侧钻径向井开窗工具及方法与流程

本发明涉及水力喷射径向水平井技术领域，特别涉及一种侧钻径向井开窗工具及方法。

背景技术：

近年来，我国东部油气田普遍进入开采后期，稳产任务艰巨。在新增探明储量中低孔、低渗、低流度比的难采储量占较大比重，难以采用常规技术开采。此外，我国煤层气资源丰富，但多为特低渗、低压的吸附气，常规的水力压裂技术在煤储层中形不成稳定长裂缝，很难经济有效的开采。因此，亟需一种安全高效经济的技术手段开采以上类型的资源，以保证我国能源安全。

超短半径径向水平井技术(侧钻径向水平井技术)是近几十年来发展起来的一项新型油田增产技术。该技术能够在垂直井眼内一个或多个层面上沿径向钻出呈辐射状分布的一个或多个水平孔眼，可穿透近井污染带，极大的增加泄油半径，是提高单井产量的一种有效途径。该技术实现了安全高效钻井，且大大节约了作业成本，特别适用于老油田增产、特殊油藏与煤层气的开发。

目前国内外套管开窗侧钻径向水平井技术中，主要利用螺杆马达带动万向节驱动合金机械钻头进行开窗。该技术可在井下钻出多个径向水平井眼，但每钻一个径向井眼，需起下钻两次，作业周期较长，作业程序较为复杂。另外，如果作业井段采取较为复杂的完井方式，如利用绕丝筛管防砂技术，则开窗时，容易破坏机械钻头牙齿，甚至容易会出现卡钻的现象。例如，目前常用的机械钻头破筛管时，由于筛管管体上存在孔眼，因此钻头牙齿容易卡在孔眼处造成卡钻现象，或者造成牙齿磨损甚至掉落的现象，导致开窗效率降低，严重情况会导致无法开窗。

因此，有必要提供一种新型的侧钻径向井开窗工具，以克服现有技术中至少一种缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种侧钻径向井开窗工具及方法，能够克服现有技术中的缺陷，在通过磨料射流顺利完成开窗的同时，一次下钻可同时完成同一层位所有预定孔眼的开窗作业，减少了起下钻次数，提高了侧钻径向井作业效率。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种侧钻径向井开窗工具，其包括：转向器、磨料射流短节、喷嘴、卡槽短节、卡爪短节以及定向装置，

所述转向器的内侧形成有用于设置所述卡槽短节的锥形腔体和用于设置所述磨料射流短节的转向滑道，所述转向器的下端能通过转动连接的方式与油管锚配合；

所述磨料射流短节设置在所述转向滑道内，所述磨料射流短节具有相对的入口端与出口端，所述入口端与所述卡槽短节相固定，所述出口端连接有所述喷嘴；

所述卡槽短节的外侧与所述转向器相密封配合，坐封在所述转向器的上部，所述卡槽短节的内侧能和所述卡爪短节相配合，形成对接机构；

所述卡爪短节的上端与连续油管相连接；

所述定向装置包括与所述转向器连接的定向杆和套设在所述定向杆外的定向筒，所述定向杆的外壁上设置有定向轨道，所述定向筒上设置有螺纹孔，所述螺纹孔中设置有定向螺栓，所述定向螺栓卡入所述定向轨道中，并能进行换轨运动。

在一个优选的实施方式中，所述定向筒的上端连接有油管柱，通过上提、下放所述油管柱，使得所述定向螺栓在所述定向轨道中换轨运动，所述定向杆带动所述转向器转向。

在一个优选的实施方式中，所述定向筒上端的内侧设置有圆环形凸台，用于密封所述定向筒与所述定向杆之间的间隙。

在一个优选的实施方式中，所述卡槽短节上部内侧形成有孔径自上而下逐渐变小的倒锥面，

所述卡槽短节中部形成有圆柱形的卡槽，所述卡槽的内径大于所述倒锥面下端的直径。

在一个优选的实施方式中，所述卡爪短节的下端沿着周向均匀地设置有多个活动卡爪；所述卡爪短节的内部形成有用于收容所述活动卡爪的卡爪腔体；所述活动卡爪能卡入所述卡槽短节的卡槽内部后，与所述卡槽短节形成对接机构。

