第八章_套管开窗侧钻技术

1、第八章 套管开窗侧钻技术概 述侧钻技术在国外起始于三十年代，于八十年代得到深入发展。我国于八十年代开始研究侧钻技术，十年间内迅速成熟起来。该项技术在全国各油田得到了广泛的推广应用，并取得了明显的经济效益和社会效益，成为油田特别是老油区节支增效、节约挖潜的重要手段和措施。井眼的侧钻技术一般分为两种类型，一是裸眼井内侧钻技术，即在裸眼井内打入水泥造成人工井底然后側钻或条件允许时直接进行悬空侧钻形成侧向井眼的工艺技术。二是套管开窗技术，即依据设计要求，在套管内某位置开一窗口或铣掉一段套管，侧向钻出一新井眼，实现重新完井的工艺技术。侧钻技术是在普通定向钻井技术的基础上发展起来的，除具有普通定向井和水平

2、井的共性之外，也有其自己的独特性，正是这些独特性才形成了专门的侧钻工艺技术。侧钻的主要目的是实现：“死井复活”、提高采收率、降低成本。侧钻技术主要应用于： （1）钻井过程中套管内有落鱼或落物而无法打捞不能继续进行钻井、完井作业。 （2）钻井及采油过程中套管变形，影响生产。 （3）采油过程中砂堵砂埋严重，通过修井作业无法恢复生产的井。 （4）直井落空，偏离油层位置，经勘探其周围还有开采价值油藏。 （5）有特殊作业要求的多底井和泄油井等。 （6）油田开发后期，已无开采价值的井，为了节约钻井成本，充分挖掘潜力，利用原井眼开窗侧钻成定向井开采边角油气藏。开窗工具主要分为两大类：一是锻铣式开窗工具，主要

3、由锻铣器和锻铣刀片组成。二是斜向器式开窗工具，分为：a.固定地锚斜向器式b.一体化式地锚斜向器。两种类型。主要由地锚总承、斜向器总承、和磨铣工具组成。本章着重对套管开窗技术进行介绍，讲述了套管开窗的原理、专用工具及其现场使用。第一节 锻铣开窗侧钻工艺一、 套管锻铣器的结构设计和工作原理套管锻铣器的结构见图81，主要由保护接头、壳体、泵压显示装置、活塞总成、弹簧、刀片、下扶正器组成。其工作原理为： 图1 短线器结构示意图锻铣器下入设计井深后，启动转盘、开泵。此时泥浆流经活塞上的的喷嘴产生压力降，形成的压力推动活塞下行，支撑六个刀片外张切割套管。当套管切断后，刀片达到最大外张位置，泵压将明显下降，

4、这时可加压进行套管磨铣作业。作业完毕后，停泵、压力降消失，活塞在弹的反力作用下复位，刀片凭自重或外力收回刀槽内。二、锻铣器结构设计的特点a)锻铣器有六个刀片，可同时伸出切割或锻铣，寿命长、速度快。b)采用水力活塞结构，依靠压力降推动活塞运动，设计有泵压显示装置，当刀片切割套管后，在立管用力表上立即反映出a的压力降，易于判断。c)锻铣器下部增设稳定器，限位块中设有扶正块，两处形成两点扶正系统，以保证扶正器工作平稳，延长了刀片的使用寿命，提高了磨铣速度。三、 最小排量的确定套管锻铣器利用喷嘴压降推动活塞，并克服弹簧反力支撑刀片外张。首先考虑弹簧最大反力，计算最小排量。已知：压力降Pb.Q2/C2d

5、e4 kg/cm2式中：为泥浆密度为排量l/s C为流量系数de为喷嘴当量直径活塞承压面积（腔e）式中：腔 为活塞面积，cmde为喷嘴直径，cm 弹簧最大反力弹因此有：弹b*A锻铣器在工作时，理论上只要达到上述最小排量就可以克服弹簧阻力，支撑刀片外张。四 、切削元件的特性衡量切削元件的主要技术指标是磨铣套管长度和速度，而这两项指标主要取决于切削元件材料和形状。 井下磨铣工况要求切削元件有足够的韧性，又要求有足够的耐磨性，两者必须统一才能保证较长的工作寿命和转速。设计中常采用抗弯强度大于180kg/mm2，硬度大于HRA90的高强度硬质合金作为切削元件。五、锻铣器开窗侧钻工艺过程 1、 准备工作

