分支井完井雙管轉向筒工具

引用格式：馬磊，劉和興，梅明陽，徐靖，陽俊龍，曹思輝. 分支井完井雙管轉向筒工具［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（2）：154-163.

摘要：分支井鉆完井技術具有高效利用井口槽、提高采收率等特點，為解決分支井完井雙管轉向筒送入拔出過程摩阻難以準確控制的問題，研制了分支井完井雙管轉向筒工具，實現(xiàn)主井眼和分支井眼生產(chǎn)管柱同時回插密封。通過構建三階段有限元仿真模型，分析了雙管轉向筒工具在回接筒中的送入與拔出過程，研究了摩擦因數(shù)、主分支井筒分離角及轉向筒偏離方位角等因素對送入阻力、拔出阻力及等效應力的影響，摩擦因數(shù)對最大等效應力影響不明顯，對行進阻力影響較大；分支井與主井筒之間的分離角對最大等效應力和行進阻力響應較大；偏離方位角對最大等效應力影響不明顯，但對行進阻力影響顯著，作業(yè)時應維持較小的偏離方位角，建議控制在45°以內(nèi)。通過地面試驗和實驗井試驗進行了驗證，結果表明，建立的數(shù)值模型及分析方法能有效模擬雙管轉向筒送入拔出過程，相對采用傳統(tǒng)簡化方法計算的阻力誤差由55% 降至13%，實驗井的產(chǎn)量較鄰井提高了50%，驗證了該工具的有效性，為分支井工具設計與作業(yè)提供了技術支持。

關鍵詞：分支井；完井；雙管轉向筒；摩阻；有限元；接觸分析；非線性

中圖分類號：TE952 文獻標識碼： A

0 引言

海上油田受到海洋平臺空間的限制，平臺井口槽緊張，調(diào)整井實施困難［1］，調(diào)整井高效實施的關鍵是井筒和槽口的再利用［2］。分支井鉆完井技術是在保留老井眼的基礎上，在井筒內(nèi)開窗側鉆，增加新井眼，增大油藏泄漏面積，同時可高效利用現(xiàn)有井口槽，大幅度降低油氣田開發(fā)成本。

分支井技術主要受限于相關完井技術，重點在于實現(xiàn)分支井眼與主井眼分支接口位置的支撐、密封及支井重入等方面。從分支井完井方式的功能性和復雜性的角度分為六個級別［3］。一級完井到四級完井無法實現(xiàn)接口密封；一級和二級完井接口無支撐，且支井不能重入；三級完井接口為機械支撐，支井有限進入；四級完井接口水泥支撐，支井起油管進入。為實現(xiàn)完井后能夠選擇性重新進入井眼，五級及以上的分支井能夠?qū)崿F(xiàn)主井眼與分支井眼連接處的完整機械支撐和整體液力密封［4］，應用前景和適用范圍更為廣闊［5］。

五級及以上的分支井完井級別高，作業(yè)程序多［6］，國外知名油田服務公司開發(fā)了系列商用化井下分支系統(tǒng)，在五級分支井系統(tǒng)方面，以斯倫貝謝公司的RapidX 系統(tǒng)、哈利伯頓公司的FlexRite 系統(tǒng)和貝克休斯HOOK 系統(tǒng)為典型代表。目前，在五級分支井技術領域，國產(chǎn)配套工具尚無成熟商業(yè)應用，與國外存在一定差距，加強對分支井鉆井和完井相關工具的開發(fā)是十分必要的［7］。

