黃志強, 陳 勛, 施連海, 童 鑫, 劉明濤, 佟德水, 王 諺

(1中國石油長城鉆探工程公司工程技術(shù)研究院 2中國石油遼河油田公司鉆采工藝研究院 3中國石油渤海鉆探工程公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 4中石油川慶鉆探公司鉆采院)

徑向鉆孔技術(shù)是指在超短半徑內(nèi)完成垂直到水平的轉(zhuǎn)向，并在原井筒不同深度和方向鉆出多個微小徑向井眼(?30 mm～?80 mm)，有效增大泄流/波及半徑，提高油藏動用程度和采收率。該技術(shù)的工藝原理簡單，其核心在于實現(xiàn)該工藝的兩大關(guān)鍵技術(shù)：一是套管開窗技術(shù)，要求快速有效建立連通地層的窗口；二是微小井眼鉆進破巖技術(shù)，要求柔性鉆管在超短半徑內(nèi)能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向并有效破巖，且不斷向前延伸形成徑向孔眼。

目前該技術(shù)在老區(qū)剩余油挖潛、低滲油藏開采和煤層氣開發(fā)等方面應(yīng)用，已初步展示出了諸多優(yōu)勢[1]。但隨著應(yīng)用的不斷深入，油藏類型和井下工況日益復(fù)雜，特別是深井對技術(shù)的要求越來越高。近幾年國內(nèi)外積極開展了相關(guān)研究，改進完善了核心工具系統(tǒng)和配套設(shè)備，同時引入了新的理念，開發(fā)了新一代技術(shù)，取得了一些重要的新進展，大大提高了施工可靠性、效率和適應(yīng)性。

一、技術(shù)概況及存在問題

目前徑向鉆孔技術(shù)根據(jù)套管開窗方式不同，主要可分為段銑開窗型和銑孔開窗型。

1.段銑開窗型及存在問題

20世紀(jì)70～80年代，美國人Wade Dickinson提出了徑向水平鉆井的技術(shù)概念，其所在的Petrophysics公司在Bechtel投資公司支持下，成功研制出了套管段銑型徑向水平鉆井系統(tǒng)。該套技術(shù)的工藝原理[2]：首先在油氣井的預(yù)定深度對套管進行段銑，再利用大直徑的擴眼鉆頭對段銑后的井眼進行擴徑(630 mm以上)，然后下入錨定轉(zhuǎn)向器，通過液壓或者機械的方式使轉(zhuǎn)向器沿預(yù)定的方位支起，柔性鉆管在液壓作用下，經(jīng)轉(zhuǎn)向器90°彎曲后進入地層，高壓射流破碎巖石并清洗井眼，最終形成徑向水平井眼。

段銑開窗型徑向鉆孔技術(shù)存在的主要問題是為給導(dǎo)向器制造工作空間，需進行套管整體段銑和大直徑擴孔，施工較為復(fù)雜、效率較低、成本較高，使得該類型技術(shù)應(yīng)用上受到了較大限制[3]。

2.銑孔開窗型及存在問題

2000年以后，以美國Maxim Tep、RDS等公司為代表，進行了銑孔開窗型徑向鉆孔技術(shù)的研究。與早期徑向鉆井技術(shù)相比，新技術(shù)工藝中使用了新型的導(dǎo)向器，無須再進行套管段銑和擴眼兩個費時的工序，而是直接在套管上銑孔，然后進行水平段井眼鉆進，使得作業(yè)效率得到大幅提高。套管開窗工具和高壓噴射工具是該套技術(shù)的兩大核心。從工具組成來看，套管開窗工具由小尺寸螺桿馬達、萬向節(jié)和開孔鉆頭組成；高壓噴射工具由高壓噴射軟管和自進噴頭組成。自進噴頭具有前后開孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)孛嫦蜻B續(xù)油管內(nèi)泵入高壓流體，在噴頭處噴出高速流體，前向噴嘴用于沖蝕破巖，后向噴嘴推動噴頭在地層中前行[4]。

銑孔開窗型徑向鉆孔技術(shù)由于采用結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小的轉(zhuǎn)向器在套管內(nèi)完成作業(yè)，省去了大直徑擴孔，作業(yè)效率高，近年來應(yīng)用規(guī)模不斷擴大。其普遍采用萬向節(jié)傳動方式進行開窗，但是在應(yīng)用中暴露出高鋼級厚壁套管開窗困難；同時，由于完全依靠純水力噴射，為保證噴射頭的自進力，噴射頭正向用于破巖的能量有限，導(dǎo)致在硬地層中破巖效率極低甚至根本無法有效噴射鉆進[3-5]。

二、研究新進展

鑒于徑向鉆孔技術(shù)高效低成本的優(yōu)勢，國內(nèi)外相關(guān)公司根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用反饋，積極開展了相關(guān)的改進和一些研究，具體如下。

1.段銑開窗型新進展

為簡化施工程序，加拿大Petrojet公司(原Petrophysics公司)對導(dǎo)向器進行了改進。改進后的導(dǎo)向器可在井下套管內(nèi)直接完成轉(zhuǎn)向，其出口中心線與水平方向有一定夾角，曲率半徑在3～11 m之間可調(diào)整，如圖1所示。目前套管開窗仍采用段銑方式，由于使用改進后的導(dǎo)向器，可省去擴孔等工序，提高了作業(yè)效率[6]。