6、（1）项目的确立：首先要进行地质调查，分析论证，查阅原井及临井地质资料，完井资料，若原井是因采油过程中发生事故，要对原井的产能及效益进行分析对比，对侧钻完井后的效益进行预测，经论证后立顶。（2） 工具准备：根据施工需要，工艺要求，经济效益分析对比，准备适合本井的开窗工具。段铣式套管开窗定向开窗侧钻需准备下列工具（7²套管为例）7²套管开窗锻铣器1-2套锻铣刀片（根据锻铣段长）6-8付1 度度单弯动力钻具各一套定向接头2只（随钻测量用可循环式）3-1/2²钻杆（根据完钻井深）4-3/4²钻铤4柱4-3/4²无磁钻铤1-2根4-3/4²短

7、钻铤2根6²PDC钻头及牙轮钻头若干随钻测量仪器，电缆及绞车（应满足施工需要）单多点测斜仪器各1-2套直径152mm螺旋扶正器4-6只强磁打捞器一只备齐各种尺寸事故处理工具（3）井眼准备工作：a、 查阅原井资料，确定开窗侧钻位置，应尽量避开套管接箍，选择水泥封固质量好有利于侧钻的地层。b、 分析井口至侧钻点井段的原井身数据，查阅套管钢级、壁厚、内外径。c、 测量套管压力及液面高度，若原井眼套管压力较高，液面上长较快，应预先在开窗侧钻点以下100米处打水泥塞封固。d、 通套管内径、刮蜡，清除原井眼内原油及污物，检查套管是否有损坏或变形。e、 测磁性定位，检查套管有无损坏变形，应在钻杆内

8、测套管接箍，把所有误差校正至钻杆上。原理如图（四）所示f、 作出套管定向开窗侧钻设计，制定施工方案，技术措施，作业参数。H1 H2 图 8-1 套管接箍测量示意图（4） 钻具准备工作：a、 所有下井工具下井前都要进行检查探伤，各种工具要有产品合格证书。b、 钻杆钻铤无磁钻铤下井前要用直径55mm通径规通径，清除钻具水眼内杂物。c、 配足泥浆，调整泥浆性能附合开窗侧钻井眼地层的钻进要求。2、 套管锻铣开窗工作步骤：（1） 锻铣工具下井前安装调试，开泵检查刀片能否全部涨开，停泵刀片能否回。（2） 检查工具灵活好用后，将刀片捆住，防止下井过程中刀片误打开，损坏套管及刀片。（3） 钻具下井过程中控制下

9、放速度，严禁猛刹猛放，中途不得开泵循环，不能转动转盘。（4） 下钻中途遇阻，不能硬压硬冲，遇阻不能超过去1吨，否则应起钻通井，井眼畅通后再下开窗工具。（5） 保护好井口，严格防止井口落物，以防发生重大井大事故。（6） 开窗锻铣工具下到开窗位置，开泵转动转盘，20-30分钟，慢慢加压0.5-1吨，观察钻具能否吃住钻压。（7） 钻具能承受住钻压后，继续磨铣，并观察有无碎铁屑返出，根据铁屑返出量和形状分析锻铣工具工作状况。（8） 磨铣过程中钻压不能超过去时吨，防止压坏锻铣工具，致使工具不能完全磨穿套管，出现套管内拔皮现象。（9） 每磨铣0.5米，停止转盘转动增大泥浆排量循环清洗井眼，观察铁屑返出情况

10、及数量，防止铁屑在井内相互缠绕，形成“鸟窝”状铁屑团，造成卡钻事故的发生。（10） 每磨铣套管1-2米，停泵停转盘慢慢上提钻具，检查锻铣工具刀片闭合开启情况，上提钻具，观察锻铣工具经过窗顶时有无挂卡现象。（11） 时刻注意记录磨铣速度，当磨铣速度明显降低时，应及时起钻检查锻铣工具以及刀片磨损情况，分析原因制定下一步措施。（12） 确定原因，换锻铣刀片继续磨铣，直至磨完设计段长，满足侧钻要求为止。（13） 每次换刀片下钻到上窗口集团，开泵转动转盘反复进行划眼，以保证套管锻铣质量。（14） 锻铣完后，调整泥浆性能，增大排量循环洗井，下八强磁打捞器清除井底铁屑，并用稠泥浆将锻铣段封往。3、 打水泥塞

