一种径向水平井钻井装置及其钻井方法与流程

本发明涉及石油与天然气开采技术领域，尤其涉及一种非连续油管钻进作业的径向水平井钻井装置及其钻井方法。

背景技术：

我国非常规能源(页岩气、煤层气、地热等)丰富，非常规天然气由于其聚集机理与常规油气不同，故常规开采方式不适用；地热资源的开发亦在不断的研究进行中，但像水力压裂等技术手段不是很有效，因此，亟需一种高效经济技术手段开采。

随着钻完井技术的不断发展，以水平井为基础的复杂井型逐渐被研发，为我国非常规能源的开采提供了理论基础。美国页岩气革命的成功也是水平井技术突破所带来的，证明了水平井开采非常规天然气的可能性，证明了目前认为“u”型井是开采地热能源的较优井型，两口井一注一采可有效提高地热的采收效率。目前我国油气开采中70％来源于老井，常规的油气藏开采不再是主要部分，提高老井的采收率，开发边际油藏、薄油藏提上了日程。径向水平井在非常规能源和提高老井采收率等方面可有较大建树，一旦突破便可大大的推进我国能源开发的进程。

径向水平井是指在0.3m的超短半径内完成从垂直到水平的转向，关键技术指标是水平段钻进的长度，目前已经确定可行的是采用连续油管作为钻井管柱，以高压软管作为水平送进管柱。但目前采用连续油管钻进时只能使用连续油管作业机进行。连续油管作业机作业成本高，运输相对不方便，在现场作业时容易出现滚筒飞转失控、注入头下部连续油管折断、注入头打滑等问题；采用连续油管作业机作业时，连续油管必须足够长，连续油管长度一般为千米级别，总会使得地面余有一段螺旋段，增加整个循环过程中的压耗；此外，连续油管承压不得高于70mpa，不仅限制了连续油管的下入深度，还限制了其在高压地层的钻进。在我国连续油管主要限制于直管段的简单应用，一方面国内大多油田现场配备不齐全，工艺不完整，在使用过程中配件补给不及时，连续油管技术知识未在油田中普及，施工人员不熟悉连续油管钻业机正确使用方法；另一方面国内现有的连续油管设备的年作业量达不到其作业能力。考虑到常规作业以及连续油管作业对产量的影响，使得连续油管作业的费用较高，得不到各油田的青睐。以上严重的限制了连续油管作为水平井钻井管柱的广泛应用。

为满足非常规能源开发以及老井再开发的需求，克服现有技术的缺点，本发明人根据多年从事水平井与连续油管研发的经验，提出了一种径向水平井钻井装置及其钻井方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种径向水平井钻井装置及其钻井方法，克服现有技术中存在的连续油管作业机作业成本高、连续油管长度大及承压受限等问题，该径向水平井钻井装置及其钻井方法采用非连续油管钻进作业的方式，避免连续油管作业机作业带来的问题，装置结构简单，成本低，能安全高效的完成水平井施工工序，有利于水平井技术得到更广泛的应用。

本发明的目的是这样实现的，一种径向水平井钻井装置，包括悬挂送进部、动力增压部、连续钻进部和滑动密封部，所述悬挂送进部能移动地设置于顶部密封的竖直井的井口处，所述动力增压部的顶部能拆卸地连接于所述悬挂送进部上，所述动力增压部的底部连通设置具有柔性钻进功能的所述连续钻进部，所述动力增压部能增加进入所述连续钻进部内的流体压力；所述连续钻进部用于钻进径向水平井，所述滑动密封部能滑动封隔所述连续钻进部上方空间。

在本发明的一较佳实施方式中，所述滑动密封部包括能固定设于竖直井内的贯通的加厚油管，所述加厚油管内密封滑动抵靠设有胶塞滑块，所述胶塞滑块上设有贯通的流体过孔，所述胶塞滑块的顶部挂设于所述悬挂送进部上且所述胶塞滑块的底部连通设置所述动力增压部。

在本发明的一较佳实施方式中，所述连续钻进部包括能密封连通设置于所述动力增压部的底部的高压软管，所述高压软管的底部开口连通设置能喷射高压流体钻进径向水平井的高压喷嘴。

