连续油管侧钻关键工具的发展浅析

程 万,黄志强 (湖北省油气钻采工程重点实验室;长江大学石油工程学院,湖北荆州434023)

近年来,随着连续油管技术的发展和剩余油资源挖潜工作的进一步深入,连续油管开窗侧钻技术在国外应用日益广泛,但在国内由于装备和技术的限制应用较少。因此,对连续油管侧钻工具进行分析研究具有重要的实际意义。文献 [1]系统研究了水泥塞开窗侧钻、水泥环内置造斜器开窗侧钻、过油管造斜器开窗侧钻3种连续油管开窗侧钻技术,认为水泥塞开窗侧钻技术比较成熟,应用较为广泛,是3种侧钻技术中最可靠最经济的一种;文献 [2]系统介绍了连续油管开窗侧钻所用的主要井下工具:连续油管接头、回压阀、液压断开接头、循环接头、非旋转接头、定向工具、随钻测量系统、井下马达、磨鞋和钻头等,并对套管和衬管开窗专用BHA进行了研究;文献 [3]在总结连续油管作业技术与装备发展现状和展示其发展趋势的基础上,客观分析了国内连续油管技术与装备的应用与研究现状,提出了相应的发展对策,对于连续油管钻井技术在国内研究与应用提供了科学有力的指导。下面,笔者通过对近年来连续油管侧钻开窗关键工具的分析研究,以期对加速连续油管侧钻工具国产化和推动连续油管侧钻开窗技术在国内应用提供参考。

1 连续油管侧钻动力机

动力机是连续油管侧钻系统底部的一个重要部件,通过将液压转变为机械动力的方式为开窗设备提供旋转动力。侧钻开窗作业需要动力机产生较高扭矩,目前的 “等距离”电机技术可实现在较低的工作压力下获得较高的扭矩。在过油管环境中影响动力机选择的因素有最大允许磨合外径和传递液压动力的介质,如钻井液、气体或气液混合流体等。

2 连续油管侧钻锚固系统

从最初的过油管造斜器开始,连续油管侧钻锚固系统经历了几次更新与改进。第1代锚固系统由几个硬质合金刀片焊接在一个垫片上组成,当造斜器下至预定位置时,垫片旋转开并嵌在套管内壁上。该系统的每一个垫片都是根据特定套管内径设计的,不同规格的套管需要不同的垫片与之适应。

第2代锚固系统提高了造斜器的锚固能力,它采用一种较为普遍的锚杆式设计。锚杆的表面有一些辐条,辐条上安装有带倒钩的条型装置,当造斜器下到预定位置时便可嵌在套管内壁上,条型装置上配备的高强度倒钩以增加嵌入套管的深度,该锚固系统在规格合适的套管中可承受较大范围的油管重量,并可坚实地与套管内壁契合。

传统锚固系统采用连续的辐射条半径,虽然在合适规格的套管中能够承受较大重量,但当承受重量过大时,辐射条的位置不能调整到最佳角度;另外,采用传统工艺制造出的条型装置,从底部观察其嵌入情况,仅仅条型装置的边缘与套管接触,嵌入强度不够。新型锚固系统也是基于锚杆设计理念,将原来的辐射条分为几个独立的辐射条,渐进式的辐射方法使条型装置在它所能承受较大油管重量范围内都能很好地排列,因此可更好地嵌入套管。条型装置通过电焊工艺加工而成,使其能够准确而合理地嵌入套管,更重要的是条型装置以合适的角度下入套管内,保证了条型装置嵌入套管内壁的深度,相比传统锚固系统大幅度提高了其锚固能力,连续油管侧钻锚固系统锚杆如图1所示。

图1 连续油管侧钻锚固系统锚杆

3 连续油管侧钻铣削工具

1)启动铣刀 启动铣刀设计为一个锥形体,上部装有套管切割装置,粉状硬质钨合金晶体通过钎焊覆盖在钢质铣刀胎体表面 (见图2)。铣刀胎体通过一个短而锐利的测量工具塑形,便于启动开窗,采用圆柱形铣削工具可以有效减小铣削作业扭矩。铣刀胎体高度的设计要确保造斜器正常工作和安装装置不被铣削,同时根据测试平均切削力进行设计启动铣刀上的旋转接头和造斜器上的保险螺栓。

2)开窗铣刀 开窗铣刀设计为表面有轻微凹陷的铣刀,铣刀表面镶嵌有硬质钨合金晶体,并有3条用于协助水力循环的12mm宽的螺旋水槽 (见图3)。铣刀全长4cm,前端的倒角用于引导相关工具接触造斜器。

图2 连续油管侧钻启动铣刀

图3 连续油管侧钻开窗铣刀

3)铣刀刀片 铣刀刀片是提高铣削效率、保证开窗成功的关键工具。以往用于套管开窗的铣刀刀片主要是硬质合金刀片 (见图4(a));随着连续油管侧钻开窗工艺的改进,发明了具有一定几何形状的硬质合金刀片 (见图4(b));随着工业技术的发展,为了提高铣削效率与可靠性,天然金刚石铣刀成为较受欢迎的铣削工具 (见图4(c));随着工业技术的进一步发展,为了进一步提高铣削效率与稳定性,PDC插入结构式铣刀受到了人们的日益重视,PDC型刀片见图4(d)所示。

图4 铣刀刀片

4)扩眼器 连续油管侧钻扩眼器位于钻头附近,以帮助扩大开窗直径和提高开窗质量 (见图5)。该扩眼器将窗口修整至标准尺寸,并增加窗口长度,确保能形成一个平滑的窗口,有助于钻完井设备顺利通过。扩眼器设计为四周含有硬质钨合金晶体的胎体,表面覆盖有多条12mm宽的水槽,其引导轴设计为薄壁钻杆,从而使得扩眼器组装具有较强的灵活性。

图5 连续油管侧钻扩眼器

[1]吴文秀,韩兴,曾宪宏等.连续油管过油管开窗侧钻技术 [J].石油机械,2000,28(7):55-57.

[2]朱丽华,陈新,黄焰.连续油管开窗侧钻水平井技术 [J].钻采工艺,2001,25(3):19-23.

[3]贺会群.连续油管钻井技术与装备[J].石油机械,2009,37(7):1-6.