超短半径径向水平井新技术及其在煤层气开采中的应用
短半径水平井新技术特点和现状
短半径水平井新技术特点和现状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。
二、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。
该公司短半径水平井技术也处于领先地位，它的无线随钻MWD和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7751m。
水平段最长的短半径水平井是美国的Mobil Erdgas-Erdoel Gmbh公司在德国钻成的Reitbrook 308井（120.7mm井眼），水平段长600m，水平位移953m。
短半径超短半径水平井技术详解
4、泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌
地层的破裂压力和坍塌压力随井斜角和井斜方位角而变 化。 在原地应力的三个主应力中，垂直主应力不是中间主应 力的情况下，随着井斜角的增大，地层破裂压力将减小 ，坍塌压力将增大，所以泥浆密度选择范围变小，容易 出现井漏和井塌。 在水平井段，地层破裂压力不变；随着水平井段长的增 长，井内泥浆液柱的激动压力和抽吸压力将增大，也将 导致井漏和井塌。 要求精心设计井身结构和泥浆参数，并减小起下管柱的
钻柱尺寸的影响：钻柱尺寸大，环空间隙小，相 同排量条件下返速高，有利于携岩。
6、保证固井质量难度大
水平井固井存在的主要问题：
•顺利将套管下入井内问题； •套管在井内的居中及顶替效率问题； •井眼高边的自由水通道问题；
提高注水泥质量措施
使用扶正器使套管居中：在弯曲段和水平段，至 少一根套管一个扶正器，或两根套管三个扶正器 ； 在保证不压裂地层的条件下，使用大排量紊流注 水泥 注水泥过程中，尽量采用上下提放或旋转套管 从循环泥浆转换到注水泥浆，最好不要停泵，尽 量减少井内泥浆的静止时间（触变性问题）； 使用长段隔离液（200m~300m长），充分清除泥
地层破裂压力随井斜角的变化规律
垂直主应力是中间主应 力
地层破裂压力随井斜角的变化规律
垂直主应力是最大主应力，两个水平主应力相等
地层破裂压力随井斜角的变化规律
垂直主应力是最大主应力，两个水平主应力不相 等
地层破裂压力随井斜角的变化规律
垂直主应力是最小主应力。
地层破裂压力随方位角的变化规律
二、水平井的主要技术问题
1、水平井目标区的设计 2、井眼轨迹控制要求高、难度大 3、管柱受力复杂 4、泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌
超短半径水平井技术特点及应用探究
超短半径水平井技术特点及应用探究摘要：超短半径水平井技术具有成本低、周期短、地层污染小等特点，还能大幅度提高油井产量和原油产量。
油田在开发之后，已经进入开发中后期，部分老油田面临着老井改造、薄差油层剩余油挖潜和稳产增产的技术压力：针对这一技术难题，油田通过使用超短半径水平井钻井技术，在老井眼油层中的油层套管内部开窗侧钻，同时使用旋转自封器等工具，解决了薄差油层增产的技术难题，在水平段施工过程中，解决了大曲率造斜段钻进过程中的高摩阻等难题，能够完成了水平段超过16ｍ的长水平段施工，在油层内穿行超过15ｍ，提高了该油层的泄油面积：该项技术为油田薄差油层剩余油挖潜、降本增效、提高采收率提供新技术途径：关键词：超短半径水平井技术；薄差油层；长水平段施工；技术特点油田在经过开发之后，已经进入开发中后期，很多区块均属于陆相多油层砂岩油田，目前已进人高含水和特高含水期，剩余油分布零散，整体动用较差，面临着老井改造、薄差油层剩余油挖潜和稳产增产的技术压力。
超短半径水平井剩余油挖潜技术是提高老区油田采收率的技术，具有中靶率高、施工周期短、产量高、钻井成本低等特点。
所以，油田针对这一技术难题，也采用了超短半径水平井技术，解决了薄差油层增产的技术难题，克服了水平段钻进中大曲率造斜段的高摩阻等难题，提高了该油层的泄油面积，为油田薄差油层剩余油挖潜、降本增效、提高采收率提供了一条新的技术途径。
1超短半径水平井钻井技术简介1.1技术原理超短半径水平井技术，就是不用打新的井眼，在原井套管内部油层的位置进行开窗作业。
这种技术为了解决常规弯螺杆造斜方式不能实现造斜段高曲率增斜的难题，必须使用柔性钻杆在造斜段和水平段进行钻进。
这种柔性钻具每在油层中钻进5ｍ长的距离后，钻具就能够弯曲成90％而曲率半径只在3.2ｍ，当钻具在完成造斜后，可以继续在水平段钻进一定距离，从而达到剩余油挖潜的目的。
可以采用多功能导向管、筛管、裸眼等不同方式完井来适应不同储层的特点。
煤层气的开发概述
11论 著煤层气的开发概述王晓敏 朱世彬 顾 扬 赵 颖（中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）摘 要：本文主要介绍了煤层气，煤层气的开发意义，煤层气的开采、净化及增产技术，分析了我国煤层气的开发现状及存在的问题和难题，并从国外煤层气的开发利用状况中得到启示。
关键词：煤层气；开发利用；技术；难题；净化；增产Summary of Empoldering Coalbed MethaneWANG Xiao-min,ZHU Shi-bin,GU Yang,ZHAO Ying(China University Of Ming And Technology, School of Resource and Geoscience, Xuzhou, Jiangsu 221116)Abstract:This article is mainly about content of coalbed methane, the significance of empoldering coalbed methane. And it also refers to the techniques of coalbed methane exploitation, purification and how to increase production. Meanwhile, some analysis of our national situation of exploitation and problems that exist currently are included. What ’s more, some apocalypse from overseas in this area is listed.Key words:coalbed methane;development and utilization;techniques;problems;purification;increasing in production1 前言但是目前，我国煤层气开发利用水平较低，2007年全3煤层气（俗称瓦斯），一种新型洁净的能源。
煤层气开采方法与技术
煤层气开采方法与技术煤层气是一种天然气，储存在煤层中，主要由甲烷组成。