大量學者圍繞該項技術進行深入研究。劉晗［8］針對預先設置導向裝置的插入與取出問題，研制了?170 mm 分支井重入工具丟手裝置，開展了裝置關鍵狀態(tài)有限元分析，通過室內(nèi)模擬試驗證明裝置滿足要求；楊世洲等［9］采用有限元軟件研究了六級分支井分岔裝置的爆破失效與結構失穩(wěn)問題，并且通過打壓實驗驗證了模擬結果的可靠性；齊亞民等［10］研制了多分支井自膨脹回接裝置，實現(xiàn)了雙級液缸、超長錨定爪、上提或旋轉丟手和可鉆自膨脹套管等功能，通過現(xiàn)場應用結果顯示，該裝置能夠確保在大角度分支井眼中完井管串長期穩(wěn)固定位；黃輝等［11］開展了預成型分支系統(tǒng)膨脹整形工具設計及數(shù)值模擬研究，解釋了膨脹整形過程中所需的力學分布規(guī)律，確定了所設計的液壓活塞缸在膨脹整形工具上的布局；于文濤［12］設計了一個分支井井眼連接總成，包含預制的模板和連接器，在不同地層壓力工況下仿真分析了該總成的應力與位移情況，并在勝利油田進行應用，驗證了連接總成的可靠性；范白濤等［13］開展了雙管完井管柱的研究，采用簡化約束的方式對工具進行了力學分析，基于地面試驗驗證了管柱功能，并開展了先導性試驗；馬磊等［14］研制了分支井回接筒，開展了回接筒下放過程的仿真，并進行了地面實驗；劉兆年等［15］開展了分支井多級完井的窗口連接器設計，采用固定約束的仿真模擬方法，通過施加形變量、力和力矩載荷，開展了連接器工具的強度分析與校核，并開展了工具地面模擬測試。

目前在五級分支井完井工具和工藝中，分支井完井雙管轉向筒能夠?qū)崿F(xiàn)主井眼和分支井眼生產(chǎn)管柱同時回插密封，形成兩個生產(chǎn)通道，并能夠配合生產(chǎn)滑套實現(xiàn)主井眼和分支井眼的選擇性開采或合采，該項技術難度大，相關設計研究較少；五級以上分支為實現(xiàn)接口處完整的機械支撐，對工具下放位置與角度要求較高，需要相關井下工具的摩阻計算有較高的精度，但類似裝備多采用簡化模型的有限元方法進行設計分析，未考慮管柱之間相互影響，導致現(xiàn)場作業(yè)情況與設計計算結果出現(xiàn)較大偏差，給分支井完井現(xiàn)場作業(yè)帶來一定影響。

針對上述問題，結合前期成果，研制分支井完井雙管轉向筒工具，構建工具下放作業(yè)的非線性接觸數(shù)值模型，提出采用分步加載方式模擬插拔性能的方法，并通過地面實驗和實驗井試驗對工具進行了驗證。

1 方法過程

分支井完井雙管轉向筒工具研制過程分別從室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗兩個方面開展。室內(nèi)研究主要基于有限元法對雙管轉向筒工具在回接筒內(nèi)運動過程進行仿真研究，現(xiàn)場試驗主要利用研制的轉向筒工具及其他工具在地面模擬裝置和實驗井對整個分支井系統(tǒng)進行試驗與驗證。

1.1 室內(nèi)研究

在轉向筒工具設計的基礎上，開展理論分析和有限元分析，研究轉向筒工具下放過程的阻力及影響因素。

1.1.1 雙管轉向筒工具結構和工作原理

結合分支井后期井筒干預的需求，自主研制一種分支井完井雙管轉向筒工具，如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，雙管轉向筒為中空結構的管柱，上部設置6 組彈性爪，預設窗口位于雙管轉向筒中部，與井筒中的回接筒以及主井眼窗口對應，下部設置弧形引導面及鍵槽。

雙管轉向筒采用導向盲接引鞋設計，在窗口下部分支井眼內(nèi)實現(xiàn)定位，實現(xiàn)分支井眼內(nèi)回接管柱進入分支井眼內(nèi)密封筒；同時采用導向斜面設計，實現(xiàn)主井眼回接管柱自動導向，進入主井眼下部密封筒，雙管自動導向的插入方式同步回接，實現(xiàn)主井眼和分支井眼生產(chǎn)管柱同時回插密封。通過上述雙管同步自動導向插入設計，形成兩個密封的生產(chǎn)通道，配合生產(chǎn)滑套，能夠滿足主井眼和分支井眼的選擇性開采或合采。雙管轉向筒完井作業(yè)時，一趟鉆完成主井管柱和分支井管柱同時送入，作業(yè)示意圖如圖2 所示?？梢钥闯觯D向筒連帶雙油管管柱送入回接筒時，開始階段彈性爪外徑大于回接筒內(nèi)徑，彈性爪受到壓縮，隨著送入深度增加，彈性爪進入回接筒內(nèi)壁凹槽，實現(xiàn)插入深度定位；同時，雙管轉向筒底部弧形引導面與回接筒內(nèi)的導向套接觸，導向套上設置有與之配合的導引鍵和弧形引導面，由于回接筒已經(jīng)在分支井筒處固定，雙管轉向筒隨著導向弧面旋轉，并最終達到預定的角度。

