薛憲波， 張誠成， 張?？?， 張文博， 曲 躍

（中海油田服務股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部工程技術(shù)中心, 天津 300459）

套管開窗側(cè)鉆技術(shù)是近幾十年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，在全球各油田得到了廣泛應用，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。該技術(shù)從主井眼側(cè)向鉆出一個或多個水平井眼，以增大泄油面積、降低作業(yè)成本。側(cè)鉆井施工周期短、見效快，是油田老井改造、死井復活、降本增效的有效手段[1–7]。由于海上鉆井成本高，作業(yè)工期較短，需要高效的鉆井技術(shù)，且海上油田多采用叢式井開發(fā)，井眼軌跡復雜，開窗側(cè)鉆受井斜、狗腿度影響大，因此海上油田主要采用一趟鉆套管開窗技術(shù)[8–9]。

目前我國海上油田的套管開窗作業(yè)主要由國外油田技術(shù)服務公司完成，國內(nèi)盡管也開展了相關技術(shù)研究，但一趟鉆實現(xiàn)開窗、修窗的技術(shù)仍不成熟，主要存在以下技術(shù)難點[10–14]：1）斜向器和磨鞋需要兩趟鉆送入，用時較長；2）錐式開窗磨鞋循跡性差，易偏離或跳出導斜面；3）送入工具與斜向器為剛性絲扣連接，管柱剛性強，通過大狗腿度井段時遇卡風險高；4）卡瓦行程短，對套管強度的要求高，套損嚴重的井容易出現(xiàn)斜向器無法坐封或坐封不穩(wěn)的情況，導致開窗失敗。為解決上述技術(shù)難點，筆者研制了海上油田專用的套管開窗工具，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一趟鉆套管開窗技術(shù)。渤海油田203口井應用該技術(shù)進行了套管開窗作業(yè)，與未應用該技術(shù)的鄰井相比，一趟鉆套管開窗技術(shù)能夠顯著提高套管開窗效率，降低鉆井成本，為渤海油田利用套損井、提高低產(chǎn)井產(chǎn)量和復活廢棄井提供了行之有效的技術(shù)。

1 技術(shù)原理

應用套管開窗側(cè)鉆技術(shù)時，下入特制的一趟鉆套管開窗工具，利用磨鞋沿著斜向器斜面磨銑套管，在套管壁上形成一個斜長而圓滑的窗口[15]。套管開窗用的鉆具組合由卡瓦斜向器、次級磨鞋、撓性短節(jié)、開窗磨鞋及引導磨鞋組成，如圖1所示。開窗作業(yè)結(jié)束后，利用鉆頭總成和旋轉(zhuǎn)導向鉆具組合進行定向鉆進，轉(zhuǎn)向至水平方向，并沿水平方向繼續(xù)平穩(wěn)鉆進。鉆至設計井深后，可根據(jù)海上油田儲層特點采用篩管、多功能導向管、化學防砂等完井方式完井，以滿足不同油層的防砂需求。

圖1 套管開窗鉆具組合Fig.1 BHA of casing window sidetracking

2 一趟鉆套管開窗工具

目前套管開窗工藝從斜向器坐掛方式上分為“單趟鉆”和“兩趟鉆”2種?！皟商算@”是較為原始的斜向器坐掛工藝，第一趟鉆專門用來定向和坐掛斜向器，第二趟鉆用來開窗磨銑窗口。該工藝需要單獨送鉆并投球憋壓坐掛斜向器，耗時較長、定向時需與陀螺測斜儀配合，費用高[16–17]。

因此，筆者重點研發(fā)通過節(jié)流壓差坐掛的斜向器，以實現(xiàn)斜向器送入、坐掛和窗口磨銑一趟鉆完成，并把機械坐掛作為備用應急坐掛方式。為確保與MWD定向儀器同時使用，液壓坐掛系統(tǒng)應在滿足MWD儀器工作排量情況下，產(chǎn)生的節(jié)流壓差低于斜向器錨定機構(gòu)的坐掛壓力，且可無限次啟停鉆井泵。當節(jié)流壓差激發(fā)斜向器坐掛裝置時，自動推出卡瓦，將斜向器坐掛在套管內(nèi)，從而實現(xiàn)一趟鉆完成斜向器送入、坐掛和開窗作業(yè)[18]。

2.1 磨銑鉆具組合

一趟鉆開窗磨銑鉆具組合包括開窗磨鞋、撓性短節(jié)和次級磨鞋，如圖2所示。該磨銑鉆具組合主要用于連接鉆具和送入斜向器，在斜向器坐掛完成后與斜向器分離并沿斜向器導斜面進行磨銑，實現(xiàn)一趟鉆完成送鉆、磨銑作業(yè)。

