周卫东，师 伟，李罗鹏

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266555） ①

·专题研究·

径向水平钻孔技术研究进展

周卫东，师 伟，李罗鹏

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266555）①

径向水平钻孔技术在提高原油采收率和煤层气单井产量方面具有潜在的经济效益。综述国内外径向水平钻孔技术的发展现状及最新进展，分析开窗径向水平钻孔工具的特点和原理，包括不扩孔转向系统及微型、高效水力破岩钻头。指出径向水平钻孔技术的发展趋势，为国内的径向水平钻孔装备技术的改进和发展提供参考。

水平井；径向；套管开窗；转向器；发展趋势

随着我国东部油气田开发进入中后期，老井、枯竭井的数量不断增加，新探明储量严重不足，未动用储量大多数属于低渗透、稠油、薄油层以及裂缝性油气藏。老油田的开发还面临着注水压力高、边缘井采收率低等难题。径向水平钻孔技术已在开采复杂油气藏中显示了诸多优势，逐步成为老油田挖潜、稳产的有效手段，同时也为煤层气单井产量的增加提供发展方向［1－2］。

径向水平钻孔技术的发展主要经历2个阶段，即，传统的径向水平钻孔技术［3］和开窗径向水平钻孔技术。由于传统径向水平钻孔技术的施工过程比较复杂、成本较高，其应用范围受到很大限制；开窗径向水平钻孔技术不需要套管锻铣和大直径扩孔等复杂的前期准备，从根本上克服了传统径向水平钻孔技术成本高、钻井效率低的难题。因此，开窗径向水平钻孔技术在石油天然气和煤层气资源的开发方面具有更加广阔的应用前景。

1 传统径向水平钻孔技术

美国Bechtel投资公司和Petrophysics公司最早研制出径向水平钻孔技术，并于20世纪80年代中期投入工业试验［4－8］。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转向器沿预定的方位支起，柔性钻管在液压作用下，经转向器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。

1.1 主要工具及设备

径向水平钻孔技术的核心是井下钻井工具，主要包括转向器、水力破岩钻头和柔性钻管，其中转向器是整个技术的关键。

1.1.1 转向器

国外最早出现的I型转向器如图1a所示，由2节转筒组成，在下部液缸的驱动下形成简单的单向弯曲滑道。主要优点为结构简单、柔性钻管通过转向器的阻力较小。但是，该转向器要求的扩孔直径高达∅1 220mm，因此，最初的径向水平钻孔的成本非常高，限制其推广应用。随后，Bechtel和Petrophysics公司在I型转向器的基础上又研发出Ⅲ型转向器，如图1b所示［9］。与Ⅰ型转向器不同的是其滑道前后双向弯曲，扩孔直径减小1／2，降低了钻孔作业前的施工难度。在Ⅲ型转向器的执行机构和转向机构之间的锚定器的作用下，通过提升侧板来实现转向器的转向和回收。因此，可以在井口直观地判断井下转向器的状态［10］。

20世纪90年代初，我国开始研发以Ⅲ型转向器为原型的转向器，典型的是液力式转向器［11－12］，如图2所示。它是依靠液压驱动实现井下转向。因此，将锚定器和转向器分开，并且增加了柔性钻管的有效行程。

为了进一步降低扩孔的难度，在2003年，石永军［13］等人设计出一种新型的欠扩孔转向器系统，该系统可以免去扩孔的复杂过程，或只需要使用常规的扩孔工具即可完成扩孔作业，提高了钻孔效率。对于∅177.8mm（7英寸）的套管井，只需扩径至∅320mm时转向器就可以顺利转向。

