水力喷射径向水平井技术研究现状及分析_迟焕鹏

1、收稿日期:20120917;修回日期:20121223基金项目:国家973计划课题“深井复杂地层安全高效钻井基础研究”(编号:2010CB226700和国家科技重大专项“低渗油气田高效开发钻井技术”(编号:20011ZX05022资助。作者简介:迟焕鹏(1989,中国石油大学(北京在读博士研究生;2006年毕业于中国石油大学(华东石油工程专业或工学学士学位,研究方向:水力喷射径向水平井钻完井技术。地址:(102249北京市昌平区府学路18号石油工程学院,电话:(01089733988,151*,E Mail :chp2121126com钻采讲座水力喷射径向水平井技术研究现状及分析迟焕鹏,李根生

2、,黄中伟,邸飞,唐冠伟(中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室·北京迟焕鹏等水力喷射径向水平井技术研究现状及分析钻采工艺,2013,36(4:119124摘要:水力喷射径向水平井钻井技术可为低渗透油气田的开发提供一种经济、快捷的途径,同时也为边际油田、枯竭油气田剩余油气资源的增产、开采提供了一种新的方法。通过对径向水平井几项关键技术发展情况的调研,主要介绍了套管内开窗、转向和水平钻进技术的特点和最新发展,并与早期的技术进行了对比,分析了几项关键技术现阶段存在的问题和研究方向,并指出了径向水平井井眼轨迹,钻井液无法循环利用和水平段长度无法控制和准确测量的难题。可以为径向水平井各关键技

3、术的深入研究提供新的思路。关键词:水力喷射;径向水平井;关键技术;自进式水力钻头;研究现状DOI :103969/JISSN1006768X20130438径向水平井钻井技术是利用高压水射流在油藏的某一层位或多个层位沿径向钻出多个水平分支井眼的钻井技术1。该技术可以有效防止水锥和气锥,既可用于新井的开发又适合进行老井改造,有利于进行薄油层、低渗透油气藏以及煤层气的增产。由于要在03m 的超短半径内完成由垂直到水平的转向,并采用水力的能量破碎岩石2,因此径向水平井钻井技术存在其独有的特点。早期的径向水平井钻井首先要段铣掉一段套管,然后进行井下扩孔为转向器的伸展提供空间,下入转向器并锚定,最后下入

4、柔性钻杆,通过顶端的高压水射流钻头破岩钻出一定距离的孔眼。新型的径向水平井钻井技术3与早期的技术相比,在以下几个方面进行了改进:开窗方式。新型的径向水平井钻井技术不需要段铣套管,直接在套管上开一个容许连续软管通过的窗口;转向器的结构和尺寸。新型的转向器结构简单,尺寸较小,可以在套管中完成作业;水平钻进方式。新型的径向水平井钻进采用自进式射流钻头带动连续软管钻进。一、国内外径向水平井钻井技术应用概况20世纪80年代前后,美国最早对径向水平井钻井技术开展了研究,最初的目的是为了在已有的井中钻出多个不低于30m 的水平分支来开发浅层稠油2,在此后的20多年里径向水平井技术在不同的国家进行了增产增注以

5、及开发煤层气等作业47,显示了径向水平井技术良好的应用前景。我国在1992年由石油大学8和中国石油钻井工程技术研究院江汉机械所开展旋转射流钻径向水平井的机理及应用研究,石油大学跟辽河油田合作,于1997年8月钻成了我国第一口径向水平井9。随后,在辽河油田、胜利油田、南阳油田、江苏油田和吉林油田1013都进行过径向水平井钻井技术的现场试验。其中,2004年,在韦5井中钻出了1955m 的至今为止国内油藏中径向水平分支最长记录12。我国在阜新刘家区煤矿采用水力喷射径向水平井技术钻出了直径大于50.8mm ,平均长度在100m 以上的多个水平井眼,大大增加了煤层气的产气量14。二、径向水平井关键技术

6、研究1转向技术径向水平井由于要在03m 的超短半径内完成由垂直到水平的转向,因此转向技术即转向器的设计和研究至关重要。从径向水平井技术提出以来,转向器经历了两个阶段的发展:早期的大尺寸转向器和新型转向器。11早期转向器早期的转向器需要的作业空间在600 1220mm ,因此无论是单弯轨道15还是双弯轨道16,都需要进行前期段铣套管并扩孔,为转向器的工作提供足够的工作空间。这两种转向器的优点是柔性钻杆通过的阻力较小,缺点是定向能力较差,前期扩孔中工具所受扭矩较大,尤其是大直径扩孔作业需要进行多级扩孔,随着直径的增大,扩眼工具所受到的扭矩也逐渐增大,容易发生事故,如果遇到斜层或断层等复杂的井下地层

