榫合插接結(jié)構(gòu)分支井井眼連接總成的研究與應(yīng)用

于 文 濤

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017）

榫合插接結(jié)構(gòu)分支井井眼連接總成的研究與應(yīng)用

于 文 濤

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017）

引用格式：于文濤. 榫合插接結(jié)構(gòu)分支井井眼連接總成的研究與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：126-129.

在不穩(wěn)定地層中，分支井眼連接處易發(fā)生變形破壞，為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)分支井眼連接總成。該總成包括兩個(gè)預(yù)制的部件：模板和連接器，它們通過(guò)一個(gè)梯形導(dǎo)軌嚙合在一起后形成一個(gè)連續(xù)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，配合的間隙和公差滿足連接器液力密封的要求。利用有限元數(shù)值模擬對(duì)該連接總成進(jìn)行了3種地層壓力下的位移和內(nèi)部應(yīng)力分析，結(jié)果表明其變形量非常小，內(nèi)部所能達(dá)到的最大應(yīng)力小于N80鋼的屈服強(qiáng)度，表明該連接總成具有較強(qiáng)的抗地層擠壓能力。在河3-支平1井安裝了該連接總成，驗(yàn)證了該連接總成連接的可靠性，建議進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

五級(jí)分支井；井眼連接總成；結(jié)構(gòu)特征；有限元分析；河3-支平1井

基于勝利油田具有鉆常規(guī)井徑分支井眼的成熟工藝，并且在較大直徑套管中進(jìn)行開(kāi)窗側(cè)鉆及后續(xù)施工和處理復(fù)雜事故時(shí)相對(duì)比較容易［1-3］，設(shè)計(jì)的五級(jí)分支井試驗(yàn)井均采用主井眼鉆?311 mm井眼，下?244.5 mm技術(shù)套管，而后在?244.5 mm技術(shù)套管內(nèi)定向開(kāi)窗側(cè)鉆，分支井眼為?216 mm井眼。

為了保證五級(jí)分支井井眼連接總成能夠?qū)崿F(xiàn)3項(xiàng)功能：機(jī)械支撐完整性、液力密封性、分支井眼選擇性再進(jìn)入功能，提出了分支井眼與主井眼的連接方法：預(yù)先在窗口中放置一個(gè)?177.8 mm套管，然后傾斜著和主井眼的套管內(nèi)徑緊密配合，主要包含兩個(gè)部件：模板和連接器。模板被一個(gè)底座（錨定封隔器）支撐在窗口附近，一個(gè)井眼連接器和模板榫合插接在一起，它可以有效支撐軸向和徑向的機(jī)械載荷，并建立起一個(gè)邊界來(lái)阻止地層巖石的位移，同時(shí)具備液力密封和分支井眼再進(jìn)入功能。對(duì)該井眼連接總成進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明，該五級(jí)分支井井眼連接總成具有較高的抗地層擠壓能力，在河3-支平1井的成功應(yīng)用表明該井眼連接總成有著廣闊的應(yīng)用前景［4-5］。

1　技術(shù)難點(diǎn)

（1）需要確定井眼連接總成對(duì)地層載荷的抗擠壓能力。

（2）從尾管傳遞到連接處的拉、壓載荷在規(guī)定范圍內(nèi)不應(yīng)影響井眼連接總成的幾何形狀和完整性。

（3）需要確定井眼連接總成所能隔離的地層顆粒的尺寸。

（4）在滿足強(qiáng)度的前提下，當(dāng)通過(guò)主井眼和分支井眼進(jìn)行后期采油和注水作業(yè)時(shí)，井眼內(nèi)通徑越大越好。

（5）分支井眼連接總成的安裝施工步驟應(yīng)該是可逆的（即可回收的），以減少現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)。

（6）要盡量減少分支井眼連接總成井下施工時(shí)的下鉆次數(shù)，并將其施工風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

（7）完井后，在分支井眼連接處能夠?qū)崿F(xiàn)主井眼和分支井眼的分采或合采，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)井下流體的測(cè)量和控制。

