高压水射流极小半径钻井技术研究现状与展望_范耀.pdf

第 48 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.5 2020 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract Tight radius drilling technology based on high pressure water jet is an important technical means to real- ize low-cost and efficient development of oil and gas resources. According to the research and application of tight radius drilling technology based on high pressure water jet, the equipment buildup, drilling theory, technical proc- ess and application effect of three tight radius drilling technologies and equipmentsi.e., forging milling and ream- ing hydraulic type, forging milling and reaming jet thrust type and casing window type are summarized system- atically, and the advantages, disadvantages and adaptability of different technologies are included. From the point of view of increasing production of coalbed methane wells, the tight radius drilling technology based on forging milling and reaming jet thrust type is a suitable technology and should be further studied, and the difficulties and solutions in the process of coal seam drilling and turning are put forward. Finally, in view of the bottleneck prob- lems of the tight radius drilling technology and equipment in ation applicability, drilling efficiency, productiv- ity increase and so on, and energy development demand under present new situation, specific development sugges- tions are proposed, including the tight radius drilling compound stimulation technology, the tight radius drilling of drilling rate-increasing and efficiency-enhancing technology, the tight radius drilling and screen completion inte- gration technology, the automated, inatized and intelligent tight radius drilling technology. Keywords tight radius drilling; rotary multihole jet; status; prospect; coalbed methane 高压水射流极小半径钻井技术以下简称极小 半径钻井技术是技术利用高压管线将高压水射流 钻头下入井筒中设计深度，通过特殊的转向装置实 现高压水射流钻头垂直向水平的转向，然后利用高 第 5 期 范耀等 高压水射流极小半径钻井技术研究现状与展望 233 压水射流能量，沿目的层的径向方向，侧钻出多个 不同方位的放射状水平井眼[1-4]。极小半径钻井技术 从 20 世纪 80 年代研制成功，经过不断的改进，已 在开采油气藏中显示了诸多优势，逐步成为油气井 新井开发，老井改造的有效手段，同时也为煤层气 单井产量的增加提供了发展方向。