徑向水平井技術(shù)發(fā)展及工具特點(diǎn)

(長城鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010)

在鉆完井及修井等過程中，地層不可避免地都將受到鉆井液及固井水泥漿的傷害，造成近井地帶滲透率下降，形成污染帶。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，鉆完井井壁周圍的污染帶深度為600～1 200 mm。

目前，射孔完井是國內(nèi)外使用較為廣泛的完井方法。常規(guī)的炮彈射孔完井過程中存在3個方面的主要問題：

1) 由于聚能穿甲彈能力所限，射入地層的深度較淺，約為500～1 000 mm[2]，不能有效穿越近井污染帶。

2) 存在壓實(shí)效應(yīng)，導(dǎo)致壓實(shí)區(qū)的巖石滲透率下降75%～70%[3]。

3) 炮彈射孔易引起套管和環(huán)空水泥環(huán)的破壞。

徑向水平井技術(shù)可以從井眼向儲集層徑向鉆出長達(dá)50～100 m的生產(chǎn)流道，可以穿透污染帶以及成倍增加泄油面積。該技術(shù)具有周期短、成本低優(yōu)勢，主要用于新井完井及老井增產(chǎn)作業(yè)，以提高油氣單井產(chǎn)量。

1 超短半徑徑向水平井技術(shù)發(fā)展過程

1980年起，Bechtel投資有限公司和石油物理有限公司開始研究新型鉆井技術(shù)，即最初的徑向水平井技術(shù)，于1985年正式提出。該技術(shù)不同于常規(guī)水平井工藝，在直井中定位并向目標(biāo)層位鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)彎半徑小。這種鉆井系統(tǒng)轉(zhuǎn)向彎道擴(kuò)孔直徑達(dá)1.22 m，擴(kuò)孔難度大。1989年出現(xiàn)了Ⅲ型轉(zhuǎn)向器，采用雙向彎曲形式，使得井下擴(kuò)孔直徑減小到0.61 m，降低了擴(kuò)孔難度。20世紀(jì)90年代初，我國研制出Z5型轉(zhuǎn)向器，是典型的Ⅲ型轉(zhuǎn)向器，如圖1所示。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了液力轉(zhuǎn)向器的研究[4]，如圖2所示。目前，徑向水平井技術(shù)不需要對井眼進(jìn)行擴(kuò)孔，直接在原井眼內(nèi)下入工具系統(tǒng)，沿其徑向?qū)嵤┿@進(jìn)。

1—柔性鋼鉆桿；2—轉(zhuǎn)筒；3—提升側(cè)板；4—執(zhí)行機(jī)構(gòu)；5—錨定器；6—執(zhí)行機(jī)構(gòu)；7—高壓管柱。圖1 Ⅲ型轉(zhuǎn)向器示意

1—柔性鋼鉆桿；2—轉(zhuǎn)筒；3—提升側(cè)板； 4—復(fù)位彈簧；5—高壓底部密封；6—提升液缸；7—高壓管柱。圖2 液動式轉(zhuǎn)向器示意

2 徑向水平井工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

徑向水平井技術(shù)是針對目標(biāo)油層，利用套管開窗工具在套管壁上實(shí)施開窗；然后下入噴射軟管，利用高壓水力破巖作用進(jìn)行鉆進(jìn)，從而增加原井眼的泄流半徑，達(dá)到提高采油量的功能。徑向水平井一方面要滿足在套管內(nèi)實(shí)現(xiàn)垂直到水平的90°轉(zhuǎn)向，另一方面要鉆穿套管，以及在地層噴射鉆進(jìn)，工具系統(tǒng)如圖3～5所示。包括外管柱工具和內(nèi)管柱工具，其中內(nèi)管柱工具又分套管開窗工具和地層噴射鉆進(jìn)工具。

2.1 外管柱工具結(jié)構(gòu)及原理

外管柱工具如圖3所示。主要包括油管柱、轉(zhuǎn)向器以及錨定器。錨定器的作用是將轉(zhuǎn)向器及油管柱錨定到套管內(nèi)壁上，防止在套管開窗和地層鉆進(jìn)時轉(zhuǎn)向器發(fā)生偏移；轉(zhuǎn)向器功能實(shí)現(xiàn)萬向節(jié)和噴射軟管由垂直到水平位置的轉(zhuǎn)換；油管柱將轉(zhuǎn)向器和錨定器下入到油層位置。

1—錨定器；2—轉(zhuǎn)向器；3—油管柱。圖3 外管柱工具結(jié)構(gòu)

1—銑刀；2—轉(zhuǎn)向器；3—螺桿馬達(dá)；4—油管柱；5—連續(xù)管；6—液力加壓器；7—套管柱；8—減震器；9—萬向節(jié)。圖4 開窗工具結(jié)構(gòu)

