CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM2013-2014学年第二学期《石油天然气机械工程前言》结业论文径向水平井技术进展院系：机械与储运工程学院专业：姓名：学号：完成日期：2014年4月20日径向水平井技术进展×××（中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院北京102249）摘要：长期以来，国内大部分油田采用的都是直井钻采工艺，而国外一些发达国家采用的水平井钻井技术不论是在工艺还是在作业效率上都要远远优于直井工艺。
为了进一步提高国内油田的钻采作业效率和油气产量，应当积极应用水平井钻井技术。
基于此点，本文首先分析了水平井钻井技术的应用现状，并在此基础上对径向水平井钻井技术展开深入探讨。
关键词：水平井径向技术发展Progress in Radial horizontal wells(Chinese University of Petroleum, Beijing 102249 )Abstract：For a long time, most of the domestic oil drilling vertical wells are used in the process, and horizontal drilling technology used in some foreign countries, whether in technology or in the operating efficiency of the process to be far better than vertical wells. To further improve the efficiency of drilling operations and domestic oil and gas production, and should be actively applied horizontal drilling technology. Based on this point, this paper analyzes the application status of horizontal well drilling technology, and on this basis, the radial horizontal drilling technology in-depth discussion.Key words：Horizontal wells Radial direction Technology Developing0 前言径向水平井，全称为超短半径径向水平井，也称为超短半径水平井(如图1)。
它是利用高压水喷射破岩，在一口井的同一油层或不同油层内沿径向钻出一个水平井眼(曲率半径仅为(6 >D) ，以增加油层的泄油面积来提高油井采收率。
图1 超短半径径向水平井钻井系统随着我国东部油气田开发进入中后期，老井、枯竭井的数量不断增加，新探明储量严重不足，未动用储量大多数属于低渗透、稠油、薄油层以及裂缝性油气藏。
老油田的开发还面临着注水压力高、边缘井采收率低等难题。
径向水平钻孔技术已在开采复杂油气藏中显示了诸多优势!逐步成为老油田挖潜、稳产的有效手段，同时也为煤层气单井产量的增加提供发展方向。
1 径向水平井概述1.1 水平井应用现状分析目前，水平井数量的不断增长与石油钻采行业对钻井技术的“两低一高”要求有着密不可分的关系。
在短短的几年里，全世界的水平井完井总数呈几何数增长，多分布在美国和加拿大这两个国家，我国也逐渐开始重视水平井钻井技术，并在多个油田中获得了非常迅速的发展，应用的油藏类型主要包括低压低渗透砂岩油藏、火山喷发岩油藏、稠油油藏等等。
从经济性的角度上讲，边际油藏开发的低成本、高效率是推动水平井钻井技术快速发展的主要动力之一。
现如今，在我国有很大一部分油田的水平井和定向井的年增长数量都超过直井数量，如胜利油田等等，随着水平井数量的不断增多，使石油钻采的成本大幅降低，究其根本原因是水平井的产量来远远大于直井产量，单井产量的提升实质上就是单井成本的降低，这也是水平井在国内各大油田获得广泛应用的根本原因之一，相应的水平井钻井技术也获得了进一步发展和完善。
与此同时，与该技术相配套的工艺也获得了显著提高，由原本单一的随钻测量发展为随钻地质导向仪，这为水平井的钻井施工提供了强有力的技术保障。
就国外一些发达国家而言，他们的水平井钻井总费用已经降至直井费用的1.5倍左右，有些水平井甚至仅为直井费用的1.2倍，同时水平井的产量相当于直井产量的4-8倍，由此可见推广应用水平井对于提高油田的经济效益意义重大。
受各方面技术成熟和钻井数量增加的影响，国内水平井的钻井和完井成本呈现出直线下降趋势，水平井钻井技术也逐步成为提高油田采收效率的有效途径。
1.2 径向水平井工作原理径向水平井是近几年蓬勃发展的一种新兴钻井技术，它是指井眼曲率半径比常规短半径水平井更短的一种井型，是常规水平井钻井技术继续深人发展的产物,其工作流程主要包括套管开窗和地层钻进两个过程[5]。
其原理是先用开窗钻头在油层部位的套管上磨铣开孔(图2)，然后使用软管传递扭矩和钻压，借助高压射流的水力喷射[1,2]作用和小型钻头旋转破碎作用破碎地层，在油层中的不同方向上钻出多个井眼，如图3所示。
