張 斌， 甘 濤， 楊 琳

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室)

平2井一口大位移分支水平井，該井在主井眼和分支井眼完成后，主井眼井下工具故障無法正常開啟和重入，國內(nèi)、外多家公司使用了多種方法對該井進(jìn)行了多次修井作業(yè)，耗時達(dá)1年之久，均未獲成功。因此只能采用開窗側(cè)鉆的方式再打一個?152.4 mm側(cè)鉆井眼，將平2井主井眼在探頂段及水平段進(jìn)行貫通，使該井能夠進(jìn)行生產(chǎn)，井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平2井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

一、技術(shù)難點

(1)雙層套管開窗失敗的風(fēng)險較大，要考慮同時避開兩層套管的接箍，同時雙層大面積切削破窗的套管阻力會對導(dǎo)向器造成破壞，對開窗造成致命的傷害。

(2)套管鋼級高、壁厚大，可鉆性差。?244.5 mm套管鋼級為P110，壁厚11.99 mm；?177.8 mm套管鋼級TP140，壁厚12.46 mm。

(3)套管穩(wěn)固性差，平2井在側(cè)鉆井段曾進(jìn)行了修井作業(yè)，?177.8 mm套管與?244.5 mm套管之間無水泥環(huán)，因此，在開窗過程中?177.8 mm套管極易發(fā)生晃動甚至滑脫，可能造成斜向器移位或其他井下復(fù)雜。

(4)兩層套管的鋼級、壁厚不同，開窗過程中斜向器承受開窗工具磨銑兩層套管時的反作用力，在開窗工具運行至?177.8 mm套管“死點”段時，由于受到?244.5 mm套管的約束，造成磨銑雙層套管的時間較長，同時銑錐易沿?177.8 mm外管壁行走，或銑錐頭出不了?177.8 mm，易導(dǎo)致導(dǎo)斜器磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重時將斜向器損壞[1]，為開窗成功和形成光滑的窗口帶來很大困難。

(5)主井眼竄氣。多次修井和射孔作業(yè)，導(dǎo)致主井眼竄氣，給開窗側(cè)鉆和下部鉆進(jìn)增加了較大難度和安全隱患。

(6)開窗后鉆進(jìn)井段、時間長、起下鉆次數(shù)多，不利于窗口保護(hù)，要求形成更加穩(wěn)固、光滑的窗口，施工難度大。

二、開窗井眼設(shè)計

1. 老井眼基本情況

平2井主井眼完井井身結(jié)構(gòu)：?339.7 mm套管×913.00 m+?244.5 mm套管×3 414.00 m+?139.7 mm套管(3 255.00～3 836.00 m)。平2井已完成分支井眼完井井身結(jié)構(gòu)：?339.7 mm套管×913.00 m+?244.5 mm套管(至已完成分支井開窗點3 249.00 m)+?177.8 mm套管×3 300.00 m+?139.7 mm套管(3 300.00～3 567.00 m)。已下入主井眼斜向器頂部位置為3 249.00 m。

2. 設(shè)計思路

設(shè)計井深4 449.00 m(垂深3 722.00 m)，依據(jù)電測數(shù)據(jù)及套管下入記錄，設(shè)計開窗側(cè)鉆點井深3 200.00 m，沿主井眼方向開窗側(cè)鉆。為保證開窗側(cè)鉆成功，根據(jù)主井眼串氣和套管固定不好的實際情況，采取先注水泥塞封固，將斜向器直接座在水泥塞上的方式進(jìn)行開窗，并使用陀螺定向，確保開窗方位準(zhǔn)確。

三、工具選擇及技術(shù)參數(shù)

