专利名称：智能井下多分支水平钻孔完井系统的井下钻具的制作方法
技术领域：
本发明涉及能源开采装备技术领域，具体地说涉及石油、天然气以及原地浸出采铀的开采装备。
背景技术：
全球采油、采气井应用最多的完井方法是一钻开油、气层后下入套管或尾管，注入 水泥浆后，通过射孔弹射孔方式，使射孔弹穿过套管、水泥固井层、矿层并留下孔道，完成完 井作业。其原理是在井下引爆射孔弹内火药使其爆炸，产生高温高压金属气流射出矿藏流 体通道。此种完井方法主要存在以下几点缺点1、射孔在井下矿层形成的孔道是靠挤压 成形的，且孔壁有残流金属成份，因此矿层孔道周围伤害程度较大，渗透率伤害度达60 80%。2、由于射孔的深度与射孔弹的火药量成正比，而地层套管强度、固井水泥的强度制约 了射孔弹的火药用量，因此射出的孔道短，通常孔深是300 800mm。3、受地层条件影响，射 孔形成的孔深浅不一，且无法在井下测量其射入深度。4、射孔弹在装弹、运输和作业过程中 中存在一定的危险性。为解决上述技术问题，必须有一套智能井下多分支水平钻孔完井系统，由地面控 制系统、连接总成和井下钻具组成，通过连接总成将地面控制系统与井下钻具连接在一起， 通过地面控制系统控制井下钻具。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服现有技术问题的智能井下多分支水平钻孔完 井系统的井下钻具。本发明由上端膨胀固定组、相位角控制转向器和旋转软轴钻具组成，所述相位角 控制转向器的上下两端分别连接上端膨胀固定组和旋转转轴钻具。所述上端膨胀固定组包括上压板、下压板、环状多孔中空腔体和耐油胶套，所述环 状多孔中空腔体的轴向竖向设置，环状多孔中空腔体的外表面设置与内腔连通的通孔，所 述上压板、下压板分别与环状多孔中空腔体的上、下两端固定连接，所述耐油胶套套置于环 状多孔中空腔体的外侧，地面引入的高压细长毛细管的下端与环状多孔中空腔体的内腔连
通ο所述相位角控制转向器包括电机固定座、调速电机、电机输出轴、外筒体和转向筒 体，所述外筒体与上端膨胀固定组的下压板固接，所述外筒体的轴向竖向布置，在所述外筒体 上部的内壁设置1/4圈内齿轮，所述转向筒体轴向呈竖向布置，转向筒体固定在电机固定座 外侧，所述调速电机竖向固定在所述电机固定座上，在所述调速电机的输出端连接电机输出 轴，于所述电机输出轴的另一端固定连接外齿轮，所述外齿轮与所述1/4圈内齿轮相啮合，所 述外筒体的外壁设置横向的半圆形凹槽，所述在外筒体和转动筒体相对的表面横向分别设置 相对的半圆形凹槽，在所述两组半圆形凹槽组成的圆环腔体内设置滚动球体。所述旋转转轴钻具包括与转向筒体下方固接的下筒体，在所述下筒体内设有调速电机、中空从动转轴，在所述下筒体上部内侧通过支架固定设置竖向布置、输出端朝下的所述调速电机，所述支架固定连接在一升降轴上，所述调速电机的输出端连接电机输出轴，在 所述电机输出轴的外侧通过支架支撑四根中空从动转轴，各中空从动转轴分别与电机输出 轴相啮合，各中空从动转轴的下端分别连接中空软轴，所述中空软轴穿置在所述下筒体侧 壁上，所述中空软轴的另一端分别连接钻头；在四根中空从动转轴之间设置高压水流分配 器，所述高压水流分配器支撑在支架上，所述高压水流分配器设有四个出水口，各出水口分 别与四根中空从动转轴的上端连接。在所述各中空软轴外套置金属转向器，所述各金属转 向器的上端分别固定在设置在下筒体内、于中空软轴下方的法兰上。当从地面通过高压细长毛细管引入的高压膨胀液注入环状多孔中空腔体内，再渗 入耐油胶套中，耐油胶套膨胀，使耐油胶套挤压于井壁中，实现整个装置在井下固定。相位角控制转向器的调速电机通过电机输出轴带动外齿轮低速转动，由于内齿圈 只有1/4圈，因此在不偏心的情况下使内齿轮和外齿轮产生相对运动。由于外筒体固结在 上端膨胀固定组上，且内啮合齿轮与外筒体固定连接，因此，调速电机带动转向筒体和外筒 体产生相对旋转运动。旋转软轴钻具中从地面引入的高压水经高压水流分配器分配至四个中空从动转 轴，再经中空软轴，使中空软轴端的四个钻头在高压水的喷射下方便操作。