CN101210481B - 大曲率辐射水平井钻井工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大曲率辐射水平井钻井工艺及装置，包括钻垂直井至油层，下入套管，钻出套管鞋，定向造斜，洗井、起钻，下入专用筛管，填充砾石，脱开悬挂器循环洗井，起出悬挂器甩脱器及以上全部钻具，钻出其它辐射井等步骤。本发明是通过在油气水层中钻出若干条辐射水平井，增大渗流面积，扩大渗流区间，提高单井日产量，增加最终采收率，以达到能源的充分利用，提高经济效益，造福社会的目的。

Description

大曲率辐射水平井钻井工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种大曲率辐射水平井钻井工艺及装置，主要用于石油天然气钻探开发工程。

背景技术

目前世界上现存的水平井方法很多，它们各有特点，对石油的勘探开发具有不同的需要，但它们又各具有不足之处。例如：目前用的较多的小曲率长半径的水平井，因为造斜缓慢，需要几百米的井段才能使井眼由垂直转化为水平，浪费进尺很多，需不断调整井眼轨迹，费时费工，成本较高；而属大曲率水平井造斜率很急的径向井，在30公分距离内即可钻出水平井眼，但它需要有很特殊的专用导向工具外，所用工具很细，所钻井眼很小，只能使用水力冲刺钻进，且测斜很困难，完井工作也很复杂。所以，推广的局限性很大，多年来，难于推广。然而，在石油勘探开发方面，尚存在诸多急于解决的问题：

1、在稠油开发方面，单井日产量很低，最终采收率很低，只有百分之十几，开发工艺复杂，投入很大。

2、低渗油层开发困难，日产低，投入大，最终采收率很低。

3、裂缝油藏，开发困难，投入大，产量低，风险性大。

4、煤层气(瓦斯气)勘探开发困难，投入大，风险大，效率低，对煤田开采的安全造成很大隐患。

5、油气田开发后期，油层中残留量很大，一般油层采收率只有35％左右，尽管采用了多种手段，投入大，收效微。

6、最新能源一浅层地热能利用是一个巨大的能源宝库，但尚没有高效的利用手段。

7、天然盐碱井的开发，是一个潜在的自然资源的充分利用，我国有着丰富的矿藏。

上述各方面，利用现有的勘探开发方法，都存在着高投入，低效率，因而形成了一方面大量资源在地下取不出来，一方面油气供求紧张的奇怪现象，在世界范围内看不出在短期内出现缓和的迹象。

发明内容

本发明的目的就是提供一种大曲率辐射水平井钻井工艺及装置，以解决现有技术存在的高投入、低效率的问题。

本发明的技术方案是：

1、利用柔性复式定向螺杆钻具钻大曲率水平井的结构，缩短由垂直井转化为水平井的井段长度，以减少进尺，同时能在浅井中钻出水平井的目的。

2、采用较大井径的井身结构，以增加油层的渗透面积，减少渗油阻力，增加日产量。

3、采用辐射式的井筒结构，在一个产层中，水平的钻出几条水平井筒，形成辐射坑道式井网，减少死油区，最大限度的采出储层的油气。

4、采用筛网式或裸眼式完井井身结构，以减少由于水泥固井射孔采油产生的人为堵塞和限制，以达到油气的畅流，提高最终采收率。

5、采用油井自下而上层层辐射开发，同压力层同采，不同压力层分采的方法，分层利用“吃干榨净”，充分挖掘油气层的潜力。

具体的工艺步骤为：

(1)、钻垂直井至油层或油层以上20米左右；

(2)、下入套管；

(3)、钻出套管鞋3～4米；

(4)、定向造斜钻进；

(5)、洗井、起钻；

(6)、下入专用筛管，该专用筛管包括依次顺序连接的引鞋、筛管串、筛管悬挂器、悬挂甩脱器，所述悬挂甩脱器还连接无螺纹定向钻具；

(7)、填充砾石；

(8)、脱开筛管悬挂器循环洗井；

(9)、起出悬挂器甩脱器及以上全部钻具；

(10)、钻出其它辐射井。

本发明具有以下有益效果：

1、在储层中形成若干条辐射坑道油气流道，创造一个良好的泄油条件，提高日产量，增加油气的最终采收率，预测一般储层可增加50％，对于稠油可提高一倍以上最终采收率(根据某研究成果结论)。

