微小井眼徑向鉆孔技術研究新進展及分析

黃志強, 陳 勛, 施連海, 童 鑫, 劉明濤, 佟德水, 王 諺

(1中國石油長城鉆探工程公司工程技術研究院 2中國石油遼河油田公司鉆采工藝研究院 3中國石油渤海鉆探工程公司定向井技術服務分公司 4中石油川慶鉆探公司鉆采院)

徑向鉆孔技術是指在超短半徑內完成垂直到水平的轉向，并在原井筒不同深度和方向鉆出多個微小徑向井眼(?30 mm～?80 mm)，有效增大泄流/波及半徑，提高油藏動用程度和采收率。該技術的工藝原理簡單，其核心在于實現該工藝的兩大關鍵技術：一是套管開窗技術，要求快速有效建立連通地層的窗口；二是微小井眼鉆進破巖技術，要求柔性鉆管在超短半徑內能實現轉向并有效破巖，且不斷向前延伸形成徑向孔眼。

目前該技術在老區剩余油挖潛、低滲油藏開采和煤層氣開發等方面應用，已初步展示出了諸多優勢[1]。但隨著應用的不斷深入，油藏類型和井下工況日益復雜，特別是深井對技術的要求越來越高。近幾年國內外積極開展了相關研究，改進完善了核心工具系統和配套設備，同時引入了新的理念，開發了新一代技術，取得了一些重要的新進展，大大提高了施工可靠性、效率和適應性。

一、技術概況及存在問題

目前徑向鉆孔技術根據套管開窗方式不同，主要可分為段銑開窗型和銑孔開窗型。

1.段銑開窗型及存在問題

20世紀70～80年代，美國人Wade Dickinson提出了徑向水平鉆井的技術概念，其所在的Petrophysics公司在Bechtel投資公司支持下，成功研制出了套管段銑型徑向水平鉆井系統。該套技術的工藝原理[2]：首先在油氣井的預定深度對套管進行段銑，再利用大直徑的擴眼鉆頭對段銑后的井眼進行擴徑(630 mm以上)，然后下入錨定轉向器，通過液壓或者機械的方式使轉向器沿預定的方位支起，柔性鉆管在液壓作用下，經轉向器90°彎曲后進入地層，高壓射流破碎巖石并清洗井眼，最終形成徑向水平井眼。

段銑開窗型徑向鉆孔技術存在的主要問題是為給導向器制造工作空間，需進行套管整體段銑和大直徑擴孔，施工較為復雜、效率較低、成本較高，使得該類型技術應用上受到了較大限制[3]。

2.銑孔開窗型及存在問題

2000年以后，以美國Maxim Tep、RDS等公司為代表，進行了銑孔開窗型徑向鉆孔技術的研究。與早期徑向鉆井技術相比，新技術工藝中使用了新型的導向器，無須再進行套管段銑和擴眼兩個費時的工序，而是直接在套管上銑孔，然后進行水平段井眼鉆進，使得作業效率得到大幅提高。套管開窗工具和高壓噴射工具是該套技術的兩大核心。從工具組成來看，套管開窗工具由小尺寸螺桿馬達、萬向節和開孔鉆頭組成；高壓噴射工具由高壓噴射軟管和自進噴頭組成。自進噴頭具有前后開孔結構，當地面向連續油管內泵入高壓流體，在噴頭處噴出高速流體，前向噴嘴用于沖蝕破巖，后向噴嘴推動噴頭在地層中前行[4]。

銑孔開窗型徑向鉆孔技術由于采用結構簡單、尺寸小的轉向器在套管內完成作業，省去了大直徑擴孔，作業效率高，近年來應用規模不斷擴大。其普遍采用萬向節傳動方式進行開窗，但是在應用中暴露出高鋼級厚壁套管開窗困難；同時，由于完全依靠純水力噴射，為保證噴射頭的自進力，噴射頭正向用于破巖的能量有限，導致在硬地層中破巖效率極低甚至根本無法有效噴射鉆進[3-5]。

