超短半径水平井钻井用的井底转向装置及其施工方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 105134072 A (43)申请公布日 2015.12.09

(21)申请号 201510519110.3(22)申请日 2015.08.21

(71)申请人中煤科工集团西安研究院有限公司

地址710077 陕西省西安市高新区锦业一路

82号(72)发明人庞涛 范耀 降文萍 万志杰

王正喜(74)专利代理机构北京天奇智新知识产权代理

有限公司 11340

代理人陈新胜(51)Int.Cl.

E21B 7/04(2006.01)E21B 7/18(2006.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图2页

()发明名称

超短半径水平井钻井用的井底转向装置及其施工方法(57)摘要

一种超短半径水平井钻井用的井底转向装置及其施工方法，井底转向装置包括内管总成和外管总成，所述内管总成包含柱、陀螺仪定位短节、内管和转筒总成，所述内管的中部安装有支撑体，下部外缘设有一定位槽，所述外管总成包含外管、卡瓦片、摩擦块和支撑板，卡瓦片的内缘能在支撑体的支持下张开，外管的中部安装有摩擦块，并固定有与所述定位槽相配合的定位销，下部联接有支撑板；本发明在摩擦块的作用下外管相对静止，通过地面上提、下放和旋转，在定位销和定位槽的作用下内管发生上下移动和旋转，同时带动支持体上下移动，使井下管柱的锚定、定向、转向动作均由地面上提、下放和旋转柱控制，可一趟组合钻完所有径向水平井眼。

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权 利 要 求 书

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1.一种超短半径水平井钻井用的井底转向装置，包括内管总成和外管总成，其特征在于：

所述内管总成包含陀螺仪定位短节、内管和转筒总成，所述陀螺仪定位短节上端端通过螺纹与柱相连接，所述陀螺仪定位短节下端与内管相连接，所述内管的下端与转筒总成相连接，所述内管的中部安装有支撑体，支撑体与内管之间设置有支撑体压簧，所述内管下部设定有定位槽；

所述外管总成包含外管、卡瓦片、摩擦块和支撑板，外管的上端通过卡瓦锁定销锁定所述卡瓦片的下端，卡瓦片能够能够在支撑体的支持下张开，外管的中部安装有摩擦块，所述摩擦块与外管之间安装有压簧，所述外管上固定有与所述内管上定位槽相配合的定位销，所述外管的下部联接有支撑板。

2.如权利要求1所述的井底转向装置，其特征在于：所述定位槽包含滑动段和定位段，所述滑动段为一环形槽，所述定位段包含锥形引导槽和直条槽，所述直条槽设置于锥形引导槽的下端并与其连通，所述直条槽的一侧连通设有一斜向上延伸的卡接槽。

3.如权利要求1所述的井底转向装置，其特征在于：所述陀螺定位短节和内管通过陀螺定位短节下接头相联接。

4.如权利要求1所述的井底转向装置，其特征在于：所述外管和支撑板之间通过一活动缸体联接，从而使得外管和支撑板通过活动缸体可进行相对转动。

5.如权利要求4所述的井底转向装置，其特征在于：所述活动缸体上还安装有补偿弹簧以使外管和支撑板可发生有的轴向运动。

6.如权利要求1-5中任一所述的井底转向装置的施工方法，包含下述步骤：步骤一.连接转向工具，下入管柱至设计深度，释放外筒；下井之前将外管的定位销位置处于内管定位槽的卡紧槽处，使内管和外管在下井过程中处于相对静止状态，按设计下入至预计深度，上提内管柱，上提高度为c，同时观察悬重变化，由于摩擦块作用，当悬重稍有增加说明由于内管向上运动使定位销已处于定位槽的直条槽位置，完成外筒释放；

步骤二.确定井下方位，下放管柱完成井下工具的锚定和转筒转向，下陀螺仪测方位；步骤三.下入高压射流钻具进行径向水平井钻进；步骤四.上提钻具完成解锁、转筒恢复；步骤五.旋转钻柱，变换井下工具方位，下放钻具完成锚定和转筒转向，下陀螺仪测方位，确定方位后下入高压射流钻具进行径向水平井钻进；

