徑向水平井技術發展及工具特點

(長城鉆探工程有限公司 工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010)

在鉆完井及修井等過程中，地層不可避免地都將受到鉆井液及固井水泥漿的傷害，造成近井地帶滲透率下降，形成污染帶。根據文獻[1]，鉆完井井壁周圍的污染帶深度為600～1 200 mm。

目前，射孔完井是國內外使用較為廣泛的完井方法。常規的炮彈射孔完井過程中存在3個方面的主要問題：

1) 由于聚能穿甲彈能力所限，射入地層的深度較淺，約為500～1 000 mm[2]，不能有效穿越近井污染帶。

2) 存在壓實效應，導致壓實區的巖石滲透率下降75%～70%[3]。

3) 炮彈射孔易引起套管和環空水泥環的破壞。

徑向水平井技術可以從井眼向儲集層徑向鉆出長達50～100 m的生產流道，可以穿透污染帶以及成倍增加泄油面積。該技術具有周期短、成本低優勢，主要用于新井完井及老井增產作業，以提高油氣單井產量。

1 超短半徑徑向水平井技術發展過程

1980年起，Bechtel投資有限公司和石油物理有限公司開始研究新型鉆井技術，即最初的徑向水平井技術，于1985年正式提出。該技術不同于常規水平井工藝，在直井中定位并向目標層位鉆進，轉彎半徑小。這種鉆井系統轉向彎道擴孔直徑達1.22 m，擴孔難度大。1989年出現了Ⅲ型轉向器，采用雙向彎曲形式，使得井下擴孔直徑減小到0.61 m，降低了擴孔難度。20世紀90年代初，我國研制出Z5型轉向器，是典型的Ⅲ型轉向器，如圖1所示。并在此基礎上進行了液力轉向器的研究[4]，如圖2所示。目前，徑向水平井技術不需要對井眼進行擴孔，直接在原井眼內下入工具系統，沿其徑向實施鉆進。

1—柔性鋼鉆桿；2—轉筒；3—提升側板；4—執行機構；5—錨定器；6—執行機構；7—高壓管柱。圖1 Ⅲ型轉向器示意

1—柔性鋼鉆桿；2—轉筒；3—提升側板； 4—復位彈簧；5—高壓底部密封；6—提升液缸；7—高壓管柱。圖2 液動式轉向器示意

2 徑向水平井工具系統結構及原理

徑向水平井技術是針對目標油層，利用套管開窗工具在套管壁上實施開窗；然后下入噴射軟管，利用高壓水力破巖作用進行鉆進，從而增加原井眼的泄流半徑，達到提高采油量的功能。徑向水平井一方面要滿足在套管內實現垂直到水平的90°轉向，另一方面要鉆穿套管，以及在地層噴射鉆進，工具系統如圖3～5所示。包括外管柱工具和內管柱工具，其中內管柱工具又分套管開窗工具和地層噴射鉆進工具。

2.1 外管柱工具結構及原理

外管柱工具如圖3所示。主要包括油管柱、轉向器以及錨定器。錨定器的作用是將轉向器及油管柱錨定到套管內壁上，防止在套管開窗和地層鉆進時轉向器發生偏移；轉向器功能實現萬向節和噴射軟管由垂直到水平位置的轉換；油管柱將轉向器和錨定器下入到油層位置。

1—錨定器；2—轉向器；3—油管柱。圖3 外管柱工具結構

1—銑刀；2—轉向器；3—螺桿馬達；4—油管柱；5—連續管；6—液力加壓器；7—套管柱；8—減震器；9—萬向節。圖4 開窗工具結構

2.2 套管開窗工具結構及原理

套管開窗工具如圖4所示，主要由連續管、加壓器、螺桿馬達、減振機構、萬向節以及開窗銑刀等組成[5]。螺桿馬達是開窗工具的原動設備，上端通過液力加壓器連接至連續管。連續管和地面高壓泵組相連，當有流體經過液力加壓器時，該裝置會給下端的開窗工具施加一個穩定的鉆壓；螺桿馬達輸出端通過減振器與萬向節相連，萬向節底部連接開窗銑刀。導向器引導和限定萬向節，使其實現90°彎曲。減振機構一方面能夠傳遞轉速和轉矩，另一方面能夠吸收軸向震動，避免產生沖擊而損壞銑刀。

工作時，連續管下放開窗工具，直至萬向節進入導向器；地面高壓泵向連續管注入動力液，動力液經過液力加壓器后進入螺桿馬達，驅動螺桿馬達運轉。馬達輸出轉速和轉矩，帶動萬向節以及開窗銑刀轉動。銑刀[6]在一定鉆壓和轉速的作用下，切削套管，實施開窗。

