用于井下钻探装置的可操纵液压喷射喷嘴和导向系统制造方法及图纸

本文提供了一种液压喷射组件。该喷射组件包括喷射软管以及在喷射软管远端的喷射喷嘴。喷射喷嘴包括具有流体排放槽的管状定子主体以及位于定子主体的钻孔内的管状转子主体。喷射喷嘴具有位于定子主体和周围的转子主体之间的用以适应相对旋转移动的一个或多个轴承。喷射喷嘴包括被构造成密封地连接至喷射软管的端部的并且接收高压喷射流体的近端。优选地，喷嘴具有与喷射软管的外径相等或比喷射软管的外径略大的外径。优选地，喷射组件具有至少三条致动器线，该至少三条致动器线被构造成在其远端引起受控弯曲力矩，从而提供可操纵井下工具。可以沿喷射软管放置喷射轴环，以克服拖曳力。

Maneuverable hydraulic jet nozzle and guide system for underground drilling equipment

A hydraulic jet component is provided in this paper. The injection component includes a spray hose and a spray nozzle at the far end of the injection hose. The jet nozzle consists of a tubular stator with a fluid discharge slot and a tubular rotor in the drill hole in the stator main body. The jet nozzle has one or more bearings that are located between the main body of the stator and the surrounding rotor to adapt to the relative rotation. The jet nozzle includes the end of the injection hose and the near end of the high pressure jet fluid, which is connected to the end of the injection hose. Preferably, the nozzle has the outer diameter equal to the external diameter of the injection hose or slightly larger than the outer diameter of the spray hose. Preferably, the ejector assembly has at least three actuator lines, and at least three actuator threads are configured to cause controlled bending moment at the distal end, thereby providing a controllable downhole tool. Along the jet spray hose collar, to overcome the drag force.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于井下钻探装置的可操纵液压喷射喷嘴和导向系统关于联邦赞助研究或开发的声明不适用。合作研究协议当事方的姓名不适用。相关申请的声明本申请要求2015年7月29日提交的美国临时专利申请号62/198,575的权益。该美国临时专利申请题为“DownholeHydraulicJettingAssembly,andMethodforFormingMini-LateralBoreholes”。本申请还要求2015年2月24日提交的相同题目的美国临时专利申请号62/120,212的权益。本申请还提交作为2015年2月3日提交的美国专利申请号14/612,538的部分继续申请案。该美国专利申请题为“MethodofTestingaSubsurfaceFormationforthePresenceofHydrocarbonFluids”。该美国专利申请又是2015年3月31日授权的美国专利号8,991,522的分案。这些申请全部通过引用合并至本文。