反复步骤四和步骤五完成同一水平面多个方位的径向井钻进；步骤六.上提柱完成下一个水平面多个径向水平井的钻进；步骤七.按设计完成整个井筒的径向井钻进，起出。7.如权利要求6所述的施工方法，其特征在于：在步骤二中具体过程如下：下放柱高度大于b，此时外管与内管能相互旋转，下入陀螺仪测方位，旋转柱到预定方位，取出陀螺仪，继续下放柱距离为a，同时观察悬重，如果悬重减少说明井下锚定、转向完毕。

8.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于：在步骤四中具体过程如下：上提内管柱高度等于小于距离a，此过程中支撑体上行，卡瓦片对壁的挤压力逐渐变小直至无作用力，完成解除锚定，悬重恢复为柱+内管自重，同时此过程中由于外管相对静止，支持

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权 利 要 求 书

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板也相对静止，转筒总成在转筒固定销作用下逐渐从径向恢复垂直，完成恢复。

9.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于：在步骤五中具体过程如下：再下入陀螺仪，旋转柱到预计方位，下放内管柱长度a，支撑体支撑卡瓦片，同时完成锚定和转筒总成转向，反复完成同一深度任意方位径向水平井的钻进。

10.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于：在步骤六中具体过程如下：上提内管柱，上提内管柱高度为a+b+c，使定位销处于定位槽的直条槽下端，同时观察悬重变化，由于摩擦块作用，当悬重大于柱+内管自重，说明内外管同时向上移动，定位销处于定位槽的直条槽位置，继续上提，带动外筒摩擦块至预计深度，下放内管柱进行下一个水平面的径向井作用，反复完成多个水平面任意多个径向井的钻进。

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超短半径水平井钻井用的井底转向装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及石油、煤层气钻井设备的技术领域，尤其涉及一种超短半径水平井钻井用的井底转向装置及其施工方法。

[0001]

背景技术

高压水射流径向水平井是钻井行业的前沿技术，可在0.3m或更小半径的垂直井

段中从垂直转向水平，保证水平井准确的进入目的层；可在某一深度储层水平面上钻多个不同方位的水平井眼，也可在多个不同深度水平面上分别钻出多个径向水平井眼，能够增大泄油面积，提高单井产量、油气采收率和单井控制储量。超短半径水平井钻井技术作业效率高、成本低，适合低渗油气储层老油藏的开采，也适合用于煤层气的开采。[0003] 目前已投入应用的径向井钻井技术水平(CN101660391A，CN1017470B)存在水平井段井眼直径小的缺陷，储层接触面积小，难以最大程度发挥水平井优势，大直径的径向水平井技术(CN2128666Y,CN2615322Y)的井下锚定和转向都存在着不同的缺陷，转向装置由井口的液压装置通过液压管控制，作业复杂，井下工具变换方位困难；锚定器由打压、销钉控制，作业程序复杂，钻完一个水平井段后必须起出管柱重新装销钉才能进行下一个井眼的钻进，作业周期长、风险大。[0004] 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，研究设计出一种超短半径水平井钻井用的井底转向装置及其施工方法，以克服上述缺陷。

[0002]

发明内容

本发明的目的是提供一种超短半径水平井钻井用的井底转向装置及其施工方法，使井下管柱的锚定、定向、转向动作均由地面上提、下放和旋转柱控制，操作简单，可一趟组合钻完所有径向水平井眼，解决了现有技术中存在的问题。[0006] 为解决上述问题，本发明公开了一种超短半径水平井钻井用的井底转向装置，包括内管总成和外管总成，其特征在于：

[0007] 所述内管总成包含陀螺仪定位短节、内管和转筒总成，所述陀螺仪定位短节上端端通过螺纹与柱相连接，所述陀螺仪定位短节下端与内管相连接，所述内管的下端与转筒总成相连接，所述内管的中部安装有支撑体，支撑体与内管之间设置有支撑体压簧，所述内管下部设定有定位槽；