在一个优选的实施方式中，相邻两个所述活动卡爪之间设置有卡爪弹簧。

在一个优选的实施方式中，所述转向器的下端与油管锚之间设置有轴承，所述转向器通过所述轴承实现相对所述油管锚转动。

在一个优选的实施方式中，所述卡槽短节外壁面与所述转向器的锥形腔体的壁面之间采用垫圈密封。

在一个优选的实施方式中，所述转向器包括两个相对接的转向器片，所述转向器片通过可拆卸的方式相连接。

一种基于上述侧钻径向井开窗工具的侧钻径向井开窗方法，包括：

下油管锚至预定位置；

利用油管柱将侧钻径向井开窗工具总成下至侧钻开窗位置；

向油管柱内泵入磨料射流，磨料射流先后通过油管、定向装置、卡槽短节、磨料射流短节，最终从喷嘴喷射出，进行开窗；

完成一次开窗后，上提、下放油管柱，通过定向装置内部机构之间的配合，使油管的竖直上下运动转化为定向杆沿井筒轴线的旋转运动，进而带动下部侧钻径向井开窗工具总成进行转向，直至喷嘴方向位于同一层位另一预定井眼方向；

重复开窗的步骤，开窗完成后，继续进行下一井眼的开窗作业，直至同一层位所有预定径向井眼开窗作业完成；

利用连续油管向井内下入卡爪短节，当卡爪短节与卡槽短节相对接时，上提连续油管，起出磨料射流短节、喷嘴、卡爪短节以及卡槽短节。

本发明的特点和优点是：本申请所提供的新型侧钻径向井开窗工具及方法利用磨料射流破套管、筛管等进行开窗，克服了现在技术中利用磨铣钻头进行开窗时，由于卡钻、牙齿磨损等原因会造成作业效率低，严重时甚至会导致作业失败的缺点，提高了开窗效率。另外，利用该工具作业时，一次下钻后，可完成同一层位所有井眼的开窗作业，减少了起下钻次数，减小了整个径向井工艺的作业周期，提高了作业效率，同是节约了作业成本。此外，当开窗结束后，可以利用下入卡爪短节，与卡槽短节配合形成对接机构，上提连续油管，即可实现起出磨料射流短节、喷嘴、卡爪短节以及卡槽短节，整体上打捞操作简单、可靠。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1A是本申请实施方式中一种侧钻径向井开窗工具下钻时的结构剖面图；

图1B是本申请实施方式中一种侧钻径向井开窗工具起钻时的结构剖面图；

图2A是卡爪短节主视图；

图2B是卡爪短节的A-A剖面图；

图3A是卡槽短节主视图；

图3B是卡槽短节的B-B剖面图；

图4是卡槽短节育卡爪短节形成的对接机构；

图5A是转向器A片主视图；

图5B是转向器B片主视图；

图6是定向筒剖面图；

图7是定向杆主视图。

附图标记说明：

1-套管；2-油管柱；3-连续油管；4-定向装置；41-定向筒；411-圆环形凸台；42-定向螺栓；43-定向杆；431-定向轨道；5-卡爪短节；51-活动卡爪；52-卡爪腔体；53-卡爪弹簧；6-卡槽短节；61-倒锥面；62-卡槽；7-磨料射流短节；8-转向器；81-转向器A片；82-转向器B片；83-转向滑道；84-锥形腔体；9-喷嘴；10-轴承；11-油管锚；12-垫圈。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

磨料水射流是磨料与高压强、高流速的水相互混合而成的液固两相介质射流，是80年代迅速发展起来的一种新型射流。目前磨料水射流在工业清洗、除锈及切割等方面有着广泛的应用。由于磨料射流在高压下，对金属的切割能力较强，因此可在开窗侧钻径向水平井技术中利用磨料射流进行开窗，这可避免利用机械钻头切割筛管时出现牙齿破损、卡钻等现象，可提高作业效率。本发明主要提出一种利用磨料射流开窗的侧钻径向井开窗工具。

