CN118257493A - 高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法。该涡轮包括：涡轮本体和叶轮；传动轴一端与叶轮相连，另一端伸入涡轮本体的空腔中；叶轮上设置有多个与纵轴线呈预设夹角的叶片；叶轮朝向涡轮本体的一面与传动轴连接；叶轮背向涡轮本体的另一端用于连接铣头或钻头；涡轮本体底部沿轴向开设有一与空腔连通的中央进液孔，周向开设若干连通的前向斜孔、前向孔、后向孔，且与中央进液孔之间通过侧向孔连通，前向斜孔的开口朝向叶轮上的叶片，以便经由进液孔进入涡轮本体内的高压流体通过前向斜孔冲击叶片以带动传动轴旋转；流体经由后向孔喷射以推动涡轮前进。本发明可解决高温作业环境下坚硬地层无法有效破岩等难题。

Description

高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法

技术领域

本发明涉及油气田钻完井工程技术领域，特别涉及一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法。

背景技术

径向钻井技术可在地层中同一层位或不同层位钻出多个10～30m以上的辐射状微小水平孔眼，达到解除地层污染、扩大泄流面积(采油/气井)或波及范围(注水/气井)、沟通剩余油气富集区、完善井网等目的。目前，主要应用于老井剩余油气挖潜、注入井解堵、煤层气提高单井产量、辅助酸化压裂改造等领域。

当前油气勘探开发正在向深层(埋藏深度超过3500m)油气藏不断拓展。深层油气储集层主要包括碎屑岩、碳酸盐岩、火山岩等，地层温度可达295℃。稠油超稠油采用蒸汽吞吐、蒸汽驱、SAGD(蒸汽辅助重力泄油)、火烧油层等热力开采方式，油层温度可达300℃以上。地热资源量非常巨大、清洁环保，在“碳达峰、碳中和”战略的引领下，如何经济高效利用是促进地热能规模化利用的关键。地热水资源的储量较大，其温度范围从接近于室温到高达390℃；干热岩系统是地层深处具有150℃～650℃左右温度的热岩层，渗透性差、不存在流体；目前井下换热器和增强型地热系统是主要的地热取热方法。径向钻井技术应用深层油气藏、稠油超稠油、地热等领域，对于提高深层油气藏单井产量、稠油超稠油热力开采效果及地热取换热效率等方面具有重要意义，应用前景广阔。

由于现有径向钻井工具系统使用的小尺寸动力马达等关键部件耐温有限(不超过150℃)，且存在火山岩等坚硬地层无法喷射破岩等问题，因此在高温作业环境和硬地层条件下应用受限，严重制约了技术的发展和推广。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法。

第一方面，本发明实施例提供一种钻井用涡轮，包括：涡轮本体、叶轮和与传动轴；

所述涡轮本体具有一空腔，所述传动轴一端与所述叶轮相连，另一端伸入所述空腔中；

所述叶轮上设置有多个与纵轴线呈预设夹角的叶片；所述叶轮朝向涡轮本体的一面与所述传动轴连接；所述叶轮背向所述涡轮本体的另一端用于连接外部的铣头或钻头；

所述涡轮本体与所述叶轮相对设置；所述涡轮本体底部沿轴向开设有一与所述空腔连通的中央进液孔，且周向开设若干贯穿孔，所述贯穿孔与所述中央进液孔之间通过径向设置的侧向孔连通；所述贯穿孔包括：依次连通的前向斜孔、前向孔、后向孔；所述前向斜孔的开口朝向所述叶轮上的叶片，以便经由中央进液孔进入涡轮本体内的高压流体通过所述前向斜孔冲击所述叶片以带动传动轴旋转；且所述流体经由后向孔喷射出以推动所述钻井用涡轮前进。

