超短半径水平钻井技术

ASME606 与国产 20#低碳合金钢的性能参数对比表 材料 ASME606-Ⅳ 20#碳素结构钢 屈服强度 483Mpa 245Mpa 断裂强度 640MPa 410MPa 延伸率 30% 25%
ASME606-Ⅳ连续管性能参数表 外径 1.25” 壁厚 3.4mm 轴向拉伸极限 170kN 抗内压极限 98MPa
典型的柔性造斜钻具组合
①柔性钻挺 ④旋转 ②不旋转的柔性壳体
⑥外径3-3/4''
不旋转
②轴承密封
Becwell水平钻井系统
（ Bechte1和Petrophysics 公司）
特殊的井下斜向器，轨道半径0.3米； 高压射流破岩钻头； 水平井眼直径为4〃
；
水平段长度为30～60米； 同一层面上可钻24口辐射状的水平井；
近年的发展
法国埃尔夫公司
埃索公司 德士古加拿大资源公司 美国的 Don Holbert 排液井公司 Noton Christerson排液井服务公司 Texas Easter
Drilling System公司 Arco石油与天然气公司 Eastman Whipstock
变化段受力分析图
轨道送进阻力的计算值与实测值比较
组号 管内外压 水平送钻 轨道摩阻 计算值 F1(kN) 差 阻力 F2 系数 1 32MPa 0 0.16 16.22 2 50MPa 2.5kN 0.08 15.99 3 55MPa 2.6kN 0.08 15.80
实测值 F1(kN) 18 18 17
试验用磨料射流代替机械方法扩孔。 深井、硬地层钻进困难。磨料射流破岩 钻进。 径向井眼的测量及轨迹控制问题，目前 尚未解决。 完井方法和相应的技术研究尚未有突破。
两种磨料混合方式的比较
前混合磨料切割装置
磨料射流切割套管及扩孔
谢谢！
（1）、（2）--不同旋流强度的钻头 （3）--旋流强度为零的钻头
破碎坑深度随泵压的关系
•门限压力降低40％以上； •破岩深度大; •破岩体积增大上百倍。
速度控制机构
第一代URRS系统使用了缆绳控制装置
通过缆绳可控制和实时监测生产管 ( 钻杆 ) 的运动速度
和钻头位置。 油管 生产管 密封环
沿水平井段的生产管进行电化学射孔；
下入柔性割缝衬管或滤网；
割断生产管。
或将钻杆拉回，裸眼完井或砾石充填完
井。
二、发展历史与现状
美国、苏联、法国、罗马尼亚、日本、加拿大
等国； 1929年、美国、得克萨斯州； –两个长约7米的5-1／4″水平排液井眼 –采油速度从原来的大约 1.5 桶／天提高到 60 桶／天 五十年代末和六十年代初期取得了很大的进展； 六十年代后期和七十年代出现停滞； 八十年代以后新发展。
旋转射流
喷头 喷嘴
回流 井底圆锥
多喷嘴
锥形射流喷嘴
凸锥井底流场UV矢量放大图
轴向速度
切向速度
径向速度
射流扩展角随旋流强度的变化规律
（1）、（2）--不同旋流强度的钻头 （3）--旋流强度为零的钻头
破碎坑直径随泵压的关系
•泵压相同时，旋转射流的钻孔直径比普通射流的钻孔直径高出许多倍。
•随泵压升高，旋转射流的钻孔直径增加幅度要比普通射流明显的多。
石油大学（华东）石油工程学院
一、超短半径水平井钻井技术特点 二、超短半径水平井钻井技术的发展历史与现状 三、超短半径水平井钻井工艺技术及设备 四、地面及现场试验 五、超短半径水平钻井技术的发展前景
六、目前存在的技术难点
水平钻井方法分类
方 法 超短曲率半径 短曲率半径 中等曲率半径 长曲率半径 曲 率 半 径 米 0.23～0.3 6～12,10～60 90～150,60～280 180～600,280～860 井 眼长 度 米 30～60 15～210 150～450 300～900 完 井 射开油管或砾石填充 裸眼或割缝衬管 裸眼或割缝衬管 割缝衬管或选择性完井
技术优势
老井改造 (辐射状水平井使老井更新、死井复
活，开采残余油气）； 穿通分隔的垂直裂缝； 大大提高薄油气层产油气的能力； 有利于低压、低渗油层的重力排油； 可提供更高的注水效率； 在热力驱油中能更有效和经济地传播热量， 并可方便地实现不间断地蒸汽吞吐。
径向水平钻井过程示意
目标：在生产层（1010.6～1016.3米）


钻出直径为Ф 70～110mm
长度为10～15米的水平井眼
原井条件

稠油井 92年8月投产 97年3月停产
原井初产量：油30t/d,水2t/d 关井前产量：油0.3t/d,水4.5t/d 油层套管：177.8mm×8.05mm×1095.57m 射孔径段：1010.6m～1035.5m 多套油层
钻进速度：10.7 m/h
在中原油田地面试验
2、现场试验
辽河油田 –试验日期：97年8月22日 –试验地点：锦45-04-19井
南阳油田 –试验日期：98年11月3日 –试验地点：古2206井
实验目的
Fra Baidu bibliotek

