本研究是微型渦輪鉆井技術(shù)在黏土層中應(yīng)用的首例有記錄現(xiàn)場試驗，試驗井為德國馬爾地區(qū)一口套管尺寸5.5英寸（13.97厘米）的已下套管井筒。本次作業(yè)的委托方為一家運營商，其業(yè)務(wù)范圍包括對大魯爾區(qū)上覆地層含水層的監(jiān)測工作。開展本次作業(yè)的核心目的，是為后續(xù)水力試驗提供基礎(chǔ)條件，以測定埃姆舍組地層的垂向滲透率——目前該地層的垂向滲透率尚無精準數(shù)據(jù)支撐。
微型渦輪鉆井技術(shù)是一種創(chuàng)新鉆井工藝，可從已有井筒向周圍巖層鉆進微型分支井眼。這類長度為數(shù)米的微型分支井眼，能夠搭建起巖層與主井筒之間的連通通道。本項目選取一口深度達1161英尺（354米）的井筒，分別在951英尺（290米）和1083英尺（330米）這兩個指定深度位置施工，共鉆進6口微型分支井眼，各井眼之間呈均勻的60°夾角分布。該新型鉆井工藝的核心創(chuàng)新點之一，在于可在單一作業(yè)工序內(nèi)同步完成鋼套管鉆進與地層鉆進作業(yè)。
介紹
德國魯爾區(qū)仍面臨著近兩個世紀煤炭開采帶來的長期環(huán)境影響。這些被稱為“長期性任務(wù)”的工作，包括防止礦井水不受控制地上升，以及避免其與淺層含水層混合——該淺層含水層為該地區(qū)約500萬居民提供飲用水。
礦井水中富含鹽分、金屬及其他污染物，持續(xù)在廢棄地下采空區(qū)積聚，必須通過人工抽水排至地表，以防止采空區(qū)積水倒灌并保護地下水水質(zhì)。魯爾區(qū)每年抽排的礦井水量約達7000萬立方米，這使其成為一項規(guī)模龐大且需長期應(yīng)對的挑戰(zhàn)。
實現(xiàn)礦井水可控管理的關(guān)鍵因素之一，是上覆地層的密封能力。其中，厚度較大的黏土層——埃姆舍組地層，是分隔礦井水與淺層飲用水含水層的主要水力屏障。盡管早期試驗已證實該地層滲透率較低，但關(guān)于其垂向滲透率的完整數(shù)據(jù)仍較為匱乏。而這一參數(shù)對于“在不影響地下水保護的前提下，礦井水位可提升至何種程度”的決策制定至關(guān)重要。
為獲取更多關(guān)于垂向滲透率的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究團隊于2019年在德國馬爾市附近鉆成一口深井，井深達1165英尺（355米）（見圖1）。原本計劃通過封隔器測試測定埃姆舍組地層上部的垂向滲透率。
基于這一測試目的，該井筒預(yù)先在兩段井段安裝了濾水管：一段位于591英尺（180 米）至869英尺（265米）井段，另一段位于1132英尺（345米）至1148英尺（350 米）井段。測試計劃為：在兩段濾水管之間下入單只封隔器，隨后對封隔器下方井段進行注水作業(yè)，以此建立水力梯度。通過監(jiān)測封隔器上方水位，并持續(xù)觀測封隔器下方的壓力上升過程，即可據(jù)此推斷埃姆舍組上段地層的垂向透水性能。
圖1 德國馬爾市 2 號井鉆井設(shè)計與完井方案。圖中藍色條紋矩形代表濾水管井段，紅色線條為微型側(cè)鉆分支井眼的布設(shè)位置（馮?克萊因佐根，2021）。
然而在套管固井施工期間，下部濾水管意外被水泥封固，井筒與地層的連通性完全喪失，該井段就此失去使用功能。為重新建立井筒與地層的連通通道，需在目標地層處鉆設(shè)新的連通孔道。
基于這一需求，研究人員計劃在埃姆舍組地層內(nèi)部的兩個指定深度，分別設(shè)置兩個獨立的測試層位。為此，項目選用了前文《微型渦輪鉆井技術(shù)》章節(jié)所述的新型微型渦輪鉆井技術(shù)。
從理論層面而言，油氣行業(yè)現(xiàn)有的多項鉆井及完井成熟技術(shù)，均具備重建井筒-地層連通性、支撐水力測試開展的能力。但綜合考量技術(shù)獨特優(yōu)勢、成本效益與設(shè)備可獲得性后，最終選定微型渦輪鉆井技術(shù)。下文將對部分曾納入考量范圍的替代技術(shù)方案，進行簡要說明。
正如貝爾曼等人、任璞及劉等人所述，套管射孔技術(shù)或許是實現(xiàn)儲層與井筒連通最常用的完井工藝。該技術(shù)在油氣鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用，是通過射孔槍在井筒鋼套管及水泥環(huán)上制造射孔通道，使儲層中的油氣能夠流入井筒。射孔作業(yè)通常借助配備聚能射孔彈的射孔槍完成，射孔彈引爆后產(chǎn)生的高速射流可穿透套管、水泥環(huán)及儲層巖石。射孔槍的射孔深度通常在6英寸至48英寸（15厘米至122厘米）之間，單次下井作業(yè)即可完成數(shù)百個射孔的施工。