2、在裂缝储油的地层大面积的裂缝储层多具有同向性，而用压裂的方法改造储层，又往往是同层裂缝的展伸，而此方法完全可以按照人的意志，使井筒垂直于地层裂缝，故产量高，打井少，效果好。

3、由于是大曲率造斜快，可以在15-20米即可实现由垂直井筒转化为水平井，不仅钻进进尺少，井眼轨迹易控制。

4、我国现有生产开发井平均井深在1500-1800米是本专利有利实施井深，稠油井一般300-1200米并深更是本专利的实施优势区间；

5、本专利的水平井可根据地层情况，在两井间形成U型连通井或近似U型连通井，对进行蒸汽驱，蒸汽吞吐开发十分有利。可以用在较浅的油气层水平并。例如在距地面只有几十米的油层用常规的方法就无法钻水平并。现用地面斜井钻机，效率低，成本高，操作很不方便。

6、在煤层中采瓦斯气用常规的方法是单向垂直井，渗流面积很小，采取多种特殊工艺扩大井眼以求有商业价值，所以，试气工作量很大，周期很长，成本高，产量小，虽然煤层中确有大量的瓦斯气存在，并且对煤矿和采煤工人的危害极大，但却不能转废为宝，转隐患为资源。本专利的充分利用，很适应这样的条件，必然能有效推动煤矿安全性提高和矿工人身安全的改善，对于提高瓦斯气的勘探开采利用将会进入一个新的历史阶段。

7、浅层地热能利用，也是当前能源的新发展，浅层的开发是本专利的一个重大优势，因为距地表30-50米的地层，用此法钻水平井取水在工艺上也没有困难，而其他水平井工艺则在此井段是无能为力的。地热源是世界公认的一种节能、高效、环保的能源。未来十年在我国会有很大发展。

8、天然盐碱矿的开发。一般井浅，需要大的裸露面，实现理想的U型井组大幅度提高日产量和可采采储量。

附图说明

图1是采用本发明的工艺所采用的钻井装置以及形成的井眼形状示意图；

图2是本发明开始钻辐射水平井(分支井)时的示意图；

图3是本发明所采用的定向延伸管的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是本发明所采用的无螺纹定向钻具的结构示意图；

图6是本发明所采用的悬挂器甩脱器的结构示意图；

图7和图8是本发明所采用的测斜仪接头上下部分的结构示意图。

附图标记说明：A、垂直井，B、辐射水平井，C、油层，1、钻头，2、柔性复式定向螺杆钻具，3水力弯接头，4、测斜接头，40、测斜仪接头，41、护套上水道，42测斜仪室，43、护套下水道，44、导线接头，45、循环管密封，46循环管，47上外壳，48下外壳，49、测斜电缆；5、定向延伸管，51、上节外壳，52、中心管上密封，53、中心管，54、轴销，55、下密封，56、下节外壳；6、扩大井眼(套管鞋)，7、测斜电缆接头，8、无螺纹定向接头，81、上接头，82、键套，83、锁销，84、下接头；9、套管，10、钻杆和水龙头，11、钻头接头；91、悬挂甩脱器上接头，92、反正扣接头，93、控制销，94、悬挂耳销，95、水道，96、悬挂耳，97、芯轴，98、球和球座，99、挂箍，100、箍管，101、正扣，102、反扣。

具体实施方式

参见图1～图8，本发明具体的方案及步骤如下：

(1)、钻垂直井至油层：新设计井位，按常规方法钻一垂直井A钻入油层C。

(2)、下入套管：在垂直井A内下入套管9，其下端距离薄油层C顶20米±2米处；而对于厚油层，套管9可下至油层C的顶部。

(3)、钻出套管鞋：下一如图1-0所示的扩孔钻头钻出套管鞋(扩大的井眼)6，将215毫米的垂直井A的井眼扩大井径到600-1000毫米，进尺3-4米(即形成套管鞋6的长度)。

