古老钻井技术的奇葩——径向钻井

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古老钻井技术的奇葩
——径向钻井

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美国Petrolphysics公司的径向钻井技术示意图

什么是径向钻井技术

径向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。新型径向钻井技术可在7英寸套管中完成从垂直转向水平，避免用常规的大曲率半径、中曲率半径和短曲率半径方法钻水平井所需要的频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，保证水平井准确地进入目的层；同时该技术在钻水平井眼时采用高速射流侵蚀储层的破岩方式取代传统的旋转机械破岩方法，避免了传统方式的施加钻压和旋转钻杆带来的一系列问题，提高了钻井效率。

径向钻井技术可在一个储层平面钻出多个径向水平井眼，这些水平井段长度可达100米，井眼直径超过50毫米，大幅增加了油井泄油面积，使油气井产量、开采速度和单井控制储量大幅提高，从而达到了“少井高产”、降低吨油成本的目的，是提高低渗透油气藏经济开采的重要手段。与传统增产技术相比，径向钻井技术具有作业费用低、时间短和效率高等优势。此外该技术还可用于老油井、边际油藏、薄油层和煤层气的开采。开展提高低渗透油田单井产量径向钻井技术的研究，对提高我国低渗透油气井单井产量、提高开采经济效益、降低吨油成本具有重要的意义。

美国Petrolphysics公司于20世纪70—80年代研制的径向水平钻井系统是早期径向钻井技术的代表。该技术完成径向钻井作业所需的主要设备包括地面钻机、钢缆卡车、压裂车、高压油管、套管段铣钻头、扩眼钻头、井下锚定系统和斜向器、高压射流喷头等。

该技术完成径向钻井作业可分为以下四步：

（1）套管段铣。通过钻杆将套管段铣钻头下入待钻深度，启动地面设备将套管铣出一段满足下入斜向器要求的长度，起出套管段铣钻头。

（2）扩眼。将扩眼钻头与钻杆相连，将扩眼钻头下入已铣过的井段，启动地面设备，进行扩眼，扩眼井段长度等于或略小于被铣套管长度，完成扩眼工序后，起出钻头；一般扩眼要分多步进行，最终使井眼直径大于600毫米。

（3）下斜向器。通过油管将锚和斜向器下入扩眼井段，陀螺仪测量斜向器方位角，调整好方位角后，用液压锚将斜向器固定在扩眼井段。

（4）地层径向钻进。射流钻头与高压软管一端相连，高压软管的另一端与高压油管相连，通过高压油管将高压软管连同射流破岩钻头一起下入井中，斜向器引导钻头和高压软管进入待钻储层，启动地面压裂泵；高速射流的对岩石的侵蚀完成径向水平段井眼的钻进作业。

径向钻井技术的革新

与传统径向钻井技术相比，新型径向钻井技术的主要区别在于：新技术工艺中使用了新型的导向器，无须再进行套管段铣和扩眼两个费时的工序，而是采用设备、工具直接在套管和水泥环上钻孔，然后进行水平段井眼钻进。由于无须套管段铣和扩眼这两个费时的工序，使得新型径向钻井技术的作业效率得到大幅提高，作业费用也明显降低。

该技术的主要配套设备包括修井机、连续管作业机、井下引导器、套管和水泥环钻具、水平段钻具、地面高压泵。

径向钻井技术施工过程可分为以下三步：

（1）下入导向器。导向器与油管下端相连，通过修井机将导向器下入井中径向钻井作业井段。整个径向钻井作业过程中，井下导向器通过油管悬挂在套管中。通过罗盘或其它仪器确定井下导向器的导向器方位角，地面修井机通过旋转油管带动井下导向器调整方位角。

（2）钻套管、水泥环。套管水泥环钻具与连续管相连，从油管中下入。下到计划深度后，钻头和软性钻杆由井下引导器引导由垂直转向水平，钻头接触套管待开孔位置。启动地面高压泵，连续管将高压钻井液输送至井下螺杆马达，开始钻套管。随着套管、水泥环的钻进，地面控制系统下放连续管，完成套管和水泥环的开孔工序。完成该方位角套管、水泥环开孔后，调整导向器转向另一方位角，启动地面高压泵完成该方位角位置的套管、水泥环开孔。按此工艺步骤，完成在导向器下入深度平面上所有套管、水泥环的开孔作业，然后通过连续管从油管中起出螺杆马达、柔性钻杆和PDC钻头。

（3）径向水平段钻进。高压软管一端与自进式高速射流钻头相连，另一端与连续管相连。通过连续管作业机将高压软管和自进式高速射流钻头下入油管中，启动地面高压泵，自进式高速射流钻头向后喷出的高速射流与油管内壁间产生的作用力为钻头和高压软管的顺利下入提供了牵引力。导向器引导钻头和高压软管通过已开孔的套管和水泥环后进入待钻径向井位置。调节地面高压泵的压力和流量，高速射流喷射钻头通过喷出高速射流的侵蚀作用实现对地层破岩、钻孔，最终完成径向井段的钻井作业。完成该方位径向段钻进后，调节导向孔方位角，使其对准已完成的套管水泥环开孔处，下放连续管，引导自进式高速射流喷射钻头进入待钻径向井位置，启动地面高压泵完成该径向井段钻进。按此工艺步骤，完成剩余所有径向井段的钻井作业。

径向钻井技术的应用

美国Radial Drilling Service 公司的径向钻井示意图

径向钻井在枯竭井中的应用

径向钻井技术是一种油气田增产技术，与传统增产技术相比，径向钻井技术费用低、时间短、效率高。目前径向钻井技术已被用于低渗油气井、老油井和稠油井的增产改造，可大幅提高油井的采收率和开采速度，控制较大的储量。若直井泻油半径为36米、油层厚度为2米，那么该直井可控制储量为8139立方米。采用90米长的4分支径向井，每个径向分支井的可控制储量为10188立方米，四分支径向井控总储量40752立方米，约为直井控制储量的5倍。

目前我国东部老油田平均采收率约为35%，储层中还剩余大量油气资源。老油田中包括很多新增的含油区、因绕流而形成的死油区、未完全枯竭区和现有井网井无法控制的含油区，这些区中所包含的大量油气资源目前还未得到经济有效地开采。径向钻井技术可从主井眼中钻出直径超过50毫米、长度超过100米的径向井段，将为这些油气的开采提供一种更经济的方法。

以胜利油田韦5井为例，实施径向钻井作业共耗时11天13小时，完成了三个方向分支井的钻井作业，总长度达到41.93米，最长单井眼长度达19.55米。韦5井实施径向钻井作业后，与改造前两年的平均日产量相比提高约3.8倍，且前4个月含水率逐渐降低，分别为29%、21%、18%和16%。

目前新型径向钻井技术可在一个储层平面最多可钻出16个径向井眼，井眼直径大于50毫米，井眼长度超过90米，最大作业深度也达到了3500米以上，实施径向钻井作业后油井产量效果明显。新型高效径向钻井技术的研究，对提高我国低渗透油气井单井产量、提高开采经济效益、降低吨油成本具有重要的意义。