分體式自適應(yīng)分支井主井眼支撐系統(tǒng)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(duì)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(fā)了分體式自適應(yīng)分支井主井眼支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(dǎo)向器可在井下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找正對(duì)接，從而建立牢固的窗口支撐系統(tǒng)，配套打撈鉤具備定向打撈功能；該系統(tǒng)也可為后期井眼選擇性重入及生產(chǎn)提供大通徑機(jī)械通道。對(duì)主井眼窗口支撐系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)支撐系統(tǒng)的錨定、抗扭及自動(dòng)對(duì)接等性能進(jìn)行了測(cè)試。分析及測(cè)試結(jié)果表明：大通徑錨定封隔器雙向錨定能力1 200 kN，環(huán)空封隔能力80 MPa；鉤式打撈器可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向器的定向鎖定。所得結(jié)果可為分支井設(shè)計(jì)及工具選擇提供參考。

分支井；窗口工具；支撐系統(tǒng)；錨定封隔器；自適應(yīng)定向

中圖分類號(hào)：TE925

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)“低滲透油氣藏高效開發(fā)鉆完井技術(shù)”之課題五“高壓低滲油氣藏固井完井技術(shù)”（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(shù)是降低油氣井開發(fā)成本和提高綜合經(jīng)濟(jì)效益的重要手段之一［1-5］。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)，分支井完井成功與否是整個(gè)分支井實(shí)施成敗的關(guān)鍵［6］。分支井窗口工具系統(tǒng)作為分支井完井的技術(shù)關(guān)鍵，其技術(shù)水平體現(xiàn)在窗口支撐、密封及井眼重入3個(gè)方面［7-8］。目前，Weatherford、Halliburton及Baker Hughes等國外多家公司研發(fā)了分支井工具，形成了一系列具有特色和優(yōu)勢(shì)的工藝技術(shù)和配套工具。國內(nèi)從2000年開始，陸續(xù)有研究機(jī)構(gòu)開展分支井鉆完井工具系統(tǒng)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(chǎn)品各具特點(diǎn)，且實(shí)現(xiàn)了一定的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但工具的成熟度還有待提高［1-4］。

雖然分支井工藝技術(shù)類似，但主井眼采用的工具結(jié)構(gòu)并不相同。為保證定向，分支井常采用導(dǎo)向器自帶錨定功能與暫堵封隔器同時(shí)錨定，封隔器采用可取式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，后續(xù)可以將封隔器與導(dǎo)向器同時(shí)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(xù)開窗，開窗后井筒內(nèi)雜質(zhì)沉積容易導(dǎo)致封隔器解封困難，一定程度上限制了分支井的推廣應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，研制了分體式自適應(yīng)分支井主井眼支撐系統(tǒng)。該窗口工具系統(tǒng)以大通徑錨定封隔器作為井下定位、定向基礎(chǔ)，僅需大通徑錨定封隔器一次定向，導(dǎo)向器與錨定封隔器自適應(yīng)定向，后續(xù)開窗側(cè)鉆、分支井眼管柱下入、主井眼連接器及分支井眼連接器對(duì)接等作業(yè)均井下自旋轉(zhuǎn)完成，同時(shí)也不需要井口多次旋轉(zhuǎn)定向，定向更加精準(zhǔn)，懸掛能力更強(qiáng)，作業(yè)方便、快捷、可靠［5-10］。

薛占峰：分體式自適應(yīng)分支井主井眼支撐系統(tǒng)研制

1" 支撐系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1" 工具結(jié)構(gòu)

分體式自適應(yīng)分支井主井眼支撐系統(tǒng)主要由大通徑錨定封隔器、送入工具、可取式鉆井導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(tǒng)定位、定向的關(guān)鍵工具。大通徑錨定封隔器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由定向回接筒、錨定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)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(shí)錨定封隔器內(nèi)部大通徑設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)主井眼有效聯(lián)通。

封隔器送入工具用于封隔器的送入、坐封及丟手，采用機(jī)械、液壓雙作用丟手，并具有防提前坐封機(jī)構(gòu)，可滿足封隔器的安全下入。防提前坐掛機(jī)構(gòu)位于封隔器和送入工具連接處，初始狀態(tài)下該機(jī)構(gòu)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(dòng)作，如果出現(xiàn)遇阻等異常情況，封隔器不會(huì)提前動(dòng)作，到達(dá)目的位置后，管內(nèi)憋壓，送入工具液缸可推動(dòng)該機(jī)構(gòu)使保護(hù)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(dòng)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(shè)計(jì)，如圖4所示。可為后續(xù)開窗側(cè)鉆、主井眼連接器下入、分支井眼管柱導(dǎo)入、分支井眼連接器與主井眼連接器井下對(duì)接及井眼選擇性重入等作業(yè)提供定位、定向基礎(chǔ)。

1.1.2" 可取式鉆井導(dǎo)向器及鉤式打撈器

通過對(duì)國內(nèi)外分支井鉆井、完井技術(shù)研究，可回收斜向器是分支井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)工具，對(duì)分支井的鉆井、完井起著至關(guān)重要的作用。它在分支點(diǎn)處導(dǎo)引鉆頭或復(fù)式銑錐等工具進(jìn)行方向性的套管側(cè)向磨銑，套管磨銑成功后再導(dǎo)引鉆頭按預(yù)定方向進(jìn)行分支井眼的鉆進(jìn)。