1.1.2 有限元模型研究

雙管轉向筒是一種完井井下管柱，符合井下管柱力學的基本描述，井下管柱是一種特殊結構形狀的彈性體，包含幾何方程、動量方程及本構方程。幾何方程采用Euler-Bernoulli 梁假設或Timoshenko梁假設，反映了管柱應變與變形之間的規(guī)律；動量方程反映了管柱運動與作用力關系，對于穩(wěn)態(tài)問題，反映了管柱內(nèi)力與外力的平衡關系；本構方程表達了管柱應力與應變的關系，與幾何方程結合，就能得到管柱內(nèi)力與變形之間的定量關系。

當管柱在井眼內(nèi)發(fā)生運動時，管柱與井壁相互作用，產(chǎn)生摩阻和扭矩。在計算分析摩阻扭矩時，可以假定井壁與管柱的接觸是連續(xù)的，這時可以用接觸力的大小和方向表征接觸關系；通常假定變形的曲線與井眼的軌跡軸線重合，就可以確定井下管柱的變形曲線［16］。

對于管柱的力學分析通常包含微分方程法、能量法和有限元法。微分方程法對管柱及約束進行一定的簡化后，構建微分方程和定解條件，最后采用解析的、半解析或數(shù)值的方法進行求解，具有計算速度快的優(yōu)點，但對于微分方程較為復雜的情況，特別是該類問題經(jīng)常出現(xiàn)大撓度的問題，在應用時受到較多的限制［17］。能量法適用于管柱的小變形靜力分析，在接觸問題分析受到較多的影響。有限元法作為一種數(shù)值分析方法，適用于求解區(qū)域不規(guī)則、約束復雜的數(shù)學與力學問題，在管柱結構的靜動態(tài)分析中得到廣泛應用［18］。

雙管轉向筒在回接筒內(nèi)送入過程是一個復雜的非線性接觸問題，該過程力學問題較為復雜，導致其微分方程較為復雜，連續(xù)接觸的假設不完全符合實際的情況，且存在較多的簡化，微分方程法無法滿足要求，因此雙管轉向筒的研究采用有限元法開展。

有限元法分析問題時，為獲得更高的計算精度，就需要更小的單元尺寸和計算步長，導致模型的單元數(shù)量大幅度增加，同時需要更長的計算資源和計算時間。直接利用有限元法分析轉向筒進入回接筒時，由于回接筒已經(jīng)進入分支井井筒，回接筒發(fā)生了形變，雙管轉向筒的行進軌跡并非一條直線，還需仿真回接筒進入分支井筒的過程，故導致計算量巨大，且計算結果難于收斂。

考慮研究對象為雙管轉向筒，回接筒進入分支井筒的性能前期作者已經(jīng)完成相關研究［14］，在這里使用前期成果的基礎上進行適度簡化，提出一種3 階段仿真的方法，第1 階段進行仿真模型準備，第2 階段模擬回接筒在分支井筒內(nèi)形變，第3 階段模擬雙管轉向筒送入回接筒的過程，如圖3 所示。

第1 階段為仿真模型準備，如圖3（a） 所示。利用通用有限元軟件建立回接筒、導向套和雙管轉向筒接觸有限元模型，主要結構尺度包括：回接筒內(nèi)徑170 mm，總長8 020 mm；雙管轉向筒總長7 352mm，彈性爪外徑177 mm。軟件采用接觸單元來轉換接觸面之間的載荷，并對接觸相對位置進行跟蹤，在這里采用柔性體與柔性體的接觸；雙管轉向筒實際下放過程中接觸狀態(tài)包括無接觸、點接觸、連續(xù)接觸和完全接觸，接觸行為分為綁定接觸、不分離接觸、無摩擦接觸、粗糙接觸和摩擦接觸，雙管轉向筒的接觸狀態(tài)隨著下放過程也在發(fā)生變化，需設置不同的接觸行為。