(4)、定向造斜：下入造斜工具钻出如图1中所示的标记1～5之间的辐射井B(包括弯曲的过渡段)，该造斜工具包括依次顺序连接的钻头1、柔性复式定向螺杆钻具2、水力弯接头3、测斜仪接头4(如图7和图8所示)、定向延伸管5(如图3和图4所示)、无螺纹定向钻具8(如图5所示)。其中“柔性复式定向螺杆钻具2”和“水力弯接头3”为现有专利(专利号分别为ZL200310100352.6和ZL01218484.5)。在柔性复式定向螺杆钻具2和水力弯接头3的共同作用下，钻头1自动朝着需要的方位倾斜。此时，开泵加压即可钻进。如图2所示。

在随钻测井的条件下，按既定方向钻进，控制井斜变化和达到设计进尺，按现有井距确定单向井眼的长度，一般单井筒长50-70米(指从套管鞋6至辐射水平井B的顶端的距离)。

(5)、洗井、起钻：按照常规工艺进行洗井、起钻。

(6)、下入专用筛管：钻好辐射井(分支井)后，根据地层条件，可以裸眼完井，也可采用筛管完井。采用筛管时，将筛管悬挂在扩大井眼6内的分支井井口。如果垂直井A较浅，而套管较大时，可以从井口悬挂。该专用筛管包括依次顺序连接的引鞋、筛管串、筛管悬挂器、悬挂甩脱器(图6所示)、无螺纹定向钻具(图5，已有专利产品ZL03240702.5)。必要时(当钻进时，井内档砂困难，钻具有阻卡情况时)加反循环钻柱。

(7)、填充砾石：完井工作采用常规的反向循环投砂工艺，确保筛管工作状况的稳定。

(8)、脱开悬挂器循环洗井。

(9)、起出悬挂甩脱器及以上全部钻具。

(10)、钻出其它辐射井：再次下入造斜工具，选定新的方向，按照一中1-9的程序进行新井眼的钻进，下入筛管、甩脱悬挂器等步骤完成第二个辐射井水平井B。

如此重复完成若干条辐射式井筒，达到设计的目的。

将所述的两井间的水平井B连通，可以形成U型连通井或近似U型连通井(未图示)。

参见图3和图4，所述的定向延伸管包括上节外壳51、上密封52、中心管53、轴销54、下密封55、下节外壳56，上节外壳51与下节外壳56通过轴销54相互铰接，两者之间留有间隙以便可以转动一定角度，在各节内均设有一中心管53，每一中心管53的两端外侧设有上密封52和下密封55，可以进行循环泥浆。由于轴销54均处于一个方位，所以产生弯曲的方向是一致的，钻出的井眼方位是稳定的。

参见图5所述的无螺纹定向钻具包括上接头81、键套82、锁销83、下接头84和花键85，下接头84的上端的内侧与上接头81下端的外侧设有配套的花键85，在下接头84的顶端设有键套82，其内侧也设有与上接头81外侧配合的花键，在键套82上装有锁销83，后者延伸至下接头84外侧的对应凹槽内；在上接头81的下部与下接头84之间设有密封86。把上接头81装好密封86后插入下接头84内，放到C-C剖面的下台阶上，然后转动45°，错位后，C-C剖面的上台阶向上被B-B剖面的下台阶限制，上接头81不能向上移动。再将键套82由上向下套入下接头84的花键外，这样可使上接头81的花键与下接头84的花键结合为一体，使它们之间可以传递转矩。为了提高可靠性，再上接头81与键套82之间插入锁销83，这样就实现了上提拉力、旋转和密封的功能。同时，它除了钻杆的功能外，由于是花键连接，在键的结构上设有定向作用，只要相互连接后，从上向下不会产生角度的错位。所以具有定向功能。

