徑向水平井技術(shù)進(jìn)展

CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM2013-2014學(xué)年第二學(xué)期《石油天然氣機(jī)械工程前言》結(jié)業(yè)論文徑向水平井技術(shù)進(jìn)展院系：機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院專業(yè)：姓名：學(xué)號：完成日期：2014年4月20日徑向水平井技術(shù)進(jìn)展XXX（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院北京102249）摘要：長期以來，國內(nèi)大部分油田采用的都是直井鉆采工藝，而國外一些發(fā)達(dá)國家采用的水平井鉆井技術(shù)不論是在工藝還是在作業(yè)效率上都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于直井工藝。為了進(jìn)一步提高國內(nèi)油田的鉆采作業(yè)效率和油氣產(chǎn)量，應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)用水平井鉆井技術(shù)。基于此點(diǎn)，本文首先分析了水平井鉆井技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上對徑向水平井鉆井技術(shù)展開深入探討。關(guān)鍵詞：水平井徑向技術(shù)發(fā)展ProgressinRadialhorizontalwells(ChineseUniversityofPetroleum,Beijing102249)Abstract：Foralongtime,mostofthedomesticoildrillingverticalwellsareusedintheprocess,andhorizontaldrillingtechnologyusedinsomeforeigncountries,whetherintechnologyorintheoperatingefficiencyoftheprocesstobefarbetterthanverticalwells.Tofurtherimprovetheefficiencyofdrillingoperationsanddomesticoilandgasproduction,andshouldbeactivelyappliedhorizontaldrillingtechnology.Basedonthispoint,thispaperanalyzestheapplicationstatusofhorizontalwelldrillingtechnology,andonthisbasis,theradialhorizontaldrillingtechnologyin-depthdiscussion.Keywords：HorizontalwellsRadialdirectionTechnologyDeveloping0刖言徑向水平井，全稱為超短半徑徑向水平井，也稱為超短半徑水平井（如圖1）。它是利用高壓水噴射破巖，在一口井的同一油層或不同油層內(nèi)沿徑向鉆出一個水平井眼（曲率半徑僅為（6>D），以增加油層的泄油面積來提高油井采收率。圖1超短半徑徑向水平井鉆井系統(tǒng)隨著我國東部油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，老井、枯竭井的數(shù)量不斷增加，新探明儲量嚴(yán)重不足，未動用儲量大多數(shù)屬于低滲透、稠油、薄油層以及裂縫性油氣藏。老油田的開發(fā)還面臨著注水壓力高、邊緣井采收率低等難題。徑向水平鉆孔技術(shù)已在開采復(fù)雜油氣藏中顯示了諸多優(yōu)勢逐步成為老油田挖潛、穩(wěn)產(chǎn)的有效手段，同時也為煤層氣單井產(chǎn)量的增加提供發(fā)展方向。1徑向水平井概述1.1水平井應(yīng)用現(xiàn)狀分析目前，水平井?dāng)?shù)量的不斷增長與石油鉆采行業(yè)對鉆井技術(shù)的“兩低一高”要求有著密不可分的關(guān)系。在短短的幾年里，全世界的水平井完井總數(shù)呈幾何數(shù)增長，多分布在美國和加拿大這兩個國家，我國也逐漸開始重視水平井鉆井技術(shù)，并在多個油田中獲得了非常迅速的發(fā)展，應(yīng)用的油藏類型主要包括低壓低滲透砂巖油藏、火山噴發(fā)巖油藏、稠油油藏等等。從經(jīng)濟(jì)性的角度上講，邊際油藏開發(fā)的低成本、高效率是推動水平井鉆井技術(shù)快速發(fā)展的主要動力之一?