用于分支井多级完井的窗口连接器设计及试验

刘兆年 ，王 彬 ，柴龙顺 ，武广瑷 ，陈 杰 ，陈立伟

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100027；2.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300450)

渤海海域油气田进入大规模调整开发阶段，调整井的实施与平台槽口紧张的矛盾日益突出。分支井技术是在保留老井眼的基础上，开窗侧钻新井眼，有效提升油气井与储层的连通性，扩大泄油面积，改善油流动态剖面，增加单井产能[1-7]，是解决该问题的技术途径之一。渤海海域曹妃甸11-1油田采用TAML4级分支井技术已完成3口井作业，日增油200 m3，控水增产效果良好[8-9]，有效解决了老井低产、剩余油挖潜难题，为渤海油田中后期调整提供了新的思路。

1 技术分析

对于分支井多级完井(TAML4级及以上)工艺，要求分支井眼与主井眼的窗口连接处具备机械完整性，以解决开窗窗口不稳定和侧钻位置出砂、出泥等问题；同时，要求具备有效密封性，尽可能降低各个井眼的干扰，满足分采要求。目前国内外分支井眼与主井眼的连通形式主要有空心斜向器、套铣重合段、预开窗尾管3种连通技术[10-12]，如图1所示。

图1 分支井眼与主井眼连通方式

1) 空心斜向器连通技术。通过空心斜向器引导钻具完成主井筒套管的开窗侧钻及分支井眼的完井作业，待分支井眼完井结束后，采用定向射孔或磨铣的方式打通空心斜向器，实现主井眼与分支井眼的有效连通[13]。

2) 套铣重合段连通技术。待分支井眼侧钻完成后，下入尾管柱对分支井眼进行固井作业，最后下入专门的磨铣工具将主分支井眼重合段套管磨铣掉，从而实现主井眼与分支井眼连通。

3) 预开窗尾管连通技术。在分支井眼侧钻结束后，下入尾管柱对分支井眼进行固井，尾管柱上部包含有预开窗的悬挂系统，悬挂于主井眼套管的侧钻窗口处，通过尾管悬挂系统中的预开孔实现分支井眼与主井眼连通。

以上3种技术均有各自的优缺点，对于空心斜向器技术，操作简单，但是主井眼无法重入；套铣重合段技术，可以实现主井眼和分支井眼的重入，但是工作量较大，且套铣后，无法满足分支井眼与主井眼连接处的机械完整性；预开窗尾管连通技术工具系统复杂，但是具有较好的机械完整性，且可满足TAML4级及以上的多分支井完井工艺，是目前分支井多级完井较为主流的工艺手段[14]。

壁钩式悬挂系统采用预开窗尾管连通技术，是近年来国际上分支井采用较多的一种完井系统。该系统顶部设置依靠壁钩悬挂的窗口连接器，其侧壁上开有预留通孔，通孔底端连接悬挂机构，在完井管柱进入分支井眼后，壁钩式悬挂系统顶部的窗口连接器悬挂于分支点处，预留通孔刚好与下部井眼对正，从而实现主井眼和分支井眼的连通。同时，分支井眼采取注水泥对分支点处的环空进行封隔，实现分支点处的水力密封。目前，技术发展较快且应用较广泛的贝克休斯HOOKTM分支井系统即采用这种连通方式，如图2所示。

图2 壁钩式悬挂系统

现有的壁钩式悬挂系统主要采用下部悬挂管柱前端的弯接头引导而进入分支井眼，并通过壁钩等悬挂于套管窗口底部。存在的风险在于分支井管柱前端的弯接头长度、角度、偏移量较大，导致分支井管柱在分支井眼中下放时产生较大的摩阻，分支井管柱不易下放到位；且弯接头在井下方位未知，需要多次反复旋转管柱才能进入分支井眼。另外，壁钩悬挂式的窗口连接器要求套管窗口形状规则、无毛刺，才可顺利坐挂到位，对开窗工艺要求较高。

