CN117449768A - 侧钻工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种侧钻工具，该侧钻工具包括：外管柱、分支管柱和锁紧机构，分支管柱设置于外管柱内；外管柱包括开窗套筒和锚定短节，锚定短节能够锚定于主井眼内；分支管柱包括侧钻钻头，分支管柱能够在外管柱内沿分支管柱的纵向活动并经开窗套筒开窗侧钻；锁紧机构能够将分支管柱与外管柱可解脱地锁定，分支管柱与外管柱能够可控地解锁和锁紧，在完成分支井钻井作业之后分支管柱能够回收至外管柱内部。

Description

侧钻工具

技术领域

本发明涉及钻井装备的技术领域，尤其涉及一种侧钻工具。

背景技术

通过对主井眼开窗侧钻，进行分支井钻井，可将主井眼周围的油层开采出来，从而提高油井油藏的开采效率，开窗侧钻技术是油气开采的关键技术。开窗侧钻过程中，先将斜向器锚定在主井眼中，斜向器中的分支钻柱在导向机构的作用下，对斜向器进行开窗并沿主井眼的侧向钻井。

发明内容

本发明的目的是提供一种侧钻工具，分支管柱与外管柱能够可控地解锁和锁紧，在完成分支井钻井作业之后分支管柱能够回收至外管柱内部。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种侧钻工具，包括：外管柱、分支管柱和锁紧机构，所述分支管柱设置于所述外管柱内；所述外管柱包括开窗套筒和锚定短节，所述锚定短节能够锚定于主井眼内；

所述分支管柱包括侧钻钻头，所述分支管柱能够在所述外管柱内沿所述分支管柱的纵向活动并经所述开窗套筒开窗侧钻；所述锁紧机构能够将所述分支管柱与所述外管柱可解脱地锁定。

在优选的实施方式中，所述开窗套筒包括导向体，所述开窗套筒的筒壁上开设有窗口或槽，所述导向体固定于所述窗口或槽附近，所述分支管柱能够沿所述导向体向下活动以穿过所述窗口或槽开窗侧钻。

在优选的实施方式中，所述锁紧机构包括第二锁紧机构，所述第二锁紧机构能够将所述分支管柱与所述外管柱可解脱地锁定。

在优选的实施方式中，所述导向体设置有沟槽；所述第二锁紧机构包括挂钩和挂钩驱动机构，所述挂钩驱动机构能够驱动所述挂钩沿径向伸缩，所述挂钩能够随所述分支管柱向上活动至进入所述沟槽中。

在优选的实施方式中，所述沟槽为滑动沟槽，所述滑动沟槽的宽度自下往上缩小。

在优选的实施方式中，所述第二锁紧机构靠近所述侧钻钻头。

在优选的实施方式中，所述分支管柱的外表面设置有卡槽；所述锁紧机构包括第一锁紧机构，所述第一锁紧机构包括第一电磁线圈、第一弹片和锁紧卡瓦，所述第一弹片和所述第一电磁线圈与所述锁紧卡瓦连接且能够驱动所述锁紧卡瓦进入所述卡槽或者从所述卡槽中退出。

在优选的实施方式中，所述分支管柱的外表面设置有卡槽；所述锁紧机构包括第一锁紧机构，所述第一锁紧机构包括第一液压缸、液压活塞和复位弹簧，所述液压缸设置于所述外管柱，所述复位弹簧和所述第一液压缸与所述液压活塞连接且能够驱动所述液压活塞进入所述卡槽或者从所述卡槽中退出。

在优选的实施方式中，所述锚定短节上安装有锚定驱动机构、第二弹片和锚定伸缩爪，所述锚定伸缩爪能够在所述第二弹片的限制下缩回在所述锚定短节内部，所述锚定驱动机构能够驱动所述锚定伸缩爪朝外活动以锚定于主井眼井壁。

