




















摘要:四級(jí)及以下級(jí)別的分支完井系統(tǒng)不具備分支窗口密封能力,分支的窗口處出水或某一個(gè)分支出水,將嚴(yán)重影響整個(gè)油氣井的采收率,并且后期的處理難度大,難以實(shí)現(xiàn)油氣井經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)。針對(duì)上述問(wèn)題,研發(fā)了基于壁鉤式懸掛器的五級(jí)分支系統(tǒng),包括了Y型雙管轉(zhuǎn)換器裝置、雙密封裝置及自換向的密封插頭等。通過(guò)雙密封裝置與壁鉤式懸掛器配合,分別回接于兩個(gè)分支的完井管柱上,實(shí)現(xiàn)窗口處的整體密封。后期通過(guò)下入專用的重入工具與Y型雙管轉(zhuǎn)換器裝置配合,實(shí)現(xiàn)分支的重入處理。采用有限元分析軟件對(duì)核心部件在多種工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了分析,零部件均沒(méi)有整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行雙密封裝置與壁鉤懸掛器的模擬對(duì)接測(cè)試,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性,研究成果可為分支井技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。
關(guān)鍵詞:五級(jí)分支系統(tǒng);Y型雙管轉(zhuǎn)換器裝置;雙密封裝置;分支重入
中圖分類號(hào):TE952 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(gè)主井眼(直井、定向井、水平井)側(cè)鉆出兩個(gè)或兩個(gè)以上進(jìn)入油(氣)藏的分支井眼,該技術(shù)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(yè)巖氣等均有很好的適用性,是實(shí)現(xiàn)低品位油氣藏效益開(kāi)發(fā)的有效技術(shù)手段[1-8]。與常規(guī)側(cè)鉆井、水平井技術(shù)不同,分支井的技術(shù)難點(diǎn)在于其較為復(fù)雜的完井作業(yè),分支井完井是整個(gè)分支井實(shí)施成敗的關(guān)鍵[9-10]。國(guó)際上將分支井完井技術(shù)分為六個(gè)等級(jí),分級(jí)的依據(jù)體現(xiàn)在窗口支撐、密封及井眼重入三個(gè)方面。目前國(guó)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(tǒng),其中以貝克休斯的壁鉤式懸掛器分支系統(tǒng)最具代表性[11-12]。
四級(jí)及以下級(jí)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(gè)分支出水,則將嚴(yán)重影響整個(gè)油氣井的采收率;并且后期處理難度大,需要進(jìn)行二次完井,難以實(shí)現(xiàn)油氣井經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)[13-15]。而五級(jí)以上的分支完井技術(shù)可實(shí)現(xiàn)窗口處的壓力密封,避免上述問(wèn)題。本文研制了一種五級(jí)分支系統(tǒng),通過(guò)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(gè)分支的完井管柱上,實(shí)現(xiàn)窗口處的整體密封,從而充分發(fā)揮分支井完井的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
1 基于壁鉤式懸掛器的五級(jí)分支系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1 工作原理
本設(shè)計(jì)通過(guò)在壁鉤式懸掛器內(nèi)部結(jié)合特定的工具系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從三、四級(jí)分支技術(shù)向五級(jí)分支技術(shù)的升級(jí),同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分支的連接、密封和選擇性重入。五級(jí)分支窗口工具的工作原理如圖1所示。
圖1a為三、四級(jí)分支完井的狀態(tài),壁鉤式懸掛器已經(jīng)坐掛在窗口處,且主井眼及分支井眼已經(jīng)完整下入完井管柱,壁鉤懸掛器的開(kāi)窗正對(duì)著主井眼,兩個(gè)井眼的完井管柱頂部均配置有回接筒,此時(shí)雖然實(shí)現(xiàn)了分支窗口處的機(jī)械支撐,但是窗口處地層無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封(即使分支固井也會(huì)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(gè)井眼的開(kāi)發(fā)。
