雙層套管開窗新技術(shù)

洪俊 梁位恒 華建 劉建軍（中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司河南濮陽 457000）

一、雙層套管開窗技術(shù)

1.開窗位置及斜向器導(dǎo)斜面朝向選擇

（1）開窗位置選擇

單層套管開窗時開窗長度一般在2m左右，所以開窗位置只須選在套管中部就可在開窗過程中避開套管節(jié)箍。但雙層套管開窗時開窗長度增長，并且要同時穿越油層套管和技術(shù)套管，這兩層套管的節(jié)箍一般不會在同一深度，所以下斜向器之前應(yīng)查閱老井套管記錄結(jié)合雙層套管開窗長度同時避開兩層套管節(jié)箍，同時選擇油層套管和技術(shù)套管固井質(zhì)量都好的井段作為開窗位置，如須在固井質(zhì)量不是很好井段開窗，窗口不宜選在地層過硬的井段。

（2）斜向器導(dǎo)斜面朝向選擇

在實際施工中由于井斜的存在，使油層套管在重力作用下會靠向井眼低邊，使井眼低邊處油層套管和技術(shù)套管的間隙最小。這樣就可在斜向器下到預(yù)定位置后對其進行陀螺定向，使其導(dǎo)斜面朝向井眼低邊，減小雙層套管開窗井段長度，降低開窗難度。

2.窗口長度及各節(jié)點銑錐進尺計算

在這里為簡化計算，假設(shè)油層套管在技術(shù)套管中居中、套管鋼級差異很小、下部鉆具的剛性足夠強，開窗時銑錐緊貼斜向器導(dǎo)斜面沿直線銑進。如圖2所示，根據(jù)相似三角形性質(zhì)，計算雙層套管開窗各節(jié)點銑錐進尺和窗口長度。

銑錐頭剛接觸技術(shù)套管時銑錐進尺L1：

到“上死點”時銑錐進尺L2：

到“下死點”時銑錐進尺L3：

窗口剛形成時銑錐進尺L4為

銑錐完全出窗口時銑錐純進尺L5為

窗口長度Lc為

式(1)-(6)中，D0為斜向器最大外徑，mm；D1為技術(shù)套管內(nèi)徑，mm；D2為技術(shù)套管外徑，mm；D3為油層套管外徑，mm；d1為銑錐頭外徑，mm；Lx為銑錐有效長度，mm；Ld為斜向器導(dǎo)斜面長度，mm；β為斜向器導(dǎo)斜角，°。

圖2 、雙層套管開窗結(jié)構(gòu)示意圖

3.開窗工具

斜向器

應(yīng)當(dāng)?shù)卣?，為?dāng)?shù)厥┕に谎?。根?jù)分析論證，井位設(shè)計在巷道垂直投影范圍內(nèi)。設(shè)計井深75m，井徑425mm。

斜向器的導(dǎo)斜角、斜面硬度和幾何尺寸對開窗的成功率有至關(guān)重要的影響，可在這3個方面對斜向器改進。

（1）雙層套管開窗要穿越兩層套管，對斜向器的磨損和切削會增加，所以在導(dǎo)斜面上硬質(zhì)合金粉末鋪焊并打磨光滑提高斜向器導(dǎo)斜面硬度，這里應(yīng)特別注意的是斜向器導(dǎo)斜面硬度并非越大越好，因為導(dǎo)斜面硬度過大會導(dǎo)致銑錐提前出窗口，使窗口過小，減弱窗口的通過能力。

（2）將斜向器的導(dǎo)斜角由3°增加至3.5°，從導(dǎo)向器中心線與3.5°的斜面本體的交點開始，從交點以下的3.5°的斜面本體上堆焊0.5°的細粒硬質(zhì)合金粉末形成4°的硬質(zhì)合金粉末復(fù)合斜面，并將堆焊表面打磨光滑，使斜向器導(dǎo)斜面成雙角度復(fù)合斜面。保證和老井眼快速分叉。

（3）加長斜向器導(dǎo)斜面根部到最上一排卡瓦牙之間的距離，由以前的0.9m增加至2m。防止開窗時間增長后對斜向器過度切削，甚至損傷卡瓦牙使坐封器松動而落井。

銑錐

由于斜向器導(dǎo)斜面的硬度和導(dǎo)斜角都有所增加，會導(dǎo)致窗口長度減小，所以需將普通φ118mm×0.9m復(fù)式開窗銑錐加長至2m，保證窗口長度。考慮到雙層套管開窗時間較長，打開油層套管后銑錐上的合金塊會被磨鈍，這種情況下就應(yīng)立即起鉆換另一種新型銑錐，如圖3。

圖3 雙切削刃強側(cè)切開窗銑錐

雙切削刃強側(cè)切開窗銑錐尺寸：φ118mm×0.3m。采用了3種不同形狀的超硬復(fù)合材料牙齒，分別是巴拉斯材料的“三角形”牙齒，YG8硬質(zhì)合金“圓柱形”牙齒，YG8硬質(zhì)合金“方形“牙齒。在其上接φ114mm扶正器使用，該組合的剛性較強，開技術(shù)套管時扶正器可騎在斜向器導(dǎo)斜面上使雙切削刃強側(cè)切開窗銑錐能有效的切削技術(shù)套管，充分利用斜向器的導(dǎo)斜力，同時扶正器又不會切削斜向器，可減小開窗過程對斜向器過度切削。

