短半径水平井技术

1、短半径水平井技术短半径水平井是在中长半径水平井技术基础上发展起来的一项钻井新技术，该技术能成 倍的提高油井产量和提高采收率，改善井网布置，合理有效的开发各类油藏，不但可以节约 钻井及油田开发综合成本，尤其是对难以开发的薄油气层，极大地提高了采收率和经济效益。一、短半径水平井的特点短半径水平井的定义一般是指造斜井段的造斜率大于1。/m的水平井，即曲率半径小于57.3m,又称大曲率水平井。短半径水平井具有井眼小、造斜率高、曲率半径和靶前位移短等特点。短半径水平井的 主要特点和优缺点见表 1。表1 短半径水平井的特点工艺特点优 点缺 点造斜率1 /m1、井眼曲线段最短1、非常规的井卜，具曲率半径v

2、57.3m2、中靶准确度高2、穿透油气层段段井眼尺寸：6 95.25mm-6 152.4mm3、从一口直井可以钻多口水 平分支井3、井眼尺寸受到限制钻井方式：高造斜率马达方式 或转盘钻柔性组合4、造斜点与油层距离最小4、井眼方位控制受到限制钻杆：7 73mm5、可附于浅油气层5、要求使用动力水龙头或顶 部驱动系统测斜工具：柔性测斜仪或 MWD)6、全井斜深最小6、施工难度大地面设备：动力水龙头或顶部 驱动系统7、不受地面条件的限制7、非常规的完井方法、短半径水平井的发展现状短半径水平井在国外各大公司中，美国贝克？修斯是具有代表性的一家公司。七十年代中期，美国的Eastman Whipstock

3、公司通过八年的研究试验，研制出了短半径造斜钻井系统，经改进完善，在美国南部一些油田和加拿大北坡的Knparnk油田广泛应用提高产量 4倍以上。1983年以来设在西德的 Eastman Christenden 公司又作了进一步改进并完型生产，九十年代 初期经过一次较大的兼并，将与钻井技术有关的数家服务公司从资金、人才和技术方面进步 了择优调整，组建了能从事钻井一条龙”服务的 Baker Hughes Intep公司，在技术研究和 工具仪器方面都有很强的竞争能力，近年来已侧钻段半径水平井300余口。Sperrg-Sum公司在以发展仪器为主的基础上，已能为提供定向井与水平井钻井的全面服务。该公司短半

4、径水平井技术也处于领先地位，它的无线随钻MW前ESS电子多点采用了柔性连接方式，广泛用于短半径侧钻水平井。目前，短半径水平井的最大水平位移和最长水平 段已分别达到953m和600m；开窗侧钻点最大井深已达到7751s 水平段最长的短半径水平井是美国的 Mobil Erdgas-Erdoel Gmbh司在德国钻成的 Reitbrook 308井(120.7mm井眼)， 水平段长600m,水平位移953m。进入80年代以来，国外许多公司在常规水平井钻井技术基础上，开展了超短半径侧钻水平井的研究试验。超短半径侧钻水平井是指在垂直井眼的半径方向上用高压水射流钻出曲率 半径为0.3m左右的水平井眼的井

5、(ulleshont Radius Radial well )美国比契特尔(Bechtel ) 投资公司和石油物理 (Petvophysics )有限公司独树一帜，经过六年多的探索试验，Bechtell公司发明的以特殊井下斜向器和高压射流破岩钻头为主要技术的超短半径侧钻水平井系统(Ultnashort Radius Radial system ,简称URRS。该技术采用了特殊的井下斜向器和高压 射流破岩钻头，利用高压水射流进行全面破岩钻进，完全摆脱了机械方法破岩的束缚，从而 可在垂直井眼的半径方位上用高压水射流钻出曲率半径为0.3m左右的水平井眼，并能使在油层中钻进的速度达到330m/h,整个

6、钻井过程比常规水平井更简单、更经济，到 1985年上半年在加利福尼亚和洛杉矶油田钻出了450多口井径向水平井，1986年经改进又推出了更科学更完善的第二代 Becwell水平井钻井系统，到 1987年己钻成的经向水平井超过了600 口，其中水平井眼直径为 101.6mm（4）,水平段长度为 30-60m,并能在一口垂直井的同一深度上 向四周外出24 口幅射状的水平井眼，在浅的未胶结的地层中钻24 口水平井，实际钻井时间一般不超过60小时。国外短半径侧钻水平井起步较早，工艺技术日趋完善，应用规模不断扩大。我国经过“九五”攻关已较好地掌握了这项技术，但在开窗侧钻效率、经济技术指标、工具仪器配套、新