技术介绍
本部分旨在介绍本技术的选定方面，这些方面可能与本公开内容的各种实施方案相关联。相信这种讨论有助于提供便于更好地理解本公开内容的特定方面的一种框架。相应地，应理解的是，本部分应从这个角度理解而并不一定是对现有技术的承认。
本公开内容涉及完井领域。更具体地，本公开内容涉及通过使用液压喷射组件从现有钻井孔生成小直径钻孔进行完井以及烃生产地层的增产。本公开内容还涉及在一次起下钻中受控地生成多个延伸入地下地层数英尺的横向钻孔。技术讨论在钻探油井和气井时，使用在钻柱下端处向下推动的钻头穿过地表形成近似竖向的钻井孔。在钻探至预定井底(bottomhole)位置后，移除钻柱和钻头，并用套管柱内衬钻井孔。因此在该套管柱与由钻井孔穿进的地层之间形成环形区域。特别地，在竖向钻井孔或水平井的竖向段中，为了沿着钻井孔的部分或全部的长度用水泥填充或“挤满”整个环形体积，进行了固井作业。水泥和套管的组合加固了钻井孔，并促进层位封隔(zonalisolation，层间隔离)以及随后在套管后面的可能的成烃产区的某些段的完井。在最近的二十年里，钻探技术的发展已经使得油气操作员经济地“开钻(kick-off)”，并使钻井孔轨迹从大体竖向的定向转向大体水平的定向。现在，这些钻井孔中每个的水平“支柱”通常超过一英里的长度。这显著增加了钻井孔向目标含烃地层(或“产区”)的暴露。例如，对于具有100英尺的(竖向)厚度的给定目标产区，一英里的水平支柱暴露于水平钻井孔的产区是常规竖向钻井孔的100英尺暴露的产区的52.8倍。图1A提供了在水平定向上已经完工的钻井孔4的截面视图。可以看出，已从地表1，穿过数个地层2a、2b……2h且下至生烃地层3形成钻井孔4。地下地层3对于油气操作员而言表示“产区”。钻井孔4包括在产区上方的竖向段4a，以及水平段4c。水平段4c限定柱脚跟部4b和柱脚尖部4d以及在它们之间的延伸穿过产区3的长形支柱。随着钻井孔4的完工，具有逐渐变小的外径的若干套管柱已用水泥固定于钻井孔4中。这些套管柱包括表面套管柱6，并且可以包括一个或多个中间套管柱9，以及最后包括生产套管12。(没有示出最浅且直径最大的套管(其被称为导管)，该套管是与表面套管分隔开的且直接位于表面套管上方的短管段。)表面套管6的主要功能之一是隔离且保护较浅的含淡水的地下水层不被任何钻井孔流体污染。因此，导管和表面套管6几乎始终完全通过水泥固定7回地面1。重复若干次钻探且然后粘接逐渐变小的套管柱的过程，直到井到达完钻井深。在一些情况下，最后的套管柱12是衬里，即，未约束回地面1的套管柱。被称为生产套管的最后的套管柱12还通常通过水泥固定13到位。在水平完工的情况下，生产套管12可被水泥固定，或者可以使用外部套管封隔器(“ECP”)、膨胀封隔器或它们的一些组合而提供层位封隔。完井中可以包括额外的管状主体。这些管状主体包括放置在生产套管或衬里内的一个或多个生产油管柱(图1A未示出)。在竖向完井中，每个油管柱从地面1延伸至靠近生产区段3的指定深度，并且可以附接至封隔器(未示出)。封隔器用于封闭生产油管柱与周围的套管12之间的环形空间。在水平完井中，生产油管通常(通过封隔器或不通过封隔器)布置于钻井孔4的柱脚跟部4b处或附近。在一些情况下，产区3不能有效地使流体流至地面1。当发生这种情况时，操作员可以安置人造举升设施(图1A未示出)作为钻井孔完工的一部分。人造举升设施可以包括井下泵，所述井下泵经由在油管内延伸的一系列抽油杆连接至地面泵送单元。可替代地，可以在生产油管的底端处放置电力驱动的潜水泵。还可以采用气举阀、液力喷射泵、柱塞举升系统或各种其他类型的人造举升设施和技术，以辅助流体流至地面1。作为完工过程的一部分，井口装置5安装在地面1处。井口装置5用于控制钻井孔压力并且指引地面1处的生产流体的流动。还可以设置流体聚集和处理设施(图1A未示出)，诸如管、阀、分离器、脱水器、气体脱硫单元以及油水储罐。产区完工后，安装任何必要的井下管件、人造举升设施和井口装置5，然后可以开始生产作业。使钻井孔压力保持受控，并适当分离和分配产出的钻井孔流体。在美国，现在钻探的许多井主要是用以从之前被认为是难以穿进而不能以经济可行的量产出烃的产区中开采油和/或天然气，以及可能的液化天然气。这种“紧实”或“非常规”的地层可能是砂岩、粉砂岩或者甚至是页岩地层。可替代地，这种非常规地层可以包括煤层甲烷。在任何情况下，“低渗透率”通常指岩石层段具有低于0.1毫达西的渗透率。