雙管轉向筒下放過程中，雙管轉向筒彈性爪與回接筒內(nèi)表面摩擦接觸，導向套與回接筒內(nèi)壁綁定接觸，雙管轉向筒與導向套摩擦接觸，回接筒內(nèi)表面與雙管轉向筒底端摩擦接觸。雙管轉向筒的分析中接觸結構不發(fā)生相互穿透，為避免發(fā)生模型中相互穿透，采用增強Lagrange 法的接觸算法。

根據(jù)前述條件，分別在回接筒內(nèi)表面、轉向筒外表面以及導向套接觸弧面建立接觸單元，在回接筒與轉向筒彈性爪接觸區(qū)域、轉向筒與導向套接觸區(qū)域、轉向筒端部與回接筒接觸區(qū)域根據(jù)接觸行為設置不同類型的接觸對。為確保分析結構精確性，對應的接觸區(qū)域的有限元網(wǎng)格進行細化處理。對于雙管轉向筒分析中，結構出現(xiàn)大位移和大應變，結構位移與應變之間的關系不滿足線性描述，需要考慮應變與位移之間的非線性關系，故采用幾何非線性求解器，利用Newton-Raphson 迭代算法對模型進行求解。

第2 階段為模擬回接筒在分支井筒內(nèi)形變，如圖3（b） 所示。在回接筒頂部區(qū)域施加固定約束，模擬主井筒對回接筒的限制作用；在回接筒底部外壁施加位移約束，位移的大小取決于分支井分支點的設計，使回接筒產(chǎn)生形變，其撓度曲線與分支井軌跡一致。

雙管轉向筒在回接筒內(nèi)部由于接觸作用，回接筒整體形變傳導到雙管轉向筒，雙管轉向筒在回接筒內(nèi)發(fā)生了形變，同時在軸向方向上也發(fā)生移動，最終使回接筒形變達到進入分支井筒內(nèi)的形變狀態(tài)，此時雙管轉向筒外表面與回接筒內(nèi)表面的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，有的區(qū)域由連續(xù)接觸轉換為無接觸，有的區(qū)域由無接觸轉換為連續(xù)接觸，為保證計算收斂性和降低計算時間開銷，在該部分接觸單元劃分時，分區(qū)域進行考慮。

該部分關鍵為回接筒位移施加的位置和大小，其最終狀態(tài)與回接筒進入支井的狀態(tài)一致，需要進行多次迭代調(diào)整，在這里結合作者前期對分支井回接筒的研究數(shù)據(jù)［14］，利用原求解模型計算得到回接筒底部區(qū)域的位移載荷數(shù)據(jù)。

第3 階段為模擬雙管轉向筒送入回接筒的過程，如圖3（c） 所示。在雙管轉向筒頂部施加水平位移載荷，模擬轉向筒送入回接筒的過程。一方面，此過程中，雙管轉向筒彈性爪在回接筒內(nèi)壁的擠壓下進入回接筒內(nèi)壁凹槽，同時雙管轉向筒底部與導向套接觸作用并限位，達到指定的插入深度，為提高計算效率，該過程中雙管轉向筒彈性爪、雙管轉向筒底部需分別與回接筒內(nèi)壁分區(qū)域建立接觸對。另一方面，由于回接筒、雙管轉向筒都發(fā)生形變，軸向的尺度發(fā)生了變化，導致水平位移的大小與原在直管中就位時的位移存在差異，根據(jù)實際工況進行微調(diào)，從而保證雙管轉向筒彈性爪能夠準確進入回接筒內(nèi)壁凹槽。

采用3 階段仿真的方法，重點研究雙管轉向筒送入拔出過程，分析整個過程中其最大等效應力和行進阻力，從而進一步分析摩擦因數(shù)、主分支井筒分離角、轉向筒偏離方位角等因素對雙管轉向筒等效應力、送入阻力和拔出阻力的影響程度。

1.2 地面試驗

地面試驗在轉向筒工具及相關五級分支井工具已加工完成后開展，除工具的常規(guī)功能和指標測試外，也是對論文數(shù)值模型的驗證。雙管轉向筒是分支井系統(tǒng)的一部分，實驗井試驗主要面向整個五級分支井系統(tǒng)進行測試與驗證。

