CN103924923A - 同步多分支径向水平井完井方法及工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到同步多分支径向水平井完井方法及工具。其基本工作原理为：作业油气井使用预留孔眼套管进行固井，使用内滑套使预留孔眼处于关闭状态，在径向钻孔时，使用连续油管下入水力锚依次打开全部预留孔眼，完成全部传统工艺中的套管开窗作业；接着下入由高压软管夹持器加持的多股高压软管，在夹持器与多轨道转向器的联合作用下，实现夹持器的转向与对接，使得多股高压软管能够顺利进入各自轨道，从而实现一次下钻完成多个径向孔眼的目的。该工艺过程极大简化了径向水平井完井工艺，极大提高了径向水平井完井效率，可靠性、高效性、经济性好，为现有石油天然气，特别是非常规油气藏开采提供了一种有效的技术手段。

Description

同步多分支径向水平井完井方法及工具

技术领域

本发明涉及到石油天然气开采领域，为一种新型石油天然气高效开发完井方法及相应工具，尤其是能够实现一次下钻完成多个径向孔眼钻进的工艺技术。

背景技术

随着我国经济快速增长，我国能源需求高速增长，2013年我国石油和天然气的对外依存度分别达到58.1％和31.6％，中国已成为全球第三大大然气消费国。非常规油气资源，如致密气、页岩气、储层气、致密油等非常规油气，作为常规油气资源的重要补充，以其储量巨大、分布集中、开发技术日趋进步等特点，日益成为世界石油市场竟相追逐的新宠。研究表明，中国非常规油气资源丰富，发展潜力大，其中致密气可采资源量为8.8×10¹²～12.1×10¹²m³，页岩气可采资源量为15×10¹²～25×10¹²m³，储层气可采资源量为10.9×10¹²m³，致密油可采资源量为13×10⁸～14×10⁸t，可回收页岩油资源量为160×10⁸t，油砂也具有一定资源潜力。但非常规油气藏属低渗透油气藏，具有渗透率低、孔隙度低，非均质强等特点，绝大多数此类油气井必须实施特殊的钻完井工艺以及后期储层改造措施之后方能见效。目前诸如煤层气、页岩气等在国外已有成功的开发先例，但是国外的成功经验并不能直接适用于我国的实际情况。

超短半径侧钻水平井技术(又称径向水平井技术)是指在垂直井眼内沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平井眼。该技术是近几十年来发展起来的一项新型油田增产技术。该技术能够穿透近井污染带，极大的增加单井控制面积，沟通天然裂缝，改善油气藏压力分布，提高油气井的生产能力与注水井的注水效率，且经济、高效、安全，是油藏挖潜和煤层气开发的有效手段。

传统径向水平井技术主要是指20世纪80年代由美国Bechtel投资公司和Petrophysics公司最早研制的径向水平井钻井系统，简称URRS系统，它能在一口垂直井的同一深度向四周钻24口辐射状水平井，其钻井时间一般不超过64h。其工艺原理为：首先在油气井的预定深度对套管进行锻铣，再利用大直径的扩孔工具对锻铣后的井眼进行扩径，然后下入并锚定转向器，通过液压或者机械的方式使斜向器沿预定的方位支起，柔性钻管在液压作用下，经斜向器90°弯曲后进入地层，高压射流破碎岩石并清洗井眼，最终形成径向水平井眼。由于扩孔工艺复杂，成功率不高，完井周期长，风险较大，成本过高，极大的限制了该技术的应用。

欠扩孔径向水平井技术(也称套管开窗侧钻径向水平井技术)是指不需要套管段铣和大直径扩孔等复杂的前期准备的径向水平井技术。其工艺原理为：首先下入并锚定转向器，再下入带有钻头的挠性轴进行套管开窗作业，然后再下入带有破岩钻头的高压软管进行径向钻孔作业。该技术从根本上克服了传统径向水平井技术成本高、风险大、钻井效率低的难题。但是在现场实验过程中发现，套管开窗过程占了径向钻孔作业一半以上的作业量，且成功率不高，井下工具事故率高；同时，单次作业只能完成一个径向孔眼，完井效率偏低，完井周期长，增加了作业成本，限制了该技术的推广应用。

鉴于此，本发明人根据多年从事径向钻孔技术研究的经验，以高效开采非常规油气藏为目的，提出了一种同步多分支径向水平井完井方法，并设计了相应工具，可实现一次下钻完成多个径向孔眼的工艺技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的高效经济安全的径向水平井完井工艺方法，尤其是一种可以克服现有技术存在的缺陷，实现油气资源的高效开采。

