基于壁鉤式懸掛器的五級分支系統設計與試驗

摘要：四級及以下級別的分支完井系統不具備分支窗口密封能力，分支的窗口處出水或某一個分支出水，將嚴重影響整個油氣井的采收率，并且后期的處理難度大，難以實現油氣井經濟有效的開發。針對上述問題，研發了基于壁鉤式懸掛器的五級分支系統，包括了Y型雙管轉換器裝置、雙密封裝置及自換向的密封插頭等。通過雙密封裝置與壁鉤式懸掛器配合，分別回接于兩個分支的完井管柱上，實現窗口處的整體密封。后期通過下入專用的重入工具與Y型雙管轉換器裝置配合，實現分支的重入處理。采用有限元分析軟件對核心部件在多種工況下的強度進行了分析，零部件均沒有整體失穩的風險。進行雙密封裝置與壁鉤懸掛器的模擬對接測試，驗證了設計的合理性，研究成果可為分支井技術應用提供借鑒。

關鍵詞：五級分支系統；Y型雙管轉換器裝置；雙密封裝置；分支重入

中圖分類號：TE952 " " " " 文獻標志碼：A " " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.005

Design of TAML 5 Multilateral Completion System Based on Hook Hangers

LI Hang

（SINOPEC Research Institute Of Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Beijing 102206，China）

Abstract： The branch windows can not be sealed by The TAML 4 multilateral completion system，and water out of the branch window or out of one branch will seriously affect the recovery rate of the whole oil and gas well，and it is difficult to realize economic and effective development of oil and gas wells due to the difficulty of post-processing. A TAML 5 multilateral completion system based on the hook hanger was developed，including the Y-type double-tube converter device，the double-seal connection device，and the self-reversing seal plug. The integral sealing at the window is achieved by connecting the double sealing device with the hook hanger to tie back to the completion string of two branches respectively. In the later stage，the branch re-entry processing is achieved by the special re-entry tool connecting with the Y-type double-tube converter device. Finite element analysis software was used to analyze the strength of the core components under various working conditions，and none of the components had the risk of overall instability，and the design was verified to be reasonable. The research results can provide reference for the application of "branch "well technology.

Key words： TAML 5 multilateral completion system；Y-type double-tube converter device；the double-seal connection device；Re-entry

分支井是指由一個主井眼（直井、定向井、水平井）側鉆出兩個或兩個以上進入油（氣）藏的分支井眼，該技術在斷塊層狀油藏、多層系油氣藏、枯竭型油氣藏、致密油氣藏和頁巖氣等均有很好的適用性，是實現低品位油氣藏效益開發的有效技術手段［1-8］。與常規側鉆井、水平井技術不同，分支井的技術難點在于其較為復雜的完井作業，分支井完井是整個分支井實施成敗的關鍵［9-10］。國際上將分支井完井技術分為六個等級，分級的依據體現在窗口支撐、密封及井眼重入三個方面。目前國際上貝克休斯、斯倫貝謝、威德福等油服公司均擁有自己成熟的分支井窗口工具系統，其中以貝克休斯的壁鉤式懸掛器分支系統最具代表性［11-12］。

四級及以下級別的分支完井不具備分支窗口處的密封能力，如果分支的窗口處出水或者其中一個分支出水，則將嚴重影響整個油氣井的采收率；并且后期處理難度大，需要進行二次完井，難以實現油氣井經濟有效的開發［13-15］。而五級以上的分支完井技術可實現窗口處的壓力密封，避免上述問題。本文研制了一種五級分支系統，通過一種窗口的密封裝置與壁鉤式懸掛器配合使用，分別回接于兩個分支的完井管柱上，實現窗口處的整體密封，從而充分發揮分支井完井的技術優勢。

1 基于壁鉤式懸掛器的五級分支系統方案設計

1.1 工作原理

本設計通過在壁鉤式懸掛器內部結合特定的工具系統，實現從三、四級分支技術向五級分支技術的升級，同時實現兩個分支的連接、密封和選擇性重入。五級分支窗口工具的工作原理如圖1所示。

