海上平台老井槽侧钻井泥线预开窗斜向器设计

王 超，徐鸿飞，范白涛，刘作鹏，刘 峰

(1．中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津300452；2.中海油有限公司 天津分公司，天津300452)

海上平台老井槽侧钻井泥线预开窗斜向器设计

王 超1，徐鸿飞1，范白涛2，刘作鹏1，刘 峰2

(1．中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津300452；2.中海油有限公司 天津分公司，天津300452)

介绍了一种可通过导管直接下入的泥线预开窗斜向器。使用该斜向器可在不改变平台结构的情况下重新利用老井槽对老井进行侧钻作业。基于受力分析和有限元模拟，对泥线预开窗斜向器的斜面角度、导向管和整体的强度和稳定性进行了分析计算。分析表明，泥线预开窗斜向器导向斜板的倾斜角度在3.5～5.0°最为合适。采用X52及以上钢级的隔水管作为斜向器导向管，其整体结构和材料的应力满足规范及海洋作业要求。为利用海上平台的老井槽对弃井进行泥线开窗侧钻提供技术支持。

海上平台；侧钻；斜向器

早期开发的海上油气田逐步进入了生产的中后期，为实现增产、稳产的目标，通常利用现有槽口资源进行调整井、加密井的钻探以弥补亏欠。但是，海上老平台普遍存在无槽口可用或槽口不可用等问题。针对这些问题，国内已逐步开发包括套铣开窗、加挂井槽等海上平台井槽再利用技术，实现了老井槽的高效利用，但经济性尚有提升空间[1-7]。随着水射流等高效水下切割技术在海上弃井工程上的应用推广，平台老井槽的多层套管可采用整体切割回收的方式进行，以避免套铣，这就为井槽再利用提供了一种更经济的技术手段[8-9]。

本文针对整体切割回收原套管再利用老井槽的工艺进行了优化研究，设计了一种泥线预开窗斜向器。该斜向器可通过导管直接下入，简化了作业流程。通过对该斜向器的结构校核和稳定性分析，确定了导向斜板的最佳倾斜角度及隔水管的材质，并进行了陆地试验测试，为后续海上的应用提供了保障。

1 海上平台老井槽再利用技术

1.1 常见的老井槽再利用方式

海上平台老井槽再利用就是根据开发需要，将原来的生产井进行封堵弃井，然后在该井槽进行新井钻探的技术。根据侧钻点的不同，常见的主要有泥线以上及泥线以下2种侧钻方式。

泥线以上的侧钻是在封堵完原井眼后，在泥线以上切割多层套管并坐斜向器，然后重新下入新隔水管侧钻的方式(如图1a)。新隔水管倾斜的角度应不能超过管柱承受的应力。必要时还需要将上部导向孔拆除。在泥线以下侧钻则有泥线处浅层侧钻和井筒内侧钻2种方式。浅层侧钻是将原井眼封堵后回收全部套管，在泥线处坐斜向器，然后下入新隔水管侧钻(如图1b)。井筒内侧钻则是指目前应用较为广泛的井筒内套铣开窗侧钻方式(如图1c)。

图1 常见的老井槽再利用方式

1.2 使用泥线预开窗斜向器再利用老井槽的工艺

本工艺是通过泥线预开窗斜向器进一步简化泥线以下浅层侧钻的程序，可将泥线预开窗斜向器坐于原井筒套管上，直接下入新隔水管。具体步骤如下：

1) 泥线以下5 m整体切割并回收水泥封固多层套管(如图2a)，切割方式采用水射流整体内切割。

2) 注水泥塞封固油气井到设计位置，水泥塞顶不超过斜向器锚定短节位置。

3) 泥线预开窗斜向器与隔水导管一起下入，锚定于原井眼最内层套管内(如图2b)。

4) 钻头通过泥线预开窗斜向器导向钻入地层(如图2c)。

图2 泥线预开窗斜向器作业过程

2 泥线预开窗斜向器结构设计

泥线预开窗斜向器由上部连接头、造斜窗口和锚定短节构成，如图3所示。上部连接头可直接与隔水管相连，造斜窗口由空心导向基体、斜板组成，通过固定销钉与连接基体固定，连接基体通过锚定短节将斜向器锚定在原井筒套管上。

