双层套管内侧钻开窗技术研究及应用

双层套管内侧钻开窗技术研究及应用摘要：本文重点介绍双层套管内侧钻开窗工艺技术措施和注意事项，介绍了开窗工具的用途及特点；通过建立力学模型，应用实例优化开窗参数，在双层套管开窗施工中取得良好效果，希望能给同行在工作中借鉴和帮助。 关键词：双层套管；侧钻；开窗；研究与应用Abstract:Thispaperfocusesontheinsideofthedouble-layercasingdrillingwindowtechnologymeasuresandprecautions,theuseofwindowtoolsandfeatures;throughtheestablishmentofthemechanicalmodel,theapplicationinstancetooptimizethewindowparametersinthedoublecasingwindowconstructionachievedgoodresults,Ihopetogivecounterpartstolearnfromandhelpinthework.Keywords:doublecasing;sidetrack;window;ResearchandApplication 中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号： 0引言 从1882年美国钻成第1口侧钻井起，套管开窗工艺技术逐渐发展，20世纪50年代前苏联钻成一批分支定向井和丛式井，使开窗侧钻工艺技术日益完善，我国克拉玛依、玉门油田在20世纪60年代将定向钻井技术成功地应用于套管开窗侧钻。经过几十年的实践，工艺技术进一步发展，工具进一步完善、配套，形成了一整套独特的开窗侧钻工艺技术及配套工具。所谓侧钻工艺技术就是在油水井的某一特定深度固定一个斜向器，利用其斜面造斜和导斜作用，用铣锥在套管的侧面开窗，从窗口钻出新井眼，然后下尾管固井的一整套工艺技术。 开窗侧钻的意义及用途如下：（1）侧钻作为井下作业大修的主要工艺措施，使油井恢复生产，有利于提高开发效果，提高油井利用率，同时可节约钻井费用和地面建设费用。（2）通过侧钻井可以减缓水、气锥进，延长无水开采期，改善驱油效果。 （3）通过侧钻井可以有效地开发老油田的剩余油，可以有效地开发低渗透油藏，开发裂缝性油藏，开发薄油藏。 1开窗工具 1.1造斜工具：双卡瓦锚定封隔器型造斜器 1.1.1用途 双卡瓦锚定封隔器型造斜器主要用于非水泥封隔下部油、水层定向开窗侧钻。双卡瓦锚定封隔型造斜器是将坐卡机构和封隔机构结为一体，实现导斜体自动对接，保证导斜体锚定牢固，封隔上、下压力液体可靠，同时与其他配套工具联合工作可进行定向开窗侧钻。这种造斜器的主要优点： （1）结构先进、功能齐全。这种造斜器有上、下两套整体式圆卡瓦，有坐卡后锁紧机构，保证坐卡力衡定。有高性能胶筒压缩性和密封性都很好，同时造斜器自身带定向短节。 （2）适用范围广。这种造斜器自身有锚定机构，不受井深、井浅的限制。 （3）性能可靠、作业成功率高。 1.1.2结构 双卡瓦锚定封隔器型造斜器由坐卡封隔总成、丢手测向总成和导斜对接总成三大部件组成。坐卡封隔总成主要由液力推动机构和坐封锁紧机构组成，如图1所示。导斜对接总成由斜口接头、中间接头销轴、导斜体等件组成，如图2所示。丢手侧向总成由丢手接头、上锁紧套、锁紧环、球座、钢球、各种密封件及侧向短节等零件组成，如图3所示。 1.2开窗工具：复式铣锥 铣锥是磨铣套管开窗的工具，本体由优质钢锻制加工而成。主要工作面是侧钻的硬质合金刀刃。侧钻常用的铣锥为复式铣锥。对铣锥的基本要求是开窗快，耐磨性好，几何形态利于切削，切削的负荷小，不易卡钻，便于排屑。铣锥的最大直径尽量与裸眼钻头直径相同，以便在开窗后不再需要扩眼。 复式铣锥由四级不同锥度的锥体组成。最下一级是锥体头部，锥度20~30°，具有底部切削刀，其作用是引导铣锥前进，防止铣锥提前滑出套管。第二段锥度6~10°，刀刃长度最长，是磨铣套管的主要工作段。第三段锥体斜度与斜向器斜度基本相同，其作用是扩大窗口。最上一段锥度为零，主要作用是修整窗口。 2套管开窗技术 2.1概述 套管开窗是套管内侧钻施工中的主要环节，它是用铣锥沿着斜向器斜面磨铣套管，在套管上开一斜长圆滑的窗口，便于钻具与尾管的顺利下入。因此，窗口质量好坏对下一步施工影响很大。为快速优质安全地开好窗口，要根据所选用的铣锥与斜向器以及套管等因素，事先设计出开窗过程的技术参数。依据施工经验，开窗分三个阶段，各阶段的技术要求如下： （1）开窗第一阶段:从铣锥磨铣斜向器顶部到铣锥底圆与套管内壁接触，此段开始要轻压慢转，然后中速磨铣，钻压为2~5kN，转速60~80r/min。 （2）开窗第二阶段:从铣锥底圆接触套管内壁到底圆刚出套管外壁。此阶段钻井压力应为5~15kN，转速80~120r/min，使铣锥沿套管外壁均匀磨铣，保证窗口长度。 （3）开窗第三阶段:从铣锥底圆出套管到铣锥，最大直径全部铣过套管，此段保证下窗口圆滑，钻压应为1~SkN，钻速120~150r/min，定点快速铣进，其长度等于一个铣锥长度。 2.2双套开窗技术 双层套管开窗是在开窗处存在两层套管（油层套管和技术套管）时进行的开窗侧钻。目前，还没有适用于双层套管开窗的专用工具（导斜器和铣锥等），只能借助于常规的单层套管开窗工具进行双层套管开窗作业。由于双层套管的尺寸、钢级强度以及两层套管间的间隙等因素的影响，使得双层套管开窗难度增大。主要有以下几点： 2.2.1开窗窗口长度的确定 窗口长度是指开窗结束时铣锥最少纯进尺。同单层套管开窗相比，双层套管开窗的窗口长度除受到开窗工具（导斜器和铣锥）影响外，还受到双层套管的尺寸、套管钢级强度差异以及2层套管间的间隙等其他因素的影响。为简化计算，假定套管居中，套管钢级强度差异很小。如图4所示，根据相似三角形性质，双层套管开窗窗口长度L为： 图4双层套管开窗结构示意图 L=L0（D1一D0）/（2D0）+L0+L1① 式中L—窗口长度，mm； L0—导斜器斜斜面长度，mm； D1—技术套管外径，mm； L1—铣锥长度（不含接头长度），mm； D0—导斜器最大外径，mm。 窗口实际长度: ②为确定技术套管上窗口的实际长度，首先必须计算当铣锥刚接触技术套管时铣锥纯进尺Lx：③则，技术套管上窗口的实际长度：④式中 d1—技术套管内径，mm; d2—铣锥头外径，mm。 2.2.2开窗参数的确定 a、钻压双层套管开窗作业时，钻压是关键。如果钻压过大，铣锥将提前出套，窗口短，导致下钻头和下套管困难；如果钻压过小，铣锥将出不了套管，严重时可能会将导斜器磨掉。此外，在双层套管开窗时，特别要注意的是当铣锥刚接触技术套管时钻压的确定。此时如果不增大钻压，铣锥就出不了技术套管。双层套管开窗时钻压变化情况见图5。图5双层套管开窗时钻压变化情况为检验钻压大小，还可以根据井口返出的铁屑进行调整，调整依据见表1。表1铁屑状态与钻压的关系 b、转速 双层套管开窗过程分4个阶段：（1）铣锥与套管接触阶段，铣锥开始磨铣导斜器顶部，同时铣锥头直径圆周与套管内壁接触磨铣，使套管壁首先被均匀磨出1个光滑的接触圆面，此时钻压低，转速不超过40r/min。（2）骑油层套管到接触技术套管阶段，此时应逐渐增加钻压和转速。（3）骑双层套管阶段，此时应保持高转速不变，逐渐降低钻压。（4）出技术套管阶段，此时应采用低钻压高转速。修窗时转速最大，钻压最小，推荐转速见表2。 表2双层套管转速推荐值 2.2.3操作注意事项 （1）开窗钻具配合要使铣锥顶部有一刚性很大，长度在8~10m的钻铤或加重钻杆，以保证窗口质量。 （2）更换铣锥时，直径最好要一致，铣锥尺寸必须大于所下尾管接箍。更换大小一致的铣锥时，只能由小到大，不能由大到小，以免产生台阶后铣进、钻进、下尾管困难。 （3）修窗口时，铣锥容易悬空铣进，高速转动容易脱扣。因此，钻具丝扣必须上紧，井下钻具要严格检查，坚决防止掉断事故发生。开窗之前必须对地面设备、钻井液性能、钻井仪表、井下钻具等做好全面检查，保证完好，使开窗工作顺利进行到底。 （4）在开窗磨铣过程中，修井液返速均应大于0.6m/s，以保证磨铣碎屑上返井口。同时为更好地将铁屑携带到地面，常用轻质钻井液开窗，在循环出口处放1块磁铁将铁屑清除干净。 3现场应用效果 板831-4K井位于板北断块砂体较低部位，由于边底水的锥进，为提高该区产量，进一步挖掘潜力，决定进行定向侧钻（表3）。表3板831-4K井油井基本数据 该井开窗位置在1867m，完钻井深2555.15m，水平位移425m，选择的导斜器导角为3°，斜面长1900mm，导斜器外径114mm，铣锥长1100mm，铣锥最大外径118mm，铣锥头外径90mm。根据公式，计算得L=4080.75mm;根据公式计算得出窗口的实际长度L1=2040.23mm，铣锥刚接触技术套管时铣锥纯进尺Lx为1.42m，技术套管窗口的实际长度Lxl为1.58m。2008年10月17日，该井在施工时，开（修）窗情况均正常，开窗1次成功，窗口长度为4.0m，开窗钻具组合是:Ф118mm×1.2m铣锥+Ф105mm短钻铤×2+Ф78.6mm加重钻杆×14根+Ф73mm正扣钻杆若干，开窗参数见表4。表4板831-4K井开窗参数 通过对双层套管开窗过程的定性分析和粗略的计算，确定出双层套管开窗的窗口长度和开窗参数，在实际操作中进行灵活应用，该井开窗15h，窗口规则，起下钻头和下套管均一次成功，同以往井相比，取得了比较明显的效果。 4认识与结论 （1）双层套管开窗时，选择导斜器的硬度应与开窗套管中强度较大的那层套管相当，不能过大也不能过小。 （2）双层套管开窗成败的关键因素是钻压，特别是当铣锥刚接触第2层套管时的钻压，通常应比所使用钻挺的重力多10~20kN，而当铣锥进入第2层套管后应适当采用低钻压。 （3）开窗前先应确定出