杨永印,徐希强,牛似成,张 栋,英 飞

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580;2.中国石化胜利石油工程有限公司黄河钻井五公司,山东东营 257000; 3.中国石化华北石油局工程技术研究院,河南郑州 450006;4.中国石化西北石油局,新疆乌鲁木齐 830000)

冲顶开窗径向水平井转向送进关键技术

杨永印1,徐希强2,牛似成3,张 栋4,英 飞1

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580;2.中国石化胜利石油工程有限公司黄河钻井五公司,山东东营 257000; 3.中国石化华北石油局工程技术研究院,河南郑州 450006;4.中国石化西北石油局,新疆乌鲁木齐 830000)

为解决传统径向水平井技术套管段铣和大直径扩孔困难等问题,提出在免扩孔条件下一次性实现径向水平井开窗及钻进的技术方案,设计在Φ139.7 mm套管内使用的转向工具,该工具利用液压冲顶方式进行套管开窗,并采用Φ14 mm无缝钢管作为喷射钻进的钻管。数值模拟与室内试验表明,采用纵向冲顶方式可满足套管开窗要求;在45 MPa泵压作用下钻管能够克服转向阻力实现送进;当冲头下倾角度为11°时能有效地实现钻管矫直与长距离送进;采用液压冲顶套管与金属钻管送进相结合的方式可满足超短半径径向水平井作业要求,为下一步联合水力钻头进行高压喷射破岩奠定基础。

水平井;转向器;液压冲顶;钻管;数值模拟

利用径向水平井技术能够有效地开采低渗透油气藏和修复老井而提高原油产量,在国内外均有良好应用[1]。目前国外对该技术研究处于领先地位的西班牙YPF S A公司和美国RadJet公司利用磨铣方式进行开窗,采用连续橡胶管实现喷射钻进,使该项技术的应用井深达3.803 km,在每个层位90°相位可钻出4个水平分支[2],水平井眼长度达到100 m,孔眼直径约为50 mm。国内径向水平井技术起源于20世纪90年代,目前主要通过套管段铣和地层大直径扩孔来实现钻管的转向钻进,但套管段铣会影响油气井寿命,而大直径(Φ620 mm)扩孔的难度大、效率低[3-4],制约了该技术的全面推广和应用。因此,在尽量小的空间内实现钻管水平转向与送进是目前径向水平井技术亟待研究和解决的重点问题[5-6]。笔者针对免套管段铣和地层扩孔,对小尺寸钻管的转向和钻进工作原理进行系统研究,设计具有套管冲顶和钻管导向组合功能的转向器系统,并利用有限元分析和室内试验等方式对其进行研究。

1 免扩孔径向水平井钻进工艺原理概念化设计

1.1 工艺原理

根据主井眼免扩孔的要求,设计一次起下管柱即可实现一个或多个辐射分支井眼钻进的冲孔开窗技术钻进工艺,其原理如图1所示。

图1 免扩孔径向水平井钻孔工艺原理示意图Fig.1 Schematic diagram of principle of radial deep-penetration drilling directly from main hole

该技术依靠液压推力,利用工具前部的冲头对套管实现冲顶开窗,并在内部形成完整的连续滑道,之后钻管在液力作用下通过滑道实现转向送进,并利用前端的高射水力钻头完成喷射钻进。具体工艺过程如下:

(1)工具入井。在完成主井眼通井、清洗等准备工作后,采用Φ73 mm油管将转向器系统送入井下。工具下入到指定深度后,利用陀螺仪进行定向,锚定器座卡,将其固定于套管内壁。之后将由钻管、抽油杆及控制光杆组成的钻进组合下入油管内,井口利用三通密封,并分别与高压管线及送钻装置相连。

(2)套管冲顶和径向钻进。启动高压泵车,流体经过Φ73 mm油管后作用于加压活塞,并推动冲顶机构运作,顶穿套管及外部水泥环,实现套管“微开窗”。常规钻井中,将传递扭矩及提供钻井液流通通道的管柱称为钻杆,免扩孔径向水平井最显著的特点是钻杆转向半径小,形成地层孔眼时,管柱不需要旋转,因此常规钻杆无法满足工艺要求,一般选用塑性较好的无缝钢管作为径向水平井工艺的流体输送管,称之为钻管。冲顶机构完成有效行程后,自动形成转向滑道,此时通过地面装置控制钻管送进,钻管会在液压推动下前行,穿过转向滑道到达地层。此时,高压流体由钻管流经喷嘴并产生高速射流进行破岩。地层孔眼形成后,按照一定的速度送进钻管就会形成一定长度的径向分支孔眼。径向钻进过程中,高压流体破岩之后进入主井眼环空返回地面。

