沖頂開(kāi)窗徑向水平井轉(zhuǎn)向送進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

楊永印,徐希強(qiáng),牛似成,張 棟,英 飛

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;2.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井五公司,山東東營(yíng) 257000; 3.中國(guó)石化華北石油局工程技術(shù)研究院,河南鄭州 450006;4.中國(guó)石化西北石油局,新疆烏魯木齊 830000)

沖頂開(kāi)窗徑向水平井轉(zhuǎn)向送進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

楊永印1,徐希強(qiáng)2,牛似成3,張 棟4,英 飛1

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;2.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井五公司,山東東營(yíng) 257000; 3.中國(guó)石化華北石油局工程技術(shù)研究院,河南鄭州 450006;4.中國(guó)石化西北石油局,新疆烏魯木齊 830000)

為解決傳統(tǒng)徑向水平井技術(shù)套管段銑和大直徑擴(kuò)孔困難等問(wèn)題,提出在免擴(kuò)孔條件下一次性實(shí)現(xiàn)徑向水平井開(kāi)窗及鉆進(jìn)的技術(shù)方案,設(shè)計(jì)在Φ139.7 mm套管內(nèi)使用的轉(zhuǎn)向工具,該工具利用液壓沖頂方式進(jìn)行套管開(kāi)窗,并采用Φ14 mm無(wú)縫鋼管作為噴射鉆進(jìn)的鉆管。數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)表明,采用縱向沖頂方式可滿足套管開(kāi)窗要求;在45 MPa泵壓作用下鉆管能夠克服轉(zhuǎn)向阻力實(shí)現(xiàn)送進(jìn);當(dāng)沖頭下傾角度為11°時(shí)能有效地實(shí)現(xiàn)鉆管矯直與長(zhǎng)距離送進(jìn);采用液壓沖頂套管與金屬鉆管送進(jìn)相結(jié)合的方式可滿足超短半徑徑向水平井作業(yè)要求,為下一步聯(lián)合水力鉆頭進(jìn)行高壓噴射破巖奠定基礎(chǔ)。

水平井;轉(zhuǎn)向器;液壓沖頂;鉆管;數(shù)值模擬

利用徑向水平井技術(shù)能夠有效地開(kāi)采低滲透油氣藏和修復(fù)老井而提高原油產(chǎn)量,在國(guó)內(nèi)外均有良好應(yīng)用[1]。目前國(guó)外對(duì)該技術(shù)研究處于領(lǐng)先地位的西班牙YPF S A公司和美國(guó)RadJet公司利用磨銑方式進(jìn)行開(kāi)窗,采用連續(xù)橡膠管實(shí)現(xiàn)噴射鉆進(jìn),使該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用井深達(dá)3.803 km,在每個(gè)層位90°相位可鉆出4個(gè)水平分支[2],水平井眼長(zhǎng)度達(dá)到100 m,孔眼直徑約為50 mm。國(guó)內(nèi)徑向水平井技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代,目前主要通過(guò)套管段銑和地層大直徑擴(kuò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆管的轉(zhuǎn)向鉆進(jìn),但套管段銑會(huì)影響油氣井壽命,而大直徑(Φ620 mm)擴(kuò)孔的難度大、效率低[3-4],制約了該技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用。因此,在盡量小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鉆管水平轉(zhuǎn)向與送進(jìn)是目前徑向水平井技術(shù)亟待研究和解決的重點(diǎn)問(wèn)題[5-6]。筆者針對(duì)免套管段銑和地層擴(kuò)孔,對(duì)小尺寸鉆管的轉(zhuǎn)向和鉆進(jìn)工作原理進(jìn)行系統(tǒng)研究,設(shè)計(jì)具有套管沖頂和鉆管導(dǎo)向組合功能的轉(zhuǎn)向器系統(tǒng),并利用有限元分析和室內(nèi)試驗(yàn)等方式對(duì)其進(jìn)行研究。

1 免擴(kuò)孔徑向水平井鉆進(jìn)工藝原理概念化設(shè)計(jì)