在一个实施例中，所述前向斜孔和所述后向孔分别相对于所述前向孔倾斜设置。

在一个实施例中，所述传动轴与所述涡轮本体的空腔内壁之间设置有轴承，且所述中央进液孔与所述涡轮本体的空腔通过纵向的过流孔连通。

在一个实施例中，所述传动轴中还设置有冲洗孔，所述冲洗孔与所述过流孔连通。

在一个实施例中，所述涡轮本体的外边缘还设置有若干扶正棱。

在一个实施例中，所述叶轮上还开设有若干配重孔，所述配重孔内嵌有若干配重物。

第二方面，本发明实施例提供一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统，包括：导向管柱、送进管、挠性管、如前述的涡轮、铣头和钻头；其中：

所述导向管柱包括：依次连接的定向短节、上锚定封隔器、导向器、下锚定封隔器和引鞋；

所述涡轮的输出端用于与铣头或者钻头连接；

所述挠性管一端与送进管连接，另一端与涡轮连接，以便所述送进管穿设所述定向短节和上锚定封隔器将所述挠性管的一端送入所述导向器，在所述导向器的引导下所述挠性管连接的涡轮和铣头进行套管开口或所述挠性管连接的涡轮和钻头进行地层钻进。

在一个实施例中，所述导向器包括导向器本体；所述导向器本体上开设有导向进口、导向轨道和导向出口，所述导向进口和导向出口通过所述导向轨道相连通；所述导向进口和导向出口之间的夹角取值在20～90度之间。

在一个实施例中，所述导向器本体沿轴向还开设有若干传压孔。

在一个实施例中，所述定向短节包括一定向键，所述定向键与所述导向器的导向出口的方位角保持一致或者保持预设的角度差。

第三方面，本发明实施例提供一种如前述的高温坚硬地层适用的钻井工具系统的使用方法，包括：

将导向管柱下入井下后，将所述导向管柱锚定和坐封；

通过送进管将与所述送进管连接的挠性管、涡轮和铣头下入所述导向管柱中，在导向管柱导向器的引导下实现转向，当铣头与套管内壁接触时，向送进管和挠性管中泵入预设压力和速度的流体，通过涡轮带动铣头对套管进行开孔；

通过送进管起出挠性管、涡轮和铣头，将所述铣头更换为钻头，并将所述送进管、挠性管、涡轮和钻头依次连接；

通过送进管将与所述送进管连接的挠性管、涡轮和钻头下入所述导向管柱中，并在导向管柱导向器的引导下实现转向，当钻头通过套管上的开孔与套管外的地层接触时，向送进管和挠性管中泵入预设压力和速度的流体，通过涡轮带动钻头对地层钻进；

起出送进管、挠性管、涡轮和钻头，解封和起出导向管柱。

在一个实施例中，所述方法，还包括：

在将所述导向管柱锚定和坐封之前，向导向器的导向进口处投入可溶材料制成的小球，以便在导向管柱锚定和坐封过程中通过所述小球密封所述导向进口，以及在完成导向柱的锚定和坐封之后，所述可溶材料溶解，所述导向器的导向进口、导向轨道和导向出口重新畅通。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例适用于高温坚硬地层的钻井工具系统、涡轮及及其使用方法，涡轮本体底部沿轴向开设有一与所述空腔连通的中央进液孔，且周向开设若干前向斜孔、前向孔、后向孔与中央进液孔之间通过径向设置的侧向孔连通；前向斜孔的开口朝向叶轮上的叶片，这样的设计，可经由中央进液孔进入涡轮本体内的高压流体通过所述前向斜孔冲击所述叶片以带动传动轴旋转；且所述液体经由后向孔喷射出以推动所述钻井用涡轮前进。本发明实施例提供的上述钻井用涡轮，在地面泵入高压流体时，可驱动铣头进行套管开孔，更换钻头后，可驱动钻头进行微孔破岩钻进地层。由于涡轮整体由高压流体驱动，为无橡胶部件，与行业内常规的螺杆钻具相比，具有耐高温、工作效率高且随时间变化小、稳定性好，可较好地满足高温作业环境要求。采用该涡轮的钻井工具系统，可实现高转速、低钻压磨削方式为主进行破岩，形成径向微小孔眼，钻进效率高、适应范围广、破岩能力强，实现坚硬地层、高研磨性地层径向钻进微小孔眼的有效破岩；大大提高了作业井深能力，大幅度拓展了适用温度范围和岩性范围，使径向钻井技术在深层油气藏、稠油超稠油、地热等高温作业环境和/或坚硬地层条件下应用成为现实。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中钻井用的涡轮的剖视图；

