关于径向水平井钻井技术的研究

张军

引言：本文分别从基础研究、发展现状、关键技术等多方面对径向水平钻井技术进行了研究。在基础研究方面，主要介绍了钻杆焊接、选材、试验台架、试验型转向器系统等工作；在关键技术方面，介绍并研究了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。最后提出了径向水平井钻井技术的现存问题以及未来发展趋势。

径向水平井钻井技术适合开发低渗透油田、浅油层、稠油地层和薄油层，能够横向钻开垂直油藏裂缝，并减少或避免气锥和水锥现象的产生。径向井眼长度一般为8～46米，由于不同的地质情况和开发工艺的不同，经统计发现，通常垂直井产能提高为2—10倍，平均原油增产约为2—4倍。

一、径向水平井钻井技术介绍

径向水平井钻井技术是指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。

其技术系统由地面设备和井下工具系统两部分组成。地面设备包括作业机、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。井下工具系统有段铣工具、扩孔工具、径向水平井钻井工具。

径向水平井钻井技术的核心是段铣工具和扩孔工具，这两项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：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操作流程：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。

二、径向水平钻井技术基础研究

1.钻杆选材

由于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，同时满足内部承受约70mpa高压，对钢管进行调研和试验分析后，优选出一种国产无缝钢管作为径向水平井的钻杆。经过100mpa水压试验和55mpa系统压力实验下，管体未出现裂纹和渗漏，同时可反复通过转向器7次以上，完全可满足径向水平钻井要求。

2.钻杆、钻头焊接

出厂的无缝钢管单根长度为5-9m，需对其进行加长以满足径向水平井钻井的需要。采用钨极氩弧焊（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，焊缝的综合机械性能达到母材钢管的性能。可以满足径向水平井钻井打长距离径向井的需求。

3.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。

三、关键技术研究

1.z5型转向器系统研究

径向水平钻井系统关键部件是转向器，能够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0.3m，钻杆通过它可以作连续弯曲和伸出运动。

2.ydz5型转向器系统研究

该转向器是以套管单侧水力开窗为特点的。是单向弯曲的，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%。还具有施工周期短、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

ysz7型转向器适合于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。系统总阻力减小，持续工作性能提高，可实现机械竖起也可液压竖起，刚度和强度提高2倍以上，适应恶劣工况能力强。

4.射流钻头研究

径向水平井需要进行高压水射流钻井，为满足其要求，我们进行了高压水射流破岩机理和射流钻头的研究工作。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结构，这种结构的钻头有以下两项优点：①钻头内部呈锥形收缩，能够加速通过的射流液；②将导流叶片装在钻头后部，可将钻杆内直线运动的流体质点变为螺旋运动。

5.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，还做了大量的辅助配套研究工作，主要包括：

（1）地面试验送进控制系统的研制

（2）井下液压运动控制器和机械运动控制器的研制

（3）70mpa井口装置和井口密封的研制

（4）70mpa井底密封的研制

（5）51/2”和7”套管两种规格，多种不同类型的锚定器的研制

（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

四、结论与展望

经过多年的研究，目前国内石油行业已经基本形成以套管开窗、扩槽和套管段铣、旋转扩孔工艺为基础的两种径向水平钻井系统，开拓了高压磨料水射流和高压清水射流两种破岩的工艺方法。在今后径向水平钻井技术发展方面，应从继续改进和完善现有径向水平井钻井技术，优化研究径向水平井油藏工程技术，发展磨料射流和清水超高压射流破岩技术等方面努力改进，不断提高钻井的经济性。