有限元數(shù)值模型能夠反映雙管轉向筒的規(guī)律和特性，但分析過程仍然存在了部分簡化，不能完全模擬雙管轉向筒的整體下放過程，需要開展實物工具的地面試驗。故在雙管轉向筒加工完成后，為了進一步驗證相關設計與仿真，檢驗裝備的性能，在地面搭建了地面模擬裝置進行試驗，如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，地面模擬裝置采用水泥模擬地層并構建主井筒和分支井筒，利用套管、油管、回接筒構建完成的分支井接口結構，在地面通過推拉的方式對自主研制的雙管轉向筒進行模擬試驗。試驗中，回接筒已就位至開窗完成的套管內(nèi)，送入和拔出轉向筒并記錄彈性爪拔出時的載荷，并根據(jù)0°偏離方位角記錄數(shù)據(jù)修正模型參數(shù)，計算阻力誤差為評價指標，模擬轉向筒從不同的偏離方位角進行送入和拔出。

1.3 實驗井試驗

2023 年12 月某井區(qū)邊部井控不足區(qū)存在剩余油，需要部署調(diào)整井側鉆分支井眼，挖潛剩余油富集區(qū)域。將該井作為實驗井，采用研制的雙管轉向筒工具實施作業(yè)，井身結構如圖5 所示，可以看出，下入的雙管轉向筒總成完井管柱包含回接筒、雙管封隔器、雙管轉向筒等，試驗時重點關注相關管柱的下放摩阻，用于研究雙管轉向筒實際摩阻。主要的施工步驟如下。

（1） 下入破裂盤+密封筒+主井眼回接封隔器，暫堵下部井眼；

（2） 下入可回收開窗斜向器，坐掛；

（3） 側鉆分支井眼；

（4） 下入回收工具，回收斜向器；

（5） 下入分支井眼完井管柱，分支井眼完井；

（6） 下入破裂盤擊碎工具，下壓60 kN 擊碎破裂盤；

（7） 下入分支井眼導向器；

（8） 分支井眼下入封隔器+密封筒；

（9） 回收分支井眼導向器；

（10） 下入雙管轉向筒總成完井管柱。

2 結果現(xiàn)象討論

基于提出的3 階段仿真的方法，構建了有限元模型，配合分支井相關工具，開展了仿真模擬、地面模擬裝置試驗以及實驗井試驗，并對結果進行分析討論。

2.1 室內(nèi)研究結果

2.1.1 有限元仿真結果

為分析3 階段仿真方法的有效性，建立典型工況的分析過程，考慮雙管轉向筒與回接筒摩擦因數(shù)0.1，分支井筒與主井筒分離角2°，雙管轉向筒鍵槽與導向套引導鍵偏離方位角0°，雙管轉向筒在回接筒內(nèi)進入660 mm。

設計45 個載荷步，0～10 載荷步分階段施加位移載荷模擬回接筒在分支井筒的形變；11～28 載荷步分階段加載水平位移，從0 mm 增加至660 mm，模擬轉向筒送入回接筒的過程；實際工程實踐中，為驗證轉向筒就位情況，根據(jù)實際需要有時也進行回接筒拔出驗證，故為進一步驗證回接筒拔出性能，29～45 載荷步分階段減小水平位移，從660 mm 減小到0 mm，模擬轉向筒拔出回接筒的過程。

計算完成后，提取各個載荷步下雙管轉向筒的水平阻力和最大等效應力結果，如圖6 所示?？梢钥闯觯谀M分支井階段，即分支井筒構建過程中，轉向筒水平方向阻力較小，且基本保持不變，轉向筒最大等效應力隨著分離角增加；在轉向筒送入回接筒的過程中，轉向筒最大等效應力和行進阻力先增加后減小到最后維持相對不變的過程；在轉向筒拔出回接筒的過程中，轉向筒最大等效應力和行進阻力的變化，與送入過程類似，呈現(xiàn)一個逆過程的趨勢，但峰值與送入過程存在一定差異。結合具體加載而成，分析如下。

模擬分支井階段，從開始到第10 載荷，分離角等效位移載荷逐漸施加于回接筒，最終回接筒的形變撓度曲線達到2°分離角，同時轉向筒位于回接筒內(nèi)部，在接觸作用下發(fā)生變形。最大等效應力的增加，是由于轉向筒受到回接筒的限制，發(fā)生彎曲變形，應力增加；而水平方向，轉向筒相對自由運動，導致水平阻力整體較小，且變化大不。