[0008] 所述外管总成包含外管、卡瓦片、摩擦块和支撑板，外管的上端通过卡瓦锁定销锁定所述卡瓦片的下端，卡瓦片能够能够在支撑体的支持下张开，外管的中部安装有摩擦块，所述摩擦块与外管之间安装有压簧，所述外管上固定有与所述内管上定位槽相配合的定位销，所述外管的下部联接有支撑板。

[0005]

其中：所述定位槽包含滑动段和定位段，所述滑动段为一环形槽，所述定位段包含锥形引导槽和直条槽，所述直条槽设置于锥形引导槽的下端并与其连通，所述直条槽的一

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侧连通设有一斜向上延伸的卡接槽。[0010] 其中：所述陀螺定位短节和内管通过陀螺定位短节下接头相联接。[0011] 其中：所述外管和支撑板之间通过一活动缸体联接，从而使得外管和支撑板通过活动缸体可进行相对转动。[0012] 其中：所述活动缸体上还安装有补偿弹簧以使外管和支撑板可发生有的轴向运动。

[0013] 如上任一所述的井底转向装置的施工方法，包含下述步骤：[0014] 步骤一.连接转向工具，下入管柱至设计深度，释放外筒；[0015] 下井之前将外管的定位销位置处于内管定位槽的卡紧槽处，使内管和外管在下井过程中处于相对静止状态，按设计下入至预计深度，上提内管柱，上提高度为c，同时观察悬重变化，由于摩擦块作用，当悬重稍有增加说明由于内管向上运动使定位销已处于定位槽的直条槽位置，完成外筒释放；[0016] 步骤二.确定井下方位，下放管柱完成井下工具的锚定和转筒转向，下陀螺仪测方位；

[0017] 步骤三.下入高压射流钻具进行径向水平井钻进；[0018] 步骤四.上提钻具完成解锁、转筒恢复；[0019] 步骤五.旋转钻柱，变换井下工具方位，下放钻具完成锚定和转筒转向，下陀螺仪测方位，确定方位后下入高压射流钻具进行径向水平井钻进；

[0020] 反复步骤四和步骤五完成同一水平面多个方位的径向井钻进；[0021] 步骤六.上提柱完成下一个水平面多个径向水平井的钻进；[0022] 步骤七.按设计完成整个井筒的径向井钻进，起出。[0023] 其中：在步骤二中具体过程如下：下放柱高度大于b，此时外管与内管能相互旋转，下入陀螺仪测方位，旋转柱到预定方位，取出陀螺仪，继续下放柱距离为a，同时观察悬重，如果悬重减少说明井下锚定、转向完毕。[0024] 其中：在步骤四中具体过程如下：上提内管柱高度等于小于距离a，此过程中支撑体上行，卡瓦片对壁的挤压力逐渐变小直至无作用力，完成解除锚定，悬重恢复为柱+内管自重，同时此过程中由于外管相对静止，支持板也相对静止，转筒总成在转筒固定销作用下逐渐从径向恢复垂直，完成恢复。[0025] 其中：在步骤五中具体过程如下：再下入陀螺仪，旋转柱到预计方位，下放内管柱长度a，支撑体支撑卡瓦片，同时完成锚定和转筒总成转向，反复完成同一深度任意方位径向水平井的钻进。[0026] 其中：在步骤六中具体过程如下：上提内管柱，上提内管柱高度为a+b+c，使定位销处于定位槽的直条槽下端，同时观察悬重变化，由于摩擦块作用，当悬重大于柱+内管自重，说明内外管同时向上移动，定位销处于定位槽的直条槽位置，继续上提，带动外筒摩擦块至预计深度，下放内管柱进行下一个水平面的径向井作用，反复完成多个水平面任意多个径向井的钻进。

通过上述结构可知，本发明的超短半径水平井钻井用的井底转向装置及其施工方

法具有如下效果：[0028] 1、径向井井眼直径大，储层接触面积大；

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2、通过地面上提、下放和旋转柱便能够控制井下锚定、变换方位和转筒转向动作，易于操作，工艺简单；[0030] 3、能够一趟组合钻完任意多个不同方位、不同深度的径向井井眼。[0031] 本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。附图说明

