超短半径水力水平井工具设计说明书(共91页)

1、北京机械工业学院（毕业设计）PAGE PAGE 94第一章 绪论(xln) 1.1 前言(qin yn)径向(jn xin)水平井钻井技术系统由地面设备和井下工具系统两部分组成。地面设备包括作业机、压裂成组设备、井口装置 ( 包括井口密封、进液三通 ) 、 数据采集和处理系统及地面运动控制装置等 ; 井下工具系统包括段铣工具、扩孔工具和径向水平井钻井工具。段铣工具和扩孔工具是整个作业工艺中的 重要前期准备工具。径向水平井钻井工具是整个技术的核心，包括转向器、高压管柱、钻杆、钻头和 钻杆运动控制器等。其中转向器又是整个技术的关键。水力水平钻井射孔深度一般可达到820m，井眼尺寸达70mm以上。采

2、用水力水平钻井技术可实现井筒与地层间的有效连通，形成极小转向半径的微型水平井，有效穿透近井带污染层;一次下井可在不同深度或同一深度的不同方位完成多次钻孔作业，形成多个水平井眼。运用水力水平井技术的目的是提高油气藏的采收率以及为油田增产增注服务，但是由于其成本较高，并不是所有的油田都适用。1.2 国内外发展状况1.2.1 高压水射流径向水平钻井系统说明高压水射流径向水平钻井系统涉及高压水射流径向水平钻井用的特殊设备 , 尤其是钻杆超短半径转向和完全高压水射流破岩的水平钻井的专用井下器具及其最佳组合。水平钻井技术是目前钻井行业的前沿技术。高压水射流径向水平钻井系统又称超短半径水平钻井技术，是用来在

3、井下完成超短半径水平井眼的特殊器具和作业方法。其基本实现方法是在一口预备的垂直套管井中 , 用常规磨铣或段铣的方法切去所需长度的井下套管段 , 接着下入特制的径向水平钻井的井下扩孔器 , 将套管段铣位置扩大到所需尺寸 , 形成一个扩孔腔中；然后 , 将高压水射流径向水平钻井系统的专用器具下入套管井眼和这个扩孔腔中 , 进入工作状态后 , 地面高压泵车向本实用新型的工作管柱中注入高压钻井液 , 高压钻井液驱动钻杆即中空无缝钢管以极短的弯曲半径通过钻杆转向器而水平进入地层 , 并从钻杆前端的钻头高速旋转射出而破碎地层岩石 , 实现高压水射流径向水平钻井 , 达到增大油层裸露面积 , 高效开采地下油

4、矿。高压水射流径向水平钻井(zun jn)技术可在同一垂直(chuzh)井中的多个井下油矿层(kungcng)位进行高压水射流径向水平钻井作业 , 每个层位可以横向钻入多个呈辐射状的径向水平井 , 每个径向水平井长度达到30 60 米 , 它是老油田增产增收的强有力措施。高压水射流径向水平钻井技术可解决以下问题 :1. 开发浅油层、薄油层和低渗透油层 ;2. 钻开垂直裂缝的油气藏 ;3. 减少或替代打垂直调整井 ;4. 减少或避免气锥水锥现象的产生 ；5. 用于开采地下碱层、盐层及其他矿藏。2 高压水射流径向水平钻井国内外状况国外径向水平钻井技术研究始于20世纪70年代末 ,80年代中期投入工

5、业试验 ,80年代末期形成 “ 超短半径径向井系统 ”(URRS ) , 进入商业应用。至 1992 年底 , 已在加拿大和美国等地钻了1000 多口径向水平井眼 ; 这些径向水平井有的是 在垂直井的同一油层中钻入的 , 有的是在不同油层 中钻入的 , 每个垂直井中所钻层位最多达 5 个 , 每 个层位钻入的辐射状径向水平井最多达 20 个 , 实现了在多个层次钻多个辐射状径向井的技术计划。 对于这些径向井眼 , 大部分进行了测井和包括裸眼 技术、柔性防砂管技术及双向砾石充填技术完井。 径向井眼的长度一般在 846 m, 比垂直井产能提 高 210 倍 , 平均原油增产 24 倍1。20 世纪

6、 90 年代以来 , 径向水平井钻井技术有了不断的发展和完善。 2000年以来的有关文献表明 , 美国和加拿大等地区还在继续应用和探索径向水平并钻井技术2。在我国 ，径向水平井钻井技术是油井增产的一项强有力的措施，特别适合于低渗透油田的开发(kif)，对钻井也有着重要意义。从 20 世纪(shj) 90 年代(nindi)初开始 ,中国石油 天然气集团公司 (CNPC) 科技发展部组织了江汉机械研究所等科研单位 , 对“径向水平井钻井综合配套技术” 进行了攻关研究。1.3 水平钻井技术系统工作原理 水平径向钻井系统的工作原理是：先用磨铣工具和扩孔工具完成扩孔腔的施工后，再下入转向器等井下钻井工

7、具，并使各工具按规定的技术指标就位固定，然后开始水平径向钻井。该系统的地面钻井泵以 913L/S的排量提供压力为5569MPa的钻井液，钻井液经井口进液接头进入高压管柱内，再由位于高压管柱内腔的钻柱上端开口进入其内腔，流向钻头，由钻头以244277m/s的速度旋转射出破碎岩石，达到钻井的目的。在这个过程中，水力起到两个方面的作用：1.喷射切割地层；2.驱动钻柱运动并使之穿过转向器实现由垂直向水平方向转向而进入地层。水平钻井技术的主要特点和应用径向水平钻井技术的主要特点是：钻杆以极短的弯曲半径（约0.3m）通过转向器实现从垂直方向到水平方向的转向；钻进为完全的高压水射流破岩和液压推动技术；径向水