为此，本发明提出了一种新型的高效经济安全的同步多分支径向水平井完井方法及工具。其特征是：

本发明适用于裸眼完井或者使用预留孔眼套管完井的油气井，连续油管通过转换接头连接多股高压软管，在带有对接装置的高压软管夹持器与多轨道转向器的联合作用下，实现在预定位置一次下钻完成多个径向孔眼。其中，预留孔眼的套管是指在套管上按照设计要求预留几个较大孔眼，在套管内侧对应位置存在一个通过销钉固定的内通径滑套，在固井时滑套处于预留孔眼位置不会影响固井作业，但需要注意预留孔眼的方位与设计方位一致，在径向钻孔作业时，使用油管下入水力锚，准确坐封到预留孔眼位置的内滑套上，然后通过油管加载的方式剪断销钉，打开套管内滑套，环空加压，解封水力锚，然后上提水力锚依次打开各层位预留的套管孔眼，相当于一趟管柱完成传统工艺的全部套管开窗作业，避免了传统工艺的套管锻铣或套管开窗过程，极大精简了径向水平井工艺过程，大幅度缩短完井周期，实现高效经济安全完井。带有对接装置的高压软管加持器为两端面为锥面的圆柱体，在离开中心一定距离的圆上分布着多个直径略比高压软管接头直径大的孔眼，高压软管可顺利通过；在其前端面的锥面一部分是由与高压软管通道对应的高压软管压片组成，高压软管压片的内侧为与高压软管通道同心但直径介于高压软管外径与高压软管接头直径之间的圆弧结构，可实现高压软管的加持与拉直作用；在前端面的锥面末端伸出一个具有一定长度方形结构体，方形结构体的末端为一个梯形结构，便于对接转向，该结构与多轨道转向器上的对接装置配合使用可实现多股高压软管与转向器的多轨道分别对接，实现一趟管柱钻出若干径向孔眼的目的。多轨道转向器是指按照完井设计要求设计有多个从垂直转向水平或近水平通道的转向器，在其顶端有一个斜面可以使得高压软管加持器的对接装置进入转向器内部；斜面之后是一个与高压软管夹持器等直径的圆柱段，其深度比高压软管夹持器锥面与对接装置的总长度大的多，能够使得高压软管夹持器的对接装置与转向器内部的对接装置能够居中对齐；圆柱段之后是与高压软管夹持器同锥度的内锥面，实现高压软管夹持器与转向器的紧密对接；锥面末端转向器中心存在一个顶端为圆形逐渐圆滑过渡为底部方形的结构，且底部方形结构向下延伸相应的距离，在高压软管夹持器的方形对接机构进入对接装置后，在重力与曲面的作用下完成小角度转向，最后高压软管夹持器的方形对接装置完全进入转向器的对接装置，使得高压软管加持器的锥面与转向器内部锥面重合，同时，保证了高压软管夹持器的多个孔眼与相应转向器的轨道同心，使得高压软管能够顺利的进入彼此的轨道，完成对接动作，然后即可进行正常的径向钻孔作业，通过这种作业方式，下入一趟管柱可实现若干径向孔眼的钻进，进一步简化了径向水平井工艺过程与进一步提高了钻完井效率。

本发明专利的新型径向水平井完井工艺的优势，主要体现在：

1)避免了传统径向水平井完井工艺中复杂的套管锻铣或者套管开窗作业，简化了工艺过程，降低了井下事故率；

2)一趟管柱即可打开所有的套管内滑套，且工艺过程较为简单，现有工具即可实现，能够确保足够的成功率，极大提高了径向水平井完井效率；

3)一趟下钻即可完成多个径向孔眼的钻进，进一步简化了径向水平井完井工艺，进一步提高了钻完井的效率；

4)综合以上几条优点，本发明专利极大简化径向水平井完井工艺过程，缩短完井周期，可靠性、高效性、经济性好。

附图说明

以下附图对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1a为本发明专利的预留孔眼套管的俯视及A-A剖面视图；