图1显示了本发明的超短半径水平井钻井用的井底转向装置的示意图。

[0033] 图2显示了本发明中定位槽的放大示意图。[0034] 附图标记：[0035] 1.柱，2.陀螺定位短节，3.陀螺定位短节下接头，4.内管上接头，5.内管，6.支撑体，7.卡瓦，8.卡瓦锁定销，9.摩擦块，10.压簧，11.压簧螺丝，12.定位销，13.定位槽，14.活动缸体，15.补偿弹簧，16.支持板，17.转筒总成，18.转筒固定销，19.支撑体压簧。

[0032]

具体实施方式

[0036] 参见图1，显示了本发明的超短半径水平井钻井用的井底转向装置。[0037] 所述超短半径水平井钻井用的井底转向装置包括内管总成和外管总成，所述内管总成包含柱1、陀螺仪定位短节2、内管5和转筒总成17，所述柱1的下端可通过所述陀螺定位短节2连接于内管5，所述内管5的下端连接于转筒总成，其中，所述陀螺定位短节2和内管5可通过陀螺定位短节下接头3相联接，可选的是，所述陀螺定位短节2和内管5可通过陀螺定位短节下接头3和内管5的内管上接头4进行丝扣连接，所述内管5的中部安装有支撑体6，支撑体6与内管5之间设置有支撑体压簧19，所述内管5的下部外缘设有一定位槽13。[0038] 其中，所述支撑体压簧19的一端连接于所述内管5外缘的一凹陷内，另一端连接于所述支撑体6内缘的另一凹陷内，从而实现弹性连接。[0039] 参见图2，所述定位槽13的结构可通过特别设置，有效应用于本发明，其包含滑动段和结合段，所述滑动段为长度为a的环形槽C，所述接合段包含长度为b的锥形引导槽和长度为c的直条槽B，所述直条槽B设置于锥形引导槽的下端并与其连通，其中，所述直条槽B的一侧连通设有一斜向上延伸的卡接槽A。[0040] 所述外管总成包含外管、卡瓦片7、摩擦块9和支撑板16，外管的上端通过一卡瓦锁定销8锁定所述卡瓦片7的下端，卡瓦片7的内缘可在支撑体6的支持下张开，可选的是，所述支撑体6的外缘形成从下至上的锥形结构，所述卡瓦片7内缘为与支撑体6外缘锥形的内锥形结构，以实现张开操作，外管的中部安装有摩擦块9，所述摩擦块9的下部通过压簧螺丝11安装在外管上，所述摩擦块9的中部与外管之间安装有压簧10，所述压簧10的一端连接于所述外管外缘的一凹口内，另一端连接于所述摩擦块9内缘的另一凹口内，从而实现弹性连接。

所述外管上固定有与所述定位槽13相配合的定位销12，所述外管的下部联接有

支撑板16，可选的是，所述外管和支撑板16之间通过一活动缸体14联接，从而使得外管和支撑板16可通过活动缸体14进行相对转动，其中，所述活动缸体14上还可安装有补偿弹

