一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的方法及装置

摘要

本发明公开了一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的方法及装置，其步骤：(1)取一块岩石，切平端面，钻孔；(2)以孔的孔心为坐标原点，用油漆笔建立坐标轴；(3)在孔内注满水或冷却油；(4)使用钻孔机侧向钻孔；(5)通过坐标轴记录钻孔的方位角，通过钻杆上面的刻度尺记录钻孔的深度，钻孔工作完成。钻机部分通过轴承连接钻机夹嘴，钻机夹嘴通过夹嘴夹住钻杆，钻机转轴分别与钻机夹头、钻机相连，钻机夹嘴分别与钻机夹头、钻杆相连，螺丝通过夹具将钻杆及钻杆防护套固定，钻杆的末端连接钻机转轴，钻杆的另一端与传动装置相连，方法易行，操作简便，能精确钻孔，适用范围广，易于实现批量钻孔。安全性能好。

说明书

技术领域

本发明涉及模型试验技术领域，更具体涉及一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的方法，同时还涉及一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的的装置，它适用于露头页岩水平井分段多簇水力压裂室内试验中射孔的制作。 

背景技术

天然气是一种高效、优质的清洁能源，是实现低碳消费的最佳选择，页岩气作为非常规天然气中的一种，含量巨大，我国页岩气可采储量36.08×10¹²m³，居世界第一，由于页岩储层渗透率低，为了实现高效开采，目前主要借助水力压裂进行体积改造，即通过水力压裂的方式对储层进行改造,在形成一条或者多条主裂缝的同时,通过应用分段多簇射孔、低黏压裂液体、转向材料与技术等手段,实现对天然裂缝、岩石层理的沟通,以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝,并在次生裂缝上继续分枝形成二级次生裂缝,以此类推，最终各裂缝交织形成复杂的裂缝网络系统。 

体积改造技术的核心就是分段多簇射孔技术。射孔是利用射孔弹射穿油层套管、水泥环并穿透油气层一定深度，从而建立起油气流的通道；分段多簇指的是射孔的具体布置方式，即将待开发的储层按长度分成若干段，在每段内选择若干位置进行密集射孔，从而在每段内形成若干密集射孔的区域(即簇)。 

由于现场缺乏理论指导，目前国内有不少学者用物理模型材 料(水泥块)进行了射孔对水力压裂裂缝起裂以及扩展规律影响的物理模拟实验研究，主要采用预埋法模拟射孔，即在水泥块等模型材料制作过程中，沿井筒径向预埋可溶性材料，比如食盐，埋深不做具体要求，埋径根据实际设计需要事先确定，在进行压裂实验前用水溶解，形成小孔，用来模拟射孔，还有些学者采用大尺寸露头页岩模拟水平井以及竖直井压裂，但射孔无法预埋，目前还没有发现在天然岩石试样中制作射孔的方法，故无法真实模拟分段多簇射孔压裂，本发明很好的解决了这些问题。 

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种实现侧向钻孔的方法，方法安全易行，操作简便，能精确钻孔，适用范围广，可操作性强，操作流程简便，易于实现批量钻孔。 

本发明的另一个目的是在于提供了一种实现侧向钻孔的装置，结构简单，使用方便，加工成本低，加工技术简便，较轻便，易携带，安全性能好。 

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施： 

一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的方法，其步骤是： 

(1)、取一块大尺寸(300*300*600mm)天然岩石，切平端面，在端面中心使用普通钻机(大功率电启动HZ-20A混凝土钻孔取芯机)钻一个直径25-40mm的深孔； 

(2)、以该深孔的孔心为坐标原点，在切平的端面上，用油漆笔建立坐标轴； 

(3)、在深孔内注满水，如果是水溶性岩石，则可用冷却油(比如长城润滑油)代替水，以免侧向钻孔时温度过高(高达120到150度)，减少钻头磨损； 

(4)、使用自主研发的钻孔机(如图2)进行侧向钻孔； 

(5)、通过坐标轴记录钻孔的方位角，通过钻杆上面的刻度尺记录钻孔的深度，钻孔工作完成，并详细记录钻孔位置，以便开展后期工作，比如，在模拟射孔时，记录孔眼位置可方便与井筒上的钻孔相对应。 

