連續(xù)管開(kāi)窗工藝技術(shù)在遼河油田側(cè)鉆井中的應(yīng)用

龔建凱

(中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探公司工程技術(shù)研究院)

連續(xù)管側(cè)鉆井技術(shù)是指使用連續(xù)管、井下馬達(dá)及井下工具完成斜向器下入、套管開(kāi)窗、裸眼段鉆進(jìn)等多項(xiàng)施工作業(yè)的鉆井技術(shù)，該技術(shù)為老油田高效挖潛、難動(dòng)用儲(chǔ)量安全經(jīng)濟(jì)開(kāi)采提供有效技術(shù)支持[1]。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，在連續(xù)管側(cè)鉆裝備、工具及技術(shù)等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，已在遼河油田進(jìn)入連續(xù)管側(cè)鉆現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用階段[2-3]。成功實(shí)施一口側(cè)鉆井，通常需要先下入斜向器進(jìn)行套管開(kāi)窗作業(yè)。由于連續(xù)管本體不能旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行連續(xù)管開(kāi)窗作業(yè)時(shí)，必須下入井下馬達(dá)提供動(dòng)力，其使用井下工具、磨銑參數(shù)、施工流程等與常規(guī)側(cè)鉆開(kāi)窗有很大差異。

一、連續(xù)管開(kāi)窗工藝原理

連續(xù)管開(kāi)窗工藝是指在某一預(yù)定井深，通過(guò)定向坐封后的斜向器，使用連續(xù)管、連接器、螺桿馬達(dá)、銑錐等鉆具及井下工具，驅(qū)動(dòng)銑錐旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生側(cè)向切削力，在套管壁上按預(yù)定方向磨銑出一個(gè)窗口，使原始地層重新裸露，然后進(jìn)行連續(xù)管側(cè)鉆的鉆井施工。與常規(guī)側(cè)鉆開(kāi)窗轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)不同，連續(xù)管開(kāi)窗的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力全部來(lái)自于井下螺桿馬達(dá)，螺桿馬達(dá)將鉆井液壓力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)銑錐沿著斜向器斜面切削套管，在套管內(nèi)壁形成一個(gè)通道，鐵屑則通過(guò)鉆井液循環(huán)返出地面。連續(xù)管開(kāi)窗工藝的核心技術(shù)包括井下工具、磨銑參數(shù)(鉆壓、排量)及鉆井液性能的精準(zhǔn)控制。

二、連續(xù)管開(kāi)窗工具

1.連續(xù)管連接器

由于連續(xù)管為一連續(xù)的圓管，本體沒(méi)有螺紋，需要連續(xù)管連接器完成與下部工具的連接。連續(xù)管連接器有多種類型，目前國(guó)內(nèi)用于連續(xù)管鉆井的連接器多采用卡瓦式設(shè)計(jì)，按照卡瓦類型，又分為內(nèi)卡式與外卡式。連接器應(yīng)具有足夠的抗壓抗拉與抗扭能力，對(duì)于有纜式連續(xù)管，連接器還應(yīng)具有電纜轉(zhuǎn)換及電纜密封裝置，圖1為國(guó)內(nèi)某公司?73 mm連續(xù)管連接器[4]。

圖1 ?73 mm連續(xù)管連接器

2.分體式斜向器

在側(cè)鉆開(kāi)窗施工中，通常需要定向擺放斜向器，使斜面朝向預(yù)定的方向，以便于后期軌跡控制。常規(guī)側(cè)鉆中，可使用轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，控制斜向器方向。由于連續(xù)管不能旋轉(zhuǎn)的特性，采用分體式斜向器(如圖2所示)，先坐封底座，并測(cè)得鍵槽方向，在地面調(diào)整好斜向器斜面與對(duì)接機(jī)構(gòu)的夾角，將斜面回插，與底座對(duì)接，實(shí)現(xiàn)定向擺放。