套管段銑技術(shù)是一種從井筒內(nèi)切除某一段鋼套管的工藝。作業(yè)時，將專用段銑工具下入井內(nèi)，通過工具旋轉(zhuǎn)磨削，去除指定井段的套管。該技術(shù)常用于需要建立與地層連通通道的施工場景，例如油井棄置、側(cè)鉆作業(yè)，或是為開展測試、恢復(fù)產(chǎn)能而重建井筒 - 地層連通性的工程。套管段銑作業(yè)會切削套管本體，造成套管強度削弱，使其承受井下應(yīng)力的能力下降。該工藝還可能損壞套管外的水泥環(huán)，進而破壞層間封隔效果，甚至形成流體竄流通道。徑向噴射鉆井技術(shù)（RJD）是一種利用高壓流體射流在儲層中鉆出徑向分支井眼，以提高油氣產(chǎn)量的鉆井方法。由于射穿套管與鉆進儲層地層的作業(yè)要求不同，徑向噴射鉆井需分兩次下井作業(yè)完成。第一次下井時，下入段銑工具組合，對鋼套管實施機械切削開孔。這一步驟必不可少，原因在于高壓噴射工具本身無法穿透鋼制套管。套管開窗完成后，便形成了一條從套管內(nèi)部通往地層的通道。起出段銑工具組合后，進行第二次下井作業(yè)，下入高壓噴射工具。
該工具借助高壓流體射流切削出徑向分支井眼，延伸至儲層巖石內(nèi)部。徑向噴射鉆井技術(shù)通常適用于巖性相對較軟的地層，在花崗巖等堅硬巖層中則難以鉆進。據(jù)黃氏兄弟研究，該技術(shù)的適用溫度上限通常約為248華氏度（120攝氏度）。
魚骨狀鉆井技術(shù)是一項用于提高油氣采收率的創(chuàng)新性儲層改造工藝。利用該技術(shù)可在井筒周圍巖層中鉆出多條呈魚骨形態(tài)分布的微型分支井眼，這些分支井眼穿透儲層后，能夠增大井筒與地層的接觸面積，提升油氣滲流效率。該技術(shù)體系采用專用的“針狀”鉆具，通過噴射或鉆進方式形成分支井眼，無需開展水力壓裂作業(yè)，單次下井即可完成數(shù)百條分支井眼的施工。
射孔鉆井一體化技術(shù)（Perfbore）是一種將套管射孔與儲層鉆進工序合二為一的新型鉆井改造技術(shù)。該技術(shù)的核心裝備為一套搭載于固定式管柱的超小型容積式馬達，配套小尺寸鉆頭。單井段一次施工即可鉆出4條長度達49英尺的徑向通道，無需使用炸藥或進行壓裂作業(yè)，即可實現(xiàn)儲層接觸面積與滲流效率的雙重提升。整套工具通過連續(xù)油管下入井內(nèi)作業(yè)。
微型渦輪鉆井技術(shù)
微型渦輪鉆井技術(shù)可從主井筒向周圍地層鉆進額外的分支井眼，即所謂的微型分支井眼（見圖2）。該技術(shù)的核心部件是一臺由加壓流體驅(qū)動的高轉(zhuǎn)速微型渦輪。
微型側(cè)鉆分支井眼的鉆進流程如下：首先借助工作管柱，將導(dǎo)向靴下入井筒并完成安裝；隨后將與軟管相連的渦輪裝置，通過工作管柱下入井內(nèi)，直至抵達導(dǎo)向靴位置。導(dǎo)向靴會使渦輪裝置偏離主井筒軸線，之后通過軟管向渦輪施加壓力，啟動鉆井作業(yè)。隨著鉆進作業(yè)的推進，軟管需持續(xù)向井內(nèi)輸送，保障鉆井過程不間斷。
圖2 微型渦輪鉆井系統(tǒng)井下設(shè)備示意圖
該微型渦輪的工作原理為沖擊式渦輪原理。渦輪總長5厘米，外徑0.036米。圖3a展示了該渦輪的剖面圖，相關(guān)圖示內(nèi)容已刊載于專利申請文件中（蓋斯勒，2021）。圖中箭頭標示出驅(qū)動流體（F）在渦輪殼體（2）內(nèi)的流動路徑。
該渦輪的主體結(jié)構(gòu)包含一個殼體（2），殼體內(nèi)安裝有一根驅(qū)動軸（6），驅(qū)動軸可繞縱向軸線（X）旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動流體（F）通過連接在渦輪尾部（8）的柔性軟管管路注入殼體（2）內(nèi)部。殼體（2）內(nèi)設(shè)有一條主供液管路（9），該管路分叉形成多條分支供液管路（10）。每條分支供液管路（10）均通過一個分流接口（41），進一步分為驅(qū)動管路（12）與回流管路（11）?；亓鞴苈罚?1）延伸至殼體（2）后側(cè)的回流口（18），從回流口流出的部分流體（
）會產(chǎn)生沿縱向軸線（X）方向的回推力（
），該推力的軸向載荷約為150牛。
主供液管路（9）通過一條連接管路（13）與軸承腔（16）相連，軸承腔（16）內(nèi)安裝有用于支撐驅(qū)動軸（6）的軸承（37）。驅(qū)動流體（F）的部分支流
可對軸承腔（16）實現(xiàn)沖洗與冷卻。驅(qū)動軸（6）內(nèi)部加工有中心通孔（25），該通孔貫穿渦輪葉輪（3），并在沖洗出口（40）處開口。渦輪葉輪（3）通過輪轂-軸連接結(jié)構(gòu)（24）與驅(qū)動軸（6）同軸固定。在渦輪葉輪（3）的前端，設(shè)有用于安裝鉆頭的連接接口（23）。從沖洗出口（40）流出的驅(qū)動流體支流（
），可對鉆頭工作面起到冷卻降溫與巖屑清理的作用。
圖3 該微型渦輪的專利申請文件（蓋斯勒，2021）中附有多種渦輪示意圖及剖面圖，清晰展示了該工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理。
圖3b為該渦輪其中一條驅(qū)動管路的剖面視圖。驅(qū)動流體（
