小井眼水平钻井系统F.J.Pittard and J.D.Fultz Slimdrill International,Inc.Houston,Texas摘要：在提高产量降低钻井成本，对现有井进行二次完井具有可观的经济效益。Slimdrill 公司在 4-1/2”7”套管内采用普通的钻杆和钻机，发展了一套水平井钻井系统，到目前，利用该系统已成功地进行了 40 口井的作业。概况：在 1985 年 Slimdrill 公司在 5-1/2”套管内钻出一口中半径水平井，目前在美国在 Autain chalk 已在 5-1/2”套管或更小的套管钻了 4000 多口小井径的各类井，在此之前在 Autain chalk 的直井不能进行侧钻作业。这一小井眼钻井技术的诞生，在 Autain chalk 得到了广泛的应用并迅速发展，典型的钻小井眼中半径水平井系统，见图-1。这一小井眼水平井系统广泛应用于裂缝型油藏，诸如 Autain chalk 和具有水锥和气顶问题的产层，在许多地区水平井的产量是相邻直井的 38 倍。传统的水平井技术包括使用昂贵的井下钻具，这种专用工具设备一旦落井，其失落费用是较高的。因此，经常使得二次完井在经济上是不吸引人的。在此之前，水平井技术集中在新的大井眼中，导致在 Auatin chalk 一些小井眼条件下大直径的工具不能通过。该小井眼系统利用现有的技术并加以更新，改进后的小井眼导向钻井系统，可以应用于河底管道的安装，小井经直井的二次完井。因费用较低，所以很快得以推广。系统的描述与操作：图 2 展示了小井眼水平井的钻井系统，详细的组成部分，见图 3-6。钻头：两种钻头在该系统中应用，在从直井侧钻中，采用天然金刚石胎体较短的侧钻钻头，这些钻头的设计，无论是在水泥塞条件下还是在斜向器侧钻均具有坚固的侧向切削表面。HT-1 钻头在水平井造斜时应用两种镶嵌材料，一是天然金刚石，二是具有热稳定性的聚合片钻头（TSD）如图 3，在该型号钻头的保径部分镶嵌了大量的金刚石，因此具有：1）高效的侧向切削能力。2）较高的机械钻速。3）在造斜井段使用具有较长的寿命。该钻头的设计是为高速马达设计的，排除了早期的 PDC 钻头与高速马达不匹配及所产生的震动问题。1985 在美国 Autain chalk 直井使用普通的金刚石钻头的机械钻速为 710 英尺 /小时，而当前使用 TH-1 和 TSD 特殊的侧钻钻头，在相同地层条件下，其机械钻速为 20300 英尺/小时。正排量容积式液力马达：Slimdrill 小井眼水平井应用高速马达，如图 5，也是专为水平井而设计的，它具有两倍于一般马达的输出功率，同时，具有寿命长，转速高的特性，导致了它具有很强的竞争性。三个部分取决于马达的造斜能力，弯壳角度可根据造斜率，其角度可在02 度的范围内进行调整，偏心垫片安装在马达的“低边”以增加侧向力，其厚度根据实际需要进行改变。如果需要更高的造斜率，马达的上部可增加一个02 度的弯接头，虽然在水平井常用 1020 度/100 英尺的造斜率，然而一些井的造斜率以超过设计的 1020 度/100 英尺的造斜率。钻柱：Slimdrill 小井眼水平井系统利用的高速马达，其转速为 400800 RPM，并且理想地与 DST 钻头匹配，从而在低钻压条件下可产生高的机械钻速。因所需要的钻压较小，因此，在马达上部可直接用光钻杆，而不用昂贵的抗压钻杆（CSDP ）,这是它的主要优势。因为高的钻压势必带来高的摩擦阻力和扭矩。底转速马达系统使用加重钻杆或抗压钻杆是必要的，以便防止钻杆的螺旋弯曲。定向循环接头：定向循环接头与马达相连接，它包括一个与弯接头方向一致的键和循环装置，见图 4C，因此，可提供定向工具与探管的对应关系，从而可在随钻过程中进行测量。循环接头是为了旁通阀能够在钻进时循环，在起钻过程中又防止喷泥浆而设计的，该设计有它的独特性，旁通阀的开关靠投球进行控制，即在起钻前进行投球，使旁通阀打开。地面直读陀螺：地面直读陀螺用于造斜前的工具面定向，它不受套管所产生的磁性干扰，定向后在钻进之前必须将陀螺起出，防止因马达在钻进时所产生的震动损坏陀螺。有线随钻与 MWD 测量系统：造斜井段通常应用有线随钻，可在钻进过程中随时测得工具面，井斜和方位。MWD 通常在大于 5”井径条件下使用，用于更小井径的 MWD 正在发展之中。无磁钻铤：该磁钻是具有高强度无磁蒙耐尔材料，从而可以隔开钻杆的磁性干扰。旁通接头：旁通接头如图 4D,它可以不会因接单根或接立柱而进行必要的起下仪器。作业方法：开窗侧钻钻水平井，一般分三个步骤来完成：定向造斜，增斜，水平段钻进。造斜：造斜工具与步骤见图 7，定向造斜是整个作业的关键部分，其施工的关键在于保证方位的准确性，否则，将为下一步的施工带来很大的影响。一旦造斜点确定后，可用两种不同的造斜技术，较倾向于的方法是套管段铣开窗，如图7，然后打水泥塞进行定向侧钻，见图 7B，许多井都是利用这种方法和步骤进行作业的。第二种方法是在套管内造斜点位置下斜向器，用磨铣工具在套管内开一个窗口，然后进行侧钻，见图 7B，尽管这种方法可能比较经济，但有它不利的一面：1）初始定向的精度有限。2）造斜点位置易产生狗腿，使得在起下钻过程中常发生问题。3）斜向器回收较难，部分工具是一次性的。