1.1 工藝原理

根據(jù)主井眼免擴(kuò)孔的要求,設(shè)計(jì)一次起下管柱即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)輻射分支井眼鉆進(jìn)的沖孔開(kāi)窗技術(shù)鉆進(jìn)工藝,其原理如圖1所示。

圖1 免擴(kuò)孔徑向水平井鉆孔工藝原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of principle of radial deep-penetration drilling directly from main hole

該技術(shù)依靠液壓推力,利用工具前部的沖頭對(duì)套管實(shí)現(xiàn)沖頂開(kāi)窗,并在內(nèi)部形成完整的連續(xù)滑道,之后鉆管在液力作用下通過(guò)滑道實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向送進(jìn),并利用前端的高射水力鉆頭完成噴射鉆進(jìn)。具體工藝過(guò)程如下:

(1)工具入井。在完成主井眼通井、清洗等準(zhǔn)備工作后,采用Φ73 mm油管將轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)送入井下。工具下入到指定深度后,利用陀螺儀進(jìn)行定向,錨定器座卡,將其固定于套管內(nèi)壁。之后將由鉆管、抽油桿及控制光桿組成的鉆進(jìn)組合下入油管內(nèi),井口利用三通密封,并分別與高壓管線及送鉆裝置相連。

(2)套管沖頂和徑向鉆進(jìn)。啟動(dòng)高壓泵車,流體經(jīng)過(guò)Φ73 mm油管后作用于加壓活塞,并推動(dòng)沖頂機(jī)構(gòu)運(yùn)作,頂穿套管及外部水泥環(huán),實(shí)現(xiàn)套管“微開(kāi)窗”。常規(guī)鉆井中,將傳遞扭矩及提供鉆井液流通通道的管柱稱為鉆桿,免擴(kuò)孔徑向水平井最顯著的特點(diǎn)是鉆桿轉(zhuǎn)向半徑小,形成地層孔眼時(shí),管柱不需要旋轉(zhuǎn),因此常規(guī)鉆桿無(wú)法滿足工藝要求,一般選用塑性較好的無(wú)縫鋼管作為徑向水平井工藝的流體輸送管,稱之為鉆管。沖頂機(jī)構(gòu)完成有效行程后,自動(dòng)形成轉(zhuǎn)向滑道,此時(shí)通過(guò)地面裝置控制鉆管送進(jìn),鉆管會(huì)在液壓推動(dòng)下前行,穿過(guò)轉(zhuǎn)向滑道到達(dá)地層。此時(shí),高壓流體由鉆管流經(jīng)噴嘴并產(chǎn)生高速射流進(jìn)行破巖。地層孔眼形成后,按照一定的速度送進(jìn)鉆管就會(huì)形成一定長(zhǎng)度的徑向分支孔眼。徑向鉆進(jìn)過(guò)程中,高壓流體破巖之后進(jìn)入主井眼環(huán)空返回地面。

(3)起鉆或其他孔眼的鉆進(jìn)。徑向鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度后停泵,并回拉鉆管至轉(zhuǎn)向器內(nèi)部。之后沖頂機(jī)構(gòu)在彈簧作用下回收沖頭至初始位置,同時(shí)整個(gè)鉆進(jìn)工具系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)原。如果此時(shí)完鉆,則按照入井相反順序?qū)⒐ぞ呦到y(tǒng)起鉆。如果需要進(jìn)行其他孔眼的鉆進(jìn),則解除錨定器,旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向器至預(yù)定方位重新錨定,重復(fù)步驟(2)進(jìn)行其他孔眼的鉆進(jìn)。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)和工藝優(yōu)勢(shì)

免擴(kuò)孔徑向水平井鉆進(jìn)技術(shù)的主要技術(shù)參數(shù)如下:

(1)轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的本體外徑為Φ10 mm,可以用于Φ139.7 mm套管完井的主井眼中。

