用于分支井多級完井的窗口連接器設計及試驗

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任公司，北京 100027；2.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300450)

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

1 技術分析

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械完整性，以解決開窗窗口不穩定和側鉆位置出砂、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、預開窗尾管3種連通技術[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。通過空心斜向器引導鉆具完成主井筒套管的開窗側鉆及分支井眼的完井作業，待分支井眼完井結束后，采用定向射孔或磨銑的方式打通空心斜向器，實現主井眼與分支井眼的有效連通[13]。

2) 套銑重合段連通技術。待分支井眼側鉆完成后，下入尾管柱對分支井眼進行固井作業，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，從而實現主井眼與分支井眼連通。

3) 預開窗尾管連通技術。在分支井眼側鉆結束后，下入尾管柱對分支井眼進行固井，尾管柱上部包含有預開窗的懸掛系統，懸掛于主井眼套管的側鉆窗口處，通過尾管懸掛系統中的預開孔實現分支井眼與主井眼連通。

以上3種技術均有各自的優缺點，對于空心斜向器技術，操作簡單，但是主井眼無法重入；套銑重合段技術，可以實現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械完整性；預開窗尾管連通技術工具系統復雜，但是具有較好的機械完整性，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]。

壁鉤式懸掛系統采用預開窗尾管連通技術，是近年來國際上分支井采用較多的一種完井系統。該系統頂部設置依靠壁鉤懸掛的窗口連接器，其側壁上開有預留通孔，通孔底端連接懸掛機構，在完井管柱進入分支井眼后，壁鉤式懸掛系統頂部的窗口連接器懸掛于分支點處，預留通孔剛好與下部井眼對正，從而實現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處的環空進行封隔，實現分支點處的水力密封。目前，技術發展較快且應用較廣泛的貝克休斯HOOKTM分支井系統即采用這種連通方式，如圖2所示。

圖2 壁鉤式懸掛系統

現有的壁鉤式懸掛系統主要采用下部懸掛管柱前端的彎接頭引導而進入分支井眼，并通過壁鉤等懸掛于套管窗口底部。存在的風險在于分支井管柱前端的彎接頭長度、角度、偏移量較大，導致分支井管柱在分支井眼中下放時產生較大的摩阻，分支井管柱不易下放到位；且彎接頭在井下方位未知，需要多次反復旋轉管柱才能進入分支井眼。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 新型窗口連接技術及連接器結構

針對上述問題，設計一種新型的窗口連接器，依靠空心斜向器進行導向和懸掛，結構簡單，可操作性強。

斜向器通常在分支井眼側鉆過程中被使用，通過斜面引導銑錐、鉆頭完成對套管的開窗和分支井眼的側鉆。有一種可回接空心斜向器，頂部內側壁上設置螺旋式導向槽，可用于定位和懸掛窗口連接器。本文所設計的窗口連接器需要同該空心斜向器配合，實現引導分支井眼管柱快速進入，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)整體為中空結構，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下快速進入分支井眼；中間一側預設窗口對應主井眼，實現主、分支井眼連通；頂部外側設置螺旋凸臺，用于同空心斜向器內側的螺旋式導向槽配合，實現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(如圖4所示)；窗口連接器底部內側設置螺旋凸臺，用于該工具與內部配合工具的定位，利于后續主、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，分支井眼管柱能夠快速進入分支井眼，避免使用彎接頭引導分支井眼管柱存在的諸多弊端，提高現場作業效率和成功率，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 窗口連接器強度校核

實際作業過程中，窗口連接器底部進入分支井眼內，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受拉、另一側為受壓。

窗口連接器材質為42CrMo，力學性能參數如表1所示。

表1 窗口連接器材質42CrMo力學性能參數

3.1 撓性變形強度模擬校核

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 添加應力及偏移量的窗口連接器三維模型

通過模擬計算(如圖7)可知，當連接器最大撓性形變為266 mm時，窗口連接器最大應力出現在窗口連接器中上部(在窗口連接器預設窗口上部位置)，應力值為690 MPa，小于材料的屈服強度930 MPa。該結果表明，分支井眼管柱串及窗口連接器下放到位后，不會發生屈服破壞，窗口連接器所選材質及結構滿足需求。

圖7 窗口連接器應力云圖

3.2 旋轉模擬校核

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

工況條件如表2所示，窗口連接器頂端施加全約束，另外底端加載轉矩或者下壓載荷。采用材料的屈服強度對窗口連接器進行強度評估，如果計算應力低于材料屈服強度，則結構沒有破壞；否則，結構發生破壞。

表2 工況條件

通過模擬結果(如圖9)可知，在窗口連接器受壓縮和旋轉載荷(下壓力為100 kN、轉矩為10 kN·m)工況下，最大應力位置出現在窗口連接器底部位置，應力值為267.5 MPa，小于材料最大屈服強度930 MPa，設計滿足需求。穩定性計算結果表明，一階屈曲因子為1.53(如圖10所示)，穩定性滿足需求。

圖9 下壓旋轉計算應力云圖

圖10 下壓旋轉計算屈服因子云圖

4 地面模擬測試

4.1 撓性變形地面測試

為驗證撓性變形模擬計算結果，針對窗口連接器進行地面模擬測試。首先將開窗套管及導斜裝置固定，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，觀察是否發生損壞。

1) 試驗程序。

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至自由狀態。

2) 試驗結果。

經過試驗實測，最大撓性形變量發生在連接器底部，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；試驗結束后，起出窗口連接器，未發現有塑性變形，試驗結果符合三維模擬計算值。

4.2 下放模擬測試

為了驗證連接器強度及結構設計是否滿足作業要求，在試驗井井口進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) 試驗程序。

利用固定銷固定外部導向器(空心斜向器，導斜面2.5°)于?244.475 mm(9英寸)開窗套管內部；將組裝完成的開窗套管(內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；利用頂驅下放試驗管柱至?244.475 mm(9英寸)開窗套管中，管柱結構從上至下為：?127 mm(5英寸)鉆桿+變扣+窗口連接器+引鞋；觀察窗口連接器標記線，直至窗口連接器下放到位；在管柱上做好方位標記(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管柱45、90、135、180°，在各個方位角度下，分別進行窗口連接器下放試驗；試驗過程中，記錄各個方位角度下的下壓力、上提摩阻力。

2) 試驗結果。

窗口連接器順時針旋轉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入開窗套管，并于空心斜向器頂部實現定位。

試驗結果表明，各個方位角度的下壓載荷均小于100 kN，結合三維模擬結果表明，在該下壓載荷下，連接器不會發生破壞，試驗過程中也未發現有屈服變形。

5 結論

1) 設計的窗口連接器頂部設置定位螺旋凸臺，同空心斜向器配合，可以實現窗口連接器下部管柱快速進入分支井眼。窗口連接器定位和懸掛于空心斜向器，操作更加簡單、快捷，提高了作業成功率及作業效率。

2) 三維模擬結果表明， 窗口連接器選材符合要求，當窗口連接器最大撓度為266 mm時，最大應力出現在預設窗口頂部位置，為690 MPa，未達到該材料屈服強度；下壓力100 kN、轉矩10 kN·m工況下，最大應力為267.5 MPa，出現在窗口連接器底部位置，屈曲因子為1.53，材料強度及穩定性均滿足需求。

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

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，試驗過程中未發現有屈服變形；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，建議現場實際作業按照45°的方位角度進行投放。