7、会大大增加事故发生的风险,因此早期的大尺寸的转向器逐渐被新型的套管内工作的转向器所取代。12新型转向器为了克服早期的转向器所带来的难题,oder-ick DMcleod 等人在发明的径向喷射钻井系统17中提出了可旋转导向器,中国石油大学的李根生18等人在其发明的水力喷射侧钻径向分支井眼的方法及装置中在国内首先设计出了能在套管内完成作业的小尺寸转向器(如图1所示。从这两种转向器的结构可以看出新型转向器的主要特点:尺寸小,可以适应套管内狭小的工作空间;结构简单,由两个通过螺栓固定的对称的通道本体构成。所以使用新型转向器可以省去段铣套管和井下扩孔工艺,节约成本的同时,提高了工作效率和安全度 。图1小

8、尺寸转向器结构示意图新型转向器的关键是轨道的设计,轨道的形状决定了后续侧钻开窗和水力喷射钻进过程中柔性轴和高压软管所受摩阻的大小,其设计应满足以下几个条件:可以实现90转向;轨道曲线函数具有二次或以上的导数,即曲线光滑,无突变;曲线平面内占用矩形空间长宽比不可过大,一般小于2。转向器轨道的形状对钻杆所受阻力有重要影响,郭瑞昌19和杨永印20等都进行过相关研究。新型转向器的出现使径向水平井钻井在节约成本的同时,也提高了工作效率和安全度。但是转向器轨道较窄,会限制套管开窗的大小,这就要求转向器下入井中要定位准确牢固以使柔性钻杆或高压软管顺利通过套管窗口。2套管开窗技术21段铣套管开窗由于早期的径向

9、水平井转向器的尺寸较大,需要的工作空间在650 1220mm 21,因此必须要磨铣掉一段套管,并进行井下多级扩孔,这就是段铣套管开窗。而段铣开窗形成的铁屑较多不易清除,费时费力,后续扩孔中工具所受扭矩较大,并要进行多级扩孔作业,随着直径的增大,扩眼器所受的扭矩也逐渐增大,风险加大,早期的段铣开窗与大直径扩孔作业时间较长,影响作业效率3,局限性较大,现已被新型的套管开窗技术所取代。22新型的套管开窗技术新型的套管开窗技术的最大的特点是结构简单,尺寸较小,依靠特殊的转向器可以在套管中完成作业,省去了大直径扩孔的过程,在提高作业安全性的同时也提高了效率。通过对国内外研究的调研,用于径向水平井新型的套

10、管开窗技术主要有三种:侧钻开窗、磨料射流开窗和冲孔开窗。(1侧钻开窗。侧钻开窗主要是通过螺杆马达提供动力,利用柔性轴在弯曲的状态下也能传递扭矩的特点带动顶端的磨铣钻头在套管上钻出一定直径的孔眼。中国石油大学(北京的李根生18等人在国内首先发明了套管内侧钻开窗方式,如图2所示,之后施连海22和谢从剑23等也对套管内侧钻开窗提出了相似的思路 。图2侧钻开窗示意图这种开窗方式中,柔性轴与转向器的设计以及磨铣钻头的选择是关键。由于磨铣钻头尺寸较小,刀刃布置困难且容易损坏,因此需要对磨铣钻头进行优选。受套管空间的限制,转向器的轨道较窄,因此怎样降低侧钻过程中柔性轴和转向器轨道之间的摩阻是侧钻开窗能否顺利

11、完成的关键。杜建勇24建立了柔性轴在转向器内不同状态下各个短节的轴向力、正压力和摩阻的求解模型,并提出了通过振动来减小柔性轴在转向器内摩阻的思路。(2磨料射流开窗。高速磨料射流冲蚀性能巨大,可以在较短时间内钻穿套管,磨料射流开窗25则是通过在高压水射流中掺混磨料颗粒来冲蚀套管,并在上面形成一定大小的孔眼的开窗方式。李根生18等人介绍了通过磨料射流进行套管开窗的方法。前人对磨料射流的流动规律以及破碎岩石的规律进行了广泛研究,但是对磨料射流冲蚀套管的规律研究较少,李根生26等人在分析磨料射流工作机理的基础上,采用自行研制的围压装置和试验台架对磨料射流在围压下冲蚀套管的形状和时间参数进行了研究,试验