11、封固锻铣井段作业：（1） 为了确保水泥塞封固质量，封固井段应从窗底以下50米到窗顶以上50米，打水泥前应做水泥浆性能检查，做流动试验和凝固时间试验。（2） 打完水泥浆立即起钻至窗顶以上60米处，循环洗井，将多余水泥浆排出井眼，并不断活动钻具，防止将钻具固在井内。（3） 彻底清洗井眼，观察记录水泥浆返出量，确定井眼内多余水泥浆全部返出井眼后起钻候凝。（4） 候凝48小时，下钻探水泥塞面，将水泥塞钻至设计侧钻井深，检查水泥塞凝固质量。（5） 调整泥浆性能，尽量减少泥浆不的固相含量，彻底清洗井眼。4、 定向侧钻作业：（1） 钻具组合6²钻头+4²单弯动力钻具+定向接头+4-3/4

12、²磁钻铤+3-1/2²钻杆（2） 钻进参数：钻压：24吨 泵压：1012Mpa 排量：1012L/S 转盘转速：5060rpm（3） 施工步骤及注意事项：a、 按设计要求配好钻具进行地面动力钻具检查试运转，一切正常开始下钻，同时准备好随钻测量仪器，测量绞车就位。b、 控制钻具下放速度，钻具有套管内不能开泵运转和转动转盘，防止碰坏套管和钻头。c、 钻头下到侧钻位置，开泵运转动力钻具，开泵要缓慢，防止开泵过猛蹩坏动力钻具。d、 动力钻具运转正常后，停泵下随钻测量仪器定向，各方人员做好准备工作，极积配合，服从指挥。e、 定向完毕开泵侧钻，严禁转动转盘，首先让钻头在同一位置空转20

13、30分钟，使其能在井壁造出台阶。f、 加压2吨均匀下放钻具，并随时调整工具面方向，使其一直在预定方位钻进。g、 随时捞取砂样，分析砂样中地层岩屑含量，判断侧钻情况，当砂样全为地层岩屑时钻头已全部进入地层，侧钻基本成功。h、 调整工具面方向，使所钻井眼方向与预定方位相吻合，井斜角方位角达到设计要求，起钻换转盘钻进。第二节 磨铣开窗工艺技术 一、 固定锚磨铣工具的结构和工作原理 图8-2 固定锚磨铣工具示意图固定地锚式磨铣工具的结构示意图如上图，主要由固定地锚、斜向器、起始铣、开窗铣、锥形铣、钻柱铣、西瓜铣、小磨些组成。其工作原理为：在套管内将斜向器固定，通过仪器测量定向，使斜向器斜面方向与设计开

14、窗侧钻方位一至，下入磨铣工具利用斜向面施加给磨铣工具的侧向力，将套管磨铣 出一椭圆形窗口，用扩眼工具将窗口扩大，使钻具能顺利通过，侧钻成新井眼重新完钻。二、固定锚磨铣工艺的几个重要名词 （1）“死点”位置：磨铣工具在磨铣套管过程中，某一点的线速度为零，对套管失去切削力，该点位置称谓“死点”位置。所有圆周动力的切削工具加工过程中都存在“死点”，有的是在工具设计制造中克服，有的是在切削过程中克服。（2） 开窗铣“上死点”位置：开窗过程中开窗铣磨至套管内壁到斜向器斜面的距离等于开窗铣半径时，开窗铣轴心线与套管内壁上某一点的线速度为零，形成“死点”，该点的位置称谓开窗铣的“上死点”位置。开窗铣“上死点

15、”位置计算公式如下 H1=Hx(米) X=A+ATN（度）式中： Hx斜向器项部深度 （米） D 套管内径 （毫米） d开窗铣切削刃直径 （毫米） X 斜向器在套管内的倾斜角 （度） A 斜向器的斜度 （度） s斜向器顶到铰链的长度 （毫米）（3） 开窗铣“下死点”位置：套管外壁到斜向器斜面的距离等于开窗铣半径时，开窗铣轴心线与套管外壁某一点的线速度为零的点位置称为开窗铣的“下死点”位置。开窗铣“下死点”位置计算公式如下 H2= Hx+ （米）式中： K套管壁厚 （毫米）（4） 开窗铣的“死点”段：“上死点”与“下死点”之间的一段称为开窗铣的“死点”段，在开窗过程中，开窗铣在斜向器斜面的作用下