(2)高壓泵工作壓力為50～60 MPa,排量為1.5～2.5 L/s。

(3)水平鉆進(jìn)長(zhǎng)度預(yù)期為30～40 m。

與傳統(tǒng)水平井工藝相比,免擴(kuò)孔沖頂開(kāi)窗徑向水平井技術(shù)在鉆管選擇、施工工序等方面有著較大區(qū)別。在此工作模式下,套管開(kāi)窗與鉆管轉(zhuǎn)向送進(jìn)過(guò)程結(jié)合密切,無(wú)需多次起下管柱。與美國(guó)RadJet公司的相應(yīng)技術(shù)相比,沖頂開(kāi)窗技術(shù)結(jié)構(gòu)更為緊湊、施工更為便捷[7-8]。表1為各種水平井工藝特點(diǎn)對(duì)比。

免擴(kuò)孔徑向水平井工藝采用液壓沖頂套管與硬質(zhì)無(wú)縫鋼管送進(jìn)相結(jié)合的方式進(jìn)行噴射鉆進(jìn),具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

(1)相對(duì)于套管段銑和專用鉆頭鉆孔,套管沖孔結(jié)構(gòu)緊湊,工藝更加合理,效率更高。

(2)與軟管鉆進(jìn)相比,采用硬質(zhì)合金鋼管作鉆管,可以大幅度提高水力鉆進(jìn)流量,提高射流水功率,有利于增加鉆孔直徑,提高鉆進(jìn)速度等。

(3)與軟管鉆進(jìn)相比,硬質(zhì)鉆管的剛性決定其在高壓油管和地層孔道內(nèi)不會(huì)纏繞,利于準(zhǔn)確測(cè)量送進(jìn)尺寸,且在地層中的鉆進(jìn)軌跡相對(duì)穩(wěn)定。

(4)相對(duì)于軟管鉆進(jìn),硬質(zhì)鋼管耐壓值較高,特定條件下向流體中添加磨料可提高射流破巖能力,使該技術(shù)應(yīng)用向更深硬地層方向發(fā)展。

表1 不同徑向水平井工藝特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of different radial deep-penetration drilling

2 轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的組成及工作原理

轉(zhuǎn)向器技術(shù)是徑向水平井工藝的核心內(nèi)容,承擔(dān)著套管微開(kāi)窗及提供連續(xù)滑道的雙重作用。轉(zhuǎn)向器主要包括液壓沖頂機(jī)構(gòu)、鉆管推進(jìn)機(jī)構(gòu)、裝置鎖緊機(jī)構(gòu)、鉆管彎曲與校直機(jī)構(gòu)等。工作過(guò)程以高壓鉆井液的液壓作動(dòng)力,通過(guò)兩條線路提供驅(qū)動(dòng)力。線路1:泵壓→液壓活塞→推壓杈桿→換向部件→沖頭→沖頂套管;線路2:泵壓→鉆管尾部密封→驅(qū)動(dòng)鉆管。

轉(zhuǎn)向器與套管間通過(guò)錨定器固定在一起,當(dāng)泵壓作用于液壓活塞時(shí),產(chǎn)生的推力依次傳至推壓杈桿、換向部件、沖頭,其中換向部件可以將液壓活塞產(chǎn)生的推力放大為初始值的3～5倍,利用沖頭將套管頂穿,之后鎖緊機(jī)構(gòu)將整個(gè)液壓沖頂機(jī)構(gòu)鎖緊,啟動(dòng)鉆管下行。鉆管前行時(shí),依次經(jīng)過(guò)導(dǎo)向主板、換向部件、沖頭并利用高壓射流在地層中噴射鉆進(jìn)。鉆進(jìn)結(jié)束后,停止施加泵壓,回拉鉆管,鎖緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)解鎖,在復(fù)位彈簧回彈力的作用下,轉(zhuǎn)向器內(nèi)的液壓活塞、推壓杈桿、換向部件、沖頭等自動(dòng)回復(fù)原位,此時(shí)可實(shí)現(xiàn)工具串回收或改變轉(zhuǎn)向器出口方位進(jìn)行另外分支井眼的鉆進(jìn)。轉(zhuǎn)向器三維示意圖如圖2所示。