12、施加的最大围压为19MPa,结果显示在6min以内即可射穿套管,为合理的选择磨料射流开窗时间提供了理论依据。磨料射流开窗孔径的大小与喷嘴的性能密切相关,冲蚀时间及效果受喷嘴材料的耐冲蚀性能影响较大。因此,磨料射流开窗还需要对不同喷嘴冲蚀套管的效果进行相关实验研究以选出开窗直径大的喷嘴,还需要对喷嘴的材料进行优选以增大喷嘴的寿命。(3冲孔开窗。冲孔开窗是利用特制冲顶机构通过液压作用在套管上开一个跟冲头形状和大小相同的窗口,这是一种比较新的开窗方法,只有在文献27中有相关介绍,如图3所示,在地面泵人高压流体,推动液压活塞,产生的推力依次传递至推压杈杆、换向部件、冲压头,最终转化为冲压头对套管的压力

13、。钻穿套管后,带有破岩钻头的连续钻管从冲头的中心孔伸出,喷射钻进。这种开窗方式工作简便,可以解决段铣套管工艺复杂和井眼扩大难以实现的问题,而且开窗后可以直接下入连续钻管进行水力喷射钻进,提高了工作效率。但是,由于套管内空间有限,冲压头的尺寸较小,从而使连续钻管的尺寸受限(外径14mm左右,而且内部的转向为90单弯轨道,因此连续钻管与转向轨道之间的摩阻问题会制约水平段长度的钻进。新型的套管开窗技术解决了段铣套管和大直径扩孔的难题,使径向水平井钻井工艺得到了简化,提高了作业效率。侧钻开窗方式需要对磨铣钻头优选和降低柔性轴在转向器内摩阻等方面进行深入研究;磨料射流开窗方式还需要在兼顾破碎能力和使用寿

14、命的磨料射流喷嘴上深入研究;冲孔开窗方式为套管开窗提供了一种新的方式,还需要在可行性以及理论方面加强研究 。图3冲孔开窗示意图3水力破岩技术径向水平井中决定钻孔大小及延伸长度的关键因素是水射流的破岩能力,射流钻头性能的好坏直接影响到破岩效率,以及能否钻出钻出直径较大的深孔9。随着径向水平井技术的发展,射流钻头也从最初的旋转射流钻头发展到现在多种多样的自进式射流钻头。31旋转射流钻头在文献2中最开始提到的锥形喷嘴所产生的射流就是旋转射流,沈忠厚等人据此研究设计出圆锥形旋转射流喷嘴,并应用理论研究和室内试验的方法研究了锥形旋转水射流的特性28,旋转射流喷嘴主要由叶轮和喷嘴体两部分组成,叶轮固定在喷

15、嘴体内部。叶轮的几何形状是影响旋转射流形态的重要因素。随后有学者在破岩机理、携岩性能和破岩实验方面进行了广泛研究2932,为旋转射流喷嘴用于径向水平井钻井提供了理论基础。但是旋转射流喷嘴由于中心的低压使破碎孔的孔底呈“W”形29,虽然破碎孔径较大,但是深度较浅,从而效率较低,所以需要寻求破岩效率更高的喷嘴。32直旋混合双射流钻头为了解决旋转射流破岩孔底不规则(“W”形的问题,1998年美国ProDrill公司最先提出了“双射流喷嘴”,这种喷嘴比普通喷嘴可提高钻头马力30% 80%。李根生33等人发明了高压旋转双射流喷嘴(如图4所示并通过数值模拟和二维PIV 实验的方法进行了对这种喷嘴的流场规律

16、34进行了研究,喷嘴特征在于把直射流和旋转射流合理地组合了在一起,提高了射流能量的利用效率,并得出了喷嘴加旋流道导程是决定轴心速度衰减模式的主要因素。 图4旋转双射流喷嘴示意图国外的William GBuckman S等人发明了一种自进式直选混合喷嘴35(如图5所示,它结合了旋转射流以及普通直射流的特点,适用于在油气井中钻泄流孔道。吴为36等人对直旋混合喷嘴进行了室内破岩实验和喷嘴流场的数值模拟研究,得出了水力参数和喷嘴结构参数对破岩效果的影响规律,以及直旋混合射流流场的结构。但是自进式的直旋混合射流喷嘴的流场还没有相关的研究。 图5直旋混合喷嘴结构示意图33自进式多孔射流钻头自进式多孔射流钻

17、头的设计虽有多种18,37,但其结构和原理基本相同。图6所示为文献18中的自进式多孔喷嘴结构,自进式多孔射流钻头结构简便,充分利用了单股射流能量集中,有利于形成较大冲击深度的优点,射流钻头本体前端多个单股射流可在井底较小的面积内产生较高的冲击力,从而产生良好的破岩效果,各股射流之间掺混,可以使孔眼更加规则。郭瑞昌等38对多孔喷嘴流场通过数值模拟的方法进行了研究,有助于分析多孔射流的破岩机理和优化喷嘴结构。廖华林39等人对多孔喷嘴破岩规律通过室内实验进行了研究,得出了水力参数对多孔喷嘴破岩效果的影响规律,为其进行现场应用提供了理论基础。多孔射流喷嘴具有良好的性能,近年来辽河油田已经应用自进式多孔