参见图6，所述的悬挂甩脱器包括悬挂甩脱器上接头91、反正扣接头92、控制销93、悬挂耳销94、水道95、悬挂耳96、芯轴97、球和球座98、接箍99、正扣101和反扣102。上接头91通过螺纹连接在芯轴97上端，反正扣接头92通过反扣102连接在芯轴97的上部，并通过控制销93相互固定；反正扣接头92的下部外侧通过正扣101与接箍99连接；在反正扣接头92上外侧装有悬挂耳96和悬挂耳销94，在芯轴97和反正扣接头92上设有相通的水道95，在芯轴97内得下部装有98球和球座，在接箍99下连接筛管100。在使用时，将悬挂甩脱器与筛管100连接，下井到达分支井以上1米左右，投球到球座98，开泵打开悬挂耳96，下放筛管至坐稳，然后反转钻具剪断控制销93，继续转动把反扣102倒完，即可起出反正扣接头92，把筛管悬挂在分支井井口，并起出上部钻具。

参见图7和图8，所述的测斜仪接头包括接头40、护套上水道41、测斜仪室42、护套下水道43、导线接头44、循环管密封45、循环管46、上外壳47、下外壳48、测斜电缆49、测斜仪室扶正块50和转动轴销60，外壳用无螺纹延伸管连接，最下端用一公扣与柔性复式定向螺杆连接；把测斜仪室42以上的无螺纹延伸管接总长度为9-9.5米时，装入循环管46，上下密封好后；接长度为27米左右时，装入测斜电缆49共若干根，与已经放入测斜仪室42内的测斜电缆49对接好；然后把无螺纹延伸管与接头40用转动轴销60销牢，在测斜仪室42与接头40之间装有测斜仪室扶正块50；每一根钻杆中心都设有该测斜电缆49，每一根该测斜电缆49都有一个导线接头44悬挂在接头40内的台阶上，相互插入连接，以实现钻井过程中连续控制井斜变化。

本发明预期的经济效果：

1、本发明用于稠油开发，全国现已探明有30多亿吨储量，有的在开发中但效率很低，有的没有开发，主要因为采用现有工艺方法没有商业价值。采用此专利工艺，单井日产可增加3-5倍，这是有关研究单位摸拟试验的结论，予测最终采收率可翻一番。

2、对于油气田开发末期，残留在储层的油气尚有65％左右，本专利可使残留油再采出50％，全国在开发油气有100亿吨以上的当量石油储量，不仅采出程度提高，而且开采周期大大延长。

3、对于低渗油藏预计也有30多亿吨储量，提高50％的最终采收率是有把握的，还可以把现在已探明但没有商业价值的油气藏转化为可利用油气藏。

4、对于裂缝油气藏，根据裂缝的大小数量，含量的多少都会有不同的产量提高。

5、对于煤层瓦斯气是煤矿生产安全的极大威胁，也是一个没有充分利用的优质清洁能源，在煤层开发前，先钻一批水平井进行抽排瓦斯气，是一箭双雕之举，转危为安，造福百姓，其意义重大。

6、对于浅层地热能利用，有关资料介绍，它目前还没有被广泛重视，从发展角度看是一个当量热量巨大的能源，是任何城市居民都可开发利用的就近便宜和保护环境的清洁能源。据报道，地下水源热泵的利用，使冬季节能在20％～50％，夏季节能在10％～20％。

7、天然盐碱矿储量丰富，是一种宝贵的资源，利用溶解方法开采，在单孔直眼的井中效率很低，成本高。若采用水平、辐射式水平井、U型连通井，效率会大大提高，扩大了商业开采的储量和效益。

综合各点，此项专利一旦使用、推广对企业对社会的贡献是无法用直接的经济价值、金钱数值表达的。尤其当前全世界能源供需处于十分吃紧，危机国家安全、国计民生的历史时期，它的价值怎样去评价都不为过。

Claims (6)