2.2 液壓沖頂機(jī)構(gòu)的功能與軌跡

套管開(kāi)窗工藝由液壓沖頂機(jī)構(gòu)完成,機(jī)構(gòu)包括液壓活塞、推壓杈桿、轉(zhuǎn)輪(換向部件)、沖頭等,各部件之間連接方式如圖3所示。

當(dāng)液壓活塞產(chǎn)生推力作用于推壓杈桿時(shí),推壓杈桿推動(dòng)轉(zhuǎn)輪(換向部件)繞中心點(diǎn)o旋轉(zhuǎn),換向部件上任何點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為弧線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)輪臂與推壓杈桿處于線接觸狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)至45°時(shí),轉(zhuǎn)輪臂與推壓杈桿接觸線達(dá)到水平距離右極限位置,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的極限角度為順時(shí)針90°,則轉(zhuǎn)輪臂中心點(diǎn)又回至與初始位置同一豎直線上,此時(shí)整套機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行程完成。同理,沖頭尾部通過(guò)支撐軸嵌在轉(zhuǎn)輪內(nèi)槽中,沖頭上任一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡均為以o為圓心的圓弧運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)至90°時(shí),沖頭水平位移最大,該位移由沖頭尾部支撐點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心的實(shí)際距離決定。根據(jù)分析,沖頭軸線的實(shí)際運(yùn)動(dòng)形式是先上傾,然后逐漸轉(zhuǎn)為水平。根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡公式有:

圖2 轉(zhuǎn)向器三維示意圖Fig.2 3D schematic diagram of whipstock mechanism

圖3 液壓沖頂機(jī)構(gòu)工作示意圖Fig.3 Schematic diagram for mechanism of hydraulic punch

式中,Fp為活塞推力,N;Lp為動(dòng)力臂,mm;Ff為沖頭所受阻力,N;Lf為阻力臂,mm;

由此可見(jiàn),在套管對(duì)沖頭的阻力一定的條件下破碎套管,活塞需要提供的壓力值Fp和動(dòng)力臂與阻力臂的比值(轉(zhuǎn)輪的外尺寸)有關(guān)。設(shè)計(jì)工作泵壓為40 MPa,活塞外徑為95 mm,則活塞可產(chǎn)生的最大壓力為283.38 kN,轉(zhuǎn)化為沖孔力為770.80～1008.83 kN,根據(jù)對(duì)套管的壓力試驗(yàn),該沖孔力足以沖穿套管。

2.3 鉆管送進(jìn)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在徑向水平井工藝中,鉆管的徑向送進(jìn)是另一核心問(wèn)題。鉆管經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向滑道在徑向孔眼中行進(jìn),需要克服變形阻力、摩擦阻力等,其中變形阻力與鉆管及滑道的材料、幾何尺寸等因素有關(guān),摩擦阻力取決于滑道及孔眼粗糙度等因素。相對(duì)而言,鉆管的液壓推進(jìn)力越大,徑向送進(jìn)的距離越長(zhǎng)。徑向鉆進(jìn)的最大長(zhǎng)度與鉆管的液壓驅(qū)動(dòng)力直接相關(guān)[9-10]。

參考早期滑道設(shè)計(jì)方法對(duì)軌跡參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化(圖4)。為滿足139.7 mm套管內(nèi)徑要求,優(yōu)化轉(zhuǎn)向半徑為90 mm≤R≤100 mm的轉(zhuǎn)向軌跡,該軌跡的主要參數(shù)為:R=90～100 mm,R1=2 000 mm,α= 32°,D1=20 mm,L2=60 mm,則φ作為整個(gè)曲線的橫向定位尺寸取150～160 mm。

圖4 優(yōu)化軌跡Fig.4 Optimized track

由模擬滑道探索試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在轉(zhuǎn)向曲率半徑90 mm≤R≤100 mm的轉(zhuǎn)向滑道中,規(guī)格Φ14 mm× 1.5 mm的16Mn鉆管穿過(guò)滑道的總阻力約為12 kN。