检验转向器及辅助系统的技术性能
验证水射流钻头破岩钻进的能力和寿命


检查全套技术工艺的可行性和可靠性
径向水平井砾石充填完井示意图
柔性防砂衬管安放
四、地面及现场试验
1、地面模拟试验
在石油大学地面联机试验
旋转射流破岩钻孔试件
岩样：灰褐砂岩 可钻性指数 Kd：4 尺寸：0.6 ×0.6 ×0.6m
泵压：55 MPa
排量：7-8 l/s 喷嘴直径：6 mm 钻孔直径：90-120 mm 钻孔深度：0.6 m
转向器及锚定装置
转向器规格：3 m ×Ø 110 mm 转 向 半 径 ：0.3 m
锚定器规格：1.2 m ×Ø 110 mm
水力破岩钻头
以较小的射流压力和排量高速破岩；
形成一个较大截面积的规则井眼； 具有足够长的使用寿命。 多喷嘴组合钻头。 单喷嘴旋转射流钻头。
导向元件 钻杆
典型的径向水平井分布示意图
①套管 ②地层
④油层
③井下扩眼区 ⑤径向井眼
径向井眼剖面图
一、径向水平钻井技术特点
采用高压水射流代替机械钻头破岩钻出水平井眼；
钻进时不需要钻柱和钻头的旋转，减少了井下复杂事
故的发生； 靠液体静压推进，不需要通过钻杆给钻头施加用以破 岩的“钻压”，从而彻底解决了常规水平井钻井技术 所遇到的钻压施加困难； 采用特殊的井下斜向器，定位准确，一次性定向。避 免了常规各种曲率的水平井钻井技术所需要的频繁造 斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，并能保 证水平井段准确地进入目的层； 地面设备简单，钻井施工操作方便，机械钻速高，建 井周期短，经济效益显著。
实验参数及结果
泵压55～65MPa；
排量约为10 l/s; 钻进时间：1小时40分钟；
平均钻速9.55 m/h，最高钻速达到12
m/h； 水平井眼的直径大约在130 mm以上。 完成长度为15.86米； 裸眼完井
钻杆回拉力为25 kN。
五、超短半径水平钻井技术的发展前景
基本工艺过程
磨铣套管(1．5へ3米长)；
扩大井眼（直径约0．6米）； 下入斜向器，用井下锚定器定位； 下人生产管(钻杆)及水力破岩钻头； 钻进（调整钻进参数，控制钻进速度）； 轨迹控制（测量、调节）； 完井作业
斜向器回收
完井作业
用电化学方法切割掉钻头； 进行砾石充填作业；
提高原油采收率
薄油层、稠油层、低渗透油气层、裂缝性油气
层 老井改造 –美国和加拿大100000口老井日产仅为0.5～2 米3，提高产量5～20倍 –我国东部油田上万口老井，产量极低，甚至 绝产，提高产量5～8倍 辐射井眼完井
六、目前存在的技术难点
扩孔尺寸大、难度高、代价高。目前正
密度:1.04 克/立方厘米
喷射速 地面泵 钻头水 利用率 % 91.40 90.33 89.20 88.03 86.72
度 m/s 功率 kW 功率 kW 304.88 600.00 303.23 635.70 301.33 671.82 299.30 708.33 297.15 745.11 548.32 574.28 599.28 623.59 646.20
钻进目的层：1010.6m～1016.3m 单油层
目的层直井井斜：10°～12°
模拟井水力参数计算实例
井深:1000米 油层套管:7寸
钻井液黏度:5 厘泊
喷嘴直 径 mm 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 排量 循环压耗 钻头压 l/s 9.20 9.75 10.30 10.86 11.43 MPa 5.61 6.30 7.04 7.82 8.66 降 MPa 59.59 58.90 58.16 57.38 56.54
防止产层出砂 下柔性衬管 砾石充填 –第一步，正循环充填。大约只能完成水平井 眼环空容积的70へ80%的砾石充填。 –第二步，反循环充填。直到填满整个环形空 间为止。
①扩眼区； ②垂直割缝衬管； ③尾部滤网； ④射有孔的生产管； ⑤砾石充填；⑥切断生产管； ⑦柔性割缝衬管； ⑧射孔孔眼； ⑨前端滤网； ⑩钻头
垂直井深一般在5～600米之内。
三
超 短 半 径 水 平 井 钻 井 系 统 及 工 艺
斜向器
在0.3米的半径内使生产管迅速从垂直方
向转向水平方向； 确保钻头准确地进入薄地层，钻至合适 的位置； 尽量减小扩眼直径； 保证生产管的变形在允许范围内。
斜向器
钻杆曲率单调 钻杆弯曲轨迹图
方向控制机构
靠对生产管 ( 钻杆 ) 前进的速度和高压水排量进行控制
而达到控制。 侧推喷嘴式方向控制机构。
电化学射孔
电化学腐蚀原理
使生产管与产层连通，形成永久的水平
油气通道 这种射孔器除具有切断生产管，将生产 管回收 孔口边缘整齐无毛刺 ，无冲击振动等优 点。
完井技术
防止径向水平井眼的井壁坍塌
超短半径水平井钻井技术概念
超短半径水平井是指曲率半径远比常规的短曲
率半径水平井更短的一种水平井，也称之为 “超短半径径向水平井”，其英文名称为 “Ultrashort Radius Radial Well” ， 完成 该 水 平 井 的 钻 井 系 统 称 之 为 “ Ultrashort Radius Radial System” ，简称 URRS ，其组成 及所钻出的水平井的典型分布情况见以下图示 。