16、，做垂直方向到水平方向的复合动力，在套管端面上形成无数个“死点”，所以在开窗过程中不是只存在“上死点”和“下死点”而是一死点段。（5） 窗顶位置：套管开窗工具所开窗口的顶部位置，即启始铣开始工作集团，其计算公式如下H2= Hx+L （米）式中： D2启始铣切削刃直径 （毫米） d2启始铣导向杆直径 （毫米） L 启始铣切削刃上端面到导向杆顶的长度 （米）（7） 窗底位置：套管开窗完成后，窗口的底部位置，其计算公式如下Hd=Hx+/1000 (米) （8）启始铣工作行程：套管开窗施工中启始铣开始工作的集团到工作结束的位置，称谓启始铣的工作行程。其计算公式如下 （毫米）三 固定锚斜向器式套管定向开

17、窗侧钻工艺技术1、 准备工作：（1） 工具的准备：选择适合本井尺寸的套管开窗工具，斜向器式套管定向开窗侧钻应准备下列工具 地锚总成 一套 斜向器总成 一套 启始铣 二只 开窗铣 六只 小磨鞋 二只 钻柱铣 四只 西瓜铣 四只 锥形铣 二只 钻杆胶塞（55mm直径钢球） 一只（2） 井眼的准备：与段铣式套管开窗井眼准备工作相同。2、 定向开窗工作步骤：（1） 工具的地面检查：a、 检查工具是否齐全，配足配齐所需备件，并对所有工具进行包装，防止运输过程中损坏。b、 检查地锚护送装置是否灵活好用，内外定向键方向是否一致，是否完好，悬挂钢球是否齐全，有无损坏。c、 检查完后，各部位涂好黄油，装配好备用

18、。（2） 下地锚作业及注意事项：a、 把尾管连接起来，在尾管的底端焊接一盲眼旧钻头，并在尾管的下部割三个直径为1520mm的旋流孔。b、 选择开窗位置尽量避开套管接箍，根据开窗位置与井底的深度定出尾管长度。c、 下尾管一定要紧好扣并用丝扣胶沾住或用电焊焊住，隔一根尾管加一个扶正器，尾管顶部连接地锚。d、 下地锚尾管一定要控制下钻速度，严格禁止猛刹猛放，遇阻不能超过一吨，防止尾管落井。e、 下钻过程中严禁转动转盘，所有下井工具必须用直径65mm的通径规，全部探伤后方可下井。f、 下钻过程中注意井口安全，防止井口落物。钻台上所有仪表必须灵活好用。g、 准备长钻杆（12米）短钻杆（3米）各两根，用以

19、调节转盘面以下钻杆长度符合设计开窗位置要求。h、 工程技术人员要坚持盯在钻台上，加强责任心，监督检查井队严格招待技术措施。（3） 定向固地锚作业及注意事项：a、 下钻完接触井底加压不得超过一吨，小排量慢慢开泵，不得调整泥浆性能。b、 陀螺测量仪器下井定向工作期间不得停电断电，定向完后座好钻具，锁住转盘，各方人员要积极配合协调工作。c、 固井人员检查并装好水泥头及钻杆胶塞，固井管汇要用软管线联接，以保证在替泥浆时能上提活动钻具。d、 水泥浆稠化时间大于360分钟，流动度大于20厘米，水泥浆比重180190。e、 注水泥浆前注入前置液一方，水泥浆量根据封固井段，比重达到要求后开始计量，注完水泥浆立

20、即压胶塞替泥浆剪销钉，保证整个作业过程连续进行。f、 剪销钉后钻具座在转盘上继续循环清洗地锚头2030分钟后，上提钻具一米，继续循环将多余水泥浆全部替出井口。g、 接方钻杆循环泥浆清洗井眼，每隔5分钟活动钻具一次，循环二周后起钻候凝48小时。（4） 通井探地锚头作业：a、 下钻过程中一定要平稳缓慢，防止溜钻，严禁猛刹猛放，遇阻下压不得超过一吨，注意井口安全，防止井口落物。b、 地锚对接内筒一定要清洗干净，斜向器与送人接头之连接销钉要焊牢，斜向器吊往钻台时要用崩绳抬起。c、 各方技术人员要密切配合，听从开窗技术人员指挥，对接地锚时司钻操作一定要平稳。d、 整个下钻过程中不得转动钻具，以保证斜向器

