水力径向流钻孔关键技术及试验

刘永 付颖 冯昕媛 谢贵琪 周喜元

摘 要：水力径向流钻孔技术是一种低成本微小井眼水平井钻井技术，近几年在国内外得到了广泛应用。本文对水力径向流钻孔的关键技术进行了研究，研制了相关的井下工具，包括定深和定向工艺及工具、套管钻孔工艺及工具、喷射钻进工艺及工具，并进行了室内试验。试验结果表明，对不同壁厚和钢级的套管，仅需3～5min即可钻透;不同类型的喷头在一定的压力和流量下都能实现喷射破岩，但多孔喷头喷射破岩效果较好，成孔直径大。根据现场试验结果，形成了新的水力径向流钻孔工艺，即“一趟钻钻穿套管和水泥环+地层喷射”工艺，与原来的“套管钻孔+水泥环+地层喷射”工艺相比，新工艺提高了水力径向流钻孔的效率和成功率。

关键词：水力径向流钻孔;定深和定向;套管钻孔;喷射破岩;试验

1、水力径向流钻孔关键技术及工具

水力径向流钻孔工艺包括三个方面，一是定深和定向，基于地质的特殊要求使钻孔方位对正指定方位或多个钻孔的方位与基准方向成一定夹角，目的是提高油气藏纵向动用程度，避免高含水，或者定向增注等;二是将套管钻孔;三是在地层中喷射钻进[1]。为实现这三个目的，水力径向流钻孔技术需要的设备及工具包括地面设备和井下工具两部分。地面设备包括油井作业设备、连续管设备、地面高压泵组及其供液系统;井下工具包括定位导向工具、套管钻孔工具和喷射钻进工具等，井下工具是水力径向流钻孔技术的关键。油井作业设备主要用于起下油管和井下定位导向工具;连续管设备主要用于起下套管开窗工具和喷射钻进工具，并为井下工具提供高压流体通道;高压泵组用于为井下开窗和喷射工具提供动力。

1.1定位导向技术及工具

定位导向技术用于确定储层的深度及方位位置，为套管钻孔及喷射钻进工具提供转向通道，实现90°转向，以便工具垂直套管进入地层，同时为水力径向流钻孔提供作业平台。定位导向工具包括锚定换向器、导向器、扶正器。

导向器的导向轨道设计是关键，由于受套管直径的限制，套管内径越小，导向器转弯半径越小，设计难度越大。导向轨道受套管直径、套管钻孔直径等影响，需要对轨道曲线进行优化，以满足需要。研制的导向轨道，可以用于外径139.7 mm及以上尺寸套管开窗需求，钻孔直径22-28mm。

1.2套管钻孔技术及工具

套管钻孔技术是工具连接连续管通过油管内下入至导向器，万向节和钻头通过导向器的导向轨道将钻头方向转变垂直套管方向，连续管与地面高压泵组相连，开启高压泵，高压流体驱动螺杆旋转，从而带动万向节和钻头转动，切削套管。套管钻孔工具包括钻头、万向节、钻压控制器和螺杆钻具等。

1.3喷射钻进技术及工具

喷射钻进技术基于水力破岩原理，利用高压水射流破碎岩石，形成直径 25～50mm的小孔。喷射钻孔工具包括过滤器、高压软管、喷头和护筒。工具上端与连续管相连，利用连续管将工具系统通过导向器送到套管钻孔位置，开启地面高压泵组，高压水射流由喷头喷出，具有喷射地层和提供前进动力的作用，形成自进能力。

2、室内试验

2.1套管钻孔试验

为验证研制的套管钻孔工具的性能和效果，开展了套管钻孔室内试验。试验采用139.7mm套管，套管钢级P110和N80，壁厚10.54mm和9.17mm。套管钻孔试验共进行7次，试验结果表明：钻孔工具性能稳定，参数合理，钻透的套管。钻孔速度是目前国外技术的8～10倍。

喷射破岩与钻进试验为验证喷射工具的性能和破岩效果，对研制的喷射工具进行了室内试验，包括喷射破岩试验和喷头自进试验。主要是为了通过试验确定能够高效破岩的喷头结构和水力参数。

（1）喷射破岩试验

通过对不同靶件的钻孔对比试验，两种喷嘴显示出不同的特点。多孔喷嘴水力损失小，效率高，各孔定位加工要求精确。但因多股组合射流，在轴截面上流速分布不均性，钻硬地层时钻孔截面形状呈齿轮状，容易对喷管送进形成卡阻。旋流喷嘴射流分布均匀，钻孔截面形状圆整，但其水流压能转化为动能分两次进行，局部压力损失大，效率低，且旋流喷嘴导流芯体加工复杂。

（2）喷射钻进试验

喷射自进试验主要是测试喷头的自进牵引力，以确保喷射钻进时喷头在破岩的同时，能够带动喷射系统移动。喷射钻进依靠自进式喷射钻头为钻进提供牵引动力。喷射钻进喷嘴包含前后射流两部分，射流基本速度相当时后向射流流量大于前向射流流量，后向喷射反力与前向喷射反力差值即为牵引动力。喷射钻头受流体输送管道流量—压降特性的限制，前后流量分配需要兼顾喷射破岩钻孔能力和自牵引能力。喷射钻进工具的钻进速度由地面下放连续管速度控制，一般情况下保持连续管下放速度与钻头射流破岩钻进速度平衡。

3、现场试验

现场实施水力径向流钻孔工艺试验6井次，其中油井4井次、水井2井次，共完成34个孔，钻孔成功率85.3%（钻深大于20m），平均孔长32.1m，最大孔长35.8m，达到国内领先水平。施工完的6口井取得了一定的增产增注效果，证明该工艺能增大井眼的泄流面积，提高地层导流能力，提高油井产量、降低注水压力。在保证钻孔深度的前提下，径向钻孔工艺由原来的“套管钻孔+水泥环+地层喷射”三趟工艺，变为“一趟钻钻穿套管和水泥环+地层喷射工艺”两趟工艺，减少了作业时间，节约了作业成本。

4、结论与建议

（1）水力径向流钻孔技术的关键是定位导向技术、套管钻孔技术和喷射钻进技术。研制了水力径向流钻孔配套工具，包括定位导向工具、套管钻孔工具和水力喷射工具。

（2）室内试验结果表明，研制的套管钻孔工具3～5min可以钻透套管，为了保证现场施工时套管成功开窗，钻进时间控制在40min以上，井下钻孔的钻头必须一次一换新。

（3）针对泥质砂岩储层，岩质均匀，旋转喷嘴可钻性好，成孔完整;针对非均质性储层，夹层坚硬，旋流喷嘴钻进夹层时破岩成孔效率低，多孔喷嘴前向流量较大，可以钻穿夹层。

（4）根据现场试验结果，形成了新的水力径向流钻孔，由原来的“套管钻孔+水泥环+地层喷射”工艺，变为“一趟钻钻穿套管和水泥环+地层喷射工艺”，提高了水射流径向钻孔的效率和成功率。

[参考文献]

[1]张毅，李根生，熊伟.高压水射流深穿透射孔增产机理研究[J].石油大学学报，2004，28（2）：38-41.

作者简介：

刘永（1986-），男，工程師，现主要从事压裂酸化工艺研究及应用等工作。

基金项目：中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“柴达木盆地建设高原大油气田勘探开发关键技术研究与应用”（编号：2016E-01）。

中国石油青海油田分公司 钻采工艺研究院  甘肃敦煌  736202