连续油管侧钻开窗中钻头扭矩的计算分析

发布时间：2019-11-20 07:26

【摘要】：随着国际上越来越多的油田相继进入开发后期,在油气开采上面临着诸多相似的难题。不少油井产量大幅下降,水淹严重、套管损坏、油层构造复杂、井下事故等问题阻碍着人们对油井的正常开采。我国的高含水井、工程报废井等“老井”、“死井”的数量也在逐年增加,这极大的阻碍了我国对石油资源进行有效的开采利用,同时增加了油气的开发成本。其中许多报废井仍然具有很高的开采价值,如果对其进行有效的二次开发将会在很大程度上缓解我国资源紧张的问题,有利于经济的发展。目前,套管内侧钻开窗技术很好的解决了各大油田在油井开采的中后期面临的诸多难题。它不仅可以用在后期修井、完井上,同时使得许多停产的报废井可以进行再次开发利用。其中,二十世纪九十年在国外兴起的连续油管钻井技术被广泛使用于修井、钻井、完井等方面。连续油管(Coiled Tubing)为一条等径、无接头的长弯曲管。它可以进行多次起下作业,同时能够对井口起动态密封作用,而且连续油管能够承载很高的压力,它的滚筒式设计可以节约大量的空间,减小了设备运输费用,使得钻井变得愈发高效。连续油管钻井技术相比于传统的套管内开窗技术更加实用,它的欠平衡压力钻井系统可以减小对油层的破坏,钻井液的循环系统可以明显减少起下钻次数,一定程度上降低了作业的危险性。连续油管技术的智能化、自动化发展,使其更便于控制和数据测量,可以完成常规方法所不能完成的任务。连续油管钻井技术的这些特性决定了它非常适合于小井眼钻井和老井开窗作业。连续油管开窗侧钻技术主要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、造斜器开窗侧钻技术和磨蚀流体喷射开窗侧钻技术,本文将针对起下钻次数少,使用率较高的造斜器开窗技术进行研究。侧钻开窗中,在经过钻头与岩石和套管的磨削才能形成窗口和新的井眼,这一过程决定了整个开窗的成败与否,钻头在此时会受到造斜器、套管以及岩层等各方面的作用力,因此对钻具组合的进行全面的受力分析尤为重要,本次研究拟选在外径139.7mm的套管内进行连续油管造斜器侧钻开窗,结合实际要求做出以下几个方面的研究：(1)加深对连续油管侧钻开窗技术工艺的研究。根据连续油管的工作特点,对连续油管侧钻开窗的各项工艺流程进行了详细的学习。对开窗侧钻过程中的一些技术难点、细节处理和相关参数进行分析。借鉴国外的先进技术,给出适用于连续油管开窗侧钻的工艺流程。(2)对连续油管、套管、造斜器进行参数研究,分析其力学性能,选取合适的研究对象。重点对不同开窗铣鞋和扩眼铣鞋的使用背景、功能、各自的特点以及使用个数进行研究。通过分析开窗铣鞋和扩眼铣鞋的各项结构参数对其侧钻时的扭矩、运动的导向性、磨削的攻击性的影响,来对其进行参数选择和设计,使钻具组合在能够高效率稳定的开窗的前提下,保证其耐磨性、抗冲击性。(3)在给出合理假设的基础上,建立局部和整体坐标系,用以模拟铣鞋在磨削套管时发生的转动和平移,计算刚性模型下开窗铣鞋和扩眼铣鞋的运动轨迹。建立两个铣鞋的三维实体模型,对实体模型的点分布进行合理的设计。建立钻具组合运动和受力的物理模型,分析两者在运动过程中与套管和岩石的接触面以及相应的接触力,对两个铣鞋的组合进行了详细的受力分析,计算出开窗铣鞋和扩眼铣鞋在所处运动轨迹上每一位置时与套管、岩石以及与造斜器之间的扭矩值曲线。分析扭矩曲线的变化规律和窗口形状,改进造斜器并计算扭矩,设计出更加合适的开窗方案。研究表明,选择合适的侧钻井和开窗位置是连续油管侧钻开窗的前提条件,对开窗各项流程中细节的把握决定了整个开窗过程的成功与否。对各项开窗工具的结构参数要进行合理的设计,才能既减小对造斜面的破坏,又具有较好的导向性和稳定性。通过对开窗铣鞋和扩眼铣鞋进行扭矩计算,发现钻具组合在开窗初期的扭矩值较大,且总扭矩随着开窗铣鞋的前进有一个快速减小直到相对平稳的过程,中途随着扩眼铣鞋的加入,总扭矩会有一个小幅度的增加。针对其扭矩变化规律,我们对侧钻初期造斜面的角度进行了合理的调整。通过计算发现,这一改进可以有效的解决钻具组合扭矩较大的问题。同时,通过对比调整前后的窗口大小验证了该方案的可行性,并在磨削最大窗口宽度的造斜面处加入了一段竖直面,扩大了有效窗口的长度,有利于后期的钻井过程。最终获得一个完整的多折面造斜器的参数图,该造斜器在减小初期扭矩、增加有效窗口长度以及减少切削时间等方面起到了一定的作用,对现场施工有很好的参考和指导意义。
【图文】：

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最开始套管开窗中使用的多趟式的单一开窗锐鞋需要经过多次起下钻，使得逡逑开窗过程非常麻烦，，而且会对连续油管造成较大疲劳损伤。现在，连续油管造斜逡逑器开窗一般使用多个锐鞋串联的钻具狙合，如下图３－１所示。选择}D合式锐鞋，可逡逑Ｗ做到安装斜向器、开窗、扩眼、磨平窗口一次性完成。不仅保护了连续油管，逡逑节约时间，免去了多次起下钻的麻烦，而且可Ｗ得到高质量的窗口。逡逑多个拑鞋的钻具组合中，底端的锐鞋作用最为关键，不仅要直接在套管上磨逡逑削出窗口，还要在底层中钻进一定距离；西瓜皮锐鞋一般是在底端就鞋开出窗口逡逑之后继续磨削，它主要用于加长己开的窗曰大小，尤其是窗口上部；而最上方的逡逑锐鞋作用一般是将窗口磨平，便于裸眼钻井钻具组合进行下一步打井。材质和结逡逑构不同的磨鞋

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图３－２国外一些油田连续油管开窗使用的金刚石锦鞋逡逑Ｆｉｇ３－２邋Ｓｏｍｅ邋ｍｉｌｌｓ邋ｆｏｒ邋ｃｏｉｌｅｄ邋扣ｂｉｎｇ邋ｗｉｎｄｏｗ邋ｕｓｅｄ邋ａｔ邋ｓｏｍｅ邋ｆｉｌｅｄｓ邋ａｂｒｏａｄ逡逑
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE921.1

【参考文献】