海上平臺老井槽側鉆井泥線預開窗斜向器設計

王 超，徐鴻飛，范白濤，劉作鵬，劉 峰

(1．中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津300452；2.中海油有限公司 天津分公司，天津300452)

海上平臺老井槽側鉆井泥線預開窗斜向器設計

王 超1，徐鴻飛1，范白濤2，劉作鵬1，劉 峰2

(1．中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津300452；2.中海油有限公司 天津分公司，天津300452)

介紹了一種可通過導管直接下入的泥線預開窗斜向器。使用該斜向器可在不改變平臺結構的情況下重新利用老井槽對老井進行側鉆作業。基于受力分析和有限元模擬，對泥線預開窗斜向器的斜面角度、導向管和整體的強度和穩定性進行了分析計算。分析表明，泥線預開窗斜向器導向斜板的傾斜角度在3.5～5.0°最為合適。采用X52及以上鋼級的隔水管作為斜向器導向管，其整體結構和材料的應力滿足規范及海洋作業要求。為利用海上平臺的老井槽對棄井進行泥線開窗側鉆提供技術支持。

海上平臺；側鉆；斜向器

早期開發的海上油氣田逐步進入了生產的中后期，為實現增產、穩產的目標，通常利用現有槽口資源進行調整井、加密井的鉆探以彌補虧欠。但是，海上老平臺普遍存在無槽口可用或槽口不可用等問題。針對這些問題，國內已逐步開發包括套銑開窗、加掛井槽等海上平臺井槽再利用技術，實現了老井槽的高效利用，但經濟性尚有提升空間[1-7]。隨著水射流等高效水下切割技術在海上棄井工程上的應用推廣，平臺老井槽的多層套管可采用整體切割回收的方式進行，以避免套銑，這就為井槽再利用提供了一種更經濟的技術手段[8-9]。

本文針對整體切割回收原套管再利用老井槽的工藝進行了優化研究，設計了一種泥線預開窗斜向器。該斜向器可通過導管直接下入，簡化了作業流程。通過對該斜向器的結構校核和穩定性分析，確定了導向斜板的最佳傾斜角度及隔水管的材質，并進行了陸地試驗測試，為后續海上的應用提供了保障。

1 海上平臺老井槽再利用技術

1.1 常見的老井槽再利用方式

海上平臺老井槽再利用就是根據開發需要，將原來的生產井進行封堵棄井，然后在該井槽進行新井鉆探的技術。根據側鉆點的不同，常見的主要有泥線以上及泥線以下2種側鉆方式。

泥線以上的側鉆是在封堵完原井眼后，在泥線以上切割多層套管并坐斜向器，然后重新下入新隔水管側鉆的方式(如圖1a)。新隔水管傾斜的角度應不能超過管柱承受的應力。必要時還需要將上部導向孔拆除。在泥線以下側鉆則有泥線處淺層側鉆和井筒內側鉆2種方式。淺層側鉆是將原井眼封堵后回收全部套管，在泥線處坐斜向器，然后下入新隔水管側鉆(如圖1b)。井筒內側鉆則是指目前應用較為廣泛的井筒內套銑開窗側鉆方式(如圖1c)。

圖1 常見的老井槽再利用方式

1.2 使用泥線預開窗斜向器再利用老井槽的工藝

本工藝是通過泥線預開窗斜向器進一步簡化泥線以下淺層側鉆的程序，可將泥線預開窗斜向器坐于原井筒套管上，直接下入新隔水管。具體步驟如下：

1) 泥線以下5 m整體切割并回收水泥封固多層套管(如圖2a)，切割方式采用水射流整體內切割。

2) 注水泥塞封固油氣井到設計位置，水泥塞頂不超過斜向器錨定短節位置。

3) 泥線預開窗斜向器與隔水導管一起下入，錨定于原井眼最內層套管內(如圖2b)。

4) 鉆頭通過泥線預開窗斜向器導向鉆入地層(如圖2c)。

圖2 泥線預開窗斜向器作業過程

2 泥線預開窗斜向器結構設計

泥線預開窗斜向器由上部連接頭、造斜窗口和錨定短節構成，如圖3所示。上部連接頭可直接與隔水管相連，造斜窗口由空心導向基體、斜板組成，通過固定銷釘與連接基體固定，連接基體通過錨定短節將斜向器錨定在原井筒套管上。

