洪俊梁位恒华建刘建军（中原石油工程公司井下特种作业公司河南濮阳457000）

摘要：双层套管开窗铣锥要穿越两层套管，且技术套管的钢级和壁厚往往大于油层套管，造成难度较大。通过优选开窗点及斜向器斜面朝向；将斜向器导斜面硬度加大，加长斜向器卡瓦到导斜面的距离，同时将斜向器加工成双角度复合导斜面增加对工具进行改进；在原有开窗铣锥的基础上开发出双切削刃强侧切开窗铣锥，加快双层套管开窗的速度；对下部钻具组合进行了力学分析，计算出其一次和二次弯曲的临界钻压，优选出符合双层套管开窗要求的钻具组合。根据双层套管开窗的特点将双层套管开窗细分为8 个阶段，并针对各个阶段给出开窗推荐参数，确保高效、安全完成双层套管开窗作业。

关键词：双层套管；开窗侧钻；开窗工具；下部钻具；参数设计

一、双层套管开窗技术

1.开窗位置及斜向器导斜面朝向选择

（1）开窗位置选择

单层套管开窗时开窗长度一般在2m 左右，所以开窗位置只须选在套管中部就可在开窗过程中避开套管节箍。但双层套管开窗时开窗长度增长，并且要同时穿越油层套管和技术套管，这两层套管的节箍一般不会在同一深度，所以下斜向器之前应查阅老井套管记录结合双层套管开窗长度同时避开两层套管节箍，同时选择油层套管和技术套管固井质量都好的井段作为开窗位置，如须在固井质量不是很好井段开窗，窗口不宜选在地层过硬的井段。

（2）斜向器导斜面朝向选择

在实际施工中由于井斜的存在，使油层套管在重力作用下会靠向井眼低边，使井眼低边处油层套管和技术套管的间隙最小。这样就可在斜向器下到预定位置后对其进行陀螺定向，使其导斜面朝向井眼低边，减小双层套管开窗井段长度，降低开窗难度。

2.窗口长度及各节点铣锥进尺计算

在这里为简化计算，假设油层套管在技术套管中居中、套管钢级差异很小、下部钻具的刚性足够强，开窗时铣锥紧贴斜向器导斜面沿直线铣进。如图2 所示，根据相似三角形性质，计算双层套管开窗各节点铣锥进尺和窗口长度。

铣锥头刚接触技术套管时铣锥进尺L1：L1=(D1-D0)/ [2×Sin(β)] (1)

到“上死点”时铣锥进尺L2：L2=(D3-D0+d1)/ [2×Sin(β)] (2)

到“下死点”时铣锥进尺L3：L3=(D2-D0+d1)/ [2×Sin(β)] (3)

窗口刚形成时铣锥进尺L4 为L4=(D2-D0+2×d1)/[2×Sin(β)] (4)

铣锥完全出窗口时铣锥纯进尺L5为L5=L4+Lx (5)

窗口长度Lc 为Lc= Ld×Cos(β)+(D2-D0)/[2×Ttan(β)] (6)

式(1)-(6)中，D0 为斜向器最大外径，mm；D1 为技术套管内径，mm；D2 为技术套管外径，mm；D3 为油层套管外径，mm；d1为铣锥头外径，mm；Lx 为铣锥有效长度，mm；Ld 为斜向器导斜面长度，mm；β为斜向器导斜角，°。

图2、双层套管开窗结构示意图

3.开窗工具斜向器

斜向器的导斜角、斜面硬度和几何尺寸对开窗的成功率有至关重要的影响，可在这3个方面对斜向器改进。

（1）双层套管开窗要穿越两层套管，对斜向器的磨损和切削会增加，所以在导斜面上硬质合金粉末铺焊并打磨光滑提高斜向器导斜面硬度，这里应特别注意的是斜向器导斜面硬度并非越大越好，因为导斜面硬度过大会导致铣锥提前出窗口，使窗口过小，减弱窗口的通过能力。

（2）将斜向器的导斜角由3°增加至3.5°，从导向器中心线与3.5°的斜面本体的交点开始，从交点以下的3.5°的斜面本体上堆焊0.5°的细粒硬质合金粉末形成4°的硬质合金粉末复合斜面，并将堆焊表面打磨光滑，使斜向器导斜面成双角度复合斜面。保证和老井眼快速分叉。

