海上油田一趟钻套管开窗技术

2022-08-25薛宪波张诚成张保康张文博

石油钻探技术 2022年4期

薛宪波，张诚成，张保康，张文博，曲跃

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部工程技术中心, 天津 300459）

套管开窗侧钻技术是近几十年来发展起来的一项新技术，在全球各油田得到了广泛应用，并取得了显著的经济效益。该技术从主井眼侧向钻出一个或多个水平井眼，以增大泄油面积、降低作业成本。侧钻井施工周期短、见效快，是油田老井改造、死井复活、降本增效的有效手段[1–7]。由于海上钻井成本高，作业工期较短，需要高效的钻井技术，且海上油田多采用丛式井开发，井眼轨迹复杂，开窗侧钻受井斜、狗腿度影响大，因此海上油田主要采用一趟钻套管开窗技术[8–9]。

目前我国海上油田的套管开窗作业主要由国外油田技术服务公司完成，国内尽管也开展了相关技术研究，但一趟钻实现开窗、修窗的技术仍不成熟，主要存在以下技术难点[10–14]：1）斜向器和磨鞋需要两趟钻送入，用时较长；2）锥式开窗磨鞋循迹性差，易偏离或跳出导斜面；3）送入工具与斜向器为刚性丝扣连接，管柱刚性强，通过大狗腿度井段时遇卡风险高；4）卡瓦行程短，对套管强度的要求高，套损严重的井容易出现斜向器无法坐封或坐封不稳的情况，导致开窗失败。为解决上述技术难点，笔者研制了海上油田专用的套管开窗工具，形成了具有自主知识产权的一趟钻套管开窗技术。渤海油田203口井应用该技术进行了套管开窗作业，与未应用该技术的邻井相比，一趟钻套管开窗技术能够显著提高套管开窗效率，降低钻井成本，为渤海油田利用套损井、提高低产井产量和复活废弃井提供了行之有效的技术。

1 技术原理

应用套管开窗侧钻技术时，下入特制的一趟钻套管开窗工具，利用磨鞋沿着斜向器斜面磨铣套管，在套管壁上形成一个斜长而圆滑的窗口[15]。套管开窗用的钻具组合由卡瓦斜向器、次级磨鞋、挠性短节、开窗磨鞋及引导磨鞋组成，如图1所示。开窗作业结束后，利用钻头总成和旋转导向钻具组合进行定向钻进，转向至水平方向，并沿水平方向继续平稳钻进。钻至设计井深后，可根据海上油田储层特点采用筛管、多功能导向管、化学防砂等完井方式完井，以满足不同油层的防砂需求。

图1 套管开窗钻具组合Fig.1 BHA of casing window sidetracking

2 一趟钻套管开窗工具

目前套管开窗工艺从斜向器坐挂方式上分为“单趟钻”和“两趟钻”2种。“两趟钻”是较为原始的斜向器坐挂工艺，第一趟钻专门用来定向和坐挂斜向器，第二趟钻用来开窗磨铣窗口。该工艺需要单独送钻并投球憋压坐挂斜向器，耗时较长、定向时需与陀螺测斜仪配合，费用高[16–17]。

因此，笔者重点研发通过节流压差坐挂的斜向器，以实现斜向器送入、坐挂和窗口磨铣一趟钻完成，并把机械坐挂作为备用应急坐挂方式。为确保与MWD定向仪器同时使用，液压坐挂系统应在满足MWD仪器工作排量情况下，产生的节流压差低于斜向器锚定机构的坐挂压力，且可无限次启停钻井泵。当节流压差激发斜向器坐挂装置时，自动推出卡瓦，将斜向器坐挂在套管内，从而实现一趟钻完成斜向器送入、坐挂和开窗作业[18]。

2.1 磨铣钻具组合

一趟钻开窗磨铣钻具组合包括开窗磨鞋、挠性短节和次级磨鞋，如图2所示。该磨铣钻具组合主要用于连接钻具和送入斜向器，在斜向器坐挂完成后与斜向器分离并沿斜向器导斜面进行磨铣，实现一趟钻完成送钻、磨铣作业。

图2 一趟钻开窗磨铣钻具组合Fig.2 Milling BHA for one-trip casing window sidetracking

1）开窗磨鞋。该磨鞋既要承担斜向器的送入及坐挂功能，还具有高效的切削结构来完成窗口的初始切削工作，因此开窗磨鞋采用2级外径来实现上述功能，并采用特殊合金钢制成，可快速磨铣套管及地层。引导磨鞋采用复合布齿方式，加焊偏心凸起，偏心凸起为硬质合金堆焊而成，用以切削套管而越过死点位置。

2）挠性短节。该短节为特制工具，它能使开窗钻具组合具有一定的挠性、自由通过井眼曲率较大的井段，保证开窗顺利。

3）次级磨鞋。主要保证窗口尺寸以及修窗。

2.2 斜向器坐挂及回收系统

斜向器具有液压和机械2种坐挂方式，可以一趟钻实现斜向器送入、坐挂及开窗作业。磨鞋组合与斜向器的分离丢手采用下压剪断剪切螺栓的方式，使用母锥回收斜向器。

2.3 节流阀与液压坐挂装置

斜向器的液压坐挂主要是通过节流阀和液压坐挂装置实现。节流阀由外筒和内筒2部分组成，通过3道密封圈实现密封。节流阀上的旁通孔与磨鞋的旁通水眼相对应，旁通水眼与传压管线形成一个流体通道，并最终与液压坐挂装置中的活塞腔连通。该设计使循环系统在达到坐挂排量之前不会因钻井泵启停产生变化，从而实现MWD仪器无限次定位。