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说 明 书

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簧15，所述补偿弹簧15使外管和支撑板16发生有的轴向运动。[0042] 下面对本发明的具体操作过程进行描述：下井之前将外管的定位销12位置处于内管5定位槽13的卡接槽A处，使内管5和外管在下入井筒过程中处于相对静止状态，内管5下端的转筒总成17通过转筒固定销18与支持板16相联接，转筒总成17和支持板16相对平行，呈向下垂直的状态。到达设定井深后上提内管柱，上提高度为c，同时观察悬重变化，由于摩擦块9作用，当悬重略大于管柱自重说明由于内管5向上运动定位销12已处于定位槽的直条槽B位置；再下放内管柱，当下放长度大于b+c时，此时定位销12可相对于定位槽13发生360°任意旋转，由于活动缸体14和补偿弹簧15的作用，转筒总成17与支持板16仍保持垂直或者稍有弯曲；继续下放内管柱，下放长度为a,此时定位销12已处于定位槽13的环形槽C的位置，此阶段支持体6将卡瓦片7向壁推挤，由于支撑体6压簧19的作用，使卡瓦片7对壁保持一定的压力，使得外管与相对静止，随着支撑体6的继续下移，卡瓦片7对壁的压力越来越来，最终完成外管的锁定，同时由于外管相对壁静止，支持板16也相对静止，而转筒总成17则继续下放，在转筒固定销18发生转向，转筒总成17下端由垂直转向为水平，同时完成锚定。[0043] 然后，完成一个径向井眼后上提内管柱高度小于a，此时定位销12处于相对于内管可任意旋转的位置，此过程中支撑体6上行，卡瓦片7对壁的挤压力逐渐变小，完成解除锚定，同时由于外管相对静止，支持板16也相对静止，转筒总成17在转筒固定销18作用下逐渐从径向恢复垂直，完成恢复，可通过地面旋转柱1到达所需要的方位，然后再下放柱1，下放距离略小于a，同时观察悬重，悬重减轻说明锚定成功，定位销12处于定位槽13的环形槽C位置，同时完成转筒总成17的转向。[0044] 同一深度多个不同方位径向井完成后，上提内管柱使定位销12处于定位槽13的直条槽B位置，继续上提，带动外筒摩擦块9至预计深度，下放内管柱进行下一个水平面的径向井作用。

[0045] 本发明井底转向装置的施工方法包含下述步骤：[0046] 步骤一.下入管柱至预计深度，释放外筒；

[0047] 下井之前将外管的定位销12位置处于内管5定位槽的卡紧槽A处，使内管5和外管在下井过程中处于相对静止状态，按设计下入至预计深度，上提内管柱，上提高度为c，同时观察悬重变化，由于摩擦块9作用，当悬重稍有增加说明由于内管5向上运动使定位销12已处于定位槽的直条槽B位置，以完成外筒释放。[0048] 步骤二.下入陀螺仪测方位，确定井下方位，下放管柱完成井下工具的锚定和转筒转向；

[0049] 下放柱1高度约大于b，此时外管与内管可相互旋转，下入陀螺仪测方位，旋转柱到预定方位，取出陀螺仪，继续下放柱距离约为a，同时观察悬重，如果悬重减少说明井下锚定、转向完毕。

[0050] 步骤三.下入高压射流钻具进行径向水平井钻进；[0051] 步骤四.上提钻具完成解锁、恢复；上提内管柱高度约等于小于a，此过程中支撑体6上行，卡瓦片7对壁的挤压力逐渐变小直至无作用力，完成解除锚定，悬重恢复为柱+内管自重，同时此过程中由于外管相对静止，支持板16也相对静止，转筒总成17在转筒固定销18作用下逐渐从径向

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恢复垂直，完成恢复。

[0053] 步骤五.旋转钻具，变换井下工具方位，下放钻具完成锚定和转筒总成转向；[00] 再下入陀螺仪，旋转柱到预计方位，下放内管柱长度a，定位销12处于定位槽13的环形槽C位置，支撑体支撑卡瓦片，同时完成锚定和转筒总成17转向。如此反复完成同一深度任意方位径向水平井的钻进。

[0055] 步骤六.上提柱完成下一个水平面多个径向水平井的钻进；[0056] 上提内管柱，上提内管柱高度为a+b+c，使定位销处于定位槽的直条槽下端，同时观察悬重变化，由于摩擦块9作用，当悬重大于柱+内管自重，说明内外管同时向上移动，定位销12处于定位槽13的直条槽B位置，继续上提，带动外筒摩擦块9至预计深度，下放内管柱进行下一个水平面的径向井作用。如此反复完成多个水平面任意多个径向井的钻进。

[0057] 步骤七.按设计完成整个井筒的径向井钻进，起出；

[0058] 按设计完成整个井筒不同水平面多个径向井的钻进后直接上提钻具，起出井口完井。

[0059] 本发明具有如下优点：[0060] 1、径向井井眼直径大，储层接触面积大；[0061] 2、通过地面上提、下放和旋转柱便能够控制井下锚定、变换方位和转向动作，易于操作，工艺简单；[0062] 3、能够一趟组合钻完任意多个不同方位、不同深度的径向井井眼。[0063] 显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

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图1

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说 明 书 附 图

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图2

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