一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的的装置，它包括钻机部分、钻杆、钻杆防护套、钻头、传动装置、螺丝、螺丝、夹具。钻机部分包括钻机转轴、钻机夹头、钻机夹嘴，传动装置包括齿轮、螺杆。 

钻机部分上的转轴通过轴承连接钻机夹嘴，钻机夹嘴通过可缩放的夹嘴夹住钻杆，钻机转轴带动钻机夹嘴、钻杆一起转动；钻机转轴分别与钻机夹头、钻机相连，钻机夹嘴分别与钻机夹头、钻杆相连；夹具内装有钻杆、钻杆防护套、钻机转轴、钻机夹头、钻机机身部分，螺丝通过夹具将钻杆及钻杆防护套一起固定，钻杆的末端连接钻机转轴，钻杆的另一端与传动装置上的螺杆相连，在传动装置上装有钻头，传动装置包括齿轮、螺杆，螺杆和钻杆焊接在一起，齿轮通过轮齿与螺杆上的螺纹相互咬合连接，齿轮中心有一个圆缺孔，孔内装有侧向钻头，在传动时，传动装置加紧并带动钻头一起转动，这样，轴向转动被转变成侧向转动；另 外，自制夹具的一端粗一端细，粗的一端夹住钻机的机身，细的一端夹住钻杆防护套，这样既不阻碍转动，又增加了稳定性。 

钻杆制备：采用直径4.6mm，长392mm的实心钢条加工而成，中空的螺杆(含螺纹)套在钻杆右端组成新的钻杆； 

夹具制备：夹具为阶梯套筒，包含一阶梯两个套筒，第一个套筒外径50mm,内径43mm，长度80mm，第二个套筒外径20mm，内径10mm，长度26mm，在距两个套筒外端7.5mm、5mm处分别钻一个直接5mm的孔用以安装螺丝，夹具所用材料为普通钢材。 

所解决的问题是如何在天然岩石试样内部制作射孔，提供了一种能在直径不小于24mm的孔内部沿孔径方向钻小孔的新工艺、新方法，钻孔深度可达13mm,孔径为2mm，可用来模拟射孔，它使使用大尺寸露头页岩模拟“页岩水平井多簇射孔压裂”试验成为了可能。 

本发明采用的技术方案是：采用自主研发的钻孔机，在水平深孔(最深可达400mm)中沿孔径方向钻小孔，用来模拟射孔，并且在对应的井筒上也钻取和射孔对应的小孔，用来模拟水平井多簇射孔压裂。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果： 

本发明提供了室内制作射孔的方法，并研发了相应的加工设备，可在井筒壁面的任意位置进行侧向钻孔，还可通过改变钻头的直径、长度，从而控制射孔的大小，满足不同试验对射孔尺寸的要求，提高了本发明的实用性。方法安全易行，操作简便，适用范围广，可操 作性强，操作流程简便，易于实现批量钻孔，结构简单，使用方便，加工成本低，加工技术简便，较轻便，易携带，安全性能好。精确钻孔：根据所选用的小钻头直径的不同，钻孔孔径可在1-5mm之间变化，孔深的变化范围为1-10mm，可根据实际需要进行精确控制。钻孔位置的深度(精确到mm)和相位角(精确到0.1°)可精确控制。适用范围广：可用于各种岩性岩石的水力压裂射孔的制作，也可满足其他领域制作侧向射孔的需求。批量钻孔：钻孔速度快，效率高，每小时可钻30个孔。目前国内还尚未发现此种钻孔方法。本发明不仅可对天然岩石进行侧向钻孔，也可用于其他人工合成材料，解决了国内目前采用大尺寸页岩进行压裂实验却无法模拟射孔的难题。 

比如在水力压裂实验中，对于天然页岩和人工制备试样，将整个试样视为压裂的一段，采用螺旋射孔布置形式，开展单簇、双簇射孔水力压裂物理模拟试验研究，单簇射孔个数为6，双簇射孔压裂试验时设置不同的簇间距，其间距依次为0、50、100mm，每个射孔直径2mm，深度5到10mm。 

