多分支井雙管完井管柱結構及先導性試驗

范白濤，郝宙正，武廣璦，王 彬，李振坤,柴龍順

(1. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028; 2. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

分支井鉆完井技術是解決老油田產量遞減快，老井采油成本高，槽口有限，用海矛盾突出的重要手段。分支井鉆完井技術具有以下優勢：井筒內開窗增加新井眼，增大泄油面積，提高采收率，增加老井產能；可有效開采老井周圍分散的小斷塊、小油層，增加老井產能；可利用老井眼槽口，降低鉆完井成本，減少作業時間。

分支井鉆完井技術作為一種低產低效井治理技術，近年來發展較快。國內對該技術的研究起始于20世紀90年代初，主要有渤海油田、勝利油田、遼河油田等。遼河油田的 DF-1分支井多級完井系統、勝利油田的預開窗分支井完井系統、中石油開發的膨脹管定位多分支井系統，這些分支井技術均為TAML4級完井水平，在現場應用取得了很好的效果。國外各大油服公司均擁有自己成熟的五級分支井鉆完井技術，并取得了商業化應用。哈里伯頓公司的FlexRite系統為TAML5級分支井完井系統，FlexRite系統上部為Y形懸掛器，下部有2根分叉管，可分別進入主分支井眼，實現分支井眼的機械連接及密封，但主分支井眼通徑較小，影響主井眼后期重入。貝克公司的HOOK系統依靠壁掛式懸掛器實現分支井眼與主井眼之間機械連接，通過尾管或內管固井實現窗口連接處的液壓密封，但其分支井進入系統復雜，分支井生產通道后期干預能力不足[1-4]。綜上所訴，國內技術均未達到5級分支井鉆完井技術水平，國外上述2類技術具備5級完井水平，且實現了商業化應用。

針對渤海油田開發情況與技術現狀，通過自主化研究，同時綜合其力學性能與參數優選，對核心結構進行分析研究，開發了新的雙管完井技術[3]，可一趟鉆完成主管柱和分支管柱的送入，實現主、分支井的密封與分采。經過試驗井先導試驗表明該技術滿足設計要求，達到了5級分支井鉆完井技術水平。

1 雙管完井管柱研究

針對多分支井作業需求，尤其是需要后期井筒干預的分支井，自主研究了一種雙管完井管柱，如圖1所示。該管柱主要包括雙管密封工具、選擇性重入工具、生產封隔器，通過對各總成的創新設計和深入分析，形成了一套安全可靠的雙管完井管柱。

圖1 雙管完井管柱

1.1 雙管密封工具

雙管密封工具由外層工具和內層管柱組成，其中外層工具主要包括導向器、彈性棘爪、導向斜鐵等，其中內管柱(如圖2)主要包括插入密封、半月環、旋轉引鞋等。雙管密封工具具備多邊連接系統功能，該多邊連接系統使管柱在連接處提供壓力隔離，實現2個管柱同時分別進入主、分支井眼。

1-彈性棘爪；2-旋轉引鞋；3-導向斜鐵；4-導向器；5-半月環；6-插入密封。 圖2 雙管密封工具結構示意

1.2 選擇性重入工具

選擇性重入工具由打撈桿、鎖定塊、導向器組成，如圖3所示。該選擇性重入工具采用2組導向斜鐵為主、分支井眼的導向機構，可實現主、分支井的重入與后期干預，主、分支井筒內徑?49.276 mm(1.94 英寸)，鎖定塊鎖緊力5 kN，滿足直徑?47.625 mm(1.875 英寸)鋼絲作業管串要求。

1-打撈桿；2-鎖定塊；3-導向器。圖3 選擇性重入工具結構示意

1.3 生產封隔器

生產封隔器由密封機構、錨定機構、鎖定機構組成。該封隔器采用壓縮式膠筒為密封單元，并配有鎖定機構，可實現油、氣、水井的環空密封。其中，壓縮式膠筒采用外徑?216 mm薄壁膠筒，滿足井徑?220.5～?224.5 mm、密封壓力35 MPa的要求。

1.4 雙管完井工藝原理

該技術可一趟鉆完成主管柱和分支管柱的送入，實現主、分支井的密封與分采。管柱為全通徑，后期可實現鋼絲及連續油管作業(如圖4所示)。該工藝施工程序如下：

1) 內外層管柱在井口連接完畢，鉆桿送入至設計深度，用鹽水正循環頂替2個井筒容積。

2) 當雙管密封底距離設計位置10 m時，記錄上提下放懸重，下鉆直至雙管密封到位，彈性爪進入壁掛器凹槽，并在油管做標記，過提80 kN，使其提出凹槽，確認到位。

3) 繼續下壓100 kN，剪切固定鎖塊直到分支井密封短節插入支井眼密封筒。

4) 通過深度測試確認下入位置，必要時可通過密封測試進行驗證。

5) 井口投球座封生產封隔器，測試懸掛載荷。然后，服務工具脫手，最后提高壓力至球座脫手壓力值，剪斷球座銷釘，管柱自動泄壓。

6) 起鉆，作業結束。

圖4 雙管完井管柱圖

2 關鍵零部件設計及分析

2.1 回收機構優化及分析

2.1.1 結構及工作原理

導向斜鐵在回收過程中，鎖定接頭是回收工具的關鍵部件，承受留井管柱的拉壓載荷，因此對其進行理論分析和數值模擬計算[5-8]，證實該結構設計的合理性。筆者對鎖定接頭在回收狀態的結構進行優化設計。鎖定接頭簡化結構如圖5所示，根據回收機構的尺寸形態建立回收狀態模型，并劃分網絡。

