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开窗铣锥

毕业设计（论文）

5.2.1钻井液的使用产生的振动8

第1章前言

建国后,随着我国石油工业的逐步兴起和发展,我国石油工业逐步显示出他对修井队伍的要求之高,原始简单的小修作业队伍已经不能满足石油工业发展的需要,大修队伍的发展就显的更加重要了。

结合我国各油田区块的实情,油藏条件好的油田不是很多,一次采油采收率不是很高,在石油竞争激烈的社会环境下,要保证国家的稳定持续发展,提高我国原油的采收率,显现的也尤为重要,有些油气水井已经进入开发晚期,甚至停产阶段,如果因此抛弃或者堵封这些井就有些可惜,大修侧钻队伍的产生则可以解决这一矛盾。

要使这些“死井”复活,充分利用油田的可采储量,只有对报废井进行开窗侧钻,才能使这些“死井”恢复生产,提高采收率。

套管开窗侧钻是在油水井中的某一特定深度，开入专用工具，采用铣削方法，在套管上定向铣出一个窗口或铣去一段套管使原始地层重新裸露，并从此窗口侧向另钻新眼，然后下尾管固井完成而达到施工目的的技术措施。

在1930年，研究成功了定向侧钻技术。

此后，随着钻井技术，尤其是定向井技术的发展，使侧钻工艺的发展与应用上升到新的高度。

六十年代，井下动力工具的成功和电缆作业的推广，使固定导向器时间和费用大幅度降低，侧钻不断定向成熟。

本文通过对与侧钻相关的一些工艺，包括工艺流程、常用开窗方法、侧钻方式选择、侧钻优选原则等方面简要介绍研究侧钻修井技术。

续油管开窗过程中产生振动的相关因素及其对开窗质量的影响，通过以上分析有助于我们正确处理开窗过程中产生的振动，为实际开窗提供优化解决的办法。

了解侧钻井的整个施工过程，同时得出结论：

侧钻井技术是降低油田开发成本、挖掘老油田剩余油潜力、提高采收率、恢复长期关停的报废井、低效井等生产能力、提高油田经济效益的有利途径。

第2章侧钻修井概述

随着石油勘探开发的深入,许多油田已进入中后期开发阶段,随着油（水）井生产年限的不断延长,由于地层因素、套管本身质量及修井作业等原因,导致停产、套管损坏井及事故井越来越多,直接影响原油的生产。