圖1a為三、四級分支完井的狀態，壁鉤式懸掛器已經坐掛在窗口處，且主井眼及分支井眼已經完整下入完井管柱，壁鉤懸掛器的開窗正對著主井眼，兩個井眼的完井管柱頂部均配置有回接筒，此時雖然實現了分支窗口處的機械支撐，但是窗口處地層無法實現密封（即使分支固井也會由于水泥的沉降，造成窗口裸露），窗口處坍塌及出水等情況將直接影響兩個井眼的開發。

圖1b為五級分支窗口工具，上部為Y型雙管轉換器裝置，下部通過油管，與雙密封裝置連接，雙密封裝置的下端均連接有自換向的密封插頭。

圖1c為五級分支窗口工具系統下入到壁鉤式懸掛器本體內的狀態。具體實現是通過油管或套管下放整個五級窗口工具系統，雙密封裝置本體下端有導向特征，與壁鉤式懸掛器本體相應的導向特征配合，可使雙密封裝置本體預開窗口與壁鉤式懸掛器本體的預開窗口對齊，繼續下放可使雙密封裝置的兩個分支分別進入主井眼及分支井眼，并且與兩個井眼的完井管柱完成回接。由于除了密封回接處之外，整個管柱其余的連接均為標準的油套管螺紋，因此保證了整個窗口處的完井管柱處于密封狀態。后期如果想分別對兩個分支進行干預，則分別下入相應的重入工具進入到Y型雙管轉換器裝置，即可實現兩個分支的分別進入。

1.2 工具結構

根據五級分支井的工作原理，完成了五級分支井的整體結構方案設計，包括雙密封裝置、Y型雙管轉換器、自換向密封插頭等結構設計。

1.2.1 雙密封裝置

圖2為雙密封裝置結構示意圖，該模塊主要由分支井眼送入油管、主井眼送入油管、本體、導向插頭、導向斜面、分支井眼鎖定單元組成。該裝置本體下端設計了導向斜面，同時壁鉤式懸掛器內部也設計了配合的導向斜面，如圖3所示，兩者相互配合實現壁鉤式懸掛器本體窗口與雙密封裝置本體窗口的對齊，對齊后的狀態如圖4所示。

圖5為分支井眼鎖定單元示意圖，分支井眼送入油管與雙密封裝置本體通過分支井眼鎖定單元鎖定，到位時壁鉤式懸掛器突出肋部分頂開鎖定單元的鎖定套將鎖定剪釘剪斷，使得鎖定擋塊外部失去支撐，鎖定擋塊無法鎖定送入油管，送入油管可自由下行。主井眼送入油管與雙密封裝置本體不鎖定，解除鎖定單元鎖定后可繼續下放至導向斜面位置，通過導向斜面將主井眼送入導向至主井眼，可完成后續的主井眼回接等作業。

1.2.2 "Y型雙管轉換裝置器與重入工具

圖6a為Y型雙管轉換器裝置結構示意圖，該模塊連接在引導連接送入裝置模塊上端，內部有導向斜面，后續可與重入工具配合，實現分支的分別進入，如圖6b，到位后僅需要下壓一定的噸位，將重入工具送入裝置的剪釘剪斷，上提就可以實現丟手。

圖7a為打撈工具結構，包括打撈爪、芯軸、彈簧等部件。打撈過程比較簡單，僅需要下壓一定噸位，保證打撈爪完全進入重入工具的凹槽內，然后上提就可提出工具器。打撈工具與重入工具配合示意如圖7b所示。

1.2.3 自換向密封插頭

圖8為自換向密封插頭。分支井眼管串的回接通常需要在裸眼段完成，當前端的密封插頭遇阻且無法通過遇阻點，則會造成回接失敗。主井眼管串回接時，由于導向斜面的導引造成回接管柱不居中，從而造成主井眼回接困難。

自換向密封插頭設計了在常規密封插頭的基礎上，在前端導引頭設計了換向機構，當插頭遇阻時，導引頭自動旋轉90 °，反復上提下放將插頭導引頭的大倒角對準遇阻點，可順利通過遇阻點，從而保障回接密封的可靠性。

