套损井修井磨铣参数优化

刘祖林 （中石化中原石油勘探局井下特种作业处，河南濮阳457001）

王木乐，陈 灿 余 涛，邹峰梅 （中石化中原油田分公司采油工程技术研究院，河南濮阳457001）

马志亮 （北京温菲尔德石油技术开发有限公司，北京100191）

刘 文 （中石化中原石油勘探局，河南濮阳457001）

套损井修井磨铣参数优化

刘祖林 （中石化中原石油勘探局井下特种作业处，河南濮阳457001）

王木乐，陈 灿 余 涛，邹峰梅 （中石化中原油田分公司采油工程技术研究院，河南濮阳457001）

马志亮 （北京温菲尔德石油技术开发有限公司，北京100191）

刘 文 （中石化中原石油勘探局，河南濮阳457001）

中原油田在套损井磨铣过程中由于管柱组合、施工参数选择不当，常发生套管开窗事故。在对套管开窗事故因素进行分析的基础上，应用有限元方法，对施工参数与磨鞋横向位移的关系进行了分析，并从磨铣压力和磨铣钻速两方面对磨铣参数进行了优化。研究认为，通过确定最优钻压和转速的范围，可以减小磨鞋的横向位移值，进而达到在磨铣过程中降低磨鞋偏磨套管风险的目的。现场应用表明，优化结果对现场施工具有重要的指导意义，施工效果良好。

磨铣；套损井；临界钻压；磨铣管柱

目前中原油田针对复杂落物井，常采用磨铣方法进行事故处理；然而磨铣过程中由于管柱组合、施工参数选择不当，经常造成套管开窗事故的发生。调查结果显示，中原油田在修井作业中因套管开窗而造成中途完井的数量逐年增多，2005～2009年中原油田修井1227口（其中修复1112口，中途完井115口），其中因修井过程中造成套管开窗而中途完井共36口，占中途完井总数的31.2%，严重影响到油气开采后续工作的顺利进行，给油田作业带来巨大的经济损失。为此，笔者在分析中原油田修井过程中影响套管开窗因素的基础上，结合现场施工情况，优选现场施工参数和管柱组合，从而减少套管偏磨、防止套管开窗，亦为现场修井作业进行理论指导。

1 套管开窗事故因素分析

分析表明，施工钻压不合理是造成套管开窗的一个重要原因。合理选取钻压，对于实现磨铣过程中套管防开窗非常必要。当钻压过大时，钻杆即失去直线状态产生一定的挠度，同时使磨铣工具偏离套管轴心线一定角度；当角度偏斜过大时，磨铣工具可能磨铣套管内壁，严重时会造成套管开窗。

分析发现，中原油田修井过程中选用的管柱组合很少使用扶正器和钻铤。磨铣时，使用扶正器可以防斜和纠斜［1］。而使用钻铤可以增加管柱的稳定性和刚度。因此根据管柱在井下的受力分析，选择刚度大、承压能力强、不易弯曲变形的磨铣管柱组合，对于防开窗是非常有效的。

2 施工参数与磨铣工具横向位移的关系

在磨铣过程中，如果磨铣工具的施工参数选择不合适，将会使磨铣工具偏离其理想工作位置，发生横向位移，与套管发生接触，从而造成套管开窗事故。

对于磨铣工具来说，工作参数主要是钻压和转速。考虑到实际情况，在研究中选取具有代表性的114mm的平底磨鞋磨铣×73mm平式油管进行磨铣切削的有限元分析，分析模型如图1所示。

图1 磨铣工具有限元分析模型

磨铣过程中，钻柱下部同时承受着轴向压力和扭矩，当钻压超过临界值时钻柱将会产生纵向弯曲。通过理论分析和试验证实，扭矩也能使钻杆丧失扭曲稳定性。根据在铰支条件下，钻压与扭矩具有的关系，计算得到了几组钻压和扭矩的配比组合，利用不同钻压和扭矩的配比数据进行有限元分析，得到了不同钻压／扭矩作用下的磨鞋的最大横向位移量，并绘制成了不同钻压／扭矩与磨鞋最大横向位移量的关系图，如图2所示。

根据图2所呈现的有限元仿真计算结果可知，在钻压和扭矩共同作用时，磨鞋会产生一定横向位移。当钻压为30kN，扭矩为415N·m时，磨鞋的横向位移达到最小值，该值可作为最优钻压／扭矩的参考值。由此可以说明，通过确定最优钻压和转速的范围，可以减小磨鞋的横向位移值，进而降低磨铣过程中磨鞋偏磨套管的风险。

图2 钻压／扭矩与磨鞋横向最大位移量的关系

3 磨铣参数优化

在正常修井过程中，部分管柱的重力作为钻压施加在磨鞋上，使得上部管柱受拉伸而下部管柱受压缩。在钻压较小和直井条件下，管柱也是直的；但当压力达到钻柱的临界压力值时，下部管柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触于某个点，此时钻柱处于一次弯曲状态，临界压力值称为一次临界压力。如果继续增大钻压，则会出现管柱的第二次弯曲［2］，如图3所示。因此，在对磨铣管柱进行优化时所采用的原则就是使管柱具有足够的刚度能够承受相应的钻压及其他工程参数的作用。增加管柱的刚度和稳定性，可以将中和点以下的管柱换为钻铤，也可以通过在适当的位置设置扶正器来实现。