1—套管快速接頭；2—導向管；3—導向斜板；4—空心導向基體；5—鎖緊螺釘；6—連接基體；7—錨定錐。

3 泥線預開窗斜向器設計優化與校核

3.1 斜向器斜面曲率優化

考慮井下工具管串達到目標造斜曲率發生的彎曲量，以管串順利通過斜向器來確定斜鐵板的傾斜角度。因隨著水深增加，井下工具管串長度增加，相同撓度下管串受力減小，故以較淺水深16 m情況下考慮管串的受力情況。

3.1.1 井下工具管串的變形量計算

以?444.5 mm鉆頭的井下工具組合管串數據為例，管串中所占比例最大部分作為全井工具串模型，即外徑為?203.2 mm，內徑為?76.2 mm。

基本參數如下：密度ρ=7 850 kg/m3，熱膨脹系數α=1.2×10-5/℃，抗壓屈服強度為355 MPa，拉伸屈服強度為355 MPa，抗拉極限強度為600 MPa。在靜力條件下，可得如下平衡方程：

(1)

式中：P為鉆壓，kN；Fa為套管垂直于井下工具管串作用力，kN；Fb為井下工具管串在未破開套管前受到斜向器垂直于斜面的作用力，kN；Fc為井下工具管串受到斜向器斜鐵垂直于斜面的線性載荷，kN；L為井下工具組合管串的長度，m。

假設鉆壓為19.6 kN，則Fa=217 kN，Fc=12 kN。對井下工具管串鉆頭位置施加垂直于斜面的作用力和垂直于套管的作用力，對鉆柱施加垂直于斜鐵板的線性載荷，計算結果如圖4所示。鉆頭橫向最大偏移量0.826 m，大于斜向器所需的最小偏移量0.254 m，位移點與曲率圓相切的傾角為3.4～7.2°。

圖4 井下工具管串在恒力條件下的變形云圖

假設鉆頭的橫向位移量剛好可以伸出斜向器，即橫向偏移為0.254 m，在井下工具串底端與斜鐵板作用范圍內，通過井下工具串的變形圖所得變形位移方程(如圖5)，位移點與曲率圓相切的斜面傾角為3.1～4.7°。

圖5 井下工具管串在恒位移條件下的變形云圖

3.1.2 斜向器斜面角度優化

井下工具管串在恒力19.6 kN和恒橫向位移0.254 m下，均可順利通過斜向器開口。由井下工具管串底端各位移點與不同曲率下相切斜面的傾角，確定斜向器斜鐵板傾斜角度為3.5～5.0°為宜。

3.2 斜向器導管強度與穩定性校核

斜向器導管尺寸為?508 mm，通過如下分析計算考察了開窗位置及尺寸對隔水導管穩定性的影響。

3.2.1 載荷及環境參數選取

風浪流工況參數如表1所示。

表1 風浪流工況

3.2.2 風浪流條件下的隔水導管強度與穩定性分析

設定結構參數如下：材料為X52鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，材料密度7 850 kg/m3。由此得隔水導管的綜合應力和彎矩云圖如圖6～7所示，計算結果如表2。從風浪流條件的分析計算結果來看，X52以上鋼級?508 mm×25.4 mm隔水導管滿足海況重現期為100 a的作業要求。

圖6 ?508 mm×25.4 mm隔水導管綜合應力分布云圖

圖7 ?508 mm×25.4 mm隔水導管彎矩分布云圖

導管規格頂載荷/kN最大水平位移/m最大應力/MPa最大彎矩/(kN·m)?508mm×5000．03245．8141．025．4mm10000．03358．5141．0

3.3 斜向器穩定性校核

3.3.1 有限元模型建立與載荷施加

基于模型特點，采用由下向上建模，建模重點為斜鐵板角度和厚度的確定，以及斜鐵板與斜向器主體的連接。設定結構參數如下：材料45號優質碳素鋼，抗拉強度≥600 MPa，屈服強度≥355 MPa。結合具體施工工況添加約束和施加載荷。

