径向水平钻井研究(集团公司2005年9月钻井会议论文)11

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径向钻井原理和特点推荐度：
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径向水平井钻井技术研究*

易松林李雪辉贺会群刘寿军

（中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所）

摘要：从发展现状、基础研究、关键技术、研究试验几个方面介绍了径向水平钻井技术的研究状况。在基础研究方面，介绍了钻杆选材、焊接、试验台架、试验型转向器系统等研究工作；在关键技术研究方面，侧重介绍了Z5型转向器系统、YDZ5型转向器系统、YSZ7型转向器系统、新型转向器系统、油藏工程评价、射流钻头研究、辅助配套技术。以YSZ7型转向器系统为例简单地介绍了地面综合模拟试验和现场试验，并对试验过程和结果进行了分析。指出了径向水平井钻井技术的发展趋势。提出了从井下工具技术改进、作业机和压裂车三个方面解决目前施工成本居高不下的问题。

主题词径向水平井钻井转向器钻杆射流

第一部分概述

径向水平井钻井技术是指主要在油田套管井中利用一套全新的系统设备和方法进行套管段铣（或套管开窗）、大直径扩孔（或单双侧扩孔）、高压水力喷射钻井、特殊测井、电化学射孔和切割、水平井眼砾石填充、筛管完井等作业的技术总和。

径向水平钻井技术系统组成：包括地面设备和井下工具系统两部分，如图1。地面设备主要由作业机、压裂成组设备、井口装置、数据采集和处理系统及地面运动控制装置等组成。井下工具系统包括段铣工具、扩孔工具、径向水平井钻井工具。段铣工具和扩孔工具是整个作业工艺中的重要前期准备工具。径向水平井钻井工具则是整个技术的核心，包括：转向器、高压管柱、钻杆、射流钻头、钻杆运动控制器等。其中转向器是技术的关键。

径向水平钻井技术系统工作原理：如图1所示，当系统钻井工具下入井内全部就位后，由高压管柱、井口高压密封、底部密封、钻杆等构成一个液缸——柱塞机构。钻井时，地面高压水力泵以9—13l/s的排量提供压力为55～69MPa的钻井液，钻井液经井口进入高压管柱内，再由位于高压管柱内腔的径向钻管上端开口进入其内腔，流向钻头，然后由钻头以244～277m/s的速度旋转射出，破碎岩石。在这个过程中，水力起到两个方面的作用： ①喷射切割地层；②驱动钻柱运动并使之穿过转向器实现由垂直向水平方向转向而进入地层。

水平径向钻井技术的基本操作过程：如图1所示，①将段铣套管工具下入井中，完成井下套管扩孔段的段铣工作；②取出段铣工具，下入井下扩孔器，完成井下扩眼工作；③下入转向器、高压* 本项研究为中国石油天然气集团公司“九五”和“十五”重点科技攻关项目，项目编号：970507

管柱(高压油管)等外管管柱；④必要时，预先将处于伸直状态的转向器在井下扩孔腔中竖起；⑤给转向器定方位，必要时进行管柱机械锚定；⑥下入钻杆、钻头、内管柱，并接好井口工具及管线。⑦给系统泵入高压液，进行径向水平钻进，完成一个或多个径向井。⑧起出径向水平钻井工具。⑨完井：包括：下割缝衬管、砾石充填等。

径向水平钻井技术主要特点：①钻杆以极短的弯曲半径(约0.3米)通过转向器(Whipstock)实现从垂直方向到水平方向转向；②钻进为完全的高压水射流破岩和液压推动技术。③径向水平井从已下入套管的垂直井眼中钻入，并可在井下一个层位和多个层位布置多个辐射状的径向水平井眼，如图2；中靶准确；④钻管为高强度、高韧性的电阻焊接管或无缝钢管，并在弹塑性状态下工作；⑤具有比较特殊的测井和完井技术，如图3。

水平径向井可以在以下几个方面得到应用：①高效开发低渗透油藏、浅油层和薄油层；②横向钻开垂直油藏裂缝；③替代打调整井、加密井；④开采压力衰竭油藏；⑤与热采技术结合，开采稠油地层；⑥减少或避免气锥和水锥现象的产生；⑦用于其它矿藏(如煤田瓦斯气的排出、盐矿、碱矿)的开发［1］。