）從主供液管路（9）流出，經(jīng)分支供液管路（10）與分流接口（41），流入多條沿殼體（2）圓周方向布設(shè)的多條驅(qū)動管路（12）。每條驅(qū)動管路（12）均延伸至殼體（2）前端的驅(qū)動噴嘴（19）處并終止。從驅(qū)動噴嘴（19）噴出的射流，直沖渦輪葉輪（3）上葉片（21）的葉面（22），進而產(chǎn)生扭矩，帶動渦輪葉輪（3）、驅(qū)動軸（6）及鉆頭以相同角速度旋轉(zhuǎn)。當射流沖擊葉片（21）時，流體速度方向會沿葉面（22）輪廓發(fā)生改變，并最終從工具側(cè)面排出。射流的沖擊能可對整個系統(tǒng)施加約10牛?米的扭矩。該工具的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可達50000轉(zhuǎn)/分鐘以上。殼體（2）的圓周上還設(shè)有若干導(dǎo)向肋條（20），用于確保渦輪在井筒內(nèi)的穩(wěn)定導(dǎo)向。渦輪葉輪（3）采用外露式設(shè)計安裝于殼體（2）之上，即葉輪未被側(cè)壁徑向封閉，驅(qū)動流體及其攜帶的巖屑可由此自由排出。
該渦輪配備有孕鑲金剛石鉆頭。前期試驗表明，鑒于渦輪高轉(zhuǎn)速下扭矩較低的特性，必須采用這類切削強度溫和的鉆頭，以防出現(xiàn)渦輪失速問題。
孕鑲金剛石鉆頭的切削體由硬質(zhì)合金胎體構(gòu)成，人造金剛石顆粒在燒結(jié)工序中嵌入胎體內(nèi)部。此類鉆頭尤為適用于高轉(zhuǎn)速鉆井作業(yè)，其破巖機理可描述為研磨破碎。鉆井過程中，鉆頭表面脫落的金剛石碎屑會嵌入待鉆地層巖體，實現(xiàn)微小巖屑的剝離。有數(shù)據(jù)顯示，采用該鉆頭鉆進花崗巖地層時，粒徑10微米的巖屑占比峰值可達0.08%。如圖2所示，該鉆頭設(shè)計為輕微凹面形態(tài)，以提升鉆進過程中的導(dǎo)向穩(wěn)定性。由于采用金剛石作為切削元件，該鉆頭可在單一作業(yè)工序內(nèi)同時完成鋼材銑削與巖層鉆進，無需在施工過程中更換鉆頭，同時還可鉆進花崗巖、石英巖等極堅硬地層。微型渦輪鉆井系統(tǒng)的所有部件均具備耐溫性能。
在馬爾市的作業(yè)開展之前，微型渦輪鉆井技術(shù)已在德國與瑞士的科研井中成功完成現(xiàn)場應(yīng)用。多個科研項目驗證，該技術(shù)可實現(xiàn)對火成巖、變質(zhì)巖等超堅硬巖層的鉆進以及套管的鉆穿作業(yè)，鉆出的微型側(cè)鉆分支井眼能夠成功搭建起主井筒與周圍地層的連通通道。實踐證明，借助微型側(cè)鉆分支井眼縮小井筒附近的壓降，可有效增大井筒的有效半徑，提升地層流體向井筒的滲流能力。
截至目前，微型渦輪鉆井技術(shù)尚未在小直徑套管井及膨脹性黏土地層中得到應(yīng)用。小直徑套管井作業(yè)的難點在于，套管內(nèi)可供渦輪從主井筒軸線轉(zhuǎn)向水平方向的空間十分有限。在本項目中，受5.5英寸套管的限制，渦輪的偏轉(zhuǎn)角度被限定為60°。同時，技術(shù)團隊也無法確定該鉆井技術(shù)能否在黏土介質(zhì)中有效運行。微型渦輪鉆井技術(shù)采用研磨方式破巖，其最初的設(shè)計應(yīng)用場景為堅硬的結(jié)晶巖地層，而本項目的目標之一，就是驗證該技術(shù)是否同樣適用于松軟、高黏性的黏土層鉆進作業(yè)。鉆進黏土地層時還面臨一項全新挑戰(zhàn)——黏土遇水易發(fā)生膨脹，這一問題在以往的微型渦輪鉆井應(yīng)用中從未出現(xiàn)過，屬于技術(shù)應(yīng)用中的未知難題。
相較于其他完井技術(shù)，微型渦輪鉆井技術(shù)的創(chuàng)新點與優(yōu)勢可歸納如下：該技術(shù)支持井筒重入作業(yè)，能夠在已鉆成的微型側(cè)鉆分支井眼內(nèi)開展后續(xù)的檢測、修井或增產(chǎn)作業(yè)。套管銑削與地層鉆進兩道工序可通過同一套工具連續(xù)完成，大幅提升整體施工效率。與其他完井技術(shù)相比，該技術(shù)的鉆進深度更大，且鉆出的井眼直徑相對較粗，有助于提升地層流體向井筒的滲流能力。渦輪驅(qū)動的機械研磨式破巖機理，使其可實現(xiàn)對堅硬結(jié)晶巖地層的鉆進作業(yè)，進而拓寬技術(shù)的巖性適用范圍。同時，研磨作用能形成光滑穩(wěn)定的井壁，為井筒重入作業(yè)提供必要條件；此外還可降低井壁坍塌風(fēng)險，提高井眼整體穩(wěn)定性。借助陀螺儀，可實現(xiàn)導(dǎo)向靴的精準定位，確保微型側(cè)鉆分支井眼的布設(shè)位置準確無誤。不僅如此，溫和的研磨作業(yè)過程可最大限度降低對周圍地層的機械擾動，有利于保持地層的原始結(jié)構(gòu)完整性。渦輪及井底鉆具組合的所有部件均采用耐溫材料制造，理論上可滿足井下高溫工況的作業(yè)要求。
材料與方法
井筒特征參數(shù)。 本次試驗改造井筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。該井筒測量深度達1165英尺（355米）。其中，導(dǎo)管下入深度為69英尺（21米），表層套管下入深度為558英尺（170米）。生產(chǎn)套管下入至井底，并在目的層段設(shè)置兩段帶纜篩管濾水層，濾水層的井段范圍分別為592英尺（180.3米）至870英尺（265.3米）、1132英尺（345米）至1161英尺（354米）；兩段濾水層之間的井段下入了5.5英寸套管。此外，生產(chǎn)套管的上段井段（從井口至第一段濾水層頂部592英尺/180.3米處）采用不銹鋼管材制成。