，F(xiàn)如今，在我國有很大一部分油田的水平井和定向井的年增長數(shù)量都超過直井?dāng)?shù)量，如勝利油田等等，隨著水平井?dāng)?shù)量的不斷增多，使石油鉆采的成本大幅降低，究其根本原因是水平井的產(chǎn)量來遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直井產(chǎn)量，單井產(chǎn)量的提升實(shí)質(zhì)上就是單井成本的降低，這也是水平井在國內(nèi)各大油田獲得廣泛應(yīng)用的根本原因之一，相應(yīng)的水平井鉆井技術(shù)也獲得了進(jìn)一步發(fā)展和完善。與此同時，與該技術(shù)相配套的工藝也獲得了顯著提高，由原本單一的隨鉆測量發(fā)展為隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向儀，這為水平井的鉆井施工提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。就國外一些發(fā)達(dá)國家而言，他們的水平井鉆井總費(fèi)用已經(jīng)降至直井費(fèi)用的1.5倍左右，有些水平井甚至僅為直井費(fèi)用的1.2倍，同時水平井的產(chǎn)量相當(dāng)于直井產(chǎn)量的4-8倍，由此可見推廣應(yīng)用水平井對于提高油田的經(jīng)濟(jì)效益意義重大。受各方面技術(shù)成熟和鉆井?dāng)?shù)量增加的影響，國內(nèi)水平井的鉆井和完井成本呈現(xiàn)出直線下降趨勢，水平井鉆井技術(shù)也逐步成為提高油田采收效率的有效途徑。1.2徑向水平井工作原理徑向水平井是近幾年蓬勃發(fā)展的一種新興鉆井技術(shù)，它是指井眼曲率半徑比常規(guī)短半徑水平井更短的一種井型，是常規(guī)水平井鉆井技術(shù)繼續(xù)深人發(fā)展的產(chǎn)物其工作流程主要包括套管開窗和地層鉆進(jìn)兩個過程［5］。其原理是先用開窗鉆頭在油層部位的套管上磨銑開孔（圖2），然后使用軟管傳遞扭矩和鉆壓，借助高壓射流的水力噴射［1,2］作用和小型鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎作用破碎地層，在油層中的不同方向上鉆出多個井眼，如圖3所示。圖3地層鉆進(jìn)1.3徑向水平井地層鉆進(jìn)原理徑向水平井地層鉆進(jìn)工具主要組成部分有噴射鉆頭、軟管、馬達(dá)、下行桿、進(jìn)液裝置、導(dǎo)向器和各種變扣接頭等零部件。關(guān)鍵零部件的功能如下：⑴噴射鉆頭起噴射和旋轉(zhuǎn)破碎地層的作用；軟管起給鉆頭傳遞扭矩和傳輸高壓流體的作用；馬達(dá)依靠高壓流體的壓力旋轉(zhuǎn),是噴射鉆頭旋轉(zhuǎn)的主要動力來源；下行桿受高壓流體的驅(qū)動，在液體壓力差的作用下往下行走(如圖4中所示位置為下行極限位置)，其下行力是鉆壓的主要組成部分；徑向水平井鉆地層的主要工藝流程為：高壓流體經(jīng)過濾器后由進(jìn)液口進(jìn)人鉆地層工具串內(nèi)腔,當(dāng)液體壓力達(dá)到工作壓力后，下行桿在液體壓力差的作用開始往下行走，同時馬達(dá)開始旋轉(zhuǎn)，噴射鉆頭在下行桿提供的下行力下有了鉆壓并且得到來自馬達(dá)的扭矩開始旋轉(zhuǎn)，地層在高壓水射流的噴射作用和鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎的雙重作用下破碎，破碎的地層巖削在水射流作用下被循環(huán)帶走，從而達(dá)到地層鉆進(jìn)目的。圖4地層鉆進(jìn)工具示意圖圖5旋轉(zhuǎn)水射流鉆頭示意圖1.噴嘴2.導(dǎo)流元件2徑向水平井鉆井技術(shù)關(guān)鍵徑向水平鉆進(jìn)就是利用高壓水射流破巖，在生產(chǎn)層內(nèi)由垂直井眼沿徑向鉆出一口或多口水平分支井眼的鉆井新技術(shù)。其工作原理是通過液壓送進(jìn)柔性鉆具、水射流鉆頭非旋轉(zhuǎn)前進(jìn)實(shí)現(xiàn)破巖鉆孔。徑向水平鉆進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有三個：一是鉆孔直徑，即水平井眼的大??；二是水平鉆進(jìn)所能達(dá)到的深度，即最大水平位移；三是鉆進(jìn)速度。其中，鉆孔直徑和鉆速由水射流鉆頭的破巖能力所決定；水平井眼的最大位移與轉(zhuǎn)向器的液壓送進(jìn)能力密切相關(guān)。因此，水射流鉆頭和轉(zhuǎn)向器性能是水平鉆進(jìn)的技術(shù)關(guān)鍵1］。