連續(xù)油管側(cè)鉆關(guān)鍵工具的發(fā)展淺析

程 萬,黃志強(qiáng) (湖北省油氣鉆采工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;長江大學(xué)石油工程學(xué)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(jìn)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(jìn)行分析研究具有重要的實(shí)際意義。文獻(xiàn) [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(rèn)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(jì)的一種;文獻(xiàn) [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(dá)、磨鞋和鉆頭等,并對套管和襯管開窗專用BHA進(jìn)行了研究;文獻(xiàn) [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(xué)有力的指導(dǎo)。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(dòng)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(dòng)力機(jī)

動(dòng)力機(jī)是連續(xù)油管側(cè)鉆系統(tǒng)底部的一個(gè)重要部件,通過將液壓轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)力的方式為開窗設(shè)備提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。側(cè)鉆開窗作業(yè)需要?jiǎng)恿C(jī)產(chǎn)生較高扭矩,目前的 “等距離”電機(jī)技術(shù)可實(shí)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(dòng)力機(jī)選擇的因素有最大允許磨合外徑和傳遞液壓動(dòng)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(jìn)。第1代錨固系統(tǒng)由幾個(gè)硬質(zhì)合金刀片焊接在一個(gè)墊片上組成,當(dāng)造斜器下至預(yù)定位置時(shí),墊片旋轉(zhuǎn)開并嵌在套管內(nèi)壁上。該系統(tǒng)的每一個(gè)墊片都是根據(jù)特定套管內(nèi)徑設(shè)計(jì)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(jì)。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(dāng)造斜器下到預(yù)定位置時(shí)便可嵌在套管內(nèi)壁上,條型裝置上配備的高強(qiáng)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(jiān)實(shí)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(dāng)承受重量過大時(shí),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(qiáng)度不夠。新型錨固系統(tǒng)也是基于錨桿設(shè)計(jì)理念,將原來的輻射條分為幾個(gè)獨(dú)立的輻射條,漸進(jìn)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(zhǔn)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(dòng)銑刀 啟動(dòng)銑刀設(shè)計(jì)為一個(gè)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(gè)短而銳利的測量工具塑形,便于啟動(dòng)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(jì)要確保造斜器正常工作和安裝裝置不被銑削,同時(shí)根據(jù)測試平均切削力進(jìn)行設(shè)計(jì)啟動(dòng)銑刀上的旋轉(zhuǎn)接頭和造斜器上的保險(xiǎn)螺栓。

2)開窗銑刀 開窗銑刀設(shè)計(jì)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(dǎo)相關(guān)工具接觸造斜器。

圖2 連續(xù)油管側(cè)鉆啟動(dòng)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(jìn),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(jìn)一步發(fā)展,為了進(jìn)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(kuò)眼器 連續(xù)油管側(cè)鉆擴(kuò)眼器位于鉆頭附近,以幫助擴(kuò)大開窗直徑和提高開窗質(zhì)量 (見圖5)。該擴(kuò)眼器將窗口修整至標(biāo)準(zhǔn)尺寸,并增加窗口長度,確保能形成一個(gè)平滑的窗口,有助于鉆完井設(shè)備順利通過。擴(kuò)眼器設(shè)計(jì)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(dǎo)軸設(shè)計(jì)為薄壁鉆桿,從而使得擴(kuò)眼器組裝具有較強(qiáng)的靈活性。

圖5 連續(xù)油管側(cè)鉆擴(kuò)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(jī)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(huì)群.連續(xù)油管鉆井技術(shù)與裝備[J].石油機(jī)械,2009,37(7):1-6.