轉向筒送入回接筒的階段分為3 個過程。

第1 個過程，轉向筒彈性爪開始進入回接筒。從第11 載荷步開始，轉向筒的最大等效應力和水平阻力開始增大，其原因為在轉向筒端部施加水平位移載荷，轉向筒進入回接筒，隨著彈性爪回縮，并與回接筒內(nèi)壁接觸發(fā)生變形，導致應力和阻力不斷上升。

第2 個過程，轉向筒彈性爪完全進入回接筒，但未進入回接筒內(nèi)壁凹槽。從第13 載荷步開始，最大等效應力出現(xiàn)波動震蕩后小幅減小，而水平行進阻力基本不變。出現(xiàn)波動的原因為，在行進過程中接觸區(qū)域發(fā)生變化，由于彈性爪與回接筒接觸單元網(wǎng)格劃分不完全對稱一致，導致計算過程中不同收斂精度。最大等效應力小幅減小，主要是因為轉向筒隨著進入回接筒深度不同，在回接筒接觸作用下接觸區(qū)域發(fā)生了變化，支撐位置不同導致等效應力的變化。

第3 個過程，轉向筒彈性爪完全進入回接筒內(nèi)壁凹槽。從第24 載荷步開始，最大等效應力增大后保持相對不變，行進阻力在出現(xiàn)一個峰值后，下降到較低水平，并維持相對不變。轉向筒彈性爪完全進入凹槽后，回接筒內(nèi)壁凹槽內(nèi)徑大于彈性爪外徑，導致彈性爪受到的擠壓力大幅度降低，導致轉向筒行進阻力降低。同時轉向筒最大等效應力位置從彈性爪區(qū)域轉移到轉向筒外壁，從而出現(xiàn)最大等效應力的增大。在第28 載荷步，回接筒送入深度660 mm，實現(xiàn)插入深度定位。

轉向筒拔出回接筒階段，從第28 載荷步開始。第1 個過程，轉向筒彈性爪在回接筒凹槽行進，從第28 載荷步到第31 載荷步，最大等效應力與行進阻力變化基本是送入過程該階段變化的逆過程。但轉向筒行進阻力在最后一階段，即拔出回接筒凹槽時的峰值超過送入時峰值，這是因為彈性爪兩側倒角斜面角度不同，有利于拔出過程根據(jù)阻力的變化判斷轉向筒在回接筒內(nèi)的相對位置。第2 個過程，彈性爪開始拔出回接筒，從第32 載荷步到第45 載荷步，與轉向筒送入過程最大等效應力和行進阻力的變化基本類似，呈現(xiàn)一個逆過程。

從最大等效應力和水平阻力數(shù)據(jù)變化趨勢上看，仿真過程結果與實際轉向筒送入和拔出過程應力及阻力的變化基本一致，能夠捕捉到轉向筒送入和拔出回接筒過程中關鍵位置的摩阻，說明模型能夠用于分析雙管轉向筒送入拔出過程摩阻問題。

2.1.2 送入拔出過程影響因素分析

為實現(xiàn)雙管轉向筒送入拔出過程摩阻的控制，從摩擦因數(shù)、主分支井筒分離角度和轉向筒偏離方位角度方面分析阻力的影響程度，用于指導摩阻的準確控制。分支井與主井筒之間的分離角是分支井重要的參數(shù)，受地質(zhì)、鉆具等多種因素的影響，需分析不同的分離角下轉向筒工具送入過程阻力和應力的變化?？紤]1°～3°的分離角，間隔0.5°計算，共5 個工況進行仿真計算，計算結果如圖7 所示?？梢钥闯?，分離角在增大的過程中，轉向筒最大送入阻力、最大拔出阻力以及最大等效應力都在大幅度增加，影響明顯，這是由于不同分離角轉向筒行進軌跡差異很大，接觸區(qū)域、接觸單元以及接觸行為都發(fā)生了較大的改變，隨著分離角的變大，轉向筒整體的形變也變大，造成了等效應力和阻力大幅度變大。

在實際作業(yè)過程中，施加下放懸重時必須考慮分離角的因素，特別在深井、超深井作業(yè)時，由于整體管柱的摩阻大、伸縮量大，通過懸重變化確定時，還需要結合其他方法綜合判斷。