煤层气开采是一种新兴的能源开发方式，它将煤矿的煤层中的天然气利用起来，既能提供清洁能源，又能实现煤矿资源的综合利用。
下面将详细介绍煤层气开采的方法与技术。
1.井网式开采：井网式开采是目前常用的煤层气开采方法。
它通过设置分层水平钻孔和垂直钻孔，在煤层中建立井网系统，将煤层中的天然气连续、稳定地抽采出来。
井网式开采具有开采效果好、井网布置合理、生产能力大等优点，已被广泛应用于煤层气的开采。
2.水平井开采：水平井开采是一种相对较新的煤层气开采方式。
它通过在煤层中平行钻探水平井，使水平井与煤层气的运移方向一致，提高气体采收效果。
水平井开采具有开采效果好、钻井速度快、减少矿井建设工作量等优点，但是水平井的建设和操作技术相对较为复杂。
1.井眼稳定技术：井眼稳定技术是煤层气开采中的关键技术之一、由于煤层中存在着岩层断裂、软弱层等问题，井眼稳定技术的好坏直接影响到井眼的穿越效果。
目前，井眼稳定技术主要采用套管固井、衬套固井和液氮注入固井等方法来保证井眼的稳定。
2.完井技术：完井技术是煤层气开采中的重要环节。
完井技术主要是指将井上的钻井设备检修、拆除后，用专门的设备和工具对井眼进行封堵和密封，确保气体不泄漏。
完井技术主要包括套管完井技术、封堵技术和沉积纠正技术等。
3.固井技术：固井技术是煤层气开采中的关键技术之一，它是指在井眼周围进行注水泥浆、环氧树脂等材料的注入，形成稳定的井壁和环境。
固井技术可以增强油井的强度和耐久性，防止井眼侧泄和污染。
除了以上的方法和技术，煤层气开采还需要进行地质勘探、工程设计、环境保护等工作，以确保煤层气的有效开采和利用。
总之，煤层气开采是一种新兴的能源开发方式，它具有广阔的应用前景和重要的经济意义。
通过煤层气的开采，不仅可以提供清洁能源，还可以实现煤矿资源的综合利用。
为了有效地开展煤层气开采工作，需要采用适当的方法和技术，确保工程的高效、稳定和可持续发展。
简述煤层气开发常用钻井完井技术应用
简述煤层气开发常用钻井完井技术应用摘要：煤层气作为一项非常规资源，主要是以依附的状态存在于煤层当中，并且最为主要的成分为甲烷，含量高达90%以上。
在文本中，结合煤层气钻井完井常见问题，对较为常用的水力脉冲钻井、激光钻井、径向水平井钻井等钻井完井技术及其应用进行详细分析，最后也对煤层气钻井技术应用要点及注意事项进行阐述。
也希望本文研究内容能够为相关人士发挥一定参考作用。
关键词：煤层气；钻井完井技术；应用；分析煤层气是一种非常规的油气资源，对其进行有效开发，可以实现天然气良好接续。
然而在实际煤层气开发过程中，由于受到裂缝体系发育较多、应力敏感性较强等问题影响，导致钻井完井技术应用中容易对储层造成不良影响。
为确保煤层气正常开发，加强煤层气钻井完井技术应用研究非常有必要，通过钻井完井技术在煤层气开发中顺利实施，也能够保障和提高煤层气开发效果[1]。
1煤层气钻井完井技术实施情况分析1.1技术实际应用难点在实际使用钻井完井技术进行煤层气开发过程中，受到特殊成岩结构、沉积方式等因素影响，导致技术有效应用比较困难，主要体现在：（1）井壁不够稳定，在开展钻井完井施工过程中，成井壁坍塌事故发生机率比较高，进而引发井下复杂事故，随着现代科学技术不断发展，钻井技术也取得巨大进步，现阶段也可以充分借助水基，又或者是油基钻井液体系，虽然可以充分发挥出保护储层作用，但是因为在地层应用过程中会出现比较大的滤失量，也会导致钻井液粘度降低、携岩性较差问题发生，最终致使井下复杂事故发生；（2）煤层易受污染，在煤层钻进过程中，为了保障钻进速度和钻井安全性，就需要对液体密度和固相含量进行添加，但是这会对储层造成不利影响，具体体现在：得到的储层压力准确性不足、表皮系数偏差相对较大等等；（3）煤层形态分散情况严重，在煤层区域存在很多游离气，从某种程度上来说也会影响到取芯，因为煤层胶结比较松散，使得取芯过程中很难完整进行，而煤层气主要是通过地层气，然后不断富集起来，一旦完成割芯工作以后，就需要将其往上提，这时候取芯筒到井口的长度也会呈现出逐渐缩小趋势，内部芯包含的气体也在不断被解吸，就很容易使煤芯冲出筒外，进而出现取芯失败的情况。
超短半径径向水平井技术介绍
径向水平井技术简介长城钻探工程技术研究院一、技术概要径向水平井技术是近年发展起来的一项新技术；技术原理在油层部位钻孔，利用高压水力破岩作用在油层中的不同方向上钻出多个径向水平井眼，从而增大泄油面积，有效提高储层动用程度及最终采收率。
长城钻探工程技术研究院经过三年研究攻关，突破了套管钻孔和喷射钻进等核心技术，采用全部自主研发的工具，成功进行了三口井试验。
形成了自主知识产权超短半径径向水平井工具系统。
试验井产液量平均增加2倍以上，显示了该套技术良好的应用前景。
超短半径径向水平井示意图二、技术需求大部分老油田已进入开发的中后期，面临以下问题：1）单井产量逐年下降；2）大量的剩余储量不能被有效开采；3）低品位油气藏达50%以上。
三、技术优势径向水平井是低成本提高单井产量有效的一种技术手段，具有以下几方面优势：1）直井改造，节省建井成本；2）小修作业机配合施工，成本低；3）直井管理，生产、配套、维护成本低。
四、技术特点1、增大采油半径，提高采收率各分支径向喷射长度达50～100m。
单井的采油半径大大增加，油井的采油速度及最终采收率都将得到提高。
国外应用效果表明，该技术增油效果明显，增加产量一般在50%～500%。
主要应用于以下几方面：1）可增大生产层供油面积2）可穿透井眼污染区域3）可改善地层渗透性4）可改善注水效果5）可降低底水锥进速度2、施工成本低，周期短1）地面设备体积小，运行成本低需小修作业机即可满足施工作业2）对套管无破坏套管不需要段铣、不需完井五、适用范围1、主要适用井况1）新井完井2）老井二次完井3）油井解堵4）注水井解堵2、适应油层1）适应的地层主要是中高压中低渗油层，如砂岩、泥质粉砂岩、泥页岩等具有一定孔隙及层理的沉积地层，同时也适用于灰岩油层、煤层。
2）油层应具有一定的厚度，一般有效厚度应大于2米，且油层平面较为发育，均质性较好3）油层油水分布情况清楚4）油层上下隔层发育良好5）井筒状况良好6）油层不存在严重的出砂现象六、施工需要的主要地面设备及井下专用工具1、作业机1台（21米）2、400型水泥车1台3、Φ73mm油管(建议使用外加厚油管)4、供水罐车1台5、高压泵等6、井下专用工具：钻孔工具系统、喷射工具系统等七、主要技术指标1、套管钻孔孔径：φ25mm2、地层水平井眼孔径：φ30mm～φ50mm3、水平距离：30～50m八、目前能够施工井型1、油层套管尺寸：5 1/2″2、井深3000米3、套管内通径≥118mm4、井斜不大于30度。
煤层气勘探与开发中的技术创新与应用研究
煤层气勘探与开发中的技术创新与应用研究一、引言煤层气作为一种重要的非常规能源资源，其勘探与开发具有重要意义。
随着全球能源需求的增长以及石油和天然气资源的逐渐枯竭，煤层气被认为是未来能源发展的重要选择之一。
本文旨在探讨煤层气勘探与开发过程中的技术创新与应用研究。
二、煤层气勘探技术创新与应用1. 三维地震勘探技术传统的地震勘探技术在煤层气勘探中应用受限。
