0 引言

国内外多家油田单位及公司长期从事水射流钻径向孔技术的研究与开发^[1-10]。美国Petrolphysics公司于20世纪70年代成功研制的径向水平钻井系统是早期水射流径向钻孔技术的代表。加拿大PetroJet公司、中国石油大学(华东)、中石油江汉机械研究所有限公司和辽河油田也进行了类似水射流径向钻孔系统的开发，有些产品也已得到应用。但水射流径向钻孔技术存在的最大问题是必须进行套管锻铣和扩眼，影响了水射流径向钻孔技术的作业效率。为此，美国Well Enhancement Serbices(WES)公司、Radial Drilling Service(RDS)公司和Blast公司等进行了新型径向钻孔技术研究。新型径向钻孔技术使用了新型导向器，无需再进行套管锻铣和扩眼这2个费时的工序，而是采用设备、工具直接在套管和水泥环上钻孔，然后进行水平段井眼钻进，这使得新型水射流径向钻孔技术的作业效率得到大幅提高。但该新型径向钻孔技术也存在以下问题：喷管在地层的送进速度通过地面设备控制，速度过高(大于0.5 m/min)，波动大，受井筒因素影响，力传递情况复杂，地面难以实现井下钻进速度准确平稳控制，需要研究井下钻进速度控制技术。

中石油江汉机械研究所有限公司多年来一直跟踪研究水射流钻径向孔技术^[1-7]，并研制出2种具有自主知识产权的工具及工艺，这2种工具及工艺在现场应用过程中表现出了各自的特点，下面对其进行论述。

1 水力深穿透工具 1.1 工作原理

水力深穿透工具工作时，地面高压泵车提供高压工作液，利用一个四通换向阀控制一冲孔机构，驱动冲头剪切冲压套管，实现套管冲孔开窗；利用一个三通换向阀控制一个喷射送进系统，推动一根长2 m、前端安装喷嘴的软管，实现喷射钻进地层；喷射钻进结束后，下调系统压力，三通换向阀复位，控制喷射送进系统回收，将喷管回拉进工具腔内；继续下调系统压力，四通换向阀复位，控制冲孔机构回收，将冲头回拉进工具腔内。该喷射送进系统具有0.06~0.09 m/min的低速送进能力，能保证喷射软管在地层中平稳持续钻进。工具的工作原理、外形及工作管柱示意图如图 1所示。

1.2 施工工艺

该工具施工工艺分4步：①将工具连接到普通油管上，使用修井机或通井机将工具下放到待作业井筒内；②利用地面高压泵车，将系统压力升至30 MPa，冲头伸出，实施套管冲孔开窗，再将系统压力升至50~60 MPa，喷管伸出，实施地层喷射钻进；③地层喷射钻进结束后，将系统压力降至40 MPa，喷管回收，再将系统压力降至20 MPa，冲头回收；④系统压力降低为0 MPa，上提工具至下一射孔点，重复步骤②、③完成全部射孔点施工，最后利用油管起出工具，施工结束。

1.3 优点和不足

优点：①功能模块集成度高，将套管开窗和喷射钻进2大功能集成在1套完整的工具之内；②作业工艺简单，可用常规油管将工具下放到待作业ø139.7 mm(5½ in)或ø177.8 mm(7 in)套管井筒内，只需起下1趟钻；③施工操作方便，作业过程中只需要控制1台高压泵车，给井下工具输送高压钻孔液，根据套管开窗和喷射钻进2个环节，调整对应的系统压力即可。

不足：①由于工具集成度高，多个部件被设计在一起，所以工具外形尺寸大，约108 mm×8.3 m，最大直径为118 mm，对于常规ø139.7 mm(5½ in)套管井筒，工具的起下均容易遇阻；②喷管为柔性软管，钻进地层后，受挤压和磨损等多种因素影响，会产生弯折变形和外表破损等伤害，作业完毕后，变形损伤的喷管不易顺利回收进工具内部，导致后续的冲头也不能正常回收进工具内部，当起管柱上提工具时就会造成卡井；③受工具总长的设计限制，喷管在地层中钻进距离≤2 m，无法达到5~10 m的消除近井压降漏斗的距离^[2]，作业效果受到限制。

1.4 实施井例

该工具研制成功后，先后在江汉油田、辽河油田和长庆油田累计作业了30余口井，由于地质条件不同，作业后每口井的效果也各不相同，有10余口井收到增产、增注效果，增油达到(89~307)%，增液达到(143~869)%，增注最大达到267%^[3]。

2 水射流钻径向孔工具 2.1 结构及工作原理

水射流钻径向孔工具是一种长距离的水射流钻孔工具^[1]，配合ø38.1 mm(1½ in)或ø50.8 mm(2 in)连续管作业机，可用于ø139.7 mm或ø177.8 mm套管井筒径向孔作业，钻进距离达到5~35 m。该工具包含定位导向工具、套管钻孔工具和喷射钻进工具。

