本發(fā)明涉及一種用于壓裂酸化改造的井下定向水力噴射工具，用于水平井儲層改造，屬于石油開采中所使用的完井改造領域。

背景技術：

國內部分油田的儲層底部均有能量較為充足的水體存在。在水平井儲層改造中，如何在有效壓裂儲層的同時不溝通底水，是工藝選擇和壓裂設計中的一個重要方面。如果采用在儲層中部鉆水平井眼，常規(guī)方式噴砂射孔，則為了避免溝通底水，必須嚴格限制縫高，影響了儲層改造效果，且后期難以進行重復壓裂，限制了儲層剩余油采出。如果能夠通過定向向上水力噴砂射孔的方法進行射孔，則能夠有效引導裂縫向上延伸，改造非主應力方向上的儲集體，避開底部水體，提高儲層改造建產率。

針對這種需求，目前國內外一些公司采用偏心結構增加噴射工具局部重量的方式，依靠工具周向受到重力不均勻而自我調節(jié)的方式試圖實現定向噴射。例如，中國專利公開號cn104912534a公開的一種用于水平井壓裂的自動定向水力噴射壓裂工具，公開日為2015年09月16日，其上接頭下端與所述工具外殼連接；工具外殼內部凸臺的左側設置有偏心內管體；偏心內管體與偏心旋轉噴槍之間采用螺紋連接；凸臺與偏心內管體中間設置止推軸承；工具外殼內部的凸臺右側設置有偏心旋轉噴槍；偏心旋轉噴槍與工具外殼之間設置徑向軸承；偏心旋轉噴槍上靠近右端部的位置設置有孔，噴嘴置于該孔內；下接頭置于偏心旋轉噴槍的右端部；下接頭用于連接其他設施。通過使偏心配重的噴槍在外殼內自由轉動，實現水力噴槍始終沿水平方向。

但上述現有技術由于井下易遇卡，且噴射時振動大，導致噴射工具無法旋轉到位或者針對一點進行噴射，因而影響到噴射效果，無法滿足施工要求。并且目前國內外水力噴射工具的噴射孔均沿噴槍周向均勻布置，只能實現對噴射孔附近儲層的均勻改造；即使只在噴槍一側布置噴射孔，但由于不具備井下精確定向能力，也無法實現井下定向噴射的要求。因此，目前為止，國內外均沒有一種有效的方式能夠實現可靠地定向噴射。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服現有技術存在的上述問題，提供一種用于壓裂酸化改造的井下定向水力噴射工具。本發(fā)明能夠進行噴射孔方位調節(jié)，可以有效防止井下遇阻和噴槍振動帶來的影響，能夠可靠地完成定向噴射的任務，且還可以實現地面遠程控制，極大地簡化的操作流程，也避免了工具下井過程中轉動帶來的干擾。

為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種用于壓裂酸化改造的井下定向水力噴射工具，其特征在于：包括控制裝置、驅動裝置和噴槍，控制裝置、驅動裝置和噴槍依次連接；控制裝置包括控制腔本體、信號接收器、控制電路板和井下電池組，信號接收器、控制電路板和井下電池組均設置在控制腔本體上，信號接收器與控制電路板連接，控制電路板與驅動裝置電連接，控制電路板連接有重力加速度傳感器，井下電池組分別與信號接收器、控制電路板和驅動裝置連接；驅動裝置包括驅動電機，驅動電機與控制腔本體密封固定連接；噴槍與驅動電機的電機轉子固定連接。

所述控制腔本體外壁上設置有控制腔，信號接收器、控制電路板和井下電池組設置在控制腔內，控制腔上設置有與控制腔密封固定連接的控制腔外殼。

所述驅動電機包括電機外殼、電機定子和電機轉子，電機定子設置在電機外殼內，且與控制腔本體密封固定連接，電機轉子上部位于電機定子內，下端穿出電機外殼與噴槍固定連接。

所述電機轉子上套設有轉子卡套，轉子卡套通過設置的軸承固定在電機外殼內，轉子卡套與電機外殼之間設置有線圈。

所述控制腔本體與電機定子固定連接處設置有密封端蓋，密封端蓋與電機定子密封固定連接。

所述電機轉子下部與電機外殼旋轉密封配合。

所述重力加速度傳感器集成式設置在控制電路板上。

所述重力加速度傳感器設置在電機定子上。

所述控制電路板和驅動電機通過電連接器連接。

所述噴槍上設置有一排或多排噴射孔，且每排噴射孔沿噴槍軸向方位排列，為多排噴射孔時，均勻分布在噴槍上。

所述噴射孔相對于重力加速度傳感器在噴槍周向的方向設置為逆時針方向為正或為負。

采用本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明能夠實現在沿井眼周向任何方位上自動精確定位，并沿井眼周向任一方位進行定向噴射，能夠自動識別噴槍上噴射孔在井下所處井眼周向的方位；能夠自動調整噴槍上噴射孔在井下所處井眼周向的方位；可地面遠程控制動作，避免因為下井過程中因為管柱自身受力旋轉導致井下噴射工具的誤動作。