图2 套管开窗图3 地层钻进1.3 径向水平井地层钻进原理径向水平井地层钻进工具主要组成部分有喷射钻头、软管、马达、下行杆、进液装置、导向器和各种变扣接头等零部件。
关键零部件的功能如下：(l)喷射钻头起喷射和旋转破碎地层的作用；(2)软管起给钻头传递扭矩和传输高压流体的作用；(3)马达依靠高压流体的压力旋转,是喷射钻头旋转的主要动力来源；(4)下行杆受高压流体的驱动，在液体压力差的作用下往下行走(如图4中所示位置为下行极限位置)，其下行力是钻压的主要组成部分；径向水平井钻地层的主要工艺流程为：高压流体经过滤器后由进液口进人钻地层工具串内腔,当液体压力达到工作压力后，下行杆在液体压力差的作用开始往下行走，同时马达开始旋转，喷射钻头在下行杆提供的下行力下有了钻压并且得到来自马达的扭矩开始旋转，地层在高压水射流的喷射作用和钻头旋转破碎的双重作用下破碎，破碎的地层岩削在水射流作用下被循环带走，从而达到地层钻进目的。
图4 地层钻进工具示意图图5 旋转水射流钻头示意图1.喷嘴2.导流元件2 径向水平井钻井技术关键径向水平钻进就是利用高压水射流破岩，在生产层内由垂直井眼沿径向钻出一口或多口水平分支井眼的钻井新技术。
其工作原理是通过液压送进柔性钻具、水射流钻头非旋转前进实现破岩钻孔。
径向水平钻进的技术经济指标有三个：一是钻孔直径，即水平井眼的大小；二是水平钻进所能达到的深度，即最大水平位移；三是钻进速度。
其中，钻孔直径和钻速由水射流钻头的破岩能力所决定；水平井眼的最大位移与转向器的液压送进能力密切相关。
因此，水射流钻头和转向器性能是水平钻进的技术关键[1]。
2.1 旋转水射流钻头[2]石油大学(华东)射流研究室通过室内试验研制了钻孔能力强、能量传递效率高的旋转水射流钻头(见图5)。
该钻头有如下优点: (1)通过内设导流元件产生旋转水射流,使其具有较强的扩散能力可以钻出直径比钻头大若干倍的井眼;(2)由于内设导流元件,客观上增加了产生空化射流的几率,相应增加了射流破岩能力; (3)旋转射流破岩时,流体质点与被冲击岩石成锐角方向,增加了岩石表面产生剪切和拉伸裂纹的几率;(4)冲击孔底岩石后的流体沿井壁回流,减少了流体在井底的无序滞流,避免了与来流相碰,与普通直射流相比相应提高了射流的能量传递效率。
2.2 转向器系统径向水平井转向器与钻常规中、短半径水平井使用的斜向器不同。
它除了具有锚定、回收功能之外,最主要的特点有: (1)使柔性钻具在转向器内部完成由垂直到水平方向的转向,曲率半径约为0.3m; (2)上接油管形成高压腔室,实现对柔性钻具的液压送进,以便钻出连续的水平井眼。
在钻进过程中,转向器对钻具的最小推进力:321213)(10f f f S S P F ----=式中 F ——钻进所需的最小液压推进力, kN ; P ——高压腔室内静压, MPa;S1,S2——转向器设计常数,本转向器取2108.0m S = 2202.0m S =f1——钻具前进所承受转向器的阻力, kN; f2——钻具前进所承受水平井眼的阻力,kN;f3——水射流对钻具施加的反作用力(在排量、压力变化不大时可视为定值),kN 。
径向钻进的能力由F 值而定。
F 值越大,水平位移就越长。
由式(1)可知,正常钻进时,P 、f1和f3可视为常量;f2则与水平位移以及钻孔直径等因素有关,钻孔直径大,井眼轨迹平滑,f2就小。
但随水平位移增加f2必然增加,最终使F 接近于零。
但在相同条件下,f1值越小,相应的送进力F 就越大。
因此f1即是恒量转向器推进能力的重要参数。
2.3 钻杆与焊接（1）钻杆的选材径向水平井钻井用钻杆与普通钻杆的选材不同，必须经过0.3m 的弯曲半径转向，以及拥有承受70MPa 高压的能力，这就使得径向水平井钻井钻杆的选材具备一定特殊性。
在调研和试验国产不同钢管的基础上，笔者认为可将 32×3mm 无缝钢管作为径向水平井钻井钻杆，该无缝钢管可通过100MPa 水压试验和在55MPa 系统压力下7次以上转向器试验，完全符合径向水平井钻井的要求。
（2）钻杆、钻头焊接通常情况下，径向水平井钻井需要用20-30m 的钻杆，但是国产无缝钢管单根长度却为5-9m ，所以必须对钻杆选材进行焊接，建议采取钨极氩弧焊方法，单面焊接双面成型工艺，以及钨极氩弧焊打底、填丝，小线能量多层焊并逐步降低热输入的焊接工艺，以此确保无缝钢管焊接满足钻杆要求。
2.4径向水平钻井试验台径向水平钻井试验台共分为室内和室外两个部分，下面分别进行介绍。
（1）室内试验台。
为了进一步验证钻杆敢接、钻杆转向以及运动控制等技术的可行性，在初始阶段需要先研制室内试验台，其具体包括以下几个部分：数据采集系统、基础底座、扶正机构、转向器架、柱塞泵以及液压缸总成等。
（2）室外试验台。
为满足全尺寸条件下1:1流体运动以及相似性的试验要求，并真实反映出径向水平钻井工具的实际试验情况，需要研制室外综合模拟试验台，它能够全尺寸模拟出径向水平井钻井系统地面以及井下各部件的连续工作状况，并自行采取相关数据，同时还能对各个部件的具体工作情况进行实时监控。
2.5套管开窗径向水平钻孔技术在套管锻铣和大直径扩孔的基础上，逐渐出现了套管开窗径向水平钻孔技术。
根据开窗所需的能量可以分为2大类，即，水力套管开窗和机械式套管开窗。