7、 技术新工具的开发应用方面与先进水平相比尚有较大差距。近年我国开展了柔性短半径水平井钻井工具的攻关研究，并取得了多项可喜的成果。石 油勘探开发科学研究院机械所自行研制的较接螺杆马达系统采用两节螺杆马达接头所需要的 动力，其间用钱接头连接。最大刚性长度为1.5m,造斜率3 -5 Zm,曲率半径w 18m,能在28m曲线井眼长度内将井眼由垂直变为水平，样机室内试验和现场中间试验达到设计要求， 并通过有关专家的验收和评定，有6 120.65mm和力89.9mm两种规格，供套管内侧钻短半径水平井使用。另外，石油大学和大港油田联合开发了适用转盘和动力水龙头钻短半径水平井的 柔性钻井系统。该系统由柔性钻杆

8、和造斜短节两部分组成。钻杆用薄壁无缝管切割蘑茹口， 可随钻柱旋转。造斜短节外壳切有单向弯曲的割缝，在钻压的作用下可单向弯曲，施工中不 旋转，其内有铠接的胶管，用以循环钻井液，并有一传动轴，将上部钻的旋转动力传柱给钻 头，样机通过了室内台架试验，未下井进行现场实钻试验。短半径水平井钻井工具的研制成 功，必将促进我国套管内侧钻短水平井的发展。胜利油田在“九五”期间，作为承担国家重点科研项目的主要单位之一，开展了短半径 侧钻水平井项目的科研攻关，使短半径侧钻水平井技术有了新的突破，形成了系列配套技术。几年来，共在不同类型油藏区块上完成侧钻水平井18 口，其中139.7mm套管内短半径侧钻水平井10

9、口。短半径水平井平均造斜率为1.1。Zm,最高造斜率3.6 Zm,目的层垂深误差小于2m,侧钻点最深达 4515.5m。我国“九五”期间，在对长、中半径水平井钻井技术及配套装备、工具、仪器等不断进 行改进、完善和更新的基础上，对套管内短半径侧钻水平井配套工艺技术进行了系统的试验 研究，引进或开发出适用的井下工具和测量仪器，取得突破性进展。此外，在此基础上进行 的超短半径侧钻水平井技术的试验研究也取得了实质性的进展。石油大学（华东）和中原油田钻井院从 1992年开始合作进行了 “径向水平井钻井技术研 究”，1994年完成了可行性研究并研制出了用高压水射流钻径向水平井的特殊斜向器和水力 破岩钻头。

10、“九五”期间进行配套技术的实质性研究，形成了与国外第二代 Becwell水平井系 统相类似的径向水平井钻井系统，该系统主要设备为一台耐压80MPa以上的压裂泵和一台修井作业机，目前已进行了 3 口井的现场试验。其中1997年对辽河油田锦 45-04-19井进行改造，侧钻点井深1020m,段铳长度5m,地面水力压力5060MPa排量10LZs ,曲率半径0.3m, 孔径120mm水平段长15.86m,平均机械钻速 9.55mZh。水平段采用裸眼完井，扩眼段采用 砾石充填。产量为原来的 8-9倍。中原油田钻井工艺研究所也进行了 “柔性钻井技术”的研究，采用特殊斜向器、较接柔 性钻杆配合较接马达或转

11、盘钻进行水平钻进，、下柔性筛管完井。目前已在中原油田和陕北油田现场试验6 口井，其中3 口水平段长6m左右（最长8.05m）,曲率半径均小于1m,孔径116mm辽河油田钻井院研制了水力扩孔工具并已钻了2口试验井，均获高产。吉林油田钻井院研制了水力开窗工具，钻成3 口试验井。江汉油田矿机所研制了液缸式转向器，2000年地面试验获得成功。中国地质大学于1998年研制出“直角转向水平钻进井下处理系统”。该系统主要由钻头总成、可单向弯曲的柔性钻杆、传递动力的柔性软管、转换连接器、折叠式导向器、定向 器、护管、导管及辅助接头等组成。并进行了地面试验，钻孔深度达6m,孔径80mm曲率半径小于0.5m。20

12、00年6月、9月江汉油田矿机所、吉林油田钻井院、辽河油田钻井院和石油大学(华 东)在江汉油田矿机所联合进行了两次地面试验，对各自研制的工具和配套设施进行检验， 试验获得圆满成功，必将对我国超短半径侧钻水平井钻井技术水平的提高起到积极的推动作 用。实践表明，采用超短半径侧钻水平井进行老井改造可提高产量 2.35-9倍，国内己钻超短半径侧钻水平井情况见表2。表2国内己钻超短半径侧钻水平井情况油田辽河油田南阳油田吉林油田井号锦 45-04-19锦 45-38-303古 2206中力口 9-9 2新加21-5木 24-19时间(Y)1997199919981998井段(mDP 1020P 1086-1

