超深井高强度厚壁套管开窗侧钻技术难点与对策

李涛

中国石油西南油气田分公司 工程技术研究院（四川 成都610000）

超深井的开窗侧钻仍面临很多难题，主要表现在开窗工具要求高，侧钻期间对定向钻具组合和钻井液性能要求高[1-5]。JT1井位于四川盆地川中古隆起龙女寺构造北斜坡八角场构造，是一口探索北斜坡龙王庙组、灯影组四段构造岩性圈闭含油气性的风险探井[6-7]。该井完钻井深7 766 m，完钻层位灯四段。该井在试油过程中发生管柱断裂事故，后处理落鱼，由于后续打捞落鱼难度大、耗时长，最后决定对该井进行侧钻。第一次侧钻时斜向器座挂在井深7 255.8 m，下入铣锥在7 253.5 m开窗侧钻，经过四趟开窗磨铣作业，在修复窗口期间钻具遇卡，经反复处理未解卡，爆炸松扣后起出钻具，鱼顶井深7 215.5 m，本文重点介绍第二次侧钻情况。

1 井深结构

考虑JT1井目前鱼顶在7 215.5 m，选择在Φ206.38 mm套管开窗，为减少侧钻筇竹寺井段长度，根据扶正器和套管接箍位置，选择开窗点在7 190 m左右。

表1 JT1井(侧)井深结构设计

本井先用Φ165.1 mm钻头，密度1.80 g/cm3油基钻井液钻至灯四段，用精细控压先将密度缓慢降至1.50 g/cm3左右，若地层稳定，继续用Φ165.1 mm钻头钻至灯四段（井深约7 642 m）完钻，悬挂Φ139.7 mm尾管，射孔完井。若井下发生垮塌，提密度保持井下稳定，悬挂Φ139.7 mm尾管，回接油层套管后，采用Φ110 mm钻头钻至完钻井深。

2 侧钻施工难点分析

2.1 开窗点井深较深

本井开窗点井深超7 000 m，是目前四川油气田套管开窗点井深最深的井，国内外可借鉴资料少，钻井施工难度极大。

2.2 套管强度高、开窗难度大

本井在Φ206.38 mm套管进行开窗，套管钢级BG155V，壁厚17.25 mm，对开窗工具硬度、耐磨性要求极高；开窗完成后，如果窗口修整不好，起下钻在窗口处容易挂卡，其开窗难度极大[8]。

2.3 井控安全风险高

筇竹寺组与灯四段地层压力差异大，筇竹寺组设计压力系数1.60，灯四段设计压力系数1.22～1.27，合打风险极高。原用密度2.30 g/cm3钻井液在筇竹寺组7 367.8～7 370.0 m井段出现井漏，最大漏速38.4 m3/h，侧钻井眼采用1.80 g/cm3钻井液精细控压钻进筇竹寺组，垮塌风险大，在灯四段钻进中又逐步将密度降为1.50～1.60 g/cm3。预测灯四段地层压力系数为1.22～1.27，若以密度1.50～1.60 g/cm3钻井液钻进灯四段，一旦灯四段发生井漏，筇竹寺组可能发生垮塌，存在下漏上垮、溢的井控风险，处理难度极大。

3 套管开窗技术介绍

3.1 开窗点选择

在选择开窗点时，要求开窗点以上套管完好，开窗点附近固井质量较好且地层稳定，避开扶正器和套管接箍位置[9-10]。

3.2 钻井液优选

选择与侧钻地层配伍的钻井液，加强固控设备使用和钻井液性能维护，保持良好的钻井液性能。

3.3 井眼准备

根据开窗点位置确定注水泥塞井段，确保开窗点以下有150 m以上连续完整的水泥塞，水泥塞达到候凝时间后再通井钻塞至开窗点井深以下10 m左右，再用套管刮管器修刮管壁，保证管壁干净。

3.4 开窗作业

3.4.1 安放斜向器

送入斜向器时，要求操作平稳，下放速度要慢，不得猛刹猛放，遇阻不得超过20 kN，以防在下钻中途斜向器固定锚先期工作，造成支撑斜向器失败或过早剪断悬挂螺栓；下钻中途不得开泵，防止提前坐封。下入斜向器到预定位置后，投入钢球，开泵送球，到位后憋压坐封斜向器。进行斜向器倒扣时，应注意大钩载荷等于井内钻具重量，从而使送入器与斜向器连接处螺纹受力最小，以便卸扣。