在优选的实施方式中，所述外管柱与所述分支管柱之间设置有固定扶正器。

本发明的特点及优点是：

分支管柱能够可控地由外管柱内部滑出进行分支井钻进，锁紧机构可控制外管柱和分支管柱之间的结合与解脱。下钻过程中，锁紧机构处于锁闭状态；钻具下入至预定井深后，并通过锚定短节完成外管柱的锚定；侧钻作业期间，锁紧机构处于解锁状态，分支管柱由外管柱内部滑出进行分支井钻进；在完成分支井钻井作业之后，分支管柱能够回收至外管柱内部进行锁定，锁紧机构可控地恢复锁闭状态，分支管柱通过锁紧机构再次锁紧。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的侧钻工具的结构示意图；

图2为本发明提供的侧钻工具的剖视图；

图3为本发明提供的侧钻工具中的分支管柱的结构示意图；

图4为本发明提供的侧钻工具中的第一锁紧机构一实施方式的结构示意图；

图5为本发明提供的侧钻工具中的第二锁紧机构的结构示意图；

图6为本发明提供的侧钻工具中的导向体的斜视图；

图7为图5中C处的局部放大图；

图8为本发明提供的侧钻工具中的锚定短节的结构示意图；

图9为本发明提供的侧钻工具中的第一锁紧机构又一实施方式的结构示意图。

附图标号说明：

10、外管柱；11、锁紧短节；12、过渡钻杆；13、引斜；101、上部钻柱；

21、开窗套筒；211、窗口；

30、导向体；31、液流流道；311、流通间隙；312、液流通道；32、导向斜面；

40、锚定短节；41、锚定短节壳体；42、锚定驱动机构；421、第二电磁线圈；43、第二弹片；44、锚定伸缩爪；45、第二限位机构；

50、分支管柱；51、送钻管柱；52、锁紧头；53、侧钻管柱；54、侧钻钻头；

60、第一锁紧机构；

611、第一电磁线圈；612、第一弹片；613、锁紧卡瓦；614、第一限位机构；

621、第一液压缸；622、液压活塞；623、复位弹簧；

63、卡槽；

70、第二锁紧机构；

71、挂钩；72、挂钩驱动机构

73、沟槽；731、滑动沟槽；732、导引斜面；

80、固定扶正器；

91、斜向器端通讯电路；92、钻柱端通讯电路。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种侧钻工具，如图1-图9所示，包括：外管柱10、分支管柱50和锁紧机构，分支管柱50设置于外管柱10内；外管柱10包括开窗套筒21和锚定短节40，锚定短节40能够锚定于主井眼内；分支管柱50包括侧钻钻头54，分支管柱50能够在外管柱10内沿分支管柱50的纵向活动并经开窗套筒21开窗侧钻；锁紧机构能够将分支管柱50与外管柱10可解脱地锁定。

分支管柱50能够可控地由外管柱10内部滑出进行分支井钻进，锁紧机构可控制外管柱10和分支管柱50之间的结合与解脱，当锁紧机构锁紧时，分支管固定于外管柱10内部；当锁紧机构解锁时，分支管柱50可受控地滑出或收回到外管柱10内部。下钻过程中，锁紧机构处于锁闭状态，钻具下入至预定井深后，可进行测井调整方位，并通过锚定短节40完成外管柱10的锚定；侧钻作业期间，锁紧机构处于解锁状态，分支管柱50由外管柱10内部滑出进行分支井钻进；在完成分支井钻井作业之后，分支管柱50能够回收至外管柱10内部进行锁定，锁紧机构可控地恢复锁闭状态，分支管柱50通过锁紧机构再次锁紧，方便对外管柱进行打捞。

如图1和图2所示，外管柱10包括自上而下分布的锁紧短节11、过渡钻杆12、开窗套筒21和锚定短节40，相邻钻杆和短节之间均可以螺纹连接固定；位于外管柱10上端的锁紧短节11可与上部钻柱101连接。位于外管柱10下端的锚定短节40可以连接引斜13，锚定短节40与引斜13之间可以直接连接；锚定短节40还可以通过其他井下钻具来与引斜13连接，如涡轮或螺杆等井底动力钻具。过渡钻杆12可为常规钻杆，可由若干刚性钻杆组成，保证其长度大于分支井眼的设计长度，以满足容纳分支管柱50的需求。