圖2 一趟鉆開窗磨銑鉆具組合Fig.2 Milling BHA for one-trip casing window sidetracking

1）開窗磨鞋。該磨鞋既要承擔斜向器的送入及坐掛功能，還具有高效的切削結(jié)構(gòu)來完成窗口的初始切削工作，因此開窗磨鞋采用2級外徑來實現(xiàn)上述功能，并采用特殊合金鋼制成，可快速磨銑套管及地層。引導磨鞋采用復合布齒方式，加焊偏心凸起，偏心凸起為硬質(zhì)合金堆焊而成，用以切削套管而越過死點位置。

2）撓性短節(jié)。該短節(jié)為特制工具，它能使開窗鉆具組合具有一定的撓性、自由通過井眼曲率較大的井段，保證開窗順利。

3）次級磨鞋。主要保證窗口尺寸以及修窗。

2.2 斜向器坐掛及回收系統(tǒng)

斜向器具有液壓和機械2種坐掛方式，可以一趟鉆實現(xiàn)斜向器送入、坐掛及開窗作業(yè)。磨鞋組合與斜向器的分離丟手采用下壓剪斷剪切螺栓的方式，使用母錐回收斜向器。

2.3 節(jié)流閥與液壓坐掛裝置

斜向器的液壓坐掛主要是通過節(jié)流閥和液壓坐掛裝置實現(xiàn)。節(jié)流閥由外筒和內(nèi)筒2部分組成，通過3道密封圈實現(xiàn)密封。節(jié)流閥上的旁通孔與磨鞋的旁通水眼相對應，旁通水眼與傳壓管線形成一個流體通道，并最終與液壓坐掛裝置中的活塞腔連通。該設計使循環(huán)系統(tǒng)在達到坐掛排量之前不會因鉆井泵啟停產(chǎn)生變化，從而實現(xiàn)MWD儀器無限次定位。

3 一趟鉆套管開窗工藝

3.1 套管開窗施工工藝

經(jīng)過通井、洗井、試壓、打水泥塞等施工作業(yè)后，開窗點以上井段的套管應滿足開窗鉆進要求，即套管無變形、試壓無異常、套管內(nèi)壁無附著物，以保證斜向器等開窗工具能順利下入。斜向器坐掛丟手完成、井筒內(nèi)替成鉆井液后，按照以下流程進行開窗和修窗作業(yè)，為便于分析，將該過程分為5個階段。

第1階段，銑錐接觸套管內(nèi)壁—銑錐外邊緣銑出套管（見圖3）。該階段需要采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速，使之磨銑出一個均勻的接觸面。磨銑參數(shù)：鉆壓0～20 kN，轉(zhuǎn)速 90～100 r/min，排量 1.8～2.0 m3/min。該階段銑錐負荷較重，扭矩波動一般較大，用時較長，不可大鉆壓猛壓，以保證上窗口質(zhì)量及防止磨鞋過早磨損。

第2階段，銑錐外邊緣銑出套管—銑錐中心點接觸套管（即“死點區(qū)”） （見圖3）。該階段應采用中鉆壓、高轉(zhuǎn)速磨銑，以達到快速切割的目的。磨銑參數(shù)：鉆壓20～50 kN（可根據(jù)返出鉆屑的大小、形狀、頂驅(qū)負荷、蹩鉆程度等適當調(diào)整鉆壓），轉(zhuǎn)速 100～120 r/min，排量 1.8～2.0 m3/min。

第3階段，“死點區(qū)”銑錐中心到套管內(nèi)壁—銑錐中心到達套管外壁（見圖3）。該階段銑錐無線速度切削造成無扭矩作用于井底，此時應加大鉆壓，降低轉(zhuǎn)速使引導錐偏離套管截面正上方，恢復扭矩和進尺。磨銑參數(shù)：鉆壓50～90 kN（可根據(jù)返出鉆屑的大小、形狀、頂驅(qū)負荷、蹩鉆程度等適當調(diào)整鉆壓），轉(zhuǎn)速 100～80 r/min，排量 1.8～2.0 m3/min。

第4階段，從銑錐中心銑出套管外壁—整個銑錐銑出套管（見圖3）。該階段是保證下窗口圓滑的關鍵井段，應采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速進行磨銑，高鉆壓磨銑易使銑錐提前滑到井壁，造成死臺階，影響后續(xù)的鉆井作業(yè)。磨銑參數(shù)：鉆壓20～50 kN，轉(zhuǎn)速100～120 r/min，排量 1.8～2.0 m3/min，硬地層可適當增大鉆壓，最高可增至90 kN。