为了有效提高地震勘探的精度和效率，在煤层气勘探中引入了三维地震勘探技术。
该技术通过获取多种角度和多层次的地震数据，能够更准确地识别煤层气储层的分布情况，为后续开发提供了精确的地质预测依据。
2. 储层分布预测技术煤层气的储层分布情况对于勘探与开发的成功至关重要。
传统的储层分布预测方法主要基于钻井数据和地质模型，但受制于钻井数量和地质构造的复杂性，其预测精度有限。
为了提高储层分布预测的精确性，煤层气勘探中引入了地震、地磁、电磁等非钻井勘探技术。
这些技术通过测量煤层气地下储层的物理特性，能够得到更准确的储层分布情况，为后续的开发工作提供了重要的依据。
三、煤层气开发技术创新与应用1. 煤层气井钻井与完井技术煤层气的开发首先需要进行钻井与完井作业。
传统的钻井与完井技术在煤层气勘探中存在一些问题，如易造成煤层地层损害、难以控制煤层气开采速度等。
为了解决这些问题，煤层气开发引入了水平井、双重完井和压裂等技术。
这些技术通过改进井筒结构和提高工程施工质量，能够有效减少煤层地层损害，提高煤层气产能。
2. 煤层气增产技术为了提高煤层气的产能，煤层气开发中还引入了一系列增产技术。
其中包括煤层瓦斯抽采技术、煤层瓦斯利用技术、煤层瓦斯净化技术等。
这些技术通过改善煤层气采收、净化和利用流程，能够有效提高煤层气的产能和利用效率，实现绿色高效开发。
四、煤层气勘探与开发技术创新的发展趋势1. 与智能化的融合随着人工智能和大数据技术的快速发展，智能化已成为煤层气勘探与开发技术创新的重要趋势。
煤层气开采技术分析与研究
煤层气开采技术分析与研究摘要：我国煤层气先天开发条件比较优越，如何采取有效的技术手段，实现高效、高产及环保的煤层气开发十分重要。
本文主要结合实际，对现有煤层气开采技术进行了浅要分析，并展望了其未来发展趋势，希望对我国煤层气开发工作的发展有所助益。
关键词：煤层气；开采技术；发展趋势一、引言煤层气是成煤母质在煤化作用过程中形成的，主要以吸附状态赋存于煤层或煤系地层中，以甲烷为主要成分的非常规天然气资源。
它俗称瓦斯，是一种新型洁净的能源，它不同于呈液态赋存的石油，又有别于主要以游离态存在于地层中的常规天然气[1]。
经过十几年国内各部门自行的勘探工作，尽管未能取得煤层气商业开发的突破，但是，在引进、消化、吸收国外成功经验的基础上，在地质选区、实验室测试、钻井的工程工艺、试井、压裂和排采等方而取得了一些突破性的进展。
二、煤层气开采技术的发展趋势（一）煤气开采技术的发展现状目前，在我国煤层气开发产业中，主要需要解决的是在产业建设规划、产业管理以及外商投资等方面的鼓励政策问题，以及在经济投入和国际融资等方面的投资融资体系问题。
所以，未来我国需要进一步加强对煤层气开发产业的支持力度，加大政策鼓励力度，建立健全投资融资体系。
再者，还要不断引进国外先进技术，并重视自主研发技术，以技术优势来实现高效高产。
就目前趋势而言，未来的煤层勘探开发规模和勘探深度将会继续增加，煤层气钻井水平井数也将不断上升，以及气井压裂工艺技术将会出现新的突破。
（二）煤气开采技术的发展趋势我国煤层产业急需解决的问题是在产业建设规划和管理、外商投资、开发利用方而需要优惠的鼓励政策，在前期经济投入、国家投资和国际融资方而需要可靠的投资融资体系，在技术创新和技术发展战略方而要做到理论突破、技术引进和科技投入，重视优秀的技术和管理人才的及时补充。
口前，国内外煤层气的勘探开发有以下几个发展趋势：1）勘探开发煤层（包括试验性开发、示范项口和煤层气商业性生产）的规模有增大趋势；2）煤层气井深增加，因煤埋藏越深，形成甲烷的熟化特性越优；3）煤层气钻水平井数增加，因水平井单井不压裂时煤层气产量高出直井压裂井的4倍；4）煤层气井压裂工艺技术有进步，关国能源部和矿业局研究和实施了一种名为Kiel的压裂法，增产效果显著。
煤层气水平井施工技术研究与应用
煤层气水平井施工技术研究与应用随着能源需求和环境保护意识的日益增强，煤层气成为一种备受关注的清洁能源。
煤层气水平井是一种常见的开采方法，其施工技术的研究和应用至关重要。
本文将从以下几个方面详细讨论煤层气水平井施工技术的研究与应用。
一、水平井施工技术的分类与特点水平井施工技术主要包括直推型、压裂型以及钻爆型。
直推型水平井施工技术是运用聚能穿透技术，以压裂作辅助手段，将钻孔直推至煤层中。
压裂型水平井施工技术则将孔眼打到煤层中，再通过水射流对煤层进行压裂，形成水平井。
钻爆型水平井则利用钻爆器具将煤层炸裂扩大孔径，施工较为简单快捷。
这些不同的施工技术各有特点，可以根据实际情况选择合适的技术进行施工。
二、水平井施工技术的关键问题与解决方案在水平井施工中，存在一些关键问题需要解决。
首先是井眼稳定性问题，由于存在地应力差异以及煤层裂隙的存在，井眼容易变形和坍塌。
为解决这一问题，可以采用固井技术和应力控制技术。
其次是井眼离心力的影响，这可能导致顶部和底部井眼直径不一致。
通过提高钻杆转速和适时的挤压，可以减少离心力的影响。
另外，水平井的通流能力也很重要，通过增加压裂和合理设计井眼，可以提高水平井的通气能力。
三、水平井施工的关键设备与技术在水平井施工中，关键的设备和技术主要包括钻井设备、固井设备、压裂设备和井下测量设备等。
钻井设备需要满足水平井的要求，包括低噪音、高效率和可靠性等特点。
固井设备则需要能够稳定井眼以及提高固井质量。
压裂设备需要能够产生足够的压力，以扩大煤层孔径。
井下测量设备则用于监测井孔、煤层应力和温度等参数。
四、煤层气水平井的应用及其效益煤层气水平井通过有效开采煤层气，可以提高煤层气开采的效率和产量，减少煤层损失。
同时，煤层气水平井的施工技术还可以减少液体的使用，降低了对环境的影响。
此外，煤层气水平井还可以增加煤层接触面积，提高采收率，节约开采成本，并且降低了安全风险。
因此，煤层气水平井的应用具有广泛的推广和利用前景。
超短半径水平井介绍
旋转射流破岩过程示意图
凸锥井底流场UV矢量放大图
轴向速度
切向速度
径向速度
旋转射度的钻头 （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，旋转射流比普通射流的钻孔直径高多倍。
（1）、（2）--不同旋流强度的钻头 （3）--旋流强度为零的钻头
径向水平井技术概念
径向水平井是指沿井眼的不同半径方向钻出的
多个水平井眼，其曲率半径只有 0.3 米左右，
正是由于其曲率半径远比短半径水平井更短，
有时也称“超短半径水平井”，英文名称 “Ultrashort Radius Radial Well”。
目前所有的超短半径水平井技术都配有特殊的
工具系统。
主要内容
一、径向水平井技术的特点和现状
二、国内工艺技术水平（石大） 三、地面及现场试验 四、超短半径水平钻井技术的发展前景 五、径向水平井钻井系统配套
一、技术特点和现状
水平钻井方法分类
方 法 超短半径 短半径 中半径 长半径 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 10～60 15～210 150～450 300～900 完 井 裸眼、割缝管或砾石填充 裸眼或割缝衬管 裸眼或割缝衬管 割缝衬管或选择性完井