若要克服各種阻力使鉆管順利行進(jìn),必須加大液壓推進(jìn)力,同時(shí)需要考慮鉆管在推力作用下失穩(wěn)變形等問(wèn)題。活塞直徑過(guò)小,推進(jìn)力不足;直徑過(guò)大,鉆管容易失穩(wěn)產(chǎn)生屈曲[11-12],反而導(dǎo)致阻力增加。因此,針對(duì)一定材質(zhì)及尺寸的鉆管和給定液壓力,活塞直徑存在一個(gè)最優(yōu)值。將活塞缸筒看作鉆管扶正筒,需要綜合分析推力與鉆管失穩(wěn)問(wèn)題,以此來(lái)確定活塞及扶正缸套的尺寸。鉆管送進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5。

給定鉆管為Φ14 mm×1.5 mm的16Mn鋼管,導(dǎo)向滑道內(nèi)徑為15 mm,其曲率半徑為95 mm,工作壓力為40～55 MPa,經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和臺(tái)架試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨著活塞直徑(即扶正筒內(nèi)徑)的增大,鉆管發(fā)生失穩(wěn)的概率增大,且當(dāng)扶正筒內(nèi)徑大于34 mm時(shí),鉆管將因產(chǎn)生屈曲在扶正筒內(nèi)發(fā)生螺旋自鎖,無(wú)法穿出轉(zhuǎn)向器滑道。當(dāng)管長(zhǎng)為40 m時(shí),在保證推力足夠的情況下,扶正筒內(nèi)徑確定為26～32 mm,可以實(shí)現(xiàn)鉆管順利經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向器滑道并完成徑向送進(jìn),且內(nèi)徑越小對(duì)鉆管的扶正效果越明顯。由此確定鉆管送進(jìn)系統(tǒng)活塞外徑D=26 mm。

圖5 鉆管送進(jìn)系統(tǒng)Fig.5 Drill pipe feed system

3 沖頂套管過(guò)程的有限元分析

3.1 仿真模型及材料參數(shù)

使用Abaqus/Explicit顯示分析模塊進(jìn)行分析,沖頂套管屬于接觸非線性問(wèn)題。分剛體與柔體接觸、半柔體與柔體接觸[14-15]兩種情況,將沖頭定義為剛體,套管定義為柔體,發(fā)生塑性變形與材料失效斷裂。沖頭材料選用Cr12MoV,其彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,套管外徑為139.7 mm,鋼級(jí)N80,最小屈服強(qiáng)度為551.58 MPa,最小抗拉強(qiáng)度為689.48 MPa,設(shè)沖頂時(shí)套管外部所受圍壓為55 MPa,沖頭沖頂速度設(shè)為0.04 m/s。

在套管模型兩端面運(yùn)用固支邊界條件ENCASTER約束所有自由度,根據(jù)沖頭刃線與套管軸線的空間位置關(guān)系,定義二者平行為縱向沖頂,二者垂直為橫向沖頂,分別對(duì)建好的有限元模型進(jìn)行求解和分析。

3.2 有限元仿真結(jié)果

模擬結(jié)果如圖6所示。采用兩種沖頂方式均可使套管產(chǎn)生破碎,在整個(gè)過(guò)程中,套管發(fā)生接觸、沖頂、畸變與塑性變形、強(qiáng)度破壞等。其中,縱向沖頂時(shí)套管最大等效應(yīng)力為1 262 MPa,最大主應(yīng)變?yōu)?.64;橫向沖頂時(shí),套管最大等效應(yīng)力為1380 MPa,最大主應(yīng)變?yōu)?.70。兩種方式的應(yīng)力最大值均發(fā)生在裂口邊緣處,且隨著沖頭行程加大,套管開(kāi)口進(jìn)一步擴(kuò)展。采用縱向沖頂方式,套管開(kāi)口形式為向兩側(cè)對(duì)稱展開(kāi),在沖頭行程足夠的前提下,鉆管可完全避開(kāi)套管碎片進(jìn)入地層;橫向沖頂時(shí),由于沖頭運(yùn)動(dòng)軌跡特殊,套管碎片向下單側(cè)展開(kāi),鉆管通過(guò)沖頭內(nèi)滑道后會(huì)被套管碎片阻擋無(wú)法前行,數(shù)值模擬結(jié)果顯示,選用縱向沖頂方式開(kāi)窗更為合理。