2.1旋轉(zhuǎn)水射流鉆頭［2］石油大學(xué)(華東)射流研究室通過室內(nèi)試驗(yàn)研制了鉆孔能力強(qiáng)、能量傳遞效率高的旋轉(zhuǎn)水射流鉆頭(見圖5)。該鉆頭有如下優(yōu)點(diǎn):(1)通過內(nèi)設(shè)導(dǎo)流元件產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)水射流，使其具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力可以鉆出直徑比鉆頭大若干倍的井眼;(2)由于內(nèi)設(shè)導(dǎo)流元件，客觀上增加了產(chǎn)生空化射流的幾率，相應(yīng)增加了射流破巖能力;(3)旋轉(zhuǎn)射流破巖時,流體質(zhì)點(diǎn)與被沖擊巖石成銳角方向，增加了巖石表面產(chǎn)生剪切和拉伸裂紋的幾率；(4)沖擊孔底巖石后的流體沿井壁回流，減少了流體在井底的無序滯流，避免了與來流相碰,與普通直射流相比相應(yīng)提高了射流的能量傳遞效率。2.2轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)徑向水平井轉(zhuǎn)向器與鉆常規(guī)中、短半徑水平井使用的斜向器不同。它除了具有錨定、回收功能之外最主要的特點(diǎn)有:(1)使柔性鉆具在轉(zhuǎn)向器內(nèi)部完成由垂直到水平方向的轉(zhuǎn)向，曲率半徑約為0.3m;(2)上接油管形成高壓腔室，實(shí)現(xiàn)對柔性鉆具的液壓送進(jìn),以便鉆出連續(xù)的水平井眼。在鉆進(jìn)過程中，轉(zhuǎn)向器對鉆具的最小推進(jìn)力：F=103P(*—S2)-f1-f2-匕式中F——鉆進(jìn)所需的最小液壓推進(jìn)力MN;P——高壓腔室內(nèi)靜壓,MPa;S1,S2 轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)常數(shù)，本轉(zhuǎn)向器取§=0.08m2 S2=0.02m2fl——鉆具前進(jìn)所承受轉(zhuǎn)向器的阻力,kN;f2——鉆具前進(jìn)所承受水平井眼的阻力,kN;f3——水射流對鉆具施加的反作用力(在排量、壓力變化不大時可視為定值),kN。徑向鉆進(jìn)的能力由F值而定。F值越大，水平位移就越長。由式(1)可知，正常鉆進(jìn)時,P、fl和f3可視為常量;f2則與水平位移以及鉆孔直徑等因素有關(guān)，鉆孔直徑大，井眼軌跡平滑,f2就小。但隨水平位移增加f2必然增加，最終使F接近于零。但在相同條件下,fl值越小，相應(yīng)的送進(jìn)力F就越大。因此fl即是恒量轉(zhuǎn)向器推進(jìn)能力的重要參數(shù)。2.3鉆桿與焊接鉆桿的選材徑向水平井鉆井用鉆桿與普通鉆桿的選材不同，必須經(jīng)過0.3m的彎曲半徑轉(zhuǎn)向，以及擁有承受70MPa高壓的能力，這就使得徑向水平井鉆井鉆桿的選材具備一定特殊性。在調(diào)研和試驗(yàn)國產(chǎn)不同鋼管的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為可將32X3mm無縫鋼管作為徑向水平井鉆井鉆桿，該無縫鋼管可通過100MPa水壓試驗(yàn)和在55MPa系統(tǒng)壓力下7次以上轉(zhuǎn)向器試驗(yàn)，完全符合徑向水平井鉆井的要求。鉆桿、鉆頭焊接通常情況下，徑向水平井鉆井需要用20-30m的鉆桿，但是國產(chǎn)無縫鋼管單根長度卻為5-9m，所以必須對鉆桿選材進(jìn)行焊接，建議采取鎢極氬弧焊方法，單面焊接雙面成型工藝，以及鎢極氬弧焊打底、填絲，小線能量多層焊并逐步降低熱輸入的焊接工藝，以此確保無縫鋼管焊接滿足鉆桿要求。2.4徑向水平鉆井試驗(yàn)臺徑向水平鉆井試驗(yàn)臺共分為室內(nèi)和室外兩個部分，下面分別進(jìn)行介紹。室內(nèi)試驗(yàn)臺。為了進(jìn)一步驗(yàn)證鉆桿敢接、鉆桿轉(zhuǎn)向以及運(yùn)動控制等技術(shù)的可行性，在初始階段需要先研制室內(nèi)試驗(yàn)臺，其具體包括以下幾個部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基礎(chǔ)底座、扶正機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器架、柱塞泵以及液壓缸總成等。室外試驗(yàn)臺。