一种旋转柔性钻井出井安全控制装置的设计研究

王西贵，王柱军

（1.中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁 盘锦 124010；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司，北京 100043）

在石油天然气领域中，旋转柔性钻井技术是有效开发低渗透油层、薄油层、裂缝性油气层、注水后的“死油区”以及岩性圈闭油藏的新工艺技术，已成为一项有效恢复或提高单井产能的增产措施。旋转柔性钻井技术主要通过高压水力喷射钻井，可实现井眼直径2～5 cm，长度可达 80～150 m。单径向井钻孔的成本仅为 5～10 万元，如果连续作业，成本更低。目前，旋转柔性钻井技术已在国内多个油田完成了近百井次的施工，增产效果良好，展现了良好的应用前景。

旋转柔性钻井技术是一项新兴的增产工艺技术，由美国最早于21世纪初研发成功。该技术是在油气井的油层段套管内直接钻出垂直于套管的小直径水平井的技术，可在不同层位钻多层径向水平孔眼。辽河油田的稠油井居多，在稠油层该技术甚至可以代替传统的射孔，获得较深的油气流通道，同时避免了对地层的伤害和对水泥环的破坏。由于施工周期较短，成本低，在低渗油藏、老油区剩余油挖潜、煤层气、页岩气开采中增产效果显著，具有较为广阔的市场前景。

鉴于国内在旋转柔性钻井技术研究与应用这一块没有取得突破性进展，与此同时国内大部分老油区已进入开发中后期，新投入开发的低渗油气藏采收率都不高，都亟须一项行之有效的增产措施，以提高采收率。经过相关项目组的努力，终于攻克了旋转柔性钻井的相关核心技术，并成功进行了现场试验应用。在实验现场中，经过不断的调试和优化，且随着旋转柔性钻井相配套的工具逐渐配套完善，旋转柔性钻井技术的性能趋于理想并逐渐稳定下来，克服了前期的打齿、跑眼等异常情况，该技术的优越性更加显现。自2010年至今，该项技术已在国内多个油田开展了大规模的施工应用，效果良好，创造了较好的经济社会效益。

1 旋转柔性钻井技术的原理及施工工艺

1.1 技术原理

旋转柔性钻井技术在现场作业中，首先由开窗工具在高压水力驱动下切削套管实现开窗，随后换向将连接在软轴上的微型钻头对准开窗孔，然后通过高压水力驱动软轴传递钻压和扭矩，实现对地层的钻进。最终在不同层位或同一层位不同角度上，钻出一定长度的孔眼，建立油气流通道，增大泄油面积，实现增产[1]。

1.2 施工工艺

1.2.1 套管开窗

套管开窗工具与连续油管相连，从油管中下入。下到计划深度后，钻头和万向轴由井下导向器引导由垂直状态转向水平状态，特制的开窗钻头抵达套管待开孔位置。启动地面高压泵，连续油管将高压钻井液输送至井下螺杆马达带动开窗钻头高速旋转钻套管、水泥环。待完成套管和水泥环开孔工序后，地面控制系统上提连续油管，并起出螺杆马达、万向轴和开窗钻头等井下钻具。

1.2.2 喷射钻进

高压软轴两端分别连接高压喷射钻头和连续油管。启动地面高压泥浆泵，高压水力能量经由连续油管输送给高压软轴和高压喷射钻头，并通过导向器将高压软轴和高压喷射钻头传输至已开完孔的待钻地层位置。调节地面高压泵的压力和流量，高压喷射钻头通过喷出高速射流的水力作用实现对地层破岩、钻孔，最终完成径向井段的钻井作业。重复上述作业步骤，完成剩余所有径向井段的钻井作 业[2]。

目前在旋转柔性钻井施工过程中，开窗工具和换向工具上提至井口时，绞车操作人员采用听绳帽和防喷盒顶盖碰撞发出的声音的方法，凭经验来判断工具是否已完全提至井口马龙头之上。然而，由于工具沾油、钢丝有折痕、绳帽被油管帽等卡住等原因不能使绳帽头上提至马龙头之上，同时在这种情况下又很难根据深度仪做出准确判断，所以很多时候会出现误判错判[3]。现场操作人员的经验很重要，一般情况下，现场操作人员对绞车操作和检查都是经过培训并有多年的现场施工经验。一旦出现工具上提到井口时，工具碰到马龙头，电缆断裂，工具就容易掉落井中。当误判错判发生时，很容易导致出井工具与井口四通相撞，导致工具落井，进而需要进行打捞作业，严重影响了施工效率，增加了作业人员的劳动强度和甲方的作业成本[4]。

2 工具介绍

2.1 工具结构

旋转柔性钻具出井安全控制装置由本体、防撞机构和防掉机构组成，其整体功能相当于一个有防撞防掉功能的防喷盒。结构示意图和三维示意图分别如下图1和图2所示。

2.2 工具特点

针对现有井口安全装置只有防掉或防撞的单一功能，开展技术研究，形成了自动防撞和防掉功能相结合的技术。并在旋转柔性钻井施工现场应用中取得了良好的应用效果，在同行业达到先进水平。

现有的绞车拉紧钢丝进行深度归零时，容易“误卡”工具，而一旦“误卡”，得重新开防喷盒才能解开，这种“误卡”费时费力，成为现有旋转柔性钻井技术推广使用的瓶颈问题。针对该难题进行攻关，发明了一种新型的防掉机构，该机构扭簧对防掉板有较大的初始支撑力，从而有效地克服了深度归零时的“误卡”难题，为该技术的推广打下良好的基础[5]。

图1 旋转柔性钻井井口安全控制装置示意图

图2 旋转柔性钻井井口安全控制装置三维示意图

3 应用实例

2014年，项目组对曙LX 井进行旋转柔性钻井施工，换向完毕地层第3 孔钻进完毕后将空心杆提至井口位置时，井口操作人员根据经验“听声音法”判断工具离井口还有60 多米的距离，故未降低上提速度，突然听见“砰”的一声响，工具撞到井口，绞车电缆被撞断，工具落入井底，之后通过几天的打捞才将落井工具打捞出井，浪费了较多的人力物力。

后来的旋转柔性钻井施工中，引用了该井口安全控制装置。该装置在2015年曙1M 井第4 孔中，深度仪失灵，依经验无法准确判断井下工具在上提过程中具体位置，结果在井口时，由于该安全装置的作用，成功防止了工具落井事故的发生。该装置总成本不足1 万元，而旋转柔性钻井普通的工具落井将损失50 万元以上，因此该装置在旋转柔性钻井的现场推广应用具有较大的潜在经济效益[6]。

4 结 论

（1）旋转柔性钻井技术可在储层中不同层位或同一层位不同角度形成多个微小油气流孔道，解除近井地带污染，增大泄油面积，且施工周期短、成本低，是一种新的解堵增产手段。

（2）旋转柔性钻井技术可以在稠油井中代替射孔，且该技术完成了套管开窗和地层钻进，孔眼长度长于射孔，而且没有残留物对储层造成污染[7]。

（3）在现场施工中，工具经测井绞车提出井口，常有工具碰撞井口后，工具落井的现象发生。应用了该装置后，可以有效地防止工具在提起过程中碰撞井口，该工具在现场应用中，经济效益显著。

（4）该工具主要针对旋转柔性钻井施工而设计，工具特点明显、施工安全，对其他类似技术也具有借鉴意义。