（8）完井后，能夠?qū)崿F(xiàn)油管再進(jìn)入側(cè)向分支井眼。

（9）從技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)主井眼里有多個(gè)或?qū)盈B的分支井眼連接。

2　井眼連接總成結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)

2.1結(jié)構(gòu)

分支井井眼連接總成的設(shè)計(jì)取決于井眼連通性要求，井眼連通性是通過(guò)磨銑或預(yù)加工的窗口實(shí)現(xiàn)的。在不穩(wěn)定地層處，分支井井眼連接總成存在著受地層擠壓變形的危險(xiǎn)。一種比較合理的五級(jí)分支井眼連接總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是：在主套管窗口位置安裝一層管柱，該管柱上與主套管窗口對(duì)應(yīng)的一側(cè)具有一個(gè)預(yù)加工好的通道，這一層管柱被稱為模板，它的徑向開(kāi)口與套管窗口是完全對(duì)齊的。模板是在上分支井眼完井之后下入的，因此開(kāi)口直徑只需要足夠容納最后的完井管柱的最大外徑通過(guò)就可以。

該分支井眼連接總成由模板和連接器組成，模板與連接器通過(guò)突起-溝槽形式的導(dǎo)軌進(jìn)行連接。連接器上帶有密封圈，因此能夠?qū)崿F(xiàn)窗口的液力封隔。導(dǎo)軌的連接也為窗口處提供了機(jī)械支撐，使窗口處能夠承受較大的地層載荷。連接器下部與延伸短節(jié)相連接，延伸短節(jié)的末端有一個(gè)密封總成，能夠插入分支井眼完井管柱的內(nèi)拋光回接筒上端。這種設(shè)計(jì)，保證了在主井眼套管周圍地層產(chǎn)生大位移時(shí)，可以提供一個(gè)軸向安裝余量，見(jiàn)圖1。

圖1　模板與連接器、及梯形軌道榫合的結(jié)構(gòu)圖

2.2技術(shù)特點(diǎn)

（1）連接器在進(jìn)入分支井眼時(shí)能夠楔入模板，能夠把分支井眼和主井眼以密封的方式連接起來(lái)。互鎖部件是一個(gè)突起-溝槽形式的梯形軌道，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩者的嚙合。

（2）一旦分支井眼連接總成在井下組裝起來(lái)，模板和連接器作為一個(gè)連續(xù)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，有著較高的承受井下可能負(fù)荷的能力。

（3）連接器的軌道和模板溝槽的配合作為一種機(jī)械結(jié)構(gòu)是很容易實(shí)現(xiàn)的，這種配合的間隙和公差能夠滿足窗口連接處液力密封的要求。

3　井眼連接總成載荷有限元分析

對(duì)于五級(jí)分支井完井技術(shù)，壓力等級(jí)是衡量分支井眼連接總成性能的重要指標(biāo)。之所以提出壓力等級(jí)這個(gè)指標(biāo)是基于以下兩個(gè)原因：首先，作用在分支井眼連接處的地層載荷一般被歸類為地層巖石的塑性破壞，地層載荷均勻加載于分支井眼連接裝置投影在坍塌巖石上的區(qū)域。這種載荷與分支井眼連接處密封時(shí)所產(chǎn)生的載荷非常相似。其次，壓力分析是對(duì)分支井眼連接裝置的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行測(cè)試和分析建模的最有意義的方法［6-7］。

分析中假設(shè)：在有分支井油井的區(qū)域內(nèi)，地層具有較低的抗剪切和抗擠壓強(qiáng)度，或者地層應(yīng)力相對(duì)較高，從而能夠?qū)е路种Ь圻B接處的地層不穩(wěn)定［8］。

該分支井井眼連接總成形狀較為復(fù)雜，建立模型時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，取窗口位置的部分模板作為有限元模型進(jìn)行計(jì)算。井眼連接總成模型加載過(guò)程如圖2所示，箭頭表示地層載荷。模型基本參數(shù)：連接器圓弧直徑170 mm，上端內(nèi)徑126 mm，下端內(nèi)徑101 mm。

