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连续管高压水射流径向钻井

/radial jet drilling with coiled tubing/
最后更新 2024-12-04
浏览 127
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用连续管依次携带专用钻具,在井下导向器的引导下,依靠地面泵送流体动力,分步进行套管开窗和地层喷射钻进,沿井筒径向钻出多个微型分支井的技术。

英文名称
radial jet drilling with coiled tubing
所属学科
石油与天然气工程

连续管高压水射流径向钻井这种零转向半径微型多分支井可有效穿透近井带污染,改善油气流入井筒的特性,新增和拓展泄油区域,从而实现增产、增注和提高采收率的目的。

美国学者于20世纪70~80年代成功研制的径向钻井系统是早期水射流径向钻井技术的代表。中国学者联合多家油田钻采研究院进行了类似的水射流钻径向井系统的开发,并进入现场应用了十多口井。该技术必须进行套管锻铣和多级扩眼,影响了作业效率,而且对井筒破坏大,扩孔段需重新完井。

20世纪90年代,一些学者开展了新型水射流径向钻井技术的研究,新技术使用新型的导向器,无须再进行套管锻铣和扩眼的复杂工序,而是采用连续管带过油管工具直接在套管和水泥环上钻孔,然后进行水平段井眼喷射钻进。由于这种连续管高压水射流径向钻井技术无须套管锻铣和扩眼,并利用连续管优势,作业效率得到大幅提高。2006年美国学者研制了AFJ(Abrasive Fluid Jetting)水射流径向钻井钻机。该技术与上述水射流径向钻井技术的区别在于AFJ技术采用高速磨料射流冲蚀的方式在套管和水泥环上形成开孔,随后继续在储层中钻进形成径向井眼。这种水射流径向钻孔技术的优势在于采用一套钻具完成钻套管、水泥环和径向水平段井眼,节约了钻井时间,提高了水射流径向钻孔作业效率,但该技术不够成熟,应用实例较少。

WES、RDS等公司的技术自2006年引入中国,其基本特征是:使用1/2英寸(in)连续管,配套20~50升/分的高压泵源,标称的径向钻进深度达到100米,但总体应用效果远低预期。中国引进的技术值得关注的两个问题是:标称的钻进深度超过100米,实际的钻进深度难以确认;钻进速度超过6.7米/分,远远大于机械钻井钻速,对可钻性不同的地层不可能有普适性。

连续管高压水射流径向钻井技术所需的主要设备和工具包括地面钻机、钢缆卡车、压裂车、套管锻铣钻头、扩眼钻头、井下锚定系统和导向器、高压喷管及射流喷头等。

该技术完成水射流径向钻井作业可分为以下4步:①套管锻铣。采用钻杆将套管锻铣钻头下入待钻深度,完成套管锻铣。②扩眼。将扩眼钻头与钻杆相连,下入已铣过的井段分多步进行扩眼,最终使井眼直径大于0.6米。③下导向器定位。采用高压油管将锚和导向器下入扩眼井段,陀螺仪测量导向器方位角,调整好方位角后,锚定器将导向器固定在扩眼井段待作业位置。④地层径向钻进。通过钢丝绳将高压喷管(带加重杆)连同射流破岩钻头一起下入井中,控制钢丝绳下放速度,在导向器引导下射流钻头钻入储层,完成径向井眼的钻进。

连续管高压水射流径向钻井施工过程可分为以下三步:①下入导向器。导向器与油管下端相连,通过修井机进行油管作业,将导向器下入井中,校深后定向。在整个径向钻井作业过程中,井下导向器由油管悬挂和锚定器锚定,与套管保持相对固定。②钻套管和水泥环。套管开窗钻具接入连续管下端,从油管中下入。下到预定深度后,钻头和柔性钻杆经井下导向器引导,由垂直转向水平,钻头接触套管待开孔位置。启动地面高压泵,连续管将动力液输送至井下螺杆马达,驱动柔性钻杆和钻头旋转钻进,完成套管和水泥环的开孔工序。完钻后,通过连续管作业,从油管中起出螺杆马达、柔性钻杆和机械钻头。③径向水平段钻进。高压软管一端与自进式高速射流钻头相连,另一端与连续管相连。在套管完成钻孔后,通过连续管作业,将高压软管和自进式高速射流钻头下入油管中。在下入过程中启动地面高压泵,自进式高速射流钻头依靠前后高速射流产生的反作用合力为钻头前进提供了牵引力。导向器引导钻头和高压软管通过已开孔的套管和水泥环后调高地面高压泵的压力和流量,钻头前向喷嘴喷出的高速射流进行破岩钻孔,后向喷嘴喷出的高速射流则提供前进动力,最终完成径向井段的钻井作业。