圖6 沖頂過(guò)程等效應(yīng)力及最大主應(yīng)變Fig.6 Equivalent stress and principal strain by punching

提取兩種沖頂方式下的沖頭阻力,曲線如圖7所示。

圖7 沖頭阻力分布Fig.7 Distribution of punch resistance

對(duì)于縱向沖頂,0.293 s時(shí)沖頭阻力達(dá)到峰值645 kN,隨后略有下降,說(shuō)明套管產(chǎn)生裂縫;至0.37 s時(shí),沖頭阻力再次出現(xiàn)一個(gè)峰值,沖頭開(kāi)始擴(kuò)展開(kāi)口,沖頭阻力呈現(xiàn)下降趨勢(shì),最終阻力降至3.73 kN。橫向沖頂時(shí),在0.4 s時(shí)阻力達(dá)到峰值592.7 kN,此時(shí)套管產(chǎn)生裂縫并迅速失效;隨后沖頭阻力迅速下降,最終保持在8.56 kN。

通過(guò)對(duì)比,縱向沖頂時(shí)沖頭阻力大于橫向沖頂,經(jīng)推算,若要克服沖頭阻力,液壓活塞應(yīng)提供至少237 kN的推力,根據(jù)設(shè)計(jì),沖頂機(jī)構(gòu)在40 MPa泵壓下可產(chǎn)生推力283.4 kN,滿足推力需求。

4 全尺寸轉(zhuǎn)向器樣機(jī)綜合評(píng)價(jià)試驗(yàn)

4.1 鉆管轉(zhuǎn)向與送進(jìn)試驗(yàn)

根據(jù)以上理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果,設(shè)計(jì)了適合于139.7 mm套管主井眼中應(yīng)用的全尺寸轉(zhuǎn)向器系統(tǒng),并進(jìn)行相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)(圖8)。試驗(yàn)器材及規(guī)格如下:

(1)高壓柱塞泵,最高工作壓力50 MPa。

(2)耐震壓力表,最大量程50 MPa。

圖8 轉(zhuǎn)向器樣機(jī)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)Fig.8 Test on performance evaluation of whipstock prototype

(3)試驗(yàn)臺(tái)架,尺寸規(guī)格為6 m×1 m,帶有可調(diào)V塊加緊裝置。

(4)鉆管,規(guī)格為Φ14 mm×1.5 mm,國(guó)產(chǎn)16Mn無(wú)縫鋼管。

(5)轉(zhuǎn)向器總成,外部尺寸規(guī)格為Φ110 mm× 0.8 m,扶正筒內(nèi)徑(鉆管推力活塞外徑)D=26 mm,內(nèi)滑道曲率半徑R=95 mm,沖頭長(zhǎng)度(鉆管矯直段)L=60 mm。

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)鉆管送進(jìn)所需泵壓、鉆管延伸長(zhǎng)度、鉆管彎曲程度等[13]。

4.1.1 鉆管推進(jìn)力試驗(yàn)

分別對(duì)不同長(zhǎng)度鉆管進(jìn)行轉(zhuǎn)向試驗(yàn),鉆管在啟動(dòng)前行、進(jìn)入彎曲段、進(jìn)入反彎曲段、進(jìn)入矯直段和完成轉(zhuǎn)向穩(wěn)定送進(jìn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的泵壓分別用編號(hào)1～5代替,重點(diǎn)考察泵壓值即過(guò)轉(zhuǎn)向器阻力的變化特點(diǎn),如圖9所示。

圖9 不同長(zhǎng)度鉆管行進(jìn)泵壓Fig.9 Pump pressure distribtuion of drill pipes with different length