(3)起钻或其他孔眼的钻进。径向钻进达到设计长度后停泵,并回拉钻管至转向器内部。之后冲顶机构在弹簧作用下回收冲头至初始位置,同时整个钻进工具系统实现复原。如果此时完钻,则按照入井相反顺序将工具系统起钻。如果需要进行其他孔眼的钻进,则解除锚定器,旋转转向器至预定方位重新锚定,重复步骤(2)进行其他孔眼的钻进。

1.2 主要技术参数和工艺优势

免扩孔径向水平井钻进技术的主要技术参数如下:

(1)转向器系统的本体外径为Φ10 mm,可以用于Φ139.7 mm套管完井的主井眼中。

(2)高压泵工作压力为50～60 MPa,排量为1.5～2.5 L/s。

(3)水平钻进长度预期为30～40 m。

与传统水平井工艺相比,免扩孔冲顶开窗径向水平井技术在钻管选择、施工工序等方面有着较大区别。在此工作模式下,套管开窗与钻管转向送进过程结合密切,无需多次起下管柱。与美国RadJet公司的相应技术相比,冲顶开窗技术结构更为紧凑、施工更为便捷[7-8]。表1为各种水平井工艺特点对比。

免扩孔径向水平井工艺采用液压冲顶套管与硬质无缝钢管送进相结合的方式进行喷射钻进,具有以下几点优势:

(1)相对于套管段铣和专用钻头钻孔,套管冲孔结构紧凑,工艺更加合理,效率更高。

(2)与软管钻进相比,采用硬质合金钢管作钻管,可以大幅度提高水力钻进流量,提高射流水功率,有利于增加钻孔直径,提高钻进速度等。

(3)与软管钻进相比,硬质钻管的刚性决定其在高压油管和地层孔道内不会缠绕,利于准确测量送进尺寸,且在地层中的钻进轨迹相对稳定。

(4)相对于软管钻进,硬质钢管耐压值较高,特定条件下向流体中添加磨料可提高射流破岩能力,使该技术应用向更深硬地层方向发展。

表1 不同径向水平井工艺特点对比Table 1 Comparison of different radial deep-penetration drilling

2 转向器系统的设计

2.1 转向器系统的组成及工作原理

转向器技术是径向水平井工艺的核心内容,承担着套管微开窗及提供连续滑道的双重作用。转向器主要包括液压冲顶机构、钻管推进机构、装置锁紧机构、钻管弯曲与校直机构等。工作过程以高压钻井液的液压作动力,通过两条线路提供驱动力。线路1:泵压→液压活塞→推压杈杆→换向部件→冲头→冲顶套管;线路2:泵压→钻管尾部密封→驱动钻管。

转向器与套管间通过锚定器固定在一起,当泵压作用于液压活塞时,产生的推力依次传至推压杈杆、换向部件、冲头,其中换向部件可以将液压活塞产生的推力放大为初始值的3～5倍,利用冲头将套管顶穿,之后锁紧机构将整个液压冲顶机构锁紧,启动钻管下行。钻管前行时,依次经过导向主板、换向部件、冲头并利用高压射流在地层中喷射钻进。钻进结束后,停止施加泵压,回拉钻管,锁紧机构自动解锁,在复位弹簧回弹力的作用下,转向器内的液压活塞、推压杈杆、换向部件、冲头等自动回复原位,此时可实现工具串回收或改变转向器出口方位进行另外分支井眼的钻进。转向器三维示意图如图2所示。

2.2 液压冲顶机构的功能与轨迹

套管开窗工艺由液压冲顶机构完成,机构包括液压活塞、推压杈杆、转轮(换向部件)、冲头等,各部件之间连接方式如图3所示。

当液压活塞产生推力作用于推压杈杆时,推压杈杆推动转轮(换向部件)绕中心点o旋转,换向部件上任何点的运动轨迹均为弧线运动,运动过程中转轮臂与推压杈杆处于线接触状态。当转轮转至45°时,转轮臂与推压杈杆接触线达到水平距离右极限位置,设计转轮转动的极限角度为顺时针90°,则转轮臂中心点又回至与初始位置同一竖直线上,此时整套机构运动行程完成。同理,冲头尾部通过支撑轴嵌在转轮内槽中,冲头上任一点运动轨迹均为以o为圆心的圆弧运动。转轮转至90°时,冲头水平位移最大,该位移由冲头尾部支撑点与旋转中心的实际距离决定。根据分析,冲头轴线的实际运动形式是先上倾,然后逐渐转为水平。根据转矩平衡公式有:

