分體式自適應分支井主井眼支撐系統研制

分支井主井眼支撐工具是滿足分支井窗口支撐與分支井眼鉆井的核心工具，包括可回收式斜向器、打撈鉤、定向錨定封隔器及定向插頭等。針對常用配套工具存在的錨定性能差、地面定向難度大、斜向器可取性差等問題，研發了分體式自適應分支井主井眼支撐系統。該系統以大通徑錨定封隔器作為井下定位單元，具備軸向及周向錨定功能，可取式鉆井導向器可在井下實現自動找正對接，從而建立牢固的窗口支撐系統，配套打撈鉤具備定向打撈功能；該系統也可為后期井眼選擇性重入及生產提供大通徑機械通道。對主井眼窗口支撐系統關鍵部件進行了有限元分析，并對支撐系統的錨定、抗扭及自動對接等性能進行了測試。分析及測試結果表明：大通徑錨定封隔器雙向錨定能力1 200 kN，環空封隔能力80 MPa；鉤式打撈器可實現導向器的定向鎖定。所得結果可為分支井設計及工具選擇提供參考。

分支井；窗口工具；支撐系統；錨定封隔器；自適應定向

中圖分類號：TE925

文獻標識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.006

基金項目：國家科技重大專項“低滲透油氣藏高效開發鉆完井技術”之課題五“高壓低滲油氣藏固井完井技術”（2016ZX05021-005）。

Development on Split Adaptive Support System for

Main Hole of Multilateral Wells

Xue Zhanfeng

（Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering Co.，Ltd.；State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development）

The support tool for the main hole of a multilateral well is the core tool realizing multilateral well window support and drilling branch holes，including retrievable whipstock，fishing hook，directional anchor packer and directional plug.In order to solve the problems of commonly used support tools such as poor anchoring performance，great difficulty in surface orientation and poor retrievable property of whipstock，a split adaptive support system for main hole of multilateral well was developed.This system uses a large-diameter anchor packer having axial and circumferential anchoring functions as the downhole positioning unit；the removable drilling guide can realize self-alignment and abutting in the well，thus building a reliable window support system；the matched fishing hook possesses directional fishing function；this system can also provide a large-diameter mechanical channel for selective reentry and production of the well in the later stage.Then，finite element analysis was conducted on the key components of the main hole window support system，and the anchoring，torsional and automatic abutting performances of the support system were tested.The analysis and test results show that the two-way anchoring capacity and annular sealing ability of the large-diameter anchor packer is 1 200 kN and 80 MPa respectively，and the hook fisher can achieve directional locking of the guide.The research results provide reference for the design of multilateral wells and selection of tools.

multilateral well；window tool；support system；anchor packer；adaptive orientation

0" 引" 言

分支井技術是降低油氣井開發成本和提高綜合經濟效益的重要手段之一［1-5］。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，分支井完井成功與否是整個分支井實施成敗的關鍵［6］。分支井窗口工具系統作為分支井完井的技術關鍵，其技術水平體現在窗口支撐、密封及井眼重入3個方面［7-8］。目前，Weatherford、Halliburton及Baker Hughes等國外多家公司研發了分支井工具，形成了一系列具有特色和優勢的工藝技術和配套工具。國內從2000年開始，陸續有研究機構開展分支井鉆完井工具系統的研究，主要包括克拉瑪依鉆井工藝研究院、勝利鉆井院和中石油長城鉆探工程院等，他們的產品各具特點，且實現了一定的現場應用，但工具的成熟度還有待提高［1-4］。

雖然分支井工藝技術類似，但主井眼采用的工具結構并不相同。為保證定向，分支井常采用導向器自帶錨定功能與暫堵封隔器同時錨定，封隔器采用可取式結構設計，后續可以將封隔器與導向器同時起出井口。這種封隔器存在多種問題，錨定性能較差且影響后續開窗，開窗后井筒內雜質沉積容易導致封隔器解封困難，一定程度上限制了分支井的推廣應用。

針對上述問題，研制了分體式自適應分支井主井眼支撐系統。該窗口工具系統以大通徑錨定封隔器作為井下定位、定向基礎，僅需大通徑錨定封隔器一次定向，導向器與錨定封隔器自適應定向，后續開窗側鉆、分支井眼管柱下入、主井眼連接器及分支井眼連接器對接等作業均井下自旋轉完成，同時也不需要井口多次旋轉定向，定向更加精準，懸掛能力更強，作業方便、快捷、可靠［5-10］。