21、与地锚安全对接一次成功。e、 下钻至锚头顶部位置，加压05吨，慢慢转动转盘，进行对键，钻压回零后继续下放钻具。f、 测量方入是否与计算方入相吻合，转动转盘35圈，观察转盘到车情况，上提钻具悬重是否增加。g、 若方入相吻合，转盘全部回车，上提钻具悬重增加58吨左右提不脱，说明斜向器与地锚已对接好。h、 下放钻具慢慢加压，观察指重表当灵敏表突然回零，说明销钉已剪断，斜向器已甩下。（6） 启始铣下井作业：a、 钻具结构：起始铣+钻铤三柱+钻杆b、 详细测量启始铣内外径，绘制草图，下钻速度一定要缓慢中途遇阻不能硬压，应起钻通井。c、 下钻至斜向器顶端以上10米，开泵循环，探方入及遇阻深度，空钻压转动钻

22、具30分钟。d、 加钻压12吨，转盘转速5060转/分钟，泥浆性能应满足携带铁屑的能力。e、 磨铣到启始铣死点位置，起钻并计算目前窗口能否满足下开窗铣的要求，若不能满足则再下导向杆直径小的启始铣。f、 满足下开窗铣的条件是启始铣所开窗口底部套管外壁到斜向器斜面的距离应小于开窗铣的直径。（7） 开窗铣下井作业：a、 钻具结构：开窗铣+钻铤三柱+钻杆b、 下钻过程中不能转动钻具，开窗铣下到斜向器顶部位置时要缓慢下放钻具，遇阻转动转盘35圈继续下放。c、 开窗铣下至启始铣所开窗口底部，加压35吨磨铣，转盘转速控制在60转/分钟左右，泥浆排量及性能应满足携岩要求。d、 磨铣过程中钻压一定要平稳，送钻要

23、均匀，及时捞取井口返出的铁屑，分析开窗铣在井下工作状况。e、 当开窗铣磨铣到“上死点”位置时（套管内壁至斜向器斜面的距离等于开窗铣半经），起钻下小磨鞋过“死点”段。f、 小磨鞋磨过“下死点”位置后，继续下开窗铣把下部窗口开完，开下窗口时，钻压降到三吨，防止开窗铣滑入地层。g、 开窗过程中磨铣速度变慢，应起钻检查开窗铣或换开窗铣后继续磨铣，否则可能将斜向器磨坏。h、 窗口开完后，利用开窗铣钻进地层3-5米，为修窗口作业做好准备。加大排量循环洗井，把泥浆中固相含量降低。（8） 小磨鞋下井作业：a、 钻具结构：小磨鞋+钻铤三柱+钻杆b、 下钻至开窗铣“上死点”位置，转动转盘，加压3吨，转盘转速率0转

24、/分钏。c、 小磨鞋磨过“下死点”位置，起钻检查小磨鞋磨损情况，确认小磨鞋过“下死点”位置后换开窗铣继续磨铣。（9） 修窗口作业主注意事项：a、 钻具结构：锥形铣+西瓜铣+钻柱铣+钻铤三柱+钻杆。b、 锥形铣、西瓜铁、钻柱铣之间丝扣上紧段焊牢固，防止作业过程中脱扣落入井眼内。c、 下钻到斜向器顶部位置遇阴加压1-2吨，转盘转速60转/分，修窗口。d、 反复划修窗口直至上提下放钻具过窗口无任何显示，起钻换钻具组合侧钻钻进。e、 作业过程中注意井口安全，防止井口落物造成复杂事故。四 一体式地锚斜向器的结构和工作原理图8-3 一体式地锚斜向器图 8-4复式铣锥结构示意图 一体式地锚斜向器主要由护送器