破碎坑深度随泵压的关系
（1) 门限压力降低40％以上；（2)破岩深度大; （3) 破岩体积高几十到上百倍。
旋转射流的扩散形状
试验后的钻头
钻井液中 含有压裂砂
钻杆
钻杆曲率单调 钻杆弯曲轨迹图
变化段受力分析图
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%
复杂地质条件储层煤层气高效开发关键技术及其应用
复杂地质条件储层煤层气高效开发关键技术及其应用煤层气资源是一种重要的天然气储备形式，具有开采成本低、资源丰富、环保等优点，因此备受关注。
然而，由于储层地质条件的复杂性，如盆地构造的多变、煤层厚度不一、含煤量差异大、煤层内部存在水文地质条件差异等因素，使得煤层气的开发面临着很多技术挑战。
本文将从储层煤层气高效开发关键技术及其应用方面进行讨论。
一、煤层气开发技术概述目前，煤层气开发主要采用的技术包括垂直钻井开发技术、水平井技术、大直径水平井技术、压裂技术、CO2增透技术等。
垂直钻井开发技术是传统的煤层气开发技术，其开发流程包括勘探、评价、定位、钻井、完井、生产等步骤。
但该技术存在着储量利用率低、开发周期较长、成本高等弊端。
水平井技术是相对于垂直钻探而言的一种新型技术，其优点在于适用于煤层厚度较大、煤层分布范围较广的地区。
该技术能够有效提高开采效率，减少成本，具有广阔的应用前景。
大直径水平井技术是水平井技术的升级版，主要解决了水平井技术中井段间的间隙难以充填的问题。
其特点在于可充分利用煤层内的水力能量，实现高效煤层气开发。
压裂技术是通过高压泵将深水储层中的压裂液注入到煤层气井中，从而将井壁、钻孔等处的煤层打裂，增加煤层气的渗透性和开采率，并提高开采效率。
CO2增透技术则是通过将CO2注入煤层中，使煤层气压力增加，从而提高煤层气产量。
此外，该技术具有环保优势，能够实现CO2的资源化利用。
二、煤层气储层的复杂地质条件煤层气储层开发面临的最大挑战在于复杂的地质条件。
具体表现在以下几个方面：1. 盆地构造的多变煤层气在盆地构造中的位置、数量、质量受盆地形成历史、地质构造条件、岩石圈运动等多种因素的综合影响，形成形态多样，分布不均的特征。
因此在煤层气开发中需要选择合适的开发方式，并在勘探中进行全面、科学的地质研究。
2. 煤层厚度不一煤层的厚度在不同地区、不同储层之间会出现很大的差异。
在厚度较小的煤层中，传统的垂直钻井开发方式效率低下，需要采用更加高效的水平井或大直径水平井技术。
超短半径多分支井技术在南海Z油田典型应用
190超短半径多分支井技术是利用特制柔性钻具和轨迹控制技术，可在薄油层或不同油藏内实现多分支位移井眼改造，在目标油藏内实现一定长度的水平或近水平井段，该技术与Z油田S井增产需求契合度较高，成功实施可以显著提升油井产能。
通过对该技术开展详细的可行性论证和方案设计，顺利完成矿场实验并取得显著效果，具有广泛的推广价值，特别是为海上油田开发后期综合改善治理提供新路径。
1 超短半径多分支井技术可行性研究超短半径多分支井技术对老井眼可实现新增多个曲率半径比常规短半径更短的水平分支，实现高达16~30(°)/m造斜率即1.5~3.6m曲率半径，采用导斜装置、柔性钻具、保径钻头、导向稳定装置等组合形成一套较为完善的工具，是将开窗、造斜、水平钻进全部在油层内完成并沿油层走向钻进的增产措施技术，详见图1。
该技术要求油层度1m以上，最大作业井深3500m，最高作业温度150℃以内，直井无方位限制，斜井开窗点井眼轨迹方位左右90°以内，可多分支防砂完井。
通过对近井地带（100m左右）进行增加分支改造，增大泄油面积，沟通过零散剩余油，增强流体渗流和导流能力，缓解传统补孔合采层间矛盾，解决近井地带小规模剩余油经济性动用难的问题，增加油井产量，降低综合开采成本，实现高效开发。
图1 超短半径多分支井技术示意2 长关井油藏潜力分析Z油田位于中国南海珠江口盆地，已投产30余年，其构造为基底隆起上发育起来的低幅度披覆背斜构造，各油藏为中孔、中高渗储层，地下原油具有黏度低、饱和压力低、地饱压差大、气油比低的特点，油田整体采出程度超53%，剩余油高度分散，挖潜难度大。
2.1 长关井原生产层位潜力分析水平井S于2014年4月投产，2021年6月25日因电泵故障关停，躺井前产量水平相对较低，海油作业成本较高，导致长期处于关停状态。
关停前水平段单独生产底水M油藏，平均孔隙度21.4%，渗透率1119mD，平均有效储层厚度19.8m，储层较为均质，隔夹层不发育，地层原油黏度1.7mPa超短半径多分支井技术在南海Z油田典型应用赵义强 万钧 罗启源 郑圣黠 屈学锋中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东 深圳 518054摘要：在开展超短半径多分支井技术实施的可行性论证的基础上，通过精细方案设计及实施超短半径多分支井技术。
煤层气开采技术研究进展
144煤层气作为一种新型清洁能源，越来越受到人们的重视。
其主要分布在煤层中，部分游离于煤层孔隙中或溶解于煤层水中。
煤层气的开发，不仅能够有效预防煤矿瓦斯爆炸，而且能够增加清洁能源的供应，同时减少温室气体的排放，保护环境。
1 煤层气开采机理煤层气的开采，主要是通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层的压力，从而能够使煤层中吸附的甲烷发生解吸，转化为为大量的游离态甲烷并在地层与井筒压差作用下运移至井口。
在煤层气开始排采后，通过地面设备，井筒中的液面下降，因此在井筒和煤层之间形成压力差，从而使地下水在压力差的作用下由煤储层流向井口，直至煤层各点储层压力保持恒定，此时解吸停止，产气也就终止。
根据所形成的压降漏斗体积，结合Langmuir方程，便可以求出该井能产出的煤层气总量。
2 煤层气钻井技术2.1 多分支水平井煤层气多分支水平井，也被称为羽状分支井。
主水平井眼与洞穴井连通，主要在主水平井眼的两侧不同位置分别钻出多个分支水平井眼。
在进行钻井的过程中，首先钻一口直井，由地面直至煤层，使用造穴工具形成洞穴，即洞穴井，随后开钻工程井，在距洞穴100～200m的水平位移处钻一直井段，然后造斜延伸穿过洞穴井的洞穴，通过洞穴后工程井继续在煤层中沿着水平方向延伸，钻至一定距离后，形成主分支井眼，接着在主分支井眼两侧不同位置开钻多个分支井眼，从而加大与煤层气的接触面积。
2.2 U型水平连通井U型井，即U型水平连通井，其水平井的远端与洞穴井连通。
在高陡构造中，煤层倾角比较大，渗透率相对偏高，羽状水平井或多分支水平井开采效果较差，因此借鉴U型水平井技术[3]，将其设计为沿煤层的U型定向斜井，即沿煤层段设计一段平行于煤层的斜直段，随后进行直井钻探，其必须在斜井段之前完井，接着直井与斜井会在煤层段连通。
2.3 V型水平井V型井，即V型水平连通井，由两口以上水平井远端与同一口洞穴井连通的井。
两口水平井之间会呈一定的夹角，它们共用一口排采直井。
大庆油田超短半径水平井钻井技术