8、平井从已下入套管的垂直井眼中钻入，并可在井下一个层位和多个(du )层位布置多个辐射状的径向水平井眼；钻管为高强度，高韧性的电阻焊接管或无缝钢管，并可在弹塑料(slio)状态下工作；具有比较(bjio)特殊的测井和完井技术。水平径向井可以在以下几个方面得到应用：开采浅油层和薄油层；横向钻开垂直油藏裂缝；高效开发低渗透油藏和压力竭油藏；与热采技术结合，开采稠油地层；减少或避免气锥和水锥现象的产生；替代打调整井，加密井；用于其他矿藏的开发。 第二章 水平井工具的分析2.1 引言超短半径径向钻井系统的基本原理是在一钻好的垂直井中完成扩孔工艺后，下入径向水平井钻井工具系统，地面压裂车向系统中泵入高压钻

9、井液，由此产生的高压液力驱动钻杆以极短的弯曲半径（约0.3米）通过井下转向器实现从垂直方向到水平方向的转向，同时，高压钻井液由钻杆前端的钻头高速射出，破碎岩石。主要技术参数：锻铣扩孔尺寸：660mm2500mm以上工作压力： 55MPa左右排量：913L/S径向水平井喷射钻井深度：820m 径向水平(shupng)井眼尺寸：70mm以上(yshng)。钻杆(zun n)通过转向器的受力分析水平径向钻井系统的工作原理是：先用磨铣工具和扩孔工具完成扩孔腔的施工后，再下入转向器等井下钻井工具，并使各工具按规定的技术指标就位固定，然后开始水平径向钻井。该系统的地面钻井泵以 913L/S的排量提供压力为

10、5569MPa的钻井液，钻井液经井口进液接头进入高压管柱内，再由位于高压管柱内腔的钻柱上端开口进入其内腔，流向钻头，由钻头以244277m/s的速度旋转射出破碎岩石，达到钻井的目的。在这个过程中，水力起到两个方面的作用：1.喷射切割地层；2.驱动钻柱运动并使之穿过转向器实现由垂直向水平方向转向而进入地层。水力切割地层主要通过水力喷射钻头加速钻井液和旋转钻井液完成的；驱动钻柱则是依靠作用在钻柱上端和下端的静液压力。上端和下端的静液压力可大致地理解为：在钻柱上端，作用在其内径和外径之间的环形面积上的液压力可产生一个推动钻柱前进的推力；在钻柱下端，作用在钻杆内径与钻头孔径间的环形面积上的液压力则产生

11、一个相对上端钻柱的拉力。一般情况下，拉力的大小约为推力的两倍。钻柱受力分析钻柱受力为：钻井液作用在钻柱上端的推力P1和作用在钻柱下端的拉力P2；钢丝绳对钻柱的拉力T；转向器对钻柱的总阻力N，它在X方向和Y方向上的分力分别为NX和NY；径向井眼对钻柱的阻力为R；井下密封对钻柱的摩擦阻力R1。将受力模型作进一步简化，同时不考虑转向器滚轮对钻柱的摩擦力，可进一步明确钻柱各受力之间的关系。钻柱受三个力的作用：液压驱动P（P=P1+P2）；转向器对钻柱的支反力N（N=NX+NY）；径向井眼对钻柱总阻力R。系统平衡时，P=NY，R=NX。当径向井眼阻力R增大时，NX必然增大，由于转向器支反力方向始终为滚轮

12、与钻柱接触点轮弧法线方向，故NX的增大必然引起NY增大，从而导致对液压驱动力P的需求增大。对转向器入口(r ku)上段钻柱进行研究，设其上端受压力P，作用，下端(xi dun)受阻力N，作用(zuyng)，则P，=P1-T （1）N，=NY+R1-P2 （2）钻柱工作时要求P，=N， Plj （3）由于径向水平井转向器以上一段钻柱的长度与所设计的径向井长度基本相等，而钻柱本身截面积较小，故所讨论的压杆为细长杆。根据欧拉公式，临界压力为Plj= （4）式中 I截面惯性矩，d和D分别为钻柱内径和外径；E材料的弹性模量；u长度系数；L杆长。现以实例说明钻柱的稳定性。假设系统的液压力为60MPa，钻柱

13、为323无缝钢管，设压杆为一端固定，一端铰接杆，则u=0.7,取L=5000，E=2.1105MPa，那么，可计算出Plj=4.91kN,而钻柱上端推力P1=16.4kN。由式（1）知，若不严格控制T的大小，P，很容易超出Plj，导致钻柱失稳而无法工作。钻柱L较长时，由式（4）知，临界压力Plj会较小，所以应慎重使用推力作动力。若要钻柱安全地工作，钻柱应为拉杆。径向水平井转向器轨迹优化设计为了降低径向水平井转向器对柔性钻柱的阻力,对转向器的轨迹参数进行了优化设计。根据经验公式,建立了转向器轨迹参数优化设计的数学模型,并采用内点惩罚(chngf)函数法处理和运算,得出转向器轨迹最优设计参数:=2

14、5.5,=349.9,=-1.4,对应(duyng)转向器最小阻力 =6.1975。考虑(kol)到摩擦阻力的存在,对阻力公式进行了修正, 修正系数取 1.51.8, 从而预测出优化后的转向器实际阻力在9.296311.1555之间。通过基于5.4的数值模拟试验方法,对钻柱通过不同轨迹的转向器做受力计算,最后由回归分析法得出了转向器阻力与转向器轨迹参数之间的关系=11.4231+ 0.32911- 3.06382+2.00683+0.315112-0.499113-0.407623+1.22251+1.50652+2.17033 (1)其中1=0.125- 3.5 2=0.01- 3 3=0.