1. 工具選擇

雙層套管開窗不僅要考慮到順利磨銑兩層套管對斜向器斜面硬度帶來的挑戰(zhàn)，同時要兼顧在磨銑和后期施工過程中斜向器的穩(wěn)定性。

在斜向器硬度小，抗磨能力差的情況下，斜向器表面容易遭到破壞導(dǎo)致銑錐不易出窗，嚴(yán)重時造成斜向器損壞。將斜向器斜面進(jìn)行硬化處理，同時將斜面設(shè)計成弧形斜面提升銑錐穩(wěn)定性和磨銑效率。斜向器坐封機(jī)構(gòu)設(shè)計為具有橫向和縱向限制功能的兩套液壓式卡瓦系統(tǒng)，確保斜向器在縱向和橫向上的雙重穩(wěn)定性。

銑錐選擇同時具有開窗和修窗兩種功能的復(fù)式銑錐，銑錐本體硬度HB280，均勻鑲焊3層高強度硬質(zhì)合金，在鑲齒過程中采用數(shù)值化布齒，確保銑錐布齒均勻、銑錐外徑尺寸誤差小，保證切削過程中銑錐的穩(wěn)定性。

2. 窗口長度的確定

窗口長度是指開窗結(jié)束時銑錐最少純進(jìn)尺。同單層套管開窗相比，雙層套管開窗的窗口長度除受到開窗工具尺寸影響外，還受到雙層套管的尺寸，套管鋼級強度差異，及套管間的間隙等其它因素的影響[2]。計算出窗口數(shù)據(jù)有利于綜合判斷銑錐所處窗口位置，結(jié)合對鐵屑、水泥含量、磨銑速度的判斷適時調(diào)整鉆井參數(shù)。

2.1 內(nèi)外層套管上窗口高差的計算

通過對上窗口高差計算可以得知銑錐接觸到外層套管的長度，結(jié)合鐵屑、水泥塊、鉆壓、轉(zhuǎn)速和進(jìn)尺可以適時作出參數(shù)的調(diào)整，確保兩次破窗的順利進(jìn)行。因本井為直井，設(shè)內(nèi)層套管為居中狀態(tài)，得到內(nèi)外層套管上窗口高差1.19 m，計算方法如式(1)：

L1=[σ+a+0.5r+0.5D-d+b(tanα+tanβ)-h]/sinβ

(1)

式中：L1—內(nèi)外層套管上窗口高差，m；

σ—內(nèi)外層套管間隙，m；

a—內(nèi)層套管壁厚，m；

r—內(nèi)層套管的內(nèi)徑，m；

D—斜向器直徑，m；

d—銑錐直徑，m；

b—銑錐錐部最大直徑處與錐頭底園間距，m；

α、β—分別為銑錐椎體斜度和斜向器斜度，°；

h—斜向器頂部的厚度，m。

2.2 窗口長度的計算

通過計算窗口的長度2.8 m，計算方法如式(2)：

(2)

式中：L—窗口長度，m；c—內(nèi)外層套管間隙，m；a—內(nèi)層套管壁厚，m；Lm—銑錐的長度，m。

3. 開窗鉆井參數(shù)的確定

在雙層套管開窗過程中，當(dāng)銑錐接觸到外層套管后，由于銑錐要承受兩層套管的阻力，此時若鉆壓選擇不合理，可能開窗失敗。如鉆壓較小，容易造成磨銑速度過慢，導(dǎo)致斜面磨損過快而開窗失敗，因此在鉆壓選擇上，應(yīng)在單層套管開窗的鉆壓上進(jìn)行適當(dāng)增加；若鉆壓過大，則可能導(dǎo)致外層套管的過快出窗，造成內(nèi)層套管與斜面形成較大的臺階，導(dǎo)致后期作業(yè)失敗。在磨銑過程中，還應(yīng)根據(jù)返出鐵屑的形狀和磨銑速度對鉆壓進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

四、現(xiàn)場應(yīng)用

1. 井眼準(zhǔn)備

1.1 注水泥塞

側(cè)鉆點以下水泥塞段長控制在150 m以上并嚴(yán)格控制水泥塞質(zhì)量和強度，通過注適量的前置液和后置液減少混漿段，保障足夠的侯凝時間，鉆水泥塞至開窗點上部位置對水泥塞質(zhì)量進(jìn)行檢查，水泥塞要求能承受100 kN鉆壓。