在本发明的一较佳实施方式中，所述连续钻进部还包括能设置于所述动力增压部的底部的螺杆泵，所述螺杆泵的底部向下延伸设置具有柔性的柔性轴，所述柔性轴的底部设置能随所述柔性轴旋转钻进的钻头。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加厚油管的底部设置能与待钻进油层相对的导向部，所述连续钻进部能沿所述导向部钻进后水平钻进待钻进油层构成径向水平井。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加厚油管的内壁上部设置直径自上而下呈减缩设置的导向锥面，所述加厚油管的内壁下部设置内凸且能止挡所述胶塞滑块下滑的鞘件。

在本发明的一较佳实施方式中，所述悬挂送进部包括能移动的底盘，所述底盘上设置升降机，所述升降机上绞设有向下延伸且能上下移动的钩挂部，所述钩挂部的底部连接钢丝绳，所述钢丝绳的底部连接所述胶塞滑块；所述底盘上能拆卸地设置绞车，所述绞车用于绞设存放所述钢丝绳。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钩挂部包括能绞设于所述升降机上的铰链，所述铰链的底部设置挂钩，所述挂钩上钩挂悬挂杆，所述悬挂杆密封滑动穿过竖直井的井口后连接钢丝绳，所述钢丝绳的底部连接所述胶塞滑块。

本发明的目的还可以这样实现，一种钻井方法，包括，

步骤a、向竖直井内下入滑动密封部，利用悬挂送进部将连续钻进部、动力增压部吊装送进滑动密封部内，密封井口；

步骤b、向滑动密封部内注入带压流体，连续钻进部下行直至到达待钻进油层指定的钻进位置；

步骤c、启动连续钻进部完成径向水平井的钻进；

步骤d、钻进结束后，开启井口，悬挂送进部上提起出动力增压部和连续钻进部，并将滑动密封部起出，将动力增压部、连续钻进部和滑动密封部装配于悬挂送进部上，移动悬挂送进部离开井口。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤a中，将加厚油管下入竖直井内，加厚油管的顶部通过常规油管与井口固定连接，将胶塞滑块的顶部挂设于悬挂送进部上，将动力增压部连通设置于胶塞滑块的底部，将连续钻进部连接于动力增压部的底部，利用悬挂送进部将连续钻进部、动力增压部和胶塞滑块下入加厚油管，胶塞滑块沿加厚油管的内壁密封抵靠滑动。

由上所述，本发明提供的径向水平井钻井装置及其钻井方法具有如下有益效果：

(1)本发明的径向水平井钻井装置及其钻井方法中，采用非连续油管钻进作业的方式，不需采用连续油管作业机，避免连续油管作业机作业带来的施工不便、连续油管长度较大、连续油管变形、注入头打滑等问题，本发明的径向水平井钻井装置中，连续钻进部能在油层中钻出具有一定延长长度的小直径井眼，打开老井开采时未波及或波及程度较低的油气区域，实现径向水平井钻进，建立新的油流通道；

(2)本发明的径向水平井钻井装置中，连续油管长度根据施工要求而改变，长度较短，一般在100米以内，且与井深无关，方便施工应用；动力增压部对进入连续钻进部内的流体增压，保证连续钻进部的钻进压力；移动式的悬挂送进部使得本发明的径向水平井钻井装置运输方便；

(3)本发明的径向水平井钻井装置中，连续钻进部中的高压软管或柔性轴承压能力和柔韧性较强，减小了因承压问题带来的施工局限；

(4)本发明的径向水平井钻井装置结构简单，成本低，更换方便，能安全高效的完成水平井施工工序，使用径向水平井钻井装置的钻井方法简单便利，有利于水平井技术得到更广泛的应用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的径向水平井钻井装置进行套管开窗时的示意图。

