水平井自适应定向喷砂射孔装置及方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，具体而言，涉及一种水平井自适应定向喷砂射孔装置及方法。

背景技术

随着油气田开发技术的进步和发展，精细化的油藏开发方式将成为油气田开发行业的一种必然趋势。伴随着水力喷砂射孔及储层改造工艺的成熟应用以及油气田精细开发的需求，根据储层物性要求对水平井实施精确的定向喷砂射孔及储层改造将成为水平井改造的工艺新需求。

目前应用于现场实施水平井定向喷砂射孔的装置及方法主要是通过带有偏心配重块的偏心配重喷枪来实施，作业时通过偏心配重喷枪，配合两端的活动连接接头及扶正器等配套装置，在水平井筒内依靠偏心配重块的重力作用实现对喷枪喷嘴的定向。此工艺方法存在有以下的一些不足之处：(1)此方法依靠喷枪自身的偏心重力作用配合端部的活动接头进行方向调节定向，在实施的过程中转向力依靠自身重力提供，力较小，在井筒内高温高压的状态下，性能不稳定；(2)此方法在喷枪上设置偏心配重块，喷嘴的设计及安装位置受到一定限制的同时，不能满足井筒圆任意方位射孔的工程需求，存在射孔盲区。

由上可知，现有技术中存在水平井无法实现精准定向喷砂射孔的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水平井自适应定向喷砂射孔装置，以解决现有技术中水平井无法实现精准定向喷砂射孔的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种水平井自适应定向喷砂射孔装置，包括顺次连接的定向调节器、方向调节接头、喷枪和引鞋，定向调节器远离方向调节接头的一端与上部管柱工具连接，方向调节接头用于调节喷枪的喷嘴的喷射方向与定向调节器的基准方位线之间的夹角，工作液由上部管柱工具进入定向调节器，以使定向调节器的至少一部分沿远离上部管柱工具的方向移动并以定向调节器的轴向为转轴转动预设角度，并带动方向调节接头、喷枪和引鞋一同转动预设角度，以使喷枪的喷嘴达到预设喷射方向。

进一步地，定向调节器包括：筒体，筒体具有沿轴向贯穿的中空腔；第一接头，第一接头分别与筒体和上部管柱工具连接；第二接头，第二接头分别与轨道杆远离第一接头的一端和方向调节接头连接；轨道杆，轨道杆的至少一部分容置在中空腔内，工作液带动轨道杆在中空腔内沿远离上部管柱工具的方向移动并以定向调节器的轴向为转轴转动预设角度。

进一步地，定向调节器还包括：定位滚珠，轨道杆具有环形限位槽，定位滚珠容置在环形限位槽内并能够沿轨道杆的周向滚动，轨道杆具有沿轴向对称延伸的两条轨道槽，两条轨道槽的两端均重合，且两个轨道槽的两个重合点之间沿径向呈180°夹角；定位挡环，定位挡环设置在中空腔内并相对于第一接头靠近第二接头，用于对定位滚珠止挡限位，轨道槽依次经过定位滚珠以使轨道杆转动。

进一步地，定位挡环开设有限位孔，限位孔沿径向贯穿定位挡环的侧壁，限位孔为多个，多个限位孔沿定位挡环的周向间隔设置。

进一步地，限位孔具有朝向定位滚珠的斜倾角，以形成斜角过渡引导槽；和/或限位孔远离定位滚珠的一侧处具有限位凸起。

进一步地，轨道杆还具有轨道末端限位槽，轨道末端限位槽位于两个轨道槽靠近第一接头的重合点处，用于对定位滚珠止挡限位。

进一步地，定向调节器还包括：压盖，压盖与筒体靠近第二接头的一端连接，压盖具有避让轨道杆的中心开孔；复位件，轨道杆设置有环形凸台，复位件容置在中空腔内，且复位件的两端分别与环形凸台和压盖抵接，以向轨道杆提供回复至初始位置的复位力。