雙管轉向筒在回接筒內(nèi)因管柱介質(zhì)因素導致潤滑性能的不同，故需研究不同摩擦因數(shù)對轉向筒作業(yè)過程的影響，建立轉向筒與回接筒摩擦因數(shù)為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 的計算工況，進行仿真實驗分析，計算結果如圖8 所示。

從圖8 中可以看出，隨著摩擦因數(shù)的增大，轉向筒的最大等效應力變化不明顯，最大送入阻力和最大拔出阻力隨摩擦因數(shù)增大而增大，且變化明顯。這是由于轉向筒送入的過程中，整體的形狀變化較大，導致接觸區(qū)域變化明顯，反映在行進阻力上出現(xiàn)較大變化，而最大等效應力集中在彈性爪附近區(qū)域，而彈性爪相對回接筒內(nèi)壁凹槽的變化集中在徑向方向，相對軸向由摩擦引起的摩擦力影響較小。

摩擦因數(shù)對轉向筒內(nèi)行進過程的阻力影響較大，轉向筒下放作業(yè)時遇到困難，可采用調(diào)整管柱內(nèi)介質(zhì)的潤滑程度的方法，改變摩擦因數(shù)，從而改變行進阻力。

為實現(xiàn)轉向筒順利進入回接筒和套管開窗位置，雙管轉向筒鍵槽與導向套引導鍵偏離方位就顯得極為重要，考慮0°～90°范圍內(nèi)方位角，間隔15°計算，共7 個工況，計算結果如圖9 所示?？梢钥闯?，隨著偏離方位角的增大，最大等效應力變化不大，最大送入阻力和拔出阻力隨方位角變化不斷增大。特別是超過45°后送入阻力增大明顯，這是由于隨著方位角增大，雙管轉向筒鍵槽與導向套的引導鍵接觸，送入過程中轉向筒除克服行進阻力，還需在回接筒進行旋轉，轉向筒在回接筒內(nèi)旋轉需克服較大阻力，從而導致阻力快速增加。實際作業(yè)來講，轉向筒送入時，應維持較小的偏離方位角，建議控制在45°以內(nèi)，遇到較大阻力時，應考慮適當拔出轉向筒旋轉后重新送入。

2.2 地面試驗

2.2.1 地面試驗結果

地面測試不同的偏離方位角情況，并將地面試驗結果與有限元計算結果對比，見表1。

從表1 中可以看出，計算值與試驗值相比最大誤差16%，為90°偏離方位角時的送入阻力；15°偏移方位角時誤差最小，誤差為7%。當出現(xiàn)較大偏離方位角時，雙管轉向筒在彎曲的回接筒內(nèi)受力更加復雜，仿真模型為理想情況，導致出現(xiàn)相對誤差，這也說明了仿真模型的正確性。

2.2.2 模型對比

基于地面試驗結果對傳統(tǒng)方法和本文方法的誤差進行對比。在45°偏離方位角時，地面試驗送入阻力、拔出阻力分別為45 kN、20 kN，本文方法計算的送入阻力、拔出阻力分別為39.12 kN、17.28 kN，誤差分別為13%、14%，用簡化方法計算的送入阻力為20.04 kN，誤差為55%?？梢钥闯?，相對傳統(tǒng)簡化方法計算阻力誤差由55% 降低到13%，說明提出的3 階段仿真方法可以解決雙管轉向筒送入拔出過程摩阻準確控制的問題。

分析誤差降低原因認為，對于簡化約束方式的非接觸有限元模型，在形變和載荷較為準確的情況下，只能得到轉向筒就位后最終狀態(tài)的計算結果，這樣就會導致計算結果并不是下放過程中的最危險情況，從而導致估算不準確，且不方便開展工具的局部結構優(yōu)化。同時，由于采用簡化約束，無法區(qū)分送入和拔出過程，會導致轉向筒送入和拔出回接筒得到的阻力值相同。若計算還需建立彈性爪進入回接筒內(nèi)壁凹槽的局部模型且得到較為精確結果，則需要較為準確的局部模型邊界條件，這十分困難。