為滿足全尺寸條件下1:1流體運(yùn)動以及相似性的試驗(yàn)要求，并真實(shí)反映出徑向水平鉆井工具的實(shí)際試驗(yàn)情況，需要研制室外綜合模擬試驗(yàn)臺，它能夠全尺寸模擬出徑向水平井鉆井系統(tǒng)地面以及井下各部件的連續(xù)工作狀況，并自行采取相關(guān)數(shù)據(jù)，同時還能對各個部件的具體工作情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。2.5套管開窗徑向水平鉆孔技術(shù)在套管鍛銑和大直徑擴(kuò)孔的基礎(chǔ)上，逐漸出現(xiàn)了套管開窗徑向水平鉆孔技術(shù)。根據(jù)開窗所需的能量可以分為2大類，即，水力套管開窗和機(jī)械式套管開窗。其中，水力套管開窗主要采用磨料射流切割套管和旋轉(zhuǎn)磨料射流鉆孔2種方式；機(jī)械式套管開窗主要采用合金鉆頭在套管壁上旋轉(zhuǎn)鉆孔。該工藝技術(shù)徹底摒棄了套管的鍛銑和大直徑的擴(kuò)孔，鉆孔效率得到大幅提高。2.5.1磨料射流切割套管開窗為了避免傳統(tǒng)徑向水平鉆孔技術(shù)的復(fù)雜工藝，張鳳民等人于2001年研發(fā)了一種單側(cè)水力切割套管開窗技術(shù)。該技術(shù)是利用磨料射流對套管進(jìn)行切割，形成1個單側(cè)槽孔；接著下入轉(zhuǎn)向器引導(dǎo)柔性鉆管進(jìn)行水平鉆進(jìn)!基本原理如圖6所示。該技術(shù)的主要不足是不能滿足雙向彎曲轉(zhuǎn)向器的工作需要，并且1次開窗只能完成1個徑向水平井眼的鉆進(jìn)。

1-套管；1-套管；2-轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)；3-柔性鉆管；4-射流鉆頭圖6水力開窗徑向水平技術(shù)原理2.5.2機(jī)械式套管開窗在美國，RDS、WES、TritonAmericanEnergy、BuckmanJetDrilling等公司研發(fā)出了機(jī)械式套管開窗徑向水平鉆孔技術(shù)，如圖7所示。其基本原理為利用井下馬達(dá)驅(qū)動合金鉆頭在套管處開小窗，起出開窗管柱及井下工具。然后下入帶有射流鉆頭的高壓軟管或連續(xù)油管進(jìn)行噴射鉆進(jìn)，水平段長度可達(dá)91-106m（300-350ft）。其最主要的優(yōu)勢為不需要鍛銑和大直徑的擴(kuò)孔作業(yè)，周期短，平均每施工1口井鉆4-6個孔僅需3d，鉆井成本降低約2/3。國內(nèi)天津波特耐爾石油工程有限公司前不久利用該技術(shù)在東北地區(qū)完成了8個分支的煤層徑向水力噴射鉆井施工，每個分支均可達(dá)150-200m[4。但是，由于井下空間有限，鉆孔開窗過程對小螺桿馬達(dá)的扭矩要求很高。目前，國內(nèi)的研究人員利用旋轉(zhuǎn)射流切削性能高和鉆孔面積大的特點(diǎn)，用旋轉(zhuǎn)射流噴嘴代替合金鉆頭對套管進(jìn)行開窗，完全利用水力能量在套管壁上進(jìn)行鉆孔，但該技術(shù)目前只是處于試驗(yàn)階段。圖7圖7機(jī)械式開窗徑向水平井技術(shù)原理2.5完井技術(shù)徑向水平井常用的完井技術(shù)主要有以下幾種：（1） 尾管完井。具體的技術(shù)要求如下：尾管的最大外直徑應(yīng)當(dāng)小于套管內(nèi)直徑8-10mm左右，同時還應(yīng)符合生產(chǎn)要求；應(yīng)當(dāng)對尾管串進(jìn)行彎曲穩(wěn)定性計(jì)算；尾管的喇叭口位置處應(yīng)當(dāng)超出窗口至少30-50mm。（2） 篩管完井。具體的技術(shù)要求如下：因篩管完井基本不用于砂井當(dāng)中，故此可以采用圓形篩眼的篩管，或是割縫篩管；管外的封隔器應(yīng)當(dāng)置于井徑規(guī)則或是相對比較堅(jiān)硬的井段上；當(dāng)水泥注入完畢后，應(yīng)當(dāng)采用小型鉆頭通井直至井底位置，并進(jìn)行洗井清潔處理。3結(jié)論及展望徑向水平鉆孔技術(shù)在提高原油采收率和煤層氣單井產(chǎn)量方面具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益。綜述國內(nèi)外徑向水平鉆孔技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及最新進(jìn)展，分析開窗徑向水平鉆孔工具的特點(diǎn)和原理，包括不擴(kuò)孔轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及微型、高效水力破巖鉆頭。從而指出徑向水平鉆孔技術(shù)的發(fā)展趨勢，國內(nèi)的徑向水平鉆孔裝備技術(shù)仍需改進(jìn)。