水力徑向流鉆孔關鍵技術及試驗

劉永 付穎 馮昕媛 謝貴琪 周喜元

摘 要：水力徑向流鉆孔技術是一種低成本微小井眼水平井鉆井技術，近幾年在國內外得到了廣泛應用。本文對水力徑向流鉆孔的關鍵技術進行了研究，研制了相關的井下工具，包括定深和定向工藝及工具、套管鉆孔工藝及工具、噴射鉆進工藝及工具，并進行了室內試驗。試驗結果表明，對不同壁厚和鋼級的套管，僅需3～5min即可鉆透;不同類型的噴頭在一定的壓力和流量下都能實現噴射破巖，但多孔噴頭噴射破巖效果較好，成孔直徑大。根據現場試驗結果，形成了新的水力徑向流鉆孔工藝，即“一趟鉆鉆穿套管和水泥環+地層噴射”工藝，與原來的“套管鉆孔+水泥環+地層噴射”工藝相比，新工藝提高了水力徑向流鉆孔的效率和成功率。

關鍵詞：水力徑向流鉆孔;定深和定向;套管鉆孔;噴射破巖;試驗

1、水力徑向流鉆孔關鍵技術及工具

水力徑向流鉆孔工藝包括三個方面，一是定深和定向，基于地質的特殊要求使鉆孔方位對正指定方位或多個鉆孔的方位與基準方向成一定夾角，目的是提高油氣藏縱向動用程度，避免高含水，或者定向增注等;二是將套管鉆孔;三是在地層中噴射鉆進[1]。為實現這三個目的，水力徑向流鉆孔技術需要的設備及工具包括地面設備和井下工具兩部分。地面設備包括油井作業設備、連續管設備、地面高壓泵組及其供液系統;井下工具包括定位導向工具、套管鉆孔工具和噴射鉆進工具等，井下工具是水力徑向流鉆孔技術的關鍵。油井作業設備主要用于起下油管和井下定位導向工具;連續管設備主要用于起下套管開窗工具和噴射鉆進工具，并為井下工具提供高壓流體通道;高壓泵組用于為井下開窗和噴射工具提供動力。

1.1定位導向技術及工具

定位導向技術用于確定儲層的深度及方位位置，為套管鉆孔及噴射鉆進工具提供轉向通道，實現90°轉向，以便工具垂直套管進入地層，同時為水力徑向流鉆孔提供作業平臺。定位導向工具包括錨定換向器、導向器、扶正器。

導向器的導向軌道設計是關鍵，由于受套管直徑的限制，套管內徑越小，導向器轉彎半徑越小，設計難度越大。導向軌道受套管直徑、套管鉆孔直徑等影響，需要對軌道曲線進行優化，以滿足需要。研制的導向軌道，可以用于外徑139.7 mm及以上尺寸套管開窗需求，鉆孔直徑22-28mm。

1.2套管鉆孔技術及工具

套管鉆孔技術是工具連接連續管通過油管內下入至導向器，萬向節和鉆頭通過導向器的導向軌道將鉆頭方向轉變垂直套管方向，連續管與地面高壓泵組相連，開啟高壓泵，高壓流體驅動螺桿旋轉，從而帶動萬向節和鉆頭轉動，切削套管。套管鉆孔工具包括鉆頭、萬向節、鉆壓控制器和螺桿鉆具等。

1.3噴射鉆進技術及工具

噴射鉆進技術基于水力破巖原理，利用高壓水射流破碎巖石，形成直徑 25～50mm的小孔。噴射鉆孔工具包括過濾器、高壓軟管、噴頭和護筒。工具上端與連續管相連，利用連續管將工具系統通過導向器送到套管鉆孔位置，開啟地面高壓泵組，高壓水射流由噴頭噴出，具有噴射地層和提供前進動力的作用，形成自進能力。

2、室內試驗

2.1套管鉆孔試驗

為驗證研制的套管鉆孔工具的性能和效果，開展了套管鉆孔室內試驗。試驗采用139.7mm套管，套管鋼級P110和N80，壁厚10.54mm和9.17mm。套管鉆孔試驗共進行7次，試驗結果表明：鉆孔工具性能穩定，參數合理，鉆透的套管。鉆孔速度是目前國外技術的8～10倍。