要使这些“死井”复活,充分利用油田的可采储量,只有对报废井进行开窗侧钻,才能使这些“死井”恢复生产,提高采收率。

目前,国内外十分重视通过套管开窗侧钻使“死井”复活,开窗侧钻也已成为一项增油上产的重要手段,并见到了显著的经济效益。

在老井重复活钻作业中,开窗定向侧钻是一个非常重要的工艺过程,它直接关系着重钻作业的成败。

包括开窗方式的选择、侧钻位置的确定以及工具仪器的选择等。

侧钻工艺是油田开发后期保持油（气）水井完好，增加油（气）产量的重要措施之一。

其作用具体体现在：

（1）套管开窗侧钻在开发区利用原井眼完善并保持了部分井网，可减少大部分调整井；

（2）在开发区利用原井眼，油（气）水井侧钻加深层位，获取新的油（气）水流；

（3）通过套管开窗侧钻，使部分井恢复生产，提高油（气）水井利用率及开发效果；

（4）井下作业大修主要工艺措施，有利于老区改造措施，有利于提高井下作业水平。

（5）施工方案确定后，做好开窗前的井筒准备工作，如打捞、修套、刮削、痛井、探套、找漏、封堵、钻水泥塞、试压、洗井作业。

第3章开窗施工工艺过程

要想成功完成一口侧钻井，必须做好事前的准备工作，尤其是资料收集和核对。

只有对原井的资料数据有充分的了解，才能做好最充分的准备，并以次为依据，选择最优开窗点，选择适合的开窗方法以及工具组合，为侧钻的顺利进行和完成有一个可靠的保障。

3.1收集资料

收集资料主要进行以下工作：

1）井眼资料的调研工作：

对原井的钻井史、地层分层、各地层段研磨性及可钻性分析。

2）井下套管的钢级、壁厚、接箍及扶正器位置，水泥返高及固井质量，套管损坏程度等资料的收集。

3.2选择开窗点

开窗点的选择应遵循以下原则：

1）根据收集的资料综合考虑，确定最佳开窗点。

2）要尽量充分利用原井眼的有用套管，以缩短侧钻周期，节约成本；

3）要完全避开套管扶正器，力求少铣套管接触；

4）开窗点以上套管要完好，无变形、破损和漏失；

5）开窗段外固井质量完好；

6）应有利于钻井、采油和井下作业。

3.3开窗铣锥用途：

1）套管损坏严重，无法修复的井。

2）井下发生复杂事故，无法处理的井或出现水锥的井。

3）油层出砂严重，套管有损坏，无法采取防砂工艺的井。

4）需要钻开井底附近新的含油层系。

5）在海上、湖泊、大陆有钻多底井等特殊要求。

第4章常用开窗方法及窗口选择原则

开窗铣锥工作原理：

在套管内将斜向固定，通过仪器测量定向，使斜向器斜面方向与设计开窗侧钻方位一致，下入磨铣工具利用斜向面施加给磨铣工具的侧向力，将套管磨铣出一椭圆形窗口，用扩眼工具将窗口扩大，使钻具能顺利通过，侧钻成新井眼重新完结。

4.1常用开窗方法主要分两种

4.1.1导向器开窗

用开窗铣锥在套管的一定深度、一定长度的导向器斜面所对应的套管部分进行定点磨铣（切削），在套管上开出窗口。

4.1.2段铣开窗

采用扩张式套管磨鞋，铣掉一段套管。

井眼曲率：

过井眼轴线相邻两测点所作的向井底方向延伸的切线之间的夹角，与两测点间井段长度的比值称井眼曲率。

在侧钻裸眼钻进中，井眼曲率是一个很重要的参数。

井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难。

井眼曲率过小会增加斜井段的井眼长度，从而增大了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。

4.2窗口选择原则

如果固井质量差，老井眼井下的情况复杂，井斜角较大，套管及套管扶正器不段铣，开窗点的可选范围有限时，一般选用导向器开窗侧钻方式。

否则采用段铣开窗方式。

所以在施工前必须对原井的资料有充分的了解，确定井下的情况，再研究决定选择何种开窗方法，以免选择不当对以后的工作造成不必要的麻烦。

由于大部分油田处于中后期开发，井网密集，在设计开窗井目标平面确定后，必须对方位平面进行障碍判断和防碰扫描，以便及时调整开窗及侧钻设计，尽可能减少施工难度，确定中靶上环，防止与邻井相碰以及出现井下事故。

