一種旋轉柔性鉆井出井安全控制裝置的設計研究

王西貴，王柱軍

（1.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010；2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程服務公司，北京 100043）

在石油天然氣領域中，旋轉柔性鉆井技術是有效開發低滲透油層、薄油層、裂縫性油氣層、注水后的“死油區”以及巖性圈閉油藏的新工藝技術，已成為一項有效恢復或提高單井產能的增產措施。旋轉柔性鉆井技術主要通過高壓水力噴射鉆井，可實現井眼直徑2～5 cm，長度可達 80～150 m。單徑向井鉆孔的成本僅為 5～10 萬元，如果連續作業，成本更低。目前，旋轉柔性鉆井技術已在國內多個油田完成了近百井次的施工，增產效果良好，展現了良好的應用前景。

旋轉柔性鉆井技術是一項新興的增產工藝技術，由美國最早于21世紀初研發成功。該技術是在油氣井的油層段套管內直接鉆出垂直于套管的小直徑水平井的技術，可在不同層位鉆多層徑向水平孔眼。遼河油田的稠油井居多，在稠油層該技術甚至可以代替傳統的射孔，獲得較深的油氣流通道，同時避免了對地層的傷害和對水泥環的破壞。由于施工周期較短，成本低，在低滲油藏、老油區剩余油挖潛、煤層氣、頁巖氣開采中增產效果顯著，具有較為廣闊的市場前景。

鑒于國內在旋轉柔性鉆井技術研究與應用這一塊沒有取得突破性進展，與此同時國內大部分老油區已進入開發中后期，新投入開發的低滲油氣藏采收率都不高，都亟須一項行之有效的增產措施，以提高采收率。經過相關項目組的努力，終于攻克了旋轉柔性鉆井的相關核心技術，并成功進行了現場試驗應用。在實驗現場中，經過不斷的調試和優化，且隨著旋轉柔性鉆井相配套的工具逐漸配套完善，旋轉柔性鉆井技術的性能趨于理想并逐漸穩定下來，克服了前期的打齒、跑眼等異常情況，該技術的優越性更加顯現。自2010年至今，該項技術已在國內多個油田開展了大規模的施工應用，效果良好，創造了較好的經濟社會效益。

1 旋轉柔性鉆井技術的原理及施工工藝

1.1 技術原理

旋轉柔性鉆井技術在現場作業中，首先由開窗工具在高壓水力驅動下切削套管實現開窗，隨后換向將連接在軟軸上的微型鉆頭對準開窗孔，然后通過高壓水力驅動軟軸傳遞鉆壓和扭矩，實現對地層的鉆進。最終在不同層位或同一層位不同角度上，鉆出一定長度的孔眼，建立油氣流通道，增大泄油面積，實現增產[1]。

1.2 施工工藝

1.2.1 套管開窗

套管開窗工具與連續油管相連，從油管中下入。下到計劃深度后，鉆頭和萬向軸由井下導向器引導由垂直狀態轉向水平狀態，特制的開窗鉆頭抵達套管待開孔位置。啟動地面高壓泵，連續油管將高壓鉆井液輸送至井下螺桿馬達帶動開窗鉆頭高速旋轉鉆套管、水泥環。待完成套管和水泥環開孔工序后，地面控制系統上提連續油管，并起出螺桿馬達、萬向軸和開窗鉆頭等井下鉆具。

1.2.2 噴射鉆進

高壓軟軸兩端分別連接高壓噴射鉆頭和連續油管。啟動地面高壓泥漿泵，高壓水力能量經由連續油管輸送給高壓軟軸和高壓噴射鉆頭，并通過導向器將高壓軟軸和高壓噴射鉆頭傳輸至已開完孔的待鉆地層位置。調節地面高壓泵的壓力和流量，高壓噴射鉆頭通過噴出高速射流的水力作用實現對地層破巖、鉆孔，最終完成徑向井段的鉆井作業。重復上述作業步驟，完成剩余所有徑向井段的鉆井作 業[2]。