圖9說(shuō)明壓力在轉(zhuǎn)向滑道中呈現(xiàn)出波動(dòng)變化,變化幅度與滑道曲率的變化值呈正相關(guān)關(guān)系。隨著鉆管送進(jìn)長(zhǎng)度的增加,在相同記錄點(diǎn)位置的泵壓值上升,說(shuō)明鉆管失穩(wěn)程度增加,與扶正筒接觸量增多,造成行進(jìn)阻力加大。試驗(yàn)過(guò)程中最高壓力為45 MPa,從泵壓角度考慮,本套轉(zhuǎn)向器樣機(jī)符合徑向水平井鉆孔施工設(shè)計(jì)要求。

4.1.2 鉆管矯直試驗(yàn)

鉆管由于彎曲轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的塑性變形無(wú)法被矯直段完全克服,會(huì)留有一定的彎曲度。鉆管矯直與多種因素有關(guān),包括鉆管材料、鉆管及滑道的幾何參數(shù)等。給定鉆管材質(zhì)和規(guī)格、滑道截面幾何參數(shù)后,鉆管矯直程度主要與沖頭的出口方向有關(guān)。通過(guò)多次調(diào)整沖頭內(nèi)滑道的下傾角度,可以控制并盡力減小鉆管的彎曲度。鉆管矯直試驗(yàn)過(guò)程如圖10所示。通過(guò)角度調(diào)整,當(dāng)沖頭下傾角度約為11°時(shí),鉆管可以沿水平方向長(zhǎng)距離送進(jìn)。

圖10 鉆管轉(zhuǎn)向彎曲后的矯直試驗(yàn)Fig.10 Test on drillpipe alignment after sliding bending in whipstock

4.2 轉(zhuǎn)向器樣機(jī)沖頂套管試驗(yàn)

用固井水泥將短套管(Φ139.7 mm×7.2 mm, N80)封固,模擬真實(shí)沖頂套管的情況。水泥環(huán)最小厚度為73.4 mm。分別采用縱向與橫向兩種沖頂方式,沖頭的刃尖角均為80°,試驗(yàn)情況如圖11所示。

圖11 沖頂水泥封固套管試驗(yàn)Fig.11 Test on punching of cemented casing

將工具通過(guò)管線與高壓柱塞泵相連,通過(guò)調(diào)整節(jié)流閥逐步提高泵壓值,泵壓上升過(guò)程中,套管會(huì)受沖擊產(chǎn)生破碎。從外部觀察,推壓杈桿行進(jìn)至極限位置,水泥環(huán)出現(xiàn)裂紋,將外部水泥環(huán)進(jìn)行清理,直至套管破碎區(qū)裸露,具體情況如圖12所示。

圖12 運(yùn)用沖頭沖頂套管Fig.12 Punching casing with steel punch

經(jīng)試驗(yàn),縱向沖頂時(shí),泵壓為28 MPa時(shí)套管產(chǎn)生破碎,套管碎片以沖頭刃線為中心向兩側(cè)對(duì)稱翻開(kāi)。通過(guò)破碎區(qū)域判斷,在整個(gè)過(guò)程中套管材料經(jīng)過(guò)明顯的彈性變形—塑性變形—強(qiáng)度破壞3個(gè)過(guò)程,沖頭受力平穩(wěn)增加。經(jīng)過(guò)沖頂后,沖頭刃部未發(fā)生損壞,套管開(kāi)口處沿套管軸向尺寸為35 mm,沿套管切向尺寸最大為16 mm,沖頭伸出套管外尺寸為15 mm,套管開(kāi)口尺寸可以保證鉆管順利通過(guò)沖頭。

橫向沖頂時(shí),泵壓值為30 MPa時(shí)套管產(chǎn)生破碎,套管碎片沿沖頭刃線向下側(cè)翻開(kāi),與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。由于沖頭是水平與上翹的合成運(yùn)動(dòng),通過(guò)套管破碎區(qū)判斷,套管本體是沿沖頭刃線瞬時(shí)發(fā)生的剪切破壞,沖擊載荷大,沖擊結(jié)束后沖頭發(fā)生明顯崩刃現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)量,套管破碎區(qū)沿套管切向尺寸為30 mm,軸向尺寸為15 mm,但向下翻開(kāi)的套管碎片阻擋了沖頭內(nèi)滑道,影響鉆管的水平送進(jìn)。

