超深井155V 高鋼級厚壁套管開窗技術(shù)

李 濤，徐衛(wèi)強(qiáng)，蘇 強(qiáng)

（中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川成都 610031）

套管開窗側(cè)鉆技術(shù)主要用于老井挖潛、套管變形或損壞、井下落物事故難以處理等情況，是一項(xiàng)相對比較完善和成熟的技術(shù)。

ST102 井為四川盆地川西北地區(qū)雙魚石構(gòu)造的一口重點(diǎn)探井，勘探目的是了解該區(qū)域棲霞、茅口組的儲層發(fā)育情況和含油氣性。該井完鉆井深7 756 m，完鉆層位棲霞組，在試油作業(yè)過程中下油管至7 684 m 遇卡，倒扣后處理落魚，用?102.8 mm平底金剛石磨鞋磨銑至7 574 m 遇卡，由于后續(xù)處理難度大、耗時長，最后決定進(jìn)行開窗側(cè)鉆。以往進(jìn)行套管開窗作業(yè)的井普遍開窗點(diǎn)淺（低于6 000 m），套管鋼級低（低于125S）［1-12］，開窗作業(yè)相對容易，多使用1～2只銑錐便開窗成功；但該井套管開窗作業(yè)面臨開窗點(diǎn)井深超7 400 m，開窗點(diǎn)溫度超150℃，開窗套管為BG155V×?184.15 mm×15.83 mm高鋼級厚壁套管，國內(nèi)外目前尚無匹配的開窗工具及技術(shù)儲備。通過分析以往開窗工具的設(shè)計(jì)與使用情況，結(jié)合該井開窗作業(yè)面臨的難點(diǎn)和風(fēng)險，重新設(shè)計(jì)和加工適用于高鋼級厚壁套管開窗的斜向器和銑錐，優(yōu)化開窗作業(yè)流程，經(jīng)過10 趟銑錐磨銑作業(yè)后用?149.2 mm 牙輪鉆頭側(cè)鉆出31 m 領(lǐng)眼，巖屑占比100%。套管開窗的成功，創(chuàng)造了四川盆地套管開窗點(diǎn)井深最深、國內(nèi)首例155V 高鋼級套管開窗的成功記錄。

1 開窗作業(yè)難點(diǎn)分析

（1）對斜向器耐磨性要求高。本次開窗套管為155V高鋼級厚壁套管（壁厚15.83 mm），銑錐磨銑相對較慢。長時間開窗磨銑作業(yè)使得斜向器容易被銑錐嚴(yán)重磨銑而存在斷裂的風(fēng)險，對斜向器的耐磨性提出了更高的要求。

（2）對開窗銑錐攻擊性要求高。針對開窗套管的鋼級和壁厚，對開窗銑錐的硬度、耐磨性要求極高，否則銑錐切削齒崩齒導(dǎo)致磨銑困難；同時不平整的窗口容易導(dǎo)致開窗工具阻卡。

（3）下部鉆具尺寸小、柔性大，扭矩和軸向載荷傳遞困難，銑錐受力不穩(wěn)定。本次套管開窗點(diǎn)井深超7 400 m，在?184.15 mm 套管內(nèi)使用? 150 mm 銑錐進(jìn)行開窗作業(yè)，下部小尺寸鉆桿重量輕、柔性大，鉆具扭矩和軸向載荷傳遞困難，開窗期間銑錐受力狀態(tài)不穩(wěn)定，扭矩容易出現(xiàn)較大波動，導(dǎo)致開窗磨銑效率低。

2 側(cè)鉆井眼軌跡設(shè)計(jì)

該井魚頂在7 497.84 m，根據(jù)電測扶正器和套管接箍位置，設(shè)計(jì)選擇將斜向器坐掛至7 424.5 m，在7 420 m 處開窗，用?149.2 mm 鉆頭鉆至7 763 m完鉆，下?127 mm 套管懸掛固井（懸掛井段7 270～7 761 m），側(cè)鉆井眼采用“增—穩(wěn)”兩段制井眼剖面，井眼軌跡設(shè)計(jì)見表1。

表1 側(cè)鉆井眼剖面設(shè)計(jì)

3 高鋼級套管開窗關(guān)鍵技術(shù)

3.1 斜向器優(yōu)化設(shè)計(jì)

本井采用斜向器+銑錐的方式進(jìn)行套管開窗，開窗套管的硬度為HRC45。由于本次開窗套管鋼級高且壁厚，銑錐磨銑困難，上、下窗口距離不宜過長，長時間開窗磨銑作業(yè)使得斜向器存在失效的風(fēng)險?？紤]形成窗口的長度能夠滿足鉆具及套管能順利通過窗口無阻卡，于是優(yōu)化設(shè)計(jì)斜向器導(dǎo)斜面坡度為4.5°，斜向器導(dǎo)斜面長1.85m。斜向器的導(dǎo)斜面為弧面設(shè)計(jì)，弧面的曲率半徑與銑錐的最大曲率半徑相同，在開窗磨銑作業(yè)時銑錐與斜向器導(dǎo)斜面是以線或是面的形式接觸，能夠減輕斜向器的磨損，現(xiàn)場所用斜向器導(dǎo)斜面如圖1。在開窗工具入井前進(jìn)行了多次地面開窗試驗(yàn)，在第三次試驗(yàn)套管已磨穿、銑錐即將側(cè)鉆出套管進(jìn)入地層時斜向器本體發(fā)生斷裂，初步分析為斜向器材質(zhì)問題，改用硬度更高、耐磨性及熱硬性更好的W6 鋼，在隨后的兩次地面試驗(yàn)時均開窗成功，之后牙輪鉆頭通過窗口時未見異常。