圖2 ?114 mm座封底座及導(dǎo)向斜面

分體式斜向器采用全液壓式結(jié)構(gòu)，無(wú)需投球，即可實(shí)現(xiàn)坐封和丟手。座封底座內(nèi)設(shè)鎖緊機(jī)構(gòu)，坐封后可有效防止旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。導(dǎo)向斜面設(shè)計(jì)有導(dǎo)向鍵和旋轉(zhuǎn)軸承，通過(guò)下壓與底座對(duì)接。斜面采用42CrMo以上材料，進(jìn)行表面淬火與釬焊碳化鎢(WC)處理，洛氏硬度HRC≥58，耐磨性強(qiáng)。

3.陀螺測(cè)量工具

工具內(nèi)置陀螺測(cè)斜探管，安裝在斜向器座封底座上部，與座封底座一同下入，根據(jù)連續(xù)管有無(wú)內(nèi)置電纜，可分為有纜式與存儲(chǔ)式，圖3為國(guó)內(nèi)某公司有纜式陀螺測(cè)量工具。工具可測(cè)量座封底座鍵槽方向及復(fù)測(cè)開(kāi)窗點(diǎn)的方位及井斜。陀螺測(cè)斜探管采用電子陀螺儀，具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)零點(diǎn)漂移等特點(diǎn)，不受磁干擾影響，能在套管內(nèi)精確測(cè)量定向參數(shù)。

圖3 ?102 mm陀螺測(cè)量工具

4.螺桿馬達(dá)

常規(guī)套管開(kāi)窗采用轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)的方式，為下部鉆具提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，而連續(xù)管是不能旋轉(zhuǎn)的，開(kāi)窗時(shí)必須下入螺桿馬達(dá)帶動(dòng)銑錐旋轉(zhuǎn)。套管開(kāi)窗過(guò)程中，特別是開(kāi)窗初期，扭矩較大，常規(guī)套管開(kāi)窗采用小鉆壓低轉(zhuǎn)速進(jìn)行磨銑，而連續(xù)管套管開(kāi)窗使用螺桿，由于排量需滿足最低攜帶鐵屑要求，排量較大導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)速較高，且無(wú)法準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)速，為得到較好的開(kāi)窗效果，需要特殊定制加工高扭矩高功率螺桿，其輸出扭矩應(yīng)高于同尺寸普通螺桿扭矩的1倍以上。以?139.7 mm套管開(kāi)窗?102 mm螺桿(如圖4所示)為例，其工作排量為8～12 L/s，工作扭矩2 000～3 000 N·m。

圖4 ?102 mm高扭矩馬達(dá)

5.高強(qiáng)度開(kāi)窗銑錐

工具由上接頭、柱狀本體、錐體、銑錐頭組成(如圖5所示)。為保證開(kāi)窗效率和工藝匹配性，連續(xù)管開(kāi)窗銑錐的設(shè)計(jì)除了應(yīng)綜合考慮常規(guī)銑錐所應(yīng)具備的外徑、切削面的幾何形態(tài)、水眼分布及流道大小等因素，還應(yīng)對(duì)銑錐頭進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

圖5 ?118 mm高強(qiáng)度開(kāi)窗銑錐

銑錐頭呈球形，為開(kāi)窗初期主力切削部位，常規(guī)銑錐頭堆焊高強(qiáng)度YD合金顆粒，切削刃隨機(jī)分布，此類型的銑錐頭具有較強(qiáng)的攻擊性和較高的開(kāi)窗效率，同時(shí)也導(dǎo)致開(kāi)窗初期的扭矩過(guò)大，連續(xù)管開(kāi)窗如果直接使用將導(dǎo)致螺桿憋壓、失速。因此，連續(xù)管開(kāi)窗銑錐在銑錐頭預(yù)置八棱柱合金(圖6所示)，之后堆焊YS超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金，減少了吃入深度，降低磨銑扭矩，增強(qiáng)了磨削性，更好地匹配開(kāi)窗螺桿的使用參數(shù)。