為確認井筒工況，作業(yè)前開展了井徑測井作業(yè)。此次測井的目的，是排查套管柱內(nèi)是否存在縮徑段，避免在下入作業(yè)所需的斜向器（即前文所述的導(dǎo)向靴）時發(fā)生卡阻問題。測井結(jié)果顯示，井筒上段套管本體的內(nèi)徑為5.2英寸（132毫米），套管接箍處內(nèi)徑為4.9英寸（125毫米）；井筒下段的內(nèi)徑保持穩(wěn)定，為4.94英寸（125.5毫米）。全井最小內(nèi)徑為4.85英寸（123.3毫米），該縮徑段位于984英尺（300米）井深處。
哈爾特恩組地層的底部為粉砂質(zhì)至細砂質(zhì)沉積，其地層底界埋深約577英尺（176米）。在577英尺（176米）至863英尺（263米）井段，發(fā)育其下伏的雷克靈豪森組地層，該組地層以低滲透性固結(jié)砂巖為主，局部發(fā)育含裂縫的鈣質(zhì)砂巖體。863英尺（263米）以深的井段為埃姆舍組的粉砂質(zhì)—泥灰質(zhì)泥巖，該地層一直延伸至2034英尺（620米）深處。依據(jù)德國標準化學(xué)會（1998）的分類標準，埃姆舍組地層的滲透性等級為極低滲透—近乎不透水，這一結(jié)論與文獻中關(guān)于埃姆舍組為低滲透、非導(dǎo)水層的描述一致。由于埃姆舍組地層通常具有較高的黏土含量，加之鉆井過程中產(chǎn)生的黏土涂抹效應(yīng)，該地層內(nèi)的斷層帶大多具備良好的水力封閉性。據(jù)耶格爾等人的研究，當埃姆舍組泥灰?guī)r厚度達到330英尺（100米）及以上時，可作為高效隔水層。施特拉克邁爾將其描述為“近乎不透水的隔層”，并指出該地層巖體的導(dǎo)水系數(shù)范圍為
室內(nèi)試驗
蓋斯勒等人通過試驗證實，微型渦輪鉆井技術(shù)可成功應(yīng)用于砂巖、花崗巖、石英巖等不同類型巖層的鉆進作業(yè)。經(jīng)室內(nèi)試驗與現(xiàn)場測試雙重驗證，該渦輪及配套鉆井系統(tǒng)的適用性得到了充分驗證。在馬爾市作業(yè)開展之前，行業(yè)內(nèi)尚無針對目標地層——埃姆舍組泥灰?guī)r的鉆進經(jīng)驗。項目亟待明確的核心問題在于：黏土遇水后產(chǎn)生的膨脹特性，是否會導(dǎo)致鉆進過程中已鉆成的井眼再次閉合，以及是否會造成渦輪卡鉆事故。基于此，研究團隊決定開展先導(dǎo)鉆進試驗，旨在驗證該技術(shù)對埃姆舍組泥灰?guī)r的適用性，并量化評估其作業(yè)效能。試驗所用巖樣為作業(yè)方提供的埃姆舍組泥灰?guī)r巖芯，該巖芯直徑為0.39英寸（10厘米）、長度為3.3英尺（1 米）。為對質(zhì)地疏松的巖芯試樣施加圍壓并保持其形態(tài)穩(wěn)定，試驗人員將巖芯置入一根外徑為4.33英寸（110毫米）的聚氯乙烯（PVC）管內(nèi)。該PVC管被固定在鋼制框架上，以此限制巖芯發(fā)生徑向與軸向位移。PVC 管前端加裝了一段金屬管，用于在鉆進過程中引導(dǎo)渦輪順利進入巖芯試樣。渦輪與一根可自由活動的柔性高壓軟管相連，且本次試驗采用的設(shè)備與后續(xù)現(xiàn)場作業(yè)的設(shè)備完全一致。
試驗最終取得了2英尺（0.6米）的鉆進深度，且全程僅耗時12分鐘，折算后機械鉆速可達9.84英尺/小時（3米/小時）。試驗過程中，渦輪的運行排量約為38.3加侖/分鐘（145升/分鐘），泵壓為5950磅/平方英寸（41兆帕）；渦輪入口壓力約為1450磅/平方英寸（10兆帕），其余壓力損失均產(chǎn)生于供液管路中。鉆進過程中曾三次中斷作業(yè)，目的是檢查井眼狀態(tài)。第二次鉆進階段結(jié)束后的井眼形態(tài)如圖4所示。當鉆進深度達到2英尺（0.6米）、累計鉆進時間滿12分鐘時，由于渦輪開始鉆出聚氯乙烯（PVC）管并向側(cè)面鉆進，試驗隨即停止。研究人員在鉆進試驗期間及試驗結(jié)束后一周內(nèi)持續(xù)觀察，確認黏土遇水后是否會發(fā)生膨脹。結(jié)果顯示，在此期間井眼直徑未出現(xiàn)明顯變化，且黏土膨脹對鉆進效率與工具操控性均未產(chǎn)生顯著影響。盡管本次試驗未開展長期監(jiān)測，但推測井眼會隨時間推移逐漸閉合；不過鑒于這一閉合過程的速度足夠緩慢，因此認為黏土膨脹問題不會對后續(xù)現(xiàn)場作業(yè)造成影響。
圖4鉆進時長達到12分鐘時，渦輪鉆出聚氯乙烯（PVC）管并開始向側(cè)向鉆進（圖a）。子圖b展示的是首次鉆進階段結(jié)束后，在埃姆舍組泥灰?guī)r巖芯試樣上鉆成的井眼形態(tài)。
為驗證該渦輪技術(shù)的現(xiàn)場適用性，研究人員在模擬真實井筒幾何條件下開展了后續(xù)室內(nèi)試驗（見圖5）。本次試驗的核心考察內(nèi)容，是驗證套管銑削作業(yè)能否穩(wěn)定可靠地實施。試驗選用一段規(guī)格為5.5英寸（14厘米）、單位長度重量15.50磅/英尺（23千克/米）的套管作為試樣，該套管與馬爾市二號井的實際下套管規(guī)格完全一致。試驗人員將這段長約 3.28英尺（1米）的套管注水泥封固后，垂直放置于試驗坑內(nèi)。隨后，采用3.5英寸（9厘米）油管，從上方將一只導(dǎo)向靴下入套管試樣中；該導(dǎo)向靴外徑4.72英寸（12厘米），長度約1.3英尺（30厘米），出口處的偏轉(zhuǎn)角度為60°。試驗人員借助起重機，在油管入口上方懸掛了一個滑輪。渦輪與一根長約16.4英尺（5米）的柔性軟管相連，該柔性軟管另一端則與一根長1312英尺（400米）、外徑1英寸的軟管對接，且這根長軟管纏繞在軟管卷筒上。渦輪與整套軟管連接完成后，經(jīng)油管下入井內(nèi)，直至抵達導(dǎo)向靴的出口位置。試驗用一臺高壓三缸泵與軟管卷筒相連，通過該泵向軟管組合系統(tǒng)加壓，泵壓設(shè)定為約5947磅/平方英寸（41兆帕），排量設(shè)定為38.3加侖/分鐘（145升/分鐘），渦輪受流體驅(qū)動后，鉆進作業(yè)隨即啟動。