3.4.2 领眼开窗磨铣

为开好窗口，保护斜向器顶不受破坏，先下入领眼起始铣鞋（或复式铣鞋），下入起始铣鞋到底时，加压10～20 kN，记下方入，计算好窗顶口位置，上提钻具，加压5～20 kN，转速50～60 r/min，磨铣30～40 min，进行领眼开窗磨铣，每磨进0.1～0.2 m，应上提钻具划眼，反复修磨窗口，并定时捞取钻井液中返出的铁屑，及时分析磨进情况。

3.4.3 开窗磨铣

下入锥形铣鞋或复式铣鞋，磨铣参数：钻压20～30 kN，转速40～50 r/min。每次下钻提前于窗口顶开始轻压划眼，反复修磨开出的窗口，再接触窗底按正常磨进参数继续磨进。磨铣过程中要求操作平稳，均匀送钻，并注意转盘负荷的变化，如发现负荷增加，则上提钻具反复修磨窗口。每30 min捞取钻井液中的返出物，分析砂样中铁屑所占的百分比。窗口开出后，用锥形铣鞋继续钻进4～5 m。

3.4.4 修整与加长窗口

下入复式铣鞋+柱形铣鞋，对窗口进行修整与加长，清除窗口上的毛刺，确保窗口光滑，并保证钻进钻具顺利下入。修磨过程要求操作平稳，提前于窗顶试探，遇阻则磨铣，不得强行加压通过，反复修磨，均匀慢送，直至不蹩不跳，上下活动无阻卡，再继续往下修磨。开窗完毕，彻底循环钻井液，认真清除钻井液中的铁屑，再起钻下螺杆定向钻进钻具。

3.4.5 定向侧钻形成新井眼

弯螺杆钻具下钻，注意控制下放速度，遇阻不得硬压，应转动方向后试下放。随时查看岩屑的代表性，每半米取一次砂样，记录一次钻时，根据实钻情况及时调整钻井参数，确保快速形成轨迹平滑的新井眼。

3.4.6 增斜段+稳斜段钻进

全程采用MWD监测增斜段+稳斜段井斜、方位，保证原井眼和侧钻井眼不相碰，实钻中加强井眼轨迹监测，实时调整定向钻井参数，确保达到设计增斜效果。每次起下钻，钻头进出窗口的过程中要小心操作，谨防卡钻。加强钻井液的维护处理，使其具有较好的抑制固相、防卡、防塌性能和较好的携砂能力，确保起下钻畅通无阻。

4 现场应用情况

4.1 井眼准备

1）下刮管器在鱼顶7 215 m上100 m井段内反复刮削3次，循环降低钻井液密度（2.26 g/cm3降至1.87 g/cm3）。

2）在鱼顶7 215 m以上100 m井段内进行电测，电测内容为固井质量、套管接箍、扶正器、校深。

4.2 斜向器锚定

下Φ160 mm斜向器至7 215.5 m探到鱼顶，上提钻具至7 190 m，投入Φ25 mm钢球，憋压25 MPa，稳压5 min压力未降，下压100 kN，上提50 kN，悬重无变化，确认斜向器座挂成功，正转倒扣50圈，起出送入钻具，下入斜向器如图1所示。

图1 SKDXQ-160斜向器

4.3 开窗作业

1）第一次磨铣。开窗钻具组合：Φ165 mm尖头铣锥+Φ88.9 mm钻铤1根+回压阀+Φ88.9 mm加重钻杆9柱+Φ101.6 mm钻杆85柱+Φ127 mm钻杆。下入的开窗铣锥如图2所示，下开窗铣锥至7 186.64 m探得斜向器顶，充分循环钻井液后进行开窗磨铣。磨铣参数：钻压0～4 t，转速50 r/min，排量20 L/s，泵压33 MPa。磨铣期间扭矩在0.7～1.0 kN·m，返出铁屑均质，在磨铣进尺1.05 m后钻压4 t不回，逐渐加钻压至8 t磨铣无进尺，决定起钻检查铣锥，分析井下情况。

图2 SKKC-165开窗铣锥

通过对出井铣锥的分析，发现铣锥本体磨损较小，主要是顶部（尖头部）磨损较大，崩齿严重（图3）。同时通过对返出铁屑进行分析，发现斜向器材质的洛氏硬度低于开窗套管，由于斜向器材质是表面热处理，表面硬度高，而内部材料硬度相对较低。