圖6 預(yù)置八棱柱合金銑錐頭

6.震擊器

震擊器的類型分為機(jī)械式、液壓式和液壓機(jī)械式3種，按其功能可分為上震擊、下震擊和上、下震擊。常規(guī)側(cè)鉆由于事故處理手段較多，開(kāi)窗過(guò)程中一般不需要下入隨鉆震擊器。為保證井下安全，在連續(xù)管開(kāi)窗過(guò)程中，應(yīng)選用常規(guī)液壓式上震擊器，當(dāng)開(kāi)窗不徹底而發(fā)生上提連續(xù)管遇卡時(shí)，通過(guò)震擊器在一個(gè)方向反復(fù)地震擊進(jìn)行解卡。圖7為連續(xù)管開(kāi)窗常用的?102 mm液壓式上震擊器。

圖7 ?102 mm液壓式上震擊器

三、?139.7 mm套管開(kāi)窗的施工程序

1.井眼前期準(zhǔn)備

(1)選擇合適的開(kāi)窗點(diǎn)。與常規(guī)套管開(kāi)窗相同，連續(xù)管套管開(kāi)窗也應(yīng)避開(kāi)套管接箍及套管扶正器，使側(cè)鉆點(diǎn)避開(kāi)大于3 m，并選擇開(kāi)窗段外固井質(zhì)量完好的井段[5]。

(2)停注水井。為防止周圍注水井對(duì)側(cè)鉆施工的影響，應(yīng)查閱與施工井相連通的注水井，在開(kāi)窗前一周停注并泄壓。

(3)注灰，試壓。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)原井眼射開(kāi)層進(jìn)行逐層封堵，防止在鉆進(jìn)和完鉆投產(chǎn)后發(fā)生串層。由于受技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀限制，目前仍采用常規(guī)作業(yè)方式。采用連續(xù)管進(jìn)行注灰存在較大風(fēng)險(xiǎn)，一旦水泥漿循環(huán)不凈，易堵塞連續(xù)管導(dǎo)致報(bào)廢。因此建議在連續(xù)管側(cè)鉆推廣應(yīng)用后，注灰、試壓作業(yè)交由專業(yè)公司，在側(cè)鉆前進(jìn)行施工。

(4)通井。連續(xù)管相對(duì)常規(guī)鉆具強(qiáng)度低，處理事故能力差，在下斜向器前，應(yīng)該嚴(yán)格按照要求，下通徑規(guī)通井,了解套管有無(wú)變形。每下入井深500 m左右分段開(kāi)泵循環(huán)一次，開(kāi)泵時(shí)應(yīng)注意防止蹩泵，下到井底后充分循環(huán)。下鉆要平穩(wěn)，并密切注意指重表變化，遇阻不能超過(guò)30 kN，否則應(yīng)下銑錐磨銑或上移開(kāi)窗點(diǎn)至遇阻點(diǎn)以上。

(5)刮管。為了保證斜向器及后期完井尾管懸掛器固定牢靠，可選用常規(guī)刮管器對(duì)其座封井段進(jìn)行刮削，保證套管內(nèi)壁清潔。

2.下斜向器

2.1 下座封底座

鉆具組合：?114 mm座封底座+陀螺測(cè)量工具+連接器+連續(xù)管。

(1)地面測(cè)試陀螺測(cè)量工具，并進(jìn)行高邊校零。

(2)連接座封底座與陀螺測(cè)量工具，測(cè)量?jī)烧呓遣畈⒂涗洝?/p>

(3)緩慢下入座封底座，下放速度300～400 m/h。下鉆過(guò)程中密切注意指重表變化，最大遇阻不得超過(guò)30 kN，如遇阻且多次起下仍不能通過(guò)，應(yīng)起鉆通井或磨銑。