依据钻井的测斜数据与邻井数据对比，计算两井之间的最近距离，可以很直观的判定两井之间的相互位置。

根据最近距离的变化趋势，以及所钻井井眼轨迹的变化趋势做出预测，判断是否有相碰的可能。

以此来指导侧钻的设计和施工。

当发现有相碰的可能时，即最近距离小于安全扫描半径时，要进一步优化开窗点和侧钻剖面。

第5章连续油管套管开窗振动分析

5.1效连续油管钻井（CTD）技术

作为一种新型且快速发展的钻井作业手段，以其良好的果和众多的作业优势越来越受到油田作业者的关注。

进入20世纪80年代以来，世界范围内各大油田相继进入开发后期，油藏开发难度逐渐增加，油藏开发形势、油藏地质条件等因素对钻井的要求越来越苛刻。

连续油管开窗侧钻为解决上述问题提供了了一个很好的途径。

套管开窗的好坏直接影响后续侧钻井下钻具组合能否顺利下入井中以及钻井的质量。

影响开窗质量的因素主要有造斜器的性能，钻头的类型，钻压的施加，钻井液的使用及控制及操作人员的操作等。

其中，上述原因都涉及到振动的影响，振动常常也会导致开窗作业过程中常常出现井底钻具的严重破坏、随钻测量设备的频繁失效等，所以研究振动对开窗质量的影响具有重要意义。

5.1.1造斜器振动的影响

连续油管过油管开窗侧钻技术包括水泥塞开窗侧钻技术、水泥环内置造斜器开窗侧钻技术和过油管造斜器开窗侧钻技术。

三种技术的主要差别在于开窗和出老井眼的导向方式上。

目前，水泥塞开窗侧钻技术比较成熟，应用广泛，是三种技术中最可靠、经济的一种。

但是，水泥塞开窗侧钻和水泥环内置造斜器开窗侧钻所需的工序多，需要多次起下钻，加速了连续油管的疲劳磨损，而连续油管造斜器开窗侧钻可实现“单程”下造斜器和开窗作业，延长了连续油管使用寿命。

所以，造斜器开窗侧钻越来越受到油田作业者的关注。

常用的造斜器还有滑块定位式、撑块卡固式、偏斜定位套式等。

造斜器的类型和锚固方式对振动的产生具有重要影响。

传统的与弹性元件配合使用的造斜器由于使用弹性元件，往往会导致封隔器存在不利的微小位移，而产生振动影响开窗铣锥齿的切削深度，从而产生更大的振动，加速了铣锥的破坏和窗口质量的下降。

此外，由于连续油管开窗侧钻常常需要过直径小于套管的油管，所以造斜器直径往往比油管要小，当座封或锚固好造斜器下入开窗钻具组合后，造斜器导斜面由于受到钻具的作用和自身刚度的限制会产生快速的小变形（如图所示），这将导致不规则的切入深度，随机的大切入深度会瞬时消耗马达大量能量并随之产生振动。

