专利名称：大曲率辐射水平井钻井工艺及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及--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，但它们乂各具有不足之处。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，只有百分之十儿， 幵发工艺复杂，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，投入人，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/;法，都存在着高投入，低效率，因而形成r一方面大量资源在地下取不出来， -方面油气供求紧张的奇怪现象，在世界范闱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，縮短由垂直井转化为 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，不同压力层分采的力法， 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；(7)、填充砾石；(8)、脱开悬挂器循环洗井；(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、在储层中形成若千条辐射坑道油气流道，创造个良好的泄油条件，提岛
日产量，增加油气的最终采收率，预测-般储层可增加50%，对f稠油可提高倍 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，使井筒垂莨j-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-^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，蒸汽吞吐开发卜分有利。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fc斯气存在，并且对煤矿和采煤工人的危害极人， 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I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。
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/下意图； 图2是本发明开始钻辐射水平并(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，U、钻头接头；9i、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米土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l一O所示的扩孔钻头钻出套管鞋(扩大的井眼)6，将215亳米的垂直井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 和阁4所示)、无螺纹定向钻具8 (如图5所不)。其中"柔性复式定向螺杆钻具2" 和"水力弯接头3"为现有专禾l」(专利号分别为ZL200310100352.6和ZL012關4.5)。 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l自动朝着需要的 方位倾斜。此时，开泵加压即可钻进。如图2所小。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l一9 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，匕节外壳51与下节外壳56通过轴销54相S:铰 接，两者之间留有间隙以便可以转动 -定角度，在各节内均设有一中心管53，每-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Lj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，后者延伸至卜接头84外侧的对应凹槽内；在上接头81的卜' 部'刁下接头84之间设有密封86。把l:接头81装好密封86后插入F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剖面的匕台阶向h被B-B
剖面的下台阶限制，上接头81不能向t: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 -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F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％、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内得卜部装有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5、: 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U，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/,:右时，装入 测斜电缆49共若千根，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-根钻杆中心都设有该测斜电缆49，每 -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，这是有关研究争位摸拟试验的结论，f'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5()%的最终采收率是有把握的， 还可以把现在己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—占:同。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、 大然盐碱矿储量丰富，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。
权利要求
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，按常规方法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；(7)、填充砾石进行反循环砾石填充；(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)、钻出其它辐射井向井内再次下入造斜工具，选定新的方向，按照上述步骤(1)～(10)钻出另一辐射井筒；如此重复完成若干条辐射井筒。
2、 根据权利要求1所述的大曲率辐射水平井钻井工艺，其特征在f:在所述 的两井间的水平井之间形成U型连通井或近似U型连通井。
3、 - 种实现权利要求1或2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、定向延伸管和无螺纹定向钻具。
4、 根据权利要求3所述的装置，其特征在F:在所述的无螺纹定向钻具的另 -端连接一反循环钻柱。
5、 根据权利要求3所述的装置，其特征在f: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， i: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i:E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-个导线接头44悬挂在接头40内的台阶上，相f!: 插入连接，以实现钻井过程中连续控制井斜变化。
6、 根据权利要求3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， h:节外壳51 、 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 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。
7、 根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的专用筛管包括依次顺序 连接的引鞋、筛管串、筛管悬挂器、悬挂甩脱器和无螺纹定向钻具。
8、 根据权利要求7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；在反正扣接头上外恻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，在芯轴内得下部装有球和球座，在接箍下连接筛管。
9、 根据权利要求3或7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、 F接头84和花键85，下接头的上端的内侧与.h 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。
全文摘要
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。
文档编号E21B7/04GK101210481SQ20061017036
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者杜晓瑞 申请人:杜晓瑞