图2：为本发明的径向水平井钻井装置在套管开窗后钻进径向水平井的示意图。

图中：

100、径向水平井钻井装置；

1、悬挂送进部；

10、底盘；11、绞车；12、钢丝绳；131、铰链；132、挂钩；133、悬挂杆；14、升降机；

2、动力增压部；

3、连续钻进部；

31、高压软管；32、高压喷嘴；33、螺杆泵；34、柔性轴；35、钻头；36、导向部；

4、滑动密封部；

41、加厚油管；411、导向锥面；42、胶塞滑块；43、鞘件；

9、竖直井；

90、待钻进油层；91、井口密封装置；92、流体注入口。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明提供一种径向水平井钻井装置100，包括悬挂送进部1、动力增压部2、连续钻进部3和滑动密封部4，悬挂送进部1能移动地设置于顶部密封的竖直井9(可以是进行油气开采过的老井)的井口处，动力增压部2的顶部能拆卸地连接于悬挂送进部1上，动力增压部2的底部连通设置具有柔性钻进功能的连续钻进部3，动力增压部2能增加进入连续钻进部3内的流体压力，在本实施方式中，动力增压部2为井下增压器(现有技术)；连续钻进部3用于钻进径向水平井，滑动密封部4能滑动封隔连续钻进部3上方空间。

本发明的径向水平井钻井装置中，采用非连续油管钻进作业的方式，不需采用连续油管作业机，避免连续油管作业机作业带来的施工不便、连续油管长度较大、连续油管变形、注入头打滑等问题，本发明的径向水平井钻井装置中，连续钻进部3能在油层中钻出具有一定延长长度的小直径井眼，打开老井开采时未波及或波及程度较低的油气区域，实现径向水平井钻进，建立新的油流通道；本发明的径向水平井钻井装置中，连续油管长度根据施工要求而改变，长度较短，一般在100米以内，且与井深无关，方便施工应用；动力增压部对进入连续钻进部内的流体增压，保证连续钻进部的钻进压力；移动式的悬挂送进部使得本发明的径向水平井钻井装置运输方便；本发明的径向水平井钻井装置结构简单，成本低，更换方便，能安全高效的完成水平井施工工序，有利于水平井技术得到更广泛的应用。

进一步，如图1、图2所示，滑动密封部4包括能固定设于竖直井9内的贯通的加厚油管41，加厚油管41的顶部能通过常规油管与井口固定连接实现固定，加厚油管的外径尺寸与常规油管的外径尺寸相同，加厚油管的内径尺寸小于常规油管的内径尺寸，因此其壁厚略大于常规油管，加厚油管41内密封滑动抵靠设有胶塞滑块42，为满足胶塞滑块42的顺利滑动，加厚油管41的内壁光滑；胶塞滑块42上设有贯通的流体过孔，胶塞滑块42的顶部挂设于悬挂送进部1上且胶塞滑块42的底部连通设置动力增压部2，动力增压部2的底部连通设置连续钻进部3。

本发明的径向水平井钻井装置100用于不需要套管开窗的径向水平井钻进工况时，连续钻进部3不需要进行套管开窗(裸眼段或者已经完成开窗的套管井段)，如图2所示，连续钻进部3包括能密封连通设置于动力增压部2的底部的高压软管31(其耐压范围为80～100mpa)，高压软管31的底部开口连通设置能喷射高压流体钻进径向水平井的高压喷嘴32。高压软管31和高压喷嘴32充分利用连续油管喷射钻进技术，由于高压喷嘴32自身的送进能力，高压喷嘴32喷射的高压流体能在油层中喷射钻出具有一定延长长度的小直径水平井眼，通过多次上提下放，可以钻出多个小直径井眼，增大泄流面积，打开老井开采时未波及或波及程度较低的油气区域，实现径向水平井钻进，建立新的油流通道。高压喷嘴32喷射的高压流体还能够对原有水平井眼钻进加深，对井眼深度进行钻进延伸。高压软管31承压能力和柔韧性较强，能在超短半径内完成从垂直到水平的转向，减小了因承压问题带来的施工局限。

如图1所示，本发明的径向水平井钻井装置100用于需要进行套管开窗的径向水平井钻进工况时，连续钻进部3还包括能设置于动力增压部2的底部的螺杆泵33，螺杆泵33的底部向下延伸设置具有柔性的柔性轴34，柔性轴34的底部设置能随柔性轴34旋转钻进的钻头35。柔性轴34具有柔性，能在超短半径内完成从垂直到水平的转向，对竖直井与水平井之间夹角处的转弯半径适应性强。