进一步地，水平井自适应定向喷砂射孔装置还包括密封件，密封件设置在轨道杆靠近第一接头的一端。

进一步地，方向调节接头包括：接头本体；调节锁紧环，调节锁紧环套设在接头本体靠近喷枪的一端，用于调节喷枪的喷嘴的喷射方向与定向调节器的基准方位线之间的夹角；锁固件，锁固件对调节锁紧环进行位置锁固。

进一步地，水平井自适应定向喷砂射孔装置还包括扶正器，扶正器为至少一个，至少一个扶正器的两端分别与定向调节器和上部管柱工具连接；和/或至少一个扶正器的两端分别与喷枪和引鞋连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种水平井自适应定向喷砂射孔方法，采用上述的水平井自适应定向喷砂射孔装置实施水平井自适应定向喷砂射孔方法，水平井自适应定向喷砂射孔方法包括：入井前将水平井自适应定向喷砂射孔装置与上部管柱工具连接；根据定向调节器的井筒圆截面重力高边方位标记线，确定并标记定向调节器的基准方位线；根据储层地质要求，通过方向调节接头调节喷枪的喷嘴的喷射方向与定向调节器的基准方位线之间的夹角；将水平井自适应定向喷砂射孔装置与上部管柱工具下入井内并到达预设位置；通过地面泵注工作液，以使定向调节器的至少一部分沿远离上部管柱工具的方向移动并以定向调节器的轴向为转轴转动预设角度，并带动方向调节接头、喷枪和引鞋一同转动预设角度，以使喷枪的喷嘴达到预设喷射方向；通过喷枪执行喷砂射孔操作，完成定向喷砂射孔。

应用本发明的技术方案，水平井自适应定向喷砂射孔装置包括顺次连接的定向调节器、方向调节接头、喷枪和引鞋，定向调节器远离方向调节接头的一端与上部管柱工具连接，方向调节接头用于调节喷枪的喷嘴的喷射方向与定向调节器的基准方位线之间的夹角，工作液由上部管柱工具进入定向调节器，以使定向调节器的至少一部分沿远离上部管柱工具的方向移动并以定向调节器的轴向为转轴转动预设角度，并带动方向调节接头、喷枪和引鞋一同转动预设角度，以使喷枪的喷嘴达到预设喷射方向，这样在工作液的带动下使得定向调节器带动喷枪转动预设角度，从而使得喷枪的喷嘴准确地地达到预设喷射方向，实现了水平井的精准定向喷砂射孔，解决了现有技术中水平井无法实现精准定向喷砂射孔的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个具体实施例中的水平井自适应定向喷砂射孔装置的结构示意图；以及

图2示出了本发明的一个具体实施例中的定向调节器的结构示意图；

图3示出了本发明的一个具体实施例中的轨道杆的一个角度的结构示意图；

图4示出了本发明的一个具体实施例中的轨道杆的另一个角度的结构示意图；

图5示出了本发明的一个具体实施例中的轨道杆的另一个角度的结构示意图；

图6示出了本发明的一个具体实施例中的定位挡环的结构示意图；

图7示出了本发明的一个具体实施例中的方向调节接头的结构示意图；

图8示出了本发明的一个具体实施例中的水平井自适应定向喷砂射孔方法的流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、定向调节器；11、筒体；12、第一接头；13、第二接头；14、轨道杆；141、环形限位槽；142、轨道槽；143、环形凸台；144、轨道末端限位槽；15、定位滚珠；16、定位挡环；161、限位孔；162、斜角过渡引导槽；163、限位凸起；17、压盖；18、复位件；19、基准方位线；20、方向调节接头；21、接头本体；22、调节锁紧环；23、锁固件；30、喷枪；40、引鞋；50、密封件；60、扶正器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中，本发明提供了一种水平井自适应定向喷砂射孔装置及方法。

