CN101832105A - 超短半径径向水平井的钻井、固井方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明一种超短半径径向水平井的钻井、固井方法及其设备，采用先钻井、后固井的方法，包括下述步骤：钻井：以万向节连接若干段柔性钻杆以及第一段柔性钻杆与增斜钻头，造斜装置置于垂直井道内，上表面为斜向向下的导向弧面；若干段柔性钻杆在造斜装置的导向弧面上进行造斜，钻井后将设备提出井外；固井：以铰接的伸缩管连接若干段柔性套管，放入井道内进行固井。增斜钻头的最小外径不小于柔性钻杆的外径，柔性钻杆的外径不小于柔性套管的外径。优点是：减少对套管的损害；钻井后再下柔性套管固井，柔性套管强度与普通套管强度相当；即便在钻井过程发生小量偏心也不影响钻进，柔性钻杆与井壁发生摩擦时可反向拱起以绕开障碍。

Description

超短半径径向水平井的钻井、固井方法及其设备

技术领域

本发明涉及石油以及煤层气的开采领域，尤其是一种超短半径径向水平井的钻井方法及其设备，利用该工具可以实现超短半径径向水平钻井。

背景技术

在石油和煤层气工业中，在同一口井中同时开采多个层系的超短半径侧钻技术是石油开采进入后期的主要增产手段之一。

油井根据曲率半径的不同分为长半径井、中半径井、短半径井和超短半径井。曲率半径大于500米为长半径井，曲率半径在100米至500米为中半径井，曲率半径在20至100米为短半径井，曲率半径小于20米为超短半径井。曲率半径越短的井越难以开钻，对钻具的要求也更高。

在现有技术中，钻井工具主要分为射流工具和柔性钻具两大类。

美国某公司拥有一项利用高压旋转射流破岩钻进的技术，在全球范围内提供技术服务支持。利用这种射流钻成的水平井井眼直径较小，且由于水流切割出来的孔道不规则，使得其无法固井完井，孔道因为失去支撑而容易闭合。

以这种射流喷射原理为基础，中国实用新型专利ZL200920012340.0公开了一种高压水射流喷射组合工具，包括喷射主体和完井辅件，喷射主体除了喷头、高压管等之外还包括割缝柔性筛管，该割缝柔性筛管套装在高压管的外侧，在喷射进尺至设计井深后，上提钻具，而割缝柔性筛管及防砂筛网均保留在所喷射形成的井眼内，由此实现完井。

但是这种割缝柔性筛管的割缝由于与井眼的钻进方向垂直，且割缝往往并不是规整的圆弧形，因此在下井过程中割缝往往会与井壁发生大面积的刮擦，从而导致整套组合工具无法顺利前进。

在中国实用新型专利ZL96249291.4中公开了一种柔管钻具，由弹性弯外壳及其内套装的柔性钻管构成90°造斜装置，弹性弯外壳主体为由弹性钢筋串联的扇形环状空心连接片；柔性钻管的外壳是由用销钉依次连接的管状球面连接环组成的万向柔性空心外壳。90°造斜装置被拉伸呈直线状下入井内后，驱动造斜装置内的柔性钻管转动，将扭矩传递给钻头，钻压通过弹性弯外壳也传递给钻头，从而实现钻进。

由于弹性弯外壳套在柔性钻管的外侧，而弹性弯外壳容易发生偏心，而与井壁发生碰撞，为避免在钻进过程中往往会发生偏心现象，该专利的主要发明人在其随后的中国实用新型专利ZL00258470.0中进一步进行改进，柔性钻具由管式弹性弯外壳导向筒和带有滚动轴承的柔性钻杆构成。这种装置的侧向动力来自于跟进导向管的侧向推力，弹性的导向筒能够促使钻头转向，而导向筒的外壁上设有多组导向扶正条和更多的防扭限位片，确保整个导向筒能够按设定方向弯曲；而在导向筒内侧还设有可弯曲的内外球形键，每组球形键上组装滚珠扶正轴承，由此使柔性钻杆不与导向筒内壁直接接触，以减少可能造成导向筒偏移的摩擦力。

这种弹性弯外壳导向筒上设有横向的割缝，也就是说这种导向筒也是一种割缝柔性管，同样具有如前所述由于割缝存在导致的缺陷，同时割缝还破坏了原本硬质材料导向筒本身的强度。另外，扶正导向条不仅同样容易与井壁之间产生摩擦，而且其导向能力在实际应用过程中也受到质疑，因此这类柔性钻具并不能真正为钻井行业所认可。

