径向水平井转向器模拟实验方法及装置

1.本发明涉及油气钻探装备技术领域，尤其涉及一种径向水平井转向器模拟实验方法及装置。


背景技术：

2.水力喷射径向水平井技术是一种经济高效的油气井增产增注技术手段，该技术利用水力能量破岩成孔，可垂直主井眼沿径向钻出直径30～50毫米、长度30～50米的多个径向分支，在储层中构建“一层多分支，一井多层”的立体油气运移高速网络。由于该技术需要在“碗口粗”的套管内完成从垂直到水平的转向，普通钢管无法满足小半径转向的要求，因此仅能使用小直径高压软管作为作业管线，但高压软管无法有效送进，需要前端射流喷嘴产生自进力，从而拖动管柱进入地层。但转向器是径向喷射钻进的主要阻力源，严重限制了径向孔眼的延伸能力。因此，转向器的研究工作尤为重要。
3.为了高效的实现套管内转向并减小转向阻力，国内外公司纷纷研发出各具特色的转向器：
4.第一种适用于径向水平井技术的转向器
‑‑ⅰ
型转向器是由美国petrolphysics提出的。该型转向器提供一种简单的90
°
弯曲滑道，通过下部水力液压缸驱动，其通过阻力较小，但是该型转向器需要锻铣套管并扩孔达到1.2m，增大了施工难度。
5.为了克服ⅰ型转向器的缺点，petrolphysics公司与bechtel公司又研制出ⅲ型转向器。该型弯道为双曲线形，前后双向延伸，因此其扩孔段的直径减少一半，且一次下入可在同一层位钻多个径向井眼。
6.早期的转向器需要进行前期锻铣套管并扩孔，扩孔直径均在600mm以上，且定向能力较差，前期扩孔工艺复杂，风险较高，易发生事故，特别是在复杂地层时，因此早期的转向器逐渐被新型的套管内转向器所取代。
7.card landers等人在发明的径向喷射钻井系统中提出可在套管内实现转向的转向器。这种转向器结构较为简单，其主要功能单元为内部的轨道，作业管线沿轨道实现在套管内部由垂直到水平的转向，从而避免了前期复杂的套管锻铣与大直径扩孔等过程，缩短了作业周期，降低了风险，节约了成本，避免了套管损伤，利于后续作业。
8.李根生等设计出了能在套管内完成转向的小尺寸转向器。该型转向器结构较为简单，为两个对称的片状结构，通过螺栓进行连接。其内部轨迹是经过优化的结构，将作业管线通过的阻力降到最低，其轨道应可实现90
°
转向；轨道曲线光滑，无突变。实验测试的方法是研究转向器的重要技术手段，但在相关研究过程中发现，转向器的设计及加工周期及成本较高，严重限制了技术的发展，并会造成科研经费的浪费。
9.综上所述，现有的径向水平井转向设备技术复杂，适用性低，同时造价高，经济性差。在套管内完成转向的小尺寸转向器的设计及加工周期及成本较高，限制了技术的发展，并会造成科研经费的浪费。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种径向水平井转向器模拟实验方法及装置，以解决转向器的设计及加工周期比较长、成本比较高的技术问题。
11.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
12.本发明提供一种径向水平井转向器模拟实验方法，使用管体模拟转向器轨道进行转向实验；所述管体包括：垂直段、斜直段和圆弧段，所述圆弧段通过固定机构和定形盘进行定形，所述固定机构能够对所述管体进行固定，所述定形盘控制所述圆弧段的外径。
13.在优选的实施方式中，所述固定机构包括基板和多个限位销钉，所述基板用于承载所述管体；所述基板上设置多个限位孔，所述限位销钉能够插设于所述限位孔；将多个所述限位销钉布置于所述垂直段和所述斜直段的两侧，多个所述限位销钉布置于所述圆弧段的远离所述定形盘的一侧，以固定所述垂直段、所述垂直段和所述圆弧段。
14.在优选的实施方式中，所述定形盘包括限位卡箍、紧固件和多个模瓣，多个所述模瓣分布于所述限位卡箍，并且所述限位卡箍能够沿所述限位卡箍的径向移动，所述紧固件用于将所述模瓣在所述限位卡箍上的位置固定。
15.在优选的实施方式中，所述模瓣上设置有腰形孔，所述紧固件包括紧固钉，所述紧固钉能够穿设于所述腰形孔。
16.在优选的实施方式中，所述限位卡箍和所述模瓣分布于所述基板的两侧。
17.在优选的实施方式中，所述实验方法包括：将多个限位销钉固定于所述基板；根据规划出的所述垂直段和所述斜直段的位置，将所述定形盘固定于所述基板；将所述管体设置于所述基板，在固定于所述基板上的所述限位销钉的作用下，所述管体成型出所述垂直段和所述斜直段；使所述管体贴合于所述定形盘的侧壁以成型出所述圆弧段，并在所述管体的远离定形盘的一侧安装所述限位销钉。
18.本发明提供一种径向水平井转向器模拟实验装置，包括：固定机构、定形盘和模拟转向器轨道的管体，所述管体包括：垂直段、斜直段和圆弧段，所述圆弧段通过固定机构和定形盘进行定形，所述固定机构能够对所述管体进行固定，所述定形盘控制所述圆弧段的外径。