圖1 ?146 mm斜向器導(dǎo)斜面

3.2 銑錐優(yōu)化設(shè)計(jì)

銑錐的剖面形狀會直接影響銑錐對斜向器的磨損程度，為降低銑錐對斜向器的磨損，銑錐錐體的錐度應(yīng)與斜向器導(dǎo)斜面的斜度角相同，增大銑錐與斜向器的接觸面積，可以減小斜向器導(dǎo)斜面單位面積的受力，降低斜向器的磨損程度；銑錐與套管的接觸為線接觸，接觸面積相比斜向器大幅減小，對套管的單位面積作用力更大，對套管的磨銑速度更快；銑錐的切削齒需要有足夠的抗沖擊韌性和較高的耐磨性，切削齒材質(zhì)優(yōu)選硬度大于HRC80的高強(qiáng)度硬質(zhì)合金?？紤]到PDC 鉆頭具有穩(wěn)定性好、攻擊性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，于是開窗銑錐側(cè)面的切削齒排列參考PDC 鉆頭布齒設(shè)計(jì)，將以前的隨機(jī)排列改為整齊排列方式，讓銑錐切削齒受力均勻、平穩(wěn)；同時切削齒體積更大、抗沖擊力和切削力更強(qiáng)，減少崩齒概率，增強(qiáng)銑錐切削齒攻擊力并延長使用壽命；縱向切削齒之間設(shè)置了多處凹槽，作為排除鐵屑的通道，優(yōu)化前后銑錐側(cè)面對比如圖2。

圖2 開窗銑錐優(yōu)化前后對比

開窗銑錐頭部端面為平面型，前端面采用圓塊齒整齊排列和碎硬質(zhì)合金隨機(jī)排列的組合方式，以端面中心為原點(diǎn)，在相隔120°的三條半徑線上整齊地鑲嵌了圓形硬質(zhì)合金塊，隨后在周圍隨機(jī)鑲嵌碎硬質(zhì)合金塊（見圖3），有助于銑錐側(cè)出套管后對地層進(jìn)行磨銑，可以提高銑進(jìn)速度。

圖3 開窗銑錐頭部端面

3.3 鉆具組合優(yōu)化

針對上述鉆具尺寸小柔性大、扭矩和軸向載荷傳遞困難、銑錐受力不穩(wěn)定的難題，下部小尺寸鉆桿均采用加重鉆桿，增加其重量和強(qiáng)度；開窗過程中精細(xì)操作、平穩(wěn)送鉆，減小銑錐開窗過程中的扭矩波動。優(yōu)化開窗鉆具組合為:?150 mm 銑錐+?88.9 mm 加重鉆桿×1根+回壓閥+?88.9 mm 加重鉆桿×2 根+變扣接頭+?101.6 mm 加重鉆桿×21 根+?101.6 mm鉆桿。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 井眼準(zhǔn)備

先下光鉆桿在魚頂7 497.84 m 以上注水泥塞；鉆塞至7 481 m；靜放鉆具下壓50 kN 未降，水泥塞強(qiáng)度合格。之后下?150 mm 通徑規(guī)在7 381～7 481 m 井段反復(fù)通井刮削3 次，循環(huán)洗井，確保管壁干凈，井眼暢通。

4.2 安放斜向器

下?146 mm 斜向器至7 433 m 遇阻4 t，反復(fù)3次上提下放活動鉆具未能通過，根據(jù)電測扶正器和套管接箍位置，將斜向器上移至7 424.5 m，投球、泵送入座，憋壓28 MPa 穩(wěn)壓5 min 壓力未降，下壓80 kN，上提鉆具確認(rèn)斜向器坐掛成功，正轉(zhuǎn)43 圈倒扣，起出送入鉆具。

4.3 開窗磨銑

下入前述優(yōu)化的開窗鉆具組合進(jìn)行磨銑。

磨銑參數(shù):鉆壓4～50 kN；轉(zhuǎn)速60 r/min；排量11 L/s；泵壓23.5 MPa，扭矩11～19 kN·m。

開窗情況:在井深7 420 m 處開窗，使用5 只銑錐磨銑至井深7 422.69 m 時見少量水泥塊及巖屑（側(cè)鉆上窗口井深7 420.27 m，下窗口井深7 422.00 m），第5 趟銑錐在井深7 420.87～7 421.38 m 磨銑期間頂驅(qū)被蹩停4 次（頂驅(qū)扭矩設(shè)定19 kN·m），初步分析原因?yàn)槟ャ娦纬傻拇翱诓黄秸谑菧?zhǔn)備用復(fù)式銑錐進(jìn)行修窗作業(yè)，套管開窗磨銑情況見表2。

