一种水平井定向喷砂射孔压裂一体化工具管柱及施工方法技术领域
本发明涉及石油天然气开采及装备技术领域的井下工具，尤其涉及一种水平井定
向喷砂射孔压裂一体化工具管柱及施工方法。
背景技术
由于水力喷砂射孔不会污染地层，解决了火药射孔的炮眼压实带问题，可以最大
限度的释放地层能量，因此应用广泛。但现有的水力喷砂射孔无法解决定向射孔的问题，在
具有底水的水平井水力喷砂射孔压裂实施过程中，如果无法解决喷射器的定向问题，就无
法进行压裂施工。
公告号为CN 201420541 Y的实用新型公开了一种水平井定位喷砂射孔器，需要先
通过施工设计确定要射孔的方位，在地面根据要射孔的角度确定喷嘴在本体的开口位置，
通过自身的偏心、旋转结构和自重进行定位，但未涉及整个管串技术；公告号为CN
203050649 U的实用新型专利公开了一种水平井射孔枪的中间接头，说明了一种火药射孔
枪的中间回转接头，并未涉及喷砂射孔技术；公告号为CN 204060649的实用新型公开了一
种外定向射孔用轴承滚珠接头，说明了一种火药射孔的轴承滚珠接头，是将射孔管柱的滑
动摩擦转换为滚动摩擦的技术，并未涉及喷砂射孔和压裂管串，对整个井下工具介绍的不
全面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现喷砂射孔定向，可实现定向喷砂射
孔，将地层能量最大限度的释放出来，并能解决火药射孔的炮眼压实带问题的水平井定向
喷砂射孔压裂一体化工具管柱及施工方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种水平井定向喷砂射孔压裂一体化
工具管柱，包括安全接头、第一扶正器、第一旋转接头、水力喷砂器、第二旋转接头、第二扶
正器、封隔器、接箍定位器和引鞋，安全接头、第一扶正器、第一旋转接头、水力喷砂器、第二
旋转接头、第二扶正器、封隔器、接箍定位器和引鞋均横向且同轴设置在套管内，安全接头
设置在工具管柱的左端，引鞋设置在工具管柱的右端，安全接头的左端与油管相连接，安全
接头的右端与引鞋之间依次设有第一扶正器、第一旋转接头、水力喷砂器、第二旋转接头、
第二扶正器、封隔器和接箍定位器。
进一步：安全接头与第一扶正器之间至少设有一根当工具管柱丢手后便于打捞工
具管柱的油管短节。
进一步：第一扶正器和第二扶正器均至少设有两个扶正条，其外径比套管内径至
少小3mm，比水力喷砂器的回转直径大0.5至1.5mm。
进一步：第一旋转接头从左至右依次包括第一左接头、第一连接件和第一右接头，
第一左接头的左端与第一扶正器的右端相连接，第一左接头的右端与第一连接件的左端转
动连接，第一连接件的右端与第一右接头的左端转动连接，第一右接头的右端与水力喷砂
器转动连接，第一旋转接头内横向设有第一中心轴，第一中心轴贯穿第一连接件，且两端延
伸至第一左接头和第一右接头；第二旋转接头从左至右依次包括第二左接头、第二连接件
和第二右接头，第二左接头的左端与水力喷砂器转动连接，第二左接头的右端与第二连接
件的左端转动连接，第二连接件的右端与第二右接头的左端转动连接，第二右接头的右端
与第二扶正器转动连接，第二旋转接头内横向设有第二中心轴，第二中心轴贯穿第二连接
件，且两端延伸至第二左接头和第二右接头。
进一步：第一中心轴在第一左接头内设有第一轴肩，第一轴肩的左侧设有深沟球
轴承，右侧设有推力滚子轴承；第二中心轴在第二右接头内设有第二轴肩，第二轴肩的左侧
设有推力滚子轴承，右侧设有深沟球轴承。
进一步：水力喷砂器包括第一本体和多个喷嘴，喷嘴设置在第一本体上，且在第一
本体长度方向的两侧对称分布，并与第一本体的内腔相通，喷嘴的轴线与水平面具有一定
夹角，夹角不大于50°，第一本体的下部设有配重块。
进一步：接箍定位器包括第二本体、多个卡块和第一弹簧，卡块设置在第二本体
上，卡块通过第一弹簧紧贴套管内壁。
进一步：封隔器为压缩式封隔器，封隔器包括单流阀、平衡阀、左管柱、锥体、密封