图3 第一次出井铣锥磨损情况

2）第二次磨铣。综合分析第一次磨铣情况后，第二次下入平头铣锥，开窗钻具组合：Φ165 mm平头铣锥+回压阀+Φ101.6 mm加重钻杆9柱+Φ101.6 mm钻杆85柱+Φ127 mm钻杆。下铣锥到底后，磨铣参数：钻压1～5 t，转速60 r/min，排量20 L/s，泵压32 MPa，扭矩6～9 kN·m，在磨铣0.5 m后扭矩8kN·m升至15 kN·m，顶驱蹩停，泵压32MPa降至29.3 MPa，随后上提钻具，无挂卡现象，同时分析返出铁屑中斜向器占较大比例，未见水泥块及岩屑，决定起钻检查，起钻完钻具未发现异常，铣锥水眼冲刷变大。

3）第三次磨铣。磨铣钻具组合：Φ165 mm平头铣锥+回压阀+Φ101.6 mm加重钻杆9柱+Φ101.6 mm钻杆85柱+Φ127 mm钻杆。磨铣井段：7 187.15～7 189.85 m，钻压3～7 t，转速40～70 r/min，排量19～20 L/s，泵压26～30 MPa，扭矩4～14 kN·m波动较大，顶驱反复蹩停，出口返出少量水泥块，随后继续磨铣修整窗口，扭矩5～7 kN·m逐渐平稳，返出少量铁屑，未见水泥块及岩屑，磨铣困难无进尺。上提钻具，开泵下放钻具至7 189.06 m遇阻10 kN（原悬重1 890 kN），开泵上提钻具至7 184.52 m，开顶驱（转速40 r/min）转动下放钻具至7 186.23 m扭矩4 kN·m升至14 kN·m，顶驱蹩停，释放扭矩后上提钻具至7 181.81 m，停顶驱下探至7 187.25 m悬重1 890降至1 850 kN，遇阻40 kN，上提钻具悬重至1 940 kN遇卡，在悬重1 500～3 100 kN反复上下活动钻具未解卡。

4）注酸解卡。注密度1.10 g/cm3浓度25%盐酸4 m3（钻具内留盐酸3 m3，环空1 m3，浸泡至铣锥以上66 m），候酸反应期间间断上下活动钻具（每隔20 min顶替密度1.88 g/cm3钻井液0.13 m3）。第5次上提钻具悬重至2 780 kN降至1 970 kN钻具解卡，起钻至7 115 m，循环排酸，起钻完，对出井铣锥进行观察分析，卡点位于铣锥本体，如图4所示，铣锥本体与窗口发生硬卡。

图4 注酸解卡后出井铣锥情况

4.4 卡钻总结分析

本井两次开窗均发生卡钻事故，其卡钻发生经过非常相似，都是在开窗磨铣刚出套管，返出非常清晰的管外水泥块，破而未出时发生卡钻。其主要表现在开窗工具无法顺利通过窗口进入地层，斜向器磨损严重，磨铣非常困难，磨铣基本无进尺，修窗期间阻卡、蹩跳严重。最后放弃该井侧钻施工，转入对上部地层进行试油作业，本井开窗侧钻虽然失败，但对于高钢级厚壁套管开窗有了初步认识。

分析第一次磨铣出井铣锥，发现顶部（尖头部）磨损较大，崩齿严重，所用较大切削齿铣锥可能不太适用于高钢级厚壁套管，特别在超深井钻杆扭矩传递困难的情况下，较大切削齿铣锥在低钻压、低转速磨铣条件下效果不理想。建议减小铣锥切削齿大小来增大切削受力面积，减轻崩齿情况；同时适当延长磨铣时间，尽量让窗口光滑、平整，降低阻卡风险；开窗时尽量选用圆头铣锥。

5 结论与认识

1）目前套管开窗技术对高钢级、厚壁套管开窗存在认识、经验不足的情况，需要钻井工作者去攻关难题。

2）在高钢级厚壁套管开窗时，斜向器硬度至关重要，一旦斜向器硬度低于套管硬度，可能无法磨铣出完整窗口，容易开窗失败。

3）所用较大切削齿铣锥在高钢级套管开窗时，很难磨铣出光滑、平整的窗口，在修窗时频繁发生阻卡，是发生卡钻的主要原因。建议使用较小切削齿的圆头铣锥，同时延长磨铣时间，尽量让窗口光滑、平整。

4）返出斜向器铁屑量大，随后铣进困难、上下阻卡时，对此现象警惕性不高，对井下情况分析不够，两次卡钻均在此情况下发生，对高钢级、厚壁套管开窗应改变思路，不断完善施工工艺，才可能有所突破。