在套管内定向通常用地面直读陀螺，陀螺在钻杆或油管内下入并座在循环接头上，从而可确定造斜工具的工具面，然后提出陀螺可进行钻进，排除磁干扰后，再下有线随钻，仪器同样座在循环接头上，用所测得的工具面校正并定向，然后继续用该套钻具结构开始造斜，直到距套管有足够远的距离（大约 50100 英尺） ，然后起出造斜钻具，下增斜钻具。增斜井段：增斜结构，如图 4A 和 6，通常和造斜结构是同样的，所不同的是要换TSD HT-1 钻头，或者在特别硬的地层采用具有侧刃的金刚石钻头，钻进过程中通过有线随钻或 MWD 连续控制工具面进行增斜。如果造斜太快，工具面同常定期向下钻进一段，来降低平均造斜率，特别向帆板前进一样。如果其实际的造斜率由于地层的变化等原因，使我们不能接受，那么，必须起钻换钻具，然后改变钻具结构。一旦造斜至预定的井斜角，须起钻换水平井段钻具组合。水平井段：水平井段钻进，通常采用如图 4B 的增斜结构，即用小角度的弯马达（0。250.5 度） ，从而可进行小范围的井斜校正。功能与应用：SlimDrill 水平钻井系统，已成功地应用了 40 多口井，相当数量的水平井是在裂缝性油藏中，诸如 Austain Chalk 和 Spray berry 地区（如图 8A） ，水平井在裂缝油藏中，其优越性比直井更加明显，因为用直井很难保证与垂直裂缝相交，相反，水平井则容易横穿两个或更多的垂直裂缝。图 9 是一口在 Austain Chalk 典型的侧钻井，该水平井钻穿附近的枯竭裂缝型油藏，继续钻进，距该井较远的地方又钻穿了一个具有压力的垂直裂缝油藏。这些井典型的完井方法是下割缝筛管（如图 9B） 。图 9 是 1987 年利用SlimDrill 钻井系统侧钻所钻的典型中半径水平井剖面，这是一口在直井侧钻最深的一口中半径水平井。SlimDrill 马达也曾在致密地层或稠油油层中使用（图 8C） ，在这些地区，水平井就像管线或水管道通过产层，可大量增加地层的裸露面积，从而可提高生产速度。SlimDrill 工具通常也应用于不能用直井进入的地区，如：山脉，河流及湖泊和大城市底下（如图 8E） 。潜在的功用在砾石或冰山岛（图 8E）钻救险井，可对井喷井进行压井（如图 8F） 。现场结果：至今，利用该系统已成功地完成了 40 多口井，下列数据是在 Austain Chalk作业典型的有代表性的数据：钻井时间：8 天机械钻速：2535 英尺/小时造斜率：1520 度/100 英尺产量增加：38 倍开发费用：2.5 美圆/桶结论：现场结果表明，该小井眼系统在 Austain Chalk 及其他地区是可用的，具有很好的经济性，在许多地区水平井的产量是直井的 38 倍，其每桶的开发费用仅是直井的一半，经济性是很高的，除了提高了生产速度和降低钻井成本以外，这些二次完井的井可能对税收上产生刺激，由于在许多地区将开窗钻水平井被划为提高原油的方法与措施。参考文献：Anon., l989A: Horizontal Drilling Stays Hot, Petroleum Engineering International, April, pp. 24 26.Anon, l989B: Horizontal Systems Growing More Specialized, Off shore, 0ctober, p. 36.Anon., l989C: Horizontal Re-comp1etion Techniques Refined,” Drilling Contractor, December 1988/Januvi l989, pp. 28-29.Giannesini, Jean-Francois, l989: -Horizontal Drilling is Becoming Commonplace: Heres How Its Done, World Oil, March pp. 35-38, 4o.Gust, Douglas, l989: Horizontal Drillin8 Evo1ving from Art to Science,- Oil and Gas Jounal, July 24, pp. 43-46, 49-52.Karlsson et al., l989: New Developments in Short-, Medium-, and Long-Radius Lateral Dril1ing, SPE/IADC Paper l87O6, Drilling Conference held in New Orleans, LA, February 28-March 3, l989.Rehm, Williams, l987: Horizontal Dril1ing Applied in Slim Holes,- Petroleum Engineer International, February, pp. 24-26 28.Rehm, W.A. and Garcia, A., l989: -Horizontal Drilling in Mature Oil Fields, SPE/IADC I8709, Drilling Conference held in New Orleans, Louisiana, February 28-March 3.Shook, B., Drillers Heading in New Direction, Houston Chronicle, October 22, l989, l5F.