如图2和图3所示，分支管柱50包括自上而下分布的锁紧头52、侧钻管柱53和侧钻钻头54，锁紧头52、侧钻管柱53和钻头可采用螺纹或者铰接连接，侧钻管柱53可为任意一种能够实现分支井眼稳定导向钻进的柔性钻柱；位于分支管柱50上端的锁紧头52可通过螺纹与上部送钻管柱51连接。

进一步地，开窗套筒21的筒壁上开设有窗口211或槽，开窗套筒21还包括导向体30，导向体30固定于窗口211或槽附近，分支管柱50能够沿导向体30向下活动以穿过窗口211或槽开窗侧钻。在一实施例中，导向体30设置有上下贯通的液流流道31。导向体30设有导向斜面32，并且导向斜面32朝向窗口211。外管柱10和分支管柱50的内部流道是相互独立的，主井眼钻井作业时，钻井液可通过液流通道312顺利向下流入引斜13进入井眼完成循环。液流流道31作为钻井液的流通通道，具体地，如图5所示，液流流道31包括流通间隙311和液流通道312，外管柱10和分支管柱50之间的环空间隙即为流通间隙311，液流通道312设于导向体30内部。通常情况下，上述作业前进行刮管作业，以保障套管的内通径。

在一些实施方式中，锁紧机构包括第二锁紧机构70，第二锁紧机构70能够将分支管柱50与外管柱10可解脱地锁定。下钻过程中，第二锁紧机构70均处于锁闭状态，钻具下入至预定井深后，可进行测井调整方位，并完成外管柱10的锚定；侧钻作业期间，第二锁紧机构70均处于解锁状态，分支管柱50由外管柱10内部滑出进行分支井钻进；在完成分支井钻井作业之后，分支管柱50回收至外管柱10内部，第二锁紧机构70均恢复锁闭状态。优选地，第二锁紧机构70靠近侧钻钻头54，如图2所示，第二锁紧机构70设置于分支管柱50底部近侧钻钻头54位置。开窗套筒21上的窗口211也可以设置封堵结构以进行封堵，以将开窗套筒21的内腔与外部环空隔开。

第二锁紧机构70可将分支管柱50锁定在外管柱10内部，第二锁紧机构70的控制形式可以包括但不仅限于机械控制、液压控制、电动控制、电磁控制等的任何一种形式。在一些实施方式中，导向体30设置有沟槽73；第二锁紧机构70包括挂钩71和挂钩驱动机构72，挂钩驱动机构72能够驱动挂钩71沿径向伸缩，挂钩71能够随分支管柱50向上活动至进入沟槽73中。当挂钩71伸出或缩回时，分支管柱50随之与导向体30锁定或脱钩。挂钩驱动机构72可以为液压缸。

沟槽73设置于导向体30的导向斜面32，如图2、图3、图5和图7所示，沟槽73的开口朝下。进一步地，沟槽73为滑动沟槽731，如图5和图6所示，滑动沟槽731的宽度自下往上缩小。挂钩71可在滑动沟槽731内自由滑动，当挂钩71滑动至滑动沟槽731最上端时，挂钩71即可挂住导向体30，分支管柱50此时与外管柱10保持同轴。通过滑动沟槽731，有利于确保当分支管柱50回收至外管柱10内部时挂钩71能顺利进入到沟槽73中以挂住导向体30。导向沟槽73的最下端设置有导引斜面732，使得挂钩71即使偏离沟槽73方位，也能在导引斜面732的作用下摆正，继而沿着沟槽73直至顶部完成悬挂，以确保挂钩71能够准确进入滑动沟槽731。

分支管柱50在外管柱10内部完成锁紧和解锁。在一些实施方式中，锁紧机构包括第一锁紧机构60，第一锁紧机构60设置于第二锁紧机构70的上方。该侧钻工具中，锁紧机构可以选用第一锁紧机构60或第二锁紧机构70中任一个，在一些情况下，也可以同时设置第一锁紧机构60和第二锁紧机构70。