单元、锚定装置、中心管、销钉环、导向销、右管柱和摩擦装置；用于密封水力喷砂器右端管
柱通道的单流阀设置在封隔器的左端；平衡阀设置在单流阀的左边，平衡阀包括外筒和密
封构件，密封构件在轴向载荷作用下可往复运动，当密封构件处于打开位置时，外筒与左管
柱导通，当密封构件处于密封位置时，外筒与左管柱不导通；左管柱、锥体、密封单元、锚定
装置、销钉环、导向销和右管柱按从左至右顺序设置在中心管上，中心管上设有呈圆形孔状
或者长条形槽状的排砂通道，当工具管柱坐封时，密封单元压缩，锥体和锚定装置接触，并
封隔左管柱和右管柱的外部通道，当工具管柱上提时，密封单元收缩，左管柱和右管柱的外
部通道连通；摩擦装置设置在右管柱的右端。
进一步：摩擦装置包括第三本体、多个摩擦块和第二弹簧，摩擦块设置在第三本体
上，并在第二弹簧的作用下紧贴套管内壁。
进一步：一种水平井定向喷砂射孔压裂一体化工具管柱施工方法，采用权利要求1
至9任一项的一种水平井定向喷砂射孔压裂一体化工具管柱，施工方法包括：
S1：通径规通井、刮管器刮套管内壁、洗井，清洁井筒；
S2：地面设备安装；
S3：工具管柱入井，走泵试压合格后将工具下入到目的层深度以下，然后上提油
管，观察接箍定位器经过接箍时产生的信号波动，校准封隔器坐封深度；
S4：上提下放管柱坐封底部封隔器，封隔器坐封时，其右侧管柱的内部通道处于关
闭状态，而封隔器左侧的水力喷砂器，由于重力的偏心作用，使其对准了要改造的层位，封
隔器坐封后打压验封；
S5：验封合格后，通过油管泵入携砂液，对目的层位射孔，射穿套管，射孔时间依据
射孔砂的目数和浓度而定；
S6：射孔完成后，停止加砂，泵入压裂基液，将油管内残留的携砂液替入环空；
S7：分别向环空和油管低排量泵入液体，进行试挤，挤开地层，若试挤失败，通过油
管泵入一定量的酸液，对目的层腐蚀，降低地层破裂压力；
S8：地层挤开后，从环空大排量泵入压裂液，对目的层进行改造；
S9：改造完毕后，上提管柱，封隔器左右管柱连通，压力平衡，封隔器锚定装置脱
锚，封隔器解除封隔；
S10：上提管柱到下一目的层，重复上述步骤S1至S9，完成对一口油气井的多个目
的层的改造。
基于上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、安全接头可以实现管柱遇卡时的丢手，以免造成重大事故，丢手可靠；
2、水力喷砂器两端均设有扶正器，可以使水力喷砂器在套管内居中，水力喷砂器
的底部设置配重块，配重块相对水力喷砂器的轴线产生一定的旋转力矩，在重力作用下，配
重块始终在下部，喷嘴相对于配重块的位置固定，从而达到定向射孔的目的，水力喷砂器通
过喷嘴节流，将油管内的高压射孔液转换成高速射流，将套管射穿；
3、封隔器带有单流阀和平衡阀，单流阀保证了高压射孔液只能从喷嘴喷出，平衡
阀平衡了封隔器的左右压力，封隔器换向结构灵活，上提下放即可实现座封解封，有选择的
对水平井不同层位进行射孔压裂改造，且便于油管的下入，中心管有效解决了施工过程的
砂卡问题；
4、工具管柱结构简单，顺序合理，实用性强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为第一旋转接头的结构示意图；
图3为水力喷砂器的结构示意图；
图4为水力喷砂器截断面剖视图的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、安全接头，2、第一扶正器，3、第一旋转接头，31、第一左接头，32、深沟球轴承，
33、第一中心轴，34、推力滚子轴承，35、第一连接件，36、第一右接头，4、水力喷砂器，41、第
一本体，42、配重块，43、喷嘴，5、第二旋转接头、6、第二扶正器，7、封隔器，8、接箍定位器，9、
引鞋，10、油管，11、油管短节。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并
非用于限定本发明的范围。
如图1、图2、图3和图4所示，一种水平井定向喷砂射孔压裂一体化工具管柱，包括