圖1 新段銑開窗型(不擴孔)徑向鉆孔示意圖

地層鉆進仍采用高壓水力噴射破巖，使用的鋼管尺寸為?31.75 mm。該鋼管擁有良好的柔韌性和強度，既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，又能延伸進入儲層。當(dāng)朝某預(yù)定方向進行地層鉆進時，通過鋼管的剛度和已知曲率半徑，可以合理確定噴頭位置。同時，配套了功率達1 492 kW的大排量高壓泵和大尺寸傳輸系統(tǒng)，以傳遞足夠的能量到地層，破巖形成泄流通道。

PetroJet公司現(xiàn)場應(yīng)用的巖性包括煤層、砂巖、碳酸鹽巖、泥巖和未膠結(jié)含油砂砂巖等，施工井深最深達1 750 m，噴射孔眼孔徑約63.5 mm左右，孔眼長度幾米到20 m。單井創(chuàng)造了最多82個分支孔眼的記錄，每孔長度均為7 m。

2.銑孔開窗型新進展

圍繞提高該類型徑向鉆孔技術(shù)的可靠性和適應(yīng)性，相關(guān)單位對關(guān)鍵技術(shù)和配套工具及裝置進行了改進和技術(shù)創(chuàng)新，具體如下。

2.1 自推進旋轉(zhuǎn)噴射

Welljet公司采用鉆井液驅(qū)動萬向節(jié)帶動合金鉆頭進行套管銑孔開窗，起出開窗鉆頭后，導(dǎo)向器留在原位置，然后下入噴射工具進行高壓自推進噴射鉆進地層。

在套管開窗方面，為便于判斷套管是否鉆穿，在開窗鉆頭上改進設(shè)置了一銅環(huán)，通過磨痕判斷套管開窗情況[7]。在噴射鉆進方面，為解決普通噴嘴在灰?guī)r、白云巖等硬地層施工的難題，研制了一種自推進旋轉(zhuǎn)噴頭，如圖2所示。該旋轉(zhuǎn)噴頭在高壓流體的作用下由于正向偏心噴嘴的偏心作用使噴頭旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可達18 000 r/min，噴頭后向噴嘴用于提供自進推力，從而實現(xiàn)了自推進旋轉(zhuǎn)噴射鉆進[8]。同時配套了最高壓力達140 MPa的高壓柱塞泵，以提高地層破巖能量和效率。

圖2 自推進旋轉(zhuǎn)噴頭

2.2 地面推進旋轉(zhuǎn)射流

國外ZRL公司采用與常規(guī)鉆井類似原理，研發(fā)了一種徑向鉆井系統(tǒng)[9]。其中，套管開窗工具系統(tǒng)主要由套管鋼塞和萬向節(jié)等組成。工作時與導(dǎo)向器(出口中心線與水平方向有一定夾角)配合，通過地面頂驅(qū)設(shè)備驅(qū)動，空心桿傳遞扭矩和鉆壓給萬向節(jié)及套管鋼塞，進行套管銑孔開窗，開窗孔徑達38.1 mm。

地層鉆進工具系統(tǒng)主要由內(nèi)部旋轉(zhuǎn)噴頭和高壓柔性管等組成。工作時，地面泵入高壓流體(施工壓力最高可達140 MPa)，在旋轉(zhuǎn)噴頭處形成旋轉(zhuǎn)射流破巖，鉆壓從地面通過空心桿施加到軟管上傳遞給噴頭，而不是利用水馬力拖動軟管。地層噴射孔眼孔徑為50.8 mm，單支鉆進長度15 m,該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)修井機即可，不需使用連續(xù)油管設(shè)備。

2.3 鉆進管串全旋轉(zhuǎn)

長城鉆探工程技術(shù)研究院自2008年開始，一直致力于銑孔開窗型徑向鉆孔技術(shù)的自主研究與應(yīng)用。近年針對高鋼級厚壁套管，研發(fā)了一種新型開窗工具[10]，如圖3所示。與常用的萬向節(jié)傳動開窗不同，其采用扭矩傳遞和切削進給相互分離結(jié)構(gòu)，提高了套管開窗施工的可靠性，開窗孔徑更大，此外還可實現(xiàn)開窗狀態(tài)的實時顯示。

圖3 新型開窗工具

同時在前期高壓噴射鉆進系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對硬地層研發(fā)了鉆進管串全旋轉(zhuǎn)的微孔旋轉(zhuǎn)鉆進工具系統(tǒng)，主要包括井下動力馬達、柔性鉆管和破巖鉆頭等。其采用水力機械聯(lián)合破巖，提高了破巖能力。此外，研制了適合纜繩作業(yè)的配套井下工具系統(tǒng)，可實現(xiàn)利用纜繩起下鉆進工具，相比使用連續(xù)油管，簡化了施工設(shè)備，提高了施工效率。