为实现分支管柱50的锁定和解锁，第一锁紧机构60的控制形式可以包括但不仅限于机械控制、液压控制、电动控制、电磁控制等的任何一种形式。

第一锁紧机构60的控制形式可以采用液压控制：锁紧头52的外表面设置有卡槽63；第一锁紧机构60包括第一液压缸621、液压活塞622和复位弹簧623，第一液压缸621设置于锁紧短节11，复位弹簧623和第一液压缸621与液压活塞622连接且能够驱动液压活塞622进入卡槽63或者从卡槽63中退出。当第一液压缸621内部保持低压时，液压活塞622在复位弹簧623的作用下缩回至锁紧短节11的内部，此时第一锁紧机构60处于解锁状态，分支管柱50可在外管柱10内部自由滑行。具体地，第一液压缸621的液压源可以是地面或井底液压源，第一液压缸621与液压源之间通过液压管线或流道进行连接和密封。如图4所示，锁紧头52的外表面设置有若干纵向分布的卡槽63，相应地，设置有多级液压活塞622和多个复位弹簧623。

第一液压缸621及复位弹簧623的设置方式不限于一种，例如：第一液压缸621可以设置在靠近锁紧短节11的内壁面一侧，复位弹簧623则设置在靠近锁紧短节11的外壁面一侧，当第一液压缸621内部保持低压时，液压活塞622在复位弹簧623的作用下伸出锁紧短节11的内部，压活塞进入到锁紧头52外表面的卡槽63内，分支管柱50锁定在外管柱10内部保持固定。

第一锁紧机构60、第二锁紧机构70和锚定系统可以均为液压控制，液压控制系统包括地面和/或井底液压源、液压线路和液压执行机构，液压执行机构即为采用液压控制的第一锁紧机构60、第二锁紧机构70或锚定驱动机构42。

在另一些实施方式中，第一锁紧机构60的控制形式采用电磁控制：锁紧头52的外表面设置有卡槽63；第一锁紧机构60包括第一电磁线圈611、第一弹片612和锁紧卡瓦613，第一弹片612和第一电磁线圈611与锁紧卡瓦613连接且能够驱动锁紧卡瓦613进入卡槽63或者从卡槽63中退出。如图9所示，第一电磁线圈611、第一弹片612和锁紧卡瓦613均设置于锁紧短节11内部，并呈圆周均匀分布。第一电磁线圈611通过连接电路与地面电连接。自由状态时，锁紧卡瓦613在第一弹片612的限制下伸出锁紧短节11的内壁面并进入到卡槽63内时，使分支管柱50锁定在外管柱10内部；当通电时，第一电磁线圈611产生磁力吸引锁紧卡瓦613朝靠近第一电磁线圈611一侧移动，第一弹片612克服弹性势能被压缩，实现解锁；当需要锁定时，地面切断电信号，使得第一电磁线圈611磁力消失，此时，第一弹片612释放蓄积的弹性势能，推动锁紧卡瓦613朝远离第一电磁线圈611的一侧移动恢复自由状态完成锁定。进一步地，第一锁紧机构60还包括能够限制锁紧卡瓦613位移的第一限位机构614。

通过锚定短节40，该侧钻工具能够可控地完成外管柱10在主井眼内锚定，当主井眼钻至预定井深需要开窗侧钻时，锚定短节40开始动作，完成锚定，锚定短节40的控制形式可以包括但不仅限于机械控制、液压控制、电动控制、电磁控制等的任何一种形式。锚定短节40包括锚定短节壳体41，在一些实施方式中，锚定短节壳体41上安装有锚定驱动机构42、第二弹片43和锚定伸缩爪44，锚定伸缩爪44能够在第二弹片43的限制下缩回在锚定短节40内部，锚定驱动机构42能够驱动锚定伸缩爪44朝外活动以锚定于主井眼井壁。锚定驱动机构42包括第二电磁线圈421，锚定短节40的控制形式采用电磁控制，第二电磁线圈421通过连接电路与地面电连接。第二电磁线圈421、第二弹片43和锚定伸缩爪44均设置于锚定短节40内部，并呈圆周均匀分布。自由状态时，锚定伸缩爪44在第二弹片43的限制下缩回在锚定短节40内部，外管柱10可以正常钻进；在需要锚定时，锚定伸缩爪44伸出锚定短节40外壁面。当通电时，第二电磁线圈421产生磁力吸引锚定伸缩爪44朝靠近第二电磁线圈421一侧移动，第二弹片43克服弹性势能被压缩，完成锚定；当需要解除锚定时，地面切断电信号，使得第二电磁线圈421磁力消失，此时，由于第二弹片43释放蓄积的弹性势能，推动锚定伸缩爪44朝远离第二电磁线圈421的一侧移动恢复自由状态，完成解卡。需要说明的是，当锚定短节40完成锚定后，开窗套筒21上的窗口211位置应处于设计开窗侧钻位置。优选地，锚定短节40设置有限制锚定伸缩爪44位移的第二限位机构45。