（3）加长斜向器导斜面根部到最上一排卡瓦牙之间的距离，由以前的0.9m 增加至2m。防止开窗时间增长后对斜向器过度切削，甚至损伤卡瓦牙使坐封器松动而落井。

铣锥

由于斜向器导斜面的硬度和导斜角都有所增加，会导致窗口长度减小，所以需将普通φ118mm×0.9m 复式开窗铣锥加长至2m，保证窗口长度。考虑到双层套管开窗时间较长，打开油层套管后铣锥上的合金块会被磨钝，这种情况下就应立即起钻换另一种新型铣锥，如图3。

图3 双切削刃强侧切开窗铣锥

双切削刃强侧切开窗铣锥尺寸：φ118mm×0.3m。采用了3种不同形状的超硬复合材料牙齿，分别是巴拉斯材料的“三角形”牙齿，YG8 硬质合金“圆柱形”牙齿，YG8 硬质合金“方形“牙齿。在其上接φ114mm 扶正器使用，该组合的刚性较强，开技术套管时扶正器可骑在斜向器导斜面上使双切削刃强侧切开窗铣锥能有效的切削技术套管，充分利用斜向器的导斜力，同时扶正器又不会切削斜向器，可减小开窗过程对斜向器过度切削。

4.下部钻具组合

对下部钻具组合的选择主要是考虑其刚性强弱对开窗的影响。如刚性太强，下部钻具不易发生弯曲，开窗时会较多的切削斜向器，增加窗口长度，甚至导致开窗失败；如刚度太小，钻具极易发生弯曲，造成窗口过小并在下窗口留下台阶，影响后续施工。通过钻具力学分析发现φ88.9mm 加重钻杆的一次弯曲临界钻压为7.1kN，二次弯曲的临界钻压为14 kN，该力学特点满足双层套管的要求，即开窗时钻具会适当弯曲，能充分利用斜向器的侧向力，又不会造成窗口过小。

5.开窗参数设计

开窗参数的合理性直接决定双层套管开窗的成败，要根据开窗的不同阶段及时对参数进行调整。可将双层套管开窗细分为8个阶段。

（1）当铣锥刚接触斜向器顶部，同时铣锥顶部（前端部）直径圆周与套管内壁接触磨铣时应采用小钻压，低转速，使套管壁首先被均匀地磨铣出一个接触圆面。

（2）当铣锥与套管接触面增长，已磨铣出一较深且长的斜面后，可提高钻压和转速，进行快速磨铣直至铣锥头接触技术套管内壁。

（3）从铣锥头接触技术套管内壁至到达“上死点”前应加大钻压时铣锥吃进技术套管，同时采用中转速。（4）到达“上死点”时进一步增大钻压，迫使铣锥头部产生一定位移穿过“上死点”，同时采用中转速。

（5）从“上死点”到“下死点”之前，可适当减小钻压，同时适当提高转速。

（6）到达“下死点”后应进一步增大钻压，迫使铣锥头部产生一定位移穿过“下死点”，同时采用中转速。如使用的是双切削刃强侧切开窗铣锥应使用中钻压，高转速。

（7）“下死点”到窗口形成，应使用大钻压，高转速，使铣锥迅速进入地层。

（8）修窗阶段，应使用小钻压，最高转速，把窗口打磨光滑。

以下给出双层套管开窗推荐参数，如表1。

表1 双层套管开窗推荐参数表

二、现场应用

卫90 侧位于中原油田采油三厂，该井开窗点：2173m，该处油层套管刚级N80、技术套管刚级P110，完钻井深2720m。开窗工具选用上述φ114mm×4.5m 双角度复合斜面加长型斜向器，以及φ118mm × 2m 复式开窗铣锥，铣锥头90mm、φ118mm ×0.3m 双切削刃强侧切开窗铣锥。，根据式（1）-（6）以φ118mm×2m 复式开窗铣锥的参数计算出：窗口长2.81m，铣锥进尺0.77m铣锥头接触技术套管、进尺0.83m 到“上死点”、、进尺1.58m 到“下死点”、进尺2.22m 窗口形成、进尺4.22m 铣锥完全出窗口。