大庆油田超短半径水平井钻井技术宫华;郑瑞强;范存;徐月庆;耿晓光;张朝纯【摘要】The ultra-short radius horizontal well technology can effectively develop thin, vertical fracture, heavy crude and low permeability reservoirs. The technical principles of this technology and the specially designed drilling tools for Daqing Oilfield were introduced. The fast milling in $139.7 mm casing,the short radius build-up/holding and the whole well reverse circulation in ^ 117. 5 mm borehole were introduced. The advantages of this technology were analyzed. Using Well Xing-Ping G2 as an example,the field application of this technology was introduced in detail. The results show that the liner completion operation in this well was achieved successfully which lays a foundation for continuous production and the necessary workovers. Since 2009, this technology has been used in 16ultra-short radius horizontal wells in Daqing Oilfield with the maximum curvature of 16. 93°/m and targeting rate of 100%.%针对超短半径水平井钻井存在的造斜段井眼曲率大于10°/m、常规钻具无法顺利通过大曲率造斜段、筛管完井困难等技术难题,大庆油田成功研制了旋转自封器、φ139.7 mm导向锚定系统、多功能导向管、高强度柔性钻杆、特制φ117.5mm三牙轮钻头等工具,形成了一套较为完善的超短半径水平井钻井技术.该技术采用纯机械造斜原理,不需弯螺杆等动力钻具即可完成3.2m曲率半径的造斜段施工,造斜能力达到(15°～20°)/m；高强度柔性钻杆的应用确保了井下钻具组合顺利通过大曲率造斜段及水平段的稳斜钻进；并实现φ117.5 mm井眼防砂筛管完井,满足后续修井作业要求.自2009年以来,大庆油田已完成16口超短半径水平井施工,平均钻井周期12.14 d,平均井眼曲率15.21°/m,中靶率100％.介绍了大庆油田超短半径水平井钻井技术的关键技术研究与现场应用情况.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2011(039)005【总页数】4页(P19-22)【关键词】超短半径;水平井;柔性钻杆;套管开窗;杏-平;G2井;大庆油田【作者】宫华;郑瑞强;范存;徐月庆;耿晓光;张朝纯【作者单位】中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆163413;中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆163413;中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆163413;中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆163413;中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆163413;顺通井下技术服务公司,辽宁盘锦124010【正文语种】中文【中图分类】TE24320世纪80年代初, 美国Petrolphysics公司和Bechtel公司开发出一种新的特殊钻井技术——超短半径水平井技术[1-3]。
超短半径水平钻井技术
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
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
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。
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
高强度柔性钻杆的研制与应用
孔令沪等:高强度柔性钻杆的研制与应用第23卷 第1期高强度柔性钻杆的研制与应用孔令沪1,2,程林1,2,王克虎1,2,满国祥1,2,朱立强1,2(1.河北省地矿局国土资源勘查中心,石家庄 050081;2.河北石探机械制造有限责任公司,石家庄 050081)摘 要:柔性钻杆是超短半径侧钻水平井钻进的专用钻具㊂本文重点介绍了高强度柔性钻杆的设计研发过程和结构特点,以及根据高强度柔性钻杆的现场应用效果,并针对应用中发现的风险隐患进行的优化设计㊂高强度柔性钻杆的研制成功将有助于推动超短半径钻杆的发展㊂关键词:高强度,柔性钻杆,超短半径,侧钻水平井中图分类号:P 634.4,T E 921 文献标识码:B 文章编号:1009282X (2022)01002003D e v e l o p m e n t a n d A p p l i c a t i o n o f H i g h S t r e n g t h F l e x i b l e D r i l l P i pe K O N G L i n g h u 1,2,C H E N G L i n 1,2,W A N G K e h u 1,2,M A N G u o x i a n g 1,2,Z H U L i q i a n g1,21.L a n d a n d R e s o u r c e s E x p l o r a t i o n C e n t e r o f H e b e i B u r e a u o f G e o l o g y a n d M i n e r a l R e s o u r c e s ,S h i j i a z h u a n g 050081,C h i n a ;2.H e b e i S h i t a n M a c h i n e r y M a n u f a c t u r i n g C o .,L t d .,S h i j i a z h u a n g 050081,C h i n a A b s t r a c t :F l