東海某井深部地層開窗作業的認識與啟發

王澤

(中海油能源發展股份有限公司工程技術上海分公司，上海 200335)

0 引言

近年來，隨著東海勘探開發力度的不斷增大，深井、大位移井逐漸成為開發的主流，一些復雜作業也層出不窮[1-3]。近期，東海開窗作業的井數持續增多，作業難度也不斷加大。東海在此區塊部署的該口井為調整井，鉆井平臺靠導管架完成作業，由于該導管架無閑置槽口，作業前需進行生產管柱回收、老井棄置等作業。后在老井244.475 mm套管內進行開窗側鉆，該井設計工期20.5天，實際工期18.38天，提前2.12天。本井開窗層位斜深3 565.8 m，垂深3 227.4 m，均創區塊新高。套外地層為花港組下段，硬度較高，作業難度較大。本井的成功側鉆可為其他井位的開窗側鉆作業提供借鑒[4-6]。

1 開窗工藝簡介

1.1 開窗方法

套管開窗的方法主要有兩種，即斜向器(又稱造斜器、導向器)開窗法和銑套管開窗法。斜向器開窗工具費用較高，但開窗作業時間相對銑套管短，因此針對海上作業日費較高的情況，使用斜向器開窗側鉆方法可以降低綜合作業成本[7-10]。故本文著重介紹斜向器開窗法，常用的開窗方法如表1所示。

表1 開窗方法對比表

斜向器套管開窗工藝分為一趟鉆開窗和兩趟鉆開窗兩種，如圖1所示。兩趟鉆開窗是指兩次下鉆完成套管開窗作業，即第一次下鉆單獨下斜向器完成坐斜向器作業，第二次下鉆下磨銑工具完成磨銑套管開窗及修窗的作業。一趟鉆開窗是指一次下鉆完成下斜向器并坐斜向器和套管開窗及修窗作業。一趟鉆開窗相對于兩趟鉆開窗可以節省一次起下鉆作業時間，因此海上常用一趟鉆開窗工藝開窗。

圖1 斜向器開窗示意圖

1.2 開窗工具

開窗工具主要包括：多功能循環閥、送入工具、三段式開窗銑錐、斜向器和可回收式錨定器，如圖2所示。

圖2 開窗工具示意草圖

1.2.1 多功能循環閥

多功能循環閥可與隨鉆測量儀器MWD配合使用，有效確保側鉆方位。可開關五次，第六次多功能循環閥關閉。還可以保持多功能循環閥打開可使環空和鉆桿內壓力平衡。

1.2.2 送入工具

送入工具直接連在開窗銑錐以上，用于液壓座掛錨定器。送入工具的活塞具有隔離泥漿的作用。此外，送入工具能夠在開窗過程中承載扭矩和彎曲應力。活塞進入活塞腔后能夠開泵循環鉆井液。

1.2.3 三段式開窗銑錐

三銑錐采用高硬度、抗破碎、持久耐用的碳合金制造，鑲裝刀片可保證切削物形狀的一致性、完整性且切削物細小便于隨泥漿返出。此外，采用了柱狀切削齒并優化切削齒的分布。三段式開窗銑錐可鑲嵌人工合成金剛石切削齒，可靠性強，能夠很快將窗口開出去。三段式開窗銑錐開的窗口質量可靠，鉆具通過性能大大增加，可鉆導眼長度較長。

1.2.4 斜向器

錨定器和斜向器之間采用固定銷連接。采用軟連接確保斜向器能通過大井斜位置，可降低下鉆風險。斜向器的快速剪切斜度可引導銑錐進入切削段，推動銑錐開始切削，高效攻擊的磨銑角。斜向器上部可回收槽可與回收鉤配合通過上提解封錨定器。中間適宜角度可機械推動銑鞋通過中心點并減少中心死點。此外，斜向器保徑段增加窗口全井段長度，減少狗腿度，并且擁有更厚的導斜橫截面積。

1.2.5 可回收錨定器

可回收錨定器可通過液壓坐封，能適用不同尺寸和磅級的套管，大噸位上提可實現解封，可以防轉、防位移。封隔器卡瓦特點為卡瓦在坐封后，在各個方位都會對套管內壁有作用力，使得封隔器更好的抓牢套管，防止其轉動和封隔器下移。

1.3 開窗側鉆點優選

開窗作業之前需對側鉆點進行優選，理想的開窗側鉆點需具備以下條件：地層穩定的砂巖段、固井質量優良的井眼段、老井眼機械鉆速較快的區域、適宜狗腿度、避開套管接箍(有條件建議實測套管接箍位置)。側鉆點選取過后，首先組合開窗工具，將開窗工具下到選定的側鉆點，隨后調整斜向器方位、坐封錨定器、脫手銑錐，開窗、修窗，起鉆。