该井开窗钻具组合：（1）Φ118mm×2m 开窗铣锥+Φ89mm 加重钻杆× 2 根+ Φ73mm 钻杆；（2）Φ118mm × 0.3m 铣锥+ Φ114mm×0.47m 螺旋扶正器+Φ89mm 加重钻杆×2 根+Φ73mm钻杆。

通过前期的分析和计算给出了双层套管开窗各阶段铣锥的进尺，在实际开窗作业中根据不同工具灵活选择开窗参数及判断需要的进尺，用2 趟钻圆满完成开窗作业，后期起下钻、完井电测、下套管窗口均无阻挂现象，圆满完成开窗任务。

结论

(1)双层开窗时应尽量选择油层套管与技术套管间隙小的方位开窗，可缩短开窗进尺，提高双层套管开窗的成功率。

(2)双角度复合斜面斜向器，有较强的导斜能力，能提高铣锥对外层套管切削能力又能保证有较大的分叉角，提高双层套管开窗侧钻的分叉速度。

(3)双切削刃强侧切开窗铣锥和扶正器的组合能充分利用斜向器的导斜力，同时扶正器又不会切削斜向器，可减小开窗过程对斜向器过度切削。

(4)选择φ88.9mm 加重钻杆和φ73mm 钻杆的钻具组合，既能发挥斜向器的导斜能力，又不会在窗口留下台阶，是较理想的双层套管开窗钻具组合。

参考文献：

［1］张德荣，孔春岩，刘春林. 双层套管开窗工艺设计［J］. 钻采工艺，2013，36(2 ) :30-33. ［2］王龙，李雪梅，赵耀先. 双层套管开窗技术的探讨与应用［J］. 石油钻采工艺，2003，25（4）：39-40. 

［3］闫友勇，雷宇，屈志平，等. 双层套管开窗关键技术应用［J］. 石油钻采工艺，2012，34（3）：115-118. ［4］Arthur Lubinski1 Buckling of rotary drilling string[J]. Worl⁃ dOil, 1951, 132 (3-6). 

作者简介：洪俊（1985-）男，汉族，重庆万州人，助理工程师，主要从事小井眼开窗侧钻工作。

双层套管开窗新技术

洪俊梁位恒华建刘建军（中原石油工程公司井下特种作业公司河南濮阳457000）

摘要：双层套管开窗铣锥要穿越两层套管，且技术套管的钢级和壁厚往往大于油层套管，造成难度较大。通过优选开窗点及斜向器斜面朝向；将斜向器导斜面硬度加大，加长斜向器卡瓦到导斜面的距离，同时将斜向器加工成双角度复合导斜面增加对工具进行改进；在原有开窗铣锥的基础上开发出双切削刃强侧切开窗铣锥，加快双层套管开窗的速度；对下部钻具组合进行了力学分析，计算出其一次和二次弯曲的临界钻压，优选出符合双层套管开窗要求的钻具组合。根据双层套管开窗的特点将双层套管开窗细分为8 个阶段，并针对各个阶段给出开窗推荐参数，确保高效、安全完成双层套管开窗作业。

关键词：双层套管；开窗侧钻；开窗工具；下部钻具；参数设计

一、双层套管开窗技术

1.开窗位置及斜向器导斜面朝向选择

（1）开窗位置选择

单层套管开窗时开窗长度一般在2m 左右，所以开窗位置只须选在套管中部就可在开窗过程中避开套管节箍。但双层套管开窗时开窗长度增长，并且要同时穿越油层套管和技术套管，这两层套管的节箍一般不会在同一深度，所以下斜向器之前应查阅老井套管记录结合双层套管开窗长度同时避开两层套管节箍，同时选择油层套管和技术套管固井质量都好的井段作为开窗位置，如须在固井质量不是很好井段开窗，窗口不宜选在地层过硬的井段。

（2）斜向器导斜面朝向选择

在实际施工中由于井斜的存在，使油层套管在重力作用下会靠向井眼低边，使井眼低边处油层套管和技术套管的间隙最小。这样就可在斜向器下到预定位置后对其进行陀螺定向，使其导斜面朝向井眼低边，减小双层套管开窗井段长度，降低开窗难度。