如图2所示，该侧钻工具包括通讯系统，通讯系统包括：斜向器端通讯电路91和钻柱端通讯电路92，能实现分支管柱50和外管柱10与地面控制中心之间的通讯连接。具体地，第二电磁线圈421与斜向器端通讯电路91电连接，通过第二电磁线圈421控制外管柱10的锚定。

进一步地，外管柱10与分支管柱50之间设置有固定扶正器80，以确保分支管柱50的稳定性。优选地，分支管柱50与外管柱10的环空间隙内设置有若干固定扶正器80，并且最下端的固定扶正器80位于开窗套筒21的上端。固定扶正器80也可以替换为其他扶正装置和/或扶正方法。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种侧钻工具，其特征在于，包括：外管柱、分支管柱和锁紧机构，所述分支管柱设置于所述外管柱内；所述外管柱包括开窗套筒和锚定短节，所述锚定短节能够锚定于主井眼内；

所述分支管柱包括侧钻钻头，所述分支管柱能够在所述外管柱内沿所述分支管柱的纵向活动并经所述开窗套筒开窗侧钻；所述锁紧机构能够将所述分支管柱与所述外管柱可解脱地锁定。

2.根据权利要求1所述的侧钻工具，其特征在于，所述开窗套筒的筒壁上开设有窗口或槽，所述开窗套筒还包括导向体，所述导向体固定于所述窗口或槽附近，所述分支管柱能够沿所述导向体向下活动以穿过所述窗口或槽开窗侧钻。

3.根据权利要求2所述的侧钻工具，其特征在于，所述锁紧机构包括第二锁紧机构，所述第二锁紧机构能够将所述分支管柱与所述外管柱可解脱地锁定。

4.根据权利要求3所述的侧钻工具，其特征在于，所述导向体设置有沟槽；所述第二锁紧机构包括挂钩和挂钩驱动机构，所述挂钩驱动机构能够驱动所述挂钩沿径向伸缩，所述挂钩能够随所述分支管柱向上活动至进入所述沟槽中。

5.根据权利要求4所述的侧钻工具，其特征在于，所述沟槽为滑动沟槽，所述滑动沟槽的宽度自下往上缩小。

6.根据权利要求3所述的侧钻工具，其特征在于，所述第二锁紧机构靠近所述侧钻钻头。

7.根据权利要求1所述的侧钻工具，其特征在于，所述分支管柱的外表面设置有卡槽；所述锁紧机构包括第一锁紧机构，所述第一锁紧机构包括第一电磁线圈、第一弹片和锁紧卡瓦，所述第一弹片和所述第一电磁线圈与所述锁紧卡瓦连接且能够驱动所述锁紧卡瓦进入所述卡槽或者从所述卡槽中退出。

8.根据权利要求1所述的侧钻工具，其特征在于，所述分支管柱的外表面设置有卡槽；所述锁紧机构包括第一锁紧机构，所述第一锁紧机构包括第一液压缸、液压活塞和复位弹簧，所述液压缸设置于所述外管柱，所述复位弹簧和所述第一液压缸与所述液压活塞连接且能够驱动所述液压活塞进入所述卡槽或者从所述卡槽中退出。

9.根据权利要求1所述的侧钻工具，其特征在于，所述锚定短节上安装有锚定驱动机构、第二弹片和锚定伸缩爪，所述锚定伸缩爪能够在所述第二弹片的限制下缩回在所述锚定短节内部，所述锚定驱动机构能够驱动所述锚定伸缩爪朝外活动以锚定于主井眼井壁。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的侧钻工具，其特征在于，所述外管柱与所述分支管柱之间设置有固定扶正器。