4.下部鉆具組合

對下部鉆具組合的選擇主要是考慮其剛性強弱對開窗的影響。如剛性太強，下部鉆具不易發(fā)生彎曲，開窗時會較多的切削斜向器，增加窗口長度，甚至導(dǎo)致開窗失??；如剛度太小，鉆具極易發(fā)生彎曲，造成窗口過小并在下窗口留下臺階，影響后續(xù)施工。通過鉆具力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)φ88.9mm加重鉆桿的一次彎曲臨界鉆壓為7.1kN，二次彎曲的臨界鉆壓為14 kN，該力學(xué)特點滿足雙層套管的要求，即開窗時鉆具會適當(dāng)彎曲，能充分利用斜向器的側(cè)向力，又不會造成窗口過小。

5.開窗參數(shù)設(shè)計

（1）當(dāng)銑錐剛接觸斜向器頂部，同時銑錐頂部（前端部）直徑圓周與套管內(nèi)壁接觸磨銑時應(yīng)采用小鉆壓，低轉(zhuǎn)速，使套管壁首先被均勻地磨銑出一個接觸圓面。

（2）當(dāng)銑錐與套管接觸面增長，已磨銑出一較深且長的斜面后，可提高鉆壓和轉(zhuǎn)速，進行快速磨銑直至銑錐頭接觸技術(shù)套管內(nèi)壁。

（3）從銑錐頭接觸技術(shù)套管內(nèi)壁至到達“上死點”前應(yīng)加大鉆壓時銑錐吃進技術(shù)套管，同時采用中轉(zhuǎn)速。

（4）到達“上死點”時進一步增大鉆壓，迫使銑錐頭部產(chǎn)生一定位移穿過“上死點”，同時采用中轉(zhuǎn)速。

（5）從“上死點”到“下死點”之前，可適當(dāng)減小鉆壓，同時適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速。

（6）到達“下死點”后應(yīng)進一步增大鉆壓，迫使銑錐頭部產(chǎn)生一定位移穿過“下死點”，同時采用中轉(zhuǎn)速。如使用的是雙切削刃強側(cè)切開窗銑錐應(yīng)使用中鉆壓，高轉(zhuǎn)速。

（7）“下死點”到窗口形成，應(yīng)使用大鉆壓，高轉(zhuǎn)速，使銑錐迅速進入地層。

（8）修窗階段，應(yīng)使用小鉆壓，最高轉(zhuǎn)速，把窗口打磨光滑。

以下給出雙層套管開窗推薦參數(shù)，如表1。

表1 雙層套管開窗推薦參數(shù)表

二、現(xiàn)場應(yīng)用

衛(wèi)90側(cè)位于中原油田采油三廠，該井開窗點：2173m，該處油層套管剛級N 80、技術(shù)套管剛級P110，完鉆井深2720m。開窗工具選用上述φ114mm×4.5m雙角度復(fù)合斜面加長型斜向器，以及φ118mm×2m復(fù)式開窗銑錐，銑錐頭90mm、φ118mm×0.3m雙切削刃強側(cè)切開窗銑錐。，根據(jù)式（1）-（6）以φ118mm×2m復(fù)式開窗銑錐的參數(shù)計算出：窗口長2.81m，銑錐進尺0.77m銑錐頭接觸技術(shù)套管、進尺0.83m到“上死點”、、進尺1.58m到“下死點”、進尺2.22m窗口形成、進尺4.22m銑錐完全出窗口。該井開窗鉆具組合：（1）Φ118mm×2m開窗銑錐+Φ89mm加重鉆桿×2根+Φ73mm鉆桿；（2）Φ118mm×0.3m銑錐+Φ 114mm×0.47m螺旋扶正器+Φ89mm加重鉆桿×2根+Φ73mm鉆桿。

通過前期的分析和計算給出了雙層套管開窗各階段銑錐的進尺，在實際開窗作業(yè)中根據(jù)不同工具靈活選擇開窗參數(shù)及判斷需要的進尺，用2趟鉆圓滿完成開窗作業(yè)，后期起下鉆、完井電測、下套管窗口均無阻掛現(xiàn)象，圓滿完成開窗任務(wù)。

結(jié)論

(1)雙層開窗時應(yīng)盡量選擇油層套管與技術(shù)套管間隙小的方位開窗，可縮短開窗進尺，提高雙層套管開窗的成功率。

(2)雙角度復(fù)合斜面斜向器，有較強的導(dǎo)斜能力，能提高銑錐對外層套管切削能力又能保證有較大的分叉角，提高雙層套管開窗側(cè)鉆的分叉速度。

(3)雙切削刃強側(cè)切開窗銑錐和扶正器的組合能充分利用斜向器的導(dǎo)斜力，同時扶正器又不會切削斜向器，可減小開窗過程對斜向器過度切削。

(4)選擇φ88.9mm加重鉆桿和φ73mm鉆桿的鉆具組合，既能發(fā)揮斜向器的導(dǎo)斜能力，又不會在窗口留下臺階，是較理想的雙層套管開窗鉆具組合。

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