圖5 包含現(xiàn)場作業(yè)全部擬用設(shè)備的立式試驗裝置（圖a）。在由5.5英寸套管及環(huán)空注水泥構(gòu)成的試樣中鉆成的微型側(cè)鉆分支井眼（圖b）。
試驗過程中，可通過渦輪運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的聲響觀察鉆進進程，據(jù)此能夠區(qū)分銑削金屬套管與鉆進水泥環(huán)兩個階段的作業(yè)狀態(tài)。試驗人員全程觀察軟管的推進情況，并持續(xù)下放軟管以確保渦輪向前鉆進。渦輪鉆進45分鐘后，鉆進聲響的變化表明套管已被成功鉆穿——聲響頻率從高頻轉(zhuǎn)為低頻。與此同時，返排液變得渾濁，這一現(xiàn)象說明水泥環(huán)正被切削。約10秒后，渦輪鉆穿水泥環(huán)，部分機身露出水泥環(huán)外側(cè)，隨即完全貫出試樣。鉆穿作業(yè)完成后，試驗人員對渦輪能否順利回退至導(dǎo)向靴內(nèi)進行了驗證。確認回退功能可靠后，將渦輪起出井內(nèi)。本次試驗鉆成的微型側(cè)鉆分支井眼，井壁極為光滑，井眼直徑約為1.5英寸（3.8厘米），較渦輪自身直徑大0.08英寸（0.2厘米）。（未完待續(xù)）
新型微型渦輪鉆井技術(shù)現(xiàn)場試驗——從現(xiàn)有井筒穿套管鉆進至外圍黏土層施工微型分支井眼（下）
¨ 尼克拉斯?蓋斯勒
周頡/譯
鉆井現(xiàn)場布置
本次鉆井作業(yè)的場地總面積約為3767平方英尺（350平方米），場地四周設(shè)置圍欄封閉，以防止無關(guān)人員擅自進入（見圖 6）。作業(yè)團隊在二號井井口上方搭設(shè)了修井作業(yè)平臺，平臺上安裝轉(zhuǎn)盤，用于操控工作管柱。鉆井現(xiàn)場附近設(shè)有一口水源井，為作業(yè)提供用水。作業(yè)用水由一臺普通潛水泵從地下約65英尺（20米）深處抽取后輸送至現(xiàn)場，再泵入一個容積為18492加侖（70立方米）的儲水罐中，該儲水罐起到緩沖作用，可應(yīng)對作業(yè)過程中的瞬時用水高峰。現(xiàn)場配備一臺柴油驅(qū)動的54馬力（40千瓦）發(fā)電機，保障電力供應(yīng)。同時，在場地附近搭建了一間維修車間，用于開展設(shè)備檢修作業(yè)；作業(yè)控制系統(tǒng)則部署在集裝箱式辦公室內(nèi)，實現(xiàn)遠程操控。
一臺額定載重15432磅（7000千克）的起重機被部署在作業(yè)現(xiàn)場的中心位置，用于下入和起升工作管柱，同時還承擔著在井口上方安裝滑輪的任務(wù)。為便于直觀了解現(xiàn)場布局，圖7展示了標注主要地面設(shè)備的作業(yè)現(xiàn)場俯視圖。一套電動軟管卷筒被安放在距離井口約30英尺（10米）的位置，卷筒上纏繞有1312英尺（400米）長的連續(xù)油管。一臺柴油驅(qū)動的335馬力（250千瓦）高壓三缸泵與該卷筒相連，通過這套裝置可向渦輪輸送高壓流體。井筒返排液先匯入鉆井液收集池，再經(jīng)由兩臺分流器輸送至沉淀池。兩臺分流器分別安裝于工作管柱，以及從井筒伸出的表層套管上?，F(xiàn)場配備了多種傳感器，用于監(jiān)測地面設(shè)備的運行參數(shù)。在起重機吊鉤與滑輪之間安裝有一臺稱重傳感器（HBK型號1-RSCC3/2 T-1），可實時監(jiān)測大鉤載荷；鉆頭鉆壓則通過所測大鉤載荷的變化量計算得出。在高壓泵與軟管卷筒之間的壓力管線上，安裝有超聲波流量計（基恩士 型號 FD-Q32C）和壓力傳感器（易福門 型號 PT5460），分別用于測量流體排量與壓力；壓力數(shù)據(jù)同時在泵頭處和卷筒入口處進行采集。在軟管收放裝置的排管器上，安裝有一臺計數(shù)器（庫伯勒 型號 8.KIH40.24CB.1024.0050），通過計量被放出的軟管長度，可換算得出連續(xù)油管井底鉆具組合的下入深度。
圖7 鉆井現(xiàn)場布置示意圖，清晰呈現(xiàn)了作業(yè)所用主要設(shè)備的布局：1發(fā)電機、2維修車間、3辦公室、4管材堆放架、5修井作業(yè)平臺、6高壓泵、7軟管收放裝置、8控制臺、9起重機、10衛(wèi)生間、11沉淀池、12柴油罐。
鉆井作業(yè)流程