薛占峰：分體式自適應分支井主井眼支撐系統研制

1" 支撐系統方案設計

1.1" 工具結構

分體式自適應分支井主井眼支撐系統主要由大通徑錨定封隔器、送入工具、可取式鉆井導向器及打撈鉤等組成。圖1為大通徑錨定封隔器及配套送入工具結構圖。

1.1.1" 大通徑錨定封隔器及送入工具

大通徑錨定封隔器是分支井主井眼支撐系統定位、定向的關鍵工具。大通徑錨定封隔器結構如圖2所示，主要由定向回接筒、錨定機構、密封機構等組成配套送入工具，封隔器在坐掛、坐封后具備軸向雙向錨定和周向承扭功能，同時錨定封隔器內部大通徑設計可實現主井眼有效聯通。

封隔器送入工具用于封隔器的送入、坐封及丟手，采用機械、液壓雙作用丟手，并具有防提前坐封機構，可滿足封隔器的安全下入。防提前坐掛機構位于封隔器和送入工具連接處，初始狀態下該機構支撐送入工具與封隔器單元，封隔器回接筒與送入工具同步動作，如果出現遇阻等異常情況，封隔器不會提前動作，到達目的位置后，管內憋壓，送入工具液缸可推動該機構使保護銷釘剪斷，支撐擋塊回收，失去支撐作用，送入工具與回接筒可正常動作，完成封隔器坐封，如圖3所示。

定向回接筒與配套定向插頭采用螺旋定向設計，如圖4所示。可為后續開窗側鉆、主井眼連接器下入、分支井眼管柱導入、分支井眼連接器與主井眼連接器井下對接及井眼選擇性重入等作業提供定位、定向基礎。

1.1.2" 可取式鉆井導向器及鉤式打撈器

通過對國內外分支井鉆井、完井技術研究，可回收斜向器是分支井鉆井的關鍵技術工具，對分支井的鉆井、完井起著至關重要的作用。它在分支點處導引鉆頭或復式銑錐等工具進行方向性的套管側向磨銑，套管磨銑成功后再導引鉆頭按預定方向進行分支井眼的鉆進。

可回收式斜向器由凹面本體和回接插頭等部分組成，如圖5所示。當分支井眼斜向器和插頭一起插入封隔器本體時，會在下壓力和螺旋導軌的共同作用下自動旋轉，并將導向器的開口和懸掛器本體的開口對齊，回接插頭與封隔器鎖緊。開窗后，如需將斜向器提出，可下入打撈鉤打撈斜向器。斜向器斜面采用弧面設計，有利于打撈鉤順利進入斜向器打撈槽。

鉤式打撈器的打撈槽采用長條式設計，如圖6所示。槽頂為大斜面，打撈后打撈鉤上提卡住打撈槽的斜面，防止滑脫。如果回收失敗，下入不同結構的磨鞋或銑鞋磨銑掉斜向器。

1.2" 工作原理

當需要側鉆分支井眼時，下入大通徑錨定封隔器及陀螺儀，通過陀螺儀對錨定封隔器的定向回接筒進行定向，坐掛、坐封錨定封隔器。下入可取式斜向器，斜向器的定向插頭插入錨定封隔器的定向回接筒內，通過定向機構自主旋轉定向，使得斜向器對準開窗方向，下入開窗工具進行開窗作業。當鉆完分支井眼后，采用鉤式打撈器打撈導向器，將可取式導向器打撈出井口。圖7為鉤式打撈器打撈導向器原理圖。

1.3" 技術參數

立足于鄂爾多斯盆地致密儲層雙分支水平井完井技術需求，設計開發了177.8 mm×114.3 mm自旋轉懸掛分支井窗口工具系統。技術參數如下：大通徑錨定封隔器內通徑101.6 mm，封隔能力35 MPa，錨定能力700 kN，承扭能力10 kN·m；可取式鉆井導向器開窗角度為3°，與錨定封隔器丟手載荷為100 kN。