2 關鍵部件設計及強度分析

五級分支窗口工具多為長薄零件，通過理論計算校核其強度較為困難，本文采用有限元分析方法，對承受載荷的主要部件進行強度校核。五級分支窗口工具均采用42CrMo材質，其調質后屈服強度約為861 MPa，材料彈性模量取值2.1×105 MPa，泊松比取值0.3。

2.1 雙密封裝置設計及強度分析

雙密封裝置的主要受力部件就是本體（如圖9），其主要承受與壁鉤本體結合時產生的扭轉載荷，與壁鉤懸掛器窗口對齊過程中的彎曲載荷以及彈性肋送入及提出過程中部承受的徑向位移載荷。因此需要針對上述工況進行相應的受力分析。

2.1.1 雙密封裝置本體彎曲計算

根據實際的情況，雙密封裝置本體需要與壁鉤懸掛器內部結合，整體產生2 °的彎曲，根據本體長度（7 356 mm）可計算，此時下端產生的位移為245 mm，將此位移施加與本體下端，計算如圖10所示。由于施加約束和位移的位置產生了應力集中，因此最大應力達到了2 000 MPa，根據工具的實際使用情況，重點需要觀察窗口處的應力狀態，根據檢查窗口處，窗口的上端產生了約1 000 ～1 166 MPa的應力，超過了材料的屈服強度，對比窗口產生的應變，變形量在4.8 ～6.4 mm之間，判斷此處出現了永久塑性變形。查看窗口的其他部分的應力應變均很小。雙密封裝置本體與壁鉤懸掛器本體結合后，窗口上端雙側出現塑性變形，范圍較小，而窗口整體無失穩性破壞，滿足設計的要求。

2.1.2 雙密封裝置本體扭轉計算

本體與壁鉤懸掛器本體結合時自動發生轉動，使得本體與壁鉤懸掛器本體的開窗口對齊，滿足主、分支進入的要求。由于本體是長薄件，在導向扭轉過程中可能由于摩擦力的作用發生扭轉變形使得窗口無法對齊，因此需要校核在摩擦力作用下本體的扭轉變形的程度，以判斷是否影響窗口的對齊程度。扭轉過程中的摩擦力約為7.5 kN（本體下端導向角度近似考慮為45 °，以下壓100 kN考慮，摩擦分壓力約50 kN，摩擦因數取0.15），將摩擦力集中施加于端面上，因此施加扭矩T=7.5×100×0.145/2=543 N·m。經計算， 如圖11所示，最大應力約為612.6 MPa，本體的最大轉角約12 °，材料仍處于彈性范圍，扭矩載荷釋放后變形仍可恢復，不會產生塑性永久變形，因此雙密封裝置本體與壁鉤懸掛器本體窗口可順利對齊，不會影響窗口尺寸。

1.3 雙密封裝置本體導向肋受力計算

本體在插入過程中導向肋發生變形，導向肋的兩端固定，需要計算肋部的最大應力及應變。零件凸起外徑為177 mm，在提出過程中，需要將肋部變為171 mm才可提出。經計算，如圖12所示，最大應力為611 MPa，未超過材料的屈服極限861 MPa，導向肋未發生塑性永久變形，符合設計的要求。

2.2 重入工具受力分析

重入工具與Y型雙管轉換器裝置配合使用，圖13a為重入工具丟手后的示意圖，當有重入管串進入重入工具時，會對重入工具下端的重入導向器產生軸向的力F1，此力最終作用于重入工具本體。當管柱通過重入導向器后，又會對其徑向方向產生位移S1，同樣會作用于重入工具本體，因此需要分別考察在這種情況下重入工具的應力及變形情況。重入工具的彈性肋在送入及提出過程中會受到徑向的擠壓從而導致變形，如圖13b，因此也需要考察彈性肋受擠壓變形后的受力情況。

2.2.1 重入工具本體受力計算

圖14為重入工具導向筒受軸向力10 kN后的受力情況，導向斜面處施加固定約束，下端面施加作用力。根據有限元計算結果，最大應力為208.5 MPa，最大變形為1 mm，最大應力及變形的位置處于導線筒中部的沖洗過流孔處，其他位置的應力及變形較小。