本发明提供一种侧钻径向井开窗工具及方法，能够克服现有技术中的缺陷，在通过磨料射流顺利完成开窗的同时，一次下钻可同时完成同一层位所有预定孔眼的开窗作业，减少了起下钻次数，提高了侧钻径向井作业效率。

请参阅图1A至图7，本申请实施方式中提供一种侧钻径向井开窗工具，其可以包括：转向器8、磨料射流短节7、喷嘴9、卡槽短节6、卡爪短节5以及定向装置4，所述转向器8的内侧形成有用于设置所述卡槽短节6的锥形腔体84和用于设置所述磨料射流短节7的转向滑道83，所述转向器8的下端能通过转动连接的方式与油管锚11配合；所述磨料射流短节7设置在所述转向滑道83内，所述磨料射流短节7具有相对的入口端与出口端，所述入口端与所述卡槽短节6相固定，所述出口端连接有所述喷嘴9；所述卡槽短节6的外侧与所述转向器8相密封配合，坐封在所述转向器8的上部，所述卡槽短节6的内侧能和所述卡爪短节5相配合，形成对接机构；所述卡爪短节5的上端与连续油管3相连接；所述定向装置4包括与所述转向器8连接的定向杆43和套设在所述定向杆43外的定向筒41，所述定向杆43的外壁上设置有定向轨道431，所述定向筒41上设置有螺纹孔，所述螺纹孔中设置有定向螺栓42，所述定向螺栓42卡入所述定向轨道431中，并能进行换轨运动。

在本实施方式中，所述定向筒41的上端连接有油管柱2，通过上提、下放所述油管柱2，使得所述定向螺栓42在所述定向轨道431中换轨运动，所述定向杆43带动所述转向器8转向。

本申请提供的一种新型的侧钻径向水平井开窗工具主要包括：转向器8、磨料射流短节7、喷嘴9、卡槽短节6、卡爪短节5以及定向装置4。下面结合具体的附图，详细介绍下本申请中的各个组成部分。

请结合参阅图5A、图5B，转向器8主要将作业管柱的流道方向由竖直转为水平。转向器8的内部形成有用于设置卡槽短节6的锥形腔体84和用于设置磨料射流短节7的转向滑道83。其中，该转向滑道83为具有特定形状的导向轨道,该导向器滑道83内用于设置磨料射流短节7。转向器8的上端设置有可与卡槽短节6密封配合的倒锥结构。该转向器8的下端能通过转动连接的方式与油管锚11配合。

在一个实施方式中，该转向器8包括两个相对接的转向器8片，所述转向器8片通过可拆卸的方式相连接。例如，转向器8可以包括：对接的转向器A片81和转向器B片82，如此将转向器8分为两片式，便于加工和安装。其中，该转向器A片81和转向器B片82之间可以由螺栓连接，当然，两者的连接方式并不限于螺栓连接，还可以为其他连接方式，例如铰接，或者铰接与螺纹连接相配合的方式等，具体的，本申请在此并不作具体的限定。

在一个实施方式中，所述转向器8的下端与油管锚11之间设置有轴承10，所述转向器8通过所述轴承10实现相对所述油管锚11转动。通过所述转向器8的下端与油管锚11之间设置有轴承10的方式可以较为可靠地实现所述转向器8的转动。

如图1A、图1B所示，磨料射流短节7位于转向滑道83内。该磨料射流短节7整体为一弯曲状金属管，金属管管道作为磨料射流流道，该磨料射流短节7一端装喷嘴9，磨料射流通过该磨料射流短节7与喷嘴9作用于套管1进行开窗。

具体的，该金属管其一端呈弯曲状，弯曲程度与转向滑道83弯曲程度一致，弯曲段的末端即该磨料射流短节7的出口端设置有喷嘴9。该喷嘴9呈锥形，该锥形的喷嘴9可以对磨料射流短节7流出的磨料射流进行进一步加速。具体的，磨料射流短节7的弯曲段的末端与锥形喷嘴9之间可以由螺纹连接。磨料射流短节7的另一端(入口端)与卡槽短节6之间也采用螺纹连接。