在国外，径向水平井钻井技术始于七十年代末，八十年代中期投入工业试验，八十年代末期形成“超短半径径向井系统”(URRS)，进入商业应用。进行这项研究工作的有美国Petrophysics有限公司和Bectwel投资公司等。目前已完钻了几千口径向井眼，这些径向水平井有的是在垂直井的同一油层中钻入的，有的是在不同油层中钻入的，单个垂直井中所钻层位最多达五个，每个层位钻入的辐射状径向水平井最多达20个，实现了在多个层次钻多个辐射状径向井的技术。对于这些径向井眼，大部分进行了测井和包括裸眼技术、柔性防砂管技术（径向井眼的衬管）及双向砾石充填技术完井。径向井眼的长度一般在8～46米，依地质情况的不同和所结合的其它工艺(如注蒸气)的不同，垂直井产能提高为2—10倍，平均原油增产约为2—4倍［2］。目前，国外从事该技术研究或拥有该项技术的国家有美国、加拿大、澳大利亚、克罗地亚、英国等。

在我国，径向水平井钻井技术是油井增产的一项强有力措施，特别适合于于低渗透油田的开发，对钻井也有着重要意义。从90年代初开始，中国石油天然气集团公司科技发展部组织了各方面的科研力量，进行了“径向水平井钻井综合配套技术”攻关研究。

第二部分径向水平钻井技术基础研究

1. 钻杆的选材

由于进口受到一定条件限制，针对径向水平井技术钻杆需要经过0.3米的弯曲半径进行转向和内部需承受约70MPa高压的特点，我们对国产钢管进行了广泛的调研和试验分析，优选出一种国产无缝钢管作为径向水平井的钻杆。优选的国产钻杆采用了7种检验方法对其进行检验，其中，100MPa水压试验，管体未出现裂纹和渗漏，在55MPa系统压力下，可反复通过转向器7次以上，完全能够满足径向水平钻井要求。

2. 钻杆、钻头焊接

由于出厂的无缝钢管单根长度为5-9m，为了使它适合径向水平井钻井的需要，必须将其加长。

课题研究初期，江汉机械研究所与有关石油学院开展了钻杆的对焊接技术研究，焊接采用了钨极氩弧焊（TIG）方法，单面焊接双面成型工艺，采用TIG打底、填丝，小线能量多层焊并依次减少热输入的焊接工艺。完成的管对管焊接试件，取得最佳的性能测试结果，内通径≥95%，焊接接头弯曲成0.3m半径，抗内压大于90MPa，焊缝的综合机械性能达到母材钢管的性能。焊缝反复通过转向器的次数可达6次。解决了径向水平井钻井打长距离径向井对钻杆需求问题。

3. 径向水平井钻井试验台架研制

为了验证钻杆转向、运动控制、钻杆焊接、水射流破碎岩石等各项技术的可行性，我们在项目初始阶段研制了较简易的室内试验台架。针对水射流破碎岩石技术试验，还研制了水射流简易的破碎岩石的室内台架。为了更加真实反映径向水平井钻井工具试验情况，我们研制了室外综合模拟试验台架，可以全尺寸模拟径向水平钻井系统地面和井下各个部件连续协同的工作情况，可实时采集各项实验数据，满足不同系列转向器的径向水平钻井系统的地面垂直模拟试验要求。

4. Z7型试验型转向器系统研究

在初期的可行性研究过程中，为了回答钻杆在给定压力下，能否在塑变过程中顺利通过所要求的曲率半径滑道，实现钻杆由垂直方向向水平方向转向的技术，我们按照7"套管所能提供的井眼空间尺寸研制了Z7型试验型转向器。单项试验研究证明：钻杆在一定压力作用下可以通过转向器实现90°的钻杆转向，所需动力可在系统中得到满足。