极小半径钻井技 术兼有完井和增产的作用[5]。根据高压水射流极小 半径钻井技术特点， 该项技术主要优点表现在 施工 设备简单、价格相对低廉；施工工艺简单、难度小， 利用高压水射流破岩，钻进不需要钻杆旋转，转弯 半径极小，避免常规水平井钻井频繁造斜、定向和 轨迹控制等工艺过程，容易施工放射状多分支水平 井筒[6-10]；钻井成本低，直接在已有的直井转向施工 水平井，减少非储层段的钻进[11]；改造范围大，可 在任意位置钻进，沟通压裂裂缝难以到达部位[12]。 笔者系统调研国内外极小半径钻井技术及装备 发展现状，归纳总结了不同类型技术的优缺点和适 应性；分析了该项技术应用于煤层气开发领域存在 的问题与面临的挑战， 展望了技术未来的发展趋势， 提出了技术的攻关建议。 1 极小半径钻井技术装备现状 目前，从事极小半径钻井技术研究并拥有该项 技术的国家主要有美国、澳大利亚、加拿大、克罗 地亚、英国和中国等，按照井筒准备方式进行分类， 可分为锻铣扩孔型极小半径水平钻井技术和套管开 窗型极小半径钻井技术两种[13]。 1.1 锻铣扩孔型极小半径钻井技术 锻铣扩孔型极小半径钻井技术，按其钻杆及钻 头前进的动力来源的不同，又可细分为液压式和射 流反推式。 1.1.1 液压式 锻铣扩孔型液压式极小半径钻井装备组成包 括地面设备和井下工具系统两部分。地面设备主 要由作业机、高压泵、井口装置、数据采集和处理 系统及地面运动控制装置等组成。井下工具系统包 括锻铣工具、扩孔工具、钻进工具。锻铣工具和扩孔 工具是整个作业工艺中前期准备的重要工具。 钻进工 具则是整个技术的核心部分， 主要包括 井下转向装 置、油管、钢缆或光杆、柔性钻杆、钻杆运动控制 器、高压射流钻头等[14-15]。其装置组成如图 1 所示。 系统的钻进原理为当钻进工具下入井内预定 位置后，由油管、井口高压密封、底部密封、钻杆 等构成一个液缸–柱塞机构。钻井时，地面高压水力 泵以 913 L/s 的排量提供压力为 5569 MPa 的钻井 液，钻井液经井口进入高压管柱内，再由位于高压 管柱内腔的钻杆上端开口进入其内腔，流向钻头， 然后由高压射流钻头以 213277 m/s 的速度旋转射 出，破碎岩石。在这个过程中，钻杆及钻头前进的 动力来源于作用在钻头内腔及钻杆尾端截面上的液 体压力，在液体压力推拉下前进[16]。钻进速度的控 制依靠高压液体的液压推力和钻杆运动控制器配合 来完成[17]。 其基本工艺过程为在油气井的预定深度进行 锻铣套管； 利用扩孔工具对锻铣后的井眼进行扩孔， 空间满足井下转向装置的转向要求；通过高压管柱 连接井下转向装置下入井中，并对井下转向装置进 行锚定；连接高压射流钻头、柔性钢管、钻杆运动 控制器、钢缆或光杆依次从高压管柱内下入；利 用高压泵从井口高压四通注入高压液体，高压液体 首先使井下转向装置打开，形成由垂直转向水平的 轨道，在液压作用下，钻具经井下转向装置 90弯 曲后进入地层，曲率半径为 0.3 m 左右，高压射流 钻头连续破岩，最终形成水平井眼[18-19]。 图 1 锻铣扩孔型液压式极小半径钻井装备组成 据文献[14]修改 Fig.1 Schematic compostion of the tight radius drilling equipment of forging milling and reaming hydraulic type 在国外，该技术研究始于 20 世纪 70 年代末， 80 年代中期投入工业试验， 80 年代末期进入商业应 用。该技术侧钻井眼长度达到 846 m，一般在 20 m 左右，井眼直径 51102 mm，其油井产量增长能达 到 210 倍，平均为 24 倍[20-22]。 中国石油天然气集团公司在“九五”和“十五”期 间对极小半径钻井技术进行了科技攻关。 从 1996 年 开始采用不同的施工方法在吉林、辽河等油田开展 234 煤田地质与勘探 第 48 卷 了现场工艺性试验。1997 年，辽河油田完成了锦 45-04-19 井的极小半径钻井现场试验。该井是我国 第一口极小半径钻井，水平井眼达到 15.86 m，成孔 后裸眼完井，产量增加 7 倍[23]。1999 年，锦 38-303 井在 3 个不同深度完成 4 个侧钻分支孔的试验，单 支最长水平井眼 9.75 m，采用水力压裂和砾石充填 完井，产量是邻近井的 4 倍。2002 年，在锦 45-检 1 井的同一深度完成 2 个侧钻分支孔的试验，水平井 眼长度分别为 19.40 m、10.90 m，采用砾石充填完 井[24-25]。在南阳油田古 2206 井，两次下井完成了 4 个水平井眼的施工，单支最长水平井眼 6.20 m[26]。 