超短半径水平钻井技术

石油大学（华东）石油工程学院一、超短半径水平井钻井技术特点二、超短半径水平井钻井技术的发展历史与现状三、超短半径水平井钻井工艺技术及设备四、地面及现场试验五、超短半径水平钻井技术的发展前景六、目前存在的技术难点方法曲率半径米井眼长度米完井超短曲率半径0.23～0.330～60射开油管或砾石填充短曲率半径6～12,10～6015～210裸眼或割缝衬管中等曲率半径90～150,60～280150～450裸眼或割缝衬管长曲率半径180～600,280～860300～900割缝衬管或选择性完井水平钻井方法分类超短半径水平井钻井技术概念超短半径水平井是指曲率半径远比常规的短曲率半径水平井更短的一种水平井，也称之为“超短半径径向水平井”，其英文名称为“UltrashortRadiusRadialWell”，完成该水平井的钻井系统称之为“UltrashortRadiusRadialSystem”，简称URRS，其组成及所钻出的水平井的典型分布情况见以下图示。典型的径向水平井分布示意图①套管⑤径向井眼④油层③井下扩眼区②地层径向井眼剖面图一、径向水平钻井技术特点采用高压水射流代替机械钻头破岩钻出水平井眼；钻进时不需要钻柱和钻头的旋转，减少了井下复杂事故的发生；靠液体静压推进，不需要通过钻杆给钻头施加用以破岩的“钻压”，从而彻底解决了常规水平井钻井技术所遇到的钻压施加困难；采用特殊的井下斜向器，定位准确，一次性定向。避免了常规各种曲率的水平井钻井技术所需要的频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，并能保证水平井段准确地进入目的层；地面设备简单，钻井施工操作方便，机械钻速高，建井周期短，经济效益显著。技术优势老井改造(辐射状水平井使老井更新、死井复活，开采残余油气）；穿通分隔的垂直裂缝；大大提高薄油气层产油气的能力；有利于低压、低渗油层的重力排油；可提供更高的注水效率；在热力驱油中能更有效和经济地传播热量，并可方便地实现不间断地蒸汽吞吐。径向水平钻井过程示意基本工艺过程磨铣套管(1．5へ3米长)；扩大井眼（直径约0．6米）；下入斜向器，用井下锚定器定位；下人生产管(钻杆)及水力破岩钻头；钻进（调整钻进参数，控制钻进速度）；轨迹控制（测量、调节）；完井作业斜向器回收完井作业用电化学方法切割掉钻头；进行砾石充填作业；沿水平井段的生产管进行电化学射孔；下入柔性割缝衬管或滤网；割断生产管。或将钻杆拉回，裸眼完井或砾石充填完井。二、发展历史与现状美国、苏联、法国、罗马尼亚、日本、加拿大等国；1929年、美国、得克萨斯州；–两个长约7米的5-1／4″水平排液井眼–采油速度从原来的大约1.5桶／天提高到60桶／天五十年代末和六十年代初期取得了很大的进展；六十年代后期和七十年代出现停滞；八十年代以后新发展。近年的发展法国埃尔夫公司埃索公司德士古加拿大资源公司美国的DonHolbert排液井公司NotonChristerson排液井服务公司TexasEasterDrillingSystem公司Arco石油与天然气公司EastmanWhipstock典型的柔性造斜钻具组合①柔性钻挺②轴承密封②不旋转的柔性壳体④旋转⑥外径3-3/4''不旋转Becwell水平钻井系统（Bechte1和Petrophysics公司）特殊的井下斜向器，轨道半径0.3米；高压射流破岩钻头；水平井眼直径为4〃；水平段长度为30～60米；同一层面上可钻24口辐射状的水平井；垂直井深一般在5～600米之内。三超短半径水平井钻井系统及工艺斜向器在0.3米的半径内使生产管迅速从垂直方向转向水平方向；确保钻头准确地进入薄地层，钻至合适的位置；尽量减小扩眼直径；保证生产管的变形在允许范围内。斜向器钻杆弯曲轨迹图钻杆曲率单调变化段受力分析图组号管内外压差水平送钻阻力F2轨道摩阻系数计算值F1(kN)实测值F1(kN)132MPa00.1616.2218250MPa2.5kN0.0815.9918355MPa2.6kN0.0815.8017轨道送进阻力的计算值与实测值比较ASME606与国产20#低碳合金钢的性能参数对比表材料屈服强度断裂强度延伸率ASME606-Ⅳ483Mpa640MPa30%20#碳素结构钢245Mpa410MPa25%ASME606-Ⅳ连续管性能参数表外径壁厚轴向拉伸极限抗内压极限1.25”3.4mm170kN98MPa转向器及锚定装置转向器规格：3m×Ø110mm转向半径：0.3m锚定器规格：1.2m×Ø110mm水力破岩钻头以较小的射流压力和排量高速破岩；形成一个较大截面积的规则井眼；具有足够长的使用寿命。