一种连续管开窗技术实践

2019-08-30张燕萍王金宏吴千里

钻采工艺 2019年4期

张燕萍，王金宏, 李峰, 吴千里

(1中国石油集团工程技术研究院有限公司 2中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司)

国内大多数老油田已经处于开发的中后期，低产、停产及报废井越来越多，但老油田采收率平均只有30%，在局部地区仍然存在较为丰富的剩余油没有开发，而国外某些油田的采收率已经达到50%～60%，因此我国老油田采收率还有很大的提升空间，开窗侧钻技术的研究日益成为国内油田研究的重点。

连续管开窗侧钻以其占地面积小、钻机搬迁快速、连续下入和钻进过程不间断循环等特点开始受到国内一些企业的关注，并进行了一定的研究。

本文介绍了中石油工程院自主研发设计的一种连续管开窗技术及配套工具，并用于现场应用。通过实践，该开窗工艺的可行性以及工具的可靠性得到了验证。

一、连续管开窗技术

常规钻杆开窗是一种成熟技术，是需要将开窗铣锥接入到钻杆上，通过钻台面上的方钻杆或者顶驱对钻杆串施加一定扭矩，通过钻杆串将扭矩传递到井下开窗铣锥上，驱动开窗铣锥绕钻杆串中心轴旋转的同时沿着斜向器斜面轴向运动，切削套管直至套管破裂。

连续管开窗是将开窗铣锥通过连续管连接器与连续管连接。由于连续管缠绕在连续管滚筒上，在井筒内的运动为上下运动，无法在井口驱动连续管旋转带动开窗铣锥在井下旋转。因此，开窗铣锥上部需要连接可输出扭矩的动力钻具来带动开窗铣锥完成旋转破窗。但该技术与常规钻杆开窗相比存在需要克服的技术问题：①连续管抗扭刚度较小，不利于动力钻具扭矩传递；②常规动力钻具输出速度在140～320 r/min，在铣锥接触套管初期容易引起打齿，毁坏铣锥；③开窗不利于铣锥切削套管，而且也与斜向器导斜面相互摩擦，既造成能量损失、导致开窗效率降低，又造成铣鞋和斜向器磨损，影响连续管开窗效果。

二、开窗试验

1 .连续管开窗BHA

连续油管开窗侧钻所用的主要井下工具有连续油管连接器、回压阀、液压断开接头、可循环接头、非旋转接头、开窗马达、开窗铣锥，如图1所示等。

连续油管连接器用于连接连续油管和井下工具，并承受轴向载荷和扭转载荷，现场一般采用卡瓦式连接器。回压阀安装在连续油管接头下方，用于阻止钻井液的反向流动。现场根据实际情况选择安装或者不安装。液压断开接头位于回压阀下方，在卡钻时用于分离上部和下部工具串，防止插旗杆。工作时可投球憋压断开。非旋转接头，用于井口连接工序。当下部钻具进入井眼后并坐井口，上部钻具组合和下部钻具组合不可旋转的情况下，使用非旋转接头进行上下部分的连接。开窗马达采用低速大扭矩直螺杆马达，在Ø140mm套管内主要使用102规格的螺杆马达，马达头数为7：8，工作扭矩2 000 N·m。开窗铣锥，用于进行套管的开窗和修窗，可一趟钻完成套管开修窗作业。在穿过套管开窗时，为保持开窗BHA稳定，防止憋跳钻，应选用小粒度硬质合金头堆焊，低钻压，小排量切削。

2.开窗侧钻工艺

连续油管开窗侧钻国外应用较广泛的是水泥塞开窗侧钻技术。该技术需要注开窗水泥塞、钻导引孔和磨铣窗口。目前国内使用的连续管开窗侧钻技术为我院自主研发的斜向器定向开窗侧钻技术。其开窗工艺为：

图1连续管开窗BHA

1连续管 2连接器 3回压阀 4液压断开接头 5非旋转接头 6开窗马达 7开窗铣锥

(1)下井下定位总成并测量定位总成定向斜口的方位。井下定位总成是一种井下锚定工具，通过液压方式将其固定在井下。

(2)下入自旋转斜向器并卡在井下定位总成上，井下定位总成与自旋转斜向器连接在一起，承受开窗时的钻压和扭矩。自旋转斜向器系统有与井下定位总成相配合的定位斜口，通过该定位斜口在井下自旋转到位后与井下定位总成锁定，通过送入工具上提可完成丢手。完成丢手后该自旋转斜向器的工具面与设计开窗方位一致。

(3)磨铣窗口。管串功能：开窗+修窗。针对Ø140 mm套管，下入连续管开窗BHA：Ø73 mm连续管+连续油管连接器+回压阀+液压断开接头+可循环接头+非旋转接头+加重钻杆+开窗马达+开窗铣锥。