图1 国外的转向器结构

1.1.2 水力破岩钻头

水力破岩钻头是形成径向水平井眼的关键，常规的水力钻头主要有多喷嘴组合钻头和单喷嘴导叶轮旋转射流钻头2种［14］，如图3～4所示。其中，多喷嘴组合钻头在球面的中心和离开中心一定距离的圆环上分布有多个喷嘴，并以适当的角度布置，可以引导射流冲击大面积的岩石。主要缺点是：对泵的排量要求高，破岩效率比较低。单喷嘴导叶轮旋转射流钻头是在锥形喷嘴内置1个导向元件，形成高速旋转射流。主要是依靠旋转射流的纵向冲击、横向剪切以及磨削的综合作用来破碎岩石，因此，相对于直射流的冲击破碎岩石方式，需要的排量较低，同时旋转射流具有较大的扩散角，增大了孔眼直径，极大提高了破岩效率。

图4 旋转射流钻头示意

2 套管开窗径向水平钻孔技术

在套管锻铣和大直径扩孔的基础上，逐渐出现了套管开窗径向水平钻孔技术。根据开窗所需的能量可以分为2大类，即，水力套管开窗和机械式套管开窗。其中，水力套管开窗主要采用磨料射流切割套管和旋转磨料射流钻孔2种方式；机械式套管开窗主要采用合金钻头在套管壁上旋转钻孔。该工艺技术彻底摒弃了套管的锻铣和大直径的扩孔，钻孔效率得到大幅提高。

2.1 磨料射流切割套管开窗

为了避免传统径向水平钻孔技术的复杂工艺，张凤民等人［15－17］于2001年研发了一种单侧水力切割套管开窗技术。该技术是利用磨料射流对套管进行切割，形成1个单侧槽孔；接着下入转向器引导柔性钻管进行水平钻进，基本原理如图5所示。该技术的主要不足是不能满足双向弯曲转向器的工作需要，并且1次开窗只能完成1个径向水平井眼的钻进。

图2 液力式转向器结构

图3 多喷嘴组合钻头示意

图5 水力开窗径向水平井技术原理

2.2 机械式套管开窗

在美国，RDS、WES、Triton American Energy、Buckman Jet Drilling等公司研发出了机械式套管开窗径向水平钻孔技术，如图6所示。其基本原理为：利用井下马达驱动合金钻头在套管处开小窗，起出开窗管柱及井下工具，然后下入带有射流钻头的高压软管或连续油管进行喷射钻进，水平段长度可达91～106m（300～350ft）。其最主要的优势为不需要锻铣和大直径的扩孔作业，周期短，平均每施工1口井钻4～6个孔仅需3d，钻井成本降低约2／3。国内天津波特耐尔石油工程有限公司［18－19］前不久利用该技术在东北地区完成了8个分支的煤层径向水力喷射钻井施工，每个分支均可达150～200m。

但是，由于井下空间有限，钻孔开窗过程对小螺杆马达的扭矩要求很高。目前，国内的研究人员利用旋转射流切削性能高和钻孔面积大的特点，用旋转射流喷嘴代替合金钻头对套管进行开窗，完全利用水力能量在套管壁上进行钻孔，但该技术目前只是处于试验阶段。

图6 机械式开窗径向水平井技术原理

3 新型径向水平钻孔工具

为了节省径向钻孔作业时间，提高工作效率，Buset P和Riiber M等人［20］研发了1套新型开小窗径向水平钻孔工具，如图7a所示。其主要优势为：在1次起下工具设备过程中，可同时进行套管开窗和径向钻进作业，而且能够完钻多个水平井眼，水平段长度约50m，孔径为∅25.4～∅50.8mm（1～2英寸）。其中，套管开窗工具是由电动马达和液压活塞驱动的合金钻头；在电动马达的传动作用下，直径为∅9.5mm（英寸）的软管可以在射流滚筒上进行均匀缠绕。

加拿大的Penetrators公司也研发出类似的水平钻孔工具，其工作原理如图7b所示。该工具主要由径向钻进部分和磨铣钻孔部分组成，工具的控制中枢是双作用液压缸，可以控制磨铣工具的外伸及复位、径向喷射钻头的定位及移动。磨铣钻孔装置用于完成对套管的铣孔作业，其动力由独立设计的液压马达提供。

