石油開採超短半徑徑向水平鑽井、完井工具及其工藝的製作方法

2023-08-11 05:25:16 1

專利名稱：石油開採超短半徑徑向水平鑽井、完井工具及其工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及石油開採鑽井、完井作業，是油田水平鑽井的一種鑽井新工藝及其專用的配套鑽井工具。
背景技術：
現行石油開採行業中，其實施的小曲率大半徑、中半徑、小半徑都存在著成本高、周期長等缺點；超短半徑徑向水平水噴射的所有工藝，因為使用的是高壓水射流破巖鑽井，一是需要配備較多的地面專用設備和工具、成本較高、產出比失衡；二是受到巖性、井深和擴超大直徑孔的限制，縮小了推廣應用範圍，並且這種方法還存在著鑽出的水平井眼技術複雜、鑽井周期長、使用壽命短等缺陷。

發明內容
本發明是針對上述水平鑽井工藝的缺陷設計的一種新工藝，並研製成一整套專用工具，從而達到單層面多井眼及多層面多井眼，並適合多種井眼條件和油藏類型採油，達到採收率成倍提高、綜合鑽井成本降低的最終目的，並且解決了無法篩管完井的難題。
石油開採超短半徑徑向水平鑽井、完井工具及其工藝，是由通徑規、鍛銑刀、鑽頭體、快速接頭、調節短節各部件組成，其特徵是A、超短半徑徑向水平鑽井、完井工具a)定位鑽頭由導正塊(5)、軸(6)、卡圈(7)、密封圈(8)、軸承(9、13)、外套(10)、內套(11)、O型圈(15)、導水接頭(16)、斜鐵(17)和鑽頭(18)各部件組成，鑽頭外套(10)與導向跟進篩管(1)前端焊接固定；b)高強度柔性鑽杆由變位杆球體(21)、保護套(22)、上半空腔球體(23)、密封膠圈(24)、鋼球(25)、下半空腔球體(26)和軸承(27)各部件組成，球體之間採用焊接方式連接，亦可以採用絲扣保護套連接，上半空腔球體、下半空腔球體與變位杆球體之間採用膠管密封，亦可採用膠圈密封，每球間可彎曲4～6°，並可在360°範圍內旋轉；c)導向跟進篩管由連接鋼板(29)、梯形管(30)、反屑孔(31)、反扣補芯(32)、調節短節(33)、節箍(34)和防沙篩網(35)組成，導向跟進篩管上還設有角度限位片(36)；d)柔性鑽杆通過跟進篩管內，採用齒合爪(40、41)與鑽頭(18)連接，亦可以採用脫鉤引向滑道(38′)和自鎖倒須鉤(38)結構，製成快速接頭(44、45)結構形式，水平鑽進時，鑽頭(18)帶動跟進篩管前進，跟進篩管的自身重量又可推動跟進篩管前進，完成水平鑽進時藉助齒合爪(40、41)的自動分離，將鑽頭(18)和跟進篩管(1)留在井內達到篩管完井作業；e)定位造斜導向器是由管壁(48)、可撈接頭(49)、活塞(51)各部分組成，管壁(48)前部按水平鑽井角度需要呈斜坡狀，後部呈半圓形；B、超短半徑徑向水平鑽井、完井工藝a)首先，用鍛銑工具在目的層進行油井套管鍛銑，然後由定位造斜導向器連好導向跟進篩管，同時把柔性鑽杆下入導向跟進篩管內，導向跟進篩管前端安裝有定向鑽頭(18)，柔性鑽杆後部與常規鑽杆相連接，下至目的層的鍛銑段面；b)當定位銷(54)進入鍛銑段，可自動彈出，並掛在油井套管沿上後，漲緊卡瓦(53)在活塞(51)作用下，使定位造斜導向器穩定地固定在油井套管內；當鑽井開始時，應採用吊鑽鑽進，到達目的層時，再全放開鑽進，跟進篩管沿著定位造斜導向器上部的管壁斜面，藉助鑽頭(18)的前進力和篩管自身的重力推進，使水平鑽井按設計要求鑽進；c)鑽進至設計水平長度後，提出鑽杆，將導向跟進篩管和定位鑽頭留在所鑽井眼內，自然形成篩管防砂完井。