2 新型窗口连接技术及连接器结构

针对上述问题，设计一种新型的窗口连接器，依靠空心斜向器进行导向和悬挂，结构简单，可操作性强。

斜向器通常在分支井眼侧钻过程中被使用，通过斜面引导铣锥、钻头完成对套管的开窗和分支井眼的侧钻。有一种可回接空心斜向器，顶部内侧壁上设置螺旋式导向槽，可用于定位和悬挂窗口连接器。本文所设计的窗口连接器需要同该空心斜向器配合，实现引导分支井眼管柱快速进入，并方便窗口连接器的定位和悬挂。

该套新型的窗口连接器(如图3所示)整体为中空结构，下部连接分支井眼管柱，分支井眼管柱在空心斜向器斜面的引导下快速进入分支井眼；中间一侧预设窗口对应主井眼，实现主、分支井眼连通；顶部外侧设置螺旋凸台，用于同空心斜向器内侧的螺旋式导向槽配合，实现连接器径向定位和悬挂，并满足连接器窗口与套管开窗窗口完全对应(如图4所示)；窗口连接器底部内侧设置螺旋凸台，用于该工具与内部配合工具的定位，利于后续主、分支井眼重入。

图3 窗口连接器示意图

图4 窗口连接器在开窗套管中下放到位的示意图

依靠以上技术，分支井眼管柱能够快速进入分支井眼，避免使用弯接头引导分支井眼管柱存在的诸多弊端，提高现场作业效率和成功率，窗口连接器定位和悬挂于空心斜向器，操作更加简单、快捷。

3 窗口连接器强度校核

实际作业过程中，窗口连接器底部进入分支井眼内，顶部位于主井眼中，受主、分支井眼井身轨迹的限制，工具底部会发生一定程度的挠性变形，具体为窗口连接器背离套管窗口一侧受拉、另一侧为受压。

窗口连接器材质为42CrMo，力学性能参数如表1所示。

表1 窗口连接器材质42CrMo力学性能参数

3.1 挠性变形强度模拟校核

利用Solidworks软件建立模型，如图5所示。固定窗口连接器顶端，底部施加载荷力和偏移量(偏移量为266 mm，如图6)，分析得到窗口连接器下放到位后的受力云图。

图5 窗口连接器三维模型

图6 添加应力及偏移量的窗口连接器三维模型

通过模拟计算(如图7)可知，当连接器最大挠性形变为266 mm时，窗口连接器最大应力出现在窗口连接器中上部(在窗口连接器预设窗口上部位置)，应力值为690 MPa，小于材料的屈服强度930 MPa。该结果表明，分支井眼管柱串及窗口连接器下放到位后，不会发生屈服破坏，窗口连接器所选材质及结构满足需求。

图7 窗口连接器应力云图

3.2 旋转模拟校核

利用ANSYS有限元软件建立窗口连接器模型(如图8所示)，整体有限元网格划分尺寸为10 mm，采用四面体单元进行网格划分，对有限元模型加载下压力和旋转转矩，进行静强度和屈曲校核。

工况条件如表2所示，窗口连接器顶端施加全约束，另外底端加载转矩或者下压载荷。采用材料的屈服强度对窗口连接器进行强度评估，如果计算应力低于材料屈服强度，则结构没有破坏；否则，结构发生破坏。

表2 工况条件

通过模拟结果(如图9)可知，在窗口连接器受压缩和旋转载荷(下压力为100 kN、转矩为10 kN·m)工况下，最大应力位置出现在窗口连接器底部位置，应力值为267.5 MPa，小于材料最大屈服强度930 MPa，设计满足需求。稳定性计算结果表明，一阶屈曲因子为1.53(如图10所示)，稳定性满足需求。