附图说明

图1为一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的方法的流程图。 

图2为一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的装置结构示意图。 

图3为一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的传动装置结构示意图。 

图4为一种一端镶嵌金刚石一端能和齿轮咬合的钻头示意图。 

图5为一种通过钻孔后的大尺寸页岩的剖面图。 

其中：钻机部分1包括钻机转轴2、钻机夹头3、钻机夹嘴4，自制钻杆5，钻杆防护套6，钻头7，传动装置8包括齿轮12、螺杆13，螺丝9，螺丝11，夹具10。 

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实例，对依据本发明提出的室内射孔的制作方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。 

实施例1： 

根据图1可知，一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的方法，其步骤是： 

(1)、取一块大尺寸天然岩石，切平端面，在端面中心使用普通钻机(大功率电启动HZ-20A混凝土钻孔取芯机)钻一个直径25或28或30或33或35或37或40mm的深孔； 

(2)、以该深孔的孔心为坐标原点，在切平的端面上，用油漆笔建立坐标轴； 

(3)、在深孔内注满水，如果是水溶性岩石，则可用冷却油(比如长城润滑油)代替水，以免侧向钻孔时温度过高，减少钻头磨损； 

(4)、使用自主研发的钻孔机(如图2)进行侧向钻孔； 

(5)、通过坐标轴记录钻孔的方位角，通过钻杆上面的刻度尺记录钻孔的深度，钻孔工作完成，并详细记录钻孔位置，以便开展后期工作，比如，在模拟射孔时，记录孔眼位置可方便与井筒上的 钻孔相对应。 

所述的小直径深孔在24mm到40mm之间，深度在100mm到600mm之间的孔。 

实施例2： 

下面结合图2、图3、图4、图5对本发明作进一步详细描述： 

一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的装置，它包括：钻机部分1包括钻机转轴2、钻机夹头3、钻机夹嘴4，自制钻杆5，钻杆防护套6，钻头7，传动装置8包括齿轮12、螺杆13，螺丝9，螺丝11，夹具10。 

钻机部分1上的转轴通过轴承连接钻机夹嘴4，钻机夹嘴4通过可缩放的夹嘴夹住钻杆5，钻机转轴2带动钻机夹嘴4、钻杆5一起转动；钻机转轴2分别与钻机夹头3、钻机5相连，钻机夹嘴4分别与钻机夹头3、钻杆5相连；夹具10内装有钻杆5、钻杆防护套6、钻机转轴2、钻机夹头3、钻机部分1(机身部分)，螺丝9通过夹具10将钻杆5及钻杆防护套6一起固定，钻杆5的末端连接钻机转轴2，钻杆5的另一端与传动装置8中的螺杆(13)相连，在传动装置8上装有钻头7，传动装置8包括齿轮12螺杆13，螺杆13和钻杆5焊接在一起，齿轮12通过轮齿与螺杆13上的螺纹相互咬合连接，齿轮12中心有一个圆缺孔，孔内装有侧向钻头7，在传动时，传动装置8加紧并带动钻头7一起转动，这样，轴向转动被转变成侧向转动；另外，自制夹具10的一端粗一端细，粗的一端夹住钻机的机身，细的一端夹住钻杆防护套，这样既不 阻碍转动，又增加了稳定性。 

钻杆5制备：采用直径4.6mm，长392mm的实心钢条加工而成，中空的螺杆(含螺纹)套在钻杆右端组成新的钻杆； 

夹具10制备：夹具为阶梯套筒，包含一阶梯两个套筒，第一个套筒外径50mm,内径43mm，长度80mm，第二个套筒外径20mm，内径10mm，长度26mm，在距两个套筒外端7.5mm、5mm处分别钻一个直接5mm的孔用以安装螺丝9和螺丝11，夹具所用材料为普通钢材。 

钻机工作原理如下：本钻孔机通过电钻提供动力，钻机转轴2开始转动，通过钻机夹嘴4夹住自制钻杆5，带动钻杆5一起转动，在钻杆5的末端装有传动装置8，钻杆(5)与螺杆(13)连为一体，钻头7的末端镶有金刚石。可用来钻孔，其余部分参数说明如下：钻机部分：本钻机使用博大手电钻D5-10，它是正反两用可调速多功能电钻家用微型手电钻，使用交流电参数为220V,50Hz,420W,1.4A，钻机机身有以下几个部分组成，(1)正反转拨杆:这使钻杆逆时针或者顺时针旋转；(2)调速按钮：范围是0-2600r/min；(3)自锁钻杆夹头:最大夹持直径10mm；(4)其他，如转轴，钻机夹嘴。 