2、本發(fā)明采用驅動電機帶動噴槍旋轉的方式進行噴射孔方位調節(jié)，因驅動電機具有扭矩大，旋轉停止后不能移動的特點，可以有效防止井下遇阻和噴槍振動帶來的影響，能夠可靠地完成定向噴射的任務。而且通過驅動電機進行驅動，還可以實現地面遠程控制，極大地簡化的操作流程，也避免了工具下井過程中轉動帶來的干擾。

3、本發(fā)明操作簡單，使用方便，能夠在井下針對儲層特定方位進行定向噴射，解決了一些油氣田由于底水而導致儲層改造受限的問題。

綜上，采用井下定向水力噴射工具，能夠實現噴槍上噴射孔的自動周向定位和自動調整噴射孔周向方位的目的，有效解決了如何準確、可靠的實現井下定向噴射的問題。針對一些存在底水或需要重復壓裂的區(qū)塊，能夠極大地降低壓漏水層的風險并有效提高重復改造時的儲層改造體積。

附圖說明

圖1為井下定向水力噴射工具的井下工具管串示意圖；

圖2為三種噴槍噴射孔分布展開示意圖；

圖3為井下定向水力噴射工具結構示意圖；

圖4為噴射孔與重力加速度傳感器沿噴槍周向夾角展開示意圖。

圖中標記為：1、控制腔外殼；2、信號接收器；3、控制電路板；4、電連接器；5、控制腔本體；6、井下電池組；7、密封圈；8、電機外殼；9、軸承；10、線圈；11、重力加速度傳感器；12、密封端蓋；13、電機定子；14、轉子卡套；15、電機轉子；16、噴槍；17、噴射孔；18、油管或連續(xù)油管。

具體實施方式

實施例1

一種用于壓裂酸化改造的井下定向水力噴射工具，包括控制裝置、驅動裝置和噴槍16，控制裝置、驅動裝置和噴槍16依次連接；控制裝置包括控制腔本體5、信號接收器2、控制電路板3和井下電池組6，信號接收器2、控制電路板3和井下電池組6均設置在控制腔本體5上，信號接收器2與控制電路板3連接，控制電路板3與驅動裝置電連接，控制電路板3連接有重力加速度傳感器11，井下電池組6分別與信號接收器2、控制電路板3和驅動裝置連接；驅動裝置包括驅動電機，驅動電機與控制腔本體5密封固定連接；噴槍16與驅動電機的電機轉子15固定連接。

所述控制腔本體5外壁上設置有控制腔，信號接收器2、控制電路板3和井下電池組6設置在控制腔內，控制腔上設置有與控制腔密封固定連接的控制腔外殼1。

所述驅動電機包括電機外殼8、電機定子13和電機轉子15，電機定子13設置在電機外殼8內，且與控制腔本體5密封固定連接，電機轉子15上部位于電機定子13內，下端穿出電機外殼8與噴槍16固定連接。

所述電機轉子15上套設有轉子卡套14，轉子卡套14通過設置的軸承9固定在電機外殼8內，轉子卡套14與電機外殼8之間設置有線圈10。

所述控制腔本體5與電機定子13固定連接處設置有密封端蓋12，密封端蓋12與電機定子13密封固定連接。

所述電機轉子15下部與電機外殼8旋轉密封配合。

所述重力加速度傳感器11集成式設置在控制電路板3上?；蛘咚鲋亓铀俣葌鞲衅?1設置在電機定子13上。

所述控制電路板3和驅動電機通過電連接器4連接。

所述噴槍16上設置有一排或多排噴射孔17，且每排噴射孔17沿噴槍16軸向方位排列，為多排噴射孔17時，均勻分布在噴槍16上。

所述噴射孔17相對于重力加速度傳感器11在噴槍16周向的方向設置為逆時針方向為正或為負。

以下對井下定向水力噴射工具的使用方法進行說明，包括如下步驟：

a、當井下定向噴射工具達到噴射井深位置后，通過地面控制啟動井下定向噴射工具；

b、井下定向噴射工具啟動后，識別噴射孔17沿井眼周向方位，當確定噴射孔17在井下的初始周向方位后，與設置好的最終噴射方位進行對比分析，得到噴槍16需要旋轉的方向及角度；

c、控制噴槍16按照需要的方向和角度進行旋轉，調整噴射孔17沿井眼周向的方位至指定方位；

d、當噴槍16上噴射孔17調整到位后，開始定向噴砂射孔，并進行壓裂酸化施工。

所述步驟a中，地面控制方式包括發(fā)射電磁波、地面產生壓力波或者向井下投rfid控制球等。

所述步驟b中，當井下定向噴射工具接收到地面發(fā)送的啟動命令后，井下重力加速度傳感器11檢測傳感器自身所處的井眼周向方位，并把檢測結果發(fā)送給控制電路板3，控制電路板3接收到測量結果后，與設置好的井下重力加速度傳感器11與噴射孔17之間的夾角值、待噴射周向方位值進行對比計算，得到噴射孔17需要調整的方向和角度，并得到井下重力加速度傳感器11最終需要處于的井眼周向方位。