图2 转向器三维示意图Fig.2 3D schematic diagram of whipstock mechanism

图3 液压冲顶机构工作示意图Fig.3 Schematic diagram for mechanism of hydraulic punch

式中,Fp为活塞推力,N;Lp为动力臂,mm;Ff为冲头所受阻力,N;Lf为阻力臂,mm;

由此可见,在套管对冲头的阻力一定的条件下破碎套管,活塞需要提供的压力值Fp和动力臂与阻力臂的比值(转轮的外尺寸)有关。设计工作泵压为40 MPa,活塞外径为95 mm,则活塞可产生的最大压力为283.38 kN,转化为冲孔力为770.80～1008.83 kN,根据对套管的压力试验,该冲孔力足以冲穿套管。

2.3 钻管送进液压驱动系统设计

在径向水平井工艺中,钻管的径向送进是另一核心问题。钻管经过转向滑道在径向孔眼中行进,需要克服变形阻力、摩擦阻力等,其中变形阻力与钻管及滑道的材料、几何尺寸等因素有关,摩擦阻力取决于滑道及孔眼粗糙度等因素。相对而言,钻管的液压推进力越大,径向送进的距离越长。径向钻进的最大长度与钻管的液压驱动力直接相关[9-10]。

参考早期滑道设计方法对轨迹参数进行优化(图4)。为满足139.7 mm套管内径要求,优化转向半径为90 mm≤R≤100 mm的转向轨迹,该轨迹的主要参数为:R=90～100 mm,R1=2 000 mm,α= 32°,D1=20 mm,L2=60 mm,则φ作为整个曲线的横向定位尺寸取150～160 mm。

图4 优化轨迹Fig.4 Optimized track

由模拟滑道探索试验数据可知,在转向曲率半径90 mm≤R≤100 mm的转向滑道中,规格Φ14 mm× 1.5 mm的16Mn钻管穿过滑道的总阻力约为12 kN。

若要克服各种阻力使钻管顺利行进,必须加大液压推进力,同时需要考虑钻管在推力作用下失稳变形等问题。活塞直径过小,推进力不足;直径过大,钻管容易失稳产生屈曲[11-12],反而导致阻力增加。因此,针对一定材质及尺寸的钻管和给定液压力,活塞直径存在一个最优值。将活塞缸筒看作钻管扶正筒,需要综合分析推力与钻管失稳问题,以此来确定活塞及扶正缸套的尺寸。钻管送进结构示意图见图5。

给定钻管为Φ14 mm×1.5 mm的16Mn钢管,导向滑道内径为15 mm,其曲率半径为95 mm,工作压力为40～55 MPa,经过数值模拟和台架试验研究发现,随着活塞直径(即扶正筒内径)的增大,钻管发生失稳的概率增大,且当扶正筒内径大于34 mm时,钻管将因产生屈曲在扶正筒内发生螺旋自锁,无法穿出转向器滑道。当管长为40 m时,在保证推力足够的情况下,扶正筒内径确定为26～32 mm,可以实现钻管顺利经过转向器滑道并完成径向送进,且内径越小对钻管的扶正效果越明显。由此确定钻管送进系统活塞外径D=26 mm。

图5 钻管送进系统Fig.5 Drill pipe feed system

3 冲顶套管过程的有限元分析

3.1 仿真模型及材料参数

使用Abaqus/Explicit显示分析模块进行分析,冲顶套管属于接触非线性问题。分刚体与柔体接触、半柔体与柔体接触[14-15]两种情况,将冲头定义为刚体,套管定义为柔体,发生塑性变形与材料失效断裂。冲头材料选用Cr12MoV,其弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,套管外径为139.7 mm,钢级N80,最小屈服强度为551.58 MPa,最小抗拉强度为689.48 MPa,设冲顶时套管外部所受围压为55 MPa,冲头冲顶速度设为0.04 m/s。

在套管模型两端面运用固支边界条件ENCASTER约束所有自由度,根据冲头刃线与套管轴线的空间位置关系,定义二者平行为纵向冲顶,二者垂直为横向冲顶,分别对建好的有限元模型进行求解和分析。