在江苏油田韦 5 井，完成了 3 个水平井眼的施工， 单支最长水平井眼达到 19.55 m，井眼总长 41.93m， 平均日增产 40[27]。吉林油田采用水力开窗、水力 扩孔、磨料射流的方法，完成了 3 口井的现场试验。 锻铣扩孔型液压式极小半径钻井技术虽然在油 井应用取得了一定增产效果，但由于前期锻铣扩孔 工艺繁琐、可靠性低等问题，近十年来未见有进一 步研究或应用报道。 1.1.2 射流反推式 锻铣扩孔型射流反推式极小半径钻井装备组 成包括地面设备和井下工具系统两部分，其中地 面设备主要有作业机、高压泵、高压软管电缆及信 号线绞车、地面监控设备；井下工具系统包括锻铣 工具、扩孔工具和钻进工具。其中钻进工具主要包 括旋转多孔射流自进钻头、井下转向装置、高压 软管、电缆、油管等组成。其中旋转多孔射流自进 钻头和井下转向装置是技术关键[28-30]，其装备组成 如图 2 所示。 图 2 锻铣扩孔型射流反推式极小半径钻井装备组成据 文献[30]修改 Fig.2 Schematic composition of the tight radius drilling equipment of forging milling and reaming jet thrust type 系统的钻进原理为高压软管作为钻杆提供钻 井液通道，旋转多孔射流自进钻头利用其前部的旋 转喷嘴进行切割成孔，利用其后部反向喷嘴的射流 反冲力提供推力带动高压软管和钻头前进。 其基本工艺过程为在直井的预定深度进行锻 铣套管裸眼完井段则可省略，再利用扩孔工具对 井眼进行扩孔，然后下入井下转向装置，之后由高 压软管带着旋转多孔射流自进钻头下入至井下转向 装置预定位置，操作井下转向装置活动杆支起呈水 平方向，井下转向装置的操作既可以通过机械传动 来实现也可以通过液压或电动来实现，最后提高泵 压，完成侧钻。 澳大利亚 CRC Ming 从 1993 年开始进行高压水 射流项目的研究，1994 年开始开展锻铣扩孔型射流 反推式极小半径钻井技术的研究，2000 年在煤层中 开展工业试验，之后陆续开展了多次现场试验[31]。 在澳大利亚 Grasstree 煤矿 GT 2 竖井进行的试 验，井深 298 m，侧钻 12 个钻孔，最长钻孔 182 m， 钻孔总长 1 300 m，抽采结果表明侧钻水平钻孔起 到了增产效果，约采出煤层气 90 万 m3，煤层中的 瓦斯含量从 7.8 m3/t 减少至 3.7 m3/t[29]。 该技术可应用于套管直径大于 219 mm 的煤层 气井，施工需扩孔直径 1.8 m，扩孔高度为 2.1 m， 工作排量为 235 L/min，工作压力为 7090 MPa。其 钻孔效果侧钻井眼长度能达到 50310 m[30]，井眼 直径一般在 70100 mm。 “十三五”以来， 在国家科技重大专项的支持下， 中煤科工集团西安研究院公司在前期预研工作基础 上正式开展适用于我国普遍采用的直径 139.7 mm 套管煤层气井使用的锻铣扩孔型射流反推式极小半 径钻井技术的科技攻关。 1.2 套管开窗型极小半径钻井技术 套管开窗型极小半径钻井技术的特点是使用了 新型的井下转向装置，可在井筒内完成由垂直方向 转向水平方向，无需再进行套管锻铣和井眼扩孔 2 个工序，通过采用设备、工具直接在套管和水泥环 上钻孔，然后进行水平井钻进。由于无需套管锻铣 和扩眼，使得套管开窗型极小半径钻井技术的作业 效率得到大幅提高。开窗技术可以分机械式套管开 窗、磨料射流开窗和冲孔开窗 3 种[32-34]。 套管开窗型极小半径钻井技术的设备系统组 成包括地面设备和井下工具系统两部分。地面设 备主要由作业机、高压泵、控制系统、绞车系统及 井口注入装置等组成。井下工具系统包括套管开窗 工具和钻进工具。钻进工具主要包括自进式射流 第 5 期 范耀等 高压水射流极小半径钻井技术研究现状与展望 235 钻头、连续油管、高压软管、井下转向装置和油管 等[35]。其井下装置组成示意图如图 3 所示。 图 3 套管开窗型极小半径钻井装备组成 据文献[35]修改 Fig.3 Schematic composition of the tight radius drilling equipment of casing window type 系统的钻进原理为连续油管连接高压软管作 为钻杆提供钻井液通道，高压软管具有较小的转弯 半径可通过井下转向装置，在井筒内完成由垂直向 水平方向的转向，自进式射流钻头利用其前部的喷 嘴进行切割成孔，利用其后部反向喷嘴的射流反冲 力提供推力带动高压软管连续油管和钻具前进。 其基本工艺过程为 首先下入井下转向装置， 在预定位置利用专用工具在套管上开出一个窗 口孔，然后下入自进式射流钻头，利用高压水射 流，通过高压软管前端自进喷头的破岩作用，在地 层中的不同方向上侧钻出多个径向水平井眼[36]。 