15、333 (2) 1=0.0156252-0.875+11.52 2=0.00012-0.06+8.27 3=0.1111112-0.73 (3)式中转筒与垂直方向的夹角,取值范围: 2036;转向器轨迹最小弯曲半径,取值范围:200350;矫直转筒对钻柱的矫直偏量,取值范围:-33。由经验公式(1)(3)可知,转向器轨迹优化设计数学模型的设计变量有3个:、; 目标函数()即为转向器阻力; 约束条件来源于3个变量的取值范围,共有6个。将式(2)、(3)代入式(1),整理后得出下面经验公式:=0.01912+0.0001512+0.24112+0.000394-0.001357-0.0208-1.

16、1468-0.132+1.6572+47.7289 (4)根据优化设计2要求,建立如下数学模型。设计变量=123 =目标(mbio)函数min()=0.019112+0.00015122+0.241132+ 0.00039412-0.00135723-0.020813-1.14681-0.1322+ 1.65723+47.7289 (5)设计(shj)约束:1()=1-2002()=36-103()=2-20004()=350-205()=3+306()=3-301 优化方法(fngf)的选择从式(5)可以看出,目标函数为多变量非线性函数,且为不等式约束,因此选取内点惩罚函数法来求解这个问题。

17、其惩罚函数为(,()=()+()() (6)2 初始点(0)的选择根据内点法的要求,初始点(0)应严格满足设计约束条件。根据转向器的实际应用情况及设计经验,选取初始点 (0)= 28, 300, 0 。取初始惩罚因子(1)=8;取满足所有约束条件的初始可行点为 (0)= 28, 300, 0 ;递减系数=0 .1;收敛精度=10-6。(2) 用无约束最优化方法求min(,()的极值点()。(3) 检验终止准则。如果满足 (-1)- (),则停止迭代计算,得最优点 = (),否则转入下一步。(4) 取(+1)=(), (0)= (),=+1,转向第(2)步。（5）优化结果通过用编程运算,得最优解

18、为: = 25.5, 349.9, -1.4 , ( )=6.1975。转向器阻力公式的修正转向器的实际阻力要比式(4)计算出的阻力大,这是由于(yuy)式(4)不包含转向器与钻柱间产生的摩擦阻力。设转向器的实际(shj)阻力为,则 =+ (8)式中转向器与钻柱之间产生(chnshng)的摩擦阻力。为了进一步弄清与之间的关系,令 = (9)式中阻力修正系数。经理论分析和反复试验,可取=1.51.8。根据式(8),由于=6.1975,则转向器优化后的实际阻力在9.296311.1555之间。2.4 钻杆通过转向器力学分析1.材料特性根据钻杆出厂性能测试报告，钻杆材料的屈服值为=395400 ,=

19、535555,选择变形体的模型为弹性线性强化模型,取=400,=560,弹性模量=2.1105;泊松比=0.3;密度=7.8103 kg/3。2.实体模型的建立选择solid45单元(六面体单元)为钻杆的变形单元,在建模时,还会用到solid42单元(四边形单元)作为辅助单元。首先按照转向器的轨迹参数1、1、和2在中创造转向轨迹线,再在轨迹线上端作出生产管的顶部环形面,选择solid42单元将环形面划分成若干平面四边形单元,再选定solid45单元,设置单元尺寸大小,=30,用Extrude命令将solid42单元沿转向轨迹线拉伸,即获得所要分析钻杆的实体单元。3.边界条件的处理将转向器的各个

20、滚轮转化为加在钻杆上的约束,约束的方向为钻杆上所加结点的法向方向,在钻杆的竖直段和水平段也加上适当的约束。为防止钻杆失稳,模拟实际工况,在轴方向也加有少量约束。在钻杆上端平面的边界上选择间隔90的8个节点(既兼顾数据处理量,又不失计算精度)的轴方向上施加位移载荷,并使、方向的位移载荷为零。为了使问题简化,实际工况中的钻杆未加内压,但所加的位移载荷计算获得的力则可折合成钻杆内压。4.解算在Solution下,选择Static分析类型,选择大变形分析模式,打开(d ki)自动时间控制步长,并设置适当的载荷子步。在非线性分析选项中,选择合适的收敛准则,选择最大平衡迭代步为25;打开adaptive帮

21、助收敛,同时采用全量Newton-Raphason迭代法求解。打开Stress Stiffening Effects。其它均为缺省状态,如采用斜坡加载的方式(fngsh)加载,采用Frontal Solver求解。第三章 设备设计中的计算(j sun)3.1 两位四通阀处弹簧的设计计算1原始资料 该处弹簧的作用为控制阀的移动。由要求可知两位四通阀在大于55MPa时换向。设定工作压力为55MPa开始换向,在70 MPa时完成换向,弹簧的中径D2=40，则可知弹簧受力为: 设定(sh dn)阀端直径d1=10 mm（见装配图）2设计(shj)计算a选择材料(cilio)和许用应力: 属I类弹簧,材

22、料选用4Cr13，由表30.2-4查得 EQ EQ : p=441MPa， G=75.5GPa。 b求弹簧钢丝直径: 按式30.2-6 查图30.2-4得c=3.8，d= EQ F(D2,c) = EQ =10.5mmc求有效圈数: 按式(30.2-5) 按式(30.2-6) .37圈 取n=30圈。d计算其余尺寸参数: 总圈数n1=n2=30+2=32圈 工作载荷下的变形量 ， 压并载荷(zi h)及压并变形量,根据弹簧(tnhung)工作区应在全变形量的2080%的条件(tiojin),取f2=0.6fb 则fb= =155mm，Fb= EQ =9158N 其中f1=f2=0.780.6

23、fb=0.47fb 表明f1、f2均满足工作区的条件。压并高度: Hb=(n1-0.5)d=（32-0.5)d=330mm自由高度: H0=Hb+fb=330+155=485mm节距: p= EQ EQ F(H0-1.5d,n) =15.6mm螺旋角: tan,=7 满足59的要求展开长度: mm3验算:1)强度验算疲劳强度安全系数由式30.2-10 1.7由表30.2-11取N=10 EQ S(7) ，此时，MPa。当C=3.8时， =0.92 211.1 351.8 =1.71Sp=1.7 满足条件静强度(qingd)安全系数由式30.2-11 1.7查机械设计手册(shuc)第三篇第二章