19.在优选的实施方式中，所述固定机构包括基板和多个限位销钉，所述基板用于承载所述管体；所述基板上设置多个限位孔，所述限位销钉能够插设于所述限位孔。
20.在优选的实施方式中，所述定形盘包括限位卡箍、紧固件和多个模瓣，多个所述模瓣分布于所述限位卡箍，并且所述限位卡箍能够沿所述限位卡箍的径向移动，所述紧固件用于将所述模瓣在所述限位卡箍上的位置固定。
21.在优选的实施方式中，所述限位孔在所述基板上均布。
22.本发明的特点及优点是：
23.该模拟实验采用管体模拟转向轨迹，区别于工程中的双片状转向器，可实现不同角度和半径的轨道参数实验模拟。在该模拟实验中成功实现转向，则在实际工程中实现转向的成功率较高，对实际的工程应用有指导作用，有利于缩短转向器的设计及加工周期及成本。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明提供的径向水平井转向器模拟实验装置的俯视图；
26.图2为本发明提供的径向水平井转向器模拟实验装置的侧视图；
27.图3为本发明提供的径向水平井转向器模拟实验装置中的定位盘一实施方式的结构示意图；
28.图4为本发明提供的径向水平井转向器模拟实验装置中的定位盘又一实施方式的结构示意图。
29.附图标号说明：
30.10、管体；11、垂直段；12、斜直段；13、圆弧段；
31.20、固定机构；21、限位销钉；22、基板；221、限位孔；
32.30、定形盘；31、模瓣；311、腰形孔；32、限位卡箍；33、紧固件。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
34.方案一
35.本发明提供了一种径向水平井转向器模拟实验方法，使用管体10模拟转向器轨道进行转向实验；如图1所示，管体10包括：垂直段11、斜直段12和圆弧段13，圆弧段13通过固定机构20和定形盘30进行定形，固定机构20能够对管体10进行固定，定形盘30控制圆弧段13的外径。
36.实际工程中，首先使用磨铣钻头进行套管锻洗，然后大直径扩孔，下入转向器，使用装有水力破岩钻头的生产油管完成破岩成孔，转向器变向，重复作业，完成全部径向孔眼钻进。转向器的内部轨道是其主要的功能结构，包括垂直段、斜直段和圆弧段，在转向器内部轨道的导向作用下，作业管线从垂直转向水平井。该模拟实验中，可通过定形盘30对圆弧段13的外径进行调控，固定机构20对管体10进行固定。该模拟实验采用管体10模拟转向轨迹，区别于工程中的双片状转向器，可实现不同角度和半径的轨道参数实验模拟。在该模拟实验中成功实现转向，则在实际工程中实现转向的成功率较高，对实际的工程应用有指导作用，有利于缩短转向器的设计及加工周期及成本。
37.轨道模拟管可以采用延展性较好的金属管，其内径与转向器轨道内径相当，可根据需要准备不同尺寸的轨道模拟钢管，模拟转向器轨道。
38.在一些实施方式中，固定机构20包括基板22和多个限位销钉21，基板22用于承载管体10；基板22上设置多个限位孔221，限位销钉21能够插设于限位孔221；将多个限位销钉21布置于垂直段11和斜直段12的两侧，多个限位销钉21布置于圆弧段13的远离定形盘30的
一侧，以固定垂直段11、垂直段11和圆弧段13。
39.在转向器轨道设计好以后，根据设计形状及参数，在基板22上用限位销钉21将转向器轨道大体形状摆出，规划出转向器轨道的基本轮廓，以确定垂直段11、斜直段12和转向器出口的位置。然后，将管体10依次放入到限位销钉21之间，通过限位销钉21固定于基板22上，并与定形盘30配合，管体10形成垂直段11、斜直段12、圆弧段13。优选地，限位销钉21一端带有螺纹，其长度要大于管体10的外径。
40.管体10在外力作用下可形成垂直段11、斜直段12、圆弧段13和转向器出口。进一步地，该实验方法包括：将多个限位销钉21固定于基板22；根据规划出的垂直段11和斜直段12的位置，将定形盘30固定于基板22；将管体10设置于基板22，在固定于基板22上的限位销钉21的作用下，管体10成型出垂直段11和斜直段12；使管体10贴合于定形盘30的侧壁以成型出圆弧段13，并在管体10的远离定形盘30的一侧安装限位销钉21。