(4)下放到預(yù)定深度后，使用陀螺儀器測(cè)量座封底座導(dǎo)向槽工具面角，并記錄，同時(shí)根據(jù)測(cè)得數(shù)值進(jìn)行計(jì)算導(dǎo)向斜面轉(zhuǎn)角大小(存儲(chǔ)式陀螺儀在下放到位后，應(yīng)保持靜止測(cè)量規(guī)定時(shí)長(zhǎng)，并記錄時(shí)間)。

(5)記錄當(dāng)前懸重，開(kāi)泵憋壓至設(shè)計(jì)壓力，實(shí)現(xiàn)座封底座坐封及丟手。

(6)上提測(cè)試是否丟手完成。上提30 kN，若泵壓下降，說(shuō)明丟手成功，若泵壓不降，應(yīng)繼續(xù)憋壓，直至上提測(cè)試丟手成功。

(7)丟手完成，起鉆。

2.2 下導(dǎo)向斜面對(duì)接

鉆具組合：?114 mm導(dǎo)向斜面+連接器+連續(xù)管。

(1)根據(jù)斜面轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果，調(diào)整好斜向器斜面與對(duì)接機(jī)構(gòu)的夾角并固定。

(2)連接導(dǎo)向斜面，測(cè)試工具旋轉(zhuǎn)功能。

(3)緩慢下入導(dǎo)向斜面，下放速度300～400 m/h。

(4)下放到預(yù)定深度后，記錄當(dāng)前懸重，下壓20 kN，進(jìn)行工具對(duì)接。

(5)上提30 kN測(cè)試，確定是否對(duì)接完成。

(6)開(kāi)泵憋壓至設(shè)計(jì)壓力，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向斜面丟手。

(7)上提測(cè)試是否丟手完成。上提30 kN，若泵壓下降，說(shuō)明丟手成功，若泵壓不降，應(yīng)繼續(xù)憋壓，直至上提測(cè)試丟手成功。

(8)循環(huán)處理鉆井液。

3.套管開(kāi)窗

開(kāi)窗鉆具組合：?118 mm銑錐+211×231雙公接頭+?102 mm螺桿+隨鉆震擊器+加重鉆桿+安全接頭+連接器+連續(xù)管。

(1)螺桿入井前應(yīng)該使用方鉆桿測(cè)試螺桿性能，在正常排量下，觀察螺桿振動(dòng)情況及泵壓。

(2)下鉆到底后，先探斜面深度，隨后上提0.5 m開(kāi)泵，待泵壓穩(wěn)定后，記錄當(dāng)前泵壓，下鉆開(kāi)窗。

(4)開(kāi)窗初期扭矩大，應(yīng)使用小鉆壓開(kāi)窗,使銑錐先銑出一個(gè)均勻接觸面，鉆壓為5～10 kN，定點(diǎn)磨銑，緩慢送鉆，同時(shí)時(shí)刻關(guān)注泵壓，以泵壓的變化量為主要參考標(biāo)準(zhǔn)，泵壓的上升幅度不超過(guò)螺桿的最大工作壓降，如若出現(xiàn)泵壓急劇升高、蹩泵等情況，應(yīng)停止開(kāi)窗，上提連續(xù)管重新加壓。

(5)開(kāi)窗中期，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)鉆壓，在不出現(xiàn)明顯蹩泵的前提下，逐步增加至10～30 kN，均勻送鉆，使銑錐沿套管外壁均勻磨銑，保證窗口長(zhǎng)度。

(6)開(kāi)窗后期，銑錐最大直徑全部銑出套管，進(jìn)入地層，應(yīng)保證總開(kāi)窗進(jìn)尺不小于5 m，方可結(jié)束開(kāi)窗作業(yè)。

(7)開(kāi)窗完成后，應(yīng)多次重復(fù)開(kāi)窗過(guò)程來(lái)修整窗口，直至在窗口任何位置停泵上提、下放均無(wú)明顯阻、卡反應(yīng)后，方可起鉆。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