多喷嘴组合钻头。单喷嘴旋转射流钻头。多喷嘴锥形射流喷嘴钻杆喷头喷嘴导向元件旋转射流井底圆锥回流凸锥井底流场UV矢量放大图轴向速度切向速度径向速度射流扩展角随旋流强度的变化规律破碎坑直径随泵压的关系•泵压相同时，旋转射流的钻孔直径比普通射流的钻孔直径高出许多倍。•随泵压升高，旋转射流的钻孔直径增加幅度要比普通射流明显的多。（1）、（2）--不同旋流强度的钻头（3）--旋流强度为零的钻头破碎坑深度随泵压的关系•门限压力降低40％以上；•破岩深度大;•破岩体积增大上百倍。（1）、（2）--不同旋流强度的钻头（3）--旋流强度为零的钻头速度控制机构第一代URRS系统使用了缆绳控制装置通过缆绳可控制和实时监测生产管(钻杆)的运动速度和钻头位置。油管生产管密封环方向控制机构靠对生产管(钻杆)前进的速度和高压水排量进行控制而达到控制。侧推喷嘴式方向控制机构。电化学射孔电化学腐蚀原理使生产管与产层连通，形成永久的水平油气通道这种射孔器除具有切断生产管，将生产管回收孔口边缘整齐无毛刺，无冲击振动等优点。完井技术防止径向水平井眼的井壁坍塌防止产层出砂下柔性衬管砾石充填–第一步，正循环充填。大约只能完成水平井眼环空容积的70へ80%的砾石充填。–第二步，反循环充填。直到填满整个环形空间为止。①扩眼区；②垂直割缝衬管；③尾部滤网；④射有孔的生产管；⑤砾石充填；⑥切断生产管；⑦柔性割缝衬管；⑧射孔孔眼；⑨前端滤网；⑩钻头径向水平井砾石充填完井示意图柔性防砂衬管安放四、地面及现场试验1、地面模拟试验在石油大学地面联机试验旋转射流破岩钻孔试件岩样：灰褐砂岩可钻性指数Kd：4尺寸：0.6×0.6×0.6m泵压：55MPa排量：7-8l/s喷嘴直径：6mm钻孔直径：90-120mm钻孔深度：0.6m钻进速度：10.7m/h在中原油田地面试验2、现场试验辽河油田–试验日期：97年8月22日–试验地点：锦45-04-19井南阳油田–试验日期：98年11月3日–试验地点：古2206井检验转向器及辅助系统的技术性能验证水射流钻头破岩钻进的能力和寿命检查全套技术工艺的可行性和可靠性目标：在生产层（1010.6～1016.3米）钻出直径为Ф70～110mm长度为10～15米的水平井眼实验目的原井条件稠油井92年8月投产97年3月停产原井初产量：油30t/d,水2t/d关井前产量：油0.3t/d,水4.5t/d油层套管：177.8mm×8.05mm×1095.57m射孔径段：1010.6m～1035.5m多套油层钻进目的层：1010.6m～1016.3m单油层目的层直井井斜：10°～12°模拟井水力参数计算实例井深:1000米油层套管:7寸钻井液黏度:5厘泊密度:1.04克/立方厘米喷嘴直径mm排量l/s循环压耗MPa钻头压降MPa喷射速度m/s地面泵功率kW钻头水功率kW利用率%6.29.205.6159.59304.88600.00548.3291.406.49.756.3058.90303.23635.70574.2890.336.610.307.0458.16301.33671.82599.2889.206.810.867.8257.38299.30708.33623.5988.037.011.438.6656.54297.15745.11646.2086.72实验参数及结果泵压55～65MPa；排量约为10l/s;钻进时间：1小时40分钟；平均钻速9.55m/h，最高钻速达到12m/h；水平井眼的直径大约在130mm以上。完成长度为15.86米；裸眼完井钻杆回拉力为25kN。五、超短半径水平钻井技术的发展前景提高原油采收率薄油层、稠油层、低渗透油气层、裂缝性油气层老井改造–美国和加拿大100000口老井日产仅为0.5～2米3，提高产量5～20倍–我国东部油田上万口老井，产量极低，甚至绝产，提高产量5～8倍辐射井眼完井六、目前存在的技术难点扩孔尺寸大、难度高、代价高。目前正试验用磨料射流代替机械方法扩孔。深井、硬地层钻进困难。磨料射流破岩钻进。径向井眼的测量及轨迹控制问题，目前尚未解决。完井方法和相应的技术研究尚未有突破。两种磨料混合方式的比较前混合磨料切割装置磨料射流切割套管及扩孔谢谢！