13、092P 986-988474-477496-497749-750岩性砂岩稠油、7 米厚油层中间有0.3米的 夹层低渗、硬钻 速低分枝数132111水平段长 (nj)15.866.5、2.8、2.16.5、4.64.023.684.62钻井周期 (d)451250水平钻进 (h)1.750.530.450.5水平钻速 m/h9.5519.68.189.24改 造 刖 产 量产液 (m3)0.34.51产油(t)01.10改造后产量产液 (m3)1.558.82.35产油(t)14t0.362.82.1产量提高8-9倍3-4倍5.17 倍2.55 倍2.35 倍试验成本 (力兀)72备注一局产井

14、局产井目前，由于该技术的定向准确可靠、钻速高、设备简单、操作方便、钻井成本低。这一 新技术越来越受到世界范围内的石油生产公司的青睐，显示了强大的生命力和远大的发展前 景，并己形成了逐步取代用常规钻水平井方法钻短曲率半径水平井的趋势，展现了现代钻井 技术发展的新方向。三、短半径水平井装备及工具1、钻机和钻杆目前，有两类钻机用于短半径水平井施工。一类是修井机和小型钻机，一类是连续管作业装置。在4 1/2英寸井眼中侧钻水平井可使用改装的修井机，并配备一套动力水龙头；另外还需要带有固控设备的泥浆循环系统，但容量和处理能力相对 较小。选择的泵应能满足锻铳作业中清洗和冷却的要求。在裸眼井段，常采用带有 C

15、S-Hydril 或PH-6工具接头的 2 3/8英寸油管作为钻柱。PH-6接头比 CS-Hydril 接头抗扭强度高，这在磨铳阶段中有好处，但它的内径 较小，大多数仪器不能通过。为此，可使用变径钻杆，在曲线段和水平段用2 2/3英寸并带有 CS-Hydril接头的钻柱，在直井段使用2 7/8英寸的钻杆。在较大尺寸井眼或深井中钻短半径水平井，可使用常规钻机或配套钻具。2、井下马达短半径水平井的造斜率一般都很高，需要采用特殊结构的井下马达才能满足设 计要求。常用的井下马达有大角度的单弯或双弯马达以及校接马达。进入80年代，短半径水平井受到世界各国的广泛重视，相继开发了新的钻井系统，普遍的做法是将

16、用于中、长半径水平井的螺杆马达引入了短半径水平系统的研究之中。典型的公 司有 Eastman Christenson 公司、 Preussag 公司、 Anadrill schlumberger 公司。并相继研 制出了与之配套使用的柔性有线随钻和柔性MWD得水平段长度达到 400m在薄油层、复杂断块和小区块油藏中发挥了积极的作用，促进了套管开窗侧钻钻短水平井的发展。Eastman Christenson公司的较接螺杆马达系统，可以钻曲率半径为 12-15m的短半径水平井。其工具特点是把在中半径水平井内使用很有效的容积式钻井液马达长度缩短到1m,并用专利的万向接头钱接起来，造斜段用一节马达，稳斜

17、段用两节马达，钻头、近钻头稳定器 和成向接头稳定器构成决定曲率半径的三个接触点，配单弯或双弯的外壳，造斜率可达4.8 /m。有120.65mm和95.25mn 两种规格，可供 177.8mm和139.7mm套管内侧钻短水平 井使用。Pneussag公司的校接马达系统。该系统与Eastnman Christenson 公司校接马达系统主要不同点在于造斜段总成的结构。它主要由旋转的内驱动管和不旋转的外校接管两部分组成。旋转内驱动管内铠装有胶管，既可在一定角度内弯曲，又可循环钻井液。不旋转的钱接外管 可单向弯曲一定角度而不发生方位变化，既可按井眼轨迹弯曲，不可向钻头传递转压。钻头、近钻头稳定器垫块及

18、单身弯曲较接接头稳定器构成决定曲率半径的3个接触点，不配备弯外壳（或弯接头）。有120.65mm和171.45mm两种规格，可供177.8mm和244.5mm套管内 侧钻短半径水平井。Anadrill schlumberger公司的校接马达系统。该系统主要由短螺杆马达、上下较接头及造斜段总成组成。造斜段总成主要由近钻头稳定器压力驱动的活塞和可调直径稳定器构成， 其中可调直径稳定器在钻台上可以调整直径，压力驱动的活塞在钻井液柱压力作用下外凸块 的外凸程度不同。这样在造斜与稳斜施工时只用一根钻具即可满足要求。共有两种规格3种造斜率，用于 177.8mm套管内钻的 120.65mm钻头，造斜率 2.