为了增强特别是低渗透率地层中烃的开采，之后(即，在对生产套管或衬里进行穿孔后)在产区的完工中可以采用增产技术。这种技术包括液力压裂和/或酸化。另外，为了创建一个或多个新定向或水平完工的钻孔，可以从主要的钻井孔形成“开钻”钻井孔。这允许井沿着地下地层的平面穿进，以增加对于产区的暴露。在地层的天然或液力导致的压裂平面为竖向的情况下，水平完工的钻井孔允许生产套管横穿或“找到(source)”多个压裂平面。相应地，竖向定向的钻井孔通常限制于每个产区的单个液力导致的压裂平面，而水平钻井孔可以沿水平支柱4c在多个位置或“阶”中进行射孔并液力压裂。图1A示出了沿钻井孔4的水平段4c的一系列压裂半平面16。压裂半平面16表示将与射孔/压裂作业有关地形成的裂缝的定向。根据地质力学的原理，压裂平面将通常沿垂直于岩石基质中的最小主应力面的方向形成。更简单地说，在大多数钻井孔中，当钻井孔的水平段位于地面下3,000英尺以下并且有时浅至1,500英尺时，岩石基质将沿竖线分裂。在这种情况下，液力裂缝将趋于从钻井孔的射孔15沿垂直于最小主应力面的竖向椭圆平面蔓延。如果已知最小主应力面的定向，则水平钻井孔4的支柱4c的纵向轴线理想地定向成与其平行，使得多个裂缝平面16将贯穿正交于或近似正交于钻井孔的水平支柱4c的钻井孔，如图1A所示。通过计算下述各项来优化产区3内沿水平支柱4c的射孔的和压裂的层段的期望密度：·每个裂缝将排出的烃的估计最终开采率(“EUR”)，这要求计算每个压裂处理将经由其相应的射孔连接至钻井孔的增产储层体积(“SRV”)；减去(less)·与边界压裂层段的相应SRV的任何重叠；加上(coupledw本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液压喷射喷嘴，包括：管状定子主体，所述管状定子主体沿所述喷嘴的纵向轴线形成钻孔；管状转子主体，所述管状转子主体位于所述定子主体的所述钻孔内，并且沿所述喷嘴的所述纵向轴线也形成钻孔；一个或多个轴承，所述一个或多个轴承位于所述定子主体和周围的所述转子主体之间，以适应所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；电磁线圈，所述电磁线圈被设计成响应于电流引发所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；近端，所述近端被构造成密封地连接至喷射软管的端部并且接收喷射流体；以及所述转子主体的端部处的排放槽，所述排放槽被构造成以规定的喷射角度输送高压喷射流体以侵蚀挖掘岩石基质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.24 US 62/120,212;2015.07.29 US 62/198,575;1.一种液压喷射喷嘴，包括：管状定子主体，所述管状定子主体沿所述喷嘴的纵向轴线形成钻孔；管状转子主体，所述管状转子主体位于所述定子主体的所述钻孔内，并且沿所述喷嘴的所述纵向轴线也形成钻孔；一个或多个轴承，所述一个或多个轴承位于所述定子主体和周围的所述转子主体之间，以适应所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；电磁线圈，所述电磁线圈被设计成响应于电流引发所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；近端，所述近端被构造成密封地连接至喷射软管的端部并且接收喷射流体；以及所述转子主体的端部处的排放槽，所述排放槽被构造成以规定的喷射角度输送高压喷射流体以侵蚀挖掘岩石基质。2.根据权利要求1所述的液压喷射喷嘴，其中，所述排放槽与所述转子主体的中心线对准。3.根据权利要求1所述的液压喷射喷嘴，其中，所述排放槽限定围绕所述转子主体的中心线等距离径向设置的至少三个排放槽。4.根据权利要求1所述的液压喷嘴，其中：所述近端沿所述定子主体定位；并且所述转子主体被构造成在所述定子主体固定地连接至喷射软管时旋转。5.根据权利要求4所述的液压喷嘴，还包括：位于所述定子主体内的第一组向后推力喷口，所述第一组向后推力喷口被构造成在作业期间接收喷射流体，并且以与所述定子主体的所述近端偏离的角度指引所述喷射流体，从而提供向前推进力。6.