图3 管柱一次和二次弯曲示意图

图4 管柱模型

3.1 磨铣压力的选择

为了使中和点以下管柱能够承受更大的钻压，可在中和点处加一扶正器，将该扶正器与磨铣工具之间的钻铤作为研究对象，如图4。P为钻压，A、B点为钻柱模型铰支，管柱上由自重产生的侧向力为qsinα。假设磨鞋与中和点扶正器处的横向力均为零，即磨鞋上无造斜力，在这种情况下，管柱的挠曲微分方程［3］为：

根据微分方程的解析结果，管柱发生一次、二次、三次弯曲的临界钻压为：

式中，E为弹性模量，MPa；q为每米钻铤在泥浆中的有效重量，N／m；Pi为第i次临界钻压（i＝1，2，3）；Ii为第i次临界钻压时中和点的位置（从磨铣处算起，i＝1，2，3）；qm为每米钻铤在泥浆中的有效重量，N／m；E为弹性模量，206GPa；I为惯性矩，分别为套管外、内径，cm。

3.2 磨铣转速的选择

在实际工作中，管柱下部同时承受着钻压和扭矩等作用。在不同钻压、扭矩和井斜角条件下，管柱受力是不一样的。利用能量法，可以得到在铰支条件下钻压与扭矩的对应关系［4］，进而可确定磨铣钻压所对应的转速。

式中，ω为角速度，rad／s；l为管柱长度，m。

4 现场应用

表1 文79－133井基础数据

表2 文79－133井套管数据

利用所编制的程序计算得到一次临界钻压为28kN，根据式（3）钻压与转速的关系计算得到对应的转速为60r／min；二次临界钻压为34kN，根据式（3）计算得到对应的转速为30r／min。钻压与转速关系如图5所示。二次钻压对应的转速太小，磨铣时不易产生进尺，因此磨铣最大钻压确定为一次临界钻压。在该条件下，磨铣管柱为4根104.8mm的钻铤并考虑到管柱稳定性，在第4根钻铤末尾与钻杆处添加扶正器。该套磨铣工具方案及参数通过现场施工表明，效果良好，可以打捞出所有落物。

图5 钻压与转速关系

5 结 论

1）在不同钻压和对应的扭矩的作用下，磨铣工具和管柱组合会产生一定的横向位移，当磨鞋的横向位移达到最小值时，对应的钻压／扭矩可作为最优施工参数的参考值。

2）通过确定最优钻压和转速的范围，可以减小磨鞋的横向位移，进而降低磨铣过程中磨鞋偏磨套管的风险。

3）采用合理的钻压是防止侧钻开窗的前提条件，钻压必须不大于使用管柱的一次临界钻压。

4）合理的磨铣管柱是防开窗的必要保证，采用添加扶正器与钻铤的磨铣管柱组合既可以增加管柱承受钻压的能力，防止管柱在低钻压的工作条件下发生弯曲，也可以大大提高管柱在磨铣工作时的稳定性。

［1］Juvkam－Wold，Wu Jiang.Casing deflection and centralizer spacing calculation［J］.SPE21282－PA，1992.

［2］陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术［M］.北京：石油大学出版社，2006.

［3］闭乐泉.直井中高次临界钻压的探讨［J］.石油钻采工艺，1980，2（6）：38～41.

［4］姜伟.可控偏心稳定器钻具组合弹性稳定性研究及其应用［J］.中国海上油气，2007，19（2）：107～111.

［编辑］ 萧 雨

99 Parameter Optimization for Milling in Casing Damaged Wells

LIU Zu－lin，WANG Mu－le，CHEN Can，YU Tao，ZHOU Feng－mei，MA Zhi－liang，LIU Wen

（First Authors Address：Department of Special Downhole Operation，Zhongyuan Oilfield Company，SINOPEC，Puyang457001，Henan，China）

For unsuitably selected casing string assembly or operation parameters，sidetracking always happened duringmilling in Zhongyuan Oilfield.Based on the analysis of causes for sidetracking，the relationship between the operation parameters and the transverse displacement of the casing string assembly was analyzed by means of FEA，and the milling pressure and rotation speed was also optimized.It is found that the optimal weight on bit and rotation speed can reduce the transverse displacement of mill shoes，and the probability of sidetracking.Field application shows that it provides a basis for field operation and good effect is obtained.

milling；casing damaged wells；critical drilling pressure；milling casing string

book=1,ebook=1

TE28

A

1000－9752（2012）05－0099－04

2012－01－16

国家科技重大专项（2011ZX05017－003）。

刘祖林（1963－），男，1983年江汉石油学院毕业，高级工程师，现从事修井与压裂技术管理工作。