19、43 /m；用于 139.7mm套 管内侧钻的88.9mm钻头，造斜率为2.66 /m。3、测量仪器短半径水平井的高造斜率，采用常规仪器难以通过井下钻柱，必须使用小尺寸或柔性连接的测斜仪。斯佩里森（Sperry-Sun ）公司在以发展测量仪器为主的基础上已转为提供定向井与水平 井钻井全面服务，其生产规模及利润就今年在全球范围内可于各大公司抗衡，该公司段半径水平井技术也处于领先地位，目前生产井主要集中在加拿大北部和俄罗斯部分油田，总体水平仍以测量仪器见长，该公司的MWD ESS电子采用了与贝克休斯基本相同的柔情连接方式，最大特点是下井脉冲发生器本体和探管本身尺寸较小，在变型为小井眼仪器和短半径水

20、平仪器时，不许另彳T设计，只是将蘑菇头、孔板和涡轮发电机的定子、 转子改造为何是的尺寸即可，节约了大量的配套费用。吉欧.灵克公司（Geolink ）也是一家以测量仪器见长的公司，该公司成立于1988年，是由一批高级技术人员组成的高技术小公司，其生产的无限岁钻测斜仪已销售到三十多个国 家和公司，其 MWD品上海目前世界上最短，下井结构最简单、操作最容易和需要维修设备最少的无线随钻测斜仪，价钱仅为大公司的50说右，该仪器是目前世界上唯一商业化的可覆盖长、中、短半径造斜率范围的无限随钻测斜仪，在不作任何改井的前提下，由于其被青 铜外筒和脉冲发生气留有弯曲余量，可以满足18m曲率半径水平井曲率井段和水

21、平井段的测量要求。且该公司是唯一一家加接、测量并达到商业化的程度。4、开窗侧钻工具开窗侧钻工具有两种。一种是套管锻铳器，它的工作原理是利用铳刀将套管锻 铳一定井段，然后填井侧钻；另一种是斜向器，采用非磁性类仪器定向直接将斜向 器坐封在套管上，利用特殊工具开窗侧钻。5、钻井用液力加压器钻井用液力加压器是通过钻井液的液压力产生钻压，开泵时，液力加压器使下 部井底钻具组合与钻柱的其余部分相分离，以便提供一个恒定的、可控的钻压，减 少轴向振动和冲击。液力加压器能够解决短半径水平井的钻井加压难题，提高机械钻速和钻头使用寿命，改善施工条件和减少井下事故。四、胜利油田短半径水平井钻井技术一、剖面设计1、短半

22、径水平井只要油藏工程允许，且目的层之上无水层或复杂地层时，结合国内实际情况，水平井施工应采用中短半径，即曲率半径选择在 4050m为宜，不宜选择国外的1822m,更不必高超短半径 井（12m）水平井。从现场角度讲，过分短的曲率半径，施工难度过大，几乎没有回旋余地，井眼轨 迹略有失控则需填井重钻，损失重大。2、适宜的造斜率造斜率的选择，是满足曲率半径要求的关键 ，按国家“九五”重点攻关项目的要求，只要达 到造斜率13 /m即视为短半径（国外39 Zm）o实践证明，造斜率13 /m的短 半径井水平井是经济、稳妥的实施方案。3、三段制井身剖面设计应留有余地井身剖面的选择，实际是造斜率的优化。尽管短半

23、径水平井斜井段（造斜段）较短，考虑到现场施工中增斜井段较接马达的不稳定性或初始不稳定性、地层因素的不确定性、施工操作 的不规范性，应在井身剖面的设计六有调整余地。目前 ，的短半径水平井井身剖面的设计以三 段制为最佳选择。即：第一增斜率造斜率1。1.5。/m,第三增斜段（并进入靶点）造斜率为22.25 Zm,中间段（调整段）设计造斜率1 Zm左右。4、避开三维井身剖面严格讲，三维井身剖面不适合短半径水平井，因为在相当短而造斜旅又高的斜井段中进行较大的方位调整往往是不现实的，甚至不可能，在水平段更是如此。为此，要求在进入造斜点前，直至钻完水平段，整体剖面一直保持二维剖面。即使该井需要调方位而出现三