图2为本发明实施例中涡轮的B向视图；

图3为本发明实施例中涡轮C-C方向上的剖视图；

图4为本发明实施例中涡轮配重孔的结构示意图；

图5为本发明实施例中高温坚硬地层适用的钻井工具系统的结构示意图；

图6A-6B为本发明实施例中带传压功能的导向器结构示意图；

图7为本发明实施例中铣头的结构示意图；

图8A-8B为本发明实施例中钻头的结构示意图；

图9为本发明实施例中高温坚硬地层适用的钻井工具系统的使用方法的流程图；

图10和图11为本发明实施例中高温坚硬地层适用的钻井工具系统的钻进地层的示意图。

附图标记说明：

1—定向短节；2—上锚定封隔器；3—导向器；4—下锚定封隔器；5—引鞋；6—送进管；7—挠性管；8—涡轮；9—铣头；10—钻头；12—地层；13—套管；

11—定向键；

21—上胶筒；22—上卡瓦；23—第一椎体；24—第一活塞；25—第一进液孔；

31—导向器本体；32—导向进口；33—导向轨道；34—导向出口；35—传压孔；

41—下胶筒；42—下卡瓦；43—第二椎体；44—第二活塞；45—第二进液孔；

81—涡轮本体；811—侧向孔；812—后向孔；813—前向孔；814—前向斜孔；815—过流孔；816—中央进液孔；82—传动轴；821—冲洗孔；83—叶轮；831—叶片；84—轴承；85—扶正棱；86—空腔；

91—铣头本体；92—铣头水眼；93—切削刃；

101—钻头本体；102—刀翼；103—钻头水眼；104—流道；

121—微小孔道；131—小窗孔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决高温作业环境和硬地层条件下钻井的问题，本发明实施例提供了一种新的适用于高温坚硬地层钻进的涡轮以及相关钻井工具系统。下面结合附图对本发明实施例提供的高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法进行说明。

本发明实施例提供了一种钻井用的涡轮，参照图1所示，该涡轮包括：涡轮本体81、叶轮83和与传动轴82；

涡轮本体81具有一空腔86，传动轴82一端与叶轮83相连，另一端伸入空腔86中；

叶轮83上设置有多个与纵轴线呈预设夹角的叶片831；叶轮83朝向涡轮本体81的一面与传动轴82连接；叶轮83背向所述涡轮本体81的另一端用于连接外部的铣头9或钻头10；

涡轮本体81与叶轮83相对设置；所述涡轮本体81底部沿轴向开设有一与所述空腔86连通的中央进液孔816，且周向开设若干贯穿孔，各贯穿孔与中央进液孔816之间通过径向设置的侧向孔连通；每个贯穿孔包括：依次连通的前向斜孔814、前向孔813和后向孔812；前向斜孔814的开口朝向叶轮83上的叶片831，以便经由中央进液孔816进入涡轮本体81内的高压流体通过所述前向斜孔814冲击所述叶片831以带动传动轴82旋转；且流体经由后向孔812喷射出以推动所述钻井用涡轮前进。

较佳地，前向斜孔814和所述后向孔812分别相对于所述前向孔813倾斜设置。这样，当高压高速流体经过前向孔813再分别经过前向斜孔814和后向孔812分别向斜前和后方喷射出时，其由于前向斜孔814和所述后向孔812和前向孔813之间存在倾角的原因，流体会喷出的压力和速度会进一步加强，为涡轮驱动轴的高速旋转提供动力，并为整个涡轮的前进方向提供足够的推力。