1-鎖定接頭；2-鎖環；3-中間套筒。圖5 鎖定機構結構示意圖

2.1.2 回收狀態強度分析

由鎖定接頭結構分析可知，壁厚最薄、承載最大的是螺紋端部，選用美制?66 mm矮牙Acme螺紋，螺紋中徑65.048 mm，螺紋小徑63.587 mm，螺紋內圓?61.5 mm。經計算，螺紋端部最薄壁厚為1 mm。鎖定接頭在工作時，螺紋端部承受拉伸載荷，因此，工具最薄弱處為鎖定接頭螺紋端部。

受力面積S為：

鎖定接頭材質為4145H合金鋼，查閱文獻得知其屈服強度為930 MPa，抗拉強度為1 080 MPa。取安全系數n=2，則許用應力為：

作用在鎖定接頭上最大許用拉力為：

F=[σ]×S=456×196.25=91 256.25 N

經理論計算得知，鎖定接頭在安全系數n=2的情況下，可承受最大91.256 kN的拉力。

將鎖定接頭建立簡化力學模型，導入有限元分析軟件進行強度分析。為保證計算精度，將鎖定接頭局部網絡加密，采用六面體單元，其它部分使用網絡自動劃分[9～13]。圖6a為鎖定接頭有限元分析模型，材質為4145H合金鋼，調質處理，密度7 830 kg/m3,彈性模量206 GPa,泊松比0.28，屈服強度930 MPa，抗拉強度1 080 MPa。

在鎖定接頭右側端面施加固定約束，在外表面施加圓形對稱約束。螺紋端部施加軸向拉伸載荷91 256 N,模擬計算鎖定接頭變形對應的等效應力分布，結果如圖6b。從圖6b可見，鎖定接頭最大等效應力發生在螺紋根部，應力為620 MPa，小于材料屈服強度930 MPa，安全系數為1.5，滿足強度要求。

圖6 鎖定接頭有限元分析結果

3 室內試驗

3.1 管柱功能測試

雙管密封工具工作與測試工裝連接，中心管線逐級加壓至測試壓力35 MPa，壓力穩定時間≥15 min。密封壓力測試曲線如圖7所示。

圖7 雙管密封工具密封壓力測試

雙管密封工具過提262 kN，實現回收。回收載荷測試曲線如圖8所示。

圖8 雙管密封工具回收測試

綜合分析取得的各項技術參數和試驗過程，雙管密封密封壓力35 MPa,未見泄露現象，且壓降<2%。最大回收力為262 kN，較理論設計值偏大4.5%，小于彈性爪解鎖力誤差不超過15%的設計要求。

3.2 通過性測試

通過拆裝設備，將雙管密封工具插入到連接器內，按照0、30、60、90、180° 5個方位測試插入力及導向過程(如圖9)。測試和記錄送入摩擦阻力、彈性爪拔出力[13～18]，數據如表2所示。

圖9 雙管密封工具導向測試現場

表2 雙管密封工具不同角度通過性測試數據

通過雙管密封工具不同方位角通過連接器測試發現，管柱通過窗口過程中摩阻力為2～100 kN，彈性爪拔出力65～80 kN，摩擦阻力呈現快速上升趨勢，最大瞬時摩擦阻力達到100 kN，未超過油管屈曲變形極限設計值120 kN，且管柱均實現緩慢導向，表明該管柱可順利通過窗口[19-21]，下入可靠，具備分支井雙管完井現場應用條件。

4 工程應用

多分支井雙管完井技術在鉆采試驗基地JJSY-4(4號試驗井)進行了先導示范應用，套管直徑為244.475 mm(9英寸)，主井眼深度580 m，窗口頂深386 m，窗口底深390 m，窗口高邊方位角度45°，分支井段長度100 mm，井斜18°。雙管密封工具下放至331.5 m(尾管掛頂上提力500 kN，下放力450 kN)，開泵正循環流量1 000～1 600 L/min(泵壓1.35～1.75 MPa)。緩慢下放雙管密封工具至338.46 m，摩擦阻力10 kN。雙管密封工具下放至351.1 m，最大下壓力120 kN，剪切釋放鎖塊，生產管柱分別進入對應主、分支井眼。開泵正循環流量200～400 L/min，投坐封球，緩慢加壓至20 MPa，穩壓15 min；環空加壓至7 MPa，驗密封。上提回收雙管密封工具，過提力260 kN ，回收成功。試驗證明：雙管完井管柱具有較好的通過性，該管柱在下入、導向、回收作業、坐封、驗封作業過程中性能正常，具備分支井雙管完井作業的可靠性和安全性。

5 結論

1) 針對目前渤海油田開發情況，參考國內外技術現狀，研究了一套滿足分支井的雙管完井管柱。該技術實現主、分支井眼的壓力隔離，獨立開采。

2) 關鍵結構的力學性能評價及分析結果符合規范要求。

3) 通過雙管密封0、30、60、90、180° 5個方位的插入力及導向過程測試，管柱通過窗口過程中摩阻力為2～100 kN，摩擦阻力呈現快速上升趨勢，最大瞬時摩擦阻力達到100 kN，且管柱均實現緩慢導向，表明該管柱可滿足180°方位角時的通過需要，下入可靠，具備分支井雙管完井現場應用條件。

4) 該技術的現場應用，為低效井的利用找到了新思路，也為渤海油田進一步提高采收率找到了有效手段。后續可在降低雙管密封通過連接器的摩擦阻力方面做進一步研究，提高作業可靠性。