所述步驟b中，如果控制電路板3計算得到的調整角度數值等于或低于允許偏差值，則驅動電機不需要動作；如果計算得到的調整角度數值高于允許偏差值，則控制驅動電機動作。

所述步驟c中，控制電路板3向驅動電機發(fā)送控制命令，驅動電機轉子15向指定方向旋轉指定的角度。

所述步驟c中，電機轉子15旋轉完成后，井下重力加速度傳感器11再次檢測傳感器自身所處的井眼周向方位，如果重力加速度傳感器11實際所處井眼周向方位與之前控制電路板3計算得到的井下重力加速度傳感器11最終需要處于的井眼周向方位一致，則表明電機轉子15旋轉到位，控制結束；如果不一致，則表明電機轉子15旋轉不到位，則控制電路板3重新計算噴射孔17需要調整的方向和角度，并繼續(xù)控制電機轉子15旋轉，直到旋轉到位。

本實施例中，各種密封配合均通過密封圈7實現。

實施例2

本實施例結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。在此，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

如圖所示，本發(fā)明主要分為地面控制和井下執(zhí)行兩部分。地面控制部分主要向井下發(fā)送啟動命令，確保工具在需要的時候才開始工作，可以最大程度的節(jié)省電池電量；井下部分為井下定向噴射工具，主要實現噴槍16噴嘴的自動定位和沿井眼周向調整。

圖1是用于壓裂酸化改造的定向水力噴射工具的井下工具管串示意圖。井下定向噴射工具由控制裝置、驅動裝置和噴槍16三部分組成，各部分通過油管螺紋連接。井下定向噴射工具與油管或連續(xù)油管18連接，處于油管或連續(xù)油管18最下端。

如圖2是本發(fā)明所述的一種用于壓裂酸化改造的定向水力噴射工具的噴槍噴射孔分布示意圖（展開圖）。噴槍16上每排噴射孔沿噴槍軸向排列?；趪姌尳Y構設計或儲層改造需要，可以設置1排、2排或3排噴射孔17，圖2所示，圖中虛線為噴槍軸向方向。

如圖3是本發(fā)明所述的一種用于壓裂酸化改造的定向水力噴射工具結構示意圖。當信號接收器2接收到地面發(fā)送的啟動指令信號后，把信號發(fā)送至控制電路板3，控制電路板3識別出啟動指令后，從待機狀態(tài)調整為正常工作狀態(tài)，這時，井下重力加速度傳感器11開始檢測自身所處的井眼周向方位，并把檢測結果發(fā)送至控制電路板3，控制電路板3通過對比計算，確定電動機需要旋轉的方向和角度，然后驅動電機轉子15旋轉，電機轉子15與噴槍16通過螺紋連接，故噴槍16隨電機轉子15旋轉相同方向和角度。噴射孔17的井眼周向方位調整完成后，井下重力加速度傳感器11再次檢測自身所處的井眼周向方位，如果檢測方位與預計方位相同，則認為噴槍16角度調整結束；如果檢測方位與預計方位不同，則認為噴槍16角度調整不到位，控制電路板3會繼續(xù)根據噴射孔17當前所處周向方位進行調整，直到噴射孔17周向方位調整到位。

控制電路板3在一般情況下均處于待機狀態(tài)，在待機狀態(tài)時，只有信號接收功能正常工作，當接收到啟動命令后，控制電路板3才會從待機狀態(tài)轉換為正常工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)時，如果噴槍16上噴射孔17角度調整到位，控制電路板3會自動轉換為待機狀態(tài)。這樣可以有效延長井下定位噴射工具的工作時間。

井下重力加速度傳感器11集成在控制電路板3上。驅動電機采用直流力矩電機。

如圖4是本發(fā)明所述的一種用于壓裂酸化改造的定向水力噴射工具噴槍噴射孔17與井下重力加速度傳感器11沿噴槍周向夾角示意圖（展開圖）。在地面裝配完成后，首先要測量噴射孔17與井下重力加速度傳感器11在噴槍周向方向上的夾角、確定噴射孔17相對于井下重力加速度傳感器11在噴槍周向的方向（設置為逆時針方向為正或為負均可），并把夾角及方向參數，以及井下需要噴射的周向方位角參數提前設置在控制電路板3內，為計算驅動電機旋轉角度及方向提供依據。