e x i b l e d r i l l p i p e i s t h e s p e c i a l t o o l f o r s i d e t r a c k i n g h o r i z o n t a l w e l l d r i l l i n g w i t h u l t r a s h o r t r a d i u s .T h i s p a pe rf o c u -s e s o n t h e d e s ig n a n d d e v e l o p m e n t p r o c e s s ,s t r u c t u r a l ch a r a c t e ri s t i c s o f h i g h -s t r e n g t h f l e x i b l e d r i l l p i p e ,a s w e l l a s t h e o pt i -m a l d e s i g n a c c o r d i n g t o t h e f i e l d a p p l i c a t i o n e f f e c t o f h i g h -s t r e n g t h f l e x i b l e d r i l l p i p e a n d t h e h i d d e n d a n g e r s f o u n d i n a p pl i c a -t i o n .T h e s u c c e s s f u l d e v e l o p m e n t o f h i g h s t r e n g t h f l e x i b l e d r i l l p i p e w i l l h e l p t o p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o f s i d e t r a c k i n g ho r i -z o n t a l w e l l d r i l l i n g wi t h u l t r a s h o r t r a d i u s .K e yw o r d s :h i g h s t r e n g t h ,f l e x i b l e d r i l l p i p e ,u l t r a s h o r t r a d i u s ,s i d e t r a c k i n g h o r i z o n t a l w e l l 收稿日期:20210922作者简介:孔令沪(1971-),男,河北省辛集人,机械设计专业,高级工程师,从事地质机械㊁钻探机具研发工作,E -m a i l:l i n g h u k o n g@s i n a .c n ㊂0 引言通用采用柔性钻具与常规钻井设备相结合的方式实现超短半径侧钻水平井,柔性钻具由数十或数百节活动短节连接组成,单节钻具长0.15~0.20m ,每节可弯曲3ʎ~5ʎ㊂活动短节的可靠性直接关系到该项技术的成败,常规柔性钻具采用的虎克十字万向节存在传动过程中不等速㊁造斜成功率低㊁承扭能力差㊁无法重复利用㊁使用成本高等问题,因此一直未能实现大范围应用㊂采用柔性钻具进行超短半径定向钻井可解决三低一高 的油气田开采难题,也可解决矿山止水成本高㊁效果差等径向井施工难题,但柔性钻杆强度低㊁使用寿命短的缺点却严重制约柔性钻杆的应用领域和应用范围㊂研究高强度柔性钻杆,提升柔性钻杆抗拉㊁抗扭强度及耐磨性,提高柔性钻杆使用寿命,才能使柔性钻杆应用更广泛,为矿产资源开采发挥更大作用㊂1 应用现状老油田往往面临单井产量低㊁井网能量下降快㊁开采率低等问题,超短半径侧钻水平井技术用最小的投资成本,直接连通剩余油富集区域,在解决近井污染问题的同时,增大泄流面积,增加渗流通道,动用非主力油层,从而大幅提高单井产量,实现老油田的高效开发㊂老井开发中,通常使用注水的方式补充地层能量,但随着注水深度增加,注水压力升高,水体波及面减小,形成无效注水㊂超短半径侧钻水平井技术可以精确定位注水方向,精准注水,减小注水压力,扩大波及面㊂此外,在油井开发生产过程中,由于井下各种复杂因素造成油层附近套管变形22022年2月地质装备或错断损坏,致使油井长停或者报废,超短半径侧钻水平井技术利用其超短半径的特点,定向侧钻,沟通油层,快速恢复套损井产能㊂在超薄㊁低渗油藏的开发中,往往采用水平井组的方式开发,投资大㊁收效低,很难实现油藏的高效开采㊂使用超短半径侧钻水平井技术可以在同一层位布置多个渗流孔道,在相同投资金额条件下,将渗流孔道和泄流面积成倍增加㊂除了超薄低渗油藏,在边底水活跃油藏的开采中,超短半径侧钻水平井技术增大渗流通道,降低流体运动速度,有效抑制底水锥进,提高油藏采收率㊂埋藏深度在地表以下200~400m的油藏称作超浅层油藏,浅层油藏往往稠度大,使用常规技术开采困难,超短半径侧钻水平井技术可以在油层直接开窗㊁侧钻,并使水平分支井眼在油层中穿行,实现增产的目的㊂固体矿山开采前的止水作业是保障矿山安全生产的必要前提,采用超短半径侧钻水平井技术可降低止水井施工密度㊁提高止水效果㊁缩短作业时间,减少施工成本㊂超短半径侧钻水平井技术由于其超短距离侧钻优点,应用领域日趋广泛,在煤层气㊁页岩气等钻井以及油田注水井中均有应用㊂2柔性钻杆设计超短半径侧钻水平井技术是采用由柔性钻杆(图1)与侧钻单牙轮钻头(图2)组合成柔性钻具,配合定向装置,进行超短距离侧钻水平井施工的技术方法㊂在研究中,我们深入剖析常规柔性钻具的 致命伤 ,创新设计了传动销柔性传动结构,从原理和机械结构上解决了原有虎克十字万向节钻杆存在的弯曲传动不等速的致命缺陷,避免了钻具末端周期性剧烈振动产生的疲劳破坏,不仅将最大承受扭距由10k N㊃m提升至15k N㊃m,还将单节钻杆零部件数量由9件减少为4件,钻具的使用寿命也得到了显著提升㊂2.1结构设计柔性钻杆主要由柔性传动系统和高压传输系统两部分组成,其结构示意图如图3所示㊂高压传输系统包括塞管㊁锥套㊁涨紧套㊁高压胶管等部分,塞管㊁锥套㊁涨紧套主要起保证高压胶管的固定及连接时的密封作用,便于高压胶管更好发挥其传输功能㊂柔性传动系统各单节之间通过球节和连接轴由特殊螺纹组成刚性连接㊂每个单节包括连接轴㊁球节㊁锁紧球套㊁传动销4部分,其中连接轴和锁图1柔性钻杆F i g.1F l e x i b l e d r i l l p i pe图2侧钻单牙轮钻头F i g.2S i n g l e c o n e b i t f o r s i d e t r a c k i n g d r i l l i n g紧球套以及锁紧球套和传动销之间也是通过特殊螺纹刚性连接,连接轴㊁传动销和球节的连接均为柔性连接㊂柔性传动系统是保证柔性钻杆实现高强度和传递扭矩的关键部分,其技术参数如表1所示㊂柔性钻杆在起下钻时受拉伸,造斜段只承受扭矩,水平钻进时承受钻杆轴向力和扭矩同时作用㊂设计中采用传动销柔性传动结构,并且单节柔性钻杆在任意方向上最大弯曲度不小于3ʎ,在钻进过程中,既能传递扭矩和钻压,又能满足柔性钻杆曲率半径要求㊂表1柔性钻杆参数T