套損井修井磨銑參數(shù)優(yōu)化

劉祖林 （中石化中原石油勘探局井下特種作業(yè)處，河南濮陽457001）

王木樂，陳 燦 余 濤，鄒峰梅 （中石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽457001）

馬志亮 （北京溫菲爾德石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京100191）

劉 文 （中石化中原石油勘探局，河南濮陽457001）

套損井修井磨銑參數(shù)優(yōu)化

劉祖林 （中石化中原石油勘探局井下特種作業(yè)處，河南濮陽457001）

王木樂，陳 燦 余 濤，鄒峰梅 （中石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽457001）

馬志亮 （北京溫菲爾德石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京100191）

劉 文 （中石化中原石油勘探局，河南濮陽457001）

中原油田在套損井磨銑過程中由于管柱組合、施工參數(shù)選擇不當(dāng)，常發(fā)生套管開窗事故。在對套管開窗事故因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元方法，對施工參數(shù)與磨鞋橫向位移的關(guān)系進(jìn)行了分析，并從磨銑壓力和磨銑鉆速兩方面對磨銑參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究認(rèn)為，通過確定最優(yōu)鉆壓和轉(zhuǎn)速的范圍，可以減小磨鞋的橫向位移值，進(jìn)而達(dá)到在磨銑過程中降低磨鞋偏磨套管風(fēng)險(xiǎn)的目的。現(xiàn)場應(yīng)用表明，優(yōu)化結(jié)果對現(xiàn)場施工具有重要的指導(dǎo)意義，施工效果良好。

磨銑；套損井；臨界鉆壓；磨銑管柱

目前中原油田針對復(fù)雜落物井，常采用磨銑方法進(jìn)行事故處理；然而磨銑過程中由于管柱組合、施工參數(shù)選擇不當(dāng)，經(jīng)常造成套管開窗事故的發(fā)生。調(diào)查結(jié)果顯示，中原油田在修井作業(yè)中因套管開窗而造成中途完井的數(shù)量逐年增多，2005～2009年中原油田修井1227口（其中修復(fù)1112口，中途完井115口），其中因修井過程中造成套管開窗而中途完井共36口，占中途完井總數(shù)的31.2%，嚴(yán)重影響到油氣開采后續(xù)工作的順利進(jìn)行，給油田作業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，筆者在分析中原油田修井過程中影響套管開窗因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，優(yōu)選現(xiàn)場施工參數(shù)和管柱組合，從而減少套管偏磨、防止套管開窗，亦為現(xiàn)場修井作業(yè)進(jìn)行理論指導(dǎo)。

1 套管開窗事故因素分析

分析表明，施工鉆壓不合理是造成套管開窗的一個重要原因。合理選取鉆壓，對于實(shí)現(xiàn)磨銑過程中套管防開窗非常必要。當(dāng)鉆壓過大時，鉆桿即失去直線狀態(tài)產(chǎn)生一定的撓度，同時使磨銑工具偏離套管軸心線一定角度；當(dāng)角度偏斜過大時，磨銑工具可能磨銑套管內(nèi)壁，嚴(yán)重時會造成套管開窗。

分析發(fā)現(xiàn)，中原油田修井過程中選用的管柱組合很少使用扶正器和鉆鋌。磨銑時，使用扶正器可以防斜和糾斜［1］。而使用鉆鋌可以增加管柱的穩(wěn)定性和剛度。因此根據(jù)管柱在井下的受力分析，選擇剛度大、承壓能力強(qiáng)、不易彎曲變形的磨銑管柱組合，對于防開窗是非常有效的。

2 施工參數(shù)與磨銑工具橫向位移的關(guān)系

在磨銑過程中，如果磨銑工具的施工參數(shù)選擇不合適，將會使磨銑工具偏離其理想工作位置，發(fā)生橫向位移，與套管發(fā)生接觸，從而造成套管開窗事故。

對于磨銑工具來說，工作參數(shù)主要是鉆壓和轉(zhuǎn)速?？紤]到實(shí)際情況，在研究中選取具有代表性的114mm的平底磨鞋磨銑×73mm平式油管進(jìn)行磨銑切削的有限元分析，分析模型如圖1所示。

