連續油管側鉆關鍵工具的發展淺析

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,隨著連續油管技術的發展和剩余油資源挖潛工作的進一步深入,連續油管開窗側鉆技術在國外應用日益廣泛,但在國內由于裝備和技術的限制應用較少。因此,對連續油管側鉆工具進行分析研究具有重要的實際意義。文獻 [1]系統研究了水泥塞開窗側鉆、水泥環內置造斜器開窗側鉆、過油管造斜器開窗側鉆3種連續油管開窗側鉆技術,認為水泥塞開窗側鉆技術比較成熟,應用較為廣泛,是3種側鉆技術中最可靠最經濟的一種;文獻 [2]系統介紹了連續油管開窗側鉆所用的主要井下工具:連續油管接頭、回壓閥、液壓斷開接頭、循環接頭、非旋轉接頭、定向工具、隨鉆測量系統、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]在總結連續油管作業技術與裝備發展現狀和展示其發展趨勢的基礎上,客觀分析了國內連續油管技術與裝備的應用與研究現狀,提出了相應的發展對策,對于連續油管鉆井技術在國內研究與應用提供了科學有力的指導。下面,筆者通過對近年來連續油管側鉆開窗關鍵工具的分析研究,以期對加速連續油管側鉆工具國產化和推動連續油管側鉆開窗技術在國內應用提供參考。

1 連續油管側鉆動力機

動力機是連續油管側鉆系統底部的一個重要部件,通過將液壓轉變為機械動力的方式為開窗設備提供旋轉動力。側鉆開窗作業需要動力機產生較高扭矩,目前的 “等距離”電機技術可實現在較低的工作壓力下獲得較高的扭矩。在過油管環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,如鉆井液、氣體或氣液混合流體等。

2 連續油管側鉆錨固系統

從最初的過油管造斜器開始,連續油管側鉆錨固系統經歷了幾次更新與改進。第1代錨固系統由幾個硬質合金刀片焊接在一個墊片上組成,當造斜器下至預定位置時,墊片旋轉開并嵌在套管內壁上。該系統的每一個墊片都是根據特定套管內徑設計的,不同規格的套管需要不同的墊片與之適應。

第2代錨固系統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,當造斜器下到預定位置時便可嵌在套管內壁上,條型裝置上配備的高強度倒鉤以增加嵌入套管的深度,該錨固系統在規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壁契合。

傳統錨固系統采用連續的輻射條半徑,雖然在合適規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整到最佳角度;另外,采用傳統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。新型錨固系統也是基于錨桿設計理念,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,保證了條型裝置嵌入套管內壁的深度,相比傳統錨固系統大幅度提高了其錨固能力,連續油管側鉆錨固系統錨桿如圖1所示。

圖1 連續油管側鉆錨固系統錨桿

3 連續油管側鉆銑削工具

1)啟動銑刀 啟動銑刀設計為一個錐形體,上部裝有套管切割裝置,粉狀硬質鎢合金晶體通過釬焊覆蓋在鋼質銑刀胎體表面 (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扭矩。銑刀胎體高度的設計要確保造斜器正常工作和安裝裝置不被銑削,同時根據測試平均切削力進行設計啟動銑刀上的旋轉接頭和造斜器上的保險螺栓。

2)開窗銑刀 開窗銑刀設計為表面有輕微凹陷的銑刀,銑刀表面鑲嵌有硬質鎢合金晶體,并有3條用于協助水力循環的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工具接觸造斜器。

圖2 連續油管側鉆啟動銑刀

圖3 連續油管側鉆開窗銑刀

3)銑刀刀片 銑刀刀片是提高銑削效率、保證開窗成功的關鍵工具。以往用于套管開窗的銑刀刀片主要是硬質合金刀片 (見圖4(a));隨著連續油管側鉆開窗工藝的改進,發明了具有一定幾何形狀的硬質合金刀片 (見圖4(b));隨著工業技術的發展,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));隨著工業技術的進一步發展,為了進一步提高銑削效率與穩定性,PDC插入結構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 連續油管側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,有助于鉆完井設備順利通過。擴眼器設計為四周含有硬質鎢合金晶體的胎體,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 連續油管側鉆擴眼器

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

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

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