水力喷射钻径向分支孔眼的旋转喷嘴、系统和利用该系统钻径向分支孔眼的方法与流程

1.本发明涉及一种钻井设施，更确切地说，是一种水力喷射钻径向分支孔眼的方法及工具。

背景技术：

2.径向分支孔眼也称为超短半径分支孔眼，它是利用特殊的装置和工具，在0.3m的转弯半径内，通过高压水射流喷射的方法在油气藏中沿与主井眼垂直的方向钻出的一个或者多个水平分支井眼。径向分支孔眼的长度可达几十米到上百米，井眼直径在30～50mm左右，既可用于老井改造又可进行新井的开发，有利于增大油气层的裸露面积，特别适合进行薄油层、低渗透油气藏的增产，也可以进行定向水力压裂增产。
3.目前，国内外采用套管内开窗侧钻的方法钻径向水平井。径向分支孔眼的钻进方式普遍采用带有前后两个方向孔眼的自进式射流喷嘴，这种喷嘴通过前向孔眼将一部分水力能量用来破碎岩石，通过后向喷嘴把另一部分水力能量转化成带动射流喷嘴和高压软管前进的动力，这部分动力是由后向射流反推力克服前向射流反推力以及高压软管与转向器和井壁之间的摩擦力提供的，通常后向射流的能量要占整个系统水力能量的50％以上才能提供向前的动力，但是国内受工作泵条件的限制，无法达到足够的排量和喷嘴压降，因此无法提供足够的水力能量，一方面难以有效破岩，另一方面无法提供足够的动力拖动高压软管和射流喷嘴前进，因此容易导致径向孔眼延伸长度过短的问题，且使用多孔射流喷嘴破碎出的岩石孔眼不规则，粗糙度较大，不仅增大了孔眼壁面对高压软管的摩阻，增加了岩屑排出的难度，而且使生产过程中油气在径向分支孔眼的流动阻力较大，难以实现预期的油气藏开发效果。