进一步，如图1、图2所示，加厚油管41的底部设置能与待钻进油层相对的导向部36，连续钻进部3能沿导向部36钻进后水平钻进待钻进油层构成径向水平井。

需要进行套管开窗的径向水平井钻进工况中，如图1所示，将螺杆泵33、柔性轴34和钻头35连接在动力增压部2的底部下入井内，自地面向竖直井内的加厚油管41内注入带压流体，带压流体经动力增压部2后压力增大构成高压流体，高压流体带动螺杆泵33(现有技术)的螺杆旋转，从而使得螺杆泵33带动柔性轴34旋转，柔性轴34带动钻头35旋转进入到导向部36，继而开始套管开窗钻井，钻头35钻削套管壁，实现开窗要求，套管开窗后，停止注入带压流体，悬挂送进部1将连续钻进部3、动力增压部2和胶塞滑块42提出井口，将螺杆泵33、柔性轴34和钻头35自动力增压部2上拆下，更换为高压软管31和高压喷嘴32，如图2所示，利用悬挂送进部1将胶塞滑块42、动力增压部2和高压软管31和高压喷嘴32下入井内，高压喷嘴32经导向部36到达套管开窗处，高压喷嘴32沿套管开窗喷射钻进，避免连续钻进部3在井下杂乱无章的喷射。

由上所述，连续钻进部3可以根据实际施工要求，选择单独使用高压软管31和高压喷嘴32喷射钻进，还可以是螺杆泵33、柔性轴34和钻头35开窗结合高压软管31和高压喷嘴32喷射钻进，灵活度高，适用范围广泛。

进一步，如图1、图2所示，加厚油管41的内壁上部设置直径自上而下呈减缩设置的导向锥面411，加厚油管41的内壁下部设置内凸且能止挡胶塞滑块42下滑的鞘件43。

滑动密封部4包括加厚油管41和胶塞滑块42，用以实现径向水平井的钻进过程的环空密封，加厚油管41经特殊制作构成，其壁厚较大，胶塞滑块42经过过渡用的导向锥面411后可居中的滑入到导向锥面411下方，胶塞滑块42由含有支撑结构的高强度橡胶制成，具有一段长度，可有效密封胶塞滑块42与加厚油管41的内壁，且胶塞滑块42在流体压力作用下可沿加厚油管41的内壁向下或向上滑动，从而带着动力增压部2和连续钻进部3向上或向下移动。鞘件43能止挡胶塞滑块42到达行程最低端后继续下滑，实现下行限位功能，避免胶塞滑块42、动力增压部2和连续钻进部3过渡下滑，造成装置损伤。

进一步，如图1、图2所示，悬挂送进部1包括能移动的底盘10，底盘10上设置升降机14，升降机14上设有向下延伸且能上下移动的钩挂部，钩挂部的底部连接钢丝绳12，钢丝绳12的底部连接胶塞滑块42。在本实施方式中，钩挂部包括能绞设于升降机14上的铰链131，铰链131的底部设置挂钩132，挂钩132上钩挂悬挂杆133，悬挂杆133密封滑动穿过竖直井的井口后连接钢丝绳12。底盘10上能拆卸地设置绞车11，绞车11用于绞设存放钢丝绳12。

进一步，径向水平井钻井装置100包括控制部，控制部包括数据采集单元和控制显示单元，数据采集单元包括设置于钢丝绳12上的压力传感器，压力传感器能实时监测钢丝绳12所受的拉力并将该拉力数据传输给控制显示单元，数据采集单元还可以包括设置于连续钻进部3上的位置传感器，位置传感器能实时监测连续钻进部3的深度位置并将该数据传输给控制显示单元，数据采集单元还可以包括设置于胶塞滑块42上的速度传感器，速度传感器能实时监测胶塞滑块42的送进速度并将该数据传输给控制显示单元，连续钻进部3的下放位置及胶塞滑块42的送进速度也可以通过钢丝绳12的下放长度及时间进行计算得出；控制显示单元能接收数据采集单元传输来的数据并根据各数据进行各元件的控制(控制显示单元内可以录有装置下入控制程序、套管开窗控制程序、径向水平井钻进程序)，包括控制连续钻进部3的下入、套管开窗动作和径向水平井的钻进工作，还包括控制升降机14的升降，还包括控制带压流体的注入状态。控制部的具体工作可以根据实际施工需求进行调整。