所述的自制钻杆5:长度是392mm，直径是4.6mm； 

所述的钻杆防护套6：直径10mm，长度366.1mm，上面标有长度刻度，以便记录孔深； 

所述的传动部分8:传动部分8如图3所示，它是由齿轮12和螺杆13组成的类蜗轮蜗杆结构，螺杆13是在自制钻杆5的末端套上 的一个空心螺纹，空心螺纹是在空心圆柱形的轴上用刀具切成的，工作高度为9.5mmm,外径为6.1mm,内径为2.8mm，螺距为3.2mm，齿轮12也是是专门定做的，齿轮外径9.2mm,内径5mm,齿高2.1mm，齿轮孔不是圆形，其形状尺寸参数见图4是齿轮孔参数；钻头7：该钻头7为自主研发钻头，全长23mm，在其工作部分镶嵌了金刚石，柄部也做了改进，柄部的断面用刀具切成的图5中的齿轮孔形状，这样两者可以相互镶嵌克制，在钻石头时不至于滑动，钻头材质为45号钢，总长为23毫米，柄长为10毫米，在其工作部分开挖散热槽，槽长为10毫米，宽高均为0.2毫米，可承受700度高温，此外，钻头7、螺丝9、螺丝11在同一水平线上以便对钻头进行定位，方便读取钻孔的方位角；夹具10：为了增加钻孔机的稳定性和刚度，用夹具10把钻机和钻杆部分牢牢地连接在一起，夹具为阶梯套筒，包含一阶梯两个套筒，第一个套筒外径50mm,内径43mm，长度80mm，第二个套筒外径20mm，内径10mm，长度26mm，在距两个套筒外端7.5mm、5mm处分别钻一个直接5mm的孔用以安装螺丝，夹具所用材料为普通钢材。 

从图3可以看出，钻头和齿轮牢牢地镶嵌克制，钻机转动时，带动钻杆、螺杆转动，螺杆带动齿轮转动，钻头也跟着高速转动，就可以钻下许多直径2mm的小孔。 

实施例3： 

最后，我们通过一个实例来了解下本发明的应用及操作过程，即使用大尺寸页岩模拟“水平井多簇射孔压裂”实验的射孔的制作方法。 

一种在小直径深孔中实现侧向钻盲孔的方法，其步骤是： 

(1)、现场取大块新鲜露头页岩，运至石头切割厂，将其切割成立方体(300mm×300mm×600mm)，及时用保鲜膜密封保存，防止风化； 

(2)、把页岩运至实验室，沿长方形长轴线中心方向上钻孔a,孔径26mm,孔深400mm，用来模拟井眼； 

(3)、沿孔a的径向用自主研发的钻孔机钻系列孔b，孔b在试样对应射孔段井壁预设处钻取，用以模拟水平井多簇射孔压裂，孔径为2mm，孔深5到10mm，孔b位置和射孔布置方式有关，主要有单段单簇射孔、多簇射孔，用来优化不同簇间距，研究多簇压裂缝同步起裂时多压裂缝干扰与扩展特征分析； 

(4)、自制带螺纹钢管，钢管外径26mm,内径24mm，长度400mm,用来模拟井筒，钢管上钻有直径2mm的小孔，小孔和系列孔b位置相互对应； 

(5)、将钢管放入孔a中，并用胶密封,进行水平井多簇射孔压裂实验； 

本发明提供的在小直径深孔中进行侧向钻孔的技术，实质是发明了一个简易钻孔机，可在深孔内部钻一些径向小孔。不仅可对天然岩石进行侧向钻孔，也可用于其他人工合成材料，使使用大尺寸页岩模拟射孔压裂技术成为了可能，从而通过室内压裂实验来指导现场，使页岩气的开采更加高效高产， 本发明可以根据需要模拟的射孔的大小和深度，相应的改变钻头的长度和直径，提高了本发明的实用性。本发明步骤明确，简单易行，费用低，效率高。 

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。