程 萬,黃志強 (湖北省油氣鉆采工程重點實驗室;長江大學石油工程學院,湖北荊州434023)

近年來,隨著連續(xù)油管技術(shù)的發(fā)展和剩余油資源挖潛工作的進一步深入,連續(xù)油管開窗側(cè)鉆技術(shù)在國外應(yīng)用日益廣泛,但在國內(nèi)由于裝備和技術(shù)的限制應(yīng)用較少。因此,對連續(xù)油管側(cè)鉆工具進行分析研究具有重要的實際意義。文獻 [1]系統(tǒng)研究了水泥塞開窗側(cè)鉆、水泥環(huán)內(nèi)置造斜器開窗側(cè)鉆、過油管造斜器開窗側(cè)鉆3種連續(xù)油管開窗側(cè)鉆技術(shù),認為水泥塞開窗側(cè)鉆技術(shù)比較成熟,應(yīng)用較為廣泛,是3種側(cè)鉆技術(shù)中最可靠最經(jīng)濟的一種;文獻 [2]系統(tǒng)介紹了連續(xù)油管開窗側(cè)鉆所用的主要井下工具:連續(xù)油管接頭、回壓閥、液壓斷開接頭、循環(huán)接頭、非旋轉(zhuǎn)接頭、定向工具、隨鉆測量系統(tǒng)、井下馬達、磨鞋和鉆頭等,并對套管和襯管開窗專用BHA進行了研究;文獻 [3]在總結(jié)連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀和展示其發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上,客觀分析了國內(nèi)連續(xù)油管技術(shù)與裝備的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀,提出了相應(yīng)的發(fā)展對策,對于連續(xù)油管鉆井技術(shù)在國內(nèi)研究與應(yīng)用提供了科學有力的指導。下面,筆者通過對近年來連續(xù)油管側(cè)鉆開窗關(guān)鍵工具的分析研究,以期對加速連續(xù)油管側(cè)鉆工具國產(chǎn)化和推動連續(xù)油管側(cè)鉆開窗技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用提供參考。

1 連續(xù)油管側(cè)鉆動力機

動力機是連續(xù)油管側(cè)鉆系統(tǒng)底部的一個重要部件,通過將液壓轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械動力的方式為開窗設(shè)備提供旋轉(zhuǎn)動力。側(cè)鉆開窗作業(yè)需要動力機產(chǎn)生較高扭矩,目前的 “等距離”電機技術(shù)可實現(xiàn)在較低的工作壓力下獲得較高的扭矩。在過油管環(huán)境中影響動力機選擇的因素有最大允許磨合外徑和傳遞液壓動力的介質(zhì),如鉆井液、氣體或氣液混合流體等。

2 連續(xù)油管側(cè)鉆錨固系統(tǒng)

從最初的過油管造斜器開始,連續(xù)油管側(cè)鉆錨固系統(tǒng)經(jīng)歷了幾次更新與改進。第1代錨固系統(tǒng)由幾個硬質(zhì)合金刀片焊接在一個墊片上組成,當造斜器下至預(yù)定位置時,墊片旋轉(zhuǎn)開并嵌在套管內(nèi)壁上。該系統(tǒng)的每一個墊片都是根據(jù)特定套管內(nèi)徑設(shè)計的,不同規(guī)格的套管需要不同的墊片與之適應(yīng)。

第2代錨固系統(tǒng)提高了造斜器的錨固能力,它采用一種較為普遍的錨桿式設(shè)計。錨桿的表面有一些輻條,輻條上安裝有帶倒鉤的條型裝置,當造斜器下到預(yù)定位置時便可嵌在套管內(nèi)壁上,條型裝置上配備的高強度倒鉤以增加嵌入套管的深度,該錨固系統(tǒng)在規(guī)格合適的套管中可承受較大范圍的油管重量,并可堅實地與套管內(nèi)壁契合。