3.2 有限元仿真结果

模拟结果如图6所示。采用两种冲顶方式均可使套管产生破碎,在整个过程中,套管发生接触、冲顶、畸变与塑性变形、强度破坏等。其中,纵向冲顶时套管最大等效应力为1 262 MPa,最大主应变为0.64;横向冲顶时,套管最大等效应力为1380 MPa,最大主应变为0.70。两种方式的应力最大值均发生在裂口边缘处,且随着冲头行程加大,套管开口进一步扩展。采用纵向冲顶方式,套管开口形式为向两侧对称展开,在冲头行程足够的前提下,钻管可完全避开套管碎片进入地层;横向冲顶时,由于冲头运动轨迹特殊,套管碎片向下单侧展开,钻管通过冲头内滑道后会被套管碎片阻挡无法前行,数值模拟结果显示,选用纵向冲顶方式开窗更为合理。

图6 冲顶过程等效应力及最大主应变Fig.6 Equivalent stress and principal strain by punching

提取两种冲顶方式下的冲头阻力,曲线如图7所示。

图7 冲头阻力分布Fig.7 Distribution of punch resistance

对于纵向冲顶,0.293 s时冲头阻力达到峰值645 kN,随后略有下降,说明套管产生裂缝;至0.37 s时,冲头阻力再次出现一个峰值,冲头开始扩展开口,冲头阻力呈现下降趋势,最终阻力降至3.73 kN。横向冲顶时,在0.4 s时阻力达到峰值592.7 kN,此时套管产生裂缝并迅速失效;随后冲头阻力迅速下降,最终保持在8.56 kN。

通过对比,纵向冲顶时冲头阻力大于横向冲顶,经推算,若要克服冲头阻力,液压活塞应提供至少237 kN的推力,根据设计,冲顶机构在40 MPa泵压下可产生推力283.4 kN,满足推力需求。

4 全尺寸转向器样机综合评价试验

4.1 钻管转向与送进试验

根据以上理论分析和数值模拟结果,设计了适合于139.7 mm套管主井眼中应用的全尺寸转向器系统,并进行相关的室内试验(图8)。试验器材及规格如下:

(1)高压柱塞泵,最高工作压力50 MPa。

(2)耐震压力表,最大量程50 MPa。

图8 转向器样机性能评价试验Fig.8 Test on performance evaluation of whipstock prototype

(3)试验台架,尺寸规格为6 m×1 m,带有可调V块加紧装置。

(4)钻管,规格为Φ14 mm×1.5 mm,国产16Mn无缝钢管。

(5)转向器总成,外部尺寸规格为Φ110 mm× 0.8 m,扶正筒内径(钻管推力活塞外径)D=26 mm,内滑道曲率半径R=95 mm,冲头长度(钻管矫直段)L=60 mm。

通过台架试验评价钻管送进所需泵压、钻管延伸长度、钻管弯曲程度等[13]。

4.1.1 钻管推进力试验

分别对不同长度钻管进行转向试验,钻管在启动前行、进入弯曲段、进入反弯曲段、进入矫直段和完成转向稳定送进时所对应的泵压分别用编号1～5代替,重点考察泵压值即过转向器阻力的变化特点,如图9所示。

图9 不同长度钻管行进泵压Fig.9 Pump pressure distribtuion of drill pipes with different length

图9说明压力在转向滑道中呈现出波动变化,变化幅度与滑道曲率的变化值呈正相关关系。随着钻管送进长度的增加,在相同记录点位置的泵压值上升,说明钻管失稳程度增加,与扶正筒接触量增多,造成行进阻力加大。试验过程中最高压力为45 MPa,从泵压角度考虑,本套转向器样机符合径向水平井钻孔施工设计要求。

4.1.2 钻管矫直试验

钻管由于弯曲转向产生的塑性变形无法被矫直段完全克服,会留有一定的弯曲度。钻管矫直与多种因素有关,包括钻管材料、钻管及滑道的几何参数等。给定钻管材质和规格、滑道截面几何参数后,钻管矫直程度主要与冲头的出口方向有关。通过多次调整冲头内滑道的下倾角度,可以控制并尽力减小钻管的弯曲度。钻管矫直试验过程如图10所示。通过角度调整,当冲头下倾角度约为11°时,钻管可以沿水平方向长距离送进。

图10 钻管转向弯曲后的矫直试验Fig.10 Test on drillpipe alignment after sliding bending in whipstock

4.2 转向器样机冲顶套管试验

用固井水泥将短套管(Φ139.7 mm×7.2 mm, N80)封固,模拟真实冲顶套管的情况。水泥环最小厚度为73.4 mm。分别采用纵向与横向两种冲顶方式,冲头的刃尖角均为80°,试验情况如图11所示。

图11 冲顶水泥封固套管试验Fig.11 Test on punching of cemented casing

将工具通过管线与高压柱塞泵相连,通过调整节流阀逐步提高泵压值,泵压上升过程中,套管会受冲击产生破碎。从外部观察,推压杈杆行进至极限位置,水泥环出现裂纹,将外部水泥环进行清理,直至套管破碎区裸露,具体情况如图12所示。