2.窗口长度及各节点铣锥进尺计算

在这里为简化计算，假设油层套管在技术套管中居中、套管钢级差异很小、下部钻具的刚性足够强，开窗时铣锥紧贴斜向器导斜面沿直线铣进。如图2 所示，根据相似三角形性质，计算双层套管开窗各节点铣锥进尺和窗口长度。

铣锥头刚接触技术套管时铣锥进尺L1：L1=(D1-D0)/ [2×Sin(β)] (1)

到“上死点”时铣锥进尺L2：L2=(D3-D0+d1)/ [2×Sin(β)] (2)

到“下死点”时铣锥进尺L3：L3=(D2-D0+d1)/ [2×Sin(β)] (3)

窗口刚形成时铣锥进尺L4 为L4=(D2-D0+2×d1)/[2×Sin(β)] (4)

铣锥完全出窗口时铣锥纯进尺L5为L5=L4+Lx (5)

窗口长度Lc 为Lc= Ld×Cos(β)+(D2-D0)/[2×Ttan(β)] (6)

式(1)-(6)中，D0 为斜向器最大外径，mm；D1 为技术套管内径，mm；D2 为技术套管外径，mm；D3 为油层套管外径，mm；d1为铣锥头外径，mm；Lx 为铣锥有效长度，mm；Ld 为斜向器导斜面长度，mm；β为斜向器导斜角，°。

图2、双层套管开窗结构示意图

3.开窗工具斜向器

斜向器的导斜角、斜面硬度和几何尺寸对开窗的成功率有至关重要的影响，可在这3个方面对斜向器改进。

（1）双层套管开窗要穿越两层套管，对斜向器的磨损和切削会增加，所以在导斜面上硬质合金粉末铺焊并打磨光滑提高斜向器导斜面硬度，这里应特别注意的是斜向器导斜面硬度并非越大越好，因为导斜面硬度过大会导致铣锥提前出窗口，使窗口过小，减弱窗口的通过能力。

（2）将斜向器的导斜角由3°增加至3.5°，从导向器中心线与3.5°的斜面本体的交点开始，从交点以下的3.5°的斜面本体上堆焊0.5°的细粒硬质合金粉末形成4°的硬质合金粉末复合斜面，并将堆焊表面打磨光滑，使斜向器导斜面成双角度复合斜面。保证和老井眼快速分叉。

（3）加长斜向器导斜面根部到最上一排卡瓦牙之间的距离，由以前的0.9m 增加至2m。防止开窗时间增长后对斜向器过度切削，甚至损伤卡瓦牙使坐封器松动而落井。

铣锥

由于斜向器导斜面的硬度和导斜角都有所增加，会导致窗口长度减小，所以需将普通φ118mm×0.9m 复式开窗铣锥加长至2m，保证窗口长度。考虑到双层套管开窗时间较长，打开油层套管后铣锥上的合金块会被磨钝，这种情况下就应立即起钻换另一种新型铣锥，如图3。

图3 双切削刃强侧切开窗铣锥

双切削刃强侧切开窗铣锥尺寸：φ118mm×0.3m。采用了3种不同形状的超硬复合材料牙齿，分别是巴拉斯材料的“三角形”牙齿，YG8 硬质合金“圆柱形”牙齿，YG8 硬质合金“方形“牙齿。在其上接φ114mm 扶正器使用，该组合的刚性较强，开技术套管时扶正器可骑在斜向器导斜面上使双切削刃强侧切开窗铣锥能有效的切削技术套管，充分利用斜向器的导斜力，同时扶正器又不会切削斜向器，可减小开窗过程对斜向器过度切削。

4.下部钻具组合

对下部钻具组合的选择主要是考虑其刚性强弱对开窗的影响。如刚性太强，下部钻具不易发生弯曲，开窗时会较多的切削斜向器，增加窗口长度，甚至导致开窗失败；如刚度太小，钻具极易发生弯曲，造成窗口过小并在下窗口留下台阶，影响后续施工。通过钻具力学分析发现φ88.9mm 加重钻杆的一次弯曲临界钻压为7.1kN，二次弯曲的临界钻压为14 kN，该力学特点满足双层套管的要求，即开窗时钻具会适当弯曲，能充分利用斜向器的侧向力，又不会造成窗口过小。