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(dāng)分支井眼斜向器和插頭一起插入封隔器本體時(shí)，會(huì)在下壓力和螺旋導(dǎo)軌的共同作用下自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并將導(dǎo)向器的開口和懸掛器本體的開口對(duì)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(shè)計(jì)，有利于打撈鉤順利進(jìn)入斜向器打撈槽。

鉤式打撈器的打撈槽采用長條式設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)的磨鞋或銑鞋磨銑掉斜向器。

1.2" 工作原理

當(dāng)需要側(cè)鉆分支井眼時(shí)，下入大通徑錨定封隔器及陀螺儀，通過陀螺儀對(duì)錨定封隔器的定向回接筒進(jìn)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(nèi)，通過定向機(jī)構(gòu)自主旋轉(zhuǎn)定向，使得斜向器對(duì)準(zhǔn)開窗方向，下入開窗工具進(jìn)行開窗作業(yè)。當(dāng)鉆完分支井眼后，采用鉤式打撈器打撈導(dǎo)向器，將可取式導(dǎo)向器打撈出井口。圖7為鉤式打撈器打撈導(dǎo)向器原理圖。

1.3" 技術(shù)參數(shù)

立足于鄂爾多斯盆地致密儲(chǔ)層雙分支水平井完井技術(shù)需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了177.8 mm×114.3 mm自旋轉(zhuǎn)懸掛分支井窗口工具系統(tǒng)。技術(shù)參數(shù)如下：大通徑錨定封隔器內(nèi)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(dǎo)向器開窗角度為3°，與錨定封隔器丟手載荷為100 kN。

2" 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及分析

錨定封隔器作為井下定位、定向基礎(chǔ)，技術(shù)關(guān)鍵在于如何具備穩(wěn)定的錨定及承扭性能。常規(guī)卡瓦錨定方式只能實(shí)現(xiàn)軸向錨定，在承受較大扭矩時(shí)，卡瓦易與本體之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)造成錨定失效。因此，針對(duì)錨定封隔器的錨定、承扭需求，采用了雙排內(nèi)嵌式卡瓦設(shè)計(jì)（見圖8）。雙排卡瓦設(shè)計(jì)可以承受雙向拉壓載荷，實(shí)現(xiàn)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(shí)，也具備了周向錨定的能力，配合卡瓦內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)，使得錨定封隔器同時(shí)具備了防竄和承扭能力。

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

3" 地面性能測(cè)試

3.1" 大通徑錨定封隔器錨定、密封及承扭性能測(cè)試

將177.8 mm×114.3 mm大通徑錨定封隔器放置于177.8 mm試驗(yàn)套管內(nèi)，試驗(yàn)套管內(nèi)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(yàn)套管兩端先后加壓80 MPa，穩(wěn)壓30 min，測(cè)試大通徑錨定封隔器的封隔及錨定能力，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，大通徑錨定封隔器兩端封隔能力均可達(dá)到70 MPa，且大通徑錨定封隔器相對(duì)試驗(yàn)套管位置未發(fā)生變化，軸向承受載荷為1 200 kN，具備穩(wěn)定的雙向錨定性能，錨定能力滿足設(shè)計(jì)需求。

將試驗(yàn)套管及大通徑錨定封隔器整體放置在上扣機(jī)上。上扣機(jī)一端夾緊試驗(yàn)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(zhuǎn)載荷，測(cè)試大通徑錨定封隔器坐封后的承扭能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，施加扭矩為10 kN·m，維持時(shí)間15 min，定向回接筒與試驗(yàn)套管未發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，大通徑錨定封隔器具有穩(wěn)定的承扭性能，坐封后的承扭能力滿足設(shè)計(jì)需求［11-13］。

3.2" 封隔器、導(dǎo)向器自旋轉(zhuǎn)對(duì)接性能測(cè)試

將大通徑封隔器坐封在試驗(yàn)套管內(nèi)，將試驗(yàn)套管放入試驗(yàn)井筒并進(jìn)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(nèi)，回接插頭與封隔器定向鎖緊，下入打撈鉤進(jìn)入斜向器打撈槽，上提起出斜向器。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斜向器插頭不管以何種角度進(jìn)入都可以自動(dòng)調(diào)整角度，順利與封隔器鎖定。建立分支井窗口支撐系統(tǒng)，打撈鉤入井后無需調(diào)整，上提后自動(dòng)與鉆井導(dǎo)向器內(nèi)的導(dǎo)引槽鎖定，順利從錨定封隔器脫離出來。可取式導(dǎo)向器正常插入載荷6～10 kN，最大載荷發(fā)生在與大通徑錨定封隔器旋轉(zhuǎn)定向時(shí)，此時(shí)插入載荷12 kN。繼續(xù)加載500 kN，窗口支撐系統(tǒng)的機(jī)械支撐效果保持完好［14-15］。

4" 結(jié)" 論

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

（2）可取式鉆井導(dǎo)向器與定向插頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)大通徑錨定封隔器的定向鎖定。鉤式打撈器可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向器的定向鎖定，鎖定后上提順利完成導(dǎo)向器的丟手。

（3）分支井主井眼支撐系統(tǒng)通過多次自旋轉(zhuǎn)定向、定位，實(shí)現(xiàn)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(yè)簡單可靠。

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