图1b为本发明专利的预留孔眼套管的三维示意图；

图2a为本发明专利的内滑套俯视及左视图；

图2b为本发明专利的内滑套三维示意图；

图3a为本发明专利的预留孔眼套管与内滑套装配体俯视及A-A剖面视图；

图3b为本发明专利的预留孔眼套管与内滑套装配体三维示意图；

图4a为本发明专利的高压软管加持器的俯视及半剖左视图；

图4b为本发明专利的高压软管加持器的三维示意图；

图5为本发明专利的高压软管压片俯视、右视及三维示意图；

图6a为本发明专利的多轨道转向器俯视图与A-A、B-B剖面半剖视图及C-C剖面视图；

图6b为本发明专利的多轨道转向器的三维示意图；

图7a为本发明专利的高压软管加持器加持高压软管与多轨道转向器配合俯视图与A-A剖面半剖图；

图7b为本发明专利的高压软管加持器加持高压软管与多轨道转向器配合B-B剖面视图；

图7c为本发明专利的高压软管加持器加持高压软管与多轨道转向器配合三维示意图；

附图符号说明：

1.预留孔眼套管，1a.普通套管，2.套管内滑套，3.O型圈，4.销钉，5.高压软管夹持器，6.高压软管压片，7.多轨道转向器，8.高压软管，9.多孔喷嘴。

具体实施方式

本发明提出了一种新型的经济高效开发油气资源的径向水平井完井工艺，为现有石油天然气，特别是非常规油气藏开采提供了一种有效的技术手段，克服了常规径向水平井工艺复杂，作业效率偏低，成功率不高等缺点，对于非常规油气藏的产业化开采具有重要意义。现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1a与图1b为本发明专利的预留孔眼套管的结构与三维示意图。图中，预留孔眼部分11外径比套管外径略大，两端面存在倒角，实现连续过渡；销钉孔12均布在套管预留孔眼部分11上，用于固定套管内滑套；内滑套滑道部分13直径比套管1内径略大，比套管1外径小，可为内滑套2提供滑动通道，在其末端存在螺纹，便于内滑套2的安装以及与下部普通套管1a连接；预留孔眼14在固井作业时处于封闭状态，在径向钻孔作业时，首先下入水力锚打开预留孔眼14，为径向钻孔作业做好准备。

图2a与图2b为本发明专利的内滑套的结构与三维示意图。图中，O型圈槽21分布在内滑套2的两端，起到密封的作用；销钉槽22分布在内滑套2的末端，与预留孔眼套管1的销钉孔12配合作用实现内滑套2的固定；在需要打开内滑套2时，通过连续油管下入水力锚坐封到内滑套2内侧，连续油管继续加载，当载荷超过销钉4的抗剪强度时，即可打开内滑套2。

图3a与图3b为本发明专利的预留孔眼套管与内滑套装配体示意图。图中，预留孔眼套管1与内滑套2通过销钉4相配合，通过O型圈3实现密封，在预留孔眼套管1的末端为通过螺纹连接的普通套管1a，同时实现内滑套2下行限位作用。在径向钻孔作业之前，通过连续油管下入水力锚，准确坐封到内滑套2上，连续油管加载，当载荷超过销钉4的抗剪强度时，销钉4被剪断，内滑套2打开，下行到普通套管1a处时，水力锚解封上提依次打开上部全部内滑套2，从而实现一趟管柱作业，完成所有传统工艺中的套管开窗作业，极大简化了径向水平井工艺过程，极大提高了径向井钻完井效率，缩短作业周期，节约作业成本。

图4a与图4b为本发明专利的高压软管加持器的结构与三维示意图。图中，软管夹持器5主体为分布着多个孔眼的圆柱体；其两端为锥面51，可保证高压软管顺利下入，同时末端的锥面51可与多轨道转向器7对应锥面配合，实现多孔高压软管8顺利进入相应轨道；在其中心周围均布着若干孔眼52，其直径比高压软管8的接头部分81的直径略大，且与多轨道转向器7的多轨道同心，可保证高压软管8顺利通过，并进入相应轨道；末端平面55与高压软管压片6配合，通过销钉孔53连接，实现高压软管8的加持与伸直，便于下入与对接；末端转向对接装置54为伸出的长方体，顶端为了便于对接设计成梯形形状。

图5为本发明专利的高压软管压片的结构与三维示意图。图中，压片6内孔61直径比高压软管8外径略大，而比高压软管接头81小，且与软管夹持器孔眼52同心，端面62与软管夹持器末端平面55配合，通过销钉孔63实现与软管夹持器5的配合，可实现高压软管8的加持，其锥面64锥度与高压软管夹持器锥面51一致，保证高压软管夹持器5能够顺利进入多轨道转向器7。