分支井井眼連接總成是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，模型選用solid45實(shí)體單元。采用ANSYS進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

鋼是一種彈塑形材料，符合范式準(zhǔn)則，屈服強(qiáng)度是552～758 MPa，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，鋼級(jí)為N80。

將連接總成底部和頂部節(jié)點(diǎn)所有方向的位移全部約束住，對(duì)連接總成承壓面節(jié)點(diǎn)施加面載荷［9］，載荷強(qiáng)度根據(jù)地層壓力情況，選擇10 MPa、30 MPa和50 MPa共3個(gè)級(jí)別，可以得到如下結(jié)果：

（1）井眼連接總成最大位移出現(xiàn)在承壓面的中線上（圖4），在10 MPa、30 MPa和50 MPa的地層擠壓力作用下的最大位移量分別為0.036 mm、0.109 mm和0.182 mm，基本上沒(méi)有發(fā)生變形。

（2）井眼連接總成在10 MPa、30 MPa和50 MPa地層擠壓力作用下的最大應(yīng)力分別為89 MPa、267 MPa和444 MPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在連接器內(nèi)徑兩側(cè)（圖5），并小于N80鋼的屈服強(qiáng)度。

圖2　地層壓力加載示意圖

圖3　五級(jí)分支井連接總成有限元模型網(wǎng)格劃分

圖4　連接總成在不同地層壓力下的變形

圖5　連接總成在50 MPa地層壓力下的范式應(yīng)力等值線

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1施工步驟

從最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)的目的出發(fā)，分支井眼連接總成井下施工過(guò)程中下入模板和連接器的施工步驟應(yīng)該是完全可逆的過(guò)程，即下入的工具是可回收的。在施工過(guò)程中若出現(xiàn)任何問(wèn)題，可以通過(guò)可逆的施工步驟來(lái)解決問(wèn)題。

以下是井眼連接總成的施工步驟：

（1）用帶有破裂閥的錨定懸掛封隔器將下部分支井眼或已經(jīng)完井的主井眼下部與上部隔離開(kāi)；

（2）用可回收斜向器開(kāi)窗系統(tǒng)在主井眼套管上磨銑窗口，用常規(guī)鉆井組合鉆分支井眼，以主井眼套管內(nèi)徑作為直徑方面的限制；

（3）在完成的分支井眼中下入分支井完井管柱組合，分支井完井管柱的頂端裝有一個(gè)回接主井眼用的內(nèi)拋光回接筒，放置在靠近窗口的位置；

（5）回收用過(guò)的斜向器，然后進(jìn)行分支井的完井施工；下入模板與主井眼錨定封隔器連接，在這個(gè)施工過(guò)程中，模板開(kāi)口必須在軸向和徑向上與磨銑的套管窗口對(duì)齊；

（6）在完成模板與連接器的軌道榫合之前，需要將下部的連接器延伸短節(jié)和回接密封總成插入已經(jīng)丟在分支井井眼里的內(nèi)拋光回接筒內(nèi)；

（7）完成模板與連接器的軌道榫合；

（8）下入上部完井密封總成，將下部的連接器延伸短接和回接密封總成插入已經(jīng)丟在分支井井眼里的內(nèi)拋光回接筒內(nèi)。

4.2應(yīng)用實(shí)例

分支井眼連接總成的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是在勝利油田的河3-支平1井完成的。

首先用可回收斜向器系統(tǒng)磨銑一個(gè)窗口，然后鉆分支井眼。當(dāng)分支井眼鉆完后，完井管柱帶著管外封隔器一起下入分支井眼，管外封隔器將完井井段與分支井眼連接處隔開(kāi)。分支井眼連接總成的井下安裝通過(guò)兩趟鉆成功實(shí)施：首先將模板下入磨銑窗口附近，然后將帶有連接器總成的分支井完井管柱丟入井內(nèi)，實(shí)現(xiàn)分支井眼與主井眼的回接。