根据权利要求5所述的液压喷嘴，还包括：位于所述转子主体内并延伸到所述定子主体中的第二组向后推力喷口，所述第二组向后推力喷口也被构造成接收喷射流体，并且以与所述定子主体的所述近端偏离的角度指引所述喷射流体，从而提供额外的向前推进力。7.根据权利要求6所述的液压喷嘴，其中，所述第二组向后推力喷口被定位成使得所述转子主体的旋转将所述第二组向后推力喷口短暂地与所述第一组向后推力喷口对准，暴露出推力喷口通道，用于从所述转子主体的所述钻孔内传导喷射流体，并且从所述定子主体的外部排放所述喷射流体的一部分。8.根据权利要求5所述的液压喷嘴，其中，所述槽和所述第一组向后推力喷口被构造成在沿所述岩石基质的横向钻孔内形成星形轮廓。9.根据权利要求5所述的液压喷嘴，还包括：加固套筒，所述加固套筒沿所述转子主体的所述钻孔定位并且被构造成在作业期间抵抗所述转子主体的侵蚀。10.根据权利要求9所述的液压喷嘴，其中，所述套筒由多晶金刚石材料制造。11.根据权利要求9所述的液压喷嘴，其中：所述套筒被构造成在第一位置和第二位置之间沿所述转子主体的所述钻孔滑动，在所述第一位置中，所述第一组向后推力喷口被关闭，在所述第二位置中，所述第一组向后推力喷口被打开；以及偏置机构，所述偏置机构用于使加固衬套偏置到其关闭位置。12.根据权利要求4所述的液压喷嘴，还包括：沿所述转子主体的所述钻孔定位的轴环，所述轴环被构造成随所述套筒在所述第一位置和所述第二位置之间滑动；并且其中，所述偏置机构包括弹簧、磁体、电磁力或它们的组合。13.根据权利要求12所述的液压喷射喷嘴，其中：所述偏置机构包括弹簧，在作业期间，所述弹簧使可滑动套筒偏置到其关闭位置，以相对于液压喷射流体的流动密封所述第一向后推力喷口，从而迫使喷射流体流全部离开所述排放槽；用于产生所述转子主体的旋转的磁场通过与定子极生成的电磁力相联系的转子极的预磁化产生；并且通过向与可滑动套筒相关联的肩状物施加液压压力克服所述弹簧的偏置力，使所述可滑动套筒向前移位，这导致打开了用于喷射流体的流动的通向所述第一向后推力喷口的入口，从而利用所述喷射流体的一部分来向所述喷嘴提供向后推力，并且允许所述转子主体在所述定子主体内自由旋转。14.根据权利要求13所述的液压喷射喷嘴，还包括：围绕所述转子主体等距间隔的多个磁化转子极；以及围绕所述定子主体间隔布置的多个相对定子极，其中，每个定子极均包裹有电线，表示从所述喷射软管自身延伸的电线的末端；并且其中，所述电线感生磁场力，在所述转子主体上产生旋转扭矩，造成所述转子主体的旋转，使得所述转子主体的旋转速度与经由所述电线馈送至所述定子极的电流成比例。15.根据权利要求4所述的液压喷嘴，其中，所述排放槽限定以扇形平面分布高压喷射流体的槽，但响应于所述相对旋转移动生成基本上圆柱形的钻孔。16.根据权利要求4所述的液压喷嘴，还包括：至少部分地沿所述定子主体定位的三条或更多条致动器线，所述致动器线与所述电线电连通，并且所述致动器线由响应于通过其的电流收缩的导电材料制造，从而使操作员能够在作业期间通过电流经过所述电线的受控输送来控制用于喷射流体的输送的所述排放槽的方向。17.根据权利要求4所述的液压喷嘴，还包括：处理器，所述处理器被配置成将所述喷嘴在储层中的期望地理轨迹与所述喷嘴的定向关联起来；一个或多个电流调节器，所述一个或多个电流调节器被配置成响应于来自所述处理器的信号调节进入所述电线的电流，其中，所述电线将所述电流调节器连接至所述喷射软管的远端；以及至少三条致动器线，所述至少三条致动器线沿所述喷射软管的所述远端定位并且平行延伸至所述定子主体，所述致动器线由响应于经过的电流收缩的导电材料制造，其中：传输通过每条致动器线的电流的量由所述处理器控制并由所述一个或多个电流调节器调节；并且每条致动器线均被构造成响应于所述电流引起弯曲力矩，从而使操作员能够在作业期间控制用于喷射流体的输送的所述排放槽的方向。18.根据权利要求17所述的液压喷嘴，还包括：电力源；位于所述定子主体附近的至少一个地理空间IC芯片，所述至少一个地理空间IC芯片被设计成(i)测量所述液压喷嘴的地理位置、方位、定向或它们的组合，作为地理定位数据，以及(ii)将所述地理定位数据实时传输至所述处理器；并且其中，所述处理器和所述电流调节器一起控制传递至所述致动器线的电流，以使所述致动器线进行与电流的量成比例的收缩，并控制所述弯曲力矩，使得所述处理器、所述一个或多个电流调节器、所述电线和所述致动器线在作业期间为所述喷嘴提供导向系统，以实现所述地理轨迹。19.