请结合参阅图3A、图3B，卡槽短节6位于转向器8锥形腔体84内。具体的，所述卡槽短节6的外侧与所述转向器8相密封配合，坐封在所述转向器8的上部，所述卡槽短节6的内侧能和所述卡爪短节5相配合，形成对接机构。其中，所述卡槽短节6的外壁面与转向器8的锥形腔体84壁面之间采用垫圈12密封，以保证两者配合位置的密封性。

具体的，卡槽短节6与磨料射流短节7可以通过螺纹连接，其外侧形状可与转向器8上部坐封。卡槽短节6上部内侧形成有孔径自上而下逐渐变小的倒锥面61，中部形成有圆柱形的卡槽62，卡槽62直径大于倒锥面61下端圆直径。该卡槽短节6的下部内侧设置有用于和所述磨料射流短节7相配合的螺纹孔。

该卡槽短节6上部内侧为倒锥面61便于打捞工具下入，在倒锥面61下部存在可与打捞工具对接的内部圆腔，其内径比倒锥状最小直径大，安装于转向器8圆锥形腔体84内，其外壁面与转向器8圆锥形腔体84壁面面之间采用垫圈12密封。

请结合参阅图2A、图2B、图4，卡爪短节5为用于实现打捞功能，其上端与连续油管3由螺纹连接，下端沿周向均匀地分布着多个活动卡爪51。该活动卡爪51的个数可以为4个，当然也可以为大于或小于4个，具体的本申请在此并不作具体的限定。卡爪短节5内部有一圆柱形卡爪腔体52，活动卡爪51可沿径向收入卡爪腔体52内，也可伸出卡爪腔体52外部。卡爪短节5的活动卡爪51可卡入卡槽短节6的卡槽62内部，构成对接机构，用以连接连续油管3与下部工具。

其中，相邻两个活动卡爪51之间设置有卡爪弹簧53，位于同一径向的两个活动卡爪51通过卡爪弹簧53相连接。该卡爪弹簧53可以沿着该卡爪短节5的轴向设置一层或多层，具体的，本申请在此并不作具体的限定。

请结合参阅图图1A、图1B、图6、图7，定向装置4位于转向器8上端，分为定向筒41与定向杆43两部分，定向杆43与转向器A片81之间由螺纹连接，定向筒41位于定向杆43外侧，定向筒414壁面某一水平位置处沿周向均匀分布若干个螺纹孔，定向螺栓42装入螺纹孔，并卡入定向杆43外壁面的定向轨道431中。进一步的，定向筒41上端内侧有一圆环形凸台411，用以密封定向筒41与定向杆43之间间隙。

在本实施方式中，可通过上提下放油管柱2，实现开窗工具转向，实现一层位的套管1开窗作业。上提和下放油管柱2时，实现开窗工具转向原理如下：

连接在一起的定向筒41和油管柱2不能转动，而定向杆43与其下端连接的转向器8可自由旋转，定向螺栓42卡在定向杆43的定向轨道431中，油管锚11用于确保定向杆43和转向器8不能上下移动。

当上提油管柱2且带动定向筒41上行时，定向螺栓42的上提力作用在定向杆43定向轨道431的上斜面，产生侧向推力，推动定向杆43旋转。随着定向螺栓42上行至定向轨道431的上死点时，停止上提油管柱2，转为下放油管柱2。当定向螺栓42接触到下斜面时，向下的推力在下斜面上产生侧向推力，该侧向推力与上提油管柱2时产生的侧向推力方向一致，继续推动定向杆43旋转。随着定向螺栓42下行至定向轨道431下死点时，停止下放管柱，至此完成转向器8一次转向。

本申请实施方式中针对上述实施方式中提供的侧钻径向井开窗工具还提供一种侧钻径向井开窗方法，该开窗方法可以包括如下步骤：

(1)下油管锚11至预定位置；

(2)利用油管柱2将侧钻径向井开窗工具总成下至侧钻开窗位置；

(3)向油管柱2内泵入磨料射流，磨料射流先后通过油管、定向装置4、卡槽短节6、磨料射流短节7，最终从喷嘴9喷射出，进行开窗；

(4)完成一次开窗后，上提、下放油管柱2，通过定向装置4内部机构之间的配合，使油管柱2的竖直上下运动转化为定向杆43沿井筒轴线的旋转运动，进而带动下部侧钻径向井开窗工具总成进行转向，直至喷嘴9方向位于同一层位另一预定井眼方向；