参照图1，图2和图3所示，叶轮83设置多个与其纵轴线呈一定夹角的叶片831，优选的夹角范围为10°～80°，优选地，叶片831的数量为3～12个，与侧向孔811、后向孔812、前向孔813、前向斜孔814的数量保持一致。

叶轮83下端与传动轴82连接，其上端与铣头9或钻头10连接。

进一步地，传动轴82与所述涡轮本体81的空腔内壁之间设置有轴承84，且中央进液孔816与涡轮本体81的空腔86通过纵向的过流孔815连通。

上述结构，可使得中央进液孔816进入的高速流体，对高速旋转的传动轴82的轴承84进行实时的冲洗和冷却。

传动轴82中还设置有冲洗孔821，冲洗孔821与过流孔815连通。

上述涡轮在工作时，通过中央进液孔816进入涡轮本体81的高速流体可通过传动轴82内设置的冲洗孔，进入涡轮连接的铣头9或者钻头10，对铣头9或者钻头10起到冷却和携屑等作用。

进一步地，在设计涡轮时，可以通过对侧向孔811、后向孔812、前向孔813、前向斜孔814、过流孔815、冲洗孔821的数量和过流面积进行优化，以提供足够的转速、扭矩、流量等，延长涡轮8的使用寿命，提高施工效率。

进一步地，参照图4所示，在本发明的一些实施例中，叶轮83设置有配重孔832，配重孔832中嵌有配重物833，配重物833可由不同密度和不同材质的材料制成，本发明实施例并不限于何种材质，能够耐高温的材料即可。优选地，配重孔832和配重物833的数量为1～20个；配重物833可以起到平衡旋转、使涡轮8平稳工作的作用。

进一步地，参照图1所示，涡轮本体81的外边缘还设置有若干扶正棱85。

扶正棱85周向均匀分布在涡轮本体81上，其外径可稍小于涡轮所连接的铣头9或者钻头10。

基于前述钻井用涡轮，本发明实施例还提供了一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统，参照图5所示，该系统包括：

导向管柱、送进管6、挠性管7、如前述实施例所述的涡轮8、铣头9和钻头10；其中：

导向管柱包括：依次连接的定向短节1、上锚定封隔器2、导向器3、下锚定封隔器4和引鞋5；

涡轮的输出端用于与铣头9或者钻头10连接；

挠性管7一端与送进管6连接，另一端与涡轮8连接，以便送进管6穿设所述定向短节1和上锚定封隔器2将所述挠性管7的一端送入所述导向器3，在所述导向器3的引导下所述挠性管7连接的涡轮8和铣头9进行套管开口或所述挠性管7连接的涡轮8和钻头10进行地层钻进。

参照图6A和图6B所示，导向器3包括导向器本体31；导向器本体31上开设有导向进口32、导向轨道33和导向出口34，导向进口32和导向出口34通过导向轨道33相连通；

导向进口32和导向出口34之间的夹角取值例如可以在20～90度之间。

定向短节1包括一个定向键11，定向键11与导向出口34的方位角保持一致或者保持一定的角度差。

上述工具系统在下井前，整个导向管柱连接好后，定向键和导向出口的相对位置就固定了。两者的方位角可能一致，比如在地面，都是正北30°，也可能存在一定角差，比如在地面，定向键方位角为正北30°，导向出口方位角为90°，此时就存在60°的角差。当用油管或者钻杆将整个导向管柱下入超千米的井下目的深度后，由于与摩阻等因素，导向管柱会发生旋转，如上所述，在地面时，定向键方位角为正北30°，导向出口方位角为90°，此时就存在60°的角差；当到达井下目的深度时，测量定向键的方位角为120°，此时导向出口的方位角就为180°。

在导向管柱下入之前，通过陀螺测量确定定向短节1中定向键11的方位角，从而就可以确保导向器3的导向出口34处于预定方位，进而引导后续套管开孔和微孔地层钻进按照预定方位进行。