另外，这种结构在柔性钻杆完成造斜后，需将先前钻进用的钻具吊出，重新接上普通钻杆再下井至造斜段继续进行水平钻井，需要两次钻井才能完成。

进而中国发明专利公开号CN1464170A也公开了一种钻井、完井工具及其工艺，其中的导向跟进筛管尽管并非割缝筛管，但也是通过多段梯形管在一侧连为一体而另一侧断开形成，在90°造斜时，多段梯形管向断开的一侧弯曲而形成弯管。但不难发现，这种形式的筛管仍然无法避免与井壁的刮擦，由于多段梯形管在弯曲后形成一段刚性弯管，在钻进时用于90°造斜的筛管与井壁之间会产生的巨大摩擦阻力导致这种工具几乎无法前行。

由以上这些背景技术可见，现有的超短半径水平井钻井工具都有普遍的共性，就是在柔性钻杆或高压喷具外侧套设割缝弯管，利用割缝弯管进行90°造斜，以期在水平井钻井完成后提出钻具，而割缝弯管还能保留在井内起到固井的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种超短半径径向水平井的钻井、固井方法，以解决现有技术中套有割缝弯管的柔性钻杆均无法顺利下井的缺陷，可以打出曲率半径小于2m的超短半径侧钻水平井。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述方法的超短半径径向水平井的钻井、固井设备。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种超短半径径向水平井的钻井、固井方法，采用先钻井、后固井的方法，钻井采用若干段柔性钻杆、增斜钻头以及造斜装置构成的钻井设备，固井采用若干段柔性套管构成的固井设备，包括下述步骤：

钻井：

第一步：以万向节连接若干段柔性钻杆，以及第一段柔性钻杆与增斜钻头，将造斜装置置于垂直井道内，造斜装置的上表面为斜向下的导向弧面；

第二步：增斜钻头及柔性钻杆进入井道内，若干段柔性钻杆在造斜装置的导向弧面上进行造斜，使增斜钻头从垂直转为水平，水平钻井完成后将增斜钻头和柔性钻杆提出井外；

固井：

相邻两段柔性套管通过铰接的伸缩管活动连接，将柔性套管放入钻井的井道内进行固井。

针对上述方法的一种超短半径径向水平井的钻井、固井设备，所述的钻井设备包括若干段柔性钻杆、增斜钻头以及造斜装置，所述的固井设备为若干段柔性套管，其中：

所述的钻井设备中，相邻两段柔性钻杆通过万向节活动连接，所述的增斜钻头与第一段柔性钻杆通过万向节活动连接；所述的造斜装置设在垂直井道内，上表面为斜向下的导向弧面；所述的增斜钻头的最小外径不小于柔性钻杆的外径，增斜钻头与第一段柔性钻杆间弯曲形成的活动摆角α不小于相邻柔性钻杆间弯曲形成的活动摆角β；

所述的固井设备中，相邻两段柔性套管通过铰接的伸缩管活动连接，柔性钻杆的外径不小于柔性套管的外径。

本发明完全颠覆了传统企图将钻井、固井同步完成的概念，传统钻具在柔性钻杆外侧套设割缝弯管，利用割缝弯管进行造斜，在下井时割缝弯管与井壁之间产生巨大的摩擦阻力从而导致整套钻井设备无法下井。而本发明的若干段相互分离的柔性钻杆通过万向节相互连接，本身就可以在带弧面的造斜装置上进行造斜。

本发明利用的基本原理是：

通过柔性钻杆以及与柔性钻杆采用万向节活动连接的钻头，形成一整条柔性链，这种柔性链与传统的割缝弯管，包括多个梯形管组成的导向管不同。传统的割缝弯管只能向一个方向弯曲成近似90°弯管，且在弯曲后则不再表现柔性，而是成为一段钢性弯管，该钢性弯管的外缘一旦与井壁内侧发生摩擦，则钢性弯管根本无法自行向内拱起而避开障碍。

反观本发明的柔性链，由于每段柔性钻杆，以及第一段柔性钻杆与钻头之间均采用万向节活动连接，因此当任意一段柔性钻杆与井壁发生碰擦时，该段柔性钻杆都可向上拱起，从而避开障碍，使钻杆钻头下行驶可畅行无阻。而对于用于固井的柔性套管而言，同样的连接结构也可保证柔性套管能顺利地沿钻井下行到需要位置。

另外，传统钻井设备由于造斜用柔性割缝弯管的存在，要求在钻进过程中严格对中，不能发生偏心，由此才能避免割缝弯管与井道发生摩擦，而一旦割缝弯管发生偏心就有可能因为摩擦而导致割缝弯管无法前进。而本发明采取先钻井后固井的方式，去除了柔性钻杆外侧的割缝弯管或导向管，首先令增斜钻头的最小外径大于或等于柔性钻杆的外径，而柔性钻杆的外径又大于或等于柔性套管的外径；通过万向节的应用使得增斜钻头钻出的井道的曲率半径大于或等于柔性钻杆可以通过的曲率半径，而柔性钻杆可以通过的曲率半径又进一步大于或等于柔性套管可以通过的曲率半径。这样，在增斜钻头钻井后，柔性钻杆可随后顺利进入开通的井道，保证增斜钻头和柔性钻杆可在钻完后的返回；而在井道钻进完毕后，柔性套管也会因其外径小、曲率半径小而可顺利下到指定位置，不会出现在下井过程中卡死的现象。