二、研究新進展

鑒于徑向鉆孔技術高效低成本的優勢，國內外相關公司根據現場應用反饋，積極開展了相關的改進和一些研究，具體如下。

1.段銑開窗型新進展

為簡化施工程序，加拿大Petrojet公司(原Petrophysics公司)對導向器進行了改進。改進后的導向器可在井下套管內直接完成轉向，其出口中心線與水平方向有一定夾角，曲率半徑在3～11 m之間可調整，如圖1所示。目前套管開窗仍采用段銑方式，由于使用改進后的導向器，可省去擴孔等工序，提高了作業效率[6]。

圖1 新段銑開窗型(不擴孔)徑向鉆孔示意圖

地層鉆進仍采用高壓水力噴射破巖，使用的鋼管尺寸為?31.75 mm。該鋼管擁有良好的柔韌性和強度，既可以實現轉向，又能延伸進入儲層。當朝某預定方向進行地層鉆進時，通過鋼管的剛度和已知曲率半徑，可以合理確定噴頭位置。同時，配套了功率達1 492 kW的大排量高壓泵和大尺寸傳輸系統，以傳遞足夠的能量到地層，破巖形成泄流通道。

PetroJet公司現場應用的巖性包括煤層、砂巖、碳酸鹽巖、泥巖和未膠結含油砂砂巖等，施工井深最深達1 750 m，噴射孔眼孔徑約63.5 mm左右，孔眼長度幾米到20 m。單井創造了最多82個分支孔眼的記錄，每孔長度均為7 m。

2.銑孔開窗型新進展

圍繞提高該類型徑向鉆孔技術的可靠性和適應性，相關單位對關鍵技術和配套工具及裝置進行了改進和技術創新，具體如下。

2.1 自推進旋轉噴射

Welljet公司采用鉆井液驅動萬向節帶動合金鉆頭進行套管銑孔開窗，起出開窗鉆頭后，導向器留在原位置，然后下入噴射工具進行高壓自推進噴射鉆進地層。

在套管開窗方面，為便于判斷套管是否鉆穿，在開窗鉆頭上改進設置了一銅環，通過磨痕判斷套管開窗情況[7]。在噴射鉆進方面，為解決普通噴嘴在灰巖、白云巖等硬地層施工的難題，研制了一種自推進旋轉噴頭，如圖2所示。該旋轉噴頭在高壓流體的作用下由于正向偏心噴嘴的偏心作用使噴頭旋轉，轉速可達18 000 r/min，噴頭后向噴嘴用于提供自進推力，從而實現了自推進旋轉噴射鉆進[8]。同時配套了最高壓力達140 MPa的高壓柱塞泵，以提高地層破巖能量和效率。

圖2 自推進旋轉噴頭

2.2 地面推進旋轉射流

國外ZRL公司采用與常規鉆井類似原理，研發了一種徑向鉆井系統[9]。其中，套管開窗工具系統主要由套管鋼塞和萬向節等組成。工作時與導向器(出口中心線與水平方向有一定夾角)配合，通過地面頂驅設備驅動，空心桿傳遞扭矩和鉆壓給萬向節及套管鋼塞，進行套管銑孔開窗，開窗孔徑達38.1 mm。

地層鉆進工具系統主要由內部旋轉噴頭和高壓柔性管等組成。工作時，地面泵入高壓流體(施工壓力最高可達140 MPa)，在旋轉噴頭處形成旋轉射流破巖，鉆壓從地面通過空心桿施加到軟管上傳遞給噴頭，而不是利用水馬力拖動軟管。地層噴射孔眼孔徑為50.8 mm，單支鉆進長度15 m,該系統采用標準修井機即可，不需使用連續油管設備。

2.3 鉆進管串全旋轉

長城鉆探工程技術研究院自2008年開始，一直致力于銑孔開窗型徑向鉆孔技術的自主研究與應用。近年針對高鋼級厚壁套管，研發了一種新型開窗工具[10]，如圖3所示。與常用的萬向節傳動開窗不同，其采用扭矩傳遞和切削進給相互分離結構，提高了套管開窗施工的可靠性，開窗孔徑更大，此外還可實現開窗狀態的實時顯示。

圖3 新型開窗工具

同時在前期高壓噴射鉆進系統的基礎上，針對硬地層研發了鉆進管串全旋轉的微孔旋轉鉆進工具系統，主要包括井下動力馬達、柔性鉆管和破巖鉆頭等。其采用水力機械聯合破巖，提高了破巖能力。此外，研制了適合纜繩作業的配套井下工具系統，可實現利用纜繩起下鉆進工具，相比使用連續油管，簡化了施工設備，提高了施工效率。