首先，借助起重機將導(dǎo)向靴井底鉆具組合（見圖8）下入井內(nèi)。該鉆具組合的核心結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向靴，通過轉(zhuǎn)換接頭與工作管柱相連。作業(yè)選用的工作管柱為3.5英寸（9厘米）油管，單根油管長度為10英尺（3米），采用管鉗手工完成油管的對接上扣作業(yè)。技術(shù)人員通過統(tǒng)計下入油管的總根數(shù)計算管柱長度，以此確定導(dǎo)向靴的實際坐放深度。根據(jù)甲方要求，需在959英尺（292.4米）與1087英尺（331.4米）兩個目標井段，分別鉆設(shè)6條呈徑向分布的微型側(cè)鉆分支井眼。每個目標井段的6條分支井眼需按等角度分布，相鄰井眼的夾角約為60°（6×60°=360°），分支井眼的設(shè)計長度為1.5英尺（0.5米）至5英尺（1.5米）。當導(dǎo)向靴下至首個目標深度960英尺（292.4 米）時，技術(shù)人員利用轉(zhuǎn)盤將工作管柱順時針旋轉(zhuǎn)數(shù)圈，并進行上下活動，確保管柱處于拉直狀態(tài)，無松弛現(xiàn)象。隨后精確調(diào)整導(dǎo)向靴至設(shè)計坐放深度，將工作管柱懸掛在修井作業(yè)平臺的卡瓦上。
圖8 導(dǎo)向靴井底鉆具組合與工作管柱的連接實拍圖，渦輪鉆頭清晰可見于導(dǎo)向靴的出口位置。
裝配孕鑲金剛石鉆頭的渦輪，由連續(xù)油管輸送，經(jīng)工作管柱下入井筒。下入過程中，技術(shù)人員需密切監(jiān)測大鉤載荷與連續(xù)油管的狀態(tài)。在即將到達井底前，需降低下入速度。大鉤載荷出現(xiàn)驟降時，即表明渦輪已抵達導(dǎo)向靴出口，且鉆頭正接觸套管。渦輪下入期間，需提前啟動高壓泵，為鉆進作業(yè)做好準備。鉆頭接觸套管后，通過向渦輪加壓，正式啟動鉆進作業(yè)。本次作業(yè)全程采用清水作為鉆井液，鉆井液均為一次性使用，不進行循環(huán)回流。鉆進初期的啟動階段，泵壓設(shè)定為5950磅/平方英寸（410巴），排量設(shè)定為38加侖/分鐘（145升/分鐘）；約3分鐘后，將排量降至32加侖/分鐘（120升/分鐘），泵壓調(diào)整為4350磅/平方英寸（300巴）。鉆進過程中需持續(xù)監(jiān)測連續(xù)油管，并適時下放，確保管柱始終處于張緊狀態(tài)，無松弛現(xiàn)象。鉆進進度通過聲學(xué)監(jiān)測與下放軟管長度計量兩種方式同步把控。從銑削套管到鉆進水泥環(huán)的階段轉(zhuǎn)換，可通過聲響頻率的變化進行定性判斷。
每完成一趟鉆進作業(yè)后，需下入攝像頭以驗證鉆進作業(yè)是否成功。為保證畫面清晰度，需先對井眼進行沖洗，清除巖屑雜質(zhì)。在測量所鉆井眼長度（即微型側(cè)鉆分支井眼長度）時，將攝像頭從導(dǎo)向靴出口處下放至微型側(cè)鉆分支井眼井底，同時在地面計量玻璃纖維增強型攝像電纜的下放長度。當確認一條微型側(cè)鉆分支井眼鉆進成功后，將管柱順時針旋轉(zhuǎn)60°，使導(dǎo)向靴切換至下一個預(yù)設(shè)方位。導(dǎo)向靴的角度定位操作，是通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)整個管柱來實現(xiàn)的；技術(shù)人員借助安裝在管柱上的圓形刻度盤，以及轉(zhuǎn)盤上的基準點，完成導(dǎo)向靴角度的精準設(shè)定。
本次作業(yè)的基本流程及各步驟的大致耗時，詳見表1。
待兩個目標井段的鉆進作業(yè)全部完成后，技術(shù)人員將導(dǎo)向靴井底鉆具組合起出井內(nèi)，并隨即開展電纜測井作業(yè)。采用聲波井眼成像儀進行測井時，可根據(jù)聲波傳播時間同步計算井徑數(shù)據(jù)。該成像系統(tǒng)能夠針對每一深度層段生成一幅360°全景井眼圖像，且圖像會按照磁北方向進行標定顯示。此外，測井井底鉆具組合還配備了光學(xué)電視成像儀，用于進一步驗證測井結(jié)果的準確性。
結(jié)果與討論
在馬爾市作業(yè)現(xiàn)場，團隊按甲方要求成功鉆成12條微型側(cè)鉆分支井眼。表2匯總了所有已完成井眼的相關(guān)數(shù)據(jù)：除H2-4井眼長度為1英尺（0.3米）外，其余井眼長度介于2.5英尺（0.75米）至4.9英尺（1.5米）之間；剔除H2-4井眼后，微型側(cè)鉆分支井眼的平均長度（即平均鉆進深度）為3.6英尺（1.1米）。在鉆進H2-4井眼的過程中，出現(xiàn)了鉆頭部件脫落的情況，脫落部件滯留于井眼內(nèi)?？紤]到存在落魚卡鉆的風(fēng)險，項目團隊決定停止該井眼的鉆進作業(yè)。若要使所有微型側(cè)鉆分支井眼的長度保持更穩(wěn)定的一致性，需配備一套實時測量系統(tǒng)，在鉆進過程中追蹤當前井眼長度，并在鉆至目標深度時發(fā)出停鉆指示。但本次作業(yè)并未采用該類系統(tǒng)，而是在每趟鉆進作業(yè)完成后，通過攝像頭往返探測井眼末端的方式估算井眼長度?；厥諗z像頭時，可借助攝像電纜的張力讀數(shù)，結(jié)合電纜的拉伸量與彎曲量計算井眼長度，該方法與常規(guī)電纜測井的深度測量原理一致。完成單條微型側(cè)鉆分支井眼的鉆進與驗收作業(yè)，平均耗時為100-120分鐘。其中，單條井眼的套管銑削階段耗時約45分鐘，最高占單井總鉆進時長的75%。