25、、导向器、和地锚总承组成，地锚总承由悬挂系统、液压系统等部分组成，护送器和导向器时间之间用销钉联结，并有安全销，从而保证在地锚遇阻时，销钉不被剪断，导向器与地锚之间用液压管连接。工作原理是：地锚斜向器下到设计井深后，通过护送器内定向键与斜向器斜面在同一方向上这一特定结构，下入测量仪器定向，把歇斜向器斜面面对开窗方位，然后缓缓开泵，液体通过斜向器背面的传压管传递压力推动液压系统中的活塞下行，活塞推倒传压杆，使剪切套剪切销钉，小球落入井内，击活悬挂系统，在压缩弹簧的作用下，推动瓦片上行，接触套管并产生一定的外挤力，而后下放钻柱加压，剪切护送螺栓，完成地锚斜向器的锚定工作。 五 一体式地锚开窗侧钻工

26、艺1 井眼的准备（同套管段铣开窗）2 下一体式地锚作业（1） 在地面检查一体式地锚是否完好，有无损坏;（2） 选择开窗位置，尽量避开套管接箍; （3） 下地锚控制下放速度，严禁猛刹猛放。遇阻不超过20KN;（4） 下放过程中严禁开泵，以防提前坐封。3 定向座封地锚斜向器（1） 一体式地锚斜向器下入预定位置后，下入陀螺测量仪进行定向;（2） 开泵循环，靠液力简断安全销，地锚打开卡瓦;（3） 加压剪断护送销钉，甩掉地锚斜向器，完成座封。4 下复式铣锥（1） 下入如下钻具组合：复式铣锥+钻柱铣+钻铤3柱+钻杆（2） 下钻至斜向器顶端以上10米，开泵循环，探方入;（3） 缓慢启动动钻盘，低速旋转，慢慢

27、下方，先磨出一个均匀光滑的接触面。开窗磨铣分以下三个阶段：（1） 开泵第一阶段：从铣锥磨铣斜向器顶部到铣锥底部与套管内壁接触为开窗第一阶段。此段开始要轻压慢转，然后中压中速磨铣，钻压应控制在本世纪内5KN，转速6080r/min,目的是使铣鞋先磨铣出一个均匀接触面并达到磨铣切削的目的;（2） 开窗第二个阶段：从铣锥底圆接触套管内壁到底圆刚出套管外壁为开窗第二阶段。此段加大钻压很容易提前外滑，但不加钻压又不容易磨铣切削套管，因此钻压应控制在515KN，转速80120r/min，使铣锥沿套管外壁均匀磨铣，保证窗口长度;（3） 开创第三阶段：从铣锥第圆出套管到铣锥最大直径全部铣过套管为开窗第三阶段。

28、此段是保证下套管圆滑的关键阶段，只要稍一加压就会滑出套管，因此钻应控制在15KN，转速120150r/min,定点快速铣进，其长度等于一个铣锥长度。以上三个阶段，修井液上反速度均应大于0.6m/s,否则磨铣套管过程中的碎物不宜携带出来。第三节 套管开窗工艺的应用分析及发展前景一 固定锚侧钻工艺的应用分析 固定锚侧钻工艺是一种应用较早的侧钻工艺，最早的时候，该套工具主要应用于钻定向井，采用钻杆记号累加到井口、地面定向的方法，工艺极为复杂。由于测量仪器的发展，适得固定锚系统的定向方法大为改观。随着井下马达和弯接头的相继出现，普通定向工艺得到了长足进展，基本上淘汰了固定锚系统在普通定向井中的应用。但

29、是固定锚系统应用于井眼的侧钻，仍有其存在的空间。其一，对于那些地层较硬的裸眼井，由于目的层的偏误、井下事故等原因造成必须侧钻时，若打入水泥造成人工井底，使用定向马达侧钻，钻头的侧向力不足以克服坚硬的地层而容易导致钻头沿着老井眼下滑。而一体式斜向器难以保证在裸眼中座稳，这时使用固定锚斜向器无疑是最佳选择。其二，由于某种原因需要在大尺寸套管中侧钻时，由于井眼半径较大适得扭矩大增，冲从而降低锻铣器的使用效率，有时需要多付刀片才能锻铣出十多米的套管，使侧钻成本大大增加。而采用一体式斜向器难以保证后期作业中松动，一旦松动，就会前功尽弃，甚至造成不堪设想的后果。而使用固定锚系统恰恰克服了上述两个弱点。 但是固定锚系统也存在着一些弱点：a. 侧钻工艺复杂。由于固