(5)重复第(3)步作业方式，开窗完成后，继续进行下一井眼的开窗作业，直至同一层位所有预定径向井眼开窗作业完成；

(6)利用连续油管3向井内下入卡爪短节5，当卡爪短节5与卡槽短节6相对接时，上提连续油管3，起出磨料射流短节7、喷嘴9、卡爪短节5以及卡槽短节6。

在本实施方式中，请结合参阅图1A，侧钻径向井开窗工具总成，是指还没有下入卡爪短节5的侧钻径向井开窗工具。当开窗结束后，可以利用连续油管3下入卡爪短节5，下入的卡爪短节5育所述卡槽短节6对接后，上提连续油管3，即可实现起出磨料射流短节7、喷嘴9、卡爪短节5以及卡槽短节6。整体上打捞操作简单、可靠。

本发明提出的新型侧钻径向井开窗工具及方法，利用磨料射流破套管1、筛管等进行开窗，克服了现在技术中利用磨铣钻头进行开窗时，由于卡钻、牙齿磨损等原因会造成作业效率低，严重时甚至会导致作业失败的缺点，提高了开窗效率。另外，利用该工具作业时，一次下钻后，可完成同一层位所有井眼的开窗作业，减少了起下钻次数，减小了整个径向井工艺的作业周期，提高了作业效率，同是节约了作业成本。此外，当开窗结束后，可以利用下入卡爪短节5，与卡槽短节6配合形成对接机构，上提连续油管3，即可实现起出磨料射流短节7、喷嘴9、卡爪短节5以及卡槽短节6，整体上打捞操作简单、可靠。

在一个具体的应用场景下，利用该工具作业之前，首先在地面上完成开窗工具总成的组装，包括定向装置4、卡槽短节6、磨料射流短节7、转向器8、喷嘴9。安装顺序如下：首先将喷嘴9安装与磨料射流短节7弯曲段端部，磨料射流短节7另一端安装与卡槽短节6底部；然后将磨料射流短节7与卡槽短节6的连接体装入转向器A片81内，其中磨料射流短节7位于转向滑道83内，卡槽短节6位于转向器8锥形腔体84内；紧接着，用螺栓连接转向器B片82与转向器A片81；最后，将定向杆43装于转向器A片81上端，定向筒41套与定向杆43外侧，并将定向螺栓42装入定向筒41壁面螺纹孔内。

开窗工具总成组装完成以后，利用油管柱2将其下至井内预先安装的油管锚11处。为了在定向时便于转向器8转动，在油管锚11和转向器8之间安有轴承10。紧接着，向油管柱2内泵入磨料射流，磨料射流先后通过油管柱2、定向装置4、卡槽短节6、磨料射流短节7，最终从锥形喷嘴9喷射出进行开窗。完成一次开窗后，上提下放油管柱2，通过定向装置4内部机构之间的配合，致使油管柱2的竖直上下运动转化为定向杆43沿井筒轴线的旋转运动，进而带动下部开窗工具总成进行转向，直至锥形喷嘴9方向位于同一层位另一预定井眼方向。定向作业完成后，向井内泵磨料射流进行开窗。

以上述的作业方式完成同一层位所有预定径向井眼开窗作业后，利用连续油管3向井内下入卡爪短节5。当卡爪短节5与卡槽短节6倒锥面61接触后，卡爪短节5会滑向卡槽短节6的卡槽62，此时卡爪短节5在卡槽短节6倒锥面61挤压力的作用下，活动卡爪51收缩至卡爪腔体52内。当卡爪短节5完全进入卡槽62内时，活动卡爪51会伸出卡爪腔体52，并卡在卡槽62内，此时，卡爪短节5与连续油管3的部分重力作用于卡槽短节6上，因此地面管柱拉力载荷显示值减小。通过卡爪短节5与卡槽短节6的配合，连续油管3与下部磨料射流短节7、锥形喷嘴9连接。紧接着，上提连续油管3，起出磨料射流短节7、喷嘴9、卡爪短节5以及卡槽短节6。至此，开窗作业完成。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

本文披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。