根据权利要求18所述的液压喷嘴，还包括：围绕所述转子主体等距间隔的多个磁化转子极；以及围绕所述定子主体间隔的多个相对定子极，其中，每个定子极均包裹有电线，表示从所述喷射软管延伸的电线的末端，其中，所述转子主体的旋转速度与经由所述电线馈送至所述定子极的电流成比例。20.根据权利要求5所述的液压喷嘴，还包括：围绕所述转子主体等距间隔的多个磁化转子极；围绕所述定子主体间隔的多个相对定子极，其中，每个定子极均包裹有电线，表示从所述喷射软管延伸的电线的末端，其中，所述转子主体的旋转速度与经由所述电线馈送至所述定子极的电流成比例；可滑动圆柱形磁轴环，所述可滑动圆柱形磁轴环能够在所述转子主体的所述钻孔内从使得所述第一组向后推力喷口关闭的第一位置移动至其中第一组向后推力喷口打开的第二位置；抵接所述轴环、将所述轴环偏置到其第一位置的偏置机构；其中，所述轴环响应于被发送至包裹所述定子极的所述电线的电流移动至其第二位置，所述定子极感生具有足够强度的磁场，以便其以足够的磁力拉动所述磁轴环来克服抵接所述可滑动轴环的所述偏置机构的偏置力。21.根据权利要求20所述的液压喷嘴，其中，将所述轴环移动至其打开位置所需的磁力大于使所述转子主体旋转所需的磁力。22.根据权利要求2所述的液压喷嘴，其中：所述定子主体在远端处连接至喷射软管；所述排放槽位于所述定子主体的远端处的半球形面内；所述喷嘴主体的外径基本上与所述喷射软管的外径相同；并且所述喷嘴主体的长度在约1英寸至3英寸之间。23.一种用于井下钻孔装置的导向系统，所述钻孔装置被构造成挖掘岩石，以形成长形钻孔，并且所述导向系统包括：至少三条纵向定向且导电的致动器线，其中，所述致动器线中的每一条均固定至所述钻孔装置的主体并围绕所述钻孔装置的圆周等距间隔，并且其中，所述致动器线中的每一条均被构造成与发送通过所述电线的电流的量成比例地进行收缩，使得被指引通过所述致动器线中的一条或多条的不同量的电流将因此在所述钻孔装置的主体处引起弯曲力矩，所述弯曲力矩足以重新定向所述钻孔装置的远端，从而在井下作业期间改变所述主体的轨迹。24.根据权利要求23所述的导向系统，其中：所述钻孔装置是具有向前排放端口的液压喷嘴；所述液压喷嘴的主体包括管状定子主体和管状转子主体，所述管状转子主体位于所述定子主体的钻孔内，并且沿所述喷嘴的纵向轴线形成钻孔；并且所述液压喷嘴还包括：一个或多个轴承，所述一个或多个轴承位于所述定子主体和周围的所述转子主体之间，以适应所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；电磁线圈，所述电磁线圈被设计成响应于电流引发所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；近端，所述近端被构造成密封地连接至喷射软管的端部并且接收喷射流体；以及在所述转子主体的端部处的排放槽，所述排放槽被构造成输送高压喷射流体以侵蚀岩石基质。25.根据权利要求24所述的导向系统，还包括：与所述至少三条致动器线中的每一条相关联的电力线，其中，每条电力线向与其相关联的致动器线输送电流，其中，所述电力线中的每一条均沿所述喷射软管内的腔或护层定位；用于在井下生成电流的电池组；微处理器，所述微处理器用于根据用于所述钻孔的确定的地理轨迹分布所述电流；以及设置在所述钻孔装置的所述主体上的至少一个地理空间芯片，所述至少一个地理空间芯片被配置成沿所述喷射软管将地理位置数据信号传输回去。26.根据权利要求25所述的导向系统，其中：所述喷射软管的长度为至少25英尺。27.根据权利要求26所述的导向系统，其中：所述喷射软管和液压喷嘴是用于在地下地层内从主钻井孔中形成横向钻孔的液压喷射组件的一部分，所述喷射软管和所述液压喷嘴形成用于所述液压喷射组件的内部系统；所述液压喷射组件还包括外部系统，所述外部系统包括：第一长形管状主体，所述第一长形管状主体限定外导管，所述外导管具有上端、下端以及在上端和下端之间的内部钻孔，所述上端被构造成可操作地附接至用于将所述组件伸入所述钻井孔中的油管运送媒介；第二长形管状主体，位于所述外导管的所述钻孔内并限定喷射软管承载件，所述喷射软管承载件的尺寸被设置成可滑动地接收所述喷射软管并且在所述喷射软管和...

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁斯·L·兰德尔，
申请(专利权)人：特种油管有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US