本發明的優點是施工工藝簡單，使用常規鑽井設備即可基本完成全部施工作業，無須配備較多的地面專用設備和工具，降低了鑽井綜合成本。造斜段的曲率半徑僅為1.5～3米，適合於各種井眼條件和油藏類型，尤其是不受井深的限制，能夠多層位、同層位多井眼進行作業，且孔徑大，水平井眼長，採收率可顯著提高，而且因水平井鑽進作業完成時，定位鑽頭和導向跟進篩管均留在水平井內，所以水平鑽井、完井工程可同時完成，解決了以往水平井無法篩管完井的一大難題。並且在採油時還可以進行單井眼衝沙洗井作業。


圖1，本發明鑽頭體結構示意圖，其中1跟進篩管，2、4快速接頭，3掛片，5導正塊，6軸，7卡圈，8密封圈，9、13軸承，10外套，11內套，12墊圈，14合金刀片，15O型圈，16導水接頭，17斜鐵，18鑽頭；圖2，本發明圖1的A-A剖視圖；圖3，本發明圖2的B-B剖視圖，其中19限位塊，20限位槽；圖4，本發明柔性鑽杆結構示意圖，其中21變位鑽杆球體，22保護套，23上半空腔球體，24密封膠圈，25鋼球，26下半空腔球體，27軸承；圖5，本發明圖4的C向視圖；圖6，本發明跟進篩管結構圖，其中29連接鋼板，30梯形管，31反屑孔，I示放大部位，D示投視方位；圖7，本發明圖6的自然狀態結構圖，其中32反扣補芯，33調節短節，34節箍，35防沙篩網，E示投影方位；圖8，本發明圖6的I部位放大視圖，其中36角度限位片；圖9，本發明圖7跟進篩管的連接鋼板E向部位視圖，其中37塞焊孔；圖10，本發明圖6的D向部位視圖；圖11，本發明齒合爪(40)軸向視圖；圖12，本發明圖11的主視圖；圖13，本發明齒合爪(41)軸向視圖；圖14，本發明圖13的主視圖；圖15，本發明另一種快速接頭結構(44)的軸向視圖；圖16，本發明圖15的主視圖，其中38自鎖倒須鉤；圖17，本發明另一種快速接頭結構(45)的軸向視圖；圖18，本發明圖17的主視圖，其中38′引向滑道，39導水管；圖19，本發明水平鑽具組裝結構示圖，其中40、41齒合爪，42鑽杆，43柔性鑽杆；圖20，本發明水平鑽具的另一種連接方式結構圖，其中44、45快速接頭；圖21，本發明調節短節的結構示圖，其中46鑽杆短節，47內吊卡；
圖22，本發明圖21的反扣補芯(32)的軸向視圖；圖23，本發明圖21的反扣補芯(32)的主視圖；圖24，本發明圖21的內吊卡(47)的主視圖；圖25，本發明圖21的內吊卡(47)的軸向視圖；圖26，本發明定位造斜導向器結構示意圖，其中48管壁，49可撈接頭，50活塞連接盤，51活塞，52管壁，53漲緊卡瓦，54定位銷，F示斷面部位；圖27，本發明圖26定位造斜導向器後部半圓管壁斷面視圖；圖28，本發明圖26定位造斜導向器造斜管壁斷面視圖；圖29，本發明圖26的F-F斷面視圖，其中55彈簧套筒。
具體實施例方式