連續(xù)管開(kāi)窗工藝技術(shù)應(yīng)用于遼河油田沈67塊前X井，取得了良好的效果。

前X井，綜合考慮老井套管接箍位置、扶正器位置、井段封固質(zhì)量、地層可鉆性、地層復(fù)雜情況及井眼曲率等方面的因素綜合考慮，確定了窗口位置1 052 m。開(kāi)窗套管外徑139.7 mm，鋼級(jí)N80，壁厚7.72 mm。該井采用了連續(xù)管專用分體式斜向器，座封底座、導(dǎo)向斜面，一次性坐封、對(duì)接成功，并順利丟手。開(kāi)窗總進(jìn)尺5 m，開(kāi)窗總耗時(shí)21.8 h，修窗耗時(shí)3.2 h，連續(xù)管開(kāi)窗耗時(shí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖8。

圖8 連續(xù)管開(kāi)窗耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

連續(xù)管開(kāi)窗前期(約0.5 m)，扭矩大，需長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)磨銑。常規(guī)開(kāi)窗過(guò)程中，排量不變的情況下，泵壓幾乎不變。與此不同的是，由于螺桿馬達(dá)的影響，連續(xù)管開(kāi)窗泵壓波動(dòng)較大，其壓力變化代表螺桿馬達(dá)的工作狀態(tài)，是井底磨銑最直接的反映。套管開(kāi)窗作業(yè)對(duì)操作人員技術(shù)要求高，送鉆頻率稍有不當(dāng)，便會(huì)產(chǎn)生憋壓蹩鉆等情況，需反復(fù)起放，耗時(shí)占整個(gè)開(kāi)窗時(shí)間一半以上。不同于常規(guī)側(cè)鉆開(kāi)窗使用轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)磨銑，可提供較大的旋轉(zhuǎn)扭矩，連續(xù)管開(kāi)窗效率受目前螺桿性能的影響，遠(yuǎn)低于常規(guī)側(cè)鉆開(kāi)窗。當(dāng)連續(xù)管開(kāi)窗進(jìn)入中后期，套管內(nèi)壁已經(jīng)形成比較規(guī)則的窗口，扭矩變小，開(kāi)窗效率顯著提高。整個(gè)施工過(guò)程中，返出的鐵屑細(xì)小，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)較低。

五、結(jié)論與建議

(1)針對(duì)遼河油田沈67塊、錦16塊?139.7 mm套管開(kāi)窗側(cè)鉆工具及工藝進(jìn)行攻關(guān)，形成了連續(xù)管套管開(kāi)窗工藝技術(shù)，成功完成了遼河油田前X井小井眼連續(xù)管側(cè)鉆開(kāi)窗試驗(yàn)，為后續(xù)試驗(yàn)、施工、推廣積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(2)施工過(guò)程中，要求現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員具有對(duì)開(kāi)窗過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行正確判斷和給出有效處理方法的能力，遇阻、遇卡不可強(qiáng)壓硬拉，一旦造成卡鉆等事故會(huì)比常規(guī)開(kāi)窗更難處理。

(3)開(kāi)窗時(shí)，施工參數(shù)應(yīng)以泵壓為主、鉆壓為輔，泵壓變化值不得超過(guò)螺桿馬達(dá)的最大工作壓降。

(4)目前連續(xù)管開(kāi)窗采用分體式斜向器與開(kāi)窗銑錐，至少需要進(jìn)行三趟起下鉆，效率較低，應(yīng)繼續(xù)研發(fā)連續(xù)管開(kāi)窗一體化工具，實(shí)現(xiàn)斜向器下入、開(kāi)窗、修窗一趟鉆完成。

(5)連續(xù)管開(kāi)窗效率受螺桿性能制約，比常規(guī)開(kāi)窗耗時(shí)更長(zhǎng)，應(yīng)繼續(xù)研發(fā)低速大扭矩開(kāi)窗螺桿，提高連續(xù)管開(kāi)窗效率。