圖1b為五級(jí)分支窗口工具,上部為Y型雙管轉(zhuǎn)換器裝置,下部通過(guò)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(jí)分支窗口工具系統(tǒng)下入到壁鉤式懸掛器本體內(nèi)的狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)是通過(guò)油管或套管下放整個(gè)五級(jí)窗口工具系統(tǒng),雙密封裝置本體下端有導(dǎo)向特征,與壁鉤式懸掛器本體相應(yīng)的導(dǎo)向特征配合,可使雙密封裝置本體預(yù)開(kāi)窗口與壁鉤式懸掛器本體的預(yù)開(kāi)窗口對(duì)齊,繼續(xù)下放可使雙密封裝置的兩個(gè)分支分別進(jìn)入主井眼及分支井眼,并且與兩個(gè)井眼的完井管柱完成回接。由于除了密封回接處之外,整個(gè)管柱其余的連接均為標(biāo)準(zhǔn)的油套管螺紋,因此保證了整個(gè)窗口處的完井管柱處于密封狀態(tài)。后期如果想分別對(duì)兩個(gè)分支進(jìn)行干預(yù),則分別下入相應(yīng)的重入工具進(jìn)入到Y(jié)型雙管轉(zhuǎn)換器裝置,即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分支的分別進(jìn)入。
1.2 工具結(jié)構(gòu)
根據(jù)五級(jí)分支井的工作原理,完成了五級(jí)分支井的整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),包括雙密封裝置、Y型雙管轉(zhuǎn)換器、自換向密封插頭等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1.2.1 雙密封裝置
圖2為雙密封裝置結(jié)構(gòu)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(dǎo)向插頭、導(dǎo)向斜面、分支井眼鎖定單元組成。該裝置本體下端設(shè)計(jì)了導(dǎo)向斜面,同時(shí)壁鉤式懸掛器內(nèi)部也設(shè)計(jì)了配合的導(dǎo)向斜面,如圖3所示,兩者相互配合實(shí)現(xiàn)壁鉤式懸掛器本體窗口與雙密封裝置本體窗口的對(duì)齊,對(duì)齊后的狀態(tài)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(guò)分支井眼鎖定單元鎖定,到位時(shí)壁鉤式懸掛器突出肋部分頂開(kāi)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(wú)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(xù)下放至導(dǎo)向斜面位置,通過(guò)導(dǎo)向斜面將主井眼送入導(dǎo)向至主井眼,可完成后續(xù)的主井眼回接等作業(yè)。
1.2.2 "Y型雙管轉(zhuǎn)換裝置器與重入工具
圖6a為Y型雙管轉(zhuǎn)換器裝置結(jié)構(gòu)示意圖,該模塊連接在引導(dǎo)連接送入裝置模塊上端,內(nèi)部有導(dǎo)向斜面,后續(xù)可與重入工具配合,實(shí)現(xiàn)分支的分別進(jìn)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(shí)現(xiàn)丟手。
圖7a為打撈工具結(jié)構(gòu),包括打撈爪、芯軸、彈簧等部件。打撈過(guò)程比較簡(jiǎn)單,僅需要下壓一定噸位,保證打撈爪完全進(jìn)入重入工具的凹槽內(nèi),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(dāng)前端的密封插頭遇阻且無(wú)法通過(guò)遇阻點(diǎn),則會(huì)造成回接失敗。主井眼管串回接時(shí),由于導(dǎo)向斜面的導(dǎo)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(shè)計(jì)了在常規(guī)密封插頭的基礎(chǔ)上,在前端導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)了換向機(jī)構(gòu),當(dāng)插頭遇阻時(shí),導(dǎo)引頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)90 °,反復(fù)上提下放將插頭導(dǎo)引頭的大倒角對(duì)準(zhǔn)遇阻點(diǎn),可順利通過(guò)遇阻點(diǎn),從而保障回接密封的可靠性。
2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析
五級(jí)分支窗口工具多為長(zhǎng)薄零件,通過(guò)理論計(jì)算校核其強(qiáng)度較為困難,本文采用有限元分析方法,對(duì)承受載荷的主要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。五級(jí)分支窗口工具均采用42CrMo材質(zhì),其調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)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(shè)計(jì)及強(qiáng)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(jié)合時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷,與壁鉤懸掛器窗口對(duì)齊過(guò)程中的彎曲載荷以及彈性肋送入及提出過(guò)程中部承受的徑向位移載荷。因此需要針對(duì)上述工況進(jìn)行相應(yīng)的受力分析。
