东海某井深部地层开窗作业的认识与启发

王泽

(中海油能源发展股份有限公司工程技术上海分公司，上海 200335)

0 引言

近年来，随着东海勘探开发力度的不断增大，深井、大位移井逐渐成为开发的主流，一些复杂作业也层出不穷[1-3]。近期，东海开窗作业的井数持续增多，作业难度也不断加大。东海在此区块部署的该口井为调整井，钻井平台靠导管架完成作业，由于该导管架无闲置槽口，作业前需进行生产管柱回收、老井弃置等作业。后在老井244.475 mm套管内进行开窗侧钻，该井设计工期20.5天，实际工期18.38天，提前2.12天。本井开窗层位斜深3 565.8 m，垂深3 227.4 m，均创区块新高。套外地层为花港组下段，硬度较高，作业难度较大。本井的成功侧钻可为其他井位的开窗侧钻作业提供借鉴[4-6]。

1 开窗工艺简介

1.1 开窗方法

套管开窗的方法主要有两种，即斜向器(又称造斜器、导向器)开窗法和铣套管开窗法。斜向器开窗工具费用较高，但开窗作业时间相对铣套管短，因此针对海上作业日费较高的情况，使用斜向器开窗侧钻方法可以降低综合作业成本[7-10]。故本文着重介绍斜向器开窗法，常用的开窗方法如表1所示。

表1 开窗方法对比表

斜向器套管开窗工艺分为一趟钻开窗和两趟钻开窗两种，如图1所示。两趟钻开窗是指两次下钻完成套管开窗作业，即第一次下钻单独下斜向器完成坐斜向器作业，第二次下钻下磨铣工具完成磨铣套管开窗及修窗的作业。一趟钻开窗是指一次下钻完成下斜向器并坐斜向器和套管开窗及修窗作业。一趟钻开窗相对于两趟钻开窗可以节省一次起下钻作业时间，因此海上常用一趟钻开窗工艺开窗。

图1 斜向器开窗示意图

1.2 开窗工具

开窗工具主要包括：多功能循环阀、送入工具、三段式开窗铣锥、斜向器和可回收式锚定器，如图2所示。

图2 开窗工具示意草图

1.2.1 多功能循环阀

多功能循环阀可与随钻测量仪器MWD配合使用，有效确保侧钻方位。可开关五次，第六次多功能循环阀关闭。还可以保持多功能循环阀打开可使环空和钻杆内压力平衡。

1.2.2 送入工具

送入工具直接连在开窗铣锥以上，用于液压座挂锚定器。送入工具的活塞具有隔离泥浆的作用。此外，送入工具能够在开窗过程中承载扭矩和弯曲应力。活塞进入活塞腔后能够开泵循环钻井液。

1.2.3 三段式开窗铣锥

三铣锥采用高硬度、抗破碎、持久耐用的碳合金制造，镶装刀片可保证切削物形状的一致性、完整性且切削物细小便于随泥浆返出。此外，采用了柱状切削齿并优化切削齿的分布。三段式开窗铣锥可镶嵌人工合成金刚石切削齿，可靠性强，能够很快将窗口开出去。三段式开窗铣锥开的窗口质量可靠，钻具通过性能大大增加，可钻导眼长度较长。

1.2.4 斜向器

锚定器和斜向器之间采用固定销连接。采用软连接确保斜向器能通过大井斜位置，可降低下钻风险。斜向器的快速剪切斜度可引导铣锥进入切削段，推动铣锥开始切削，高效攻击的磨铣角。斜向器上部可回收槽可与回收钩配合通过上提解封锚定器。中间适宜角度可机械推动铣鞋通过中心点并减少中心死点。此外，斜向器保径段增加窗口全井段长度，减少狗腿度，并且拥有更厚的导斜横截面积。

1.2.5 可回收锚定器

可回收锚定器可通过液压坐封，能适用不同尺寸和磅级的套管，大吨位上提可实现解封，可以防转、防位移。封隔器卡瓦特点为卡瓦在坐封后，在各个方位都会对套管内壁有作用力，使得封隔器更好的抓牢套管，防止其转动和封隔器下移。

1.3 开窗侧钻点优选

开窗作业之前需对侧钻点进行优选，理想的开窗侧钻点需具备以下条件：地层稳定的砂岩段、固井质量优良的井眼段、老井眼机械钻速较快的区域、适宜狗腿度、避开套管接箍(有条件建议实测套管接箍位置)。侧钻点选取过后，首先组合开窗工具，将开窗工具下到选定的侧钻点，随后调整斜向器方位、坐封锚定器、脱手铣锥，开窗、修窗，起钻。