这些振动又会反作用加剧不规则切削，不规则切削又会加剧不规则快速位移和振动。

这些都会降低开窗速度，导致马达失速和开窗质量下降。

所以，改进造斜器的紧固方式和增大造斜器导斜体的刚度有利于减少造斜器的有害位移和变形，从而减少振动的产生。

图1造斜器导斜体变形前后图

5.1.2钻头结构和几何形状的差异产生的振动不同

造斜器开窗侧钻使用的开窗铣锥有很多种，不同结构的铣锥切削原理和所需切削力的大小各不相同。

不同的工具类型基本要求是相似的，即开窗速度快，耐磨性好，几何形状利于切削、磨铣，磨铣负荷小，便于排屑，不易卡钻。

下图2为几种不同的开窗铣刀。

从图2可以看出，由于切削齿的不连续导致开窗过程中铣锥受力呈现循环变化状态，必然导致振动的产生。

铣锥的结构不同也会导致磨铣时振动的振幅和频率的不同。

此外，磨铣中由于磨损而引起的钻头受力不平衡必然会导致振动的产生。

通过检测发现，当钻头位于底部时会出现破坏性的振动，钻头是最大的振动幅值的激励源。

钻头的振动会导致无序的切削，引起其他元件的振动，很有可能因此损坏钻头和导致其他元件失效，使开窗失败。

图2套管开窗铣锥

5.2钻压的施加对振动影响

由于连续油管的刚度远小于常规钻杆的刚度，所以钻压的施加往往比较困难和不易控制。

开窗过程中钻压的施加直接影响铣锥齿切入套管壁的深度，进而影响马达瞬时输出扭矩的变化。

钻压施加不稳会直接导致钻头切削力的变化，引起振动的发生。

实验和现场观测表明，钻压是随时间而波动的。

这样，通常作为钻柱振动方程中参数的钻压便以随时间而变化的变量形式出现，因而导致了钻柱参数激励振动的发生。

这种情况下，尽管激励力是纵向的，但却可以使钻柱产生横向的振动，当所施加的轴向参激频率是横向振动基频的有限倍数时，就可能激发出横向振动。

在钻井过程中，由于钻柱中钻压随时间的波动，从而导致了钻柱系统参数激励振动现象的发生。

这时，尽管激励力是纵向的，却可以使钻柱产生出横向的振动，而且与一般的外激励不同，小的参数激励可以在其频率远离于钻柱系统固有频率的情况下造成很大的振动响应。

当钻压波动的频率为钻柱横向振动固有频率的有限倍数时，就可能激发出钻柱横向共振，这一参数共振与一般的共振不同，通常有连续的失稳区域。

因此，所造成的危害可能更大，情况也更为复杂。

有效的控制钻压对于较少开窗中的振动和保护井下工具以及获得较好质量窗口至关重要

5.2.1钻井液的使用产生的振动

开窗时使用的钻井液具有高压和高速的特点，用来冷却钻头，清除铁屑和提供适当的破坏套管结构的能力。

开窗的钻井液既可以使用常规家中钻井液，也可以使用密度较低的钻井液实现欠平衡条件下开窗。

由于钻井液中有气体或其他流体的高速流动,就会引起连续油管柱的振动。

连续油管柱振动产生的附加动载又会改变连续油管柱的应力分布和影响钻压,对油管的强度和疲劳特性以及铣锥工作状况都有影响。

以井口为坐标原点,垂直向下为正,建立如下图3所示坐标系。

图3坐标系

在具有一定压力和流速的流体作用下，连续油管柱的内壁上均会产生流体动压力。

如果连续油管柱还要受到各种类型的振动荷载的作用，则内部流体又会引起附加的流体动压力。

将连续油管柱简化为等截面直管,内部充满流体。

对于这样的内部充满流体的等截面直管，受振动荷载时，流体应满足一维波动方程：

（1）

由此可求得流体对连续油管柱的液动压力p，其中k为声波速度。

从液体的动能原理出发,可以把上面已求得的流体液动压力对连续油管柱振动的影响折算成相应的附加质量代入连续油管柱振动方程，并认为连续油管柱按任一振型

做频率为

的简谐自由振动。

从而得到考虑流体附加液动压力时的连续油管柱纵向振动方程为

（2）

式中

这项是流体的附加质量。

第6章引例及引例分析

6.1套管开窗侧钻小眼井钻井技术的应用引例

欢2-14-3016C井位于辽河欢喜岭油m欢14一16块，是为恢复欢2一14-3016井产能而施的一口

139.7mm套管开窗侧钻小眼井定向井。

该井在1965m处开窗，完钻井深2366m，裸眼长度401m，井底水平位移265.40m,靶点位移203.55m,靶心距3.17m，最大井斜角28度，固井质量优。

该项技术做为恢复老井产能的一项措施，值得推广和应用。

6.1.1

139.7mm套管开窗技术

1.选择开窗点

欢2一14一3016C井位十辽河欢喜岭油m欢14-16块，开窗点选在井深1965m处。

这种选择主要遵循如下原则：

尽量利用老井，缩短建井周期，节约钻井成本，充分体现开窗侧钻的优越性；通径、试压，保证开窗点以上的套管完好无损;开窗井段水泥封固好，井眼规则，井径扩大率小；开窗井段地层相对稳定，无复杂及坚硬地层；根据工具及地层造斜能力，使井眼轨迹符合地质要求;在套管接箍以下2-3m处。

2.开窗前准备土作

由于井口压力较高，需要1天的时间来释放井内压力，再用密度为1.30kg/L的加重钻井液进行压井。

采用

73mm钻杆将YD114导斜器卜放至预计深度。

由于1965m处井斜为22度，先应用高边原理对导斜器进行定向，然后小排量（8L/s）开泵憋压至18MPa，反复憋压2次，不放遇阻说明己坐封。

上提至原方入、原悬重，正转15圈，上提不挂卡，说明己退出送入。

上提2m开泵，不起压，井口返水说明坐封正常，启钻。

3.套管开窗

欢2—14—3016C井利用

118mm钻铰式铣锥进行开窗，钻具组合为

118mm钻铰式铣锥、6根

105mm钻挺、

73mm钻杆和

73mm方钻杆。

该井开窗窗口段介于1965.28m和1968.25m之间，窗口长2.97m，主要分四个阶段进行:

（1）锥探到导斜器到球形柱体段接触导斜器。

此段采用低钻压、低转速，以便磨铣出一个均匀的接触面，磨铣进尺60mm。

钻井参数为:

钻压3-5kN，转速50r/min，排量8.0L/s，泵压l0MPa。

（2）从球形体段接触导斜器到铣锥底中心线铣出套管外壁。

此段采用高钻压、中转速，以便快速完成套管切削土作，磨铣进尺1.33m。

钻井参数为:

钻压

40-50kN，转速60r/min，排量8.0L/s。

（3）从铣锥底中心线铣出套管外壁到铣锥最大外径出套管。

此段宜采用低钻压、中转速，磨铣进尺1.58m。

钻井参数为:

钻压5-10kN，转速60r/min，排量8.0L/s。

（4）在上下窗口中定点悬空磨铣，进行反复修窗作业，直到窗口畅通无阻。

随后裸眼钻进2.0m,起钻，套管开窗工作完成。

6.1.2小眼井裸眼钻进技术

1.钻头的优选

小眼井钻头的优选是提高钻井效率的有效途径。

以前多采用

117.5mm的XH3型钻头，效果不理想，主要存在三个问题：

使用时间短，轴承寿命低，一般只能用20-25h，进尺20-30m，起下钻次数多，行程钻速低。

该类型钻头无喷嘴，不能进行高压喷射钻井，机械钻速低。

（3）牙轮易掉，且不易处理。

此次开窗钻井选用

117.5mm的PDC—钻头。

根据地层及侧钻工艺的实际情况，一般选择两种结构的PDC—钻头，一种是短圆形冠部轮廓和短保径结构，另一种是球型冠部轮廓和短保径结构。

PDC—钻头的应用获得了理想的效果，既提高了机械钻速，又提高了行程钻速，同时避免了牙轮落井事故。

2.造斜段轨迹控制

欢2—14—3016C井套管开窗后，利用单弯螺杆和转盘钻钻进至井深2000m（测深1990m，井斜18.45度，方位344.18度）。

确认脱离老井眼后，再用单弯螺杆定向钻进至2150m（测深2140m，井斜27.24度，方位292.81度），满足地质侧钻要求，完成造斜段施工。

钻具组合

117.SmmPDC钻头、

95mm单弯螺杆、

105mm无磁钻挺、5根

105mm钻挺、

73mm钻杆和

73mm方钻杆，钻井参数为:

钻压20—30kN，排量10.0—13.0L/s，泵压12-13MPa。

3.稳斜段轨迹控制

（1）2150-2269m井段

欢2—14—3016C井使用单弯螺杆完成造斜段施工后，并未起钻更换钻具组合，而是采用螺杆配合转盘钻继续钻进至2269m，钻井进尺119m。

这样做的原

因主要有如下三点:

造斜施工后钻头、螺杆仍处于良好的工作状态，继续使用减少了重复起下钻，节约了钻井成本;井眼轨迹没有到达靶点，如果井斜、方位由于地层原因发生大的变化，可使用单弯螺杆随时调整；小眼井钻头的钻压和水力效率比较低，只有通过钻头转速提高钻井时效，使用螺杆配合转盘钻，钻头可获得高转速，且极大限度地减少了钻具的疲劳破坏，减少了钻具事故。

（2）2269-2366m井段

这一井段采取的钻具组合为

117.5mmPDC钻头、

117mm扶正器、

105mm短钻挺、

117mm扶正器、

105mm钻挺1根、

117mm扶正.器、

105mm钻挺8根、

73mm钻杆和73mm方钻杆。

这套钻具组合具有很强的抗方位漂移及稳斜能力，对于井眼轨迹控制达到了理想效果。

该井段采用的钻井参数为:

钻压40—50kN，转速90—100r/min，排量15.0—18.0L/s，泵压15—16MPa。

6.1.3小眼井钻井液技术

由小眼井对钻井液的稳定性、润滑性、抑制性及携砂能力具有更高的要求，在欢2—14—3016C井中采用了硅油钻井液体系。

1.增加井眼稳定性

为保持小眼井的井壁稳定，首先根据欢14-16块地层特性及压力系数，适当增加钻井液密度；二是加入聚丙烯酸钾，在整个钻井液体系中聚丙烯酸钾的含量达到2%—5%；三是在钻井液中加入1.5%的KH931。