在上述方案的基础上，所述的增斜钻头分为钻头冠部、保径体和钻头体，所述的钻头冠部前端面带有锥度，钻头冠部的最大外径与保径体的外径相等，且均不小于钻头体的外径。

当增斜钻头在造斜装置的斜面引导下偏离轴心方向时，增斜钻头的前后部分不同直径的特点使其会自动偏离造斜面一个角度，达到增斜效果，即使在增斜钻头继续前进并越过造斜装置后，孔洞的外壁也会起到与造斜装置同样的导斜效果。当增斜钻头与柔性钻杆一起连续前行时，连续的导斜与增斜效果使得钻出的孔洞自动形成一个圆弧。并形成一个圆环形孔道，从而自动形成超短半径水平井。

在上述方案的基础上，所述的钻头体外径不小于每段柔性钻杆的外径。

在上述方案的基础上，为了提高增斜钻头的增斜能力，使其获得更佳的自动增斜效果，所述的钻头冠部与保径体的长度之和不超过增斜钻头总长的1/2。

在上述方案的基础上，所述增斜钻头长度不小于每段柔性钻杆的长度。

在上述方案的基础上，所述的若干段柔性钻杆均为等长或近似等长的圆管。

在上述方案的基础上，所述的相邻柔性钻杆弯曲形成的活动摆角均相同或相近似。为达到上述效果，造斜装置上表面的导向弧面在每一点处因具有具有相同或相近似的曲率半径。

在上述方案的基础上，所述的造斜装置为硬质合金材料，其硬度不大于增斜钻头的硬度。

本发明的有益效果是：

1、采用本发明的钻井设备，可使窗口长度小于0.4m，减少了对套管的损害；

2、本发明摒弃了跟进导向管，在钻井完成之后，再下入柔性套管进行固井，该柔性套管的强度可与普通套管强度相当，强度大大高于传统使用的割缝弯管；

3、即便在钻井过程中钻头及钻杆发生小量偏心也不影响钻进，也不会影响其后的柔性钻杆及固井用柔性套管的下行，加上柔性钻杆及柔性套管均采用万向节连接，在与井壁发生摩擦时可反向拱起以绕开障碍，使整个钻井、固井过程得以顺利完成；

4、钻井角度及轨迹均处于可控状态。

附图说明

图1为本发明钻井设备在井中的结构示意图。

图2为本发明固井设备在井中的结构示意图。

附图中标号说明

1-增斜钻头    11-钻头冠部

12-保径体     13-钻头体

2-柔性钻杆    3-万向节

4-造斜装置    41-导向弧面

5-柔性套管    6-伸缩管

具体实施方式

请参阅图1为本发明钻井设备在井中的结构示意图和图2为本发明固井设备在井中的结构示意图所示，一种超短半径径向水平井的钻井、固井设备，所述的钻井设备包括若干段柔性钻杆2、增斜钻头1以及造斜装置4，所述的固井设备为若干段柔性套管5，其中：

所述的钻井设备中，相邻两段柔性钻杆2通过万向节3活动连接，所述的增斜钻头1与第一段柔性钻杆2通过万向节活动连接；所述的造斜装置4设在垂直井道内，上表面为斜向向下的导向弧面41。

所述的增斜钻头1分为钻头冠部11、保径体12和钻头体13，所述的钻头冠部11前端面带有锥度，保径体12和钻头体13均为圆柱体，钻头冠部11的最大外径与保径体12的外径相等，且均不小于钻头体13的外径；