如图1所示，水平井自适应定向喷砂射孔装置包括顺次连接的定向调节器10、方向调节接头20、喷枪30和引鞋40。定向调节器10远离方向调节接头20的一端与上部管柱工具连接。方向调节接头20用于调节喷枪30的喷嘴的喷射方向与定向调节器10的基准方位线19之间的夹角。工作液由上部管柱工具进入定向调节器10，以使定向调节器10的至少一部分沿远离上部管柱工具的方向移动并以定向调节器10的轴向为转轴转动预设角度，并带动方向调节接头20、喷枪30和引鞋40一同转动预设角度，以使喷枪30的喷嘴达到预设喷射方向。

通过设置水平井自适应定向喷砂射孔装置包括顺次连接的定向调节器10、方向调节接头20、喷枪30和引鞋40，定向调节器10远离方向调节接头20的一端与上部管柱工具连接，方向调节接头20用于调节喷枪30的喷嘴的喷射方向与定向调节器10的基准方位线19之间的夹角，工作液由上部管柱工具进入定向调节器10，以使定向调节器10的至少一部分沿远离上部管柱工具的方向移动并以定向调节器10的轴向为转轴转动预设角度，并带动方向调节接头20、喷枪30和引鞋40一同转动预设角度，以使喷枪30的喷嘴达到预设喷射方向，这样在工作液的带动下使得定向调节器10带动喷枪30转动预设角度，从而使得喷枪30的喷嘴准确地地达到预设喷射方向，实现了水平井的精准定向喷砂射孔。

需要说明的是，本申请中的水平井自适应定向喷砂射孔装置应用于水平井，因此虽然图1至图5所示的装置和部件为竖直设置，但是它们的实际工作状态均为水平设置。

如图2所示，定向调节器10包括筒体11、第一接头12、第二接头13和轨道杆14。筒体11具有沿轴向贯穿的中空腔。第一接头12和第二接头13分别位于筒体11的两端。第一接头12分别与筒体11和上部管柱工具连接。具体的，第一接头12的两端均具有丝扣，从而分别与筒体11和上部管柱工具螺纹连接。第二接头13分别与轨道杆14远离第一接头12的一端和方向调节接头20连接。轨道杆14的至少一部分容置在中空腔内，轨道杆14的另一部分由中空腔伸出并与方向调节接头20连接，工作液带动轨道杆14在中空腔内沿远离上部管柱工具的方向移动并以定向调节器10的轴向为转轴转动预设角度。

在本实施例中，轨道杆14靠近第一接头12的一端的外径与筒体11的中空腔的内径相适配，从而实现与筒体11的内壁的密封连接。相应的，轨道杆14的其他部分则与筒体11的内壁之间具有一定的间隔。进一步地，为了提高密封效果，水平井自适应定向喷砂射孔装置还包括密封件50，密封件50设置在轨道杆14靠近第一接头12的一端。具体的，密封件50可以为多个，多个密封件50沿轨道杆14的轴向间隔设置，相应的，轨道杆14靠近第一接头12的一端上具有多个间隔设置的环形槽，多个密封件50的至少一部分分别容置在多个环形槽内，从而进一步地提高密封效果。通过上述设置，使得工作液进入中空腔时始终被轨道杆14靠近第一接头12的一端的端面封堵，而无法渗入轨道杆14的另一端，避免影响定向调节器10内的其他部件的正常运行和保证工作液对轨道杆14的推动作用。

在本实施例中，密封件50为橡胶圈。

如图2所示，定向调节器10还包括定位滚珠15和定位挡环16。轨道杆14具有环形限位槽141，定位滚珠15容置在环形限位槽141内并能够沿轨道杆14的周向滚动。具体的，环形限位槽141与筒体11的内壁之间形成了定位滚珠15的容置空间。当上部管柱工具及水平井自适应定向喷砂射孔装置下至水平井筒预定位置静止后，定位滚珠15受重力指示作用在静止后位于井筒圆截面上的最低点，处于重力低边方位。定位挡环16具有丝扣，从而与筒体11的内壁螺纹连接。