1—套管快速接头；2—导向管；3—导向斜板；4—空心导向基体；5—锁紧螺钉；6—连接基体；7—锚定锥。

3 泥线预开窗斜向器设计优化与校核

3.1 斜向器斜面曲率优化

考虑井下工具管串达到目标造斜曲率发生的弯曲量，以管串顺利通过斜向器来确定斜铁板的倾斜角度。因随着水深增加，井下工具管串长度增加，相同挠度下管串受力减小，故以较浅水深16 m情况下考虑管串的受力情况。

3.1.1 井下工具管串的变形量计算

以ø444.5 mm钻头的井下工具组合管串数据为例，管串中所占比例最大部分作为全井工具串模型，即外径为ø203.2 mm，内径为ø76.2 mm。

基本参数如下：密度ρ=7 850 kg/m3，热膨胀系数α=1.2×10-5/℃，抗压屈服强度为355 MPa，拉伸屈服强度为355 MPa，抗拉极限强度为600 MPa。在静力条件下，可得如下平衡方程：

(1)

式中：P为钻压，kN；Fa为套管垂直于井下工具管串作用力，kN；Fb为井下工具管串在未破开套管前受到斜向器垂直于斜面的作用力，kN；Fc为井下工具管串受到斜向器斜铁垂直于斜面的线性载荷，kN；L为井下工具组合管串的长度，m。

假设钻压为19.6 kN，则Fa=217 kN，Fc=12 kN。对井下工具管串钻头位置施加垂直于斜面的作用力和垂直于套管的作用力，对钻柱施加垂直于斜铁板的线性载荷，计算结果如图4所示。钻头横向最大偏移量0.826 m，大于斜向器所需的最小偏移量0.254 m，位移点与曲率圆相切的倾角为3.4～7.2°。

图4 井下工具管串在恒力条件下的变形云图

假设钻头的横向位移量刚好可以伸出斜向器，即横向偏移为0.254 m，在井下工具串底端与斜铁板作用范围内，通过井下工具串的变形图所得变形位移方程(如图5)，位移点与曲率圆相切的斜面倾角为3.1～4.7°。

图5 井下工具管串在恒位移条件下的变形云图

3.1.2 斜向器斜面角度优化

井下工具管串在恒力19.6 kN和恒横向位移0.254 m下，均可顺利通过斜向器开口。由井下工具管串底端各位移点与不同曲率下相切斜面的倾角，确定斜向器斜铁板倾斜角度为3.5～5.0°为宜。

3.2 斜向器导管强度与稳定性校核

斜向器导管尺寸为ø508 mm，通过如下分析计算考察了开窗位置及尺寸对隔水导管稳定性的影响。

3.2.1 载荷及环境参数选取

风浪流工况参数如表1所示。

表1 风浪流工况

3.2.2 风浪流条件下的隔水导管强度与稳定性分析

设定结构参数如下：材料为X52钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，材料密度7 850 kg/m3。由此得隔水导管的综合应力和弯矩云图如图6～7所示，计算结果如表2。从风浪流条件的分析计算结果来看，X52以上钢级ø508 mm×25.4 mm隔水导管满足海况重现期为100 a的作业要求。

图6 ø508 mm×25.4 mm隔水导管综合应力分布云图

图7 ø508 mm×25.4 mm隔水导管弯矩分布云图

导管规格顶载荷/kN最大水平位移/m最大应力/MPa最大弯矩/(kN·m)ø508mm×5000．03245．8141．025．4mm10000．03358．5141．0

3.3 斜向器稳定性校核

3.3.1 有限元模型建立与载荷施加

基于模型特点，采用由下向上建模，建模重点为斜铁板角度和厚度的确定，以及斜铁板与斜向器主体的连接。设定结构参数如下：材料45号优质碳素钢，抗拉强度≥600 MPa，屈服强度≥355 MPa。结合具体施工工况添加约束和施加载荷。

假设渤海较恶劣工况条件，水深40 m，斜向器下入深度5 m，钻压19.6 kN。因底端插入原井筒套管内，故插入锚采用固定约束方式。考虑到钻杆与斜向器斜铁板的接触面仅为圆柱面与斜铁板的中线接触，考虑施加均布的线性载荷。