2.2 套管開窗工具結(jié)構(gòu)及原理

套管開窗工具如圖4所示，主要由連續(xù)管、加壓器、螺桿馬達(dá)、減振機(jī)構(gòu)、萬向節(jié)以及開窗銑刀等組成[5]。螺桿馬達(dá)是開窗工具的原動設(shè)備，上端通過液力加壓器連接至連續(xù)管。連續(xù)管和地面高壓泵組相連，當(dāng)有流體經(jīng)過液力加壓器時，該裝置會給下端的開窗工具施加一個穩(wěn)定的鉆壓；螺桿馬達(dá)輸出端通過減振器與萬向節(jié)相連，萬向節(jié)底部連接開窗銑刀。導(dǎo)向器引導(dǎo)和限定萬向節(jié)，使其實(shí)現(xiàn)90°彎曲。減振機(jī)構(gòu)一方面能夠傳遞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，另一方面能夠吸收軸向震動，避免產(chǎn)生沖擊而損壞銑刀。

工作時，連續(xù)管下放開窗工具，直至萬向節(jié)進(jìn)入導(dǎo)向器；地面高壓泵向連續(xù)管注入動力液，動力液經(jīng)過液力加壓器后進(jìn)入螺桿馬達(dá)，驅(qū)動螺桿馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，帶動萬向節(jié)以及開窗銑刀轉(zhuǎn)動。銑刀[6]在一定鉆壓和轉(zhuǎn)速的作用下，切削套管，實(shí)施開窗。

2.3 地層鉆進(jìn)工具結(jié)構(gòu)及原理

噴射鉆進(jìn)工具如圖5所示，主要由連續(xù)管、過濾器、噴射軟管以及噴射鉆頭等組成。

過濾器功能是濾掉動力液中的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)堵塞噴射鉆頭。連續(xù)管下放鉆進(jìn)工具，直至噴射軟管和鉆頭穿過導(dǎo)向器和套管窗口，進(jìn)入油層。

地面高壓泵向連續(xù)管注入動力液，動力液經(jīng)過濾器和噴射軟管，進(jìn)入噴射鉆頭。鉆頭采用導(dǎo)向葉輪方式，在鉆頭本身不旋轉(zhuǎn)的情況下，水眼噴出的射流呈錐形[7]。旋轉(zhuǎn)射流破巖機(jī)理不同于普通射流，由于射流的空化，它不僅以正面沖擊力來破巖，同時還對被沖擊表面施加平行剪切載荷，使巖石表面發(fā)生破壞，與普通射流相比提高了射流的破巖能力和能量傳遞效率。

1—連續(xù)管；2—過濾器；3—噴射軟管；4—噴射鉆頭。圖5 鉆進(jìn)工具結(jié)構(gòu)

3 徑向水平井關(guān)鍵技術(shù)問題分析

3.1 套管開窗工具

在現(xiàn)場施工中，套管開窗工具最容易出現(xiàn)的問題是萬向節(jié)扭斷現(xiàn)象。

為解決這個問題，對十字滑塊萬向節(jié)進(jìn)行理論分析[8]，結(jié)構(gòu)如圖6所示。以單組十字滑塊為例，假設(shè)所取相鄰2個滑塊受導(dǎo)向器軌跡限制，形成夾角為α，在導(dǎo)向器內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，會出現(xiàn)2種極限狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 十字滑塊萬向節(jié)

當(dāng)萬向節(jié)處于圖7所示A狀態(tài)時，a點(diǎn)速度與b點(diǎn)速度相等，即：

va=vb

其中

va=ωi·L
vb=ωo·L·cosα

則

va=vb=ωi·L=ωo·L·cosα

得

ωi/cosα=ωo

萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)90°后到達(dá)B狀態(tài)，此時

ωo=vb·L=va·L·cosα=ωi·cosα

即

ωo=ωi·cosα

式中：va為a點(diǎn)的運(yùn)動速度；vb為b點(diǎn)的運(yùn)動速度；ωi為輸入軸的角速度；ωo為輸出軸的角速度；L為連桿長度；α為輸出軸和輸入軸角度差。

圖7 萬向節(jié)平面運(yùn)動簡圖

由以上分析可知，當(dāng)輸入節(jié)以等角速度ωi轉(zhuǎn)動時，輸出節(jié)的速度在ωi·cosα與ωi/cosα之間變化，且變換周期為90°。根據(jù)以上分析可以得知，螺桿勻速帶動萬向節(jié)轉(zhuǎn)動，進(jìn)行套管切削時，萬向節(jié)實(shí)際做的是變速運(yùn)動，即，在切削過程中萬向節(jié)受到交變載荷作用，故萬向節(jié)破壞形式是由交變應(yīng)力引起的疲勞破壞，且易發(fā)生在兩軸夾角α較大處，這與現(xiàn)場損壞時是一致的。

依據(jù)理論計(jì)算，解決方式：一方面轉(zhuǎn)向器軌跡盡量優(yōu)化，盡可能縮小α角；另一方面，軟軸材料及熱處理方式采用抗疲勞破壞為主的。

3.2 噴射鉆井軟管

鑒于軟管特征，其鉆進(jìn)時只能承受軸向拉力[9]，而不能承受推力，徑向井噴射鉆進(jìn)時軟軸的運(yùn)動機(jī)理為：

沿驅(qū)動方向的力F為

式中：A0為軟管內(nèi)橫截面積；Ai為噴嘴橫截面積；u0為在軟管中的速度；ui為在噴嘴中的速度；ρ為流體密度；φ為噴嘴的傾角；FR為軟管在水平井眼中行進(jìn)時的摩擦阻力。