2" 關鍵部件設計及分析

錨定封隔器作為井下定位、定向基礎，技術關鍵在于如何具備穩定的錨定及承扭性能。常規卡瓦錨定方式只能實現軸向錨定，在承受較大扭矩時，卡瓦易與本體之間發生相對轉動造成錨定失效。因此，針對錨定封隔器的錨定、承扭需求，采用了雙排內嵌式卡瓦設計（見圖8）。雙排卡瓦設計可以承受雙向拉壓載荷，實現雙向錨定；卡瓦牙除了保持橫向排布，也增加了豎向排布，這樣使得卡瓦在具備軸向錨定能力的同時，也具備了周向錨定的能力，配合卡瓦內嵌式設計，使得錨定封隔器同時具備了防竄和承扭能力。

建立卡瓦有限元計算模型，分析卡瓦在承載和承扭狀態下的應力情況。圖9為錨定封隔器軸向承載700 kN且同時施加10 kN·m扭轉載荷后的卡瓦應力云圖。由圖9可知，除卡瓦牙尖端存在應力集中（應力值超過42CrMo材料屈服強度）外，卡瓦牙其余部位應力均在材料屈服強度內，滿足錨定和承扭需求。

3" 地面性能測試

3.1" 大通徑錨定封隔器錨定、密封及承扭性能測試

將177.8 mm×114.3 mm大通徑錨定封隔器放置于177.8 mm試驗套管內，試驗套管內徑159.7 mm。通過專用坐封工具加壓20 MPa坐掛、坐封大通徑錨定封隔器。在試驗套管兩端先后加壓80 MPa，穩壓30 min，測試大通徑錨定封隔器的封隔及錨定能力，試驗結構如圖10所示。試驗結果表明，大通徑錨定封隔器兩端封隔能力均可達到70 MPa，且大通徑錨定封隔器相對試驗套管位置未發生變化，軸向承受載荷為1 200 kN，具備穩定的雙向錨定性能，錨定能力滿足設計需求。

將試驗套管及大通徑錨定封隔器整體放置在上扣機上。上扣機一端夾緊試驗套管，一端夾緊大通徑錨定封隔器上端的定向回接筒，施加扭轉載荷，測試大通徑錨定封隔器坐封后的承扭能力。試驗結果表明，施加扭矩為10 kN·m，維持時間15 min，定向回接筒與試驗套管未發生相對轉動，大通徑錨定封隔器具有穩定的承扭性能，坐封后的承扭能力滿足設計需求［11-13］。

3.2" 封隔器、導向器自旋轉對接性能測試

將大通徑封隔器坐封在試驗套管內，將試驗套管放入試驗井筒并進行鎖定，將回接插頭和斜向器連接，下壓插入封隔器回接筒內，回接插頭與封隔器定向鎖緊，下入打撈鉤進入斜向器打撈槽，上提起出斜向器。通過試驗發現，斜向器插頭不管以何種角度進入都可以自動調整角度，順利與封隔器鎖定。建立分支井窗口支撐系統，打撈鉤入井后無需調整，上提后自動與鉆井導向器內的導引槽鎖定，順利從錨定封隔器脫離出來。可取式導向器正常插入載荷6～10 kN，最大載荷發生在與大通徑錨定封隔器旋轉定向時，此時插入載荷12 kN。繼續加載500 kN，窗口支撐系統的機械支撐效果保持完好［14-15］。

4" 結" 論

（1）大通徑錨定封隔器雙向錨定能力1 200 kN，環空封隔能力80 MPa，坐封后承扭能力10 kN·m，為分支井開窗側鉆、分支井眼管柱下入及懸掛等作業提供了穩定的井下定位、定向基礎。

（2）可取式鉆井導向器與定向插頭可實現對大通徑錨定封隔器的定向鎖定。鉤式打撈器可實現導向器的定向鎖定，鎖定后上提順利完成導向器的丟手。

（3）分支井主井眼支撐系統通過多次自旋轉定向、定位，實現了分支井窗口工具在井下的自主安裝，大幅簡化了地面操作工序，施工效率高，作業簡單可靠。

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薛占峰，研究員，生于1987年，2011年畢業于中國石油大學（華東），現從事井下工具研發工作。地址：（100101）北京市昌平區。email：xuezf.sripe@sinopec.com。2024-05-25王剛慶