圖1 磨銑工具有限元分析模型

磨銑過程中，鉆柱下部同時承受著軸向壓力和扭矩，當(dāng)鉆壓超過臨界值時鉆柱將會產(chǎn)生縱向彎曲。通過理論分析和試驗(yàn)證實(shí)，扭矩也能使鉆桿喪失扭曲穩(wěn)定性。根據(jù)在鉸支條件下，鉆壓與扭矩具有的關(guān)系，計(jì)算得到了幾組鉆壓和扭矩的配比組合，利用不同鉆壓和扭矩的配比數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，得到了不同鉆壓／扭矩作用下的磨鞋的最大橫向位移量，并繪制成了不同鉆壓／扭矩與磨鞋最大橫向位移量的關(guān)系圖，如圖2所示。

根據(jù)圖2所呈現(xiàn)的有限元仿真計(jì)算結(jié)果可知，在鉆壓和扭矩共同作用時，磨鞋會產(chǎn)生一定橫向位移。當(dāng)鉆壓為30kN，扭矩為415N·m時，磨鞋的橫向位移達(dá)到最小值，該值可作為最優(yōu)鉆壓／扭矩的參考值。由此可以說明，通過確定最優(yōu)鉆壓和轉(zhuǎn)速的范圍，可以減小磨鞋的橫向位移值，進(jìn)而降低磨銑過程中磨鞋偏磨套管的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 鉆壓／扭矩與磨鞋橫向最大位移量的關(guān)系

3 磨銑參數(shù)優(yōu)化

在正常修井過程中，部分管柱的重力作為鉆壓施加在磨鞋上，使得上部管柱受拉伸而下部管柱受壓縮。在鉆壓較小和直井條件下，管柱也是直的；但當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的臨界壓力值時，下部管柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井壁接觸于某個點(diǎn)，此時鉆柱處于一次彎曲狀態(tài)，臨界壓力值稱為一次臨界壓力。如果繼續(xù)增大鉆壓，則會出現(xiàn)管柱的第二次彎曲［2］，如圖3所示。因此，在對磨銑管柱進(jìn)行優(yōu)化時所采用的原則就是使管柱具有足夠的剛度能夠承受相應(yīng)的鉆壓及其他工程參數(shù)的作用。增加管柱的剛度和穩(wěn)定性，可以將中和點(diǎn)以下的管柱換為鉆鋌，也可以通過在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置扶正器來實(shí)現(xiàn)。

圖3 管柱一次和二次彎曲示意圖

圖4 管柱模型

3.1 磨銑壓力的選擇

為了使中和點(diǎn)以下管柱能夠承受更大的鉆壓，可在中和點(diǎn)處加一扶正器，將該扶正器與磨銑工具之間的鉆鋌作為研究對象，如圖4。P為鉆壓，A、B點(diǎn)為鉆柱模型鉸支，管柱上由自重產(chǎn)生的側(cè)向力為qsinα。假設(shè)磨鞋與中和點(diǎn)扶正器處的橫向力均為零，即磨鞋上無造斜力，在這種情況下，管柱的撓曲微分方程［3］為：

根據(jù)微分方程的解析結(jié)果，管柱發(fā)生一次、二次、三次彎曲的臨界鉆壓為：

式中，E為彈性模量，MPa；q為每米鉆鋌在泥漿中的有效重量，N／m；Pi為第i次臨界鉆壓（i＝1，2，3）；Ii為第i次臨界鉆壓時中和點(diǎn)的位置（從磨銑處算起，i＝1，2，3）；qm為每米鉆鋌在泥漿中的有效重量，N／m；E為彈性模量，206GPa；I為慣性矩，分別為套管外、內(nèi)徑，cm。