第三部分关键技术研究

1． Z5型转向器系统研究

转向器是径向水平钻井系统关键部件，其作用是：在系统液动力驱动下使钢质钻杆由垂直方向向水平方向转向，转向曲率半径仅为0.3m；使钻杆通过它作连续弯曲和伸出运动。

针对我国大部分油田油层是由5 1／2"套管固井的，江汉机械研究所研制了适合于5 1／2"套管尺寸的Z5型转向器，这种转向器具有以下几个特点。

（1）采用双向弯曲挂钩形的转筒组合结构，适合于大直径圆周扩孔工艺技术，它所需扩孔

直径同国外第一代转向器相比减少了一半，扩孔施工成本大大降低了。

（2）在竖起机构上，有机械竖起机构和液压竖起机构，二者在结构上各有优点，在整体结

构上，可实现在井下多次定向，多次喷射钻进。

（3）可以重复使用。

1994年4月，在中石油集团公司组织的中原油田地面综合模拟试验中，我们研制的Z5型转向器系统国内首次实现钻进。试验表明：各项参数基本达到要求。所钻水泥试件抗压强度一般为20MPa。成孔直径Φ70-110mm。后在本所综合试验台架上多次完成5m的水泥试件的喷射。1996年至1999年多次在辽河油田、吉林油田、南阳油田下井试验，取得了丰富的经验和较好的试验结果。

2． YDZ5型转向器系统研究

为了在低渗透、裂缝比较发育、裂缝方向有一定规律，而且油层埋藏深度较浅、单井产量较低的吉林油田进一步展开径向水平井钻井技术应用攻关和试验，集团公司科技发展局组织项目组对套

管单侧水力开窗的径向水平钻井技术展开研究。为此，我们总结了多年来钻杆转向技术的经验，研制出了适合于吉林油田应用的套管单侧水力开窗为特点的径向水平井钻井用的YDZ5型转向器。YDZ5型转向器是单向弯曲的，它对径向水平井技术新型系统的研究作了重要的探索。其主要技术成果在于：优化了转向轨迹，整体结构小巧。与套管圆周整体开窗和扩孔工艺相比，扩孔空间降低约300倍，总施工成本可降低40％－50％。该技术具有施工周期短、不占用钻机、套管破坏小等优点，在替代打调整井和贯通邻近井眼方面可能会更省钱。

3． YSZ7型转向器系统研究

为了进一步优化径向水平井钻井技术，充分利用井下尺寸，针对辽河油田提供的7″套管试验井，我们研制了YSZ7型转向器。该转向器适合于7″套管井中使用，转筒组合为双向弯曲结构。设计时，采用了径向水平井钻杆转向技术多年来积累的试验成果和ANSYS有限元力学分析优化计算结果以及较先进的设计理念［3］。测试结果表明：

（1）系统总阻力与双弯的Z5型转向器系统相比减小了约40%，钻杆伸出转向器后，系统平

稳工作阻力一般为12－15KN。

（2）与Z5型转向器相比，持续工作性能提高了5倍以上；

（3）既可实现机械竖起也可液压竖起；

（4）钻杆可两次笔直伸出转向器（以往仅一次）；

（5）刚度和强度提高2倍以上。操作简单可靠；定位、竖起、收拢简单可靠、运动自如。

（6）适应恶劣工况能力强。

4．新型转向器研究

适合5 1／2"套管井眼的双向弯曲的Z5型转向器设计于上世纪90年代初，为了提高径向水平井钻井技术适应性，我们整合了多年来的研究成果，研制完成了新一代适合5 1／2"套管井眼的双向弯曲的新型转向器系统，该系统的转向器执行机构既可以实现机械竖起又可以按照液压方式竖起。对于前期扩孔是旋转扩孔或开槽扩孔的工艺均适应，转向器可以半自动寻找井下槽孔；可以通过竖起判断装置判断井下转向器是否竖起，或判断井下扩孔空间是否达到要求；在扩孔尺寸不到位的情况下，转向器不完全竖起，避免了液压竖起给转向器带来的不安全因素；转向器系统完全适合磨料射流工况。现场试验证明：该转向器系统性能优越。

5．径向水平井油藏工程评价

为了对径向水平井的油藏工程技术有一定的认识，我们与有关大学地质学院开展了径向水平井油藏工程评价技术研究。作了以下几个方面的工作：

（1）径向水平井流通能力评价

（2）径向水平井使用的油藏条件和国内相应的油藏分布

（3）各种地质条件对径向水平井产能的影响

（4）实例分析

（5）径向水平井配套的增产措施分析

径向水平井技术的油藏工程评价技术研究填补了国内技术空白，对进行水平井的工程化应用起到了积极作用。

6．射流钻头研究

为了满足径向水平井高压水射流钻井需要，我们进行了高压水射流破岩机理和射流钻头的研究工作。主要做法是：根据理论计算和先导试验结果，设计不同结构的射流钻头，经过试验，优选出最好的结构，然后，对这种钻头的结构进行了深入研究。这种钻头的优点是:①钻头内部呈锥形收缩，可将通过的射流液加速；②在钻头的后部装有导流叶片，可将钻杆内直线运动的流体质点变为螺旋运动。试验表明：对于模拟地层特性参数制作的抗压强度低于40Mpa混凝土试件，在采用压力为50-55 MPa、排量为560-610 L/min清水介质喷射时，喷孔直径可达φ100 mm以上。目前已经开展研究并完成设计的磨料射流钻头能够切割任何井下地层。