由于要求在下入模板前清除主井眼內(nèi)的沉積物，這使得分支井眼連接處變得很不穩(wěn)定，尤其是當(dāng)該井眼連接總成恰好位于45°井斜處時(shí)。盡管如此，連接總成各部件還是在主井眼上部井段完井之前成功完成安裝。

5　結(jié)論

（1）分支井眼連接總成由于導(dǎo)軌的支撐作用，在較高地層載荷擠壓下基本不發(fā)生變形，可實(shí)現(xiàn)分支井眼的再進(jìn)入；由于密封圈的作用，該分支井眼回接處也具有完整的液力封隔性。

（2）在五級(jí)分支井河3-支平1井的施工中成功安裝了該連接總成，并完成了后續(xù)作業(yè)，驗(yàn)證了該連接總成具有良好的連通性。對(duì)連通性最大的考驗(yàn)是當(dāng)分支井眼連接總成位于45°井斜處且該處地層不穩(wěn)定時(shí)，該處沉砂不易清理，這可能會(huì)影響到井眼連通性。

（3）該連接總成在完井施工完成后，所得到的內(nèi)通徑只有96.8 mm，這給以后的采油作業(yè)造成一定困難，增加完井管柱的內(nèi)通徑將是今后重點(diǎn)攻關(guān)方向。

［1］張桂林.勝利油田水平井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆探技術(shù)，2005，33（2）：66-67.

［2］都振川.勝利油田薄油層水平井鉆井技術(shù)綜述［J］.石油鉆采工藝，2003，25（3）：30-33.

［3］趙金洲，唐志軍.分支水平井鉆井技術(shù)實(shí)踐［J］.石油鉆采工藝，2002，24（2）：19-21.

［4］聶云飛，吳仲華，張輝，等.五級(jí)分支井技術(shù)在河3-支平1井的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2012，34（2）：13-16.

［5］蔣祖軍.國(guó)內(nèi)第一口TAML五級(jí)雙分支井完井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2004，26（2）：5-7.

［6］劉堅(jiān)，李勇，馬旭川. XQ90氣井分支井完井技術(shù)［J］.鉆采工藝，2003，26（5）：25-27.

［7］MATT B，SIMON F，LEV R. Burst and collapse of a sealed multilateral junction: numerical simulations［R］. SPE/IADC 52873，1999.

［8］李枝林，陳平，羅勇，等.分支井連接井段井眼力學(xué)特性的有限元分析［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（2）：80-82.

［9］付勝利，高德利.可膨脹管膨脹過(guò)程三維有限元數(shù)值模擬［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，21（2）：54-57.

（修改稿收到日期 2015-09-26）

〔編輯 景 暖〕

Research and application of multilateral well connection assembly of tenon & plug structure

YU Wentao
（Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Engineering Co. Ltd.，SINOPEC，Dongying 257017，China）

In unstable formations，the connection in multilateral hole is susceptible to deformation damage. Therefore，a multilateral connection assembly was designed. This assembly includes two pre-fab components: template and connector，which are meshed together through a trapezoid guide rail and create a continuous integrated mechanical structure. Their clearance and tolerance of match meet the requirement of hydraulic seal of the connector. Finite element simulation was used to analyze the displacement and internal stress of the connection assembly under three formation pressures，and the results showed that the amount of its deformation was very small and that its internal maximum stress was less than that of N80 steel，indicating that this connection assembly has high capacity against formation compression. This connection assembly was installed in Well He 3-Zhiping 1，verifying the reliability of this connection assembly. So it is suggested that it be further promoted and applied.

5-stage multilateral well； hole connection assembly； structural features； finite element analysis； Well He 3-Zhiping 1

TE24

B

1000-7393（ 2015 ） 06-0126-04 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.033

于文濤，1981年生。2004年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆井工具方面的研究及技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：fisheryy@126.com。