技术实现要素：

4.本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，从而提供一种水力喷射钻径向分支孔眼的方法及工具。
5.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
6.一种水力喷射钻径向分支孔眼的旋转喷嘴，其特征在于，所述的旋转喷嘴包含一上壳体和一下壳体，所述的上壳体和与下壳体之间设有一转子，所述的下壳体的外缘周向上开有若干下壳体孔眼，所述的转子的头部中心开有一贯穿的转子轴孔眼，所述的转子的头部侧向开有若干倾斜设置的转子侧孔眼。
7.作为本发明较佳的实施例，所述的上壳体和与下壳体之间设有一推力轴承。
8.作为本发明较佳的实施例，所述的上壳体和下壳体通过螺纹连接。
9.作为本发明较佳的实施例，所述的转子侧孔眼的数量为偶数个。
10.一种水力喷射钻径向分支孔眼的系统，其特征在于，所述的水力喷射钻径向分支孔眼的系统包含一垂向设置的套管，所述的套管的外部设有水泥环，所述的套管的内部设
有若干串联设置的主油管，相邻的主油管之间设有一锚定器，所述的锚定器锚定在所述的套管的内壁，所述的主油管的底部设有一转向器接头，所述的转向器接头与最下方的转向器通过螺纹相连接，
11.所述的主油管内设有一连续油管，所述的连续油管的下部末端可拆卸地连接有一磨铣钻具组件或高压喷射组件。
12.作为本发明较佳的实施例，所述的转向器的上端设有一阶梯孔。
13.作为本发明较佳的实施例，所述的磨铣钻具组件之上而下依次包含一磨铣转接头、一螺杆马达和一柔性轴，所述的磨铣转接头与所述的连续油管相配合，所述的柔性轴包含一马达接头、一轴箍和一柔性轴主体，所述的柔性轴主体穿过所述的转向器，且所述的柔性轴主体的末端设有一磨铣钻头。
14.作为本发明较佳的实施例，所述的高压喷射组件之上而下依次包含一上高压转接头、一加重管、一下高压转接头和一高压软管，所述的上高压转接头与所述的连续油管相配合，所述的下高压转接头与所述的高压软管相配合，所述的高压软管的末端设有一旋转喷嘴。
15.一种利用如前述的水力喷射钻径向分支孔眼的系统钻径向分支孔眼的方法，包含步骤：
16.步骤s1、将转向器通过转向器接头与主油管相连，整个工作管柱串通过主油管下入井中，在达到预定深度，定好方位后，锚定器锚定套管；
17.步骤s2、利用磨铣转接头连接磨铣钻具组件与连续油管，将磨铣钻头、柔性轴和螺杆马达通过连续油管下入主油管中，使磨铣钻头与套管3的内壁接触；
18.步骤s3、利用地面高压泵向连续油管内泵入高压流体，使螺杆马达工作，从而驱动柔性轴和磨铣钻头旋转，在套管和水泥环上钻出一个孔道，直至柔性轴上的轴箍卡在转向器上端的阶梯孔处，磨铣开窗过程结束，然后，将螺杆马达、柔性轴和磨铣钻头通过连续油管起出井底，将磨铣钻具组件从连续油管上拆卸下来；
19.步骤s4、利用上高压转接头连接高压喷射组件与连续油管，将高压软管和旋转喷嘴下入井中，压软管传递轴向压力，推动旋转喷嘴一边通过水射流破碎地层岩石，一边前进，最终形成径向分支井眼。
20.作为本发明较佳的实施例，转向器通过若干第一螺栓与转向器接头固定连接，转向器上设有若干用于固定转向器的第二螺栓。
21.本发明的水力喷射钻径向分支孔眼的方法及工具具有以下优点：利用较小尺寸的油管将锚定器和转向器下入套管井中定位和固定，采用螺杆马达将扭矩通过柔性轴传递到顶部的磨铣钻头上，在套管和水泥环上钻出一个孔眼，然后通过连续油管将旋转喷嘴、高压软管、加重管组成的工具串下入井中，下放连续油管，通过连续油管以及加重管的部分重力推动高压软管前进，前端的旋转射流破碎岩石，钻出一定直径和长度的径向井眼。其中，旋转喷嘴不产生后向射流，其作用一方面可以利用全部水力能量破岩，另一方面射流旋转可以使径向水平井井眼光滑和圆整，提高了高压软管和旋转射流钻头前进的动力，可以使径向水平井眼延伸更长。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