在非旋转接头与开窗马达之间接有8～9根Ø73 mm加重钻杆，以增加钻压和工具面的稳定性。开窗作业中，最关键的技术之一是慢下轻触探底磨铣。磨铣进尺到0.4 m后在保证不蹩泵的情况下加钻压磨铣，此时磨铣速度较之前明显下降，直到进尺2.8～3 m后，窗口完全磨铣完毕。继续进尺到5 m完成开窗通道施工，上下拖动管串进行修窗直至窗口无挂卡。

(4)侧钻。开窗完成后根据井眼轨迹选取不同弯度螺杆完成造斜段和稳斜段钻进。

3．开窗侧钻地面模拟实验

该实验主要由以下几个阶段组成。第一阶段：下井下定位总成。在井下，当送到位后，打压，利用建立起来的高压推动胀塞上行，将井下定位总成的膨胀管部分自下而上胀开并胀贴在Ø140 mm套管上。本实验完全模拟井下力学条件，测试该系统的施工压力。第二阶段：下自旋转斜向器。膨胀管定位后，下入斜向器，坐在膨胀管定位系统上。测试该系统下放到位后的丢手的剪钉剪断值。第三阶段：开窗作业。模拟现场，下入开窗铣锥和螺杆马达，测试开窗过程中的各项参数：排量，扭矩，钻压等。其实验目的主要为在完全模拟井下力学条件和使用工况的情况下，用螺杆马达带动开窗铣锥，在Ø140 mm套管开窗实验中，研究其钻压、转速和排量对开窗的影响。

实验结果：

(1)下井下定位总成管串：Ø73 mm油管+转换接头+井下定位总成。打压压力28 MPa，系统压力掉零，停泵，完成实验。

(2)下自旋转斜向器实验管串：Ø73 mm油管+转换接头+轴承短节+自旋转斜向器。下放斜向器，受压旋转后下放到底，下压至6 t后确认斜向器到位，上提7T将斜向器丢手螺栓剪断，提出丢手。

(3)作业管串：Ø73 mm油管+转换接头+螺杆马达+开窗铣锥。泵排量:9 L/s，泵压:5 MPa，铣锥开始切削套管;泵排量6.44 L/s，泵压3.89 MPa，铣锥切穿套管;泵排量5～6 L/s，泵压2～4 MPa，铣锥继续切削套管直至窗口全部切削完成。结论：螺杆马达+开窗铣锥的开窗工艺理论上可行,可以运用于连续管钻机用于套管开窗作业。

存在问题1：由于开窗条件所限，Ø140 mm套管空悬地下，当铣锥开破套管后可能会由于前端失去支撑力而无法加钻压。鉴于此，该试验只能试验开窗初期的工艺。理论窗口长度2 293 mm，实际开窗长度1 260 mm。

存在问题2：理论上铣锥下行176 mm后开始钻破套管，实际上铣锥多下行约1 000 mm后钻破套管，导致开窗时间多了17 h。原因分析：斜向器硬度不够，而此次开窗套管硬度较高，导致铣锥同时切削斜向器和套管。改进：调整斜向器斜面硬度，从原来的HRC280-302调整到HRC300-330，使之适应各种级别套管，改变热处理工艺，保证硬度处处均匀(如图2)。

图2 斜向器斜面硬度

存在问题3：本次实验共开窗20 h，磨铣金属14.56 kg，使用2根铣锥，且开窗铣锥头外缘全部磨平，开窗铣锥保径处有磨损。原因分析：初始泵排量:9 L/s，泵压:5 MPa，钻压0.5 t，开窗铣锥开始切削套管，此时转速85 r/min，现场可以听到很大的震动声音。初步判断小钻压，高转速造成开窗铣锥在套管内旋转冲击，导致磨损加快。改进：调整参数，初始泵排量5～6 L，降低初始转速，增加钻压至1 t，减小冲击震动；开窗铣锥硬质合金头选用更细颗粒堆焊。

4．连续管开窗侧钻现场试验

2014年6月，在大港油田女S67-43井进行了连续管开窗、侧钻试验。实现了使用连续管+低速大扭矩开窗螺杆马达+开窗铣锥一趟钻开窗、修窗和钻进工艺，验证了开窗工具的现场适应性。低速大扭矩开窗螺杆马达可以满足现场连续管开窗扭矩要求。开窗铣锥可一次性完成开窗和修窗。连续管开窗20 h，相对10～12 h的常规钻杆开窗时间相对长，窗口规则，通过性好，修窗时间相对短，综合优势明显。

2015年5月，在大港油田142-2K井进行了开窗、侧钻全过程试验。该井自1 506 m开窗、1 909 m完钻，完钻井斜26°，其中1 506～1 509 m为开窗井段，连续管开窗18 h，相较上一口井提速2 h。

2015年11月，在大港油田港3-57-2K井进行了开窗、侧钻全过程试验。开修窗时间18 h。

2016年10月，在大港油田港539-3HK井进行了开窗、侧钻全过程试验。该井设计自1 408 m开窗，2 226 m完钻。1 407～1 410 m为铣锥开窗井段，连续管通井、刮削、井下定位系统坐封、斜向器坐挂、连续管开窗各工序一次成功，开修窗时间14 h，与常规开窗相比窗口更加平滑，通过性好。