對本發明提出的專用工具，以及水平鑽井工藝操作方法和運行機理等，結合附圖進一步具體說明如下一、組裝本發明提出的各種工具首先，組裝定向鑽頭。將導正塊5、軸6、卡圈7、密封圈8、軸承9和13、外套10、內套11、O型圈15、導水接頭16、斜鐵17和鑽頭18組裝成整體，鑽頭外套10應焊接固定在導向跟進篩管1的前端；接著，進行高強度柔性鑽杆的組裝。柔性鑽杆由變位杆球體21、保護套22、上半空腔球體23、密封膠圈24、鋼球25、下半空腔球體26和軸承27各部件組合安裝而成，球體之間採用焊接方式連接，亦可以採用絲扣保護套連接，上半空腔球體、下半空腔球體與變位杆球體之間採用膠管密封，亦可以採用膠圈密封，每球間可彎曲4～6°，並可在360°範圍內旋轉；再接著，是導向跟進篩管的組裝。導向跟進篩管由連接鋼板29、梯形管30、反屑孔31、反扣補芯32、調節短節33、節箍34、角度限位片36和防沙篩網35各部件組裝而成；然後，將通過定向跟進篩管內的柔性鑽杆前端的齒合爪40和鑽頭18後部的齒合爪41，把柔性鑽杆和鑽頭二者組裝在一起；多功能快速接頭的組裝。由齒合爪40、41組裝成快速接頭；快速接頭亦可以採用快速接頭44、45的結構，採用脫鉤引向滑道和自鎖倒須鉤38的結構形式；最後，組裝定位造斜導向器，它是由管壁48、可撈接頭49、活塞51各部件組裝而成，管壁48前部，按水平井鑽井角度要求製成斜坡狀，後部呈半圓形，定位銷54設有彈簧套筒55。
二.結合本發明提供的專用工具，進一步具體描述本發明的操作工藝及相關機理。
首先採用鍛銑工具在目的層進行採油豎井套管的鍛銑，長度為1.1～1.5m，完工後，從豎井套管內提出所用鍛銑工具；接著，把定位造斜器安裝在鑽頭及鑽頭體上，再把柔性鑽杆通過齒合爪40、41與鑽頭18連接牢固；柔性鑽杆安裝在導向跟進篩管內，柔性鑽杆後部的補心調節短節與常規鑽杆連接，全套工具在地面裝配完畢後，即可下井鑽進；當水平鑽具下井達到目的層鍛銑深度，定位造斜導向器的定位銷54，在孔徑加大時會自動彈出，並搭掛在油井護井套鍛銑部位的上邊緣，接著，在活塞51加大重量下滑時，漲緊卡瓦53被擠出，並緊緊地卡在護井套管的內壁上，使定位造斜導向器按設計要求準確穩固定位；開始造斜時，由於定位造斜導向器安裝在導向跟進篩管前部，開鑽時，導向跟進篩管藉助定位造斜器管壁48的特殊結構造形，既利用半圓形的管壁上的斜面和本身的自重，即可完成鑽頭的定向造斜鑽進；導向造斜完成後，加大鑽壓，由鑽頭牽引導向跟進篩管前進，開始水平鑽進，在水平鑽進過程中，鑽頭體上設置的導正塊5、導向跟進篩管上設置的角度限位片36，都確保了鑽頭的水平鑽進的準確方位；水平鑽進達到設計要求時，將導向跟進篩管後邊的自動懸掛器同時自動掛好，並用汽化水洗淨井內所有的鑽進液，利用齒合爪40、41自動脫鉤裝置的自脫鉤性能，在提出柔性鑽杆時，很容易將鑽頭18和導向跟進篩管留在水平井內，致使水平鑽井、完井作業一次完成。
自脫鉤定位鑽頭18和柔性鑽杆的連接結構，也可以設計成快速接頭44和45的結構形式，利用自身設置的自鎖倒須鉤38和脫鉤引向滑道38′，亦可很容易的將鑽頭和柔性鑽杆自動脫離。
權利要求