表2 已鉆微型側(cè)鉆分支井眼清單（含方位及長度參數(shù)）
鉆進作業(yè)過程中及作業(yè)完成后，可通過多項指標驗證鉆進是否成功。鉆進期間，觀察返排液的狀態(tài)可知：清水鉆井液的清澈度會隨巖屑含量的變化而改變，呈現(xiàn)出從澄清到渾濁的不同狀態(tài)。由于渦輪鉆井采用研磨式破巖工藝，巖屑極易被攜帶至地面，因此只要地面返排液出現(xiàn)渾濁，即可判定井下鉆進作業(yè)已順利進行。但需要注意的是，受環(huán)空返排通道尺寸及32加侖/分鐘（120升/分鐘）鉆井液排量的影響，巖屑從井下運移至地面存在約20分鐘的延遲時間。與常規(guī)鉆井的泥漿錄井類似，圖9a展示的是渦輪鉆進期間從返排液中采集的流體樣本。待巖屑沉降后，甲方對其進行了檢測分析，確認巖屑為泥灰?guī)r碎屑，這一結(jié)果既證實了套管銑削、水泥環(huán)鉆穿作業(yè)的完成，也表明泥灰?guī)r地層鉆進取得了成功。此外，如圖9b所示，鉆進過程中產(chǎn)生的巖屑會被收集在渦輪內(nèi)置的專用取樣器中。巖屑的精細程度肉眼可清晰辨識，這正是前文《引言》部分所闡述的研磨式破巖機理帶來的結(jié)果。此處的“收集器”本質(zhì)上是鉆頭與渦輪葉輪之間的一個空腔，該空腔直徑約為1英寸（2.5厘米），長度約為0.27英寸（0.7厘米）。在室內(nèi)鉆井試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)部分被鉆碎的巖屑會滯留在這個空腔內(nèi)，這一現(xiàn)象屬于偶然發(fā)現(xiàn)。需要說明的是，目前尚未針對該現(xiàn)象開展專項試驗研究，但它仍可作為判斷井下是否發(fā)生鉆進行為的一項重要指標。渦輪起出至地面后，技術(shù)人員對收集器內(nèi)的巖屑進行了取樣分析。通過分析收集器中留存的巖屑樣本（可能為鋼質(zhì)套管碎屑、水泥環(huán)碎屑及/或泥灰?guī)r地層碎屑），即可推斷出井下鉆進作業(yè)是否銑削了套管、鉆穿了水泥環(huán)及/或鉆進了目的地層。
圖9 (a) 鉆進期間采集的返排液樣本，容器底部可見沉降的巖屑。(b) 收集腔內(nèi)部留存的埃姆舍組泥灰?guī)r巖屑。
本次作業(yè)的一項突出挑戰(zhàn)，來自5.5英寸（14厘米）小直徑套管的限制——受套管尺寸影響，導(dǎo)向靴能夠為渦輪提供的最大造斜傾角僅為45°。在 45°傾角下銑削套管時，由于鉆頭同時承受水平與垂直方向的復(fù)合載荷，作業(yè)難度顯著提升。我們推測，當鉆頭鉆壓過大時，會引發(fā)鉆頭卡停現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)鉆頭卡停，需將渦輪上提至導(dǎo)向靴上方，在完全卸除鉆壓、扭矩及摩阻的狀態(tài)下重新下放，這一操作與常規(guī)鉆井中的離井底旋轉(zhuǎn)工藝原理一致。在部分情況下，上提渦輪初期會出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，這一狀態(tài)可通過大鉤載荷的上升趨勢判定。套管被鉆穿后形成的不規(guī)則孔緣，被認為是導(dǎo)致渦輪初期卡阻的主要原因。針對此類情況，可通過反復(fù)上下活動渦輪的方式解除卡阻，使其恢復(fù)正常運行。
作業(yè)期間，現(xiàn)場采用聲學(xué)測量系統(tǒng)對渦輪的鉆進噪聲進行監(jiān)測。具體操作方式為：在地面將一個聲學(xué)傳感器夾持于工作管柱上，利用該傳感器采集渦輪運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的聲學(xué)信號。本次監(jiān)測選用的設(shè)備為高靈敏度加速度計（PCB型號 JTLD35C33），該儀器的頻率響應(yīng)范圍為0.5赫茲至10千赫茲，可有效捕捉與渦輪運轉(zhuǎn)相關(guān)的各類振動信號。傳感器采集的信號經(jīng)處理后，會實時傳輸至耳機并播放給司鉆。司鉆可根據(jù)聲學(xué)信號的特征判斷渦輪的運行狀態(tài)，并區(qū)分當前鉆進對象是鋼質(zhì)套管、水泥環(huán)還是基巖。這種判斷方式完全基于地面微型渦輪鉆井系統(tǒng)大量室內(nèi)試驗積累的實操經(jīng)驗。驗證鉆進作業(yè)是否成功的最可靠方法，是在作業(yè)完成后采用微井眼攝像頭對微型側(cè)鉆分支井眼進行目視檢測（見圖10a）。圖10b展示的是一條鉆進成功的微型側(cè)鉆分支井眼圖像：井眼內(nèi)壁呈現(xiàn)的灰褐色，明確表明已鉆入埃姆舍組泥灰?guī)r地層；在圖像右下角，還可見到套管銑削作業(yè)產(chǎn)生的銀白色鋼屑。盡管現(xiàn)場已進行了長時間的循環(huán)沖洗，但殘留在微型側(cè)鉆分支井眼內(nèi)的巖屑，仍對攝像頭的觀測視野造成了一定影響。
圖10 (a) 采用微井眼攝像頭對微型側(cè)鉆分支井眼開展目視檢測。(b) 某條微型側(cè)鉆分支井眼入口處的成像圖，可見井眼已成功鉆入埃姆舍組泥灰?guī)r地層。