参照图6B所示，导向器本体31沿轴向还开设有若干传压孔35。

继续参照图5所示，上锚定封隔器2包括上胶筒21、上卡瓦22、第一椎体23、第一活塞24、第一进液孔25。

下锚定封隔器4包括下胶筒41、下卡瓦42、第二椎体43、第二活塞44、第二进液孔45。

定向短节1、上锚定封隔器2、导向器3、下锚定封隔器4和引鞋5之间可通过螺纹连接。

例如上锚定封隔器2和下锚定封隔器4分别具有上接头和下接头。定向短节1和上锚定封隔器2的上接头螺纹连接，下锚定封隔器4通过自身下接头与引鞋5连接。但本发明实施例并不限于上述结构连接方式。

挠性管7可由橡胶、金属或复合材料组成，可以是在橡胶内衬上缠绕多层金属丝网等，能够承受最小20MPa的内部压力，同时保持柔韧性。挠性管7一端与送进管6连接，另一端与涡轮8连接。

挠性管7的主要作用如下：一是起到连接作用，其一端与送进管6连接，另一端与涡轮8连接；二是能够承受较高的压力，作为流体的通道；三是在保持柔韧性的同时具有一定的刚性和强度，可以在导向器的引导下在很短的距离实现转向，将涡轮和其连接铣头或钻头送进导管内壁预设的位置或送入地层，同时承受涡轮工作时的反扭矩。

涡轮8前端与铣头9连接，后端与挠性管7连接，用于套管13开孔。在套管13开孔过程中，送进管6将挠性管7、涡轮8、铣头9从地面下入，通过导向器3的导向进口32、导向轨道33、导向出口34实现转向。当铣头9与套管13内表面接触时，通过地面泵入高压流体，依次流经送进管6、挠性管7、涡轮8和铣头9。涡轮8驱动铣头9旋转切削套管13，最终在套管13上形成小窗孔131。优选地，工作压力为10～15MPa、流量为100～250L/min，套管壁厚6～13mm，套管开孔时间约10～30分钟。

完成套管开孔后，通过送进管6起出挠性管7、涡轮8和铣头9。将铣头9更换为钻头10后，与套管开孔作业类似，送进管6将挠性管7、涡轮8、钻头10从地面下入，通过导向器3，穿过先前形成的小窗孔131，进入地层12。通过泵入高压流体，涡轮8驱动钻头10高速旋转并提供进给力，引导在地层12中破岩形成预定长度的微小孔道121。高转速低钻压磨削产生的岩屑粉末从环形空间携带出来。

参照图7所示，铣头9包括铣头本体91、铣头水眼92和切削刃93，铣头9可以由高速工具钢或硬质合金或其他材料制成，具备切削套管13的能力。

参照图8A和图8B所示，钻头10包括：钻头本体101、刀翼102、钻头水眼103和流道104，钻头10可以由金刚石或其他材料制成，适用于坚硬地层的微孔钻进。

基于前述高温坚硬地层适用的钻井工具系统的结构，本发明实施例还提供了一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统的使用方法，参照图9所示，包括下述步骤：

S91、将导向管柱下入井下后，将所述导向管柱锚定和坐封；

S92、通过送进管将与所述送进管连接的挠性管、涡轮和铣头下入所述导向管柱中，在导向管柱导向器的引导下实现转向，当铣头与套管内壁接触时，向送进管和挠性管中泵入预设压力和速度的流体，通过涡轮带动铣头对套管进行开孔；

S93、通过送进管起出挠性管、涡轮和铣头，将所述铣头更换为钻头，并将所述送进管、挠性管、涡轮和钻头依次连接；

S94、通过送进管将与所述送进管连接的挠性管、涡轮和钻头下入所述导向管柱中，并在导向管柱导向器的引导下实现转向，当钻头通过套管上的开孔与套管外的地层接触时，向送进管和挠性管中泵入预设压力和速度的流体，通过涡轮带动钻头对地层钻进；