a b l e1T h e p a r a m e t e r o f f l e x i b l e d r i l l p i p e外径/m m内通径/m m扣型节距/m m曲率半径/m 12032N C381681.5 2.2关键零部件的优化设计试制过程中发现柔性钻杆单节在扭矩试验台上测试扭矩达到13~14k N㊃m时,球节会发生转动不灵活现象㊂分析其原因,虽然传动销采用柱形头,强度高㊁传递扭矩大,但受强力后,柱形头与球头凹槽之间会因为受力不均匀而发生变形,导致球头转动不灵活㊂为解决这个问题,最终采用了将传动销12孔令沪等:高强度柔性钻杆的研制与应用第23卷 第1期图3 柔性钻杆结构图F i g .3 S t r u c t u r a l d r a w i n g o f f l e x i b l e d r i l l p i pe 改为球形头,与之相配合的球头凹槽也改为球形,同时,为了保证强度及传递的扭矩,采取了增大传动销外形尺寸以及增加传动销数量相结合的方法㊂3 实际应用及改进优化120型高强度柔性钻杆在河北省邢台市某铁矿止水井施工中应用,采用超短半径侧钻水平井工艺,成功实现一井多分支,扩大了单井的止水范围㊁提升了止水效果,并可减少钻孔数量80%以上,实现了高效㊁经济钻井㊂试验井深度200m ,井孔直径216m m ,在钻孔195~198m 段实施4口超短半径侧钻水平井,钻孔直井段采用常规,钻至200m 后下入直径178m m技术套管,下入定向装置,采用143m m 侧钻单牙轮钻头连接120型高轻度柔性钻杆进行超短半径侧钻水平井施工,水平井段进尺3m ,径向均布4口侧钻水平井,成井后进行注浆止水试验,止水范围较常规直井增加300%㊂在提钻后发现柔性钻杆各别短节上的传动销螺纹有松动现象,经分析为钻井过程中的高扭矩及冲击载荷造成的,长时间使用有传动销脱落的风险㊂给转动销增加防脱设计,在传动销孔增加了卡簧防脱结构,解决了脱落风险,经下井试验该装置安全可靠㊂结构示意图见图4㊂图4 柔性钻杆改进后结构F i g .4 I m p r o v e d s t r u c t u r e o f f l e x i b l e d r i l l p i pe 4 结语通过优化设计开发的高强度柔性钻杆解决了原结构柔性钻杆强度低㊁使用寿命短㊁使用成本高的问题,使其不再是超短半径水平井施工工艺推广的制约因素㊂将超短半径水平井施工工艺从最早的油气井开采和注水井施工,扩展到煤层气和页岩气开采,固体矿止水等领域,随着钻具的成熟,该工艺必将在矿产资源开发中发挥更大作用㊂参考文献:[1] 燕金友,张克键,董士同.深井小井眼短半径水平井钻井技术[J ].石油钻探技术,2006,34(4):3437.[2] 吕育声.钻井侧钻技术研究与应用[J ].化工设计通讯,2017,43(5):229,243.[3] 朱建军.侧钻超短半径水平井J 37-26-P 14井钻井设计与施工[J ].石油钻探技术,2011,39(5):106109.[4] 辛长青.超短半径侧钻水平井工艺技术[J ].油气田地面工程,2013,32(4):108109.22。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
超短半径径向水平井新技术及其在煤层气开采中的应用张 义 鲜保安 赵庆波 鲍清英 张继东 高 颖(中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)摘 要:超短半径径向水平井钻井技术是近几十年来发展起来的一项新型油田增产技术。
利用该技术在早期或老期油气井、压裂效果不好的探井以及近井地带污染/堵塞严重的已开发井中开展试验,取得了较好的增产效果,但由于转向系统、水力破岩钻头等几项关键技术问题,一直没有得到大面积的推广应用。
本文在分析常规径向水平井转向系统、破岩钻头等关键技术优缺点的同时,介绍了这几项关键技术近几年来国内外取得的新进展及其在煤层气钻井中的优势。
关键词:径向水平井 转向系统 水力破岩钻头 煤层气 旋转Study on New T echnologies of Ultra 2short Radius Radial H orizontalWells and Application in C oal 2bed Methane DevelopmentZhang Y i ,X ian Bao ’an ,Zhao Qingbo ,Bao Qingying ,Zhang Jidong and G ao Y ing(Lang fang Branch ,R esearch Institute o f P etr oleum E x ploration and Developm ent ,P etr ochina ,H ebei 065007)Abstract :Ultra 2short radius radial horizontal wells technology is a new stimulation for oil development in re 2cent years.It has g ot a g ood stimulation effect in old oil or gas wells ,bad fractured wells ,and near borehole damage wells.H owever ,this technology has not been used widely due to s ome critical technologies ’problems such as turning system ,hydraulic rock 2breaking bit ,etc.In this paper ,both pros and cons of the critical technologies of comm on radial horizontal wells technology are analyzed.Meanwhile ,new progresses and advan 2tages in C BM drilling of these critical technologies both home and abroad are als o introduced in detail.K eyw ords :Radial horizontal well ;turning system ;hydraulic rock 2breaking bit ;C BM ;rev olving 美国的Bechtel 和Petrophsics 两家公司在20世纪80年代联合研制出利用高压水射流钻头通过特制井下转向器进行径向水平钻进的钻井系统。
至1992年Bechtel 利用该套系统在北美的未固结砂岩和石灰岩地层钻成的径向井已超过1000口,并且能够在同一口井的同一深度向四周钻出多个径向水平井眼[1]。