图9 下压旋转计算应力云图

图10 下压旋转计算屈服因子云图

4 地面模拟测试

4.1 挠性变形地面测试

为验证挠性变形模拟计算结果，针对窗口连接器进行地面模拟测试。首先将开窗套管及导斜装置固定，其次将窗口连接器从开窗套管顶部送入，给予下压载荷，直至到位，观察是否发生损坏。

1) 试验程序。

图11 窗口连接器挠性变形地面测试

上提窗口连接器至开窗套管以上，观察连接器是否恢复至自由状态。

2) 试验结果。

经过试验实测，最大挠性形变量发生在连接器底部，为266 mm；窗口连接器在ø244.475 mm(9英寸)开窗套管中下入时最大遇阻力30 kN，下压后，可以顺利下放到位；试验结束后，起出窗口连接器，未发现有塑性变形，试验结果符合三维模拟计算值。

4.2 下放模拟测试

为了验证连接器强度及结构设计是否满足作业要求，在试验井井口进行窗口连接器下放测试(如图12所示)，测量连接器外部定位螺旋凸台与外部导向器(空心斜向器)的配合及下放时的遇阻力。

图12 窗口连接器下放测试

1) 试验程序。

利用固定销固定外部导向器(空心斜向器，导斜面2.5°)于ø244.475 mm(9英寸)开窗套管内部；将组装完成的开窗套管(内含带螺旋定位台阶的空心斜向器)通过法兰垂直悬挂于模拟井口；利用顶驱下放试验管柱至ø244.475 mm(9英寸)开窗套管中，管柱结构从上至下为：ø127 mm(5英寸)钻杆+变扣+窗口连接器+引鞋；观察窗口连接器标记线，直至窗口连接器下放到位；在管柱上做好方位标记(窗口连接器下放到位时的方位为0°)；上提管柱，直至窗口连接器出ø244.475 mm(9英寸)开窗套管，从0°方位依次顺时针旋转管柱45、90、135、180°，在各个方位角度下，分别进行窗口连接器下放试验；试验过程中，记录各个方位角度下的下压力、上提摩阻力。

2) 试验结果。

窗口连接器顺时针旋转45°时，下压最大遇阻力30 kN、上提最大遇阻力20 kN；窗口连接器顺时针旋转至90、135、180°时，下压最大遇阻力60 kN±3 kN，上提最大遇阻力20 kN±2 kN，窗口连接器在任意方位均能进入开窗套管，并于空心斜向器顶部实现定位。

试验结果表明，各个方位角度的下压载荷均小于100 kN，结合三维模拟结果表明，在该下压载荷下，连接器不会发生破坏，试验过程中也未发现有屈服变形。

5 结论

1) 设计的窗口连接器顶部设置定位螺旋凸台，同空心斜向器配合，可以实现窗口连接器下部管柱快速进入分支井眼。窗口连接器定位和悬挂于空心斜向器，操作更加简单、快捷，提高了作业成功率及作业效率。

2) 三维模拟结果表明， 窗口连接器选材符合要求，当窗口连接器最大挠度为266 mm时，最大应力出现在预设窗口顶部位置，为690 MPa，未达到该材料屈服强度；下压力100 kN、转矩10 kN·m工况下，最大应力为267.5 MPa，出现在窗口连接器底部位置，屈曲因子为1.53，材料强度及稳定性均满足需求。

3) 挠性变形地面测试表明，窗口连接器可以顺利下放到位。试验完毕后连接器未发生塑性变形，与挠性变形三维模拟计算结果一致。

4) 井口下放模拟测试表明，窗口连接器在ø244.475 mm(9英寸)套管中下放遇阻最大载荷约60 kN、上提遇阻力最大约20 kN，沿着任意方位角投放均可顺利到位，试验过程中未发现有屈服变形；在45°投放时，下放遇阻力较低，增大方位角度，下放摩阻增加。为了降低下放摩阻及便于到位观察，建议现场实际作业按照45°的方位角度进行投放。