傳統(tǒng)錨固系統(tǒng)采用連續(xù)的輻射條半徑,雖然在合適規(guī)格的套管中能夠承受較大重量,但當承受重量過大時,輻射條的位置不能調(diào)整到最佳角度;另外,采用傳統(tǒng)工藝制造出的條型裝置,從底部觀察其嵌入情況,僅僅條型裝置的邊緣與套管接觸,嵌入強度不夠。新型錨固系統(tǒng)也是基于錨桿設(shè)計理念,將原來的輻射條分為幾個獨立的輻射條,漸進式的輻射方法使條型裝置在它所能承受較大油管重量范圍內(nèi)都能很好地排列,因此可更好地嵌入套管。條型裝置通過電焊工藝加工而成,使其能夠準確而合理地嵌入套管,更重要的是條型裝置以合適的角度下入套管內(nèi),保證了條型裝置嵌入套管內(nèi)壁的深度,相比傳統(tǒng)錨固系統(tǒng)大幅度提高了其錨固能力,連續(xù)油管側(cè)鉆錨固系統(tǒng)錨桿如圖1所示。

圖1 連續(xù)油管側(cè)鉆錨固系統(tǒng)錨桿

3 連續(xù)油管側(cè)鉆銑削工具

1)啟動銑刀 啟動銑刀設(shè)計為一個錐形體,上部裝有套管切割裝置,粉狀硬質(zhì)鎢合金晶體通過釬焊覆蓋在鋼質(zhì)銑刀胎體表面 (見圖2)。銑刀胎體通過一個短而銳利的測量工具塑形,便于啟動開窗,采用圓柱形銑削工具可以有效減小銑削作業(yè)扭矩。銑刀胎體高度的設(shè)計要確保造斜器正常工作和安裝裝置不被銑削,同時根據(jù)測試平均切削力進行設(shè)計啟動銑刀上的旋轉(zhuǎn)接頭和造斜器上的保險螺栓。

2)開窗銑刀 開窗銑刀設(shè)計為表面有輕微凹陷的銑刀,銑刀表面鑲嵌有硬質(zhì)鎢合金晶體,并有3條用于協(xié)助水力循環(huán)的12mm寬的螺旋水槽 (見圖3)。銑刀全長4cm,前端的倒角用于引導相關(guān)工具接觸造斜器。

圖2 連續(xù)油管側(cè)鉆啟動銑刀

圖3 連續(xù)油管側(cè)鉆開窗銑刀

3)銑刀刀片 銑刀刀片是提高銑削效率、保證開窗成功的關(guān)鍵工具。以往用于套管開窗的銑刀刀片主要是硬質(zhì)合金刀片 (見圖4(a));隨著連續(xù)油管側(cè)鉆開窗工藝的改進,發(fā)明了具有一定幾何形狀的硬質(zhì)合金刀片 (見圖4(b));隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,為了提高銑削效率與可靠性,天然金剛石銑刀成為較受歡迎的銑削工具 (見圖4(c));隨著工業(yè)技術(shù)的進一步發(fā)展,為了進一步提高銑削效率與穩(wěn)定性,PDC插入結(jié)構(gòu)式銑刀受到了人們的日益重視,PDC型刀片見圖4(d)所示。

圖4 銑刀刀片

4)擴眼器 連續(xù)油管側(cè)鉆擴眼器位于鉆頭附近,以幫助擴大開窗直徑和提高開窗質(zhì)量 (見圖5)。該擴眼器將窗口修整至標準尺寸,并增加窗口長度,確保能形成一個平滑的窗口,有助于鉆完井設(shè)備順利通過。擴眼器設(shè)計為四周含有硬質(zhì)鎢合金晶體的胎體,表面覆蓋有多條12mm寬的水槽,其引導軸設(shè)計為薄壁鉆桿,從而使得擴眼器組裝具有較強的靈活性。

圖5 連續(xù)油管側(cè)鉆擴眼器

[1]吳文秀,韓興,曾憲宏等.連續(xù)油管過油管開窗側(cè)鉆技術(shù) [J].石油機械,2000,28(7):55-57.

[2]朱麗華,陳新,黃焰.連續(xù)油管開窗側(cè)鉆水平井技術(shù) [J].鉆采工藝,2001,25(3):19-23.

[3]賀會群.連續(xù)油管鉆井技術(shù)與裝備[J].石油機械,2009,37(7):1-6.