當井下定向噴射工具接收到地面發(fā)送的啟動命令后，井下控制裝置開始工作，井下重力加速度傳感器11首先檢測傳感器自身所處的井眼周向方位，并把檢測結果發(fā)送給井下控制裝置，井下控制裝置接收到測量結果后，與事先輸入的井下重力加速度傳感器11與噴槍噴射孔17之間的夾角值、待噴射周向方位值進行對比計算，得到噴槍噴射孔17需要調整的方向和角度，并得到井下重力加速度傳感器11最終需要處于的井眼周向方位。如果計算得到的調整角度數值等于或低于允許偏差值，則驅動電機不需要動作；如果計算得到的調整角度數值高于允許偏差值，則驅動電機動作；如果驅動電機需要動作，則由井下控制裝置向驅動電機發(fā)送控制命令，驅動電機轉子15向指定方向旋轉指定的角度；電機轉子15旋轉完成后，井下重力加速度傳感器11再次檢測傳感器自身所處的井眼周向方位，如果傳感器實際所處井眼周向方位與之前控制裝置計算得到的井下重力加速度傳感器11最終需要處于的井眼周向方位一致，則表明電機轉子15旋轉導致，控制結束；如果傳感器實際所處井眼周向方位與之前井下控制裝置計算得到的井下重力加速度傳感器11最終需要處于的井眼周向方位不一致，則表明電機轉子15旋轉不到位，則井下控制裝置會重新計算噴槍噴射孔17需要調整的方向和角度，并繼續(xù)控制電機轉子15旋轉，直到旋轉到位。

實施例3

當確定儲層需要噴射的井眼周向方位后，在地面上預先向井下定向噴射工具輸入噴射方位數據（即噴射孔最終需要對應的井眼周向噴射方位），設置好井下需要噴射的方向。當需要施工時，把井下定向噴射工具與油管或連續(xù)油管18連接，送入井下。當井下定向噴射工具達到噴射井深位置后，通過向油管內投rfid通信球的方式發(fā)送地面控制指令來啟動井下定向噴射工具，當rfid通信球隨井下流體通過井下定向噴射工具時，井下定向噴射工具內置的rfid讀寫器接收到控制信號，并啟動控制程序，井下重力加速度傳感器11開始自動識別噴射孔17沿井眼周向方位，當確定噴射孔17在井下的初始周向方位后，與設置好的最終噴射方位進行對比分析，得到噴槍需要旋轉的方向及角度；之后，控制裝置把旋轉控制命令發(fā)送至驅動電機，控制驅動電機按照需要的方向和角度進行旋轉，調整噴槍上噴射孔17沿井眼周向的方位至指定方位。

井下重力加速度傳感器11安裝在電機定子13上?？刂蒲b置、驅動裝置和噴槍在地面通過螺紋依次連接，噴槍連接在電動機轉子上。連接完成后，首先測量井下重力加速度傳感器11與噴槍上噴射孔17沿工具周向夾角及相對方向，并將測量信息輸入井下控制電路板3。

rfid通信球采用耐高溫rfid芯片，芯片固定在高分子材料制作得球體內；在地面提前向rfid芯片寫入控制信息。

實施例4

當井下定向噴射工具達到噴射井深位置后，通過電磁波通信方式發(fā)送地面控制指令來啟動井下定向噴射工具，井下定向噴射工具接收到控制信號啟動后，井下重力加速度傳感器11開始自動識別噴射孔17沿井眼周向方位，當確定噴射孔17在井下的初始周向方位后，與設置好的最終噴射方位進行對比分析，得到噴槍需要旋轉的方向及角度；之后，控制裝置把旋轉控制命令發(fā)送至驅動電機，控制電機轉子15按照需要的方向和角度進行旋轉，調整噴槍上噴射孔17沿井眼周向的方位至指定方位。

實施例5

當井下定向噴射工具達到噴射井深位置后，通過地面壓力波通信方式發(fā)送地面控制指令來啟動井下定向噴射工具，井下定向噴射工具內置的壓力傳感器接收到控制信號啟動后，井下重力加速度傳感器11開始自動識別噴射孔17沿井眼周向方位，當確定噴射孔17在井下的初始周向方位后，與設置好的最終噴射方位進行對比分析，得到噴槍需要旋轉的方向及角度；之后，控制裝置把旋轉控制命令發(fā)送至驅動電機，控制電機轉子15按照需要的方向和角度進行旋轉，調整噴槍上噴射孔17沿井眼周向的方位至指定方位。

當噴槍上噴射孔17調整到位后，則開始定向噴砂射孔，并進行壓裂酸化施工。完成施工后，油管或連續(xù)油管18拖動井下噴射工具至下一噴射點位，進行下一段的作業(yè)。