2 開窗作業東海應用實例

東海某井開窗層位斜深3 565.8 m，垂深3 227.4 m，均創區塊新高。套外地層為花港組下段，硬度較高，作業難度較大。作業前結合管外固井質量及套管接箍情況，優化窗口位置，套管磨銑階段鉆進參數施加合理，進尺較快，3 h進尺約3 m，有效緩解了銑錐出套后進尺緩慢效率低下的狀況，該井銑錐出套后進尺4 m，修窗后驗窗無阻掛，銑錐出井磨損量合格，窗口寬度合格、質量合格，215.9 mm鉆具過窗無阻掛，短起下鉆具過窗無阻掛。最終用時17 h，綜合時效較相鄰區塊同深度開窗提高20 h。

2.1 基本情況

2.1.1 井的基本數據

該井位于東海某氣田，為定向井，側鉆點位于3 570 m，轉盤面距離海面61 m，共計4開次，井身結構為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。井身結構如圖3所示。本井開窗位置井斜32.5°，定向工具選擇MWD儀器，開窗點以上無大狗腿度井段。

圖3 井身結構圖

本井244.475 mm套管固井選用套管類型為3Cr-L80Q/47PPF，套管外設計為水泥混漿，CBL測井水泥環質量較好，開窗作業過程中撈砂發現較多水泥，判斷為混漿質量較好。

2.2 開窗作業流程

2.2.1 淺層測試與開窗作業鉆具組合

12-1/4″井眼淺層測試鉆具組合常采用考克(關閉)+5″加重鉆桿(411×410)+6-3/4″循環閥(411×410)+6-3/4″MWD(411×410) + 變扣接頭 (411×WMT57 B) +5-7/8″鉆桿(WMT57)的組合。

測試時，為符合井控要求，常采用多次開泵并采用小排量的方式。該井開泵測試時，第一次開泵測試參數為排量1 500 L/min，泵壓3.6 MPa，工具信號正常。第二次至第五次開泵測試參數為排量1 500 L/min，泵壓3.6 MPa，循環閥運行正常。本井第六次開泵測試時，排量為800 L/min，泵壓迅速上升至10 MPa，循環閥關閉正常，泥漿泵小排量勻速打壓至24 MPa，壓力迅速下降，判斷考克漏壓。現場及時將壓力泄為0后上提鉆具至轉盤面。

當深部地層開窗作業開泵測試時，若發現鉆具刺漏或者考克泄漏等問題時，必須及時泄壓并更換。當考克損壞程度較高且無法正常關閉時，也必須更換考克并重新進行高壓測試。更換考克后，需進一步降低排量，進行測試。該井將泥漿泵排量開至800 L/min，泵壓迅速上升至10 MPa，循環閥關閉正常，泥漿泵小排量勻速打壓至24 MPa，穩壓15 min；15 min后壓力下降1 MPa，起初下降速度較快，后期壓力降低速度減慢，壓力基本穩定，此時可判斷工具測試正常。

測試結束后固井泵緩慢泄壓，拆開循環閥，手動復位閥心，上扭矩22 000 ft.lbs，測試立柱立于鉆臺。其他井位可參考本井作業流程。

12-1/4″井眼開窗鉆具組合通常采用8-1/8″帶密封錨定器+8″斜向器+8-1/2″開窗銑錐+6-1/2″送入工具+5″加重鉆桿×1根+6-3/4″循環閥+ 6-3/4″MWD+6-1/2″鉆挺+變扣接頭+5-7/8″加重鉆桿(WMT57)+5-7/8”鉆桿。安裝剪切銷釘斷裂應力值為55 000 lbs，鉆具組合完成后需測量MWD與斜向器角差，以此提高側鉆的成功率。

2.2.2 側鉆流程

(1)定工具面

下鉆至座掛立柱，接頂驅。測試上提、下放懸重，繼續下放鉆具至錨定器底深。根據第一次開泵測試參數，包括排量與泵壓等，以及工具信號的正常與否，調整斜向器工具面。此時需要開窗工程師、定向井工程師、監督三方確認座掛深度。

(2)錨定器座掛

以本井為例，泥漿泵小排量勻速打壓至24 MPa，穩壓15 min。此時提高立壓至28 MPa，穩壓5 min，座掛錨定器，鉆桿劃線，泄立壓至21 MPa，緩慢下放鉆具觀察懸重變化，鉆具無移位，判斷錨定器座掛合格。下壓鉆具，懸重回彈，繼續下壓，上提管柱，若無過提，繼續上提2 m距離，懸重無明顯變化，且立壓逐漸下降至0，判斷錨定器已脫手并拉斷管線。

本井開泵排量為800 L/min，泵壓迅速上漲至10 MPa，降低排量至 2～5 沖/min，開轉 15 r/min，下放鉆具，打斷盲堵、水嘴，立壓下降，探頂深度：3 565.8 m；隨后替漿。其他井位可參考本井座掛流程，本井鉆開窗參數見表2。

表2 本井開窗鉆進參數表

開窗作業初始階段需選用較低轉速和低鉆壓的鉆井參數組合，以此保障窗口有效的造型，轉速可采用 60 r/min，鉆壓常為 1～2 t。

鉆至中部階段時，鉆頭進尺均勻，鉆進情況良好，可逐漸提高轉速、鉆壓，保障頭錐有效的進尺，轉速常采用90 r/min，鉆壓為1～3 t，此時進尺較快。

鉆至死點位置時，為避免出現頭錐與套管中部長時間磨心，需逐漸提高鉆壓，讓斜向器死點機構將頭錐順利推出死點，轉速采用60 r/min，鉆壓為2～4 t。本井鉆遇此階段時無明顯顯示，扭矩降低情況不明顯，施加鉆壓較低，鉆速正常。

