劉兆年 ，王 彬 ，柴龍順 ，武廣璦 ，陳 杰 ，陳立偉

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100027；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300450)

渤海海域油氣田進(jìn)入大規(guī)模調(diào)整開發(fā)階段，調(diào)整井的實(shí)施與平臺槽口緊張的矛盾日益突出。分支井技術(shù)是在保留老井眼的基礎(chǔ)上，開窗側(cè)鉆新井眼，有效提升油氣井與儲層的連通性，擴(kuò)大泄油面積，改善油流動態(tài)剖面，增加單井產(chǎn)能[1-7]，是解決該問題的技術(shù)途徑之一。渤海海域曹妃甸11-1油田采用TAML4級分支井技術(shù)已完成3口井作業(yè)，日增油200 m3，控水增產(chǎn)效果良好[8-9]，有效解決了老井低產(chǎn)、剩余油挖潛難題，為渤海油田中后期調(diào)整提供了新的思路。

1 技術(shù)分析

對于分支井多級完井(TAML4級及以上)工藝，要求分支井眼與主井眼的窗口連接處具備機(jī)械完整性，以解決開窗窗口不穩(wěn)定和側(cè)鉆位置出砂、出泥等問題；同時，要求具備有效密封性，盡可能降低各個井眼的干擾，滿足分采要求。目前國內(nèi)外分支井眼與主井眼的連通形式主要有空心斜向器、套銑重合段、預(yù)開窗尾管3種連通技術(shù)[10-12]，如圖1所示。

圖1 分支井眼與主井眼連通方式

1) 空心斜向器連通技術(shù)。通過空心斜向器引導(dǎo)鉆具完成主井筒套管的開窗側(cè)鉆及分支井眼的完井作業(yè)，待分支井眼完井結(jié)束后，采用定向射孔或磨銑的方式打通空心斜向器，實(shí)現(xiàn)主井眼與分支井眼的有效連通[13]。

2) 套銑重合段連通技術(shù)。待分支井眼側(cè)鉆完成后，下入尾管柱對分支井眼進(jìn)行固井作業(yè)，最后下入專門的磨銑工具將主分支井眼重合段套管磨銑掉，從而實(shí)現(xiàn)主井眼與分支井眼連通。

3) 預(yù)開窗尾管連通技術(shù)。在分支井眼側(cè)鉆結(jié)束后，下入尾管柱對分支井眼進(jìn)行固井，尾管柱上部包含有預(yù)開窗的懸掛系統(tǒng)，懸掛于主井眼套管的側(cè)鉆窗口處，通過尾管懸掛系統(tǒng)中的預(yù)開孔實(shí)現(xiàn)分支井眼與主井眼連通。

以上3種技術(shù)均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對于空心斜向器技術(shù)，操作簡單，但是主井眼無法重入；套銑重合段技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)主井眼和分支井眼的重入，但是工作量較大，且套銑后，無法滿足分支井眼與主井眼連接處的機(jī)械完整性；預(yù)開窗尾管連通技術(shù)工具系統(tǒng)復(fù)雜，但是具有較好的機(jī)械完整性，且可滿足TAML4級及以上的多分支井完井工藝，是目前分支井多級完井較為主流的工藝手段[14]。

壁鉤式懸掛系統(tǒng)采用預(yù)開窗尾管連通技術(shù)，是近年來國際上分支井采用較多的一種完井系統(tǒng)。該系統(tǒng)頂部設(shè)置依靠壁鉤懸掛的窗口連接器，其側(cè)壁上開有預(yù)留通孔，通孔底端連接懸掛機(jī)構(gòu)，在完井管柱進(jìn)入分支井眼后，壁鉤式懸掛系統(tǒng)頂部的窗口連接器懸掛于分支點(diǎn)處，預(yù)留通孔剛好與下部井眼對正，從而實(shí)現(xiàn)主井眼和分支井眼的連通。同時，分支井眼采取注水泥對分支點(diǎn)處的環(huán)空進(jìn)行封隔，實(shí)現(xiàn)分支點(diǎn)處的水力密封。目前，技術(shù)發(fā)展較快且應(yīng)用較廣泛的貝克休斯HOOKTM分支井系統(tǒng)即采用這種連通方式，如圖2所示。

圖2 壁鉤式懸掛系統(tǒng)

現(xiàn)有的壁鉤式懸掛系統(tǒng)主要采用下部懸掛管柱前端的彎接頭引導(dǎo)而進(jìn)入分支井眼，并通過壁鉤等懸掛于套管窗口底部。存在的風(fēng)險(xiǎn)在于分支井管柱前端的彎接頭長度、角度、偏移量較大，導(dǎo)致分支井管柱在分支井眼中下放時產(chǎn)生較大的摩阻，分支井管柱不易下放到位；且彎接頭在井下方位未知，需要多次反復(fù)旋轉(zhuǎn)管柱才能進(jìn)入分支井眼。另外，壁鉤懸掛式的窗口連接器要求套管窗口形狀規(guī)則、無毛刺，才可順利坐掛到位，對開窗工藝要求較高。

