六級分支井分枝器的連接工藝及施工實例

六級分支井分枝器的連接工藝及施工實例張興國申軍武編譯付建紅審校摘要多分支井由于其分支井連接工藝復雜，連接處的機械、水力密封性以及井眼幾何形狀不能有效控制，難以預測油藏壽命而使其應(yīng)用受到較大的限制。通常，六級水平的分支井連接，如多分支井技術(shù)標準所規(guī)定，必須同時滿足機械、水力密封的要求。本文介紹了一種可使分支井連接水平達到六級、預成型的雙分叉口分枝器。與非預成型的分枝器相比，預成型分枝器通過采用新型金屬成型技術(shù)，既保證了分支井連接處的機械、水力密封性能，又增加了分支井對主井筒的井眼直徑比。施工時，先將預成型的分枝器接在主井筒套管柱的下端下至井底。然后，在地面的精心監(jiān)控下，下入電纜傳送式膨脹工具，使其進入分枝器分叉口并產(chǎn)生膨脹，使預成型的分叉口二次成型、恢復原狀，從而實現(xiàn)對雙分支井的連接。膨脹過程結(jié)束后，即在連接處形成有效的機械、水力密封，并得到滿足設(shè)計尺寸要求的分叉口。本文首先介紹了新型連接工藝的施工過程及相關(guān)的連接工具,然后介紹了用該工藝鉆多分支井的建井過程,最后介紹了該工藝在油田的成功應(yīng)用實例。關(guān)鍵詞鉆井完井多分支井分支井連接引言由于多分支井既增加了油藏的泄油面積，又降低了油氣的開發(fā)成本，給人的第一印象是多分支井比單井眼更為可取，然而，進一步的分析表明，多分支井在建井過程中所面臨技術(shù)上的困難可能會抵消其在經(jīng)濟上的優(yōu)勢。多分支井建井成功的關(guān)鍵在于確保分支井與主井筒之間連接的質(zhì)量。如多分支井技術(shù)標準所規(guī)定，六級分支井連接，必須在不注水泥輔助封隔的條件下同時滿足機械和水力密封的要求。一個簡單的、由主井筒套管鞋處兩個相連管狀分叉口組成的分枝器，既簡化了分支井的連接工藝，又保證了分支井連接處的機械、水力密封性能，連接質(zhì)量也可達六級水平，但卻嚴重降低了分支井與主井筒的井眼直徑比，與常規(guī)的尺寸搭配相比，分支井的井眼直徑可被降低兩個或兩個以上的尺寸級別使分支井井眼比主井眼小得多，出現(xiàn)從大尺寸主井筒到小尺寸分支井筒之間的突然變化，因而限制了其在油田的推廣和應(yīng)用。最近，開發(fā)出一種可連接對稱雙分支井、連接質(zhì)量可達六級水平的雙分支井分枝器。使用該分枝器，不僅可增加分支井的井眼直徑，還可有效控制其分叉口的幾何形狀，并在分支井連接處實現(xiàn)有效的機械、水力密封。該分枝器的分叉口在制造時即被向內(nèi)壓縮、變形，以減小整體外徑，順利進入主井筒并到達預定位置，從而降低了分支井井眼直徑的損失。施工時，先將分枝器接在主井筒套管柱的下端下至井底，再用新型金屬成型技術(shù)使其分叉口在井下膨脹至原設(shè)計尺寸而實現(xiàn)對雙分支井的連接。通過電纜在地面對成型過程進行監(jiān)控，既簡化了分叉口的二次成型過程，又降低了不適當成型的風險，此外，與耗時更多、可控性更差的鉆柱傳送膨脹方法相比，施工時間明顯縮短。在多分支井建井過程中，用該分枝器對分支井進行連接不影響常規(guī)的鉆井、完井操作。為使常規(guī)的鉆井、完井設(shè)備能根據(jù)需要順利進入選定的分支井，已開發(fā)出可在分枝器內(nèi)進行選擇性導向的特殊導向工具。新型連接工藝為分支井、主井筒的完井方式提供了多種選擇，從而也拓寬了其自身的應(yīng)用范圍。