周衛(wèi)東，師 偉，李羅鵬

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555） ①

·專題研究·

徑向水平鉆孔技術(shù)研究進(jìn)展

周衛(wèi)東，師 偉，李羅鵬

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555）①

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和原理，包括不擴孔轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及微型、高效水力破巖鉆頭。指出徑向水平鉆孔技術(shù)的發(fā)展趨勢，為國內(nèi)的徑向水平鉆孔裝備技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展提供參考。

水平井；徑向；套管開窗；轉(zhuǎn)向器；發(fā)展趨勢

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［1－2］。

徑向水平鉆孔技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷2個階段，即，傳統(tǒng)的徑向水平鉆孔技術(shù)［3］和開窗徑向水平鉆孔技術(shù)。由于傳統(tǒng)徑向水平鉆孔技術(shù)的施工過程比較復(fù)雜、成本較高，其應(yīng)用范圍受到很大限制；開窗徑向水平鉆孔技術(shù)不需要套管鍛銑和大直徑擴孔等復(fù)雜的前期準(zhǔn)備，從根本上克服了傳統(tǒng)徑向水平鉆孔技術(shù)成本高、鉆井效率低的難題。因此，開窗徑向水平鉆孔技術(shù)在石油天然氣和煤層氣資源的開發(fā)方面具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)徑向水平鉆孔技術(shù)

美國Bechtel投資公司和Petrophysics公司最早研制出徑向水平鉆孔技術(shù)，并于20世紀(jì)80年代中期投入工業(yè)試驗［4－8］。工藝原理為：首先在油氣井的預(yù)定深度對套管進(jìn)行鍛銑，再利用大直徑的擴孔工具對鍛銑后的井眼進(jìn)行擴徑，然后下入并錨定轉(zhuǎn)向器，通過液壓或者機械的方式使轉(zhuǎn)向器沿預(yù)定的方位支起，柔性鉆管在液壓作用下，經(jīng)轉(zhuǎn)向器90°彎曲后進(jìn)入地層，高壓射流破碎巖石并清洗井眼，最終形成徑向水平井眼。

1.1 主要工具及設(shè)備

徑向水平鉆孔技術(shù)的核心是井下鉆井工具，主要包括轉(zhuǎn)向器、水力破巖鉆頭和柔性鉆管，其中轉(zhuǎn)向器是整個技術(shù)的關(guān)鍵。

1.1.1 轉(zhuǎn)向器

國外最早出現(xiàn)的I型轉(zhuǎn)向器如圖1a所示，由2節(jié)轉(zhuǎn)筒組成，在下部液缸的驅(qū)動下形成簡單的單向彎曲滑道。主要優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、柔性鉆管通過轉(zhuǎn)向器的阻力較小。但是，該轉(zhuǎn)向器要求的擴孔直徑高達(dá)?1 220mm，因此，最初的徑向水平鉆孔的成本非常高，限制其推廣應(yīng)用。隨后，Bechtel和Petrophysics公司在I型轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上又研發(fā)出Ⅲ型轉(zhuǎn)向器，如圖1b所示［9］。與Ⅰ型轉(zhuǎn)向器不同的是其滑道前后雙向彎曲，擴孔直徑減小1／2，降低了鉆孔作業(yè)前的施工難度。在Ⅲ型轉(zhuǎn)向器的執(zhí)行機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)之間的錨定器的作用下，通過提升側(cè)板來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向和回收。因此，可以在井口直觀地判斷井下轉(zhuǎn)向器的狀態(tài)［10］。

20世紀(jì)90年代初，我國開始研發(fā)以Ⅲ型轉(zhuǎn)向器為原型的轉(zhuǎn)向器，典型的是液力式轉(zhuǎn)向器［11－12］，如圖2所示。它是依靠液壓驅(qū)動實現(xiàn)井下轉(zhuǎn)向。因此，將錨定器和轉(zhuǎn)向器分開，并且增加了柔性鉆管的有效行程。

