高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法与流程

本发明涉及油气田钻完井工程，特别涉及一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法。

背景技术：

1、径向钻井技术可在地层中同一层位或不同层位钻出多个10～30m以上的辐射状微小水平孔眼，达到解除地层污染、扩大泄流面积(采油/气井)或波及范围(注水/气井)、沟通剩余油气富集区、完善井网等目的。目前，主要应用于老井剩余油气挖潜、注入井解堵、煤层气提高单井产量、辅助酸化压裂改造等领域。

2、当前油气勘探开发正在向深层(埋藏深度超过3500m)油气藏不断拓展。深层油气储集层主要包括碎屑岩、碳酸盐岩、火山岩等，地层温度可达295℃。稠油超稠油采用蒸汽吞吐、蒸汽驱、sagd(蒸汽辅助重力泄油)、火烧油层等热力开采方式，油层温度可达300℃以上。地热资源量非常巨大、清洁环保，在“碳达峰、碳中和”战略的引领下，如何经济高效利用是促进地热能规模化利用的关键。地热水资源的储量较大，其温度范围从接近于室温到高达390℃；干热岩系统是地层深处具有150℃～650℃左右温度的热岩层，渗透性差、不存在流体；目前井下换热器和增强型地热系统是主要的地热取热方法。径向钻井技术应用深层油气藏、稠油超稠油、地热等领域，对于提高深层油气藏单井产量、稠油超稠油热力开采效果及地热取换热效率等方面具有重要意义，应用前景广阔。

3、由于现有径向钻井工具系统使用的小尺寸动力马达等关键部件耐温有限(不超过150℃)，且存在火山岩等坚硬地层无法喷射破岩等问题，因此在高温作业环境和硬地层条件下应用受限，严重制约了技术的发展和推广。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统、涡轮及相关使用方法。

2、第一方面，本发明实施例提供一种钻井用涡轮，包括：涡轮本体、叶轮和与传动轴；

3、所述涡轮本体具有一空腔，所述传动轴一端与所述叶轮相连，另一端伸入所述空腔中；

4、所述叶轮上设置有多个与纵轴线呈预设夹角的叶片；所述叶轮朝向涡轮本体的一面与所述传动轴连接；所述叶轮背向所述涡轮本体的另一端用于连接外部的铣头或钻头；

5、所述涡轮本体与所述叶轮相对设置；所述涡轮本体底部沿轴向开设有一与所述空腔连通的中央进液孔，且周向开设若干贯穿孔，所述贯穿孔与所述中央进液孔之间通过径向设置的侧向孔连通；所述贯穿孔包括：依次连通的前向斜孔、前向孔、后向孔；所述前向斜孔的开口朝向所述叶轮上的叶片，以便经由中央进液孔进入涡轮本体内的高压流体通过所述前向斜孔冲击所述叶片以带动传动轴旋转；且所述流体经由后向孔喷射出以推动所述钻井用涡轮前进。

6、在一个实施例中，所述前向斜孔和所述后向孔分别相对于所述前向孔倾斜设置。

7、在一个实施例中，所述传动轴与所述涡轮本体的空腔内壁之间设置有轴承，且所述中央进液孔与所述涡轮本体的空腔通过纵向的过流孔连通。

8、在一个实施例中，所述传动轴中还设置有冲洗孔，所述冲洗孔与所述过流孔连通。

9、在一个实施例中，所述涡轮本体的外边缘还设置有若干扶正棱。

10、在一个实施例中，所述叶轮上还开设有若干配重孔，所述配重孔内嵌有若干配重物。

11、第二方面，本发明实施例提供一种高温坚硬地层适用的钻井工具系统，包括：导向管柱、送进管、挠性管、如前述的涡轮、铣头和钻头；其中：

12、所述导向管柱包括：依次连接的定向短节、上锚定封隔器、导向器、下锚定封隔器和引鞋；

13、所述涡轮的输出端用于与铣头或者钻头连接；

14、所述挠性管一端与送进管连接，另一端与涡轮连接，以便所述送进管穿设所述定向短节和上锚定封隔器将所述挠性管的一端送入所述导向器，在所述导向器的引导下所述挠性管连接的涡轮和铣头进行套管开口或所述挠性管连接的涡轮和钻头进行地层钻进。

15、在一个实施例中，所述导向器包括导向器本体；所述导向器本体上开设有导向进口、导向轨道和导向出口，所述导向进口和导向出口通过所述导向轨道相连通；所述导向进口和导向出口之间的夹角取值在20～90度之间。

16、在一个实施例中，所述导向器本体沿轴向还开设有若干传压孔。

17、在一个实施例中，所述定向短节包括一定向键，所述定向键与所述导向器的导向出口的方位角保持一致或者保持预设的角度差。

18、第三方面，本发明实施例提供一种如前述的高温坚硬地层适用的钻井工具系统的使用方法，包括：

19、将导向管柱下入井下后，将所述导向管柱锚定和坐封；

20、通过送进管将与所述送进管连接的挠性管、涡轮和铣头下入所述导向管柱中，在导向管柱导向器的引导下实现转向，当铣头与套管内壁接触时，向送进管和挠性管中泵入预设压力和速度的流体，通过涡轮带动铣头对套管进行开孔；

21、通过送进管起出挠性管、涡轮和铣头，将所述铣头更换为钻头，并将所述送进管、挠性管、涡轮和钻头依次连接；

22、通过送进管将与所述送进管连接的挠性管、涡轮和钻头下入所述导向管柱中，并在导向管柱导向器的引导下实现转向，当钻头通过套管上的开孔与套管外的地层接触时，向送进管和挠性管中泵入预设压力和速度的流体，通过涡轮带动钻头对地层钻进；

23、起出送进管、挠性管、涡轮和钻头，解封和起出导向管柱。

24、在一个实施例中，所述方法，还包括：

25、在将所述导向管柱锚定和坐封之前，向导向器的导向进口处投入可溶材料制成的小球，以便在导向管柱锚定和坐封过程中通过所述小球密封所述导向进口，以及在完成导向柱的锚定和坐封之后，所述可溶材料溶解，所述导向器的导向进口、导向轨道和导向出口重新畅通。

26、本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

27、本发明实施例适用于高温坚硬地层的钻井工具系统、涡轮及及其使用方法，涡轮本体底部沿轴向开设有一与所述空腔连通的中央进液孔，且周向开设若干前向斜孔、前向孔、后向孔与中央进液孔之间通过径向设置的侧向孔连通；前向斜孔的开口朝向叶轮上的叶片，这样的设计，可经由中央进液孔进入涡轮本体内的高压流体通过所述前向斜孔冲击所述叶片以带动传动轴旋转；且所述液体经由后向孔喷射出以推动所述钻井用涡轮前进。本发明实施例提供的上述钻井用涡轮，在地面泵入高压流体时，可驱动铣头进行套管开孔，更换钻头后，可驱动钻头进行微孔破岩钻进地层。由于涡轮整体由高压流体驱动，为无橡胶部件，与行业内常规的螺杆钻具相比，具有耐高温、工作效率高且随时间变化小、稳定性好，可较好地满足高温作业环境要求。采用该涡轮的钻井工具系统，可实现高转速、低钻压磨削方式为主进行破岩，形成径向微小孔眼，钻进效率高、适应范围广、破岩能力强，实现坚硬地层、高研磨性地层径向钻进微小孔眼的有效破岩；大大提高了作业井深能力，大幅度拓展了适用温度范围和岩性范围，使径向钻井技术在深层油气藏、稠油超稠油、地热等高温作业环境和/或坚硬地层条件下应用成为现实。

28、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

29、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。