图7 新型开小窗径向水平钻孔工具

该工具的工作原理：利用常规的油管或连续油管下入油井的套管内，控制部件可使扶正装置将磨铣总成推至套管的预定位置。磨铣钻头伸出与套管内壁接触，并在液压马达的驱动下旋转。磨铣穿透油井套管后，液力控制部件使磨铣钻头收回，并牵引拖架向下运动，使钻头对准套管上刚磨铣出的孔。在液压的作用下，柔性钻管径向延伸形成水平井眼［21］。

3.1 主要工具与设备

3.1.1 转向器

在单侧水力切割套管开窗的径向水平钻孔技术中，配套的转向器是单向弯曲液力式转向器。该种类型的转向器具有和I型转向器相似的结构特点，如图8所示。但该类转向器的半径比I型转向器小，并且驱动液缸位于转筒的上部，通过特别设计的拉杆来完成转向和收直动作；同时，在密封的下端特别设计了钻管回拉矫形装置，既避免回拉时遇阻，又延长了密封的寿命。试验表明这种单弯液动式转向器具有结构简单、高压钻管通过阻力低的特点［22］。

图8 单侧水力切割套管开窗的转向器

在套管开小窗径向水平钻孔技术中，转向器的弯曲转向半径很小，其结构如图9所示。当高压钻管经过转向器时，将会发生较大的弹塑性变形，受到的滑道阻力也相应增加。因此，选择合适的高压钻管对能否顺利转向至关重要。目前，普遍采用∅12.7mm的高压胶管作为高压钻管，为射流钻头的破岩和向前延伸输送高压流体。

图9 开小窗径向水平钻孔技术转向器

3.1.2 水力破岩钻头

为了在小半径的转向器内顺利通过，钻头的体积必须微型化，但同时又要保证能够形成规则的井眼及较高的破岩效率。Buckman Jet Drilling公司所采用的水力破岩钻头结构如图10a，喷射试验如图10b所示。它前端的多喷嘴组合用来破碎钻头前方的岩石，后部的反向喷嘴不仅可以为钻具的向前运动提供动力，而且还可以进一步地扩孔和粉碎岩屑，提高钻头成孔质量和井眼清洁程度［23］。

图10 射流钻头结构及喷射试验

4 结论

1） 在国外，套管开窗径向水平钻孔技术的发展已经趋于成熟，为提高原油采收率及煤层气单井产量发挥着重要的作用。

2） 国内在开窗径向水平钻孔技术方面的研究尚处于初级阶段。主要是工具性能存在较大的差距，工艺原理比较单一，仍需要不断的创新和改进。因此，国内的开窗径向水平钻孔技术需要从套管内转向设备、高效水力破岩钻头以及配套的高压钻管等方面进行较深入的研究。

3） 相对于传统的提高油气井和煤层气产量的技术手段，径向水平钻孔技术具有无可比拟的成本优势和技术优势。不仅可以在保护油气层的同时对近井地带进行解堵，而且还能有效解决剩余油气及煤层气资源开发难题，具有广阔的应用前景。

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Advances of Techniques of Radial Horizontal Drilling for Boring Hole

ZHOU Wei－dong，SHI Wei，LI Luo－peng
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266555，China）

Techniques of radial horizontal drilling for boring hole have potential economical benefits in EOR and production of the CBM well.The paper summarizes the current situations and advancements of radial horizontal drilling for bore hole，analyzes mainly traits and principles of key instruments in windowing radial horizontal technology，including principles and strengths of nonreaming whip－stock，mini－size and effective hydraulic bit，and demonstrates the trend of development.It will supply methods and approaches for improving and perfecting the instruments of radial horizontal drilling for boring hole in domestic.

horizontal well；radial；casing window；steering device；trend of development

1001－3482（2012）04－0001－06

TE934.2

A

2011－10－10

国家科技重大专项“煤层气深穿透射流技术、钻井液技术及开发技术集成评价研究”（2011ZX05060－001）

周卫东（1968－），男，江苏靖江人，博士后，副教授，从事钻井、采油、海洋工程以及煤层气开采方面的科研和教学工作，E－mail：zhouwd1591＠163.com。