2 新型窗口連接技術(shù)及連接器結(jié)構(gòu)

針對上述問題，設(shè)計(jì)一種新型的窗口連接器，依靠空心斜向器進(jìn)行導(dǎo)向和懸掛，結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強(qiáng)。

斜向器通常在分支井眼側(cè)鉆過程中被使用，通過斜面引導(dǎo)銑錐、鉆頭完成對套管的開窗和分支井眼的側(cè)鉆。有一種可回接空心斜向器，頂部內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置螺旋式導(dǎo)向槽，可用于定位和懸掛窗口連接器。本文所設(shè)計(jì)的窗口連接器需要同該空心斜向器配合，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)分支井眼管柱快速進(jìn)入，并方便窗口連接器的定位和懸掛。

該套新型的窗口連接器(如圖3所示)整體為中空結(jié)構(gòu)，下部連接分支井眼管柱，分支井眼管柱在空心斜向器斜面的引導(dǎo)下快速進(jìn)入分支井眼；中間一側(cè)預(yù)設(shè)窗口對應(yīng)主井眼，實(shí)現(xiàn)主、分支井眼連通；頂部外側(cè)設(shè)置螺旋凸臺，用于同空心斜向器內(nèi)側(cè)的螺旋式導(dǎo)向槽配合，實(shí)現(xiàn)連接器徑向定位和懸掛，并滿足連接器窗口與套管開窗窗口完全對應(yīng)(如圖4所示)；窗口連接器底部內(nèi)側(cè)設(shè)置螺旋凸臺，用于該工具與內(nèi)部配合工具的定位，利于后續(xù)主、分支井眼重入。

圖3 窗口連接器示意圖

圖4 窗口連接器在開窗套管中下放到位的示意圖

依靠以上技術(shù)，分支井眼管柱能夠快速進(jìn)入分支井眼，避免使用彎接頭引導(dǎo)分支井眼管柱存在的諸多弊端，提高現(xiàn)場作業(yè)效率和成功率，窗口連接器定位和懸掛于空心斜向器，操作更加簡單、快捷。

3 窗口連接器強(qiáng)度校核

實(shí)際作業(yè)過程中，窗口連接器底部進(jìn)入分支井眼內(nèi)，頂部位于主井眼中，受主、分支井眼井身軌跡的限制，工具底部會發(fā)生一定程度的撓性變形，具體為窗口連接器背離套管窗口一側(cè)受拉、另一側(cè)為受壓。

窗口連接器材質(zhì)為42CrMo，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 窗口連接器材質(zhì)42CrMo力學(xué)性能參數(shù)

3.1 撓性變形強(qiáng)度模擬校核

利用Solidworks軟件建立模型，如圖5所示。固定窗口連接器頂端，底部施加載荷力和偏移量(偏移量為266 mm，如圖6)，分析得到窗口連接器下放到位后的受力云圖。

圖5 窗口連接器三維模型

圖6 添加應(yīng)力及偏移量的窗口連接器三維模型

通過模擬計(jì)算(如圖7)可知，當(dāng)連接器最大撓性形變?yōu)?66 mm時，窗口連接器最大應(yīng)力出現(xiàn)在窗口連接器中上部(在窗口連接器預(yù)設(shè)窗口上部位置)，應(yīng)力值為690 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度930 MPa。該結(jié)果表明，分支井眼管柱串及窗口連接器下放到位后，不會發(fā)生屈服破壞，窗口連接器所選材質(zhì)及結(jié)構(gòu)滿足需求。

圖7 窗口連接器應(yīng)力云圖

3.2 旋轉(zhuǎn)模擬校核

利用ANSYS有限元軟件建立窗口連接器模型(如圖8所示)，整體有限元網(wǎng)格劃分尺寸為10 mm，采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對有限元模型加載下壓力和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行靜強(qiáng)度和屈曲校核。

工況條件如表2所示，窗口連接器頂端施加全約束，另外底端加載轉(zhuǎn)矩或者下壓載荷。采用材料的屈服強(qiáng)度對窗口連接器進(jìn)行強(qiáng)度評估，如果計(jì)算應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，則結(jié)構(gòu)沒有破壞；否則，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

表2 工況條件

通過模擬結(jié)果(如圖9)可知，在窗口連接器受壓縮和旋轉(zhuǎn)載荷(下壓力為100 kN、轉(zhuǎn)矩為10 kN·m)工況下，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在窗口連接器底部位置，應(yīng)力值為267.5 MPa，小于材料最大屈服強(qiáng)度930 MPa，設(shè)計(jì)滿足需求。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，一階屈曲因子為1.53(如圖10所示)，穩(wěn)定性滿足需求。