2 开窗作业东海应用实例

东海某井开窗层位斜深3 565.8 m，垂深3 227.4 m，均创区块新高。套外地层为花港组下段，硬度较高，作业难度较大。作业前结合管外固井质量及套管接箍情况，优化窗口位置，套管磨铣阶段钻进参数施加合理，进尺较快，3 h进尺约3 m，有效缓解了铣锥出套后进尺缓慢效率低下的状况，该井铣锥出套后进尺4 m，修窗后验窗无阻挂，铣锥出井磨损量合格，窗口宽度合格、质量合格，215.9 mm钻具过窗无阻挂，短起下钻具过窗无阻挂。最终用时17 h，综合时效较相邻区块同深度开窗提高20 h。

2.1 基本情况

2.1.1 井的基本数据

该井位于东海某气田，为定向井，侧钻点位于3 570 m，转盘面距离海面61 m，共计4开次，井身结构为588 mm井眼至213 m，444.5 mm井眼至2 206 m，311.15 mm井眼至4 643 m，212.725 mm井眼至5 068 m。井身结构如图3所示。本井开窗位置井斜32.5°，定向工具选择MWD仪器，开窗点以上无大狗腿度井段。

图3 井身结构图

本井244.475 mm套管固井选用套管类型为3Cr-L80Q/47PPF，套管外设计为水泥混浆，CBL测井水泥环质量较好，开窗作业过程中捞砂发现较多水泥，判断为混浆质量较好。

2.2 开窗作业流程

2.2.1 浅层测试与开窗作业钻具组合

12-1/4″井眼浅层测试钻具组合常采用考克(关闭)+5″加重钻杆(411×410)+6-3/4″循环阀(411×410)+6-3/4″MWD(411×410) + 变扣接头 (411×WMT57 B) +5-7/8″钻杆(WMT57)的组合。

测试时，为符合井控要求，常采用多次开泵并采用小排量的方式。该井开泵测试时，第一次开泵测试参数为排量1 500 L/min，泵压3.6 MPa，工具信号正常。第二次至第五次开泵测试参数为排量1 500 L/min，泵压3.6 MPa，循环阀运行正常。本井第六次开泵测试时，排量为800 L/min，泵压迅速上升至10 MPa，循环阀关闭正常，泥浆泵小排量匀速打压至24 MPa，压力迅速下降，判断考克漏压。现场及时将压力泄为0后上提钻具至转盘面。

当深部地层开窗作业开泵测试时，若发现钻具刺漏或者考克泄漏等问题时，必须及时泄压并更换。当考克损坏程度较高且无法正常关闭时，也必须更换考克并重新进行高压测试。更换考克后，需进一步降低排量，进行测试。该井将泥浆泵排量开至800 L/min，泵压迅速上升至10 MPa，循环阀关闭正常，泥浆泵小排量匀速打压至24 MPa，稳压15 min；15 min后压力下降1 MPa，起初下降速度较快，后期压力降低速度减慢，压力基本稳定，此时可判断工具测试正常。

测试结束后固井泵缓慢泄压，拆开循环阀，手动复位阀心，上扭矩22 000 ft.lbs，测试立柱立于钻台。其他井位可参考本井作业流程。

12-1/4″井眼开窗钻具组合通常采用8-1/8″带密封锚定器+8″斜向器+8-1/2″开窗铣锥+6-1/2″送入工具+5″加重钻杆×1根+6-3/4″循环阀+ 6-3/4″MWD+6-1/2″钻挺+变扣接头+5-7/8″加重钻杆(WMT57)+5-7/8”钻杆。安装剪切销钉断裂应力值为55 000 lbs，钻具组合完成后需测量MWD与斜向器角差，以此提高侧钻的成功率。

2.2.2 侧钻流程

(1)定工具面

下钻至座挂立柱，接顶驱。测试上提、下放悬重，继续下放钻具至锚定器底深。根据第一次开泵测试参数，包括排量与泵压等，以及工具信号的正常与否，调整斜向器工具面。此时需要开窗工程师、定向井工程师、监督三方确认座挂深度。

(2)锚定器座挂

以本井为例，泥浆泵小排量匀速打压至24 MPa，稳压15 min。此时提高立压至28 MPa，稳压5 min，座挂锚定器，钻杆划线，泄立压至21 MPa，缓慢下放钻具观察悬重变化，钻具无移位，判断锚定器座挂合格。下压钻具，悬重回弹，继续下压，上提管柱，若无过提，继续上提2 m距离，悬重无明显变化，且立压逐渐下降至0，判断锚定器已脱手并拉断管线。

本井开泵排量为800 L/min，泵压迅速上涨至10 MPa，降低排量至 2～5 冲/min，开转 15 r/min，下放钻具，打断盲堵、水嘴，立压下降，探顶深度：3 565.8 m；随后替浆。其他井位可参考本井座挂流程，本井钻开窗参数见表2。