24、 MPa则 =2.09Sp=1.7 满足条件2)共振(gngzhn)验算按式30.2-14 而 满足条件。3.2 牙嵌装置的设计计算1原始(yunsh)资料 牙嵌装置位于螺母块的下方，喷射时在压力作用下螺母块与固定的牙嵌压紧，使螺母块亦固定，从而使丝杠在通过螺母时能形成自转，达到旋转喷射的目的。软管回收时螺母在丝杠的带动下离开牙嵌，从而使回收的速度加快，节省操作(cozu)时间。 出于对强度(qingd)的考虑牙嵌的材料选用40Cr。牙嵌装置的大径D36mm，小径d20mm，中径Dm=29mm。采用十齿三角形牙。设喷射时牙嵌所受压力=500N取材料的许用应力 2设计计算a最大转距: 根据式29

25、.7-1 b牙嵌装置的结合力和脱开力：一般可取u1=0.150.17，p=5。根据式29.7-2 其结合力F=273.8N 其脱开力F=2.7N 所以(suy)满足设备所需条件。c牙嵌装置(zhungzh)的自锁条件: 根据(gnj)式29.7-3 其中P=5， u=tanP=0.08 即 tan =16.94 所以自锁的条件为16.94,这里取8d牙嵌工作表面的压力条件计算: 根据式29.7-4 静结合时，取 EQ S(2) =298tan8=32.6 所以条件满足。e牙嵌根弯曲强度条件(tiojin)计算: 设定(sh dn) f牙嵌根弯曲(wnq)强度: 所以条件满足。 3.3 检测装置

26、处弹簧的设计计算1原始资料: 检测装置位于软管的端部，当软管伸出到一定长度时自动泄荷,使地面可知射孔以结束。该处弹簧主要用于控制泄荷块的移动。未泄荷时弹簧受力为F1=10N，泄荷时弹簧受力为F2=30N，变形长度为H2=10mm，弹簧中径D2=13mm。2设计计算:选择(xunz)材料和许用应力: 属I类弹簧(tnhung),材料(cilio)选用4Cr13，由表30.2-4 查得 EQ EQ p=441MPa，G=75.5GPa。a求弹簧钢丝直径: 按式30.2-6 查图30.2-4得c=9.8，d= EQ F(D2,c) = EQ =1.3mmb求有效圈数: 按式(30.2-5) 按式(3

27、0.2-6) 6.13圈 取n=6圈。c计算其余尺寸参数: 总圈数n1=n2=6+2=8圈 工作载荷下的变形量 ， 压并载荷(zi h)及压并变形量,根据(gnj)弹簧工作区应在全变形量的20 80%的条件(tiojin),取f2=0.65fb， 则fb= EQ F(f2,0.65) = EQ =23mm，Fb= EQ EQ F(F2,0.65) = =46 N 其中f1= EQ f2= 0.330.65 fb=0.22fb 表明f1、f2均满足工作区的条件。压并高度: Hb=(n1-0.5)d=（8-0.5)d=9.75mm自由高度: H0=Hb+fb=9.75+23=32.75mm节距:

28、p= EQ EQ F(H0-1.5d,n) = 3.85mm螺旋角: tan,=5.39 =满足59的要求展开长度: mm3验算:1)稳定性验算 高径比=2.53.7，满足要求2)强度验算 疲劳强度安全系数(nqun xsh)由式30.2-10 1.7 由表30.2-11取N=10 EQ S(7) ，此时(c sh)，MPa。 当C=9.8时， =0.97 146.3 438.7 =1.35Sp=1.3 满足条件 静强度(qingd)安全系数由式30.2-11 1.7 查机械设计手册第三篇第二章 MPa 则 =1.67Sp=1.3 满足条件3)共振验算 按式30.2-14 而 满足条件。第四章

29、 径向水平钻井(zun jn)综合技术研究4.1 引言(ynyn)从发展现状、基础研究(ynji)、关键技术、研究试验几个方面介绍了径向水平钻井技术的研究状况。在基础研究方面 ,介绍了钻杆选材、焊接、试验台架、试验型转向器系统等研究工作；在关键技术研究方面 , 侧重介绍了Z5型转向器系统的研究、YDZ5型转向器系统的研究、 YSZ7 型转向器系统的研究、射流钻头研究、其它综合配套技术研究。以YSZ7型转向器为例简单地介绍了地面综合模拟试验和现场试验 ,并对试验过程和结果进行了分析,认为YSZ7型转向器系统及其辅助技术基本成熟 ,性能优越。文章最后指出，今后应努力提高径向水平钻井技术适应性和进行

30、该技术的采油工程技术研究；同时，应该从井下工具技术改进、作业机和压裂车三个方面解决目前施工成本居高不下的问题。4.2 径向水平钻井技术基础研究（1）钻杆的选材 径向水平井钻井用钻杆是一种特殊钻杆 ,它需要经过 0.3 m 的弯曲半径进行转向 ,内部需承受约 70 MPa 高压 ,笔者在对国外径向水平井用 ASTM 一 A606 电阻焊接钻杆进行研究与分析的基础上 ,对国产 6 种不同钢管进行了广泛的 调研和 试 验分析 , 优选出32*3mm 无缝钢管作为径向水平井的钻 杆。通过 100 MPa 水压试验和在 55 MPa 系统压力下 , 通过转向器 7 次以上试验表明 , 所选钻杆满足 径向