安全接头1、第一扶正器2、第一旋转接头3、水力喷砂器4、第二旋转接头5、第二扶正器6、封
隔器7、接箍定位器8和引鞋9，安全接头1、第一扶正器2、第一旋转接头3、水力喷砂器4、第二
旋转接头5、第二扶正器6、封隔器7、接箍定位器8和引鞋9均横向且同轴设置在套管内，安全
接头1设置在工具管柱的左端，引鞋9设置在工具管柱的右端，安全接头1的左端与油管10相
连接，安全接头1的右端与引鞋9之间依次设有第一扶正器2、第一旋转接头3、水力喷砂器4、
第二旋转接头5、第二扶正器6、封隔器7和接箍定位器8。
进一步：安全接头1与第一扶正器2之间至少设有一根当工具管柱丢手后便于打捞
工具管柱的油管短节11，安全接头1设有液压丢手，安全接头包括第一接头、第二接头和弹
性爪，第一接头与油管10相连接，第二接头与油管短节11相连接，弹性爪设置在第一接头
上，第一接头和第二接头通过弹性爪相连接，第一接头右端还设有活塞，活塞左端设有剪切
销钉，需要丢手时，通过地面投球，球将剪切销钉打压断，推动活塞下行，使得第二接头脱离
弹性爪，上提油管10，第二接头与第一接头分离，实现丢手，丢手后，活塞和球随着第一接头
一起出井，第一接头上有泄流孔，丢手后起油管10过程中，油管10内的液体由泄流孔流出，
防止井口拆卸油管10时液体喷出；安全接头1可以实现管柱遇卡时的丢手，以免造成重大事
故，丢手可靠.
第一扶正器2和第二扶正器6均至少设有两个扶正条，其外径比套管内径至少小
3mm，比水力喷砂器4的回转直径大0.5至1.5mm，水力喷砂器4两端的扶正器，可以使水力喷
砂器在套管内居中，保证了喷枪靠自重偏心旋转时，偏心配重块不部分不会摩擦到套管壁。
第一旋转接头3从左至右依次包括第一左接头31、第一连接件35和第一右接头36，
第一左接头31的左端与第一扶正器2的右端相连接，第一左接头31的右端与第一连接件35
的左端转动连接，第一连接件35的右端与第一右接头36的左端转动连接，第一右接头36的
右端与水力喷砂器4转动连接，第一旋转接头3内横向设有第一中心轴33，第一中心轴33贯
穿第一连接件35，且两端延伸至第一左接头31和第一右接头36；第二旋转接头从左至右依
次包括第二左接头、第二连接件和第二右接头，第二左接头的左端与水力喷砂器4转动连
接，第二左接头的右端与第二连接件的左端转动连接，第二连接件的右端与第二右接头的
左端转动连接，第二右接头的右端与第二扶正器6转动连接，第二旋转接头内横向设有第二
中心轴，第二中心轴贯穿第二连接件，且两端延伸至第二左接头和第二右接头。
第一中心轴33在第一左接头31内设有第一轴肩，第一轴肩的左侧设有深沟球轴承
32，右侧设有推力滚子轴承34；第二中心轴在第二右接头内设有第二轴肩，第二轴肩的左侧
设有推力滚子轴承34，右侧设有深沟球轴承32。
水力喷砂器4包括第一本体41和多个喷嘴43，喷嘴43设置在第一本体41上，且在第
一本体41长度方向的两侧对称分布，并与第一本体41的内腔相通，喷嘴43的轴线与水平面
具有一定夹角，夹角不大于50°，喷嘴43至少设有两个，第一本体41的下部设有配重块42；水
力喷砂器4借助于两端的旋转接头，可以自由转动，第一本体41的下部带有配重块42，在自
由状态下，水力喷砂器4借助自身的重力和相对于轴线的偏心，在水平段始终保持配重在第
一本体的下部，喷嘴43相对于配重块42的位置固定，从而达到定向射孔的目的，水力喷砂器
4通过喷嘴43节流，将油管内的高压射孔液转换成高速射流，将套管射穿。
接箍定位器8包括第二本体、多个卡块和第一弹簧，卡块设置在第二本体上，卡块
通过第一弹簧紧贴套管内壁；卡块能紧贴套管内壁，从而能提供摩擦力，辅助封隔器的锚定
装置锚定；卡块最高处在长度上不超过接箍处油管端面的距离，当卡块最高处运动到套管
接箍时，卡块需要经过一定的轴向力，才能脱离套管接箍位置，卡块脱离接箍时，地面监测
有明显的信号。
进一步：封隔器7为压缩式封隔器，封隔器7包括单流阀、平衡阀、左管柱、锥体、密