目前在旋轉柔性鉆井施工過程中，開窗工具和換向工具上提至井口時，絞車操作人員采用聽繩帽和防噴盒頂蓋碰撞發出的聲音的方法，憑經驗來判斷工具是否已完全提至井口馬龍頭之上。然而，由于工具沾油、鋼絲有折痕、繩帽被油管帽等卡住等原因不能使繩帽頭上提至馬龍頭之上，同時在這種情況下又很難根據深度儀做出準確判斷，所以很多時候會出現誤判錯判[3]。現場操作人員的經驗很重要，一般情況下，現場操作人員對絞車操作和檢查都是經過培訓并有多年的現場施工經驗。一旦出現工具上提到井口時，工具碰到馬龍頭，電纜斷裂，工具就容易掉落井中。當誤判錯判發生時，很容易導致出井工具與井口四通相撞，導致工具落井，進而需要進行打撈作業，嚴重影響了施工效率，增加了作業人員的勞動強度和甲方的作業成本[4]。

2 工具介紹

2.1 工具結構

旋轉柔性鉆具出井安全控制裝置由本體、防撞機構和防掉機構組成，其整體功能相當于一個有防撞防掉功能的防噴盒。結構示意圖和三維示意圖分別如下圖1和圖2所示。

2.2 工具特點

針對現有井口安全裝置只有防掉或防撞的單一功能，開展技術研究，形成了自動防撞和防掉功能相結合的技術。并在旋轉柔性鉆井施工現場應用中取得了良好的應用效果，在同行業達到先進水平。

現有的絞車拉緊鋼絲進行深度歸零時，容易“誤卡”工具，而一旦“誤卡”，得重新開防噴盒才能解開，這種“誤卡”費時費力，成為現有旋轉柔性鉆井技術推廣使用的瓶頸問題。針對該難題進行攻關，發明了一種新型的防掉機構，該機構扭簧對防掉板有較大的初始支撐力，從而有效地克服了深度歸零時的“誤卡”難題，為該技術的推廣打下良好的基礎[5]。

圖1 旋轉柔性鉆井井口安全控制裝置示意圖

圖2 旋轉柔性鉆井井口安全控制裝置三維示意圖

3 應用實例

2014年，項目組對曙LX 井進行旋轉柔性鉆井施工，換向完畢地層第3 孔鉆進完畢后將空心桿提至井口位置時，井口操作人員根據經驗“聽聲音法”判斷工具離井口還有60 多米的距離，故未降低上提速度，突然聽見“砰”的一聲響，工具撞到井口，絞車電纜被撞斷，工具落入井底，之后通過幾天的打撈才將落井工具打撈出井，浪費了較多的人力物力。

后來的旋轉柔性鉆井施工中，引用了該井口安全控制裝置。該裝置在2015年曙1M 井第4 孔中，深度儀失靈，依經驗無法準確判斷井下工具在上提過程中具體位置，結果在井口時，由于該安全裝置的作用，成功防止了工具落井事故的發生。該裝置總成本不足1 萬元，而旋轉柔性鉆井普通的工具落井將損失50 萬元以上，因此該裝置在旋轉柔性鉆井的現場推廣應用具有較大的潛在經濟效益[6]。

4 結 論

（1）旋轉柔性鉆井技術可在儲層中不同層位或同一層位不同角度形成多個微小油氣流孔道，解除近井地帶污染，增大泄油面積，且施工周期短、成本低，是一種新的解堵增產手段。

（2）旋轉柔性鉆井技術可以在稠油井中代替射孔，且該技術完成了套管開窗和地層鉆進，孔眼長度長于射孔，而且沒有殘留物對儲層造成污染[7]。

（3）在現場施工中，工具經測井絞車提出井口，常有工具碰撞井口后，工具落井的現象發生。應用了該裝置后，可以有效地防止工具在提起過程中碰撞井口，該工具在現場應用中，經濟效益顯著。

（4）該工具主要針對旋轉柔性鉆井施工而設計，工具特點明顯、施工安全，對其他類似技術也具有借鑒意義。