另一方面，提出3 階段仿真方法構建的接觸有限元模型在第2 階段，通過模擬回接筒，實現(xiàn)雙管轉向筒在回接筒內(nèi)較為準確的模擬，有利于模型計算時得到較為準確的邊界條件；同時采用接觸仿真模型，可以較易實現(xiàn)雙管轉向筒送入和拔出過程中的中間結果，從而捕捉到送入拔出過程的等效應力和阻力變化情況，可實現(xiàn)工具的強度評估，也可方便根據(jù)具體的位置對工具局部結構進行優(yōu)化，能夠發(fā)現(xiàn)轉向筒送入和拔出回接筒過程中行進阻力的變化情況，從而阻力計算值具有相對較小的誤差。

當然，對于采用基于接觸分析的有限元模型計算時需要大量的計算資源和時間，且存在收斂困難的情況，采用簡化約束方式的非接觸有限元模型計算時基本可以忽略。在同等配置計算平臺上，相近結構單元尺度的模型，基于接觸分析的有限元模型計算時間超過12 h，而采用簡化約束方式的有限元模型小于3 min。雖然基于接觸分析的有限元模型需要更多的計算時間和資源，但通過提高計算機硬件性能、優(yōu)化模型等方式可進一步降低時間，相對于整體裝備研制是可以接受的。

2.3 實驗井試驗結果

在實驗井試驗過程中，發(fā)現(xiàn)雙管轉向筒下放送入阻力為20 kN，有限元模型計算值為18.11 kN，誤差為9%；拔出阻力為18 kN，模型計算值為15.92kN，誤差為11%，說明提出的3 階段仿真方法形成的接觸有限元模型具有較高的精度，誤差較小，能夠較準確模擬轉向筒的送入與拔出過程。

在實驗井試驗的過程中，同期對比了相同地層的鄰井產(chǎn)量，實驗井的產(chǎn)量提高50%，挖潛增產(chǎn)效果明顯。這說明，通過自主研制的雙管轉向筒結合相關工具，形成的五級分支井完井系統(tǒng)，完成了主井眼與分支井眼有效回插密封，實現(xiàn)了兩個不同儲層的聯(lián)通，在節(jié)約建井成本的前提下，能夠獲得兩口井的產(chǎn)量，從而實現(xiàn)“1+1gt;2”的經(jīng)濟效益。當然，產(chǎn)量提高還受到地質(zhì)地層的影響，但該系統(tǒng)提供了增產(chǎn)的通道。

從整體的技術特征看，研制的五級分支井完井系統(tǒng)重入方式為更換再進入工具，主井眼內(nèi)徑為156 mm，分支井眼內(nèi)徑156 mm；與國外斯倫貝謝公司的RapidX 系統(tǒng)、哈利伯頓公司的FlexRite 系統(tǒng)和貝克休斯公司的HOOK 系統(tǒng)的技術特征相比，在連接方式、重入方式達到基本一致的效果。整體來看，達到了國外知名油田服務公司商用化的五級分支井系統(tǒng)水平。

3 結論

（1） 建立了分支井完井雙管轉向筒非線性接觸有限元模型，提出了利用回接筒外部形變模擬主井筒與分支井分離的方法，分階段模擬送入和拔出過程，可以實現(xiàn)轉向筒送入和拔出過程的有效仿真，相對傳統(tǒng)簡化方法的計算阻力誤差由55% 降低到13%。自主研制的雙管轉向筒配合相關工具，形成的五級分支井完井系統(tǒng)通過實驗井試驗，整體性能達到了國外知名油田服務公司商用化的五級分支井系統(tǒng)水平。

（2） 目前實驗井試驗時間還較短，分支井完井雙管轉向筒及相關工具長期可靠性還需進一步驗證。同時井下工具作業(yè)是一個較為復雜的多物理場耦合作用過程，論文研究的影響因素有限，并不能完全覆蓋全部工況，主要考慮計算收斂性和計算效率的原因。

（3） 下一步將根據(jù)實驗井長期應用情況，研究分支井完井雙管轉向筒及其相關工具作業(yè)時更多的影響因素，如井下溫度場、流場以及多物理場耦合作用對工具作業(yè)時的影響，工具在井下多物理場作用下的疲勞問題，為分支井相關工具研制、生產(chǎn)作業(yè)等提供支持。

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（修改稿收到日期 2024-02-29）

〔編輯 景 暖〕