為了進(jìn)一步降低擴孔的難度，在2003年，石永軍［13］等人設(shè)計出一種新型的欠擴孔轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以免去擴孔的復(fù)雜過程，或只需要使用常規(guī)的擴孔工具即可完成擴孔作業(yè)，提高了鉆孔效率。對于?177.8mm（7英寸）的套管井，只需擴徑至?320mm時轉(zhuǎn)向器就可以順利轉(zhuǎn)向。

圖1 國外的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

1.1.2 水力破巖鉆頭

水力破巖鉆頭是形成徑向水平井眼的關(guān)鍵，常規(guī)的水力鉆頭主要有多噴嘴組合鉆頭和單噴嘴導(dǎo)葉輪旋轉(zhuǎn)射流鉆頭2種［14］，如圖3～4所示。其中，多噴嘴組合鉆頭在球面的中心和離開中心一定距離的圓環(huán)上分布有多個噴嘴，并以適當(dāng)?shù)慕嵌炔贾?，可以引?dǎo)射流沖擊大面積的巖石。主要缺點是：對泵的排量要求高，破巖效率比較低。單噴嘴導(dǎo)葉輪旋轉(zhuǎn)射流鉆頭是在錐形噴嘴內(nèi)置1個導(dǎo)向元件，形成高速旋轉(zhuǎn)射流。主要是依靠旋轉(zhuǎn)射流的縱向沖擊、橫向剪切以及磨削的綜合作用來破碎巖石，因此，相對于直射流的沖擊破碎巖石方式，需要的排量較低，同時旋轉(zhuǎn)射流具有較大的擴散角，增大了孔眼直徑，極大提高了破巖效率。

圖4 旋轉(zhuǎn)射流鉆頭示意

2 套管開窗徑向水平鉆孔技術(shù)

在套管鍛銑和大直徑擴孔的基礎(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孔，鉆孔效率得到大幅提高。

2.1 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［15－17］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5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)。

圖2 液力式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

圖3 多噴嘴組合鉆頭示意

圖5 水力開窗徑向水平井技術(shù)原理

2.2 機械式套管開窗

在美國，RDS、WES、Triton American Energy、Buckman Jet Drilling等公司研發(fā)出了機械式套管開窗徑向水平鉆孔技術(shù)，如圖6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［18－19］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。

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，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)目前只是處于試驗階段。

圖6 機械式開窗徑向水平井技術(shù)原理

3 新型徑向水平鉆孔工具

為了節(jié)省徑向鉆孔作業(yè)時間，提高工作效率，Buset P和Riiber M等人［20］研發(fā)了1套新型開小窗徑向水平鉆孔工具，如圖7a所示。其主要優(yōu)勢為：在1次起下工具設(shè)備過程中，可同時進(jìn)行套管開窗和徑向鉆進(jìn)作業(yè)，而且能夠完鉆多個水平井眼，水平段長度約50m，孔徑為?25.4～?50.8mm（1～2英寸）。其中，套管開窗工具是由電動馬達(dá)和液壓活塞驅(qū)動的合金鉆頭；在電動馬達(dá)的傳動作用下，直徑為?9.5mm（英寸）的軟管可以在射流滾筒上進(jìn)行均勻纏繞。

加拿大的Penetrators公司也研發(fā)出類似的水平鉆孔工具，其工作原理如圖7b所示。該工具主要由徑向鉆進(jìn)部分和磨銑鉆孔部分組成，工具的控制中樞是雙作用液壓缸，可以控制磨銑工具的外伸及復(fù)位、徑向噴射鉆頭的定位及移動。磨銑鉆孔裝置用于完成對套管的銑孔作業(yè)，其動力由獨立設(shè)計的液壓馬達(dá)提供。

圖7 新型開小窗徑向水平鉆孔工具

該工具的工作原理：利用常規(guī)的油管或連續(xù)油管下入油井的套管內(nèi)，控制部件可使扶正裝置將磨銑總成推至套管的預(yù)定位置。磨銑鉆頭伸出與套管內(nèi)壁接觸，并在液壓馬達(dá)的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。磨銑穿透油井套管后，液力控制部件使磨銑鉆頭收回，并牽引拖架向下運動，使鉆頭對準(zhǔn)套管上剛磨銑出的孔。在液壓的作用下，柔性鉆管徑向延伸形成水平井眼［21］。