我国自“九五”期间起也对该项技术进行了系统的研究,并先后在早期或老期油气井、以及压裂效果不好的探井或近井地带污染/堵塞严重的已开发井中开展了试验,单井产量均取得很大提高,一般提高2倍以上,有的甚至高达5～20倍[2]。
我国煤层气资源量丰富,2000m 以浅的煤层气资源量约为3415×1012m 3,与陆地常规天然气资源量相当,居世界第三位[3]。
但我国煤层的渗透率通常在(01001～110)×10-3μm 2范围,属于特低渗透;煤层孔隙压力0187～110MPa/100m ,属低压;煤层孔隙度一般小于10%,因此98%的煤层气井需 作者简介 张义,男,1983年生,硕士研究生,主要从事水平井、欠平衡钻井及煤层气钻采方面的研究。
第5卷第3期 中国煤层气 V ol 15N o 132008年7月 CHI NA C OA LBE D METH ANE July 12008要进行大型水力压裂,直井水力压裂技术是目前煤层气开采中最常用的增产措施[4-5]。
但由于煤储层与常规碎屑岩储层有较大差异,常规的水力压裂技术裂缝在煤储层中形不成稳定长裂缝,因而沟通能力有限,在井筒周围形成的压降漏斗范围小,煤层气解吸范围有限,煤层气井压裂试气单井日产气悬殊较大:高产井日产气过万方,低产井则只有几十方。
因此,急需引进一种新的煤层气增产技术。
超短半径径向水平井钻井技术由于具备穿透深度长、定向效果好、成本低、施工成功率高等特点,因此在煤层割理、裂缝发育的高煤阶煤层中、以及压裂效果不好的探井或开发井中,引进该技术可以取得更好的开发效果[2,6]。
但常规的超短半径径向水平井技术由于扩孔工具、转向系统以及破岩钻头等几项关键技术问题,一直没有进行大面积的推广应用[7-8]。
本文在分析常规超短半径径向水平井转向系统、水力破岩钻头等关键技术优缺点的基础上,系统地介绍了近几年来这几项关键技术国内外所取得的新成果及其在煤层气钻井中应用的优势。
1 超短半径径向水平井钻井简介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,也称为超短半径径向水平井。
完成该水平井的钻井系统称之为“Ultra -short Radius Radial System ”,简称URRS (见图1),所钻出的水平井的典型分布情况如图2所示[2]。
图1 超短半径径向水平井钻井系统图2 超矩半径径向水平井典型分布图图3 常规转向系统2 超短半径径向水平井钻井新技术超短半径径向水平井钻井技术系统主要包括地面设备和井下工具两部分:地面设备主要为常规的修井机车、高压水射流发生装置、缆绳车和计算机监控设备,分别用来提供水力破岩、井下工具的动力、下钻具以及控制钻井速度;井下工具包括水力破岩钻头及与之连接在一起的生产管、转向系统(斜向器)及控制机构等。
对于超短半径径向水平井钻井系统,地面设备和井下工具中的生产管均是标准件,因而转向系统、水力破岩钻头及控制机构是整个钻井系统的关键[2,6,7]。
211 转向系统常规的转向系统是先在垂直井筒内目的层段扩孔,孔径在Φ630mm 以上,而后通过曲率导向管在扩孔段实现生产管由垂直转向水平,并保证在水平钻进过程中对前进的作为钻杆的生产管给予稳定的支撑,转向系统结构如图3所示[6]。
该套转向器能满足工业要求,完成水平井的转向和径向水平钻进,但存在以下几个主要问题:1)扩孔直径要求达到0163m以上,常规扩孔工具难以实现;2)对于多煤层井眼来说,需要进行多层扩孔,这将浪费大量的人力和物力12第3期 超短半径径向水平井新技术及其在煤层气开采中的应用(钻径向水平井所花费的时间和费用大多是由扩孔引起的)。
针对以上转向系统存在的几个问题,目前国内外研制了一种新的欠扩孔转向系统,该系统无需对井眼进行扩孔,即可实现水平井的转向和径向水平钻进。
欠扩孔转向系统主要由圆筒式壳体、定位器、螺旋转套、转向器和造斜组合钻具等组成,如图4所示[7]。
壳体作为转向系统的最外层部件,它的主要作用是给转向系统其它零部件施加力的约束与自由度约束;定位器的主要作用是给转向系统的初始运动位置和运动终止位置定位,定位器的主要受力为轴向压力;转套是实现滑块边下行边成形的重要部件,它通过导旋销27一边沿轴向直线运动一边绕轴作旋转运动;斜向器的主要作用是给转向系统提供一曲率半径为0106m 的固定弯道。
固定弯道的图4 欠扩孔转向系统结构示意图1—壳体;2—锁套1;3—上锁球;4—锁套2;5—下锁球;6—锁套3;7—固定销;8—上轴承;9—转套1;10—转套2;11—下档圈;12—下轴承;13—中心管;14—螺套;15—定长钢丝绳;16—螺栓;17—滚轮;18—销轴;19—饺轴;20—滑块;21—校直节;22—拉紧轴;23—套筒;24—钢丝绳压制接头;25—螺母;26—壳体;27—导旋销;28—上档圈;29—轴承档圈;30—下销块;31—弹簧;32—上锁块;33—加力柱塞;34—柔性钢管;35—钻头形成过程是:当滑块20下行时,螺套14此时由2个运动合成,1个是随组合钻具的下行直线运动,另1个是由于相对于转套9旋转而产生的上行直线运动。
相对于滑块20来讲,螺套14沿轴向上行,这样下行出壳体26的滑块就被钢丝绳15拉紧,从而形成一固定弯道。
212 水力破岩钻头水力破岩钻头是形成水平孔的关键构件。
常规采用的水力破岩钻头主要有多喷嘴组合钻头和单喷嘴叶轮旋转射流钻头两种[2]。
多喷嘴组合钻头结构如图5所示,这种水力破岩钻头外形呈半球形,在球面的中心和离开中心一定距离的圆环上分布有多个喷嘴,各喷嘴都以适当的角度导引射流冲击到钻头前面某一区域的岩石上,依靠射流的冲蚀作用破碎岩石,形成一个满足钻杆进入而继续向前钻进的水平井眼。
这种钻头的缺点是:喷嘴多,单个喷嘴喷口小,因而对泵的压力和排量要求高;射流冲击区域有限,破岩效率低,成孔小;对喷嘴的布置和安置角度需要进行精心设计方可钻出满足要求的井眼。
图5 多喷嘴组合钻头单喷嘴旋转射流破岩钻头结构示意图如图6所示。
这种钻头是在锥形喷嘴内置一个导向元件,使得钻井液在导向元件的导引下,沿一定的轨迹旋转前进,经过喷嘴内腔收缩并加速后,以极高的速度射出喷嘴出口,离开喷嘴后,在压差与离心力共同作用下,形成旋转的向外扩散的一种空心状射流体。
在离开喷嘴的任一射流截面上都存在着一个射流密度和能量最大的圆环面积,使岩石在射流纵向冲击和横向剪切的作用下,呈环状带不断磨削来实现破岩钻孔。
这种钻头的缺点是射流的旋流强度和破岩效率受制于导向元件和喷嘴的结构,增强射流的旋流强度,则射流冲击力降低,破岩效率降低,增强射流的冲击能力,则射流旋流强度低,成孔直径小,不利于继续钻进和钻屑的排出。
结合上述两种常规破岩钻头各自的优缺点,近22中国煤层气 第3期几年来,国内外研制了另外一种水力破岩钻头———自旋转自进式射流破岩钻头[9-10]。
钻头结构如图7、图8、图9所示。
这类钻头主要是依靠自身射流反冲作用力实现钻头的自旋转和自进,即在钻头前端和侧部斜置一组或多组喷嘴,利用喷嘴出射射流的反冲作用力因偏心而产生的反冲力矩,带动喷头和中心轴在克服中心轴与固定外壳之间的摩擦力矩后实现自旋转;在钻头的后部斜置3到4个反向喷嘴,利用反向喷嘴出射射流反冲作用力作为推动力实现钻头自进。