24、维轨迹时，也要在造斜点之前完成，还必须注意所调方位量不能太大（如0.1。0.2。/m）。5、校准老井数据由于老井的电测完井数据往往不精确（受仪器精度所限）,不能作为设计的依据。因此，老 井在套管开窗设计前，需要先进行陀螺（SRO或BOSSM率）测井，用以精确校核原井眼的井斜、 方位、磁场强度等数据。以此为基础，再做侧钻短半径井身剖面设计。特别指出的是，陀螺测井数据于老井的完井电测数据差别往往非非常大。这种情况下，结合的油藏设计条件，原定采用老井套管开窗侧钻短半径水平静之方案就不一定或根本不可能实现，从而引出三种情况：（1）可钻短半径水平井；（2）只适宜钻长、中半径水平井；（3）只可钻侧钻定向斜

25、井（轨迹误差过大）。6、校正磁场参数短半径水平井钻井是一项精细工程，为准确中靶，要求井眼轨迹设计必须精确，还需考 虑如下磁场参数的较正：（1）磁场强度；（2）近期的磁偏角;（3）大地子午线收敛角。二、套管开窗侧钻1、对于深井、硬地层，宜使用造斜器、利用 窗铳进行套管 窗侧钻。它有开窗位置准确、 侧钻成功率高（要求斜向器锚定牢固）的优点，但测量仪器受干扰，初始定向难，有时要使用陀 螺单点，井眼高边定向（误差稍大）。2、对于浅井、软地层，宜使用段铳方式，利用段铳刀具将套关铳掉 1020m,然后注入泥塞， 采用造斜马达侧钻。其优点是可以克服磁干扰，仪器定向方便，但当水泥硬度不及地层时，侧钻 电易滑移

26、，影响井眼轨迹控制。总之，开窗处应满足：（1）套管外水泥环封固良好；（2）套管处无扶正器；（3）井斜角、方 位角对剖面有利。三、钻井方式与钻具组合1、钻井方式出于对钻具强度及高造斜率井眼轨迹控制的考虑，短半径水平段宜以滑动钻进为主、旋 转钻进为辅的方式进行，旋转钻进多为有效传递钻压、消除摩阻、划眼等。但理论计算和现 场实践证明，中短半径水平井允许使用转盘钻进。2、钻具组合（1）用无磁承压钻干替代加压钻铤，同时也替代了无磁钻铤。（2）用PH双级密封扣油管代替普通钻杆置于斜井段、水平段。（3）造斜点一下所有转换接头均应专门车制相应高钢级PH6双级密封扣。（4）钻进水平段时，为施加钻压需接倒置钻具，

27、一般以钻铤或加重钻杆接于直井段。（5）每趟钻都要用随钻震击器。钻进（）139.7mm井眼时钻具组合：（）120118mmt占头+（）89mm井下马达+（）73mm磁承 压钻杆+MWD/YST+ 73mmPH油管 +（）89mnM铤 +（）73mm占杆 +（f）73mmB击器。钻井4 177.8mm井眼时的钻具组合： （）150mmr（）152mm钻头+（）89mm无磁承压钻杆 +MWD/YST+ 89mmPH触管 +（）120mmi占铤 +（）89mnM杆 +（）89mnjR击器。四、井眼轨迹控制1、造斜马达的匹配短半径水平井剖面控制，应十分重视造斜马达造斜率与剖面曲线精确匹配。施工中不允许用

28、试钻做法，因为在短而造斜率高的井眼中， 若工具于造斜率不匹配，极易导致剖面脱轨， 从而造成填井重钻。对于井下动力马达，掌握其造斜率，除用公式计算外，还要根据实践经验， 两者具有很强的互补性。2、钱接式动力马达的局限性当用钱接式动力马达调整方位时，因其校接结构，具有时节效应，功能不尽人意，远不 及弯外壳动力马达。尤其在短半径水平井中，在高造斜率的斜井段，方位更不易调整，若必 须进行方位调整，应考虑改用弯外壳动力马达。同时，较接马达一旦钻遇地质断层，会顺层 面漂移，造成井斜、方位失灵。3、应用常规动力马达结合我国实际，中短半径水平井施工的井下动力马达，不一定非要使用国外引进的较接 式动力马达，完全可以采用国产常规弯外壳井下动力马达。实践证明既经济又有效。国产弯 外壳动力马达实际通过的井眼尺寸见表 3。表3国产弯外壳动力马达实际所通过的井眼尺寸套管尺寸（mm弯外壳动力马达角度下入井号（胜利油田）(f) 139.7()95mnX 2.75 单弯4 95mm 3 单弯4 95mm 1.75 X 1 双弯梁 11-23CP1河 90-CP1盘 40-41CP1()177.84 95mm 3 单弯3 120mnX 3.5 单弯滨占40-CP16（