定位导向工具(见图 2)由下到上包含引鞋、下扶正器、导向器、上扶正器和可换向锚定器。导向器可提供径向转弯通道，便于套管钻孔工具和喷射钻进工具径向转弯，进行钻孔施工。可换向锚定器用于锚定悬挂导向器，并通过上提下放油管柱，对导向器进行相对方位换向，便于同一层位沿圆周方向作业2~3个孔。

套管钻孔工具(见图 3)由下到上包含钻头、万向节组件、钻压推加器、安全短节、螺杆马达和连接器。钻头为硬质合金刀片，用于套管侧钻开窗。万向节组件给钻头传递扭矩，并在导向器转弯通道中做径向转弯。钻压推加器给钻头施加钻压，便于侧钻切削。安全短节可防止万向节遇卡过载扭断，避免落鱼。螺杆马达给万向节组件提供扭矩，驱动钻头钻孔。连接器将工具与连续管连在一起。

喷射钻进工具主要有近井带钻进工具、步进式钻进工具和自牵引钻进工具等3种。近井带钻进工具为一个液压控制的低速送进机构，推动一根长2.0~2.5 m、前端安装多孔喷嘴的柔性喷管在地层中完成2.0~2.5 m距离的钻进，可有效穿透近井污染带^[2]；步进式钻进工具为一个液压控制的步进式低速送进机构，推动一根长5~10 m、前端安装旋流喷嘴的柔性喷管在地层中完成5~10 m距离的钻进，可有效穿透近井压降漏斗的距离^[2]；自牵引钻进工具的上端短节连接一根50 m的喷管，喷管前端安装自牵引喷嘴，利用连续管下放钻进，可完成30 m以上的钻进。

2.2 施工工艺

该工具施工工艺分5步：①利用ø73.0 mm(2 in)或ø88.9 mm(3½in)常规油管柱悬挂定位导向工具，下放到待作业地层深度，通过上提下放油管柱，将定位导向工具锚定在井筒内壁上；②利用连续管下放套管钻孔工具到定位导向工具内进行套管侧钻开窗；③起出钻孔工具串，利用连续管下放喷射钻进工具到定位导向工具内进行地层喷射钻进；④利用连续管起出喷射钻进工具，第1孔作业完毕；⑤上提油管柱，调整射孔点位置，重复步骤②、③、④，直至全部射孔点作业完毕。

2.3 优点和不足

优点：①利用连续管起下工具，具有起下管柱快、能带压作业等优点；②套管开窗和喷射钻进工具分开施工，可及时了解套管开窗情况，避免盲目进行喷射钻进；③根据地层岩心的可钻性差异，喷射钻进采取3种工具分别施工，可适时调整不同的破岩喷嘴及施工参数。

不足：①工序较多，每孔需起下连续管3~4趟，钻完1孔需要12 h以上；②长距离喷射钻进时，由于地层不均质性或水泥固井质量不好，喷管钻进地层后，会在有些地方形成较大空腔，而高压射流此时流经喷管，喷管在空腔中会剧烈震动，与空腔内壁摩擦破损而出现工作液泄漏，造成系统压力降低，大大影响前端喷嘴射流破岩能力，导致钻进遇阻；③钻远地层时，由于喷管长达50 m，内径小，沿程压力损失≥10 MPa，导致喷嘴前端的破岩水功率下降严重，影响破岩效率。

2.4 实施井例

该工具于2014年5—6月在江汉油田王4斜-8-6井进行了首次现场试验，完钻6孔，钻进距离4.0~5.3 m。2015年9月，在青海油田跃924井进行作业施工，完钻4孔，钻进距离4.0~5.7 m。

2016年8—10月和2017年5—6月，分2次在青海油田切12-22-9、跃3330等6口井进行现场试验，每口井完钻4~8孔，钻进距离7.5~35.8 m。部分井作业后效果如图 4所示。

效果分析：①王4斜-8-6井作业前日产液0.9~ 4.2 t，日产油0.2~1.0 t，作业后日产液6.1~15.2 t，日产油0.6~1.7 t。②跃924井为新开层，增产效果明显，日均产油2.85 t，约为常规射孔井的2倍，压裂井的60%；已稳产1.5 a，稳产期已超过常规射孔的3倍；至今含水质量分数仅25%，而压裂井含水质量分数上升快，1 a内上升约70%。③切12-22-9井作业前一个月日均产液2.70 t，产油2.39 t，作业后最高日产油8.24 t，迄今稳产8个月，平均增液92%、增油53.5%；④跃3330井措施成功，注水量提高3~7倍。

3 技术对比分析

2种工具技术对比如表 1所示。

4 结束语

介绍了2种典型的拥有自主知识产权的国产水射流钻径向孔工具，阐述了其工作原理、施工工艺、优点和不足，以及实施井例和作业后效果。根据已实施井例结果，国产水射流钻径向孔工具能够满足现场作业要求，对青海油田尕斯区块具有较好的适应性，作业后能够实现油井增产和水井增注。由于每口井地层条件各有差异，作业后增产效果也有所不同。国产水射流钻径向孔作业技术还处于试验阶段，该技术的作业效果与地层条件相关性很大，需要不断摸索选井条件和施工参数，积累生产经验数据，在后期逐步建立起标准化的选井模式和施工工艺，以便对该技术进行大规模的推广应用。