23.图1为本发明的水力喷射钻径向分支孔眼的系统的连接结构剖面图；
24.图2为图1中的水力喷射钻径向分支孔眼的系统的工作示意图，此时，磨铣钻具组件进入预定位置；
25.图3为图2中水力喷射钻径向分支孔眼的系统的工作示意图，此时，磨铣钻头已钻穿套管和水泥环；
26.图4为图1中的水力喷射钻径向分支孔眼的系统的工作示意图，此时，高压喷射组件进入预定位置，且高压水射流喷射钻进形成径向井眼；
27.图5为图4中的水力喷射钻径向分支孔眼的系统的柔性轴的结构示意图；
28.图6为图4中的旋转喷嘴的结构剖面图；
29.图7为图6中旋转喷嘴的转子剖面图；
30.图8为图7中旋转喷嘴的转子沿平面b—b的剖面图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
32.如图1所示，该水力喷射钻径向分支孔眼的系统包含一垂向设置的套管3，该套管3的外部设有水泥环4，该套管3的内部设有若干串联设置的主油管1，相邻的主油管1之间设有一锚定器2，该锚定器2锚定在该套管3的内壁，该套管3的底部设有一转向器接头5，该转向器接头5与最下方的主油管1相连接，该转向器接头5的下方设有一转向器8，且该转向器8与转向器接头5固定连接。
33.在该主油管1内设有一连续油管11，该连续油管11的下部末端可拆卸地连接有一磨铣钻具组件s1或高压喷射组件s2。在不同的施工阶段，使用者选择使用不同的组件。
34.如图2所示，该磨铣钻具组件s1自上而下依次包含一磨铣转接头12、一螺杆马达13和一柔性轴15，该磨铣转接头12与该连续油管11相配合。如图5所示，该柔性轴15包含一马达接头14、一轴箍16和一柔性轴主体17，该柔性轴主体17穿过该转向器8，且该柔性轴主体17的末端设有一磨铣钻头18。
35.如图4和图6所示，该高压喷射组件s2之上而下依次包含一上高压转接头21、一加重管22、一下高压转接头23和一高压软管24，该上高压转接头21与该连续油管11相配合，该下高压转接头23与该高压软管24相配合，该高压软管24的末端设有一旋转喷嘴25。
36.如图7和图8所示，该旋转喷嘴25包含一上壳体29和一下壳体32，该上壳体29和与下壳体32之间设有一转子30和一推力轴承31。上壳体29和下壳体32通过螺纹连接卡住转子30和推力轴承31，其中推力轴承31起降低转子旋转摩阻的作用。另外，旋转喷嘴25与高压软管24通过接头28与上壳体29之间的螺纹连接。
37.该下壳体32的外缘周向上开有若干下壳体孔眼33，使得破碎的岩屑可以及时从喷
嘴25和井眼27之间的环空中进而排出，且下壳体32顶端可以为射流喷射提供一定的喷距，提高破岩效率。
38.该转子30的头部中心开有一贯穿的转子轴孔眼34，该转子30的头部侧向开有若干倾斜设置的转子侧孔眼35。这些转子侧孔眼35与转子30的轴线呈一定的夹角，数量可以是两个，四个或者六个等，其产生的侧向射流有两个作用。一是侧向射流冲击破岩，二是沿切线方向的反推力可以提供转子转动的转动力矩，从而使切向射流旋转，可以提高破岩的效率，降低破碎的井眼27的粗糙度，使之更加圆整，降低岩屑排出井眼的阻力，有效降低后期油气在井眼27中流动的阻力，从而提高开发效果。
39.下面对该水力喷射钻径向分支孔眼的系统的工作方式进行说明，包含步骤：
40.步骤s1、将转向器8通过转向器接头5与主油管1相连，在转向器8上部3-10m处，通过主油管1连接锚定器2，整个工作管柱串通过主油管1下入井中，在达到预定深度，定好方位后，通过锚定器2锚定在套管3上，其中，转向器8通过若干第一螺栓7与转向器接头5固定连接，转向器8上设有若干用于固定转向器8的第二螺栓10；