目前在遼河、新疆等油田已現場應用50余口井，單井最多達21個孔，高壓軟管噴射最長達100 m，旋轉鉆進單孔最長達20 m，應用效果良好。例如齊X長停井中，在原產層實施6個徑向井眼后日產油由措施前0 t提高到了6.3 m3，甚至超過該井新井投產日產量；陸X注水井，在原層實施6個徑向井眼后，注入壓力由措施前8.6 MPa降低到4 MPa；雷X井是遼河油田首次在探井中用徑向鉆孔代替常規射孔配合壓裂儲層，以利于造復雜縫進而改善儲層改造效果，實施了13個徑向孔眼后壓裂，初期日產油30.4 m3，連續正常生產410 d，累計產油3 430 m3，為目前該致密油區塊改造效果最好的一口井。

2.4 裸眼井魚骨分支鉆孔技術

魚骨分支鉆孔技術是近幾年國外發展起來的一項新型快速鉆孔完井增產技術，由挪威Fishbones公司提出并率先研發成功。該技術完井時將專用井下魚骨鉆孔工具隨完井管柱一次下入，在裸眼井中通過地面向完井管柱內打壓，所有分支在4～5 h內同時形成，最終形成一個從主井眼伸出的、分支眾多的魚骨式完井結構[11]。

針對不同巖性，該公司先后開發了噴射型和旋轉鉆進型兩種工具系統，如圖4和圖5所示。

圖4 噴射型魚骨鉆孔工具

圖5 旋轉鉆進型魚骨鉆孔工具

噴射型魚骨鉆孔工具每個工具短節內安置有4根互成90°的噴射管，每根噴射管前端帶噴射頭。在內外壓差的作用下，推動噴射管向外進入地層，噴射頭噴出高速流體。針對碳酸鹽巖儲層，采用酸性流體通過酸化和高壓水射流形成各分支孔眼；針對煤層氣、油砂等松軟地層，采用鉆井液循環方式，實際利用磨料射流原理破巖。旋轉鉆進型魚骨鉆孔工具每個工具短節內安置有3根互成120°的鉆進管，每根鉆進管前端帶微型鉆頭。當完井管柱下至預定井深后，以一定排量循環鉆井液，內部渦輪提供動力，驅動鉆進管和前端微型鉆頭旋轉鉆進破巖，該方式可用于砂巖等多數地層。

目前，該技術已在挪威、美國、中東海上等多個國家和地區現場試驗了十余口井，初步展示出了良好的應用效果和前景。

2.5 技術對比與分析

目前各典型徑向鉆孔技術服務商的套管開窗、地層鉆進和配套設備等情況，如表1所示?？梢钥闯觯孩佥^之套管段銑方式，銑孔開窗方式作業效率高、有利于保持套管完整性，目前多數均采用銑孔方式進行套管開窗；②部分公司研制的導向器，通過減小轉向角度，降低了鉆進管的轉向難度；③通過增大地面泵壓，可提高破巖能量，但對設備和工具系統要求高；④采用旋轉噴射和旋轉鉆進，通過改變破巖方式，可提高破巖能力；⑤采用“鋼管”類作為鉆進管，鉆進長度一般在幾米到20 m之間；⑥部分公司通過技術創新，降低了施工泵壓和對配套設備的要求，進一步降低了作業成本。

表1 各類徑向鉆孔主要指標

三、結論及認識

(1)較之套管段銑方式，銑孔開窗方式優勢明顯。但如何確保銑孔開窗工具的可靠性，有效鉆穿套管(特別是高鋼級厚壁套管)是整套技術現場實施的前提和關鍵。

(2)國外徑向水平井技術的配套設備及工具齊全，尤其是擁有相對豐富的含硫油氣井、水平井等復雜井的作業經驗，因此建議應加強自主技術的設備配套與完善，拓展技術適用范圍。

(3)魚骨分支鉆孔技術可在裸眼井中大幅增大儲層泄油面積，具有作業周期短、成本低等特點，在裂縫型、低滲等油藏具有良好的應用前景。作為新一代徑向鉆孔前沿技術，建議應盡快開展該技術的自主研究。