使用本发明的径向水平井钻井装置100的钻井方法，包括以下步骤，

步骤a、向竖直井内下入滑动密封部4，利用悬挂送进部1将连续钻进部3、动力增压部2吊装下放送进滑动密封部4内，密封井口；

具体的，将加厚油管41下入竖直井内，加厚油管41的顶部通过常规油管与井口固定连接，将胶塞滑块42的顶部挂设于悬挂送进部1上，将动力增压部2连通设置于胶塞滑块42的底部，将连续钻进部3连接于动力增压部2的底部，利用悬挂送进部1将连续钻进部3、动力增压部2和胶塞滑块42下入加厚油管41，胶塞滑块42沿加厚油管41的内壁密封抵靠滑动。

在本发明的一具体实施例中，胶塞滑块42固定连接于钢丝绳12上，通过控制部控制升降机14升降带动钢丝绳12的升降，从而带动胶塞滑块42、动力增压部2和连续钻进部3的起降。

下放装置过程中，压力传感器实时监测钢丝绳12所受拉力情况，据此判断下放受阻或其他特殊情况的发生。

悬挂送进部1将连续钻进部3、动力增压部2吊装下放送进加厚油管41后使用井口密封装置91密封井口，井口密封装置91上设置流体注入口92。

步骤b、向滑动密封部4内注入带压流体，连续钻进部3下行直至到达待钻进油层90指定的钻进位置；

具体的，装置下放，胶塞滑块42进入加厚油管41并与其内壁密封抵靠，下入阻力变大，需要在地面向加厚油管41内注入带压流体，带压流体经过胶塞滑块42时流道变小，会产生憋压，推动胶塞滑块42沿加厚油管41的内壁密封下滑，带动其下方的动力增压部2和连续钻进部3下行，直至连续钻进部3到达待钻进油层指定的钻进位置。

在本发明的一具体实施例中，位置传感器实施监测连续钻进部3的位置，方便监控下放进程；通过钢丝绳12的下放长度也能监测下放位置。

步骤c、启动连续钻进部3完成径向水平井的钻进；

具体的，连续钻进部3的钻进状态根据实际施工需求确定。

不需要进行套管开窗时(钻进裸眼段的竖直井一侧的径向水平井或对现有径向水平井加深)，动力增压部2的底部连通设置高压软管31，高压软管31的底部开口连通设置高压喷嘴32，地面注入的带压流体经过胶塞滑块42和动力增压部2，压力增大构成高压流体，高压喷嘴32沿竖直井的径向(即水平方向)喷射高压流体，在油层中钻出具有一定延长长度的小直径水平井眼，通过多次上提下放，可以钻出多个小直径井眼，增大泄流面积，打开老井开采时未波及或波及程度较低的油气区域，实现径向水平井钻进，建立新的油流通道。

需要进行套管开窗时，将螺杆泵33、柔性轴34和钻头35连接在动力增压部2的底部下入井内，自地面向竖直井内的加厚油管41内注入带压流体(比下入过程的压力大)，带压流体经动力增压部2后压力增大构成高压流体，高压流体带动螺杆泵33(现有技术)的螺杆旋转，螺杆泵33带动柔性轴34旋转，柔性轴34带动钻头35旋转进入到导向部36，继而开始套管开窗钻井，钻头35钻削套管壁，实现开窗要求，套管开窗后，停止注入带压流体，悬挂送进部1将连续钻进部3、动力增压部2和胶塞滑块42提出井口，将螺杆泵33、柔性轴34和钻头35自动力增压部2上拆下，更换为高压软管31和高压喷嘴32，利用悬挂送进部1将胶塞滑块42、动力增压部2和高压软管31和高压喷嘴32下入井内，需要根据高压软管31的长度来确定增加带压流体压力的时间，加压以后，高压喷嘴32经导向部36到达套管开窗处后开始水平喷射钻进，同时胶塞滑块42亦在地面的控制下以合理的速度送进，当达到水平井延伸长度要求时，胶塞滑块42亦到达加厚油管41内鞘件43处，不再下入，从而实现径向水平井钻进，建立新的油流通道。