31、水平井钻井要求。（2）钻杆(zun n)、钻头焊接国产(guchn)无缝钢管单根长度 59 m, 而径向(jn xin)水平井钻井用钻杆长 203O m, 江汉机械研究所委托 西安石油学院开展了钻杆的对焊接技术研究 , 采用了钨极氩弧焊 (TIG) 方法 , 单面焊接双面成型工 艺 , 以及 TIG 打底、填丝 , 小线能量多层焊并依次 减少热输入的焊接工艺 , 完成管对管的焊接 。经性能测试结果表明 , 焊接钻杆 , 内通径 95%, 焊接 接头弯曲成 0.3m 半径 , 抗内压大于 9O MPa, 焊缝的综合机械性能达到母材钢管的性能。焊缝反复 通过转向器的次数可达 6 次。满足了径向水平

32、井钻 井打长距离径向井对钻杆的需求。（3）径向水平井钻井试验台架研制为了验证钻杆转向、运动控制、钻杆焊接、水射流破碎岩石等各项技术 的可行性 , 我们在项目初始阶段研制了室内试验台 架。主要包括基础、底座、转向器架、扶正机构、 液缸总成、柱塞泵、数据采集系统等。针对水射流 破碎岩石技术试验 , 还研制了水射流破碎岩石的室 内台架。运行结果表明 , 该试验台架满足了各个单 项试验要求。为了满足全尺寸条件下的 1 比 1 流体运动模拟和相似试验要求 , 更加 真实反映径向水平井钻井工具的试验情况 , 我们研制了室外综合模拟试验台架。它可以全尺寸模拟径 向水平井钻井系统地面和井下各个部件连续协同的工

33、作情况 ,自动采集各项实验数据 ,实时监控各部件的工作情况。该台架可满足不同系列转向器的径 向水平井钻井系统的试验要求。实践证明 ,该装置使用效果良好 ,可使研究取得事半功倍的效果。（4）Z7型试验用转向器系统研究为了(wi le)实现钻杆由垂直方向向水平方向转向 , 我们(w men)研制了Z7型试验(shyn)用转向器。这种转向器按照 178 mm(7 英寸 ) 套管所能提供的井眼空间进行设计。多次试验证明 : 钻杆在一定压力作用下可以通过转向器实现 900 的钻杆转向 , 经测试和计算 , 所需动力可在系统中得到满足。通过对关键基础技术的研究和多个总体技术方案论证表明 , 径向水平井钻井

34、技术的研究是可行的。4.3 关键井下工具技术研究（1）Z5型转向器系统研究转向器是径向水平钻井系统关键部件，其作用是：在系统液动力驱动下使钢质钻杆由垂直方向向水平方向转向，转向曲率半径仅为0.3m；使钻杆通过它作连续弯曲和伸出运动。针对我国大部分油井采用139.7mm（5 1/2英寸）套管固井的情况，我们研制了适合于这种套管尺寸的Z5型转向器，这种转向器具有以下几个特点：1采用双向弯曲挂钩形的转筒组合结构，适合于大直径圆周扩孔工艺技术，它所需扩孔直径同国外第一代转向器相比减少了一半，施工成本大大降低了。2在竖起机构上，有机械竖起机构和液压竖起机构，二者在结构上各有优点，在整体结构上，可实现在井

35、下多次定向，且操作方便。3可以重复使用。这种Z5型转向器于1994年在中原油田地面综合模拟试验。试验表明：钻杆运动阻力较小，并在地面多次成功喷射5m的水泥试件（所钻水泥试件抗压强度一般为20MPa，成孔直径70110），达到设计要求。19961999年多次在辽河油田，吉林油田，南阳油田下井试验，并取得较好的试验结果。（2）YDZ5型转向器系统研究为了在低渗透、裂缝比较发育、裂缝方向有一定规律，而且油层埋藏深度较浅、单井产量较低的吉林油田应用径向水平井钻井技术，CNPC科技发展部组织对套管单侧水力开窗的径向水平钻井技术开展研究。为此，我们在总结了多年钻杆转向技术研究基础上，研制出了适合于吉林油田

36、应用的套管水力开窗为特点的径向水平井钻井用的YDZ5型转向器。YDZ5型转向器是单向弯曲的，改进了滚轮结构，优化了转向轨迹，整体结构小巧(xioqio)。现场试验表明，与套管圆周整体开窗和扩孔工艺相比，扩孔空间降低约300倍，总施工成本可减低40%50%。具有施工(sh gng)周期短、不占用钻机、套管破坏小等优点。（3）YSZ7型转向器系统(xtng)研究针对辽河油田提供的178mm（7英寸）套管试验井，我们采用了多年来积累的径向水平井钻杆转向技术试验成果和ANSYS有限元力学分析优化计算结果以及较先进的设计理念，又设计和研究了YSZ7型转向器。该转向器转筒组合为双向弯曲结构。测试结果表明：

37、1系统总阻力与双弯的Z5型转向器系统相比减小了约40%，钻杆伸出转向器后，系统平稳工作阻力一般为1215kN；2持续工作性能提高5倍以上；3既可以机械竖起也可以液压竖起；4钻杆可两次笔直伸出转向器（以往仅一次）；5刚度和强度提高2倍以上。操作简单可靠，定位、竖起、收拢简单可靠、运动自如；6适应恶劣工况能力强。（4）其他配套技术研究在径向水平井钻井综合配套技术的研究当中，为了配合转向器系统的工作和满足不同油井施工工艺的需要，开展的其他配套研究工作主要包括：1井下液压运动控制器和机械运动控制器的研制；2地面试验送进控制系统的研制；3139.7mm（5 1/2英寸(yngcn)）和 178mm（7英