5.开窗参数设计

开窗参数的合理性直接决定双层套管开窗的成败，要根据开窗的不同阶段及时对参数进行调整。可将双层套管开窗细分为8个阶段。

（1）当铣锥刚接触斜向器顶部，同时铣锥顶部（前端部）直径圆周与套管内壁接触磨铣时应采用小钻压，低转速，使套管壁首先被均匀地磨铣出一个接触圆面。

（2）当铣锥与套管接触面增长，已磨铣出一较深且长的斜面后，可提高钻压和转速，进行快速磨铣直至铣锥头接触技术套管内壁。

（3）从铣锥头接触技术套管内壁至到达“上死点”前应加大钻压时铣锥吃进技术套管，同时采用中转速。（4）到达“上死点”时进一步增大钻压，迫使铣锥头部产生一定位移穿过“上死点”，同时采用中转速。

（5）从“上死点”到“下死点”之前，可适当减小钻压，同时适当提高转速。

（6）到达“下死点”后应进一步增大钻压，迫使铣锥头部产生一定位移穿过“下死点”，同时采用中转速。如使用的是双切削刃强侧切开窗铣锥应使用中钻压，高转速。

（7）“下死点”到窗口形成，应使用大钻压，高转速，使铣锥迅速进入地层。

（8）修窗阶段，应使用小钻压，最高转速，把窗口打磨光滑。

以下给出双层套管开窗推荐参数，如表1。

表1 双层套管开窗推荐参数表

二、现场应用

卫90 侧位于中原油田采油三厂，该井开窗点：2173m，该处油层套管刚级N80、技术套管刚级P110，完钻井深2720m。开窗工具选用上述φ114mm×4.5m 双角度复合斜面加长型斜向器，以及φ118mm × 2m 复式开窗铣锥，铣锥头90mm、φ118mm ×0.3m 双切削刃强侧切开窗铣锥。，根据式（1）-（6）以φ118mm×2m 复式开窗铣锥的参数计算出：窗口长2.81m，铣锥进尺0.77m铣锥头接触技术套管、进尺0.83m 到“上死点”、、进尺1.58m 到“下死点”、进尺2.22m 窗口形成、进尺4.22m 铣锥完全出窗口。

该井开窗钻具组合：（1）Φ118mm×2m 开窗铣锥+Φ89mm 加重钻杆× 2 根+ Φ73mm 钻杆；（2）Φ118mm × 0.3m 铣锥+ Φ114mm×0.47m 螺旋扶正器+Φ89mm 加重钻杆×2 根+Φ73mm钻杆。

通过前期的分析和计算给出了双层套管开窗各阶段铣锥的进尺，在实际开窗作业中根据不同工具灵活选择开窗参数及判断需要的进尺，用2 趟钻圆满完成开窗作业，后期起下钻、完井电测、下套管窗口均无阻挂现象，圆满完成开窗任务。

结论

(1)双层开窗时应尽量选择油层套管与技术套管间隙小的方位开窗，可缩短开窗进尺，提高双层套管开窗的成功率。

(2)双角度复合斜面斜向器，有较强的导斜能力，能提高铣锥对外层套管切削能力又能保证有较大的分叉角，提高双层套管开窗侧钻的分叉速度。

(3)双切削刃强侧切开窗铣锥和扶正器的组合能充分利用斜向器的导斜力，同时扶正器又不会切削斜向器，可减小开窗过程对斜向器过度切削。

(4)选择φ88.9mm 加重钻杆和φ73mm 钻杆的钻具组合，既能发挥斜向器的导斜能力，又不会在窗口留下台阶，是较理想的双层套管开窗钻具组合。

参考文献：

［1］张德荣，孔春岩，刘春林. 双层套管开窗工艺设计［J］. 钻采工艺，2013，36(2 ) :30-33. ［2］王龙，李雪梅，赵耀先. 双层套管开窗技术的探讨与应用［J］. 石油钻采工艺，2003，25（4）：39-40. 

［3］闫友勇，雷宇，屈志平，等. 双层套管开窗关键技术应用［J］. 石油钻采工艺，2012，34（3）：115-118. ［4］Arthur Lubinski1 Buckling of rotary drilling string[J]. Worl⁃ dOil, 1951, 132 (3-6). 

作者简介：洪俊（1985-）男，汉族，重庆万州人，助理工程师，主要从事小井眼开窗侧钻工作。