2.1.1 雙密封裝置本體彎曲計(jì)算
根據(jù)實(shí)際的情況,雙密封裝置本體需要與壁鉤懸掛器內(nèi)部結(jié)合,整體產(chǎn)生2 °的彎曲,根據(jù)本體長(zhǎng)度(7 356 mm)可計(jì)算,此時(shí)下端產(chǎn)生的位移為245 mm,將此位移施加與本體下端,計(jì)算如圖10所示。由于施加約束和位移的位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中,因此最大應(yīng)力達(dá)到了2 000 MPa,根據(jù)工具的實(shí)際使用情況,重點(diǎn)需要觀察窗口處的應(yīng)力狀態(tài),根據(jù)檢查窗口處,窗口的上端產(chǎn)生了約1 000 ~1 166 MPa的應(yīng)力,超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度,對(duì)比窗口產(chǎn)生的應(yīng)變,變形量在4.8 ~6.4 mm之間,判斷此處出現(xiàn)了永久塑性變形。查看窗口的其他部分的應(yīng)力應(yīng)變均很小。雙密封裝置本體與壁鉤懸掛器本體結(jié)合后,窗口上端雙側(cè)出現(xiàn)塑性變形,范圍較小,而窗口整體無(wú)失穩(wěn)性破壞,滿足設(shè)計(jì)的要求。
2.1.2 雙密封裝置本體扭轉(zhuǎn)計(jì)算
本體與壁鉤懸掛器本體結(jié)合時(shí)自動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),使得本體與壁鉤懸掛器本體的開(kāi)窗口對(duì)齊,滿足主、分支進(jìn)入的要求。由于本體是長(zhǎng)薄件,在導(dǎo)向扭轉(zhuǎn)過(guò)程中可能由于摩擦力的作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形使得窗口無(wú)法對(duì)齊,因此需要校核在摩擦力作用下本體的扭轉(zhuǎn)變形的程度,以判斷是否影響窗口的對(duì)齊程度。扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的摩擦力約為7.5 kN(本體下端導(dǎo)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(shù)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(jīng)計(jì)算, 如圖11所示,最大應(yīng)力約為612.6 MPa,本體的最大轉(zhuǎn)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(fù),不會(huì)產(chǎn)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(duì)齊,不會(huì)影響窗口尺寸。
1.3 雙密封裝置本體導(dǎo)向肋受力計(jì)算
本體在插入過(guò)程中導(dǎo)向肋發(fā)生變形,導(dǎo)向肋的兩端固定,需要計(jì)算肋部的最大應(yīng)力及應(yīng)變。零件凸起外徑為177 mm,在提出過(guò)程中,需要將肋部變?yōu)?71 mm才可提出。經(jīng)計(jì)算,如圖12所示,最大應(yīng)力為611 MPa,未超過(guò)材料的屈服極限861 MPa,導(dǎo)向肋未發(fā)生塑性永久變形,符合設(shè)計(jì)的要求。
2.2 重入工具受力分析
重入工具與Y型雙管轉(zhuǎn)換器裝置配合使用,圖13a為重入工具丟手后的示意圖,當(dāng)有重入管串進(jìn)入重入工具時(shí),會(huì)對(duì)重入工具下端的重入導(dǎo)向器產(chǎn)生軸向的力F1,此力最終作用于重入工具本體。當(dāng)管柱通過(guò)重入導(dǎo)向器后,又會(huì)對(duì)其徑向方向產(chǎn)生位移S1,同樣會(huì)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(yīng)力及變形情況。重入工具的彈性肋在送入及提出過(guò)程中會(huì)受到徑向的擠壓從而導(dǎo)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(jì)算
圖14為重入工具導(dǎo)向筒受軸向力10 kN后的受力情況,導(dǎo)向斜面處施加固定約束,下端面施加作用力。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,最大應(yīng)力為208.5 MPa,最大變形為1 mm,最大應(yīng)力及變形的位置處于導(dǎo)線筒中部的沖洗過(guò)流孔處,其他位置的應(yīng)力及變形較小。