對雙層套管接箍定位測井，核定開窗位置，根據(jù)電測數(shù)據(jù)決定第二次鉆塞深度。為確保斜向器座在水泥面上，開窗部位選在套管完好的井段且避開套管節(jié)箍。

1.2 試壓

對套管試壓(按?177.8 mm套管最小抗內(nèi)壓強度的80%進(jìn)行試壓)，穩(wěn)壓30 min壓力下降不超過0.7 MPa為合格。

1.3 通井和刮管

通井組合：?152 mm通徑規(guī)+?120 mm短鉆鋌+?150 mm扶正器+?88.9 mm加重鉆桿15柱+?88.9 mm。

刮管組合：?177.8 mm刮管器+?120 mm短鉆鋌+?150 mm扶正器+?88.9 mm加重鉆桿15柱+?88.9 mm。

對套管進(jìn)行通徑和刮管，要求在下鉆過程中蓋好井口嚴(yán)防落物，控制下放速度下放，遇阻不能硬壓，在座封位置反復(fù)刮管，保證坐封牢靠。

2. 定向開窗側(cè)鉆

2.1 斜向器的送入與坐掛

斜向器送入組合：?146 mm斜向器+定向接頭+?88.9 mm加重鉆桿15柱+?88.9 mm鉆桿，嚴(yán)格控制下鉆速度，嚴(yán)禁正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，下鉆至側(cè)鉆點井深進(jìn)行陀螺定向。

2.2 磨銑套管

斜向器坐封完成后，下套管磨銑組合：?150 mm銑錐+?88.9 mm加重鉆桿1根+回壓凡爾+?88.9 mm加重鉆桿15柱+?88.9 mm鉆桿。

(1)起始階段。銑錐開始接觸套管內(nèi)壁并同時對斜向器斜面進(jìn)行磨銑，此時需要均勻地將套管磨出一個光滑凹面，避免銑錐的不穩(wěn)定和斜向器的過度磨損，需要低鉆壓和低轉(zhuǎn)速。

(2)騎套階段。本階段又分為騎內(nèi)套到騎內(nèi)套觸外套、騎雙層套管三個階段，實際操作過程中要根據(jù)進(jìn)尺、鉆壓變化、扭矩變化并結(jié)合計算得到的L1值確定適當(dāng)調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速，騎內(nèi)套到騎內(nèi)套觸外套階段中應(yīng)逐步提高鉆壓和轉(zhuǎn)速，騎雙層套管后要適當(dāng)降低鉆壓。

(3)出套階段。出套后采用低鉆壓高轉(zhuǎn)速進(jìn)行操作，在修窗過程中采用高鉆速、低鉆壓反復(fù)修整窗口，直至上提下放無任何掛卡，開窗參數(shù)如圖2所示。

圖2 平2井雙層套管開窗實鉆參數(shù)控制情況

根據(jù)磨銑參數(shù)變化和鐵屑返出情況，實際窗口長度為2.76 m，出窗后繼續(xù)采用銑錐磨銑地層，最終累計進(jìn)尺6 m，累計磨銑時間29 h。

五、結(jié)論及建議

(1)開窗前應(yīng)對窗口參數(shù)進(jìn)行理論計算和分析，指導(dǎo)開窗作業(yè)。

(2)斜向器斜面硬度選擇是前提。應(yīng)選擇針對雙層套管中鋼級最高套管的斜向器作業(yè)，確保斜向器的安全。

(3)在開窗過程中，鉆壓的控制是關(guān)鍵。特別是在銑錐分別接觸內(nèi)外兩層套管時，應(yīng)適當(dāng)采用低鉆壓進(jìn)行作業(yè)，確保銑錐的穩(wěn)定和對斜向器的保護(hù)。

(4)建議對斜向器斜面的角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對于雙層套管開窗或高強度套管開窗的井，在滿足下步施工安全和鉆完井要求的情況下，適當(dāng)調(diào)整斜面的角度，減少窗口的長度，減少磨銑工作量。