41.步骤s2、利用磨铣转接头12连接磨铣钻具组件s1与连续油管11，在柔性轴15的前端安装磨铣钻头18，螺杆马达13通过柔性轴15驱动磨铣钻头18，螺杆马达13通过磨铣转接头12与连续油管11相连，接着，将磨铣钻头18、柔性轴15和螺杆马达13通过连续油管11下入主油管1中，使磨铣钻头18与套管3的内壁接触；
42.步骤s3、利用地面高压泵向连续油管11内泵入高压流体，使螺杆马达13工作，从而驱动柔性轴15和磨铣钻头18旋转，在套管3和水泥环4上钻出一个孔道20，直至柔性轴15上的轴箍16卡在转向器8上端的阶梯孔6处，磨铣开窗过程结束，然后，将螺杆马达13、柔性轴15和磨铣钻头18通过连续油管11起出井底，将磨铣钻具组件s1从连续油管11上拆卸下来；
43.步骤s4、利用上高压转接头21连接高压喷射组件s2与连续油管11，利用加重管22，将高压软管24和旋转喷嘴25下入井中，其中，高压软管24具有较高的抗弯刚度，其外径稍小于主油管1的内径，在主油管1的约束下，高压软管24可以传递轴向压力，推动旋转喷嘴25一边通过水射流26破碎地层岩石19，一边前进，通过在地面控制连续油管11的悬重和下放速度来控制高压软管24所受的轴向压力，使旋转喷嘴25和高压软管24以预定的速度前进，最终形成径向分支井眼27。
44.该水力喷射钻径向分支孔眼的系统具有以下优点：
45.1、该水力喷射钻径向分支孔眼的系统直接通过连续油管连接加重管在外部小尺寸油管的约束下推动下部的高压软管和射流钻头前进。首先，通过磨铣钻头在套管和水泥环上钻出一定大小的孔眼，然后下入高压软管和旋转喷嘴喷射破碎地层岩石，连续油管和加重管的部分重力推动高压软管上和旋转喷嘴前进，最终形成径向水平井眼。该方法的特点为简便、安全和高效。
46.2、该水力喷射钻径向分支孔眼的系统在施工使用小尺寸的油管作为工作管柱，油管内径稍大于连续油管外径，以连续油管作为送进的主体将转向器和锚定器下入井中，然后实现钻穿套管和水泥环，并在油气层中钻出一定大小和长度的孔道，增大油气层的裸露面积，提高油气的开发效果。将连续油管连接液压马达，即螺杆马达，以一定排量的流体驱动液压马达旋转，通过柔性轴带动磨铣钻头在套管和水泥环上旋转钻出容许射流钻头和高压软管通过的孔眼；然后用连续油管连接加重管下入高压软管和射流钻头，以水射流的能
量喷射钻出径向分支井眼。其中高压软管具有较高的抗弯刚度，且在外部小尺寸油管的约束下，具有传递轴向压力的能力，连续油管和加重管的部分重力可以推动高压软管和射流钻头前进，直到推力和阻力相等完成一个径向孔眼的钻进，能够满足低渗油藏、稠油油藏以及煤层气的开发。
47.3、该水力喷射钻径向分支孔眼的系统改进了当前采用自进式射流钻头破岩并带动高压软管前进的方法，扩宽了水力喷射钻径向分支孔眼的应用范围，既可应用于直井中钻径向水平孔眼，又可以在斜井和水平井中实施钻微小分支井眼或鱼骨井。通过该旋转喷嘴，通过切向射流喷射产生的反推力在切向的分力对喷嘴轴线产生的扭矩带动喷嘴内部的转子旋转，从而使射流旋转，可以使破碎的孔眼更加规则和圆整，中心射流可以克服普通旋转射流无法破碎孔眼中心岩石的缺点，提高了破岩的效率，有利于提高岩屑排出效率和降低流体在井眼中的流动阻力，以达到形成规则的油气流动通道的目的。
48.4、该水力喷射钻径向分支孔眼的系统利用较小尺寸的油管将锚定器和转向器下入套管井中定位和固定，采用螺杆马达将扭矩通过柔性轴传递到顶部的磨铣钻头上，在套管和水泥环上钻出一个孔眼，然后通过连续油管将旋转喷嘴、高压软管、加重管组成的工具串下入井中，下放连续油管，通过连续油管以及加重管的部分重力推动高压软管前进，前端的旋转射流破碎岩石，钻出一定直径和长度的径向井眼。其中，旋转喷嘴的作用一方面可以最大限度地利用水力能量破岩，另一方面可以使径向水平井井眼光滑和圆整，提高了高压软管和旋转射流钻头前进的动力，可以使径向水平井眼延伸更长。
49.不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