S95、起出送进管、挠性管、涡轮和钻头，解封和起出导向管柱。

下面结合上述钻井工具系统的工作状态示意图，以一个例子说明上述使用方法的工艺过程。

现场使用操作过程中，工艺过程主要分为导向管柱下入与坐封锚定、套管开孔、微孔地层钻进、导向管柱解封与起出、下一孔施工等工序。

一、导向管柱下入与坐封锚定；

本步骤可参照图5所示。

1)通过油管或钻杆将由定向短节1、上锚定封隔器2、导向器3、下锚定封隔器4和引鞋5组成的导向管柱下入井下套管13内的目的深度；

2)在导向管柱下入过程中，可以通过导向器3的导向进口32、导向轨道33、导向出口34建立循环，以满足管柱安全下入和井控要求；

当导向管柱下入时，井内如有砂子等杂物时可能会遇阻，可以在地面泵入流体通过导向器3的导向进口32，流经导向轨道33和导向出口34，进入与套管13的环形空间，将套管13内的杂物循环携带出来，便于导向管柱下入。另一方面，在下入过程中，当地层内的原油、水、气体等进入到套管13内时，同样可以在地面泵入流体，将原油、水、气体等循环携带出来，满足井控安全方面的要求。

3)通过陀螺测量确定定向短节1中定向键11的方位角，从而确保导向器3的导向出口34处于预定方位，进而引导后续套管开孔和微孔地层钻进按照预定方位进行；

4)通过投入小球或小棒，在导向器3的导向进口32形成密封，整个导向管柱形成一个密闭空间(防止高压流体从导向通道流出，高压流体可从传压孔进入到下锚定封隔器，实现坐封)；在地面向导向管柱泵入高压流体，通过上锚定封隔器2的第一进液孔25进入活塞腔，在压力的作用下推动第一活塞24和第一椎体23，实现上卡瓦22的锚定和上胶筒21的坐封；同理，高压流体通过导向器3的传压孔35进入下锚定封隔器4，通过第二进液孔45进入活塞腔，在压力的作用下推动第二活塞44和第二椎体43，实现下卡瓦42的锚定和下胶筒41的坐封；

5)投入的小球(未示意出)可为可溶材料，在完成导向管柱的锚定和坐封后溶解掉，或将小棒(未示意出)起出，确保导向器3的导向进口32、导向轨道33和导向出口34重新完全通畅。本发明实施例并不限于小球的具体的材质。

二、套管开孔；

本步骤可参照图5所示。

1)利用送进管6将挠性管7、涡轮8、铣头9从地面下入导向管柱中，通过导向器3的导向进口32、导向轨道33和导向出口34实现转向；

2)当铣头9与套管13内表面接触时，通过地面泵入压力8～25MPa、流量80～250L/min的流体，依次流经送进管6、挠性管7、涡轮8和铣头9；

3)当高压流体流涡轮8时，通过侧向孔811的一部分流经前向孔813和前向斜孔814处喷出，喷射到叶轮83上设置的叶片831上，从而驱动叶轮83、带动传动轴82和铣头9高速旋转；

4)另一部分高压流体流向后向孔812，在涡轮本体81后端喷射出高速流体，产生喷射力的反作用力推动涡轮8前行动；

5)同时部分高压流体通过过流孔815流向空腔86，一部分流经轴承84，从涡轮本体81前端流出，对轴承84进行冲洗和冷却；另一部分高压流体通过传动轴82内设置的冲洗孔821，进入铣头9，起到冷却和携屑等作用；

6)涡轮8驱动铣头9完成套管开孔后，起出挠性管7、涡轮8和铣头9。

三、微孔地层钻进；

本步骤可参照图10和图11所示。

1)更换地层钻进的钻具组合，即将铣头9更换为钻头10；

2)与套管开孔作业类似，挠性管7、涡轮8、钻头10通过导向器3，穿过先前形成的小窗孔131，与地层12接触；

3)地面泵入高压流体，涡轮8驱动钻头10高速旋转并提供进给力，引导在地层12中破岩钻进，高转速低钻压磨削产生的岩屑粉末从地层12与挠性管7、涡轮8和钻头10之间环形空间携带出来。带到套管13内，最终携带到地面；