目前在遼河、新疆等油田已現(xiàn)場應(yīng)用50余口井，單井最多達21個孔，高壓軟管噴射最長達100 m，旋轉(zhuǎn)鉆進單孔最長達20 m，應(yīng)用效果良好。例如齊X長停井中，在原產(chǎn)層實施6個徑向井眼后日產(chǎn)油由措施前0 t提高到了6.3 m3，甚至超過該井新井投產(chǎn)日產(chǎn)量；陸X注水井，在原層實施6個徑向井眼后，注入壓力由措施前8.6 MPa降低到4 MPa；雷X井是遼河油田首次在探井中用徑向鉆孔代替常規(guī)射孔配合壓裂儲層，以利于造復(fù)雜縫進而改善儲層改造效果，實施了13個徑向孔眼后壓裂，初期日產(chǎn)油30.4 m3，連續(xù)正常生產(chǎn)410 d，累計產(chǎn)油3 430 m3，為目前該致密油區(qū)塊改造效果最好的一口井。

2.4 裸眼井魚骨分支鉆孔技術(shù)

魚骨分支鉆孔技術(shù)是近幾年國外發(fā)展起來的一項新型快速鉆孔完井增產(chǎn)技術(shù)，由挪威Fishbones公司提出并率先研發(fā)成功。該技術(shù)完井時將專用井下魚骨鉆孔工具隨完井管柱一次下入，在裸眼井中通過地面向完井管柱內(nèi)打壓，所有分支在4～5 h內(nèi)同時形成，最終形成一個從主井眼伸出的、分支眾多的魚骨式完井結(jié)構(gòu)[11]。

針對不同巖性，該公司先后開發(fā)了噴射型和旋轉(zhuǎn)鉆進型兩種工具系統(tǒng)，如圖4和圖5所示。

圖4 噴射型魚骨鉆孔工具

圖5 旋轉(zhuǎn)鉆進型魚骨鉆孔工具

噴射型魚骨鉆孔工具每個工具短節(jié)內(nèi)安置有4根互成90°的噴射管，每根噴射管前端帶噴射頭。在內(nèi)外壓差的作用下，推動噴射管向外進入地層，噴射頭噴出高速流體。針對碳酸鹽巖儲層，采用酸性流體通過酸化和高壓水射流形成各分支孔眼；針對煤層氣、油砂等松軟地層，采用鉆井液循環(huán)方式，實際利用磨料射流原理破巖。旋轉(zhuǎn)鉆進型魚骨鉆孔工具每個工具短節(jié)內(nèi)安置有3根互成120°的鉆進管，每根鉆進管前端帶微型鉆頭。當(dāng)完井管柱下至預(yù)定井深后，以一定排量循環(huán)鉆井液，內(nèi)部渦輪提供動力，驅(qū)動鉆進管和前端微型鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進破巖，該方式可用于砂巖等多數(shù)地層。

目前，該技術(shù)已在挪威、美國、中東海上等多個國家和地區(qū)現(xiàn)場試驗了十余口井，初步展示出了良好的應(yīng)用效果和前景。

2.5 技術(shù)對比與分析

目前各典型徑向鉆孔技術(shù)服務(wù)商的套管開窗、地層鉆進和配套設(shè)備等情況，如表1所示。可以看出：①較之套管段銑方式，銑孔開窗方式作業(yè)效率高、有利于保持套管完整性，目前多數(shù)均采用銑孔方式進行套管開窗；②部分公司研制的導(dǎo)向器，通過減小轉(zhuǎn)向角度，降低了鉆進管的轉(zhuǎn)向難度；③通過增大地面泵壓，可提高破巖能量，但對設(shè)備和工具系統(tǒng)要求高；④采用旋轉(zhuǎn)噴射和旋轉(zhuǎn)鉆進，通過改變破巖方式，可提高破巖能力；⑤采用“鋼管”類作為鉆進管，鉆進長度一般在幾米到20 m之間；⑥部分公司通過技術(shù)創(chuàng)新，降低了施工泵壓和對配套設(shè)備的要求，進一步降低了作業(yè)成本。

表1 各類徑向鉆孔主要指標(biāo)

三、結(jié)論及認(rèn)識

(1)較之套管段銑方式，銑孔開窗方式優(yōu)勢明顯。但如何確保銑孔開窗工具的可靠性，有效鉆穿套管(特別是高鋼級厚壁套管)是整套技術(shù)現(xiàn)場實施的前提和關(guān)鍵。

(2)國外徑向水平井技術(shù)的配套設(shè)備及工具齊全，尤其是擁有相對豐富的含硫油氣井、水平井等復(fù)雜井的作業(yè)經(jīng)驗，因此建議應(yīng)加強自主技術(shù)的設(shè)備配套與完善，拓展技術(shù)適用范圍。

(3)魚骨分支鉆孔技術(shù)可在裸眼井中大幅增大儲層泄油面積，具有作業(yè)周期短、成本低等特點，在裂縫型、低滲等油藏具有良好的應(yīng)用前景。作為新一代徑向鉆孔前沿技術(shù)，建議應(yīng)盡快開展該技術(shù)的自主研究。