2.3 地層鉆進工具結構及原理

噴射鉆進工具如圖5所示，主要由連續管、過濾器、噴射軟管以及噴射鉆頭等組成。

過濾器功能是濾掉動力液中的雜質，避免雜質堵塞噴射鉆頭。連續管下放鉆進工具，直至噴射軟管和鉆頭穿過導向器和套管窗口，進入油層。

地面高壓泵向連續管注入動力液，動力液經過濾器和噴射軟管，進入噴射鉆頭。鉆頭采用導向葉輪方式，在鉆頭本身不旋轉的情況下，水眼噴出的射流呈錐形[7]。旋轉射流破巖機理不同于普通射流，由于射流的空化，它不僅以正面沖擊力來破巖，同時還對被沖擊表面施加平行剪切載荷，使巖石表面發生破壞，與普通射流相比提高了射流的破巖能力和能量傳遞效率。

1—連續管；2—過濾器；3—噴射軟管；4—噴射鉆頭。圖5 鉆進工具結構

3 徑向水平井關鍵技術問題分析

3.1 套管開窗工具

在現場施工中，套管開窗工具最容易出現的問題是萬向節扭斷現象。

為解決這個問題，對十字滑塊萬向節進行理論分析[8]，結構如圖6所示。以單組十字滑塊為例，假設所取相鄰2個滑塊受導向器軌跡限制，形成夾角為α，在導向器內旋轉時，會出現2種極限狀態，如圖6所示。

圖6 十字滑塊萬向節

當萬向節處于圖7所示A狀態時，a點速度與b點速度相等，即：

va=vb

其中

va=ωi·L
vb=ωo·L·cosα

則

va=vb=ωi·L=ωo·L·cosα

得

ωi/cosα=ωo

萬向節旋轉90°后到達B狀態，此時

ωo=vb·L=va·L·cosα=ωi·cosα

即

ωo=ωi·cosα

式中：va為a點的運動速度；vb為b點的運動速度；ωi為輸入軸的角速度；ωo為輸出軸的角速度；L為連桿長度；α為輸出軸和輸入軸角度差。

圖7 萬向節平面運動簡圖

由以上分析可知，當輸入節以等角速度ωi轉動時，輸出節的速度在ωi·cosα與ωi/cosα之間變化，且變換周期為90°。根據以上分析可以得知，螺桿勻速帶動萬向節轉動，進行套管切削時，萬向節實際做的是變速運動，即，在切削過程中萬向節受到交變載荷作用，故萬向節破壞形式是由交變應力引起的疲勞破壞，且易發生在兩軸夾角α較大處，這與現場損壞時是一致的。

依據理論計算，解決方式：一方面轉向器軌跡盡量優化，盡可能縮小α角；另一方面，軟軸材料及熱處理方式采用抗疲勞破壞為主的。

3.2 噴射鉆井軟管

鑒于軟管特征，其鉆進時只能承受軸向拉力[9]，而不能承受推力，徑向井噴射鉆進時軟軸的運動機理為：

沿驅動方向的力F為

式中：A0為軟管內橫截面積；Ai為噴嘴橫截面積；u0為在軟管中的速度；ui為在噴嘴中的速度；ρ為流體密度；φ為噴嘴的傾角；FR為軟管在水平井眼中行進時的摩擦阻力。

當軟管直徑、噴嘴結構、流體密度及流體速度確定后，軟管行進時的初始驅動力F基本確定，摩擦阻力FR隨著軟管在井眼內的長度增加而變大，最終當FR足夠大時，驅動力F下降為0，軟軸無法繼續行進，噴射鉆進結束。此外，在實際應用中，水力噴射破巖對松軟地層、煤層氣井的鉆進具有顯著效果[10]，但對硬地層的鉆進難度大。

4 國外硬地層徑向鉆孔技術

加拿大Penetrators公司近年來開發了一套MaxPERF工具系統[11]，如圖8所示。該套工具可從井眼向儲層中鉆出預定長度為1.82 m(72 in)的清潔泄油通道，穿越污染帶，形成清潔的近井帶高導流區。