圖3 套管開窗的各階段Fig.3 Stages of casing window sidetracking

第5階段，修窗作業(yè)。中高轉(zhuǎn)速修整窗口，反復多次修整，直至鉆具通過窗口通暢，并鉆進地層5～6 m。

3.2 開窗復雜情況的處理措施

1）斜向器送入遇阻的處理。刮管鉆具組合起出前應充分反循環(huán)，防止套管內(nèi)殘留水泥造成遇阻。嚴格控制下鉆速度，輕提輕放卡瓦（不能猛提猛放）。若送入斜向器過程中出現(xiàn)遇阻，控制鉆壓不超過20 kN，反復上下活動鉆具；若活動鉆具無效，在地面將鉆具旋轉(zhuǎn)90°，并活動鉆具；重復上步驟若仍無法通過遇阻點，適當增大下壓力，但最大不能超過 70 kN。

2）開窗過程中扭矩波動劇烈的處理。若開窗過程中扭矩波動劇烈，應減小鉆壓觀察扭矩波動情況，待扭矩波動穩(wěn)定后再逐步將鉆壓增至推薦值。

3）開窗過程中扭矩超限憋停頂驅(qū)的處理。先釋放扭矩然后緩慢上提鉆具至窗口以上套管內(nèi)，重新啟動頂驅(qū)緩慢下放鉆具并觀察扭矩波動情況，穩(wěn)定后再逐步下放至開窗深度，逐步恢復鉆壓。若扭矩波動劇烈，參照第2條措施處理。若上提遇卡，嚴禁旋轉(zhuǎn)鉆具，應逐步增大上提力直至解卡。

4 現(xiàn)場應用

渤海油田203口井應用一趟鉆套管開窗技術(shù)進行了套管開窗，開窗成功率達到100%，平均開窗周期為10.5 h，平均修窗周期為2.6 h。與采用兩趟鉆套管開窗技術(shù)的井相比，開窗時間平均縮短2.4 h，提效22.8%。下面以渤海油田A井為例，介紹一趟鉆套管開窗技術(shù)的具體應用情況。

A 井?244.5 mm 油層套管下至井深 2 423.00 m，固井質(zhì)量良好。為避免開窗后新井眼與鄰井井眼碰撞，并避開斷層，選擇在井深823.00 m處開窗，口袋底部在井深835.00 m處。該井的套管開窗設計與開窗鉆具組合如圖4所示。

圖4 套管開窗設計與開窗鉆具組合Fig.4 Design and BHA of casing window sidetracking

完成MWD信號測試和斜向器連接等前期準備工作后，將一趟鉆套管開窗工具下至開窗點（井深823.00 m處），并通過陀螺定位儀將工具面高邊方位調(diào)整為L37°。然后將斜向器上提至坐掛位置，排量提至1.9 m3/min，坐掛斜向器，繼續(xù)提高排量，將排量提至 2.5 m3/min，打開節(jié)流閥。最后，用 140 kN 的力下壓丟手斜向器，循環(huán)替入改進型PEC鉆井液，開始磨銑套管開窗，不同階段的磨銑參數(shù)見表1。

表1 渤海油田A井套管開窗磨銑參數(shù)Table 1 Milling parameters for casing window sidetracking of Well A in Bohai Oilfield

磨銑至井深828.50 m后開始進入地層，鉆至井深835.00 m，正循環(huán)將井底沖洗干凈后開始修窗。改變鉆進參數(shù)，直至鉆柱自由旋轉(zhuǎn)時扭矩、懸重基本穩(wěn)定，停泵停頂驅(qū)，上提下放多次通過窗口基本無阻掛現(xiàn)象，修窗作業(yè)結(jié)束，總共用時13.3 h。后續(xù)定向鉆進及水平井段作業(yè)順利，起下鉆無阻掛，完井管柱下入順利。

5 結(jié) 論

1）一趟鉆套管開窗技術(shù)可以一趟鉆實現(xiàn)斜向器送入、坐掛及開窗作業(yè)。開窗磨銑工具組合采用2級磨鞋，可以實現(xiàn)高效切削套管，不易偏離或跳出導斜面，且采用撓性短節(jié)可在較大曲率井眼進行開窗作業(yè)。

2）一趟鉆套管開窗作業(yè)可以分為5個階段，每個階段采用不同的磨銑參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量）。銑錐通過“死點區(qū)”后，應采用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速，引導銑錐偏離套管截面正上方，快速恢復扭矩和進尺。

3）現(xiàn)場應用表明，一趟鉆套管開窗技術(shù)施工周期短、成本低，特別適用于套損井側(cè)鉆、提高低產(chǎn)井產(chǎn)量、廢棄井復活，是油田老井改造、降本增效的有效手段，對海上油田剩余油挖潛具有重要的意義。