水力徑向流鉆孔關(guān)鍵技術(shù)及試驗(yàn)

劉永 付穎 馮昕媛 謝貴琪 周喜元

摘 要：水力徑向流鉆孔技術(shù)是一種低成本微小井眼水平井鉆井技術(shù)，近幾年在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。本文對水力徑向流鉆孔的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研制了相關(guān)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(jìn)工藝及工具，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(shí)現(xiàn)噴射破巖，但多孔噴頭噴射破巖效果較好，成孔直徑大。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)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(huán)+地層噴射”工藝，與原來的“套管鉆孔+水泥環(huán)+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(guān)鍵詞：水力徑向流鉆孔;定深和定向;套管鉆孔;噴射破巖;試驗(yàn)

1、水力徑向流鉆孔關(guān)鍵技術(shù)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(zhì)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(zhǔn)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(jìn)[1]。為實(shí)現(xiàn)這三個目的，水力徑向流鉆孔技術(shù)需要的設(shè)備及工具包括地面設(shè)備和井下工具兩部分。地面設(shè)備包括油井作業(yè)設(shè)備、連續(xù)管設(shè)備、地面高壓泵組及其供液系統(tǒng);井下工具包括定位導(dǎo)向工具、套管鉆孔工具和噴射鉆進(jìn)工具等，井下工具是水力徑向流鉆孔技術(shù)的關(guān)鍵。油井作業(yè)設(shè)備主要用于起下油管和井下定位導(dǎo)向工具;連續(xù)管設(shè)備主要用于起下套管開窗工具和噴射鉆進(jìn)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(dǎo)向技術(shù)及工具

定位導(dǎo)向技術(shù)用于確定儲層的深度及方位位置，為套管鉆孔及噴射鉆進(jìn)工具提供轉(zhuǎn)向通道，實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向，以便工具垂直套管進(jìn)入地層，同時為水力徑向流鉆孔提供作業(yè)平臺。定位導(dǎo)向工具包括錨定換向器、導(dǎo)向器、扶正器。

導(dǎo)向器的導(dǎo)向軌道設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，由于受套管直徑的限制，套管內(nèi)徑越小，導(dǎo)向器轉(zhuǎn)彎半徑越小，設(shè)計(jì)難度越大。導(dǎo)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(jìn)行優(yōu)化，以滿足需要。研制的導(dǎo)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(shù)及工具

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

1.3噴射鉆進(jìn)技術(shù)及工具

噴射鉆進(jìn)技術(shù)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(hù)筒。工具上端與連續(xù)管相連，利用連續(xù)管將工具系統(tǒng)通過導(dǎo)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(jìn)動力的作用，形成自進(jìn)能力。

2、室內(nèi)試驗(yàn)

2.1套管鉆孔試驗(yàn)

為驗(yàn)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(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)共進(jìn)行7次，試驗(yàn)結(jié)果表明：鉆孔工具性能穩(wěn)定，參數(shù)合理，鉆透的套管。鉆孔速度是目前國外技術(shù)的8～10倍。

噴射破巖與鉆進(jìn)試驗(yàn)為驗(yàn)證噴射工具的性能和破巖效果，對研制的噴射工具進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，包括噴射破巖試驗(yàn)和噴頭自進(jìn)試驗(yàn)。主要是為了通過試驗(yàn)確定能夠高效破巖的噴頭結(jié)構(gòu)和水力參數(shù)。

（1）噴射破巖試驗(yàn)

通過對不同靶件的鉆孔對比試驗(yàn)，兩種噴嘴顯示出不同的特點(diǎn)。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(jìn)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(zhuǎn)化為動能分兩次進(jìn)行，局部壓力損失大，效率低，且旋流噴嘴導(dǎo)流芯體加工復(fù)雜。

（2）噴射鉆進(jìn)試驗(yàn)

噴射自進(jìn)試驗(yàn)主要是測試噴頭的自進(jìn)牽引力，以確保噴射鉆進(jìn)時噴頭在破巖的同時，能夠帶動噴射系統(tǒng)移動。噴射鉆進(jìn)依靠自進(jìn)式噴射鉆頭為鉆進(jìn)提供牽引動力。噴射鉆進(jìn)噴嘴包含前后射流兩部分，射流基本速度相當(dāng)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(jìn)工具的鉆進(jìn)速度由地面下放連續(xù)管速度控制，一般情況下保持連續(xù)管下放速度與鉆頭射流破巖鉆進(jìn)速度平衡。

3、現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場實(shí)施水力徑向流鉆孔工藝試驗(yàn)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(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。施工完的6口井取得了一定的增產(chǎn)增注效果，證明該工藝能增大井眼的泄流面積，提高地層導(dǎo)流能力，提高油井產(chǎn)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(huán)+地層噴射”三趟工藝，變?yōu)椤耙惶算@鉆穿套管和水泥環(huán)+地層噴射工藝”兩趟工藝，減少了作業(yè)時間，節(jié)約了作業(yè)成本。

4、結(jié)論與建議

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

（2）室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)場施工時套管成功開窗，鉆進(jìn)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(zhì)砂巖儲層，巖質(zhì)均勻，旋轉(zhuǎn)噴嘴可鉆性好，成孔完整;針對非均質(zhì)性儲層，夾層堅(jiān)硬，旋流噴嘴鉆進(jìn)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(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，形成了新的水力徑向流鉆孔，由原來的“套管鉆孔+水泥環(huán)+地層噴射”工藝，變?yōu)椤耙惶算@鉆穿套管和水泥環(huán)+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(xiàn)]

[1]張毅，李根生，熊偉.高壓水射流深穿透射孔增產(chǎn)機(jī)理研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，28（2）：38-41.

作者簡介：

劉永（1986-），男，工程師，現(xiàn)主要從事壓裂酸化工藝研究及應(yīng)用等工作。

基金項(xiàng)目：中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“柴達(dá)木盆地建設(shè)高原大油氣田勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號：2016E-01）。

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