如图3至图5所示，轨道杆14具有沿轴向对称延伸的两条轨道槽142。两条轨道槽142的两端均重合，且两个轨道槽142的两个重合点之间沿径向呈180°夹角。具体的，两条轨道槽142的延伸轨迹均为类螺旋形，因此，两条轨道槽142能够翻转180°之后在轨道杆14的外表面的另一侧重合。定位挡环16设置在中空腔内并相对于第一接头12靠近第二接头13，用于对定位滚珠15止挡限位，轨道槽142依次经过定位滚珠15以使轨道杆14转动。

在本实施例中，轨道杆14的转动通过定位滚珠15和轨道槽142的相互作用实现。具体的，两条轨道槽142靠近第二接头13的重合点与定向调节器10的基准方位线19在轴向上位于同一条直线。进一步地，如图5所示，轨道杆14还具有轨道末端限位槽144，轨道末端限位槽144位于两个轨道槽142靠近第一接头12的重合点处，用于对定位滚珠15止挡限位。也就是说，轨道末端限位槽144与定向调节器10的基准方位线19之间在径向上的夹角为180°。当工作液推动轨道杆14前进时，定位滚珠15也跟随轨道杆14一起运动一定距离后被定位挡环16限位止挡。轨道杆14继续前进，轨道槽142依次经过定位滚珠15，从而使得轨道杆14发生转动，最终定位滚珠15进入轨道末端限位槽144并被轨道末端限位槽144限位止挡，轨道杆14停止运动，此时轨道杆14带动喷枪30的喷嘴转动至预设喷射方向。

进一步地，在本申请的水平井自适应定向喷砂射孔装置入井之前，需要先找出定向调节器10的井筒圆截面重力高边方位标记线(即水平井筒圆截面0°方位)，以此作为喷枪30的喷嘴的喷射方向的调整参考基准方位。根据储层地质要求确定需要喷砂射孔的方位，以基准方位为标记，调整喷枪30的喷嘴的喷射方位与基准方位(0°方位)之间的夹角符合设计方位。同时又因为轨道末端限位槽144与定向调节器10的基准方位线19之间在径向上的夹角为180°，所以转动之后定向调节器10的基准方位线19转动至水平井筒圆截面0°方位。由于此前已经通过方向调节接头20调节了喷枪30的喷嘴的喷射方向与定向调节器10的基准方位线19之间的夹角符合储层地质提出的射孔方位要求，因此通过定向调节器10完成旋转方向调节后，喷枪30的喷嘴的喷射方向也就是储层地质要求的喷砂射孔方位。

如图2所示，定向调节器10还包括压盖17和复位件18。压盖17与筒体11靠近第二接头13的一端连接，压盖17具有避让轨道杆14的中心开孔。轨道杆14设置有环形凸台143，复位件18容置在中空腔内，且复位件18的两端分别与环形凸台143和压盖17抵接，以向轨道杆14提供回复至初始位置的复位力。具体的，初始位置为轨道杆14未发生移动时所在的位置，此时工作液未进入中空腔推动轨道杆14运动。当工作液推动轨道杆14前进时，定位滚珠15也跟随轨道杆14一起运动一定距离后被定位挡环16限位止挡。轨道杆14继续前进，复位件18逐渐被压缩。当喷枪30完成喷砂射孔后，工作液停止泵入，此时轨道杆14在复位件18的带动下沿靠近第一接头12的方向进行反向移动和转动，从而回复至初始位置。这样可以使得水平井自适应定向喷砂射孔装置能够移动至下一个需喷砂射孔位置，再次泵注启动定向喷砂射孔，从而实现一次下入井可多次实施定向喷砂射孔，大大提高了工作效率。