3 一趟钻套管开窗工艺

3.1 套管开窗施工工艺

经过通井、洗井、试压、打水泥塞等施工作业后，开窗点以上井段的套管应满足开窗钻进要求，即套管无变形、试压无异常、套管内壁无附着物，以保证斜向器等开窗工具能顺利下入。斜向器坐挂丢手完成、井筒内替成钻井液后，按照以下流程进行开窗和修窗作业，为便于分析，将该过程分为5个阶段。

第1阶段，铣锥接触套管内壁—铣锥外边缘铣出套管（见图3）。该阶段需要采用低钻压、高转速，使之磨铣出一个均匀的接触面。磨铣参数：钻压0～20 kN，转速 90～100 r/min，排量 1.8～2.0 m3/min。该阶段铣锥负荷较重，扭矩波动一般较大，用时较长，不可大钻压猛压，以保证上窗口质量及防止磨鞋过早磨损。

第2阶段，铣锥外边缘铣出套管—铣锥中心点接触套管（即“死点区”）（见图3）。该阶段应采用中钻压、高转速磨铣，以达到快速切割的目的。磨铣参数：钻压20～50 kN（可根据返出钻屑的大小、形状、顶驱负荷、蹩钻程度等适当调整钻压），转速 100～120 r/min，排量 1.8～2.0 m3/min。

第3阶段，“死点区”铣锥中心到套管内壁—铣锥中心到达套管外壁（见图3）。该阶段铣锥无线速度切削造成无扭矩作用于井底，此时应加大钻压，降低转速使引导锥偏离套管截面正上方，恢复扭矩和进尺。磨铣参数：钻压50～90 kN（可根据返出钻屑的大小、形状、顶驱负荷、蹩钻程度等适当调整钻压），转速 100～80 r/min，排量 1.8～2.0 m3/min。

第4阶段，从铣锥中心铣出套管外壁—整个铣锥铣出套管（见图3）。该阶段是保证下窗口圆滑的关键井段，应采用低钻压、高转速进行磨铣，高钻压磨铣易使铣锥提前滑到井壁，造成死台阶，影响后续的钻井作业。磨铣参数：钻压20～50 kN，转速100～120 r/min，排量 1.8～2.0 m3/min，硬地层可适当增大钻压，最高可增至90 kN。

图3 套管开窗的各阶段Fig.3 Stages of casing window sidetracking

第5阶段，修窗作业。中高转速修整窗口，反复多次修整，直至钻具通过窗口通畅，并钻进地层5～6 m。

3.2 开窗复杂情况的处理措施

1）斜向器送入遇阻的处理。刮管钻具组合起出前应充分反循环，防止套管内残留水泥造成遇阻。严格控制下钻速度，轻提轻放卡瓦（不能猛提猛放）。若送入斜向器过程中出现遇阻，控制钻压不超过20 kN，反复上下活动钻具；若活动钻具无效，在地面将钻具旋转90°，并活动钻具；重复上步骤若仍无法通过遇阻点，适当增大下压力，但最大不能超过 70 kN。

2）开窗过程中扭矩波动剧烈的处理。若开窗过程中扭矩波动剧烈，应减小钻压观察扭矩波动情况，待扭矩波动稳定后再逐步将钻压增至推荐值。

3）开窗过程中扭矩超限憋停顶驱的处理。先释放扭矩然后缓慢上提钻具至窗口以上套管内，重新启动顶驱缓慢下放钻具并观察扭矩波动情况，稳定后再逐步下放至开窗深度，逐步恢复钻压。若扭矩波动剧烈，参照第2条措施处理。若上提遇卡，严禁旋转钻具，应逐步增大上提力直至解卡。

4 现场应用

渤海油田203口井应用一趟钻套管开窗技术进行了套管开窗，开窗成功率达到100%，平均开窗周期为10.5 h，平均修窗周期为2.6 h。与采用两趟钻套管开窗技术的井相比，开窗时间平均缩短2.4 h，提效22.8%。下面以渤海油田A井为例，介绍一趟钻套管开窗技术的具体应用情况。

A 井ϕ244.5 mm 油层套管下至井深 2 423.00 m，固井质量良好。为避免开窗后新井眼与邻井井眼碰撞，并避开断层，选择在井深823.00 m处开窗，口袋底部在井深835.00 m处。该井的套管开窗设计与开窗钻具组合如图4所示。

图4 套管开窗设计与开窗钻具组合Fig.4 Design and BHA of casing window sidetracking

完成MWD信号测试和斜向器连接等前期准备工作后，将一趟钻套管开窗工具下至开窗点（井深823.00 m处），并通过陀螺定位仪将工具面高边方位调整为L37°。然后将斜向器上提至坐挂位置，排量提至1.9 m3/min，坐挂斜向器，继续提高排量，将排量提至 2.5 m3/min，打开节流阀。最后，用 140 kN 的力下压丢手斜向器，循环替入改进型PEC钻井液，开始磨铣套管开窗，不同阶段的磨铣参数见表1。

表1 渤海油田A井套管开窗磨铣参数Table 1 Milling parameters for casing window sidetracking of Well A in Bohai Oilfield

磨铣至井深828.50 m后开始进入地层，钻至井深835.00 m，正循环将井底冲洗干净后开始修窗。改变钻进参数，直至钻柱自由旋转时扭矩、悬重基本稳定，停泵停顶驱，上提下放多次通过窗口基本无阻挂现象，修窗作业结束，总共用时13.3 h。后续定向钻进及水平井段作业顺利，起下钻无阻挂，完井管柱下入顺利。