38、寸）套管2种规格，3种不同类型(lixng)的锚定器的研制；470MPa高压井口装置(zhungzh)和井口密封的研制；570MPa井底密封的研制；6送进光杆和各类附件的研制；7压力，张力等数据采集系统的建设；8地面高压过滤管汇研制；9施工工艺技术的研究。4.4 地面综合模拟试验和现场试验地面综合模拟试验在径向水平井钻井技术的研究中，我们以上述3种型号的转向器为基础做了大量的地面综合模拟试验。以YSZ7型转向器为例，说明地面综合模拟试验的情况。试验主要目的是检验YSZ7型转向器在径向水平井钻井中各项技术参数和工艺流程。试验主要设备包括压裂车组、径向水平井综合试验台架、送进控制系统、高压井口和井

39、口密封装置、送进光杆、钻杆、钻头、YSZ7型转向器系统、工作油管、传感器和数据采集系统等。整个操作过程除定方位外，均模拟井下操作工况进行。水泥试件采用预制水泥试件，抗压强度为2030MPa。试验结果：水平喷进5.4m；成孔直径110mm以上；钻杆回拉力小于25kN；钢丝绳张力参数变化为1822kN。现场试验径向水平井钻井技术先后进行了6次现场工业性试验。下述为2002年3月29日在辽河油田锦45-检1井的工业试验进行现场试验的基本情况。1试验井况 锦45-检1井位于锦45块锦90断块中部，构造上处于半背构造高部，地层由北向南倾斜，地层倾角80，锦45-检1井于组构造顶部埋深1000m左右。根据

40、辽河油田工程院的油藏工程设计，锦45-检1井高压水射流径向水平钻井基本设计参数如下。套管(to un)段铣位置：9991009.1m；径向喷射点深度(shnd)（水平段A支和B支）：1005.8m；A支方位角：390；B支方位角：2670。2试验主要设备 包括65B型车装钻机、压裂车及辅助车辆、测井车、径向水平钻井工具（包括段铣工具、扩孔(ku kn)工具、转向器、钻杆、钻头、送进系统、焊接设备、数据采集系统）等。3实验结果 总进尺：10.9m（完成了试验大纲规定的进尺820m要求）张力：正常送进时一般为44kN；钻杆通过转向器参数：最高压力32.4MPa,维持张力为44kN；钻杆回拉阻力：6

41、7.5kN时最大，45kN时平稳；工作压力阶段用时间：3.8h（纯钻进时间2.8h）；所钻岩层：砂岩泥岩夹层。4.5 试验分析地面试验结果表明地面实验表明，YSZ7型转向器系统各项性能优越，系统总阻力与双弯的Z5型转向器相比减小了约40%，钻杆伸出转向器后，平稳工作阻力为1215kN，持续工作性能提高了5倍以上；转向器机构运作简单可靠，机动灵活，抗恶劣工况能力强。井下工业试验结果表明1YSZ7型转向器转向系统及其辅助系统具有较强的转向喷射和送进能力。经过改进后的滚轮结构耐磨性、滚动性良好。改进后的轨迹系统比较成功。YSZ7型转向器安全性能、抗摔打能力较强。但是，系统在泥岩夹层地段喷射送进效率较

42、低。井筒中的悬浮砂粒对YSZ7型转向器的执行机构会造成影响；同时，转向机构中的石块会降低了YSZ7型转向器工作能力。2井底密封装置在高低压力下和在井下浮砂较重的情况下，连续工作时间达到5h，虽然有些时段存在泄漏，但是未影响泵车压力提升，井底密封具有(jyu)较强的工作能力。3井口密封装置在A支的喷射试验中发挥(fhu)了应有的作用，超过3h的高压喷射无一次泄漏。井口密封性能可靠。由于井口偏心和钻杆反复回拉发生过泄漏，说明还需要里套井口密封其适应性。4井口装置中的进液三通、传感器接口性能(xngnng)优越，结构小巧，工作性能良好。5从试验现象推测，钻杆轨迹存在不很笔直的可能。原因是钻遇泥岩夹层

43、时，钻杆会自动往软的方向偏离，对井眼轨迹有较大的影响，同时可能导致井眼截面尺寸不规则。6试验中采用的张力传感器、张力记录仪、无纸记录仪等数据采集系统，运行情况良好，特别是无纸记录仪实时记录了现场所采集到的数据，使得试验数据采集真实可靠。7试验系统配置充分，完全满足了径向水平井喷射钻井和钻前预备工作的需要，但是施工成本比较高。4.6 小结及建议1工业试验结论工业试验表明，以YSZ7型转向器为代表的径向水平井钻井系统具有以下优点：YSZ7型转向器具有较强的转向喷射能力和一定的事故处理能力；以YSZ7型转向器为代表的径向水平井钻井系统操作简单、方便实用；以YSZ7型转向器为代表的径向水平井辅助系统工

44、作性能可靠，井底密封、井口密封、井口装置、送进光杆、数据采集系统、钻杆等工作性能可靠，钻杆伸出转向器后矫直较好；喷射钻井工艺制定(zhdng)合理，基本指导了试验的全过程。工业试验也暴露出以下(yxi)问题：以YSZ7型转向器为代表的径向水平井钻井(zun jn)系统在泥岩夹层地段喷射送进效率较低；试验施工成本较高。2建议进一步改进与完善径向水平技术。针对本次试验暴露的技术问题，应该继续努力改进和完善径向水平井钻井技术，提高其对地层适应性，开展径向水平井油藏工程技术研究。开展降低成本的研究。从美国和加拿大一些油田的使用情况来看，在同一垂直套管井眼中布置4个水平径向井眼，其平均施工成本约为12.