假設渤海較惡劣工況條件，水深40 m，斜向器下入深度5 m，鉆壓19.6 kN。因底端插入原井筒套管內，故插入錨采用固定約束方式。考慮到鉆桿與斜向器斜鐵板的接觸面僅為圓柱面與斜鐵板的中線接觸，考慮施加均布的線性載荷。

3.3.2 結果分析

斜向器校核結果數據如表3所示。3項求解項的表型圖如圖8～10。

表3 校核結果

圖8 斜向器等效彎矩

圖9 斜向器MISES等效應力分布

圖10 斜向器總變形

由應力校核得，斜向器受到的最大應力值為129 MPa，遠小于屈服應力值355 MPa，滿足許用條件和工況要求。

3.3.3 斜向器結構優化建議

從應力云圖分析可知，斜向器應力最大點分布在插入錨與斜向器連接位置，建議設計加強環提升連接處的承載力。錨定短節底端與套管內壁接觸，建議在錨定短節外側敷焊硬質合金以提升其結構強度。斜向器底端位移量相對較大，考慮錨定短節與斜向器主體重力過盈，提高強度。

斜鐵板與斜向器接觸的底端是應力薄弱點，在鉆頭加壓的過程中，斜鐵板底端是主要應力承受點，建議加強斜鐵板與斜向器主體間的焊接效果，斜鐵板選擇高于45號鋼的硬質合金鋼。

4 泥線預開窗斜向器實物加工與測試

根據結構校核優化的建議，對泥線斜向器的圖紙進行優化并完成了實物加工。加工后的實物如圖11～13。

圖11 斜向器主體

圖12 與上部隔水導管連接的快速接頭

13 不同偏心程度的錨定錐

斜向器主體為?508 mm隔水導管預開窗，頂部為隔水管快速接頭。導向斜板采用高強度材料40CrMnMo。錨定短節外側與套管接觸處均進行了高強度合金強化。根據可能存在的原井眼套管偏心情況，加工了不同偏心程度的錨定短節，以滿足不同現場工況的要求。在陸地試驗井對本體進行了下入及抗壓試驗，符合理論計算數據，具備了現場應用的條件。

5 結論

1) 設計了一種?508 mm泥線預開窗斜向器，可通過導管直接下入。與常規套銑開窗利用老井槽相比，使用該斜向器可簡化工藝流程，提高效率。

2) 通過ANSYS軟件輔助計算，確定了最優的泥線預開窗斜向器斜面角度為3.5～5.0°，X52以上鋼級?508 mm隔水導管滿足海況重現期為100 a時的作業要求，泥線預開窗斜向器的結構滿足工況許用條件。

3) 經過結構優化后的泥線預開窗斜向器實物通過陸地試驗井測試，具備了海上應用的條件。

4) 建議使用磨料水射流切割對原套管串在泥線以下切割，以增加后續泥線預開窗斜向器的下入精度和下入后的穩定性。建議對后續固井質量嚴格控制，以增加泥線預開窗斜向器下入后的穩定性。

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Design and Evaluation of the Mudline Whipstock for Well Slots to be Re-used on Offshore Platform

WANG Chao1，XU Hongfei1，FAN Baitao2，LIU Zuopeng1，LIU Feng2

(1.EnerTech-Drilling&ProductionCompany，CNOOC，Tianjin300452，China；2.TianjinBranch，CNOOCLtd.，Tianjin300452，China)

This article introduces a kind of mudline windowed whipstock which can be installed with the conductor.With this whipstock，the old well slot can be re-used efficiently and economically without changing the structure of platform.The bevel angle，strength and stability of tubing guide and the whole whipstock were analyzed and calculated throughout the force analysis and finite element simulation.The study shows that the bevel angle of the mudline windowed whipstock between 3.5° and 5.0° will be appropriate.The stress of the structure and materials can meet the requirements of the regulation and the offshore operation by using X52 or more strength steel as tubing guide.This offers a great technical support for the use of old well slot for sidetracking after the well abandonment operation.

offshore platform；sidetracking；whipstock

1001-3482(2017)01-0029-05

2016-08-31

王 超(1982-)，男，山東曹縣人，工程師，2005年畢業于南京工業大學金屬材料專業，現主要從事海上油氣井棄置相關技術研究工作，E-mail：wangchao5@cnooc.com.cn。

TE951

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.007