鉆至下部階段時，進尺逐漸降低，降低轉速、提高鉆壓，轉速建議設為60～70 r/min，鉆壓采用4～17 t。

鉆至裸眼階段時，維持鉆速不變，轉速繼續采用60 r/min，鉆壓采用15～17 t，此時進尺逐漸困難。本井鉆至裸眼階段時，10 h內進尺4 m。鉆進至3 574.1 m后長時間無進尺，考慮到口袋長度已滿足旋轉導向儀器上扶正器完全進入口袋，且鉆進效率較低，遂開始修窗。修窗時，采用不同轉速劃眼、倒劃眼通過窗口，調整不同角度停轉停泵驗窗，使得無阻掛。

2.2.3 開窗效果驗證

對出井三銑錐數據進行評價是判斷開窗效果的重要標準。本井頭錐、二錐、三錐入井外徑均215.9 mm，頭錐磨損值6 mm，最大允許磨損值為0.625″/16 mm，二錐磨損值為14 mm，最大允許磨損值為0.5″/16 mm，三錐磨損值為3 mm，最大允許磨損值為0.25″/16 mm銑錐側齒狀態較好，底部無明顯磨心現象。頭錐、三錐磨損量合格，由此可以判斷窗口質量合格。

2.3 開窗作業錨定器坐掛失敗原因分析

錨定器坐掛失敗是導致開窗作業失敗較為常見的原因，導致錨定器坐掛失敗通常由錨定器坐封不牢固，銷釘的剪切值偏大，設備的維護、保養以及現場操作方面不到位等結果導致的。

2.3.1 錨定器坐封不牢固

(1)定器座封壓力不夠，座封時地面顯示座封壓力24.13 MPa，受頂驅沖管刺漏影響，井下錨定器位置密封壓力要低于24.13 MPa，卡瓦行程不足，不能充分、有效座封。

(2)根據入井的錨定器結構，在座封壓力不夠時，下壓可以使錨定器卡瓦吃入套管更深，可以承受一定下壓力，在實際操作中不宜過大噸位嘗試上提。

(3)反復的大噸位活動剪切銷釘時，導致卡瓦齒被破壞，卡瓦松動。

(4)重復進行高壓座封時，受卡瓦被損壞的影響，雖然能夠座封，但是已經不能承受上提下壓力。

2.3.2 銷釘的剪切值偏大

結合第二趟開窗作業剪切銷釘情況以及第一趟起出的銷釘斷口形狀、固定銷釘形成凹坑分析，剪切銷釘的異常剪切值(剪切值偏大)也是造成此次錨定器坐掛失敗的主要原因。

2.3.3 設備的維護、保養以及現場操作方面不到位

平時的設備保養不到位，打壓坐掛錨定器時沖管刺漏，使其提供的坐封壓力不能達到要求。

3 結語

(1)細化前期準備，優化現場作業。編寫開窗作業設計時，基于老井井身結構資料及鉆進期間相關數據，優化鉆具組合，細化作業設計；完善作業指導書，根據作業設計出具詳細作業程序。

(2)開窗作業前，提前維護、保養檢查重點設備，保證開窗作業不間斷。工程師詳細檢查入井工具，確保工具無缺陷。開窗作業時，精細操作，全過程重點密切監控扭矩變化，觀察鉆進參數，根據鉆進顯示，準確判斷井下情況，及時、合理調整鉆進參數，保持有效進尺。

(3)對于深層套管開窗窗口位置要盡量選擇地層均質，無硬地層夾層，可鉆性相對較好的位置進行開窗。

(4)把控后勤，嚴控工具質量。嚴格執行技術要求標準，確保產品質量。嚴格執行產品從源頭質檢、測試、組合并錄制試壓等相關視頻存檔。聯合質檢部門共同核查廠家相關資質、廠家原材料提供商相關資質以及原材料質量檢測。明確開窗維保類、返修類產品標準，出具相關報告。對于出海作為備用工具返回車間的物料，再次出料前專業人員要詳細檢查、測試，確認合格后方可繼續使用。

(5)本次一趟式斜向器法開窗側鉆作業一次性完成了本井的下斜向器、開窗、修窗作業，為東海該區塊深井套管開窗積累了寶貴的經驗。整個開窗側鉆過程，分初始、正常、死點階段，不同階段使用不同的鉆參，及時調整鉆參，提高時效。當磨銑至死點位置時，可增大鉆壓并降低轉速，有助于將磨鞋推離斜向器面并且偏離死點；斜向器設計中間角度，有利于通過死點。充分考慮地層的可鉆性、研磨性，提高銑錐齒的攻擊性和抗研磨性，優化三銑錐和斜向器的結構設計，保證開窗的一次成功率。