步骤d、钻进结束后，开启井口，悬挂送进部1上提起出动力增压部2和连续钻进部3，并将滑动密封部4起出，将动力增压部2、连续钻进部3和滑动密封部4装配于悬挂送进部1上，移动径向水平井钻井装置100离开井口。

实施例

以含套管老井侧钻为一具体实施例，老井在开采多年后，井底压力不足，不会发生溢流、井涌等问题。井内下入并固定加厚油管41后，首先进行套管开窗，在地面上将螺杆泵33、柔性轴34和钻头35连接在动力增压部2的底部并测试密封性，将动力增压部2密封连接于胶塞滑块42上，胶塞滑块42挂设于钢丝绳12上，完成连接后，通过升降机14下放入井，下入的过程注意观察钢丝绳12的拉力大小，随时监控装置的下入情况，若下入遇阻，需要通过升降机14上提装置重新下入。当胶塞滑块42下入至加厚油管41时，下入阻力变大，需要在地面通过油管注水口(现有技术，设置于井口处)向加厚油管41内注带压流体，带压流体经过胶塞滑块42时流道变小，会产生憋压，推动胶塞滑块42向下移动，带动其下方的动力增压部2和连续钻进部3下行。

当整个装置下至待钻进油层指定的钻进位置上部一段距离时，从地面增大带压流体压力，带压流体流经动力增压部2时，流体压力会大大增大，构成高压流体，高压流体带动螺杆泵33(现有技术)的螺杆旋转，螺杆泵33带动柔性轴34旋转，柔性轴34带动钻头35旋转进入到导向部36，继而开始套管开窗钻井，钻头35钻削穿透套管壁时，胶塞滑块42下滑至加厚油管41的鞘件43处被卡止，套管开窗后，停止注入带压流体，悬挂送进部1将连续钻进部3(螺杆泵33、柔性轴34和钻头35)、动力增压部2和胶塞滑块42提出井口。

套管开窗结束后，开始径向水平井的钻进。将螺杆泵33、柔性轴34和钻头35自动力增压部2上拆下，更换为高压软管31和高压喷嘴32，如图2所示，利用悬挂送进部1将胶塞滑块42、动力增压部2和高压软管31和高压喷嘴32下入井内，下入程序与套管开窗前的下入程序相同，不同的是，需要根据高压软管31的长度来确定增加带压流体压力的时间，加压以后，高压喷嘴32经导向部36到达套管开窗处后开始水平喷射钻进，同时胶塞滑块42亦在地面的控制下以合理的速度送进，当达到水平井延伸长度要求时，胶塞滑块42亦到达加厚油管41内鞘件43处，不再下入，通过钢丝绳压力监测可以看出此时拉力基本为零，表示钻进结束。

由上所述，本发明提供的径向水平井钻井装置及其钻井方法具有如下有益效果：

(1)本发明的径向水平井钻井装置及其钻井方法中，采用非连续油管钻进作业的方式，不需采用连续油管作业机，避免连续油管作业机作业带来的施工不便、连续油管长度较大、连续油管变形、注入头打滑等问题，本发明的径向水平井钻井装置中，连续钻进部能在油层中钻出具有一定延长长度的小直径井眼，打开老井开采时未波及或波及程度较低的油气区域，实现径向水平井钻进，建立新的油流通道；

(2)本发明的径向水平井钻井装置中，连续油管长度根据施工要求而改变，长度较短，一般在100米以内，且与井深无关，方便施工应用；动力增压部对进入连续钻进部内的流体增压，保证连续钻进部的钻进压力；移动式的悬挂送进部使得本发明的径向水平井钻井装置运输方便；

(3)本发明的径向水平井钻井装置中，连续钻进部中的高压软管或柔性轴承压能力和柔韧性较强，减小了因承压问题带来的施工局限；

(4)本发明的径向水平井钻井装置结构简单，成本低，能安全高效的完成水平井施工工序，使用径向水平井钻井装置的钻井方法简单便利，有利于水平井技术得到更广泛的应用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。