3.2 磨銑轉(zhuǎn)速的選擇

在實(shí)際工作中，管柱下部同時承受著鉆壓和扭矩等作用。在不同鉆壓、扭矩和井斜角條件下，管柱受力是不一樣的。利用能量法，可以得到在鉸支條件下鉆壓與扭矩的對應(yīng)關(guān)系［4］，進(jìn)而可確定磨銑鉆壓所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

式中，ω為角速度，rad／s；l為管柱長度，m。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

表1 文79－133井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 文79－133井套管數(shù)據(jù)

利用所編制的程序計(jì)算得到一次臨界鉆壓為28kN，根據(jù)式（3）鉆壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系計(jì)算得到對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為60r／min；二次臨界鉆壓為34kN，根據(jù)式（3）計(jì)算得到對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為30r／min。鉆壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖5所示。二次鉆壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速太小，磨銑時不易產(chǎn)生進(jìn)尺，因此磨銑最大鉆壓確定為一次臨界鉆壓。在該條件下，磨銑管柱為4根104.8mm的鉆鋌并考慮到管柱穩(wěn)定性，在第4根鉆鋌末尾與鉆桿處添加扶正器。該套磨銑工具方案及參數(shù)通過現(xiàn)場施工表明，效果良好，可以打撈出所有落物。

圖5 鉆壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系

5 結(jié) 論

1）在不同鉆壓和對應(yīng)的扭矩的作用下，磨銑工具和管柱組合會產(chǎn)生一定的橫向位移，當(dāng)磨鞋的橫向位移達(dá)到最小值時，對應(yīng)的鉆壓／扭矩可作為最優(yōu)施工參數(shù)的參考值。

2）通過確定最優(yōu)鉆壓和轉(zhuǎn)速的范圍，可以減小磨鞋的橫向位移，進(jìn)而降低磨銑過程中磨鞋偏磨套管的風(fēng)險(xiǎn)。

3）采用合理的鉆壓是防止側(cè)鉆開窗的前提條件，鉆壓必須不大于使用管柱的一次臨界鉆壓。

4）合理的磨銑管柱是防開窗的必要保證，采用添加扶正器與鉆鋌的磨銑管柱組合既可以增加管柱承受鉆壓的能力，防止管柱在低鉆壓的工作條件下發(fā)生彎曲，也可以大大提高管柱在磨銑工作時的穩(wěn)定性。

［1］Juvkam－Wold，Wu Jiang.Casing deflection and centralizer spacing calculation［J］.SPE21282－PA，1992.

［2］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.北京：石油大學(xué)出版社，2006.

［3］閉樂泉.直井中高次臨界鉆壓的探討［J］.石油鉆采工藝，1980，2（6）：38～41.

［4］姜偉.可控偏心穩(wěn)定器鉆具組合彈性穩(wěn)定性研究及其應(yīng)用［J］.中國海上油氣，2007，19（2）：107～111.

［編輯］ 蕭 雨

99 Parameter Optimization for Milling in Casing Damaged Wells

LIU Zu－lin，WANG Mu－le，CHEN Can，YU Tao，ZHOU Feng－mei，MA Zhi－liang，LIU Wen

（First Authors Address：Department of Special Downhole Operation，Zhongyuan Oilfield Company，SINOPEC，Puyang457001，Henan，China）

For unsuitably selected casing string assembly or operation parameters，sidetracking always happened duringmilling in Zhongyuan Oilfield.Based on the analysis of causes for sidetracking，the relationship between the operation parameters and the transverse displacement of the casing string assembly was analyzed by means of FEA，and the milling pressure and rotation speed was also optimized.It is found that the optimal weight on bit and rotation speed can reduce the transverse displacement of mill shoes，and the probability of sidetracking.Field application shows that it provides a basis for field operation and good effect is obtained.

milling；casing damaged wells；critical drilling pressure；milling casing string

book=1,ebook=1

TE28

A

1000－9752（2012）05－0099－04

2012－01－16

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05017－003）。

劉祖林（1963－），男，1983年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事修井與壓裂技術(shù)管理工作。