圖9 下壓旋轉(zhuǎn)計(jì)算應(yīng)力云圖

圖10 下壓旋轉(zhuǎn)計(jì)算屈服因子云圖

4 地面模擬測試

4.1 撓性變形地面測試

為驗(yàn)證撓性變形模擬計(jì)算結(jié)果，針對窗口連接器進(jìn)行地面模擬測試。首先將開窗套管及導(dǎo)斜裝置固定，其次將窗口連接器從開窗套管頂部送入，給予下壓載荷，直至到位，觀察是否發(fā)生損壞。

1) 試驗(yàn)程序。

圖11 窗口連接器撓性變形地面測試

上提窗口連接器至開窗套管以上，觀察連接器是否恢復(fù)至自由狀態(tài)。

2) 試驗(yàn)結(jié)果。

經(jīng)過試驗(yàn)實(shí)測，最大撓性形變量發(fā)生在連接器底部，為266 mm；窗口連接器在?244.475 mm(9英寸)開窗套管中下入時最大遇阻力30 kN，下壓后，可以順利下放到位；試驗(yàn)結(jié)束后，起出窗口連接器，未發(fā)現(xiàn)有塑性變形，試驗(yàn)結(jié)果符合三維模擬計(jì)算值。

4.2 下放模擬測試

為了驗(yàn)證連接器強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足作業(yè)要求，在試驗(yàn)井井口進(jìn)行窗口連接器下放測試(如圖12所示)，測量連接器外部定位螺旋凸臺與外部導(dǎo)向器(空心斜向器)的配合及下放時的遇阻力。

圖12 窗口連接器下放測試

1) 試驗(yàn)程序。

利用固定銷固定外部導(dǎo)向器(空心斜向器，導(dǎo)斜面2.5°)于?244.475 mm(9英寸)開窗套管內(nèi)部；將組裝完成的開窗套管(內(nèi)含帶螺旋定位臺階的空心斜向器)通過法蘭垂直懸掛于模擬井口；利用頂驅(qū)下放試驗(yàn)管柱至?244.475 mm(9英寸)開窗套管中，管柱結(jié)構(gòu)從上至下為：?127 mm(5英寸)鉆桿+變扣+窗口連接器+引鞋；觀察窗口連接器標(biāo)記線，直至窗口連接器下放到位；在管柱上做好方位標(biāo)記(窗口連接器下放到位時的方位為0°)；上提管柱，直至窗口連接器出?244.475 mm(9英寸)開窗套管，從0°方位依次順時針旋轉(zhuǎn)管柱45、90、135、180°，在各個方位角度下，分別進(jìn)行窗口連接器下放試驗(yàn)；試驗(yàn)過程中，記錄各個方位角度下的下壓力、上提摩阻力。

2) 試驗(yàn)結(jié)果。

窗口連接器順時針旋轉(zhuǎn)45°時，下壓最大遇阻力30 kN、上提最大遇阻力20 kN；窗口連接器順時針旋轉(zhuǎn)至90、135、180°時，下壓最大遇阻力60 kN±3 kN，上提最大遇阻力20 kN±2 kN，窗口連接器在任意方位均能進(jìn)入開窗套管，并于空心斜向器頂部實(shí)現(xiàn)定位。

試驗(yàn)結(jié)果表明，各個方位角度的下壓載荷均小于100 kN，結(jié)合三維模擬結(jié)果表明，在該下壓載荷下，連接器不會發(fā)生破壞，試驗(yàn)過程中也未發(fā)現(xiàn)有屈服變形。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的窗口連接器頂部設(shè)置定位螺旋凸臺，同空心斜向器配合，可以實(shí)現(xiàn)窗口連接器下部管柱快速進(jìn)入分支井眼。窗口連接器定位和懸掛于空心斜向器，操作更加簡單、快捷，提高了作業(yè)成功率及作業(yè)效率。

2) 三維模擬結(jié)果表明， 窗口連接器選材符合要求，當(dāng)窗口連接器最大撓度為266 mm時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在預(yù)設(shè)窗口頂部位置，為690 MPa，未達(dá)到該材料屈服強(qiáng)度；下壓力100 kN、轉(zhuǎn)矩10 kN·m工況下，最大應(yīng)力為267.5 MPa，出現(xiàn)在窗口連接器底部位置，屈曲因子為1.53，材料強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足需求。

3) 撓性變形地面測試表明，窗口連接器可以順利下放到位。試驗(yàn)完畢后連接器未發(fā)生塑性變形，與撓性變形三維模擬計(jì)算結(jié)果一致。

4) 井口下放模擬測試表明，窗口連接器在?244.475 mm(9英寸)套管中下放遇阻最大載荷約60 kN、上提遇阻力最大約20 kN，沿著任意方位角投放均可順利到位，試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)有屈服變形；在45°投放時，下放遇阻力較低，增大方位角度，下放摩阻增加。為了降低下放摩阻及便于到位觀察，建議現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)按照45°的方位角度進(jìn)行投放。