3.3.2 结果分析

斜向器校核结果数据如表3所示。3项求解项的表型图如图8～10。

表3 校核结果

图8 斜向器等效弯矩

图9 斜向器MISES等效应力分布

图10 斜向器总变形

由应力校核得，斜向器受到的最大应力值为129 MPa，远小于屈服应力值355 MPa，满足许用条件和工况要求。

3.3.3 斜向器结构优化建议

从应力云图分析可知，斜向器应力最大点分布在插入锚与斜向器连接位置，建议设计加强环提升连接处的承载力。锚定短节底端与套管内壁接触，建议在锚定短节外侧敷焊硬质合金以提升其结构强度。斜向器底端位移量相对较大，考虑锚定短节与斜向器主体重力过盈，提高强度。

斜铁板与斜向器接触的底端是应力薄弱点，在钻头加压的过程中，斜铁板底端是主要应力承受点，建议加强斜铁板与斜向器主体间的焊接效果，斜铁板选择高于45号钢的硬质合金钢。

4 泥线预开窗斜向器实物加工与测试

根据结构校核优化的建议，对泥线斜向器的图纸进行优化并完成了实物加工。加工后的实物如图11～13。

图11 斜向器主体

图12 与上部隔水导管连接的快速接头

13 不同偏心程度的锚定锥

斜向器主体为ø508 mm隔水导管预开窗，顶部为隔水管快速接头。导向斜板采用高强度材料40CrMnMo。锚定短节外侧与套管接触处均进行了高强度合金强化。根据可能存在的原井眼套管偏心情况，加工了不同偏心程度的锚定短节，以满足不同现场工况的要求。在陆地试验井对本体进行了下入及抗压试验，符合理论计算数据，具备了现场应用的条件。

5 结论

1) 设计了一种ø508 mm泥线预开窗斜向器，可通过导管直接下入。与常规套铣开窗利用老井槽相比，使用该斜向器可简化工艺流程，提高效率。

2) 通过ANSYS软件辅助计算，确定了最优的泥线预开窗斜向器斜面角度为3.5～5.0°，X52以上钢级ø508 mm隔水导管满足海况重现期为100 a时的作业要求，泥线预开窗斜向器的结构满足工况许用条件。

3) 经过结构优化后的泥线预开窗斜向器实物通过陆地试验井测试，具备了海上应用的条件。

4) 建议使用磨料水射流切割对原套管串在泥线以下切割，以增加后续泥线预开窗斜向器的下入精度和下入后的稳定性。建议对后续固井质量严格控制，以增加泥线预开窗斜向器下入后的稳定性。

[1] 付建民，韩雪银，范白涛，等.海上平台井槽高效利用高效技术[J].中国海上油气，2016，28(2)：103-108.

[2] 和鹏飞，候冠中，朱培，等.海上 914.4 mm 井槽弃井再利用实现单筒双井技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2016，43(3)：45-48.

[3] 刘洋，段梦兰，范晓，等.导管架式钻井平台新增桩腿加挂井槽改造技术[J].石油矿场机械，2014，43(2)：65-70.

[4] 杨保健，付建民，马英文，等.ø508 mm 隔水导管开窗侧钻技术[J].石油钻采工艺，2014，36(7)：50-53.

[5] 杨育升，周冀，朱萍，等.稠油井ø177.8 mm 套管开窗侧钻技术[J].石油钻采工艺，2011，33(2)：29-31.

[6] 谭越，杨光，王建文，等.老平台新增井槽技术的应用与发展[J].海洋石油，2012，32(2)：106-110.

[7] 程仲，牟小军，马英文，等.隔水管打桩新技术研究与应用[J].中国海上油气，2011，23(4)：259-262.

[8] 马认琦，李刚，王超，等.250 MPa超高压磨料射流井下内切割技术[J].石油机械，2015，43(10)：50-53.

[9] 王超，刘作鹏，陈建兵，等.250 MPa磨料射流内切割套管技术在我国海上弃井中应用[J].海洋工程装备与技术，2015，2(4)：258-263.

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，山东曹县人，工程师，2005年毕业于南京工业大学金属材料专业，现主要从事海上油气井弃置相关技术研究工作，E-mail：wangchao5@cnooc.com.cn。

TE951

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.007