从而保证钻井液具有合理的流变性，减轻了对井壁的冲刷作用。

2.改善携砂性

加强钻井液的维护，通过掺入一定量的土粉和CMC，使黏土含量保持在60—70g/L之间，整个钻井液体系的携砂性从根本上得到了保证。

3.润滑防卡措施

在钻井液中加入5%的原油，并适量加入具有较强乳化能力的C9501进行维护；在钻井液中不定期加入无毒润滑剂和石墨粉改善泥饼质量，增加泥饼致密性和收缩性，减少了发生黏卡的可能性。

6.1.4保护油气层措施

在进入目的层之前，加入一定量的磺化沥青和磺化酚醛树脂，强化了钻井液体系的屏蔽暂堵性能。

此外，由十该体系抑制性强，泥饼质量好，有效地保护了

油气层，提高了

139.7mm套管开窗侧钻的经济性。

6.1.5小眼井完井技术

欢2—14—3016C井完井采用尾管悬挂技术，下入

101.6mm套管（接箍外径

108mm）至2343.62m。

由十环空间隙小，提高固井质量成为小眼井完井技术的关键。

在现场施工中采用长内管柱双向阻流板固尾管工艺技术，获得了成功。

采用双向阻流板就是将原来的阻流板上部加工成球座，在倒扣后投入也

30mm钢球，待钢球到位后，开泵循环钻井液。

由于刚球封死了原来的通道，有效地防止了钻井液串到尾管外部。

6.2引例分析

此侧钻井的目的是为恢复欢2－14－016井产能而进行的一口侧钻井。

其开窗位置的选择依据遵循的原则是。

尽量利用老井，缩短建井周期，节约钻井成本，充分体现开窗侧钻的优越性；通过通径、试压确定在开窗点以上的位置，满足侧钻的需要。

了解开窗地段具体情况，也满足条件。

依据优选原则，尽可能的利用了老井的已有条件，符合实际需求。

其开窗前的准备工作也是充分了解原井资料后，确定井口仍具有较高的压力，决定利用一天的时间来释放井内的压力，并根据资料显示设计采用密度1.30kg/L加重钻井液进行压井等。

根据原井情况和现场的技术条件选择合适其施工的钻具组合和开窗方式。

根据现场条件和队伍技术选择小井眼裸眼技术。

为提高钻进效率，选用小井眼钻头为Φ117.5mmPDC—钻头，而放弃以前多才用的Φ117.5mmXH3钻头。

体现钻具的优选。

最后谨慎选择合适的完井技术，并成功完成整个施工过程。

这个施工过程中。

导斜器的固定及钻铰式铣锥开窗、修窗工艺是小眼井定向侧钻成败的关键。

在

139.7mm套管中应用长内管柱双向阻流板固尾管土艺技术，尾管内不留水泥塞，同时提高了固井质量。

整个施工过程符合且严格遵守工艺流程，是一个典型的侧钻井施工过程。

第7章结论

开窗侧钻钻井技术是一项综合性的钻井技术，其关键是科学化设计和优化施工。

合理的施工方案配合其它相应的技术措施是取得最佳施工效果的保证。

开窗侧钻就是为了特殊的工艺需要，在原有直井的基础上，使用特殊的侧钻工具通过开窗方法使钻头的钻进轨迹按照预先的设计偏离原来的直井井深轴线。

了解侧钻井的整个施工过程，同时得出结论：

开窗侧钻井技术是降低油田开发成本、挖掘老油田剩余油潜力、提高采收率、恢复长期关停的报废井、低效井等生产能力、提高油田经济效益的有利途径。

但它具有良好的移运性、操作性、较高的可靠性。

侧钻井技术是降低油田开发成本、挖掘老油田剩余油潜力、提高采收率、恢复长期关停的报废井、低效井等生产能力、提高油田经济效益的有利途径。

分析了连续油管开窗过程中产生振动的相关因素及其对开窗质量的影响，通过以上分析有助于我们正确处理开窗过程中产生的振动，为实际开窗提供优化解决的办法。

参考文献

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