噴射破巖與鉆進試驗為驗證噴射工具的性能和破巖效果，對研制的噴射工具進行了室內試驗，包括噴射破巖試驗和噴頭自進試驗。主要是為了通過試驗確定能夠高效破巖的噴頭結構和水力參數。

（1）噴射破巖試驗

通過對不同靶件的鉆孔對比試驗，兩種噴嘴顯示出不同的特點。多孔噴嘴水力損失小，效率高，各孔定位加工要求精確。但因多股組合射流，在軸截面上流速分布不均性，鉆硬地層時鉆孔截面形狀呈齒輪狀，容易對噴管送進形成卡阻。旋流噴嘴射流分布均勻，鉆孔截面形狀圓整，但其水流壓能轉化為動能分兩次進行，局部壓力損失大，效率低，且旋流噴嘴導流芯體加工復雜。

（2）噴射鉆進試驗

噴射自進試驗主要是測試噴頭的自進牽引力，以確保噴射鉆進時噴頭在破巖的同時，能夠帶動噴射系統移動。噴射鉆進依靠自進式噴射鉆頭為鉆進提供牽引動力。噴射鉆進噴嘴包含前后射流兩部分，射流基本速度相當時后向射流流量大于前向射流流量，后向噴射反力與前向噴射反力差值即為牽引動力。噴射鉆頭受流體輸送管道流量—壓降特性的限制，前后流量分配需要兼顧噴射破巖鉆孔能力和自牽引能力。噴射鉆進工具的鉆進速度由地面下放連續管速度控制，一般情況下保持連續管下放速度與鉆頭射流破巖鉆進速度平衡。

3、現場試驗

現場實施水力徑向流鉆孔工藝試驗6井次，其中油井4井次、水井2井次，共完成34個孔，鉆孔成功率85.3%（鉆深大于20m），平均孔長32.1m，最大孔長35.8m，達到國內領先水平。施工完的6口井取得了一定的增產增注效果，證明該工藝能增大井眼的泄流面積，提高地層導流能力，提高油井產量、降低注水壓力。在保證鉆孔深度的前提下，徑向鉆孔工藝由原來的“套管鉆孔+水泥環+地層噴射”三趟工藝，變為“一趟鉆鉆穿套管和水泥環+地層噴射工藝”兩趟工藝，減少了作業時間，節約了作業成本。

4、結論與建議

（1）水力徑向流鉆孔技術的關鍵是定位導向技術、套管鉆孔技術和噴射鉆進技術。研制了水力徑向流鉆孔配套工具，包括定位導向工具、套管鉆孔工具和水力噴射工具。

（2）室內試驗結果表明，研制的套管鉆孔工具3～5min可以鉆透套管，為了保證現場施工時套管成功開窗，鉆進時間控制在40min以上，井下鉆孔的鉆頭必須一次一換新。

（3）針對泥質砂巖儲層，巖質均勻，旋轉噴嘴可鉆性好，成孔完整;針對非均質性儲層，夾層堅硬，旋流噴嘴鉆進夾層時破巖成孔效率低，多孔噴嘴前向流量較大，可以鉆穿夾層。

（4）根據現場試驗結果，形成了新的水力徑向流鉆孔，由原來的“套管鉆孔+水泥環+地層噴射”工藝，變為“一趟鉆鉆穿套管和水泥環+地層噴射工藝”，提高了水射流徑向鉆孔的效率和成功率。

[參考文獻]

[1]張毅，李根生，熊偉.高壓水射流深穿透射孔增產機理研究[J].石油大學學報，2004，28（2）：38-41.

作者簡介：

劉永（1986-），男，工程師，現主要從事壓裂酸化工藝研究及應用等工作。

基金項目：中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“柴達木盆地建設高原大油氣田勘探開發關鍵技術研究與應用”（編號：2016E-01）。

中國石油青海油田分公司 鉆采工藝研究院 ?甘肅敦煌 ?736202