封单元、锚定装置、中心管、销钉环、导向销、右管柱和摩擦装置；用于密封水力喷砂器4右端
管柱通道的单流阀设置在封隔器7的左端；平衡阀设置在单流阀的左边，平衡阀包括外筒和
密封构件，密封构件在轴向载荷作用下可往复运动，当密封构件处于打开位置时，外筒与左
管柱导通，当密封构件处于密封位置时，外筒与左管柱不导通；左管柱、锥体、密封单元、锚
定装置、销钉环、导向销和右管柱按从左至右的顺序设置在中心管上，中心管上设有呈圆形
孔状或者长条形槽状的排砂通道，当工具管柱坐封时，密封单元压缩，锥体和锚定装置接
触，并封隔左管柱和右管柱的外部通道，当工具管柱上提时，密封单元收缩，左管柱和右管
柱的外部通道连通；摩擦装置设置在右管柱的右端。
摩擦装置包括第三本体、多个摩擦块和第二弹簧，摩擦块设置在第三本体上，并在
第二弹簧的作用下紧贴套管内壁。
密封构件的打开和关闭，通过油管10的上提和下压来实现，密封构件可往复多次
压缩，通过机械力下压管柱，摩擦块在弹簧片的作用下紧贴套管，摩擦块提供的摩擦力足以
支撑锚瓦不下滑，继续下压管柱可使锥体与锚定装置接触，继续加大下压力可使密封单元
压缩，封隔左右管柱外部通道；而上提管柱可使密封件收缩，锚定装置脱锚；密封件收缩，联
通左右管柱外部通道，通过施加轴向载荷，安装在销钉环上的导向销可在长短轨道槽之间
切换，长短轨道槽内揩油孔或槽，可使沉砂排放到中心管的内腔或管柱外面，中心管的短轨
道槽的上止点至轨道槽的下止点距离不小于吊卡高度。
一种水平井定向喷砂射孔压裂一体化工具管柱施工方法，采用权利要求1至9任一
项的一种水平井定向喷砂射孔压裂一体化工具管柱，施工方法包括：
S1：通径规通井、刮管器刮套管内壁、洗井，清洁井筒；
S2：地面设备安装；
S3：工具管柱入井，走泵试压合格后将工具下入到目的层深度以下，然后上提油管
10，观察接箍定位器8经过接箍时产生的信号波动，校准封隔器7坐封深度；
S4：上提下放管柱坐封底部封隔器7，封隔器7坐封时，其右侧管柱的内部通道处于
关闭状态，而封隔器7左侧的水力喷砂器4，由于重力的偏心作用，使其对准了要改造的层
位，封隔器7坐封后打压验封；
S5：验封合格后，通过油管10泵入携砂液，对目的层位射孔，射穿套管，射孔时间依
据射孔砂的目数和浓度而定；
S6：射孔完成后，停止加砂，泵入压裂基液，将油管10内残留的携砂液替入环空；
S7：分别向环空和油管10低排量泵入液体，进行试挤，挤开地层，若试挤失败，通过
油管10泵入一定量的酸液，对目的层腐蚀，降低地层破裂压力；
S8：地层挤开后，从环空大排量泵入压裂液，对目的层进行改造；
S9：改造完毕后，上提管柱封隔器7左右管柱连通，压力平衡，封隔器7锚定装置脱
锚，封隔器7解除封隔；
S10：上提管柱到下一目的层，重复上述步骤S1至S9，完成对一口油气井的多个目
的层的改造。
安全接头1设置在工具管柱的最上端，连接油管10和左侧管柱，安全接头1在管柱
遇卡时，可以通过投球丢手，起出上部油管10，避免出现更大的事故，安全接头1右端接一根
油管短节11，便于丢手后的打捞工作；第一扶正器2位于安全接头1的右端，可有效使管柱剧
中，第一旋转接头3位于第一扶正器2的右端，水力喷砂器4左右两端分别连接第一旋转接头
3和第二旋装接头5，便于水力喷砂器4在偏心配重的作用下自由旋转；封隔器7设置在第二
扶正器6的右端，封隔器7自带的单流阀在射孔时起到封堵油管10内的压力，平衡阀在射孔
时封隔封隔器7左右管柱的通道，上提油管10解封封隔器7时，联通封隔器7左右管柱通道，
平衡封隔器7密封件左右压力；接箍定位器8设置在封隔器7的右端，当通过套管接箍定位器
时，油管10增加的负荷信号来准确判断射孔层端位置深度；引鞋9设置在管柱的最右端，引
导管柱入井。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则
之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。