鉆進作業(yè)全部完成后，技術(shù)人員采用ALT公司的QL40型電纜測井系統(tǒng)開展補充評價。該測井儀器串由電纜頭、測斜單元、聲波井眼成像儀（ABI）及光學(xué)井眼成像儀組成，測井成果如圖11所示。微型側(cè)鉆分支井眼的理論直徑估算值約為1.4英寸（3.6厘米），對應(yīng)聲波井眼成像儀圖像中的12個像素。由于井眼內(nèi)下入有鋼質(zhì)套管，磁力儀受到干擾，無法確定磁北極方向。因此，微型側(cè)鉆分支井眼的位置僅能依據(jù)深度及井眼間的相對位置進行標定，無法獲取其相對真北方向的方位信息。層位1的6條微型側(cè)鉆分支井眼，深度介于963.71英尺（293.74米）至963.81英尺（293.77米）之間，這意味著在井筒軸向方向上，井眼之間的間距不超過0.098英尺（3厘米）。層位2的井眼深度范圍為1091.7英尺（332.75米）至1091.86英尺（332.8米），井眼軸向最大間距為0.23英尺（7厘米）。所有井眼呈現(xiàn)出極為規(guī)整的旋轉(zhuǎn)方位分布形態(tài)，相鄰井眼之間60° 的設(shè)計夾角得到了充分保證，且未出現(xiàn)任何井眼交叉重疊的情況。在本作業(yè)這種淺井、直井的工況下，通過地面操控工作管柱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向靴的方法，應(yīng)用效果十分理想。但在深井作業(yè)中，尤其是在定向井工況下，若要將導(dǎo)向靴精準旋轉(zhuǎn)至預(yù)設(shè)方位，很可能需要采用其他作業(yè)方案。
圖11 兩個目標井段的測井成果圖：左側(cè)為經(jīng)處理的聲波井眼成像儀（ABI）圖像（含振幅曲線、井徑曲線及推導(dǎo)井徑數(shù)據(jù)），右側(cè)為光學(xué)井眼成像儀采集的真彩色RGB圖像。
結(jié)論
本研究首次形成了5.5英寸套管內(nèi)泥灰?guī)r地層微型渦輪鉆井技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用文獻記錄。本次現(xiàn)場作業(yè)證實，當固井作業(yè)失效時，可采用微型渦輪鉆井技術(shù)重建井筒與目的層的連通通道。
通過鉆成的12條微型側(cè)鉆分支井眼，該渦輪技術(shù)成功恢復(fù)了井筒與目的泥灰?guī)r地層間的水力連通性，保障了原計劃的井筒測試作業(yè)得以開展。這些平均深度達1米的大直徑微型側(cè)鉆分支井眼，有效延伸至井筒近井地帶，不僅擴大了井筒的泄流面積，同時也等效增大了井筒有效直徑。
微型側(cè)鉆分支井眼的鉆進過程采用兩種方式監(jiān)測：一是通過聲學(xué)測量技術(shù)，實時判斷鉆進對象為套管、水泥環(huán)或地層；二是通過返排液巖屑分析，由甲方完成巖屑成分的識別。此外，利用攝像頭下入井眼的方式，可實現(xiàn)微型側(cè)鉆分支井眼長度的測量。補充測井作業(yè)明確了套管內(nèi)各分支井眼起始位置的間距，清晰呈現(xiàn)出井眼的精確深度及方位分布規(guī)律。
本次作業(yè)驗證了：通過鉆設(shè)定向微型側(cè)鉆分支井眼，微型渦輪鉆井技術(shù)能夠為井筒與地層建立更優(yōu)質(zhì)的水力連通通道。因此，未來在水力連通性受限或傳統(tǒng)射孔工藝難以實施的場景中，應(yīng)用該技術(shù)具備充分的可行性。憑借可鉆穿鋼質(zhì)套管的獨特優(yōu)勢，微型渦輪鉆井技術(shù)有望成為完井領(lǐng)域的一項新興技術(shù)。需說明的是，該技術(shù)存在鉆進深度有限、井下參數(shù)測量能力不足的局限性，因此不宜與定向鉆井技術(shù)進行類比。
總體而言，微型渦輪鉆井技術(shù)可高精度定位、定角鉆設(shè)毫米級微型側(cè)鉆分支井眼。通過機械方式形成的微通道，不僅能減少鉆井液與支撐劑的用量、降低裂縫無序延伸的風(fēng)險，還可支持開展直接的原位水力測試（如垂向滲透率剖面測試）。
基于傳感器的控制手段（監(jiān)測轉(zhuǎn)速、軸向力、聲發(fā)射等參數(shù)），能夠確保作業(yè)過程的高可控性與重復(fù)性。該技術(shù)尤其適用于硬質(zhì)、脆性或非均質(zhì)地層——此類地層往往會限制水力噴射或高壓壓裂等工藝的應(yīng)用效果。
本研究可視為一項概念驗證成果，已充分展現(xiàn)出該技術(shù)的諸多潛在優(yōu)勢。相較于常規(guī)增產(chǎn)改造工藝（如泵送橋塞射孔聯(lián)作工藝），微型渦輪鉆井技術(shù)的成本優(yōu)勢源于作業(yè)耗時縮短與所需設(shè)備精簡兩方面。同時，該技術(shù)還能規(guī)避常規(guī)工藝的諸多弊端，例如：反復(fù)射孔、壓裂泵送與設(shè)備換裝導(dǎo)致的作業(yè)時長偏長、鉆機占用時間久；泵組部署、壓裂液暫存、支撐劑處理等環(huán)節(jié)帶來的高物流與作業(yè)投入；射孔引發(fā)的近井地帶傷害（如巖石破碎帶、射孔殘渣/污染雜質(zhì)殘留）；爆炸器材運輸與許可審批、現(xiàn)場操作等環(huán)節(jié)存在的安全風(fēng)險；以及對裂縫形
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