7．辅助配套技术研究

在径向水平井钻井综合配套技术的研究当中，为了配合转向器系统的工作和满足不同油井施工工艺的需要，我们做了大量的辅助配套研究工作。这些工作主要有：

（1）井下液压运动控制器和机械运动控制器的研制

（2）地面试验送进控制系统的研制

（3） 5／2"和7"套管两种规格，多种不同类型的锚定器的研制

（4） 70MPa井口装置和井口密封的研制

（5） 70MPa井底密封的研制

（6）送进光杆和各类附件的研制

（7）压力、张力等数据采集系统的建设。

（8）地面高压过滤管汇研制

（9）施工工艺技术研究

（10）钻杆通过转向器的有限元分析

第四部分地面综合模拟试验和现场试验

1、地面综合模拟试验

在径向水平井钻井技术的研究中，我们作了大量的地面综合模拟试验。以YSZ7型转向器为例，地面综合模拟试验的大致情况如下：

试验主要目的：检验YSZ7型转向器系统在径向水平井钻井中各项技术参数和工艺流程。

试验主要设备：压裂车组、径向水平井综合试验台架、送进控制系统、高压井口和井口密封装置、送进光杆、钻杆、射流钻头、YSZ7型转向器系统、工作油管、传感器和数据采集系统等。整个操作过程除了定方位外，都模拟井下操作工况进行。水泥试件采用预制水泥试件，抗压强度为20－30 MPa。

试验结果：水平喷进5.4m；成孔直径φ110 mm以上；钻杆回拉力小于25KN；钢丝绳张力参数变化为18－22KN。钻杆通过转向器后，截面的变形情况：长轴为33.1－33.5mm，平均为33.25mm；短轴为31.6－31.8mm，平均为31.74mm。

地面试验表明：YSZ7型转向器系统总阻力与双弯的Z5型转向器相比减小了约40%，钻杆伸出转向器后，平稳工作阻力为12－15KN；机构运作简单可靠、灵活，抗恶劣工况能力强。

2、现场试验

径向水平井钻井技术经历了8次现场工业性试验。这里以2002年3月29日辽河油田锦45－检1井的工业试验为例进行现场试验的简单说明。

（1）试验井况

锦45-检1井位于锦45块锦90断块中部，构造上处于半背构造高部，地层由北向南倾斜，地层倾角8°，锦5-检1井于Ⅱ组构造顶部埋深1000m左右。该井2000年7月28日开井，初期日产液20m3，含水99%，后期含水由69.2%降至35%，至8月17日因供液差关井。根据辽河油田工程院的油藏工程设计，锦45-检1井高压水射流径向水平钻井基本设计参数为：套管锻铣位置：999m～1009.1m；径向喷射点深度：水平段A和B支:1005.8m；A支方位角为39°，B支方位角为267°。

（2）试验主要设备

65B型车装型钻机；压裂车及辅助车辆；测井车；径向水平钻井工具：包括段铣工具，扩孔工具，转向器，钻杆、射流钻头，送进系统，焊接设备，数据采集系统等。

（3）试验结果

总进尺：10.9m（完成了试验大纲规定的8-16m要求）。

张力：正常送进时一般为44KN。

钻杆通过转向器参数：最高压力32.4Mpa，维持张力44KN。

钻杆回拉阻力：67.5KN最大，45KN平稳。

工作压力阶段用时间：3小时48分

所钻岩层：砂岩－泥岩夹层。

（4）试验简析

井下工业试验表明： YSZ7转向器具有较强的转向喷射能力和一定的事故处理能力；以YSZ7转向器为代表的径向水平井辅助系统：井底密封、井口密封、井口装置、送进光杆、数据采集系统、钻杆等工作性能可靠；喷射钻井工艺制定合理，指导了试验的全过程。

工业试验也暴露出以下问题：①YSZ7转向器为代表径向水平钻井系统，使用清水作为射流介质时，在泥岩夹层地段喷射送进效率较低。②试验施工成本较高。