升降轴通过支架 带动调速电机及四根从动转轴、中空软轴在旋转的状态下向下运动，从动转轴进入金属转 向器的垂直扶正段，而四根中空软轴分别通过四组金属转向器的弯曲段改变方向，水平钻 入矿层。形成的矿层孔道又对中空软轴起到扶正的作用，因此四个钻头得以钻入矿层。到 达预定深度后，在中空软轴旋转状态下，升降轴向上运动，使从动转轴带动中空软轴缩入金 属转向器中，使各钻头回缩入下筒体内，操作步骤完毕，钻具处于待机状态。本发明在井下通过钻头钻入矿层，并将钻碎的岩土碎屑从钻孔中带出，解决了射 孔引起的孔道周围的金属残留及压实带等对渗透性的影响，有利于流体从矿层流入井道。 本发明在矿层的钻入深度达1. 2 1. 5米，是普通射孔深度的2 4倍。通过控制可以根据 矿层的地质情况，控制钻头旋转钻速，以及钻头挺进速度、钻孔深度。可以在垂直井中不同 的油、气、铀矿层进行与垂直井呈90°水平方向的钻孔完井作业，每个层面一次作业可同时 钻入四个均布的水平孔，每个层位可以多次作业钻出多个均布的呈辐射状的径向水平孔， 改善油气矿藏与垂直井之间的渗流效果，可用于针对性的分层开采，提高油、气藏以及原地 浸出采铀的开采效率。本发明在完全垂直于垂直井的水平方向的钻孔，用来在井下一次性完成多孔作业 的特殊工具和作业工艺，带有高压水流的钻头从四个均布的水平方向钻入地层，并将钻碎 后的岩屑从完成的孔中带出，实现水平多分支钻孔作业，从而达到增大流体裸露面积，可实 现高效开采地下能源的目的。
图1为本发明的一种结构示意图。
具体实施例方式智能井下多分支水平钻孔完井系统主要由地面控制系统、井上吊装系统和本发明的井下钻具组成，地面控制系统通过井上吊装系统与井下钻具连接实现数据传输和控制， 井上吊装系统实现井下钻具的升降。井下钻具由上端膨胀固定组I、相位角控制转向器II和旋转转轴钻具III组成。上端膨胀固定组I包括上压板101、下压板102、环状多孔中空腔体103和耐油胶 套104，环状多孔中空腔体103的轴向竖向设置，环状多孔中空腔体103的外表面设置与内 腔连通的通孔，上压板101、下压板102分别与环状多孔中空腔体103上、下两端固接，耐油 胶套104套置于环状多孔中空腔体103的外侧，地面引入的高压细长毛细管105与环状多 孔中空腔体103的内腔联 通，当从地面通过高压细长毛细管105引入的高压膨胀液注入环 状多孔中空腔体103内，渗入耐油胶套104中使耐油胶套104膨胀，耐油胶套104挤压于井 壁中，实现井下钻具在井下的固定。相位角控制转向器II包括电机固定座201、调速电机202、减速机输出轴203、外 筒体204、转向筒体205，所述外筒体204与上端膨胀固定组I的下压板102固接，外筒体204 的轴向竖向布置，在外筒体204上部的内壁固定设置1/4圈内齿轮207，转向筒体205轴向 呈竖向布置，转向筒体205固定在电机固定座201外侧，与减速机输出轴203输出端连接外 齿轮206与内齿轮207相啮合，在外筒体204和转动筒体205相对的表面分别横向设置相 对的半圆形凹槽，在所述两组半圆形凹槽组成的圆环腔体208内设置滚动球体209，使转向 筒体205与外筒体204之间可以产生相对转动。调速电机202通过电机输出轴203带动外 齿轮206低速转动，由于内齿圈207只有1/4圈，因此在不偏心的情况下使内齿轮207和外 齿轮206产生相对运动。由于外筒体204固结在上端膨胀固定组I上，且内齿轮207和外筒体204也固结， 因此，调速电机202带动转向筒体205和外筒体204产生相对旋转运动。滚动球体209和 圆形环腔体208相互作用使固结在一起的上端膨胀固定组I、相位角控制转向器II承受旋 转转轴钻具III的重力，并且能产生相对旋转运动。