41.当通过参数设置确定好转向器参数后，通过限位销钉21在基板22上定出转向器轮廓的基本位置；或者，当通过参数设置确定好转向器轨道参数后，在基板22上使用限位销钉21定出转向器轨道的基本轮廓，以确定垂直段11、斜直段12和转向器出口的位置。调整定形盘30的位置至转向器轨道圆弧段13圆心位置，调整定形盘30的直径与转向器轨道内侧直径相等；然后将管体10依次放入到垂直段11的限位销钉21内、斜直段12的限位销钉21内，在需要变形的地方借助外力使其发生形状变形；然后借助外力使管体10贴合定形盘30发生变形，形成圆弧段13，在圆弧段13发生变形后，在圆弧段13外侧采用限位销钉21进行限位；当完全限位成功后，去掉外力，利用定形盘30将管体10完全定型定位；最后采用切割的方式将多余的轨道模拟管切除，即可模拟出设计的转向器轨道。将基板22固定到测试位置，就可以开展相关转向实验，进而可以优化转向器轨道结构参数。
42.在一些实施方式中，定形盘30包括限位卡箍32、紧固件33和多个模瓣31，多个模瓣31分布于限位卡箍32，并且限位卡箍32能够沿限位卡箍32的径向移动，紧固件33用于将模瓣31在限位卡箍32上的位置固定。圆弧段13通过管体10紧贴模瓣31外形成；定形盘30的外轮廓的尺寸通过限位卡箍32进行固定。模瓣31的安装位置可根据需要进行移动，其外径可根据需要进行调整，确定外径后，选用限位卡箍32将其固定住。
43.转向器完成一个完整的转向操作后，如果有变径要求时，可将限位销钉21取出，确定轨道的参数后再重新放入基板22上，调整管体10的垂直段11、斜直段12，再调整模瓣31的位置，从而调整定形盘30的外轮廓的半径，至与圆弧段13所需半径一致，将模瓣31固定住，采用外力将管体10的弧度调整至圆弧段13所需弧度，通过限位卡箍32固定圆弧段13，将管体10通过限位销钉21定位在基板22上，进行完全固定，切割多余尺寸，即完成一次变径。通过限位销钉21、模瓣31、管体10的参数变化，可以实现快速模拟不同轨道形状及不同参数的转向器轨道结构，有利于节省实验时间与成本，将会极大的促进转向器研制过程。
44.进一步地，如图3所示，模瓣31上设置有腰形孔311，紧固件33包括紧固钉，紧固钉能够穿设于腰形孔311。紧固钉也可以为限位销钉21。如图4所示，腰形孔311可以设置于限位卡箍32。定形盘30可以包括八个模瓣31。如图1和图2所示，限位卡箍32和模瓣31分布于基板22的两侧。限位卡箍32可以采用延展性较好的金属片，限位卡箍32用于固定模瓣31，可通过紧固钉固定到基板22上。
45.该模拟实验具有以下优点：(1)可通过参数调节模拟不同形状与参数的转向器轨
道的转向器，可高效促进转向器研制工作；(2)便于调整模拟的转向器轨道的外径及形状；(3)可以大幅度缩短加工周期，提高作业效率，降低劳动强度，减少生产成本，克服现有技术中存在的技术难度高、加工周期长及成本较高的难题；(4)结构简单，安全可靠，操作方便，具有加工成本低、加工简单、方便、快捷等优点。
46.方案二
47.本发明提供了一种径向水平井转向器模拟实验装置，如图1-图3所示，该实验装置包括：固定机构20、定形盘30和模拟转向器轨道的管体10，管体10包括：垂直段11、斜直段12和圆弧段13，圆弧段13通过固定机构20和定形盘30进行定形，固定机构20能够对管体10进行固定，定形盘30控制圆弧段13的外径。该模拟实验采用管体10模拟转向轨迹，区别于工程中的双片状转向器，可实现不同角度和半径的轨道参数实验模拟。在该模拟实验中成功实现转向，则在实际工程中实现转向的成功率较高，对实际的工程应用有指导作用，有利于缩短转向器的设计及加工周期及成本。
48.进一步地，固定机构20包括基板22和多个限位销钉21，基板22用于承载管体10；基板22上设置多个限位孔221，限位销钉21能够插设于限位孔221。在转向器轨道设计好以后，根据设计形状及参数，在基板22上用限位销钉21将转向器轨道大体形状摆出，规划出转向器轨道的基本轮廓，以确定垂直段11、斜直段12和转向器出口的位置。然后，将管体10依次放入到限位销钉21之间，通过限位销钉21固定于基板22上，与定形盘30配合，管体10形成垂直段11、斜直段12和圆弧段13。
49.在一些实施方式中，定形盘30包括限位卡箍32、紧固件33和多个模瓣31，多个模瓣31分布于限位卡箍32，并且限位卡箍32能够沿限位卡箍32的径向移动，紧固件33用于将模瓣31在限位卡箍32上的位置固定。通过限位销钉21、模瓣31、管体10的参数变化，可以实现快速模拟不同轨道形状及不同参数的转向器轨道结构，有利于节省实验时间与成本，将会极大的促进转向器研制过程。
50.基板22设置有多个限位孔221，基板22通过限位销钉21模拟转向器基本轮廓。进一步地，限位孔221在基板22上均布。基板22上均匀布置规整的限位孔221，基板22通过限位销钉21与模瓣31和管体10连接。基板22为方形金属制打孔板，每个孔眼均有螺丝，孔眼间距为常用转向器轨道直径的公约数，以便于固定限位。
51.以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。