在本实施例中，为了简化结构，环形凸台143靠近压盖17的一侧侧壁用于与复位件18抵接，环形凸台143的另一侧则作为环形限位槽141的一侧槽壁。

在本实施例中，复位件18为弹簧。

如图6所示，定位挡环16开设有限位孔161。限位孔161沿径向贯穿定位挡环16的侧壁。限位孔161为多个，多个限位孔161沿定位挡环16的周向间隔设置，也就是说，定位挡环16为环状带孔结构。当工作液推动轨道杆14前进时，定位滚珠15也跟随轨道杆14一起运动一定距离后进入位于井筒圆截面重力低边方位的限位孔161内，从而被限位止挡。

如图6所示，限位孔161具有朝向定位滚珠15的斜倾角，以形成斜角过渡引导槽162。这样能够方便定位滚珠15的滚动入孔或滚出。另一方面，限位孔161远离定位滚珠15的一侧处具有限位凸起163，从而限制定位滚珠15的位置移动。

如图7所示，方向调节接头20包括接头本体21、调节锁紧环22和锁固件23。调节锁紧环22套设在接头本体21靠近喷枪30的一端，用于调节喷枪30的喷嘴的喷射方向与定向调节器10的基准方位线19之间的夹角。锁固件23对调节锁紧环22进行位置锁固。

在本实施例中，接头本体21的两端均具有丝扣，调节锁紧环22与接头本体21靠近喷枪30的一端螺纹连接。调节锁紧环22套设接头本体21靠近喷枪30的一端后，喷枪30再与接头本体21螺纹连接，这样通过调节丝扣位置，从而调节喷枪30与接头本体21的丝扣紧固位置，进而调节喷枪30的喷嘴的朝向，达到调节喷枪30的喷嘴的喷射方向与定向调节器10的基准方位线19之间的夹角的目的。进一步地，锁固件23为紧定螺钉，喷枪30与接头本体21的丝扣紧固后，上紧紧定螺钉对调节锁紧环22进行位置锁定，保证喷枪30的喷嘴的喷射方向与定向调节器10的基准方位线19之间的夹角不发生改变。

如图1所示，水平井自适应定向喷砂射孔装置还包括扶正器60，扶正器60为至少一个。扶正器60的作用为保持水平井自适应定向喷砂射孔装置适度居中。

在本实施例中，扶正器60为两个。一个扶正器60的两端分别与定向调节器10和上部管柱工具连接，另一个扶正器60的两端分别与喷枪30和引鞋40连接。当然，扶正器60还可以不止两个，可以设置在水平井自适应定向喷砂射孔装置的其他部位，从而进一步提高扶正作用。

如图8所示，本申请还提供了一种水平井自适应定向喷砂射孔方法，采用上述的水平井自适应定向喷砂射孔装置实施水平井自适应定向喷砂射孔方法，水平井自适应定向喷砂射孔方法包括：入井前将水平井自适应定向喷砂射孔装置与上部管柱工具连接；根据定向调节器10的井筒圆截面重力高边方位标记线，确定并标记定向调节器10的基准方位线19；根据储层地质要求，通过方向调节接头20调节喷枪30的喷嘴的喷射方向与定向调节器10的基准方位线19之间的夹角；将水平井自适应定向喷砂射孔装置与上部管柱工具下入井内并到达预设位置；通过地面泵注工作液，以使定向调节器10的至少一部分沿远离上部管柱工具的方向移动并以定向调节器10的轴向为转轴转动预设角度，并带动方向调节接头20、喷枪30和引鞋40一同转动预设角度，以使喷枪30的喷嘴达到预设喷射方向；通过喷枪30执行喷砂射孔操作，完成定向喷砂射孔。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)定向更加可靠，定向调节器应用重力感应原理控制方位调节，方位控制精准；通过地面泵注高压工作液提供旋转转向的作用力，旋转调节转向力大，方位调节定向更加可靠；

(2)可以在水平井井筒内任意方位实施喷砂射孔；

(3)依靠地面泵注高压工作液控制定向调节器的启动及复位，一次入井可以实施多次定向喷砂射孔，工作效率高。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。