1.一种大曲率辐射水平井钻井工艺，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、钻垂直井至油层：新设计井位，钻一垂直井钻入油层；

(2)、下入套管：薄油层在距油层顶20米±2米处，厚油层可在油层顶部下入套管；

(3)、钻出套管鞋：下一扩孔钻头将小井眼扩大几倍的井径，并进尺数米作为套管鞋；

(4)、定向造斜：下入造斜工具进行定向造斜，在随钻测井的条件下，按既定方向钻进，控制井斜变化和达到设计进尺，按原有井距确定单向井眼的长度，一般单井筒长50～70米；

(5)、洗井、起钻；

(6)、下入专用筛管，该专用筛管包括依次顺序连接的引鞋、筛管串、筛管悬挂器、悬挂甩脱器，所述悬挂甩脱器还连接无螺纹定向钻具；

(7)、填充砾石：进行反循环砾石填充；

(8)、脱开筛管悬挂器循环洗井；

(9)、起出悬挂甩脱器及以上全部钻具；

(10)、钻出其它辐射井：向井内再次下入造斜工具，选定新的方向，并再次依序按照上述步骤(1)～(9)钻出另一辐射井筒；如此重复完成若干条辐射井筒。

2.一种实现权利要求1所述的大曲率辐射水平井钻井工艺所使用的装置，其特征在于：所述的造斜工具包括依次顺序连接的钻头、柔性复式定向螺杆钻具、水力弯接头、测斜仪接头、定向延伸管和所述的无螺纹定向钻具；

在所述的无螺纹定向钻具的另一端连接一反循环钻柱。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的测斜仪接头包括接头(40)、护套上水道(41)、测斜仪室(42)、护套下水道(43)、导线接头(44)、循环管密封(45)、循环管(46)、上外壳(47)、下外壳(48)、测斜电缆(49)、测斜仪室扶正块(50)和转动轴销(60)，外壳用无螺纹延伸管连接，最下端用一公扣与柔性复式定向螺杆连接；把测斜仪室(42)以上的无螺纹延伸管接到总长度为9-9.5米时，装入循环管(46)，上下密封好后；接到长度为27米时，装入测斜电缆(49)共若干根，与已经放入测斜仪室(42)内的测斜电缆(49)对接好；然后把无螺纹延伸管与接头(40)用转动轴销(60)销牢，在测斜仪室(42)与接头(40)之间装有测斜仪室扶正块(50)；每一根钻杆中心都设有该测斜电缆(49)，每一根该测斜电缆(49)都有一个导线接头(44)悬挂在接头(40)内的台阶上，相互插入连接，以实现钻井过程中连续控制井斜变化。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的定向延伸管包括上节外壳(51)、上密封(52)、中心管(53)、轴销(54)、下密封(55)、下节外壳(56)，上节外壳(51)与下节外壳(56)通过轴销(54)相互铰接，两者之间留有间隙以便可以转动一定角度，在各节内均设有一中心管(53)，每一中心管(53)的两端外侧分别设有上密封(52)和下密封(55)。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的悬挂甩脱器包括悬挂甩脱器上接头、反正扣接头、控制销、悬挂耳销、水道、悬挂耳、芯轴、球和球座、接箍、筛管、正扣和反扣，上接头通过螺纹连接在芯轴上端，反正扣接头通过反扣连接在芯轴的上部，并通过控制销相互固定；反正扣接头的下部外侧通过正扣与接箍连接；在反正扣接头上外侧装有悬挂耳和悬挂耳销，在芯轴和反正扣接头上设有相通的水道，在芯轴内的下部装有球和球座，在接箍下连接筛管。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的无螺纹定向钻具包括上接头(81)、键套(82)、锁销(83)、下接头(84)和花键(85)，下接头的上端的内侧与上接头下端的外侧设有配套的花键，在下接头的顶端设有键套，其内侧也设有与上接头外侧配合的花键，在键套上装有锁销，后者延伸至下接头外侧的对应凹槽内；在上接头(81)的下部与下接头(84)之间设有密封(86)。

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