4)涡轮8驱动钻头10完成预定长度的微小孔道121钻进后，起出挠性管7、涡轮8和钻头10。

四、导向管柱解封与起出；

1)上锚定封隔器2的上胶筒21和下锚定封隔器4的下胶筒41可以通过旋转等方式解封；

2)解封上提导向管柱时，第一椎体23和第二椎体43一起上行，上卡瓦22和下卡瓦42失去支撑后缩回，从而解除与套管13的锚定。

五、下一孔施工：

1)调整导向管柱至下一孔的深度和方位，深度的调整可以通过调节下入油管或钻杆的长度来实现，方位可以利用陀螺测量来确定；

2)按照步骤一中的操作，完成导向管柱的坐封和锚定；

3)按照步骤二中的操作，完成套管开孔；

4)按照步骤三的操作，完成微孔地层钻进；

5)按照步骤四中的操作，完成导向管柱解封与起出；

6)重复上述步骤，直至完成所有径向孔眼的施工。

本发明实施例中，当地层压力系数较低(比如压力系数为0.8)时，套管内的工作液为清水，此时在静液柱压力的作用下，清水会通过套管上的孔眼、地层的孔隙和裂缝进入地层，从而发生漏失。

但当在导向管柱中同时使用了上锚定封隔器2和下锚定封隔器4时，此时上下封隔器与套管之间形成一个相对密闭的空间，消除了导向管柱与套管之间环形空间的液体漏失进入地层的风险。同理，当地层压力系数较高时，也消除了高压流体进入导向管柱与套管之间的环形空间的风险。

因此，导向管柱中同时使用了上锚定封隔器2和下锚定封隔器4，可以克服一些低压井存在漏失风险或高压井存在溢流风险带来的不利影响，便于施工作业的顺利实施。

在本发明的一些实施例中，导向管柱中可以只使用上锚定封隔器2或下锚定封隔器4，或上锚定封隔器2和下锚定封隔器4仅具有锚定或封隔功能，或在超高温条件下由于胶桶材质等耐温性能不满足要求等情况下而均不使用。

在本发明的一些实施例中，由于在裸眼中(没有下入套管13)，施工中可省略套管开孔而直接进行微孔地层钻进。

本发明实施例适用于高温坚硬地层的钻井工具系统、涡轮及及其使用方法，涡轮本体底部沿轴向开设有一与所述空腔连通的中央进液孔，且周向开设若干前向斜孔、前向孔、后向孔与中央进液孔之间通过径向设置的侧向孔连通；前向斜孔的开口朝向叶轮上的叶片，这样的设计，可经由中央进液孔进入涡轮本体内的高压流体通过所述前向斜孔冲击所述叶片以带动传动轴旋转；且所述液体经由后向孔喷射出以推动钻井用涡轮前进。本发明实施例提供的上述钻井用涡轮，在地面泵入高压流体时，可驱动铣头进行套管开孔，更换钻头后，可驱动钻头进行微孔破岩钻进地层。由于涡轮整体由高压流体驱动，为无橡胶部件，与行业内常规的螺杆钻具相比，具有耐高温、工作效率高且随时间变化小、稳定性好，可较好地满足高温作业环境要求。采用该涡轮的钻井工具系统，可实现高转速、低钻压磨削方式为主进行破岩，形成径向微小孔眼，钻进效率高、适应范围广、破岩能力强，实现坚硬地层、高研磨性地层径向钻进微小孔眼的有效破岩；大大提高了作业井深能力，大幅度拓展了适用温度范围和岩性范围，使径向钻井技术在深层油气藏、稠油超稠油、地热等高温作业环境和/或坚硬地层条件下应用成为现实。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种钻井用涡轮，其特征在于，包括：涡轮本体、叶轮和与传动轴；