當(dāng)軟管直徑、噴嘴結(jié)構(gòu)、流體密度及流體速度確定后，軟管行進(jìn)時的初始驅(qū)動力F基本確定，摩擦阻力FR隨著軟管在井眼內(nèi)的長度增加而變大，最終當(dāng)FR足夠大時，驅(qū)動力F下降為0，軟軸無法繼續(xù)行進(jìn)，噴射鉆進(jìn)結(jié)束。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，水力噴射破巖對松軟地層、煤層氣井的鉆進(jìn)具有顯著效果[10]，但對硬地層的鉆進(jìn)難度大。

4 國外硬地層徑向鉆孔技術(shù)

加拿大Penetrators公司近年來開發(fā)了一套MaxPERF工具系統(tǒng)[11]，如圖8所示。該套工具可從井眼向儲層中鉆出預(yù)定長度為1.82 m(72 in)的清潔泄油通道，穿越污染帶，形成清潔的近井帶高導(dǎo)流區(qū)。

4.1 MaxPERF工具技術(shù)原理

采用油管下入工具系統(tǒng)，通過不同的液壓控制，首先驅(qū)動磨銑部件在套管上鉆出一個?25.4 mm的完整孔，然后換位，將鉆進(jìn)導(dǎo)軌與套管上的孔對正，驅(qū)動水力馬達(dá)，帶動金剛石鉆頭和柔性鉆桿，穿過套管上的孔，進(jìn)入地層，鉆進(jìn)預(yù)定長度為1.8 m的泄流通道[12]。完成一個孔眼的鉆進(jìn)后，柔性鉆桿和鉆頭收回，工具磨銑部件和鉆進(jìn)部件都回歸初始位置，整個油管壓力降低到零。將工具系統(tǒng)調(diào)至下一孔眼的井深和方位，按照同樣的程序完成下一孔眼的施工。

圖8 MaxPERF徑向鉆孔工具系統(tǒng)入井現(xiàn)場

4.2 MaxPERF工具特點(diǎn)及應(yīng)用情況

該套工具系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1) 孔眼深，可形成長度1.8 m，直徑?17.8 mm的孔眼，超過污染帶，消除污染。

2) 無壓實(shí)效應(yīng)，采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破巖，可形成無污染、高標(biāo)準(zhǔn)的近井地帶導(dǎo)流區(qū)。

3) 對套管及環(huán)空水泥無損害，較之常規(guī)射孔的射孔密度，孔數(shù)小，一般不會造成套管強(qiáng)度受損，腐蝕相對緩慢，能延長油井壽命。

4) 施工周期短、效率高，工具1次下井可完成4～8個孔眼的施工，平均每個孔眼施工時間為10～20 min。

該技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1) 近井地帶污染井，可穿越污染帶。

2) 提高注水井、注汽井的注入量。

3) 用于裂縫性儲層或煤層氣井完井。

4) 用于無法進(jìn)行壓裂的薄層、薄夾層的補(bǔ)孔增產(chǎn)改造。

5) 用于難以壓裂或處理壓力過高井，起“造縫作用”。

6) 用于擠水泥堵水后，再次進(jìn)入產(chǎn)層等。

加拿大Penetrators公司利用MaxPERF工具系統(tǒng)在加拿大、美國和阿曼等國家已經(jīng)應(yīng)用了600多口井，見到了良好的油井增產(chǎn)和水井增注效果，平均增產(chǎn)增注1～3倍，最高可達(dá)10倍，展現(xiàn)出了該技術(shù)良好的發(fā)展前景。

5 結(jié)論

1) 目前國內(nèi)徑向水平井技術(shù)采用螺桿+萬向節(jié)+刀進(jìn)行套管開窗，和水力噴射破巖技術(shù)進(jìn)行地層鉆進(jìn)，在松軟地層具有良好效果，能有效提高原油產(chǎn)量。

2) 現(xiàn)場應(yīng)用時萬向節(jié)容易扭斷，通過理論分析發(fā)現(xiàn)萬向節(jié)破壞主要原因是交變應(yīng)力引起的疲勞破壞，這一點(diǎn)和萬向節(jié)實(shí)際破壞形式一致。應(yīng)采用優(yōu)選材料和優(yōu)化熱處理工藝的方式，提高工具的韌性，克服交變應(yīng)力載荷引起的破壞。

3) 水力噴射破巖技術(shù)在硬地層中的鉆進(jìn)難度很大，并且基于水力噴射破巖的技術(shù)特點(diǎn)，這一問題難以突破，在硬地層的推廣受到限制。

4) 國外MaxPERF工具系統(tǒng)采用半剛性鉆桿+金剛石鉆頭的鉆具組合和切削鉆進(jìn)技術(shù)，在硬地層施工方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，是徑向水平井技術(shù)的發(fā)展趨勢，但鉆孔長度需要進(jìn)一步提高。

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