45、520万美元，但是我们的施工成本已远远高于这个数字。因此，今后应该从作业机、压裂车组和技术改进3个方面解决成本居高不下的问题。第五章 水平井产能计算方法及影响因素分析5.1 引言水力水平钻井射孔深度一般可达到820m，井眼尺寸达70mm以上。采用水力水平钻井技术可实现井筒与地层间的有效连通，形成极小转向半径的微型水平井，有效穿透井带污染层；一次下井可在不同深度或同一深度的不同方位完成多次钻孔作业，形成多个水平井眼。运用水力水平井技术的目的是提高油气藏的采收率以及为油田增产增收服务，但是由于其成本较高，并不是所有的油田都适用。通过油藏工程的方法，以产能为主线，利用水力水平井与直井的产能比具体分析

46、了径向水平井产能影响因素分析及其适应的地质条件。5.2 评价方法对于常规(chnggu)的垂直井，其产量计算公式为： （1）式中，k0=kh0 对于井底压力和泻油半径为常数的稳定单相流来说，可以用下面的公式计算(j sun)出水平井的产量。 （2）式中， ； 。水平井与常规(chnggu)井的产油量的比值： （3）取re=500m, rw=0.1m, 计算结果为： （4）式中，q0为垂直(chuzh)井产能，m3/d；qoh为水平井产能，m3/d；为生产(shngchn)压差，MPa；Kh为水平(shupng)方向渗透率，um2；Kv为垂直方向渗透率，um2；re为泄油半径，m；rw为井筒半径

47、，m；rh为水平井筒半径，m ；L为水平井水平段长度，m ； B0为地层原油体积系数，无因次；U0为地下原油粘度，mPa.s。5.3 影响水力水平井产能的因素分析利用式（4），对径向水平钻井技术所产生的水平井水平孔的产能进行分析。因为水力水平井长度一般在820m，水平井眼直径一般在70mm以上，因此在计算时，L一般在820m之间取值，而rh一般在0.030.06m之间取值，地层厚度一般取120m。5.4 地层厚度的影响参数L，rh , ,s,h 中，若4个参数确定，就可得剩下一个参数对水力水平井与直井产能比的影响程度。在 ，s=10,rh=0.03m, L分别(fnbi)取为8m,12m,16

48、m,20m的条件下，计算出不同地层厚度下水力(shul)水平井与直井的产能比，并绘制成地层厚度与水力水平井和直井产能的关系曲线。由产量计算公式知道，地层厚度是影响井产能的重要因素，一般地层厚度越厚，井的产能越大。但是由图1可以看出，在同等条件下，不论水平井段长度如何变化，水力水平井与直井的产能比都随着厚度的变薄而变大。而且水力水平井的长度越长，水力水平井产能提高的幅度越大。这说明水力水平钻井技术对薄油层的开发效果更明显，如果(rgu)在薄油层中实施水力水平钻井，能够达到更好的增产增注效果。5.5 各向异性的影响取L=10m，s=0, rh=0.04m, h=5m,计算出不同下水力水平井与直井的

49、产能比，并作出各向异性与水力水平井与直井产能比的关系曲线。储层各向异性是影响油藏渗率的重要因素，对于直井，一般认为其渗透率（即有效渗透率）就是地层的水平方向的渗透率，但对于水力水平井而言，其有效渗透率则认为是水平渗透率和垂直渗透率的函数，即水平渗透率和垂直渗透率都影响其产量。由图2和图3可以看出，水力水平井的产能和Kv/Kh的关系与地层厚度有很大的相关性。当地层厚度很薄且L/h比1大得多时，储层中的流体以水平面上的渗流为主，在垂向上的渗透很微弱，此时水力水平井与直井的产能比随着Kv/Kh的增大而变小；当地层厚度中等而且L/h大于1或者近似为1时，即水平井的深度比地层厚度大得不太多时，水力水平井

50、与直井的产能比在Kv/Kh值为0.51之间最大。此时储层中流体虽以平面上渗流为主，但是在垂向上流体的渗流对水力水平井的产量已经产生了很大的影响；当地层厚度较厚，而L/h小于1时，水力水平井与直井的产能比随着Kv/Kh值的变大而变大，此时储层中流体在平面上和垂向上的渗流同等重要。也就是说，对于各向同性油藏，水力水平井能产生良好的增产效果，但是对于各向异性严重的油藏，特别是对于垂向渗透率差的油藏，水力水平井增产的效果不太明显，特别是当地层厚度很厚而且垂向上基本处于不渗透的状态下，水力水平井的产能相比直井的产能基本没有太大的变化，但是对于垂向渗透性很好的中等厚到巨厚油藏，水力水平井增产效果明显。5.

51、6 水平井段长度的影响(yngxing)取h=8m, s=0, rh=0.04m, Kv/Kh=1, 0, 0.5, 0.2, 0.1,计算出不同水平段长度下的水力水平井与直井的产能比，并作出水平段长度与水力水平井与直井产能比的关系(gun x)曲线。由水力水平井的产量公式可以看出，水力水平井的产量与水平井段的长度成正比，而直井没有水平井段，所以直井的产量不受水平井长度的影响，因此理论上水平井段越长，水力水平井的产能越大，水力水平井与直井的产能比也越大。由图4也可以看出，在其它条件不不变的情况下，水平井段越长，水力水平井与直井的产能比越大。所以在实际(shj)施工中，在工艺上和经济效益允许的条

52、件下，应该尽可能使水力水平井的水平段长度更长。5.7 水力水平井井眼半径的影响取,s=0, L=12m, h=1, 3, 6, 10m,计算出不同水力水平井井眼半径下的水力水平井与直井的产能比，并作出关系曲线。对于水力水平井来说，井径(jn jn)越大，其产能也越大。由图5可以看出，当水力水平井井径变大时，水力水平井的产能与直井的产能比也随着变大。因此在施工时应该尽量增大水力水平井的半径。5.8 表皮(biop)系数的影响取，h=8m, rh=0.04m, L=8, 12, 16, 20m,计算出不同表皮(biop)系数下的水力水平井与直井的产能比，并作出关系曲线。表皮系数即指地层的污染程度，