所述涡轮本体具有一空腔，所述传动轴一端与所述叶轮相连，另一端伸入所述空腔中；

所述叶轮上设置有多个与纵轴线呈预设夹角的叶片；所述叶轮朝向涡轮本体的一面与所述传动轴连接；所述叶轮背向所述涡轮本体的另一端用于连接外部的铣头或钻头；

所述涡轮本体与所述叶轮相对设置；所述涡轮本体底部沿轴向开设有一与所述空腔连通的中央进液孔，且周向开设若干贯穿孔，所述贯穿孔与所述中央进液孔之间通过径向设置的侧向孔连通；所述贯穿孔包括：依次连通的前向斜孔、前向孔、后向孔；所述前向斜孔的开口朝向所述叶轮上的叶片，以便经由中央进液孔进入涡轮本体内的高压流体通过所述前向斜孔冲击所述叶片以带动传动轴旋转；且所述流体经由后向孔喷射出以推动所述钻井用涡轮前进。

2.如权利要求1所述的钻井用涡轮，其特征在于，所述前向斜孔和所述后向孔分别相对于所述前向孔倾斜设置。

3.如权利要求1所述的钻井用涡轮，其特征在于，所述传动轴与所述涡轮本体的空腔内壁之间设置有轴承，且所述中央进液孔与所述涡轮本体的空腔通过纵向的过流孔连通。

4.如权利要求3所述的钻井用涡轮，其特征在于，所述传动轴中还设置有冲洗孔，所述冲洗孔与所述过流孔连通。

5.如权利要求3所述的钻井用涡轮，其特征在于，所述涡轮本体的外边缘还设置有若干扶正棱。

6.如权利要求1-5任一项所述的钻井用涡轮，其特征在于，所述叶轮上还开设有若干配重孔，所述配重孔内嵌有若干配重物。

7.一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统，其特征在于，包括：导向管柱、送进管、挠性管、如权利要求1-6任一项所述的涡轮、铣头和钻头；其中：

所述导向管柱包括：依次连接的定向短节、上锚定封隔器、导向器、下锚定封隔器和引鞋；

所述涡轮的输出端用于与铣头或者钻头连接；

所述挠性管一端与送进管连接，另一端与涡轮连接，以便所述送进管穿设所述定向短节和上锚定封隔器将所述挠性管的一端送入所述导向器，在所述导向器的引导下所述挠性管连接的涡轮和铣头进行套管开口或所述挠性管连接的涡轮和钻头进行地层钻进。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述导向器包括导向器本体；所述导向器本体上开设有导向进口、导向轨道和导向出口，所述导向进口和导向出口通过所述导向轨道相连通；所述导向进口和导向出口之间的夹角取值在20～90度之间。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述导向器本体沿轴向还开设有若干传压孔。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述定向短节包括一定向键，所述定向键与所述导向器的导向出口的方位角保持一致或者保持预设的角度差。

11.一种如权利要求7-10任一项所述的高温坚硬地层适用的钻井工具系统的使用方法，其特征在于，包括：

将导向管柱下入井下后，将所述导向管柱锚定和坐封；

通过送进管将与所述送进管连接的挠性管、涡轮和铣头下入所述导向管柱中，在导向管柱导向器的引导下实现转向，当铣头与套管内壁接触时，向送进管和挠性管中泵入预设压力和速度的流体，通过涡轮带动铣头对套管进行开孔；

通过送进管起出挠性管、涡轮和铣头，将所述铣头更换为钻头，并将所述送进管、挠性管、涡轮和钻头依次连接；

通过送进管将与所述送进管连接的挠性管、涡轮和钻头下入所述导向管柱中，并在导向管柱导向器的引导下实现转向，当钻头通过套管上的开孔与套管外的地层接触时，向送进管和挠性管中泵入预设压力和速度的流体，通过涡轮带动钻头对地层钻进；

起出送进管、挠性管、涡轮和钻头，解封和起出导向管柱。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

在将所述导向管柱锚定和坐封之前，向导向器的导向进口处投入可溶材料制成的小球，以便在导向管柱锚定和坐封过程中通过所述小球密封所述导向进口，以及在完成导向柱的锚定和坐封之后，所述可溶材料溶解，所述导向器的导向进口、导向轨道和导向出口重新畅通。