通過(guò)比較,縱向沖頂套管所需泵壓值小于橫向沖頂,且縱向沖頂產(chǎn)生的套管開(kāi)口形式更有利于鉆管的水平送進(jìn),選用其作為徑向水平井鉆進(jìn)的開(kāi)窗方式較為合理。

5 結(jié) 論

(1)從原理上,免擴(kuò)孔模式下運(yùn)用沖頂套管開(kāi)窗與金屬鉆管在Φ139.7 mm套管內(nèi)實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向并沿徑向水平噴射鉆進(jìn)具有可行性,與其他相關(guān)技術(shù)相比,工藝更緊湊,效率更高。

(2)轉(zhuǎn)向器工具沖頂機(jī)構(gòu)可以完成液壓力的換向與放大,在工作壓力范圍內(nèi),可以沖開(kāi)套管。

(3)滑道轉(zhuǎn)向半徑R＜100 mm,隨著鉆管長(zhǎng)度的增大,鉆管行進(jìn)阻力略有增大,本試驗(yàn)條件下,鉆管送進(jìn)所需最大泵壓值不超過(guò)45 MPa,當(dāng)沖頭內(nèi)滑道(矯直段)下傾角度為11°時(shí),鉆管矯直效果最好。

(4)縱向沖頂時(shí),套管最大等效應(yīng)力為1 262 MPa,沖頭最大行進(jìn)阻力為645 kN,套管向雙側(cè)對(duì)稱開(kāi)口;橫向沖頂時(shí),套管最大等效應(yīng)力為1380 MPa,沖頭最大行進(jìn)阻力為592.7 kN,套管向單側(cè)開(kāi)口。綜合比較,選擇縱向沖頂作為套管的開(kāi)窗方式。

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(編輯 李志芬)

Key technology of steering feed in perforating casing to drill radial horizontal well

YANG Yongyin1,XU Xiqiang2,NIU Sicheng3,ZHANG Dong4,YING Fei1
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Fifth Company of the Yellow River Drilling,Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying 257000,China; 3.Engineering and Technology Research Institute of North China Branch,SINOPEC,Zhengzhou 450006,China; 4.Northwest Petroleum Bureau,SINOPEC,Urumqi 830000,China)

It is difficult to mill casing and ream large diameter holes with conventional radial horizontal well drilling technology.To solve the problem,a new technology design was proposed in this work,using which casing can be milled and radial horizontal wells can be drilled without reaming.A steering tool was designed to be used in 139.7 mm casings.This steering tool uses hydraulic puncher to mill casing,and then a steel pipe with 14 mm diameter is used as drilling pipe.The results of numerical simulation and laboratory tests show that vertical hydraulic punching can meet the requirements of milling casing and the drill pipe is able to overcome the resistance and drill forward with 45 MPa hydraulic pressure.The results also indicate that when the tilting angle of the punch is 11°,it can align the drill pipe completely and effectively drill the horizontal hole to a long extension.It is proved that using hydraulic puncher combined with metal drilling pipe can achieve ultra short radius radial penetration operation and lay foundations for the next step,during which a hydraulic drilling bit is used to efficiently break the rock with high pressure water jet.

horizontal well;steering;hydraulic puncher;drilling pipe;numerical simulation

TE 21

A

1673-5005(2014)05-0089-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.012

2014－04－22

楊永印(1962－),男,教授,博士,主要從事油氣井工程流體學(xué)與工程、高壓水射流理論與技術(shù)及工程應(yīng)用等教學(xué)與研究工作。E－mail:yangyy@upc.edu.cn。

楊永印,徐希強(qiáng),牛似成,等.沖頂開(kāi)窗徑向水平井轉(zhuǎn)向送進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,38(5):89-95.

YANG Yongyin,XU Xiqiang,NIU Sicheng,et al.Key technology of steering feed in perforating casing to drill radial horizontal well[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):89-95.