圖15為重入工具導向筒受徑向位移23 mm后的應力情況（23 mm變形后與外面的雙管轉換器本體接觸，不再產生變形），導向斜面處施加固定約束，下端面施加位移。根據有限元計算結果，最大應力為493.9 MPa，最大變形為2.5 mm，最大應力及變形的位置處于導線筒中部的沖洗過流孔處，其他位置除了開窗的邊緣處，應力及變形較小。根據導向筒下端軸向向下和向徑向方向的受力工況，將兩組計算結果進行累加，再進入導向筒下端受軸向力10 kN，且受徑向位移23 mm后，最大應力為701 MPa，小于材料的屈服極限861 MPa，工件在此工況下安全。

2.2.2 重入工具彈性肋收縮受力計算

圖16為重入工具彈性肋受徑向位移4.5 mm后的應力情況（4.5 mm變形后彈性肋可從雙管轉換器上接頭槽內出來）。根據有限元計算結果，最大應力達到了779 MPa，對肋處進行剖切分析，最大應力集中在了肋的根部的極小區域，而肋處最大應力為433～519 MPa之間，屬于彈性應變范圍，所以彈性肋在進入和提出槽的過程中可以保持很好的彈性，滿足設計要求。根據提取肋處的支反力可知，將每個肋下壓4.5 mm需要203 N的力，通過分力折算提出彈性肋（周向分布10個肋，上提肋角度為60 °）約需要3 510 N的力。

2.3 打撈工具打撈爪受力分析

打撈工具示意如圖7a所示。打撈過程中打撈爪插入到導向器打撈槽內，上提進行打撈。上面計算導向筒需約為35 kN的力可從槽內提出，因此需要計算打撈爪在此作用力下承載是否安全可靠，可取1.5倍安全系數約50 kN的上提力進行強度校核。

圖17為打撈工具打撈爪的抗拉受力云圖，測試了50 kN上提力的情況下打撈爪的應力情況。最大應力僅為46.8 MPa，最大變形僅為0.36 mm，計算結果表明打撈爪在上提作業過程中可靠性較高，符合設計要求。

圖18為打撈爪彈性肋回縮4 mm（從槽內脫出）的應力情況，最大應力為1 368 MPa，考慮到此應力發生處為施加位移載荷的位置，應力不具備參考性，因此截取彈性抓根部位置重新考慮，此處的應力在456～608 MPa之間，小于材料的屈服應力861 MPa，因此打撈爪回收后仍可保持彈性狀態，滿足設計要求。

3 模擬對接試驗

3.1 試驗井筒準備

分支井模擬試驗井筒現場如圖19所示。

3.2 壁鉤式懸掛器的安裝

將壁勾懸掛器與彎管短節進行連接，如圖20a所示，將壁勾調整到正對開窗的位置。繼續將壁勾懸掛器單元插入井筒內，直至顯示遇阻為止，繼續下壓一定噸位，確定管柱不繼續下行，此時壁勾掛住窗口，下入完成的狀態如圖20b所示。

3.3 雙密封裝置與壁鉤懸掛器對接

將組裝好的雙密封裝置插入壁鉤懸掛器內（如圖21a所示）。繼續推動雙管向里行進，觀察推力變化較小，直到顯示遇阻。觀察主井眼和分支井眼情況，此時主井眼密封插頭插入主井眼中，分支井眼密封插頭插入分支井眼中（如圖21b所示），實現了雙密封裝置與壁鉤懸掛器對接及雙分支管柱的安裝，達到了預期設計的要求。

4 結論

1） 設計了Y型雙管轉換器裝置、雙密封裝置及自換向密封插頭等裝置，通過與壁鉤式懸掛器結合，實現了雙分支連接、密封和選擇性重入等功能，形成了五級分支井工具系統。

2） 采用有限元分析對各種工況下核心部件進行了強度分析校核，零部件均沒有整體失穩的風險，驗證了設計的合理性。

3） 進行了雙密封裝置與壁鉤懸掛器的地面對接測試，雙管密封裝置與壁鉤懸掛器對接動作順利，雙管可分別進入兩個分支實現回接。

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