關(guān)于徑向水平井鉆井技術(shù)的研究

張軍

引言：本文分別從基礎(chǔ)研究、發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)等多方面對(duì)徑向水平鉆井技術(shù)進(jìn)行了研究。在基礎(chǔ)研究方面，主要介紹了鉆桿焊接、選材、試驗(yàn)臺(tái)架、試驗(yàn)型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)等工作；在關(guān)鍵技術(shù)方面，介紹并研究了z5型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)、ydz5型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)、ysz7型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)、新型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)、油藏工程評(píng)價(jià)、射流鉆頭研究、輔助配套技術(shù)。最后提出了徑向水平井鉆井技術(shù)的現(xiàn)存問(wèn)題以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

徑向水平井鉆井技術(shù)適合開(kāi)發(fā)低滲透油田、淺油層、稠油地層和薄油層，能夠橫向鉆開(kāi)垂直油藏裂縫，并減少或避免氣錐和水錐現(xiàn)象的產(chǎn)生。徑向井眼長(zhǎng)度一般為8～46米，由于不同的地質(zhì)情況和開(kāi)發(fā)工藝的不同，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，通常垂直井產(chǎn)能提高為2—10倍，平均原油增產(chǎn)約為2—4倍。

一、徑向水平井鉆井技術(shù)介紹

徑向水平井鉆井技術(shù)是指在油田套管井中利用一套全新的系統(tǒng)設(shè)備和方法進(jìn)行套管段銑或套管開(kāi)窗、大直徑擴(kuò)孔或單雙側(cè)擴(kuò)孔、高壓水力噴射鉆井、特殊測(cè)井、電化學(xué)射孔和切割、水平井眼礫石填充、篩管完井等作業(yè)的技術(shù)總和。

其技術(shù)系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下工具系統(tǒng)兩部分組成。地面設(shè)備包括作業(yè)機(jī)、壓裂成組設(shè)備、井口裝置、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)及地面運(yùn)動(dòng)控制裝置等。井下工具系統(tǒng)有段銑工具、擴(kuò)孔工具、徑向水平井鉆井工具。

徑向水平井鉆井技術(shù)的核心是段銑工具和擴(kuò)孔工具，這兩項(xiàng)工具是整個(gè)作業(yè)工藝中的重要前期準(zhǔn)備工具。徑向水平井鉆井工具包括：轉(zhuǎn)向器、高壓管柱、鉆桿、射流鉆頭、鉆桿運(yùn)動(dòng)控制器等。其中轉(zhuǎn)向器是技術(shù)的關(guān)鍵。

徑向水平鉆井技術(shù)系統(tǒng)工作原理：當(dāng)系統(tǒng)鉆井工具下入井內(nèi)全部就位后，由高壓管柱、井口高壓密封、底部密封、鉆桿等構(gòu)成一個(gè)液缸——柱塞機(jī)構(gòu)。鉆井時(shí)，地面高壓水力泵以9—13l/s的排量提供壓力為55～69mpa的鉆井液，鉆井液經(jīng)井口進(jìn)入高壓管柱內(nèi)，再由位于高壓管柱內(nèi)腔的徑向鉆管上端開(kāi)口進(jìn)入其內(nèi)腔，流向鉆頭，然后由鉆頭以244～277m/s的速度旋轉(zhuǎn)射出，破碎巖石。在這個(gè)過(guò)程中，水力起到兩個(gè)方面的作用：①噴射切割地層；②驅(qū)動(dòng)鉆柱運(yùn)動(dòng)并使之穿過(guò)轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)由垂直向水平方向轉(zhuǎn)向而進(jìn)入地層。

水平徑向鉆井技術(shù)的操作流程：①將段銑套管工具下入井中，完成井下套管擴(kuò)孔段的段銑工作；②取出段銑工具，下入井下擴(kuò)孔器，完成井下擴(kuò)眼工作；③下入轉(zhuǎn)向器、高壓管柱（高壓油管）等外管管柱；④必要時(shí)，預(yù)先將處于伸直狀態(tài)的轉(zhuǎn)向器在井下擴(kuò)孔腔中豎起；⑤給轉(zhuǎn)向器定方位，必要時(shí)進(jìn)行管柱機(jī)械錨定；⑥下入鉆桿、鉆頭、內(nèi)管柱，并接好井口工具及管線。⑦給系統(tǒng)泵入高壓液，進(jìn)行徑向水平鉆進(jìn)，完成一個(gè)或多個(gè)徑向井。⑧起出徑向水平鉆井工具。⑨完井：包括：下割縫襯管、礫石充填等。

二、徑向水平鉆井技術(shù)基礎(chǔ)研究

1.鉆桿選材

由于徑向水平井技術(shù)鉆桿需要經(jīng)過(guò)0.3米的彎曲半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)向，同時(shí)滿足內(nèi)部承受約70mpa高壓，對(duì)鋼管進(jìn)行調(diào)研和試驗(yàn)分析后，優(yōu)選出一種國(guó)產(chǎn)無(wú)縫鋼管作為徑向水平井的鉆桿。經(jīng)過(guò)100mpa水壓試驗(yàn)和55mpa系統(tǒng)壓力實(shí)驗(yàn)下，管體未出現(xiàn)裂紋和滲漏，同時(shí)可反復(fù)通過(guò)轉(zhuǎn)向器7次以上，完全可滿足徑向水平鉆井要求。