18、射流喷嘴完成了多口径向水平井的施工。图6自进式多孔喷嘴结构示意图对水射流喷嘴破碎岩石的机理国内外学者存在多种观点40,因此需要利用PIV 和高速摄像等仪器通过实验的方法来对水射流通过喷嘴后的速度场、破碎岩石后的流场以及流体和岩石的运动轨迹等进行研究,从而更好的揭示水射流的破岩机理。与早期的旋转射流钻头相比,自进式直旋混合射流钻头和多孔射流钻头具有更高的破岩效率,反向射流在平衡正向射流的反推力和稳定射流钻头的同时,还可以提供带动连续软管和射流钻头前进的动力,为径向水平井的钻进提供了一种更为简便的方法。提高破岩效率,钻出较大较深的孔眼一直是水力破岩研究的目标,因此,高效破岩的射流钻头依然是今后径向

19、水平井研究的重点之一。由于自进式射流钻头和高压软管的直径较小,会增加管路中的压耗,水平段井眼长度不能达到设计的要求,水力能量的利用率也有待提高。除了以上一些关键技术存在的问题外,水力喷射径向水平井仅通过向后喷射的射流推动钻头前进,这就导致了水平径向井眼轨迹存在很大的不确定性,特别是钻薄油层时,水平井眼易脱离储层,造成无法控制井眼轨迹的问题;而且,水平井眼的长度是依靠连续管下放长度来确定的,没有考虑到连续管的弯曲以及井眼轨迹的情况,因此不能准确确定水平井眼长度。今后对这些问题还要深入研究。三、存在问题(1径向水平井钻井技术关键的指标是水平段钻进的长短,国内现场试验结果一般都不超过50m ,水平段

20、长度短制约了对剩余油的有效挖潜和老井改造。(2新型的套管内转向开窗水力喷射径向水平井技术具有较高的创新性,可以大大降低作业时间和成本,但是缺乏相应的现场试验验证和结果的反馈。(3经过喷嘴后水射流破碎岩石机理的观点甚多,且都有合理性,但是缺少实验依据。围压对水射流喷嘴破岩效果具有重要的影响,目前水射流破岩仅限于地面实验,对井底条件下的施工指导意义较小,缺乏实际工况下的实验研究。(4自进式水射流钻头是一种比较新型的工具,对其前后射流的流场以及前后射流的比例等还缺乏较深入的理论研究。四、结论及研究方向建议(1国内外通过多年的研究在套管开窗技术、转向技术、水平钻进技术等径向水平井钻井的关键技术方面取得

21、了较多成果,但国内径向水平井眼的长度一直难以突破,需要对水力喷射高效破岩方法继续研究,其重点和难点是高性能的水射流钻头。(2新型转向器尺寸小,结构简单,可以在套管中完成作业,但转向轨道较窄,对定位有较高的要求,建议在轨道优化设计和降低柔性轴与高压软管在转向器的摩阻方面深入研究。(3新型的套管开窗技术包括侧钻开窗、磨料射流开窗和冲孔开窗三种,侧钻开窗方式需要对磨铣钻头进行优选,磨料射流开窗方式还需要在兼顾破碎能力和寿命的磨料射流喷嘴上深入研究,冲孔开窗是一种较新的开窗方式,首先应该对其可行性进行论证和研究。(4需要利用PIV和高速摄像等仪器通过实验的方法来对水射流通过喷嘴后的速度场、破碎岩石后的

22、流场以及流体和岩石的运动轨迹等进行研究,从而更好的揭示水射流的破岩机理。(5用于径向水平井钻进的自进式射流钻头可以分为自进式多孔射流钻头和自进式混合射流钻头两类,在今后的研究中还需要对实际工况条件下两种射流钻头的破岩性能进行对比研究,以选出更适合径向水平井的射流钻头。(6水力喷射径向水平井技术在控制井眼轨迹,准确确定水平井眼长度等方面还有待研究。我国东部油田已进入开发的中后期,分布有大量的老井和废弃井等,迫切需要加强老井改造和剩余油的挖潜,水力喷射径向水平井技术成本低、可靠性强,具有广阔的应用价值。参考文献1施连海,李永和,郭洪峰,等高压水射流径向水平井钻井技术J石油钻探技术,2001,29(

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