技术特征：

1.一种水力喷射钻径向分支孔眼的旋转喷嘴(25)，其特征在于，所述的旋转喷嘴(25)包含一上壳体(29)和一下壳体(32)，所述的上壳体(29)和与下壳体(32)之间设有一转子(30)，所述的下壳体(32)的外缘周向上开有若干下壳体孔眼(33)，所述的转子(30)的头部中心开有一贯穿的转子轴孔眼(34)，所述的转子(30)的头部侧向开有若干倾斜设置的转子侧孔眼(35)。2.根据权利要求1所述的水力喷射钻径向分支孔眼的旋转喷嘴(25)，其特征在于，所述的上壳体(29)和与下壳体(32)之间设有一推力轴承(31)。3.根据权利要求1所述的水力喷射钻径向分支孔眼的旋转喷嘴(25)，其特征在于，所述的上壳体(29)和下壳体(32)通过螺纹连接。4.根据权利要求1所述的水力喷射钻径向分支孔眼的旋转喷嘴(25)，其特征在于，所述的转子侧孔眼(35)的数量为偶数个。5.一种水力喷射钻径向分支孔眼的系统，其特征在于，所述的水力喷射钻径向分支孔眼的系统包含一垂向设置的套管(3)，所述的套管(3)的外部设有水泥环(4)，所述的套管(3)的内部设有若干串联设置的主油管(1)，相邻的主油管(1)之间设有一锚定器(2)，所述的锚定器(2)锚定在所述的套管(3)的内壁，所述的主油管(1)的底部设有一转向器接头(5)，所述的转向器接头(5)与最下方的转向器(8)通过螺纹连接。所述的主油管(1)内设有一连续油管(11)，所述的连续油管(11)的下部末端可拆卸地连接有一磨铣钻具组件(s1)或高压喷射组件(s2)。6.根据权利要求5所述的水力喷射钻径向分支孔眼的系统，其特征在于，所述的转向器(8)的上端设有一阶梯孔(6)。7.根据权利要求6所述的水力喷射钻径向分支孔眼的系统，其特征在于，所述的磨铣钻具组件(s1)自上而下依次包含一磨铣转接头(12)、一螺杆马达(13)和一柔性轴(15)，所述的磨铣转接头(12)与所述的连续油管(11)相配合，所述的柔性轴(15)包含一马达接头(14)、一轴箍(16)和一柔性轴主体(17)，所述的柔性轴主体(17)穿过所述的转向器(8)，且所述的柔性轴主体(17)的末端设有一磨铣钻头(18)。8.根据权利要求7所述的水力喷射钻径向分支孔眼的系统，其特征在于，所述的高压喷射组件(s2)自上而下依次包含一上高压转接头(21)、一加重管(22)、一下高压转接头(23)和一高压软管(24)，所述的上高压转接头(21)与所述的连续油管(11)相配合，所述的下高压转接头(23)与所述的高压软管(24)相配合，所述的高压软管(24)的末端设有一旋转喷嘴(25)。9.一种利用如权利要求8中所述的水力喷射钻径向分支孔眼的系统钻径向分支孔眼的方法，包含步骤：步骤s1、将转向器(8)通过转向器接头(5)与主油管(1)相连，整个工作管柱串通过主油管(1)下入井中，在达到预定深度，定好方位后，锚定器(2)锚定套管(3)；步骤s2、利用磨铣转接头(12)连接磨铣钻具组件(s1)与连续油管(11)，将磨铣钻头(18)、柔性轴(15)和螺杆马达(13)通过连续油管(11)下入主油管(1)中，使磨铣钻头(18)与套管(3)的内壁接触；步骤s3、利用地面高压泵向连续油管(11)内泵入高压流体，使螺杆马达(13)工作，从而驱动柔性轴(15)和磨铣钻头(18)旋转，在套管(3)和水泥环(4)上钻出一个孔道(20)，直至
柔性轴(15)上的轴箍(16)卡在转向器(8)上端的阶梯孔(6)处，磨铣开窗过程结束，然后，将螺杆马达(13)、柔性轴(15)和磨铣钻头(18)通过连续油管(11)起出井底，将磨铣钻具组件(s1)从连续油管(11)上拆卸下来；步骤s4、利用上高压转接头(21)连接高压喷射组件(s2)与连续油管(11)，将高压软管(24)和旋转喷嘴(25)下入井中，高压软管(24)传递轴向压力，推动旋转喷嘴(25)一边通过水射流(26)破碎地层岩石(19)，一边前进，最终形成径向分支井眼(27)。10.根据权利要求9所述的利用水力喷射钻径向分支孔眼的系统钻径向分支孔眼的方法，其特征在于，转向器(8)通过若干第一螺栓(7)与转向器接头(5)固定连接，转向器(8)上设有若干用于固定转向器(8)的第二螺栓(10)。

技术总结

本发明公开了一种水力喷射钻径向分支孔眼的方法及工具，包含一垂向设置的套管，所述的套管的外部设有水泥环，所述的套管的内部设有若干串联设置的主油管，主油管之间设有一锚定器，所述的锚定器锚定在所述的套管的内壁，所述的主油管底部设有一转向器接头，所述的转向器接头的下方设有一转向器，所述的主油管内设有一连续油管，所述的连续油管的下部末端可拆卸地连接有一磨铣钻具组件或高压喷射组件。该水力喷射钻径向分支孔眼的系统利用磨铣钻具组件在套管和水泥环上钻出孔眼，然后利用高压喷射组件喷射破碎地层岩石，利用高压喷射组件传递推力，最终形成径向水平井眼，简便、安全且高效。且高效。且高效。