3.1 主要工具與設(shè)備

3.1.1 轉(zhuǎn)向器

在單側(cè)水力切割套管開窗的徑向水平鉆孔技術(shù)中，配套的轉(zhuǎn)向器是單向彎曲液力式轉(zhuǎn)向器。該種類型的轉(zhuǎn)向器具有和I型轉(zhuǎn)向器相似的結(jié)構(gòu)特點，如圖8所示。但該類轉(zhuǎn)向器的半徑比I型轉(zhuǎn)向器小，并且驅(qū)動液缸位于轉(zhuǎn)筒的上部，通過特別設(shè)計的拉桿來完成轉(zhuǎn)向和收直動作；同時，在密封的下端特別設(shè)計了鉆管回拉矯形裝置，既避免回拉時遇阻，又延長了密封的壽命。試驗表明這種單彎液動式轉(zhuǎn)向器具有結(jié)構(gòu)簡單、高壓鉆管通過阻力低的特點［22］。

圖8 單側(cè)水力切割套管開窗的轉(zhuǎn)向器

在套管開小窗徑向水平鉆孔技術(shù)中，轉(zhuǎn)向器的彎曲轉(zhuǎn)向半徑很小，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。當(dāng)高壓鉆管經(jīng)過轉(zhuǎn)向器時，將會發(fā)生較大的彈塑性變形，受到的滑道阻力也相應(yīng)增加。因此，選擇合適的高壓鉆管對能否順利轉(zhuǎn)向至關(guān)重要。目前，普遍采用?12.7mm的高壓膠管作為高壓鉆管，為射流鉆頭的破巖和向前延伸輸送高壓流體。

圖9 開小窗徑向水平鉆孔技術(shù)轉(zhuǎn)向器

3.1.2 水力破巖鉆頭

為了在小半徑的轉(zhuǎn)向器內(nèi)順利通過，鉆頭的體積必須微型化，但同時又要保證能夠形成規(guī)則的井眼及較高的破巖效率。Buckman Jet Drilling公司所采用的水力破巖鉆頭結(jié)構(gòu)如圖10a，噴射試驗如圖10b所示。它前端的多噴嘴組合用來破碎鉆頭前方的巖石，后部的反向噴嘴不僅可以為鉆具的向前運動提供動力，而且還可以進(jìn)一步地擴孔和粉碎巖屑，提高鉆頭成孔質(zhì)量和井眼清潔程度［23］。

圖10 射流鉆頭結(jié)構(gòu)及噴射試驗

4 結(jié)論

1） 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。

2） 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。

3） 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。

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Advances of Techniques of Radial Horizontal Drilling for Boring Hole

ZHOU Wei－dong，SHI Wei，LI Luo－peng
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266555，China）

Techniques of radial horizontal drilling for boring hole have potential economical benefits in EOR and production of the CBM well.The paper summarizes the current situations and advancements of radial horizontal drilling for bore hole，analyzes mainly traits and principles of key instruments in windowing radial horizontal technology，including principles and strengths of nonreaming whip－stock，mini－size and effective hydraulic bit，and demonstrates the trend of development.It will supply methods and approaches for improving and perfecting the instruments of radial horizontal drilling for boring hole in domestic.

horizontal well；radial；casing window；steering device；trend of development

1001－3482（2012）04－0001－06

TE934.2

A

2011－10－10

國家科技重大專項“煤層氣深穿透射流技術(shù)、鉆井液技術(shù)及開發(fā)技術(shù)集成評價研究”（2011ZX05060－001）

周衛(wèi)東（1968－），男，江蘇靖江人，博士后，副教授，從事鉆井、采油、海洋工程以及煤層氣開采方面的科研和教學(xué)工作，E－mail：zhouwd1591＠163.com。