20 世纪 90 年代初期，美国 W. C. Landers[37]在 其专利中揭示了套管开窗型极小半径钻井技术原理 与方法，1999 年，该技术首次进入油田试验， 2000 年以后逐渐开展技术服务，2006 年开始向 世界推广 [38-40]。目前，国外从事该技术的服务公 司主要 Radial Drill Services Inc，Jet-Drill Well Services，LLC，Buckman Jett drilling，V2H Inter- national、WELL Enhancement Services，LLC、First Newgate Petroleum Resources Co. Ltd 和 Blast Energy Services，Inc 等。 该技术与装备目前已形成两种不同的技术装 备，第一种技术装备的特点是采用多喷嘴组合直射 流自进钻头和直径 12.7 mm 高压软管， 套管开窗孔 直径 25 mm 左右，施工压力 5070 MPa，排量一般 20 L/min 左右，钻孔直径 2050 mm，一般 25 mm， 长度 50l00 m。需要说明的是，由于技术保密以及 井下实际轨迹难以测量，钻进长度可信程度受到争 议。已有资料表明，实际的钻进长度往往远低于设 计值，如通过井下实际测量 SRB BB109 井发现， 实际钻进的 12 个井眼中，最远仅到达 31 m，远小 于设计值 100 m[41]。分析其原因① 射流钻头自进 力不足或钻孔孔径不规则，导致高压软管无法钻达 预定深度；② 由于油管摩擦、连续油管下放速度快 于自进速度等原因，导致高压软管会出现从中间某 个位置弯曲、打折，在油管内堆积的现象，因此， 大多数情况下实际的钻进长度并不等于喷射送进长 度[42-43]。 澳大利亚 V2H International 公司针对第一种技 术装备存在的问题，研发了新的套管开窗工具、井下 转向装置和钻进工具，形成了第二种技术装备，该技 术装备套管开窗工具开窗孔直径可达到 38 mm，并 且钻进工具后部安装了钻进轨迹测量装置，钻进距 离最长 30 m，在井深 650 m 的井中已经试验成功， 虽然该技术装备钻进长度30 m在数据上和第一种 技术装备100 m有差距，但由于安装了钻进轨迹测 量装置，其数据更加真实可靠的。 中国石油钻井工程技术研究院江汉石油机械研 究所、中国石油集团长城钻探公司、中石化胜利石 油工程公司钻井工艺研究院和晋煤集团金鼎煤机制 造公司、中国石油大学等单位都开展了套管开窗型 极小半径钻井技术和装备的攻关研究，取得了实质 性进展和技术突破，并且在现场进行了应用[42,44-46]。 在井眼轨迹测量技术方面，黄哲等[47]、李根 生等[48]研制出基于微机电惯性元件的径向孔眼轨 迹测量装置，形成了轨迹解算算法，并编制轨迹 解算软件。 为大幅提高非常规油气藏的单井产量，在极小 半径钻井技术的基础上，李根生等[49-50]创新性提出 径向井与压裂一体化方法，其技术原理是通过钻成 不同空间方位、数量和长度的径向井眼，利用井眼 间应力干扰，控制实现“一井多层、一层多孔，一孔 多缝”的复杂三维裂缝网络。 据不完全统计，仅美国 Radial Drill Services Inc 已在油气井进行了超过 1 110 口井次的极小半径钻 井技术作业，极大地提高了这些井的产能，其产量 增长一般在 20500。 套管开窗型极小半径钻井技术在煤层气开发领 域也进行了一些尝试，从目前的试验效果来看，在 煤层气井单一采用该技术增产效果并不明显，但利 用径向井与压裂一体化技术在部分区块取得了较好 增产效果[51-52]。如山西省古交市屯兰井田 JXSY-01 井，采用径向井与压裂一体化技术后，煤层气井产 量从 0 增加到 500 m3/d。在晋城矿区赵庄区块 ZZFT-013 井，采用径向井与压裂一体化技术后， 井口出现间歇性自喷现象，煤层气产出现象明显， 236 煤田地质与勘探 第 48 卷 煤层的透气性系数由 0.375 m2/MPa2d增加到 1.331 m2/MPa2d，平均增加至原来的 3.55 倍。 2 技术优缺点分析 2.1 套管开窗型极小半径钻井技术 套管开窗型极小半径钻井技术相比锻铣扩孔型 极小半径钻井技术无需套管锻铣扩孔或开窗开槽， 可直接在套管内完成转向，具有作业周期短、费用 低等优点，但受套管直径的制约，射流钻头尺寸受 到了极大的限制，导致成孔直径小、钻进长度有限 等问题。现场实践表明套管开窗型极小半径钻井 技术适合砂岩、白云岩等较软地层及粗面岩、辉绿 岩、火山角砾岩等较硬地层的油气藏开发应用，在 新井增产、老井解堵等方面，效果明显[53-56]，但并 不适合直接应用于煤层气藏增产或解堵。 2.2 锻铣扩孔型极小半径钻井技术 锻铣扩孔型极小半径钻井技术需要钻机进行套 管锻铣扩孔或开窗开槽，导致施工复杂程度、设备 搬迁费用、施工费用增大，但对于煤层气井来讲， 扩孔却可以发挥洞穴完井的效果，形成一个应力场 重新分布的洞穴，提高煤层裂隙中的有效渗透率。 