连续管高压水射流径向钻井的主要设备及配套设施包括:①修井机组及井控装置。修井机通过油管起下井下导向器,并完成水射流径向钻井过程中井下导向器的位置和方位变换调整。井控装置包括防喷器、采油树上半部和节流管汇等,压力等级根据地层压力确定。②连续管作业机。通过连续管起下钻具,并输送压力液至井下钻具,为井下钻具提供动力,实现套管开窗和地层钻进。③地面高压泵组及其供液系统。地面高压泵为井下水射流径向钻井作业提供高压动力液;供液系统包括罐车、缓冲罐、灌注泵、过滤器及管汇等;在作业过程中,还需要污水罐车回收井筒返出液。④工作液体。工作液体根据油藏保护需求及敏感性特征、施工环境等,优选无固相、低黏、低摩阻、防冻、清洁施工工作液。一般用清水配制,添加一定比例减阻剂、黏土稳定剂、助排剂等添加剂,达到与地层配伍、减摩、增加破岩效率和有利于油气流通等目的。

采用套管接箍定位器定深,可不使用磁定位测井仪器,实现随钻校深,减少了测井仪器费用和作业时间。研制可锚定定向器,解决了使用独立的锚定器和定向器组合而产生的功能干涉问题,简化了井下工具串配置结构。该工具的定向功能可在同一深度的不同方位完成多个分支井眼的作业,避免多次使用陀螺仪,不仅定向准确,还简化了施工工艺,缩短了作业时间,有效降低了成本。

研制井下钻压可控的机械式钻压推加器,避免管柱重量、液压波动等因素对钻压的干扰。研制伸缩式万向节护筒,在钻具下井过程中,万向节软轴在护筒约束保护下不会产生弯折,能够适应连续管快速起下。研制安全短节,可起到安全保险作用,防止万向节软轴过载扭断而造成落物。研究设计套管钻穿的监测机构,可实现实时和事后准确评价。

根据地层的水射流可钻性差异,选配合适的喷射钻进工具。对于坚硬地层,选用近井带钻进工具,钻进速度0.5~2米/秒,钻进深度2~3米,其特点是喷射钻头只有前向射流,系统全部流量都用于破岩,由钻速控制器为钻头和与之相连的高压软管提供推进动力并控制钻进速度;对于中等硬度地层,选用步进式钻进工具,钻进速度2~5米/秒,钻进深度5~10米,其特点是喷射钻头前后流量基本平衡,由步进式喷射钻井控制器为钻头和软管提供推进动力并控制钻进速度;对于疏松地层,选用自牵引钻进工具,钻进速度5~10米/秒,钻进深度可达30米以上,其特点是后向射流流量远大于前向射流流量,依靠自进式喷射钻头为钻进提供牵引动力,由地面下放连续管控制钻进速度。

连续管高压水射流径向钻井的主要特点有:径向穿透深达数十米,泄油体积大;径向井眼直径为25~50毫米,孔壁清洁,对地层无污染,流通能力强;不易堵塞、坍塌,有效期长久;定向定位精确,可对储层进行精准改造;对井身结构损害小,作业风险小。

连续管高压水射流径向钻井的适用范围包括:①扩大油井有效半径,近井带解堵。穿透污染层,显著降低近井带流动压降,增产增注或准确评价地层产能。②优化井网布置。可定向注采,提高注采效率。③低渗透地层改造。改善酸化效果,增加处理深度;压裂前预处理,降低储层起破压力,控制近井裂缝的转向。④延缓底(边)水或气顶的锥进。孔眼可准确定位,远离油水、油气界面,避开边水。⑤特殊井增产作业。油水层间互、储层、储隔层应力差小,裂缝性储层等不适合酸化压裂的井。

“十一五”以来,依托国家重大科技专项和三大油气企业集团配套项目,中国石油集团钻井工程研究院、中国石油大学等多家研究机构开展了连续管高压水射流径向钻井技术研究。2013年,中国石油集团钻井工程技术研究院江汉机械研究所形成了成套的自主技术与工具装备,并成功进入现场应用,已作业十多井次。其基本特征是:使用常规连续管,配套120升/分高压泵源,有效钻进深度和钻进速度与地层可钻性密切相关,最深可达30米以上,最快可达1米/分,绝大部分井作业效果明显。

  • 李根生,黄中伟,李敬彬.水力喷射径向水平井钻井关键技术研究.石油钻探技术,2017,45(2):1-9.

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