4.1 MaxPERF工具技術原理

采用油管下入工具系統，通過不同的液壓控制，首先驅動磨銑部件在套管上鉆出一個?25.4 mm的完整孔，然后換位，將鉆進導軌與套管上的孔對正，驅動水力馬達，帶動金剛石鉆頭和柔性鉆桿，穿過套管上的孔，進入地層，鉆進預定長度為1.8 m的泄流通道[12]。完成一個孔眼的鉆進后，柔性鉆桿和鉆頭收回，工具磨銑部件和鉆進部件都回歸初始位置，整個油管壓力降低到零。將工具系統調至下一孔眼的井深和方位，按照同樣的程序完成下一孔眼的施工。

圖8 MaxPERF徑向鉆孔工具系統入井現場

4.2 MaxPERF工具特點及應用情況

該套工具系統具有以下的優點：

1) 孔眼深，可形成長度1.8 m，直徑?17.8 mm的孔眼，超過污染帶，消除污染。

2) 無壓實效應，采用旋轉鉆進破巖，可形成無污染、高標準的近井地帶導流區。

3) 對套管及環空水泥無損害，較之常規射孔的射孔密度，孔數小，一般不會造成套管強度受損，腐蝕相對緩慢，能延長油井壽命。

4) 施工周期短、效率高，工具1次下井可完成4～8個孔眼的施工，平均每個孔眼施工時間為10～20 min。

該技術的主要應用領域包括：

1) 近井地帶污染井，可穿越污染帶。

2) 提高注水井、注汽井的注入量。

3) 用于裂縫性儲層或煤層氣井完井。

4) 用于無法進行壓裂的薄層、薄夾層的補孔增產改造。

5) 用于難以壓裂或處理壓力過高井，起“造縫作用”。

6) 用于擠水泥堵水后，再次進入產層等。

加拿大Penetrators公司利用MaxPERF工具系統在加拿大、美國和阿曼等國家已經應用了600多口井，見到了良好的油井增產和水井增注效果，平均增產增注1～3倍，最高可達10倍，展現出了該技術良好的發展前景。

5 結論

1) 目前國內徑向水平井技術采用螺桿+萬向節+刀進行套管開窗，和水力噴射破巖技術進行地層鉆進，在松軟地層具有良好效果，能有效提高原油產量。

2) 現場應用時萬向節容易扭斷，通過理論分析發現萬向節破壞主要原因是交變應力引起的疲勞破壞，這一點和萬向節實際破壞形式一致。應采用優選材料和優化熱處理工藝的方式，提高工具的韌性，克服交變應力載荷引起的破壞。

3) 水力噴射破巖技術在硬地層中的鉆進難度很大，并且基于水力噴射破巖的技術特點，這一問題難以突破，在硬地層的推廣受到限制。

4) 國外MaxPERF工具系統采用半剛性鉆桿+金剛石鉆頭的鉆具組合和切削鉆進技術，在硬地層施工方面具有獨特優勢，是徑向水平井技術的發展趨勢，但鉆孔長度需要進一步提高。

[1] 范翔宇，王俊瑞，夏宏泉，等.基于灰色系統理論的鉆井液污染儲層深度預測[J]．西南石油大學學報(自然科學版)，2013，35(3)：98-104．

[2] 李軍，畢勝宇，柳貢慧，等．低滲透巖芯實彈射孔實驗研究[J]．西南石油大學學報(自然科學版)，2011，33(1)：78-82．

[3] 李東傳，唐國海，孫新波，等．射孔壓實帶研究[J]．測井與射孔，2001(4)：79-82．

[4] 朱峰，劉東方．徑向水平井轉向器技術的新發展[J]．石油機械，2005，33(2)：48-49．

[5] 施連海，楊帆，黃志強，等．徑向水平井技術的應用及其發展方向探討[J]．西部探礦工程，2014(7)：60-65．

[6] 莊純才．套管鉆孔刀具結構形式研究[J]．鉆采工藝，2017，40(4)：82-83．

[7] 李根生，沈忠厚，周長山，等．自振空化射流研究與應用進展[J]．中國工程科學，2005，7(1)：27-32．

[8] 宋偉剛．機器人學—運動學、動力學與控制[M]．北京：科學出版社，2007．

[9] 任建民．超短半徑水平井噴射鉆井機理[J]．石油機械，1994，22(10)：50-55．

[10] 張義，鮮保安，趙慶波，等．超短半徑徑向水平井新技術及其在煤層氣開采中的應用[J]．中國煤層氣，2008，5(3)：20-24．

[11] Peder Pedersen，Leif Hoemsnes． A Superior Way to Enter the Reservoir-An Alternative to Conventional Perforating[R]．SPE，2013，8，10．

[12] 張繼峰，劉忠和．水力深穿透射孔技術最新發展及應用[J]．石油機械，2002，30(7)：68-70．