表2 本井开窗钻进参数表

开窗作业初始阶段需选用较低转速和低钻压的钻井参数组合，以此保障窗口有效的造型，转速可采用 60 r/min，钻压常为 1～2 t。

钻至中部阶段时，钻头进尺均匀，钻进情况良好，可逐渐提高转速、钻压，保障头锥有效的进尺，转速常采用90 r/min，钻压为1～3 t，此时进尺较快。

钻至死点位置时，为避免出现头锥与套管中部长时间磨心，需逐渐提高钻压，让斜向器死点机构将头锥顺利推出死点，转速采用60 r/min，钻压为2～4 t。本井钻遇此阶段时无明显显示，扭矩降低情况不明显，施加钻压较低，钻速正常。

钻至下部阶段时，进尺逐渐降低，降低转速、提高钻压，转速建议设为60～70 r/min，钻压采用4～17 t。

钻至裸眼阶段时，维持钻速不变，转速继续采用60 r/min，钻压采用15～17 t，此时进尺逐渐困难。本井钻至裸眼阶段时，10 h内进尺4 m。钻进至3 574.1 m后长时间无进尺，考虑到口袋长度已满足旋转导向仪器上扶正器完全进入口袋，且钻进效率较低，遂开始修窗。修窗时，采用不同转速划眼、倒划眼通过窗口，调整不同角度停转停泵验窗，使得无阻挂。

2.2.3 开窗效果验证

对出井三铣锥数据进行评价是判断开窗效果的重要标准。本井头锥、二锥、三锥入井外径均215.9 mm，头锥磨损值6 mm，最大允许磨损值为0.625″/16 mm，二锥磨损值为14 mm，最大允许磨损值为0.5″/16 mm，三锥磨损值为3 mm，最大允许磨损值为0.25″/16 mm铣锥侧齿状态较好，底部无明显磨心现象。头锥、三锥磨损量合格，由此可以判断窗口质量合格。

2.3 开窗作业锚定器坐挂失败原因分析

锚定器坐挂失败是导致开窗作业失败较为常见的原因，导致锚定器坐挂失败通常由锚定器坐封不牢固，销钉的剪切值偏大，设备的维护、保养以及现场操作方面不到位等结果导致的。

2.3.1 锚定器坐封不牢固

(1)定器座封压力不够，座封时地面显示座封压力24.13 MPa，受顶驱冲管刺漏影响，井下锚定器位置密封压力要低于24.13 MPa，卡瓦行程不足，不能充分、有效座封。

(2)根据入井的锚定器结构，在座封压力不够时，下压可以使锚定器卡瓦吃入套管更深，可以承受一定下压力，在实际操作中不宜过大吨位尝试上提。

(3)反复的大吨位活动剪切销钉时，导致卡瓦齿被破坏，卡瓦松动。

(4)重复进行高压座封时，受卡瓦被损坏的影响，虽然能够座封，但是已经不能承受上提下压力。

2.3.2 销钉的剪切值偏大

结合第二趟开窗作业剪切销钉情况以及第一趟起出的销钉断口形状、固定销钉形成凹坑分析，剪切销钉的异常剪切值(剪切值偏大)也是造成此次锚定器坐挂失败的主要原因。

2.3.3 设备的维护、保养以及现场操作方面不到位

平时的设备保养不到位，打压坐挂锚定器时冲管刺漏，使其提供的坐封压力不能达到要求。

3 结语

(1)细化前期准备，优化现场作业。编写开窗作业设计时，基于老井井身结构资料及钻进期间相关数据，优化钻具组合，细化作业设计；完善作业指导书，根据作业设计出具详细作业程序。

(2)开窗作业前，提前维护、保养检查重点设备，保证开窗作业不间断。工程师详细检查入井工具，确保工具无缺陷。开窗作业时，精细操作，全过程重点密切监控扭矩变化，观察钻进参数，根据钻进显示，准确判断井下情况，及时、合理调整钻进参数，保持有效进尺。

(3)对于深层套管开窗窗口位置要尽量选择地层均质，无硬地层夹层，可钻性相对较好的位置进行开窗。

(4)把控后勤，严控工具质量。严格执行技术要求标准，确保产品质量。严格执行产品从源头质检、测试、组合并录制试压等相关视频存档。联合质检部门共同核查厂家相关资质、厂家原材料提供商相关资质以及原材料质量检测。明确开窗维保类、返修类产品标准，出具相关报告。对于出海作为备用工具返回车间的物料，再次出料前专业人员要详细检查、测试，确认合格后方可继续使用。

(5)本次一趟式斜向器法开窗侧钻作业一次性完成了本井的下斜向器、开窗、修窗作业，为东海该区块深井套管开窗积累了宝贵的经验。整个开窗侧钻过程，分初始、正常、死点阶段，不同阶段使用不同的钻参，及时调整钻参，提高时效。当磨铣至死点位置时，可增大钻压并降低转速，有助于将磨鞋推离斜向器面并且偏离死点；斜向器设计中间角度，有利于通过死点。充分考虑地层的可钻性、研磨性，提高铣锥齿的攻击性和抗研磨性，优化三铣锥和斜向器的结构设计，保证开窗的一次成功率。