此外，射流钻头的尺寸受限较小，设计空间更大， 能满足大直径规则钻孔的需求。射流反推式相比液 压式，具备以下优势① 利用射流自进钻头提供钻 进动力，相比液压钻井方式井下结构更为简单，施 工更为安全，同时反向喷嘴射流更加有利于钻屑的 排出；② 采用连续高压软管作为钻杆，更加方便与 快捷。 3 煤层气藏应用存在的问题和挑战 对于煤层气藏来讲，煤体内在的特性决定其相 对砂岩、碳酸盐岩等较软、易于破碎，利用高压水 射极小半径钻井技术进行煤层气增产，从原理上是 非常适合的，且成本较低；但煤层容易塑性变形， 破碎垮孔，过小钻孔直径和长度在受到上覆应力作 用后，无法在煤储层形成有效导流通道，将影响增 产效果；从不同极小半径钻井技术在煤层气井的实 际应用效果来看也佐证了这一认识，套管开窗型极 小半径钻井技术虽然侧钻井眼长度可以实现较长的 长度，但由于侧钻井眼直径过小，单一使用该技术 增产效果并不理想；而锻铣扩孔型极小半径钻井技 术，当侧钻井眼长度和井眼直径达到一定规模时， 则可以实现很好的增产效果。所以，以提高煤层气 增产效果为目的， 重点是要钻成大直径的水平钻孔， 因此，锻铣扩孔型射流反推式极小半径钻井技术应 作为进一步研究的方向。 目前国外研发的锻铣扩孔型射流反推式极小半 径钻井技术装备只适应于套管直径大于 219 mm 煤 层气井，且仍处于试验研究阶段，对于国内普遍采 用 139.7 mm 套管的煤层气井无法应用。 而国内之前 重点进行了液压式极小半径钻井技术和套管开窗型 极小半径钻井技术的研究，已形成了相关设备，但 对于锻铣扩孔型射流反推式极小半径钻井技术的研 究还相对较少，缺少相应的技术装备，在理论研究、 工具研发、技术更新、成本节约等方面面临诸多难 题和挑战。 a. 钻进技术 存在大直径规则钻孔成孔难，破 岩效率有待提高，钻进深度有待增加、钻进轨迹测 控等问题，需开展统筹考虑高效破岩、强力自进、 有效携屑、轨迹可控的钻进技术、钻具及施工工艺 的攻关研究。主要存在以下几个问题① 缺少旋转 多孔射流破煤成孔机理的研究。对一定射流流速、 射流角度及旋转限速下煤的破碎、损伤、失效的形 成和发展规律缺少认识；对喷嘴组合与钻进速度的 关系不清楚。② 缺少高效破岩、强力自进及有效携 屑的旋转多孔射流自进钻头。在施工流量有限及井 下围压条件下，重点需要解决满足高效破岩，需 解决合理喷嘴组合的问题；实现强力自进，需解决 破岩流量和自进流量分配问题；实现有效携屑，需 解决携屑流速选择问题，核心是流量、钻孔直径、 煤屑粒径匹配问题。 ③ 缺少小扩孔空间条件下精确 控制钻孔轨迹系统。 b. 转向技术 基于扩孔技术和成本的考虑， 井 下扩孔直径将受到限制，因此，小扩孔空间条件下 井下转向器轨道结构与钻杆匹配研究是极小半径钻 井技术发展和应用的必须解决的重要内容。 4 发展趋势 围绕国家能源供应安全与加快清洁能源发展的 迫切需求，立足能源开发智能化升级的全新要求， 极小半径钻井技术装备将进一步向提速、增效、降 成本发展，高可靠性、自动化、信息化、智能化装 备是未来发展趋势[57]。针对现有极小半径钻井技术 装备在地层适用性、钻进效率、增产效果等方面的 瓶颈问题，提出以下发展建议。 a. 开展新型射流极小半径钻井技术研究 针 对硬岩层对射流压力要求高，钻进速度不理想等问 题，进一步开展脉冲射流、空化射流、磨料水射流 等新型射流极小半径钻井技术的研究。其中自进式 新型射流钻头是研究的重点。对于磨料水射流极小 第 5 期 范耀等 高压水射流极小半径钻井技术研究现状与展望 237 半径钻井技术，还应重点解决高压泵、流体送进管 材和喷嘴寿命的问题。 b. 开展轨迹可控极小半径钻井技术研究 极 小半径钻井轨迹不可控制约束了极小半径钻井技术 的发展，未来应重点开展井下轨迹控制技术与工具 的研究，实现钻进可测可控的目标。 c. 开展极小半径钻井–下筛管一体化钻完井技 术研究 针对岩体结构破碎，成孔困难的地层，急 需开发极小半径钻井–下筛管一体化钻完井技术， 实现钻井、护井一体化，扩大极小半径钻井的应用 范围。 d. 开展自动化、信息化、智能化极小半径钻井 技术研究 自动化、智能化以实现钻进过程智能感 知、智能评估、智能控制功能，通过自主判断、自 主适应、自主决策和自主学习功能，实现钻孔轨迹 的实时测量和精准控制，提高钻进深度、钻孔质量 及施工效率，降低施工成本和风险。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 王敏生，光新军. 高压水射流钻完井技术进展及发展思考[J]. 煤田地质与勘探，2017，455173–179. 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