞或打破钢套管凸平面边界条件，再采用铣锥磨鞋进行修窗作业，达到重入或封堵套断井下部老井眼目的。

其中，具体的，磁导向工具串包括自下至上依次连接的磁导向测量系统38、放电电极37、地面放电设备35和磁导向采集系统36，磁导向工具串可跟踪定位老井眼32的方向。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井下套管外开窗工具，其特征在于，包括插削钻头(30)和冲击工具(200)，所述冲击工具(200)包括冲击外壳、上连接杆(7)、下连接杆(8)和上部弹簧(11)，所述上连接杆(7)、所述下连接杆(8)和所述上部弹簧(11)同轴设置并从上至下依次竖直的安装于所述冲击外壳内，所述上连接杆(7)的下端沿其周向设有至少一个向下延伸的上连接齿，每个所述上连接齿具有上连接螺旋齿面(701)，所述下连接杆(8)的上端沿其周向设有至少一个向上延伸的下连接齿，每个所述下连接齿具有与上连接螺旋齿面(701)相适配的下连接螺旋齿面(801)，所述插削钻头(30)的上端穿过所述上部弹簧(11)并与所述下连接杆(8)连接；所述下连接螺旋齿面(801)沿所述上连接螺旋齿面(701)移动，使所述插削钻头(30)向下移动，或者，所述下连接杆(8)在所述上部弹簧(11)的弹性力作用下复位，所述插削钻头(30)向上移动。

2.根据权利要求1所述的一种井下套管外开窗工具，其特征在于，所述冲击工具(200)还包括下部轴承(13)、活塞杆(18)、下部弹簧(20)和冲击轴(29)，所述下部轴承(13)、所述活塞杆(18)和所述冲击轴(29)同轴设置，所述下部轴承(13)和所述活塞杆(18)位于所述冲击外壳内，所述下连接杆(8)的下端通过所述下部轴承(13)与所述活塞杆(18)的上端相连，所述活塞杆(18)的下端与所述冲击轴(29)的上端固定连接，所述冲击轴(29)的下端伸出所述冲击外壳并与所述插削钻头(30)固定连接，所述下部弹簧(20)套设于所述冲击轴(29)的外侧，其一端与所述活塞杆(18)抵接，另一端被限位。

3.根据权利要求2所述的一种井下套管外开窗工具，其特征在于，所述下连接杆(8)的侧壁还具有螺旋形的外啮合齿(802)，所述冲击外壳的内壁具有与所述外啮合齿(802)相适配的内啮合槽(501)，所述外啮合齿(802)与所述内啮合槽(501)螺纹配合。

4.根据权利要求2所述的一种井下套管外开窗工具，其特征在于，所述冲击工具(200)还包括活塞组件，所述活塞组件固定于所述活塞杆(18)上，所述活塞组件与所述冲击外壳的内壁滑动抵接，并在所述冲击外壳内上下往复移动。

5.根据权利要求2所述的一种井下套管外开窗工具，其特征在于，所述冲击工具(200)还包括防掉半环(23)，所述冲击轴(29)侧壁具有防掉槽口(2904)，所述防掉半环(23)固定于所述防掉槽口(2904)内，且所述防掉半环(23)的外径大于所述冲击轴(29)的外径，所述冲击外壳内具有限制所述防掉半环(23)移动范围的防掉结构。

6.根据权利要求2所述的一种井下套管外开窗工具，其特征在于，所述冲击工具(200)还包括密封组件，所述密封组件固定于所述冲击外壳下端的内壁，并与所述冲击轴(29)密封的滑动抵接。

7.根据权利要求2所述的一种井下套管外开窗工具，其特征在于，所述冲击轴(29)与所述冲击外壳花键连接并导向。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种井下套管外开窗工具，其特征在于，还包括螺杆钻具(100)，所述螺杆钻具(100)包括钻具壳体、螺旋转子(2)和传动轴(4)，所述螺旋转子(2)和所述传动轴(4)从上至下依次连接并安装于所述钻具壳体内，所述钻具壳体的下端与所述冲击外壳的上端固定连接，所述传动轴(4)的下端与所述上连接杆(7)的上端固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种井下套管外开窗工具，其特征在于，所述螺杆钻具(100)还包括万向轴(3)，所述钻具壳体的中部具有可弯折的万向段，所述螺旋转子(2)、所述万向轴(3)和所述传动轴(4)从上至下依次连接，且所述万向轴(3)对应位于所述万向段内。

10.一种井下套管外开窗方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述井下套管外开窗工具实现，包括以下步骤：

步骤1，在老井眼(32)附近钻出一口救援井(33)，直至遇到所述老井眼(32)的套管；

步骤2，在所述救援井(33)内下入救援井套管，并固井；

步骤3，在所述救援井(33)内利用所述冲击工具(200)下入所述插削钻头(30)至所述老井眼(32)的套管旁边，随后通过所述冲击工具(200)控制所述插削钻头(30)上下往复运动，以实现插削所述老井眼(32)的套管；

步骤4，修窗；

步骤5，封堵所述老井眼(32)；或者，从所述救援井(33)重入所述老井眼(32)。