旋转转轴钻具III包括与转向筒体205下方固接的下筒体311，在下筒体311内设 有调速电机302和四根中空从动转轴304，在下筒体311上部内侧通过支架301固定设置 竖向布置、输出端朝下的调速电机302，支架301固定连接在一升降轴309上，调速电机302 的输出端连接电机输出轴303，在电机输出轴303的外侧通过支架301和轴承支撑四根中空 从动转轴304，各中空从动转轴304分别与电机输出轴303相啮合，各中空从动转轴304的 下端分别连接中空软轴305，四根中空软轴305分别穿置在下筒体311侧壁的通孔上，各中 空软轴305的另一端分别连接钻头306。在四根中空从动转轴305之间设置高压水流分配 器308，高压水流分配器308支撑在支架301上，高压水流分配器308设有四个出水口，各出 水口分别与四根中空从动转轴304的上端连接。在各中空软轴304外分别套置金属转向器 307，各金属转向器307的上端分别固定在设置在下筒体311内、于中空软轴305下方的法 兰310上。
权利要求
智能井下多分支水平钻孔完井系统的井下钻具，其特征在于由上端膨胀固定组、相位角控制转向器和旋转软轴钻具组成，所述相位角控制转向器的上下两端分别连接上端膨胀固定组和旋转转轴钻具。
2.根据权利要求1所述智能井下多分支水平钻孔完井系统的井下钻具，其特征在于所 述上端膨胀固定组包括上压板、下压板、环状多孔中空腔体和耐油胶套，所述环状多孔中空 腔体的轴向竖向设置，环状多孔中空腔体的外表面设置与内腔连通的通孔，所述上压板、下 压板分别与环状多孔中空腔体的上、下两端固定连接，所述耐油胶套套置于环状多孔中空 腔体的外侧，地面引入的高压细长毛细管的下端与环状多孔中空腔体的内腔连通。
3.根据权利要求2所述智能井下多分支水平钻孔完井系统的井下钻具，其特征在于所 述相位角控制转向器包括电机固定座、调速电机、电机输出轴、外筒体和转向筒体，所述外 筒体与上端膨胀固定组的下压板固接，所述外筒体的轴向竖向布置，在所述外筒体上部的 内壁设置1/4圈内齿轮，所述转向筒体轴向呈竖向布置，转向筒体固定在电机固定座外侧， 所述调速电机竖向固定在所述电机固定座上，在所述调速电机的输出端连接电机输出轴， 于所述电机输出轴的另一端固定连接外齿轮，所述外齿轮与所述1/4圈内齿轮相啮合，所 述外筒体的外壁设置横向的半圆形凹槽，所述在外筒体和转动筒体相对的表面分别横向设 置相对的半圆形凹槽，在所述两组半圆形凹槽组成的圆环腔体内设置滚动球体。
4.根据权利要求3所述智能井下多分支水平钻孔完井系统的井下钻具，其特征在于 所述旋转转轴钻具包括与转向筒体下方固接的下筒体，在所述下筒体内设有调速电机、中 空从动转轴，在所述下筒体上部内侧通过支架固定设置竖向布置、输出端朝下的所述调速 电机，所述支架固定连接在一升降轴上，所述调速电机的输出端连接电机输出轴，在所述电 机输出轴的外侧通过支架支撑四根中空从动转轴，各中空从动转轴分别与电机输出轴相啮 合，各中空从动转轴的下端分别连接中空软轴，所述中空软轴穿置在所述下筒体侧壁上，所 述中空软轴的另一端分别连接钻头；在四根中空从动转轴之间设置高压水流分配器，所述 高压水流分配器支撑在支架上，所述高压水流分配器设有四个出水口，各出水口分别与四 根中空从动转轴的上端连接；在所述各中空软轴外套置金属转向器，所述各金属转向器的 上端分别固定在设置在下筒体内、于中空软轴下方的法兰上。
全文摘要
智能井下多分支水平钻孔完井系统的井下钻具，涉及能源开采装备技术领域，由上端膨胀固定组、相位角控制转向器和旋转软轴钻具组成，所述相位角控制转向器的上下两端分别连接上端膨胀固定组和旋转转轴钻具。在完全垂直于垂直井的水平方向的钻孔，用来在井下一次性完成多孔作业的特殊工具和作业工艺，带有高压水流的钻头从四个均布的水平方向钻入地层，并将钻碎后的岩屑从完成的孔中带出，实现水平多分支钻孔作业，从而达到增大流体裸露面积，可实现高效开采地下能源的目的。
文档编号E21B4/04GK101824964SQ201010149819
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者张建华 申请人:张建华