图12 运用冲头冲顶套管Fig.12 Punching casing with steel punch

经试验,纵向冲顶时,泵压为28 MPa时套管产生破碎,套管碎片以冲头刃线为中心向两侧对称翻开。通过破碎区域判断,在整个过程中套管材料经过明显的弹性变形—塑性变形—强度破坏3个过程,冲头受力平稳增加。经过冲顶后,冲头刃部未发生损坏,套管开口处沿套管轴向尺寸为35 mm,沿套管切向尺寸最大为16 mm,冲头伸出套管外尺寸为15 mm,套管开口尺寸可以保证钻管顺利通过冲头。

横向冲顶时,泵压值为30 MPa时套管产生破碎,套管碎片沿冲头刃线向下侧翻开,与数值模拟结果相吻合。由于冲头是水平与上翘的合成运动,通过套管破碎区判断,套管本体是沿冲头刃线瞬时发生的剪切破坏,冲击载荷大,冲击结束后冲头发生明显崩刃现象。经测量,套管破碎区沿套管切向尺寸为30 mm,轴向尺寸为15 mm,但向下翻开的套管碎片阻挡了冲头内滑道,影响钻管的水平送进。

通过比较,纵向冲顶套管所需泵压值小于横向冲顶,且纵向冲顶产生的套管开口形式更有利于钻管的水平送进,选用其作为径向水平井钻进的开窗方式较为合理。

5 结 论

(1)从原理上,免扩孔模式下运用冲顶套管开窗与金属钻管在Φ139.7 mm套管内实现90°转向并沿径向水平喷射钻进具有可行性,与其他相关技术相比,工艺更紧凑,效率更高。

(2)转向器工具冲顶机构可以完成液压力的换向与放大,在工作压力范围内,可以冲开套管。

(3)滑道转向半径R＜100 mm,随着钻管长度的增大,钻管行进阻力略有增大,本试验条件下,钻管送进所需最大泵压值不超过45 MPa,当冲头内滑道(矫直段)下倾角度为11°时,钻管矫直效果最好。

(4)纵向冲顶时,套管最大等效应力为1 262 MPa,冲头最大行进阻力为645 kN,套管向双侧对称开口;横向冲顶时,套管最大等效应力为1380 MPa,冲头最大行进阻力为592.7 kN,套管向单侧开口。综合比较,选择纵向冲顶作为套管的开窗方式。

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(编辑 李志芬)

Key technology of steering feed in perforating casing to drill radial horizontal well

YANG Yongyin1,XU Xiqiang2,NIU Sicheng3,ZHANG Dong4,YING Fei1
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Fifth Company of the Yellow River Drilling,Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying 257000,China; 3.Engineering and Technology Research Institute of North China Branch,SINOPEC,Zhengzhou 450006,China; 4.Northwest Petroleum Bureau,SINOPEC,Urumqi 830000,China)

It is difficult to mill casing and ream large diameter holes with conventional radial horizontal well drilling technology.To solve the problem,a new technology design was proposed in this work,using which casing can be milled and radial horizontal wells can be drilled without reaming.A steering tool was designed to be used in 139.7 mm casings.This steering tool uses hydraulic puncher to mill casing,and then a steel pipe with 14 mm diameter is used as drilling pipe.The results of numerical simulation and laboratory tests show that vertical hydraulic punching can meet the requirements of milling casing and the drill pipe is able to overcome the resistance and drill forward with 45 MPa hydraulic pressure.The results also indicate that when the tilting angle of the punch is 11°,it can align the drill pipe completely and effectively drill the horizontal hole to a long extension.It is proved that using hydraulic puncher combined with metal drilling pipe can achieve ultra short radius radial penetration operation and lay foundations for the next step,during which a hydraulic drilling bit is used to efficiently break the rock with high pressure water jet.

horizontal well;steering;hydraulic puncher;drilling pipe;numerical simulation

TE 21

A

1673-5005(2014)05-0089-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.012

2014－04－22

杨永印(1962－),男,教授,博士,主要从事油气井工程流体学与工程、高压水射流理论与技术及工程应用等教学与研究工作。E－mail:yangyy@upc.edu.cn。

杨永印,徐希强,牛似成,等.冲顶开窗径向水平井转向送进关键技术[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(5):89-95.

YANG Yongyin,XU Xiqiang,NIU Sicheng,et al.Key technology of steering feed in perforating casing to drill radial horizontal well[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):89-95.