53、当表皮系数大时，表示地层污染程度高；表皮系数小时，地层污染程度低。由图6看出，水力水平井与直井的产能比随着表皮系数增大而变大。因此，水力水平井对于污染严重的地层其效果非常明显，可以有效穿透近井污染带。5.9 小结在其他参数相同的条件下，地层厚度对水平井的产能有非常重要的影响。地层越薄，水平井的产能越大；地层越厚，水平井的产能越小。因此，在地层厚度比较薄的油藏中实施径向水平钻井可产生比较好的效果，能够很好地提高油气井的产能。在其他参数相同的条件下，储层各向异性是影响水平井产能的重要参数。当储层表现为各向同性时，水平井有很好的产能；当储层表现为各向异性时，在薄油层中，储层垂向渗透性越好，水平井与直

54、井的产能比越小；在厚油层中，垂向渗透率越大，水平井与直井的产能比越大。因此，径向水平钻井技术适用于储层各向同性的油藏（尤其是薄油藏）及垂向渗透性好的厚油藏。不管其他条件如何变化，水平井段的长度越长，水平井的产能越大，因此在采用径向水平钻井时，应该在考虑经济效益的前提下，尽量使水平井段的长度更长，以期产生更好的开发效果。在其他参数相同的条件下，径向水平井井径(jn jn)对水平井的产能有影响，但是井径对产能的影响并不十分明显。在其他参数相同的条件下，地层污染程度越高，水平井与直井的产能比越大。因此，在地层污染严重的地层中采用径向水平井技术能够产生良好(lingho)的效果。技术(jsh)经济分析

55、6.1 技术分析径向水平井是指曲率半径远比常规钻井曲率半径更短的一种水平井，也称之为“超短半径水平井”。径向井技术是利用高压水射流在油层水平方向辐射钻出一个长820m,直径124mm的井眼，这样可以在井眼周围形成一个很大的泄油范围，充分动用油层储量。它是油田开发后期提高采收率的一种重要手段。钻井过程中，首先把要钻径向水平井的生产层位磨铣掉一段套管，并扩大井径，然后下入转向器使转向器在曲率为0.3m内水平转向，对准生产层位水平方向用高压水射流辐射钻孔，最后进行完井。根据径向水平井的特点、调研资料及目前国内水平井工艺要求，选择油层时应考虑以下参数：油藏埋深小于2000m；单层厚度大于6m的油层；水

56、平渗透率值大于50；单井控制剩余地质储量大于1；地层倾角小于100；参数(cnsh)小于100m，该参数一是限制油层厚度(hud)不能太大；二是限制垂直渗透率不能太小；直井千米(qin m)井深日产油大于1.0t；0.2P/Pi1.2。通过以上参数的研究，可以确定出适合径向水平井开采的油藏。径向水平井的钻井方位与注水井和老井眼连线的垂直方向最好。径向水平井的长度越长，产能就越大，但钻井成本也越高。因此，应根据具体地区的钻井成本把长度优化控制在一个合理的范围内。但由于目前国内钻井技术不过关，因此长度要求尽量长。径向水平井的位置位于油层中部时产能最大。另外，井眼越多，开采状况越好，但成本也不断增加

57、，因此，设计径向水平井应根据具体地址情况尽量控制住老井眼周围的死油区。6.2 经济分析研究表明：不论什么条件下，径向水平井均比垂直井采出程度高，但采收率仅提高0.5%左右，没有发展意义；注水开发时，在水平井段长60m的情况下，油藏最终采收率可提高27%，达到60%以上，具有较高的开采价值和经济效益。从此意义上讲，可以暂定径向水平井单井钻进最小长度为30m,且能在同一层上相反方向钻出2个以上径向水平井眼。试验表明：钻一口径向水平井比直井多投资150万元，评价期为10a，径向水平井比直井多产3637t，按目前扣税后油价计算，原油商品率取97%，径向水平井比直井净收益增加215万元，因此，钻径向水平

58、井在经济上是可行的。6.3 小结通过研究径向水平井所需地质条件，论证了径向水平井技术在钻井领域是成功的。在油藏描述及剩余油分布研究的基础上，设计径向水平井较好的控制老井眼周围的死油区。径向水平井的位置位于油层中部时产能最大。同时确定(qudng)出径向水平井单井钻进的最小长度为30m，且能在同一层上相反方向钻出2个以上(yshng)径向水平井眼。经济(jngj)评估表明径向水平井投资少，经济效益比直井好，经济上是可行的结论。参考文献1 中国机械设计大典编委会. 中国机械设计大典.南昌：江西科学技术出版社，20022 M.F.Spotts，T.E.Shoup.Design of Machine

59、Elements. 英文版.原书第3版. 北京：机械工业出版社，20033 数字化手册编委会编.机械设计手册软件版（R2.0）.北京：机械工业出版社，2003年1月4 Joseph E.Shigley，Charles R.Mischke.Mechanicai Engineering Design.英文版.原书第6版. 北京：机械工业出版社，20025 Robert L.Mott.Machine Elements in Mechanical Design. 英文版.原书第3版. 北京：机械工业出版社，20036 M.F.Spotts，T.E.Shoup.Design of Machine Ele

60、ments. 英文版.原书第3版. 北京：机械工业出版社，20037 成大先.机械设计手册. 第4版. 北京：化学工业出版社，20028 徐灏主编.机械设计手册. 第2版. 北京：机械工业出版社，20009 吴宗泽主编.机械设计师手册.北京：机械工业出版社，2002年7月10 吴宗泽主编.机械结构设计. 北京：机械工业出版社，1988.11 03239019.X高压水射流径向水平钻井系统E21B7 0601251187.0径向井双速钻探绞车B66D1 0013 刘小年.机械设计制图简明(jinmng)手册. 北京：机械工业出版社.200114 孙江宏.Pro/Engineer2001中文版入门