图6a与图6b为本发明专利的多轨道转向器的结构与三维示意图。图中，在多轨道转向器7上分布着多个轨道71，多轨道71为转向器7的主要功能单元，可实现将高压软管8从垂直转向到水平或近水平，从而实现径向钻孔作业；在多轨道上部均为为实现对接而设计的辅助机构，其中转向器斜面75能够将不居中的高压软管夹持器5导入转向器圆柱段74；该圆柱段74内径与高压软管夹持器5外径相当，其长度大于软管夹持器末端锥面51与末端转向对接装置54的总长度，可以保证软管夹持器末端转向对接装置54能够顺利进入多轨道转向器对接装置72中；多轨道转向器对接装置72由下部长方体721与上部导向机构722组成，上部导向机构722为顶端为圆形圆滑过渡到底部方形的机构，软管夹持器末端转向对接装置54进入到其中时，在重力与曲面导向作用下可实现小角度转向，使软管夹持器末端转向对接装置54进入多轨道转向器对接装置下部长方体721中，从而达到设计目的，使得各高压软管8与对应的轨道71对齐，下部长方体721是与软管夹持器末端转向对接装置54形状尺寸一致的长方体结构，能够起到矫直作用，进一步保证各对齐孔眼的同心度；高压软管夹持器5继续下行直到夹持器锥面51与多轨道转向器内锥面73重合，全部的对接转向动作完成。

图7a、图7b与图7c为本发明专利的高压软管加持器加持高压软管与多轨道转向器配合示意图。图中，带有多孔喷嘴9的多股高压软管8穿过高压软管加持器5，在高压软管压片6以及高压软管接头81的共同作用下加持在一起，高压软管加持器5的重力作用使高压软管8处于伸直状态，并按设计形状分布；当送入高压软管8至多轨道转向器7上端时，在高压软管夹持器5与多轨道转向器7联合作用下实现转向、对接等动作，各高压软管8顺利进入各个轨道71；进入轨道的高压软管8在轨道71的导向作用下完成由垂直到水平或近水平的转向动作，继续进行径向钻孔作业，从而实现一趟管柱即可完成一个层位多径向孔眼作业，进一步简化径向水平井工艺过程，其效率是常规径向水平井工艺无法比拟的，且经径向钻孔作业后的油气井产量会大幅度提高，单井控制储量大幅增加，储层压力分布得到改善，因此，本发明专利是油气井钻完井工艺的重要进步，特别是对非常规油气资源的发开具有一定的推动作用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.同步多分支径向水平井完井方法及工具，是指通过转向器在套管内实现由垂直到水平或近水平的转向，钻出多个具有一定长度、尺寸的规则径向孔眼的技术，其特征是：作业油气井使用预留孔眼套管固井，在作业时下入水力锚，一趟管柱打开全部的预留孔眼；高压软管夹持器与多轨道转向器配合使用，可实现多股高压软管与转向器多轨道的顺利对接，保证每股高压软管分别进入各自的转向轨道，从而实现一次下钻完成多个径向孔眼的钻进。

2.根据权利要求1所述的同步多分支径向水平井完井方法及工具，其特征是：作业油气井使用预留孔眼套管固井，预留孔眼套管上均布着多个预留孔眼，固井作业时，预留孔眼由套管内滑套密封处于关闭状态，不影响正常固井作业；径向钻孔作业时，由连续油管下入水力锚坐封到内滑套上，连续油管加载，剪断固定内滑套的销钉，打开预留孔眼，依次上提管柱，重复作业即可打开全部预留孔眼。

3.根据权利要求1所述的同步多分支径向水平井完井方法及工具，其特征是：高压软管加持器为两端锥面且在中心周围均布着多个孔眼的圆柱体；末端锥面每个孔眼部分外侧部分切除，可使用设计高压软管压片实现高压软管的加持；在夹持器的末端伸出一个顶端梯形的长方体，可实现转向与对接，使夹持器孔眼与多轨道转向器的轨道对齐。

4.根据权利要求1所述的同步多分支径向水平井完井方法及工具，其特征是：多轨道转向器上端存在导斜面、圆柱段、内锥面等机构，能够保证高压软管加持器末端转向对接装置顺利进入多轨道转向器的对接装置。

5.根据权利要求1所述的同步多分支径向水平井完井方法及工具，其特征是：多轨道转向器内部中心对接装置由上部导向机构与下部长方体两部分组成，上部导向机构顶端为圆形圆滑过渡到底部方形，可实现软管夹持器的小角度转向，使其各孔眼与各轨道孔眼对齐；下部长方体部分主要作用是进一步保证各对齐孔眼的同心度。

6.根据权利要求1所述的同步多分支径向水平井完井方法及工具，其特征是：多轨道转向器在周向均匀分布着多个可实现由垂直到水平或近水平转向的多个轨道，多股高压软管在夹持器与转向器的共同作用下顺利各自轨道，从而可以实现一趟管柱钻出多个径向孔眼的目的。