1.石油開採超短半徑徑向水平鑽井、完井工具及其工藝，是由通徑規、鍛銑刀、鑽頭體、快速接頭、調節短節各部件組成，其特徵是A、超短半徑徑向水平鑽井、完井工具a)定位鑽頭由導正塊(5)、軸(6)、卡圈(7)、密封圈(8)、軸承(9、13)、外套(10)、內套(11)、O型圈(15)、導水接頭(16)、斜鐵(17)和鑽頭(18)各部件組成，鑽頭外套(10)與導向跟進篩管(1)前端焊接固定；b)高強度柔性鑽杆由變位杆球體(21)、保護套(22)、上半空腔球體(23)、密封膠圈(24)、鋼球(25)、下半空腔球體(26)和軸承(27)各部件組成，球體之間採用焊接方式連接，亦可以採用絲扣保護套連接，上半空腔球體、下半空腔球體與變位杆球體之間採用膠管密封，亦可採用膠圈密封，每球間可彎曲4～6°，並可在360°範圍內旋轉；c)導向跟進篩管由連接鋼板(29)、梯形管(30)、反屑孔(31)、反扣補芯(32)、調節短節(33)、節箍(34)和防沙篩網(35)組成，導向跟進篩管上還設有角度限位片(36)；d)柔性鑽杆通過跟進篩管內，採用齒合爪(40、41)與鑽頭(18)連接，亦可以採用脫鉤引向滑道(38′)和自鎖倒須鉤(38)結構，製成快速接頭(44、45)結構形式，水平鑽進時，鑽頭(18)帶動跟進篩管前進，跟進篩管的自身重量又可推動跟進篩管前進，完成水平鑽進時藉助齒合爪(40、41)的自動分離，將鑽頭(18)和跟進篩管(1)留在井內達到篩管完井作業；e)定位造斜導向器是由管壁(48)、可撈接頭(49)、活塞(51)各部分組成，管壁(48)前部按水平鑽井角度需要呈斜坡狀，後部呈半圓形；B、超短半徑徑向水平鑽井、完井工藝a)首先，用鍛銑工具在目的層進行油井套管鍛銑，然後由定位造斜導向器連好導向跟進篩管，同時把柔性鑽杆下入導向跟進篩管內，導向跟進篩管前端安裝有定向鑽頭(18)，柔性鑽杆後部與常規鑽杆相連接，下至目的層的鍛銑段面；b)當定位銷(54)進入鍛銑段，可自動彈出，並掛在油井套管沿上後，漲緊卡瓦(53)在活塞(51)作用下，使定位造斜導向器穩定地固定在油井套管內；當鑽井開始時，應採用吊鑽鑽進，到達目的層時，再全放開鑽進，跟進篩管沿著定位造斜導向器上部的管壁斜面，藉助鑽頭(18)的前進力和篩管自身的重力推進，使水平鑽井按設計要求鑽進；c)鑽進至設計水平長度後，提出鑽杆，將導向跟進篩管和定位鑽頭留在所鑽井眼內，自然形成篩管防砂完井。
全文摘要
石油開採超短半徑徑向水平鑽井、完井工具及其工藝，涉及石油開採行業的鑽井、完井技術，及其所採用的配套工具。針對現有水平鑽井存在所需地面專用設備和工具多、成本高、施工複雜、周期太長、產出比失衡等諸多難題，研製了一整套水平井鑽井、完井新工藝及其專用工具，它是由通徑規、鍛銑刀、定位鑽頭、定位造斜導向器和鑽杆等部件組成，其特徵是定位鑽頭通過齒合爪與柔性鑽杆連接，導向跟進篩管內設置柔杆，其前端安裝有定位造斜導向器；造斜、鑽進完成後，提出柔性鑽杆時，可一次性完成水平鑽井和完井作業。優點是鑽井周期短、成本低、效率高。在採油現場試用，深受用戶好評，可在油井開採中，廣泛應用，在煤氣、自來水行業中，也可廣泛推廣使用。
文檔編號E21B43/10GK1464170SQ02109848
公開日2003年12月31日 申請日期2002年6月14日 優先權日2002年6月14日
發明者曹溪, 張朝純, 張朝旭 申請人:盤錦萬維科技發展有限公司