圖15為重入工具導(dǎo)向筒受徑向位移23 mm后的應(yīng)力情況(23 mm變形后與外面的雙管轉(zhuǎn)換器本體接觸,不再產(chǎn)生變形),導(dǎo)向斜面處施加固定約束,下端面施加位移。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,最大應(yīng)力為493.9 MPa,最大變形為2.5 mm,最大應(yīng)力及變形的位置處于導(dǎo)線筒中部的沖洗過(guò)流孔處,其他位置除了開(kāi)窗的邊緣處,應(yīng)力及變形較小。根據(jù)導(dǎo)向筒下端軸向向下和向徑向方向的受力工況,將兩組計(jì)算結(jié)果進(jìn)行累加,再進(jìn)入導(dǎo)向筒下端受軸向力10 kN,且受徑向位移23 mm后,最大應(yīng)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(jì)算
圖16為重入工具彈性肋受徑向位移4.5 mm后的應(yīng)力情況(4.5 mm變形后彈性肋可從雙管轉(zhuǎn)換器上接頭槽內(nèi)出來(lái))。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,最大應(yīng)力達(dá)到了779 MPa,對(duì)肋處進(jìn)行剖切分析,最大應(yīng)力集中在了肋的根部的極小區(qū)域,而肋處最大應(yīng)力為433~519 MPa之間,屬于彈性應(yīng)變范圍,所以彈性肋在進(jìn)入和提出槽的過(guò)程中可以保持很好的彈性,滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)提取肋處的支反力可知,將每個(gè)肋下壓4.5 mm需要203 N的力,通過(guò)分力折算提出彈性肋(周向分布10個(gè)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(guò)程中打撈爪插入到導(dǎo)向器打撈槽內(nèi),上提進(jìn)行打撈。上面計(jì)算導(dǎo)向筒需約為35 kN的力可從槽內(nèi)提出,因此需要計(jì)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(shù)約50 kN的上提力進(jìn)行強(qiáng)度校核。
圖17為打撈工具打撈爪的抗拉受力云圖,測(cè)試了50 kN上提力的情況下打撈爪的應(yīng)力情況。最大應(yīng)力僅為46.8 MPa,最大變形僅為0.36 mm,計(jì)算結(jié)果表明打撈爪在上提作業(yè)過(guò)程中可靠性較高,符合設(shè)計(jì)要求。
圖18為打撈爪彈性肋回縮4 mm(從槽內(nèi)脫出)的應(yīng)力情況,最大應(yīng)力為1 368 MPa,考慮到此應(yīng)力發(fā)生處為施加位移載荷的位置,應(yīng)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(yīng)力在456~608 MPa之間,小于材料的屈服應(yīng)力861 MPa,因此打撈爪回收后仍可保持彈性狀態(tài),滿足設(shè)計(jì)要求。
3 模擬對(duì)接試驗(yàn)
3.1 試驗(yàn)井筒準(zhǔn)備
分支井模擬試驗(yàn)井筒現(xiàn)場(chǎng)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(jié)進(jìn)行連接,如圖20a所示,將壁勾調(diào)整到正對(duì)開(kāi)窗的位置。繼續(xù)將壁勾懸掛器單元插入井筒內(nèi),直至顯示遇阻為止,繼續(xù)下壓一定噸位,確定管柱不繼續(xù)下行,此時(shí)壁勾掛住窗口,下入完成的狀態(tài)如圖20b所示。
3.3 雙密封裝置與壁鉤懸掛器對(duì)接
將組裝好的雙密封裝置插入壁鉤懸掛器內(nèi)(如圖21a所示)。繼續(xù)推動(dòng)雙管向里行進(jìn),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(shí)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(shí)現(xiàn)了雙密封裝置與壁鉤懸掛器對(duì)接及雙分支管柱的安裝,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。
4 結(jié)論
1) 設(shè)計(jì)了Y型雙管轉(zhuǎn)換器裝置、雙密封裝置及自換向密封插頭等裝置,通過(guò)與壁鉤式懸掛器結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了雙分支連接、密封和選擇性重入等功能,形成了五級(jí)分支井工具系統(tǒng)。
2) 采用有限元分析對(duì)各種工況下核心部件進(jìn)行了強(qiáng)度分析校核,零部件均沒(méi)有整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。
3) 進(jìn)行了雙密封裝置與壁鉤懸掛器的地面對(duì)接測(cè)試,雙管密封裝置與壁鉤懸掛器對(duì)接動(dòng)作順利,雙管可分別進(jìn)入兩個(gè)分支實(shí)現(xiàn)回接。
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