表2 套管開窗磨銑情況

4.4 修整窗口

將開窗鉆具組合的銑錐換成?150 mm 復(fù)式銑錐進(jìn)行修窗磨銑。

磨銑參數(shù):鉆壓10～80 kN；轉(zhuǎn)速60 r/min；排量12 L/s；泵壓25 MPa；扭矩11～19 kN·m。

修窗情況:使用3只復(fù)式銑錐，第一趟修窗磨銑至井深7 422.83 m；第二趟磨銑至7 423.19 m加鉆壓至65 kN 不回，上提倒劃鉆具至7 417.72 m，下放鉆具至7 422.01 m 遇阻8 kN，加鉆壓至69 kN 不回后起鉆；第三趟磨銑至7 422.69 m，上提鉆具后旋轉(zhuǎn)下放至7 421.98 m 遇阻8 kN，加鉆壓至81 kN 鉆壓不回，倒劃眼上提鉆具后再次旋轉(zhuǎn)下放至7 421.80 m遇阻8 kN，為確保井下安全決定起鉆檢查，套管修窗磨銑情況見表3。

表3 套管修窗磨銑情況

4.5 強(qiáng)磁打撈井底鐵屑

考慮到修窗時出現(xiàn)的異常情況及多只銑錐磨銑后井底可能存在部分未攜帶出的鐵屑，決定使用強(qiáng)磁到井底進(jìn)行打撈。兩次下?120 mm 筒式強(qiáng)磁至井深7 421.80 m打撈，共撈獲鐵屑368 g。

4.6 尖頭銑錐磨銑修窗

將原鉆具組合的銑錐換成?150 mm 尖頭銑錐進(jìn)行修窗磨銑。

磨銑參數(shù):鉆壓10～50 kN；轉(zhuǎn)速60 r/min；排量12 L/s；泵壓25 MPa；扭矩11～18 kN·m。

磨銑情況:使用1 只尖頭銑錐磨銑至井深7 423.76 m，磨銑期間無異常，最后一包出口返出物巖屑占比近90%，起出銑錐尖部無磨損，本體水槽外排齒均勻磨損3 mm，最大外徑由150 mm 減小至147 mm。

4.7 復(fù)式銑錐再次修窗

原鉆具組合的銑錐換成?150 mm 復(fù)式銑錐再次進(jìn)行修窗磨銑。

磨銑參數(shù):鉆壓10～50 kN；轉(zhuǎn)速60 r/min；排量12 L/s；泵壓25 MPa；扭矩11～18 kN·m。

磨銑情況:使用1 只復(fù)式銑錐修窗磨銑至井深7 425.88 m，進(jìn)入地層3.43 m，磨銑期間無異常，出口返出物巖屑占比100%，起出復(fù)式銑錐頂部輕微磨損，其余部分無磨損，修窗作業(yè)完成。

4.8 牙輪鉆頭鉆領(lǐng)眼

下?149.2 mm 牙輪鉆頭至井深7 424.15 m 順利通過窗口，隨后鉆進(jìn)至井深7 453.10 m，側(cè)鉆井眼裸眼段長31.1 m，起鉆時在上、下窗口處上提下放鉆具均無阻卡現(xiàn)象，套管開窗作業(yè)圓滿完成，創(chuàng)造了四川盆地套管開窗點(diǎn)井深最深、國內(nèi)首例155V 高鋼級套管開窗成功紀(jì)錄。

5 結(jié)論與建議

（1）針對ST102 井高鋼級厚壁套管開窗作業(yè)存在的難點(diǎn)，使用優(yōu)化后的開窗銑錐和斜向器圓滿完成了該井套管開窗作業(yè)，該井的成功應(yīng)用為高鋼級套管開窗提供了成功經(jīng)驗(yàn)。

（2）斜向器導(dǎo)斜面材質(zhì)的耐磨性在高鋼級套管開窗作業(yè)中至關(guān)重要，應(yīng)優(yōu)選高硬度、耐磨性好的材料，提高斜向器的使用壽命，防止斜向器在開窗過程中失效。

（3）銑錐錐體的錐度與斜向器導(dǎo)斜面的斜度角相同能夠減輕斜向器的磨損；開窗銑錐側(cè)面的切削齒整齊排列有利于磨銑過程中受力均勻、平穩(wěn)；大體積切削齒抗沖擊力更強(qiáng)，崩齒概率更低。

（4）超深井高鋼級厚壁套管開窗作業(yè)往往需要多只銑錐才能開窗成功，崩落的銑錐切削齒在井底會嚴(yán)重影響后續(xù)的開窗磨銑作業(yè)，有必要使用強(qiáng)磁打撈井底未攜帶出的鐵屑。