在國外，套管開窗徑向水平鉆孔技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，為提高原油采收率及煤層氣單井產(chǎn)量發(fā)揮著重要的作用。國內(nèi)在開窗徑向水平鉆孔技術(shù)方面的研究尚處于初級階段，主要是工具性能存在較大的差距。工藝原理比較單一，仍需要不斷的創(chuàng)新和改進(jìn)。因此，國內(nèi)的開窗徑向水平鉆孔技術(shù)需要從套管內(nèi)轉(zhuǎn)向設(shè)備、高效水力破巖鉆頭以及配套的高壓鉆管等方面進(jìn)行較深入的研究。相對于傳統(tǒng)的提高油氣井和煤層氣產(chǎn)量的技術(shù)手段，徑向水平鉆孔技術(shù)具有無可比擬的成本優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢，不僅可以在保護(hù)油氣層的同時對近井地帶進(jìn)行解堵!而且還能有效解決剩余油氣及煤層氣資源開發(fā)難題，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)梁壯，葛勇，李潔，石兆彬.水力噴射徑向水平井技術(shù)在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2011(3).LIANGZhuang,GEYong,SHIZhaobin.Applicationinwaterjetradiushorizontalwelltechnologyincoal-bedmethanedevelopment[J].LiaoningTechnicalUniversity(NaturalScienceEdition)2011(3).董國昌.吉林油田深層致密氣藏小井眼水平井鉆完井技術(shù)[A].創(chuàng)新驅(qū)動，加快戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展一一吉林省第七屆科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)年會[C].2012(0).DONGGuochang.JilinOilfieldslimholetightgasreservoirsdeephorizontalwelldrillingandcompletiontechniques[A]driveinnovationandacceleratethedevelopmentofstrategicemergingindustries-JilinScienceandTechnologySeventhAnnualConference[C].2012(0).岳前升，劉書杰,向興金.適于疏松砂巖稠油油藏儲集層保護(hù)的水平井鉆井液[J].石油勘探與開發(fā).2010(2).YUEQiansheng,LIUShujie,XIANGXingjin.Forunconsolidatedsandstoneheavyoilreservoirreservoirprotectiondrillinghorizontalwells[J].PetroleumExplorationandDevelopment.2010(2).易松林，李雪輝，賀會群等.徑向水平井鉆井技術(shù)研究[C]//集團(tuán)公司鉆井技術(shù)交流會.2005:486-487.YISongling，LIXuehui,HEHuiqun.Radialhorizontaldrillingtechnologyresearch[C]//groupcompaniesdrillingtechnologyexchange.2005:486-487.榮海波，賀昌華,張建軍.新疆南部地區(qū)深側(cè)鉆短半徑水平井鉆井技術(shù)[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)),2009(6).RONGHaibo,HEChanghua,ZHANGJianjun.DarksideofthesouthernXinjiangregiondrillshortradiushorizontalwelldrillingtechnology[J].OilandGasTechnology(JianghanPetroleumInstitute),2009(6).ShenZH,WangRH.ADesignandExperimentalStudyofSpirallingWaterJet.The3rdPacificRimIntern.Conf.onWaterJetTech.,1992:79~91DickinsonW,WillcesR