2.鉆桿、鉆頭焊接

出廠的無(wú)縫鋼管單根長(zhǎng)度為5-9m，需對(duì)其進(jìn)行加長(zhǎng)以滿足徑向水平井鉆井的需要。采用鎢極氬弧焊（tig）方法，單面焊接雙面成型工藝，采用tig打底、填絲，小線能量多層焊并依次減少熱輸入的焊接工藝，焊縫的綜合機(jī)械性能達(dá)到母材鋼管的性能。可以滿足徑向水平井鉆井打長(zhǎng)距離徑向井的需求。

3.z7型試驗(yàn)型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)研究

在初期的可行性研究過(guò)程中，為了回答鉆桿在給定壓力下，能否在塑變過(guò)程中順利通過(guò)所要求的曲率半徑滑道，實(shí)現(xiàn)鉆桿由垂直方向向水平方向轉(zhuǎn)向的技術(shù)，我們按照7”套管所能提供的井眼空間尺寸研制了z7型試驗(yàn)型轉(zhuǎn)向器。單項(xiàng)試驗(yàn)研究證明：鉆桿在一定壓力作用下可以通過(guò)轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)90°的鉆桿轉(zhuǎn)向，所需動(dòng)力可在系統(tǒng)中得到滿足。

三、關(guān)鍵技術(shù)研究

1.z5型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)研究

徑向水平鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)向器，能夠在系統(tǒng)液動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下使鋼質(zhì)鉆桿由垂直方向向水平方向轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向曲率半徑0.3m，鉆桿通過(guò)它可以作連續(xù)彎曲和伸出運(yùn)動(dòng)。

2.ydz5型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)研究

該轉(zhuǎn)向器是以套管單側(cè)水力開(kāi)窗為特點(diǎn)的。是單向彎曲的，優(yōu)化了轉(zhuǎn)向軌跡，整體結(jié)構(gòu)小巧。與套管圓周整體開(kāi)窗和擴(kuò)孔工藝相比，擴(kuò)孔空間降低約300倍，總施工成本可降低40%-50%。還具有施工周期短、不占用鉆機(jī)、套管破壞小等優(yōu)點(diǎn)，在替代打調(diào)整井和貫通鄰近井眼方面可能會(huì)更省錢。

3.ysz7型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)研究

ysz7型轉(zhuǎn)向器適合于7″套管井中使用，轉(zhuǎn)筒組合為雙向彎曲結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)采用了徑向水平井鉆桿轉(zhuǎn)向技術(shù)多年來(lái)積累的試驗(yàn)成果和ansys有限元力學(xué)分析優(yōu)化計(jì)算結(jié)果以及較先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念。系統(tǒng)總阻力減小，持續(xù)工作性能提高，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械豎起也可液壓豎起，剛度和強(qiáng)度提高2倍以上，適應(yīng)惡劣工況能力強(qiáng)。

4.射流鉆頭研究

徑向水平井需要進(jìn)行高壓水射流鉆井，為滿足其要求，我們進(jìn)行了高壓水射流破巖機(jī)理和射流鉆頭的研究工作。根據(jù)理論計(jì)算和先導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的射流鉆頭，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選出最好結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的鉆頭有以下兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：①鉆頭內(nèi)部呈錐形收縮，能夠加速通過(guò)的射流液；②將導(dǎo)流葉片裝在鉆頭后部，可將鉆桿內(nèi)直線運(yùn)動(dòng)的流體質(zhì)點(diǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)動(dòng)。

5.輔助配套技術(shù)研究

在徑向水平井鉆井綜合配套技術(shù)的研究當(dāng)中，為了配合轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的工作和滿足不同油井施工工藝的需要，還做了大量的輔助配套研究工作，主要包括：

（1）地面試驗(yàn)送進(jìn)控制系統(tǒng)的研制

（2）井下液壓運(yùn)動(dòng)控制器和機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制器的研制

（3）70mpa井口裝置和井口密封的研制

（4）70mpa井底密封的研制

（5）51/2”和7”套管兩種規(guī)格，多種不同類型的錨定器的研制

（6）送進(jìn)光桿和各類附件的研制

（7）壓力、張力等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建設(shè)。

（8）地面高壓過(guò)濾管匯研制

（9）施工工藝技術(shù)研究

四、結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò)多年的研究，目前國(guó)內(nèi)石油行業(yè)已經(jīng)基本形成以套管開(kāi)窗、擴(kuò)槽和套管段銑、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)孔工藝為基礎(chǔ)的兩種徑向水平鉆井系統(tǒng)，開(kāi)拓了高壓磨料水射流和高壓清水射流兩種破巖的工藝方法。在今后徑向水平鉆井技術(shù)發(fā)展方面，應(yīng)從繼續(xù)改進(jìn)和完善現(xiàn)有徑向水平井鉆井技術(shù)，優(yōu)化研究徑向水平井油藏工程技術(shù)，發(fā)展磨料射流和清水超高壓射流破巖技術(shù)等方面努力改進(jìn)，不斷提高鉆井的經(jīng)濟(jì)性。