所述的若干段柔性钻杆2均为等长或近似等长的圆管，其直径为相等或近似，所述的钻头体13的外径不小于每段柔性钻杆2的外径。

所述的钻头冠部11与保径体12的长度之和不超过增斜钻头1总长的1/2；

所述增斜钻头1长度不小于每段柔性钻杆2的长度。

所述的固井设备中，相邻两段柔性套管5通过铰接的伸缩管6活动连接，根据要求选择连接的段数，柔性钻杆2的外径不小于柔性套管5的外径。

增斜钻头1与第一段柔性钻杆2间弯曲形成的活动摆角α不小于相邻柔性钻杆2间弯曲形成的活动摆角β；所述的相邻柔性钻杆2弯曲形成的活动摆角均相同或相近似。

所述的造斜装置4为硬质合金材料，其硬度不大于增斜钻头1的硬度。

钻井方法包括下述步骤：

钻井：

第一步：以万向节连接若干段柔性钻杆，以及第一段柔性钻杆与增斜钻头，将造斜装置置于垂直井道内，造斜装置的上表面为斜向向下的导向弧面；

第二步：增斜钻头及柔性钻杆进入井道内，若干段柔性钻杆在造斜装置的导向弧面上进行造斜，使增斜钻头从垂直转为水平，水平钻井完成后将增斜钻头和柔性钻杆提出井外；

固井：

相邻两段柔性套管5通过铰接的伸缩管6活动连接，根据要求选择连接段数，将柔性套管放入钻井的井道内进行固井。

当增斜钻头1在造斜装置4的导向弧面41引导下偏离轴心方向时，实际上在钻头体13的A点和保径体12的B点分别起到了两个支点的作用，由于B支点处保径体12的直径大于支点A处钻头体13的直径，增斜钻头1在这两个支点的作用下自动偏离造斜装置4的导向弧面41一个角度，达到增斜效果，即使增斜钻头1继续按照图示箭头方向前进并越过造斜装置4后，孔洞的外壁也会起到与造斜装置4同样的导斜效果。当增斜钻头1与柔性钻杆2一起连续下行时，连续的导斜与增斜效果使得钻出的孔洞自动形成一个圆弧，并形成一个圆环形孔道。

由于增斜钻头1钻出的井道的曲率半径大于或等于柔性钻杆2可以通过的曲率半径，因此可保证柔性钻杆2顺利地跟着增斜钻头1前行，而增斜钻头1和柔性钻杆2在钻完后的返回。

由于柔性钻杆2可以通过的曲率半径大于或等于柔性套管5可以通过的曲率半径，因此可保证随后的柔性套管5可以顺利地下到指定位置进行固井。

Claims (9)

1.一种超短半径径向水平井的钻井、固井方法，采用先钻井、后固井的方法，钻井采用若干段柔性钻杆、增斜钻头以及造斜装置构成的钻井设备，固井采用若干段柔性套管构成的固井设备为，其特征在于包括下述步骤：

钻井：

第一步：以万向节连接若干段柔性钻杆，以及第一段柔性钻杆与增斜钻头，将造斜装置置于垂直井道内，造斜装置的上表面为斜向向下的导向弧面；

第二步：增斜钻头及柔性钻杆进入井道内，若干段柔性钻杆在造斜装置的导向弧面上进行造斜，使增斜钻头从垂直转为水平，水平钻井完成后将增斜钻头和柔性钻杆提出井外；

固井：

相邻两段柔性套管通过铰接的伸缩管活动连接，将柔性套管放入钻井的井道内进行固井。

2.针对权利要求1所述的方法提供一种超短半径径向水平井的钻井、固井设备，所述的钻井设备包括若干段柔性钻杆、增斜钻头以及造斜装置，所述的固井设备为若干段柔性套管，其特征在于：

所述的钻井设备中，相邻两段柔性钻杆通过万向节活动连接，所述的增斜钻头与第一段柔性钻杆通过万向节活动连接；所述的造斜装置设在垂直井道内，上表面为斜向下的导向弧面；所述的增斜钻头的最小外径不小于柔性钻杆的外径，增斜钻头与第一段柔性钻杆间弯曲形成的活动摆角α不小于相邻柔性钻杆间弯曲形成的活动摆角β；

所述的固井设备中，相邻两段柔性套管通过铰接的伸缩管活动连接，柔性钻杆的外径不小于柔性套管的外径。

3.根据权利要求2所述的超短半径径向水平井的钻井、固井设备，其特征在于：所述的增斜钻头分为钻头冠部、保径体和钻头体，所述的钻头冠部前端面带有锥度，钻头冠部的最大外径与保径体的外径相等，且均不小于钻头体的外径。

4.根据权利要求3所述的超短半径径向水平井的钻井、固井设备，其特征在于：所述的钻头体外径不小于每段柔性钻杆的外径。

5.根据权利要求3所述的超短半径径向水平井的钻井、固井设备，其特征在于：所述的钻头冠部与保径体的长度之和不超过增斜钻头总长的1/2。

6.根据权利要求5所述的超短半径径向水平井的钻井、固井设备，其特征在于：所述增斜钻头长度不小于每段柔性钻杆的长度。

7.根据权利要求3至6之一所述的超短半径径向水平井的钻井、固井设备，其特征在于：所述的若干段柔性钻杆均为等长或近似等长的圆管。

8.根据权利要求7所述的超短半径径向水平井的钻井、固井设备，其特征在于：所述的相邻柔性钻杆弯曲形成的活动摆角均相同或相近似。

9.根据权利要求1所述的超短半径径向水平井的钻井工具，其特征在于：所述的造斜装置为硬质合金材料，其硬度不大于增斜钻头的硬度。

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