在俄克拉荷馬地區(qū)的一口試驗井上，對新工藝的連接質(zhì)量、配套特殊工具的使用效果，以及兩口分支井不同完井方式的完井質(zhì)量進行了全面、成功的檢驗。檢驗結(jié)果將在后文予以介紹。系統(tǒng)簡介1．分枝器結(jié)構(gòu)對分支井進行連接，其目的就在于使分支井與主井筒連接起來，并在連接處形成有效的機械、水力密封，以封隔井眼周圍的地層及地層流體壓力。在主井筒井眼直徑一定的情況下，為增大分支井的井眼直徑，在制造分枝器時，其分叉口即被壓縮，盡管膨脹后也可恢復至原設(shè)計尺寸，但作為承壓容器,無論是抗內(nèi)壓還是抗外擠,其承載能力都是非常有限的。文獻［2］用有限元分析方法評價了5種連接方式抗內(nèi)壓、抗外擠的能力。如圖1所示的復合結(jié)構(gòu)增強設(shè)計法,通過在對稱的、焊接而成的雙分叉口之間增加用高強度材料制成、起強化作用的筋板而使分枝器的承載能力得到大幅度的提高，同時，筋板提供的硬質(zhì)導向表面可降低后續(xù)鉆井作業(yè)對分枝器造成的磨蝕。高韌性的分叉口以很小的偏離角焊接在筋板上，構(gòu)成分枝器的下半部分。一項已申請專利的焊接技術(shù)保證了筋板和分叉口間具有復雜幾何形狀的焊縫的焊接質(zhì)量。兩個分叉口通過一個專用的異徑接頭與主井筒套管柱相連。該異徑接頭能在幾何尺寸上實現(xiàn)從主井筒單井眼到分支井雙井眼的平滑過渡。分枝器類似引鞋的下半部分由玻璃纖維襯套和固結(jié)其中的鋼架組成，可作套管鞋使用，在下套管過程中保護分叉口不受傷害。此外，其鋼架結(jié)構(gòu)可在分支井鉆井過程中作為斜向器引導鉆具組合鉆出分叉口。2?分叉口二次成型在制造分枝器時，其分叉口即被高度壓縮以裝入外徑為113/〃的襯套。壓4縮后分叉口發(fā)生塑性變形而筋板形狀不變（圖2）。由于該壓縮過程對分叉口以后的二次成型過程有重要影響，因此，整個壓縮過程是在特殊的壓力下進行的，以保證分枝器的外形尺寸在嚴格的公差范圍以內(nèi)。圖1由復合結(jié)構(gòu)增強法設(shè)計的分支器結(jié)構(gòu)①可提供強大承壓能力的分叉口加強筋板；②焊接在筋板上的異徑接頭；③從主井筒到分支雙井眼的過渡短節(jié)。圖2分叉口被高度壓縮裝入外徑為113/4〃的襯套中4A=15.2in;B=12.0Iin用帶電纜信號傳輸和徑向水力活塞的液壓膨脹工具在井下對分枝器的兩個分叉口同時進行膨脹，以得到滿足設(shè)計尺寸要求的分支井井眼直徑。由于水力活塞徑向放置，其膨脹力垂直作用于分叉口，因而不對分叉口產(chǎn)生軸向的作用力。施工過程及施工參數(shù)在地面進行實時監(jiān)控。膨脹過程決定了分枝器的形狀、尺寸，膨脹過程一結(jié)束，分枝器即被最終定型。3?導向套管連接器(IndexingCasingCoupling)在建井過程中，為使分枝器恢復原狀，需將電纜傳送式膨脹工具插入其分叉口并進行膨脹；為使鉆井、完井管柱能根據(jù)需要順利進入選定的分叉口并進行后續(xù)作業(yè)，需根據(jù)分叉口方位對鉆井斜向器等工具進行定向。通常用位于主井筒套管柱內(nèi)的定向鍵槽來使工具到達所需要的方位。導向套管連接器(以下簡稱導向器)由三個管狀部件構(gòu)成。其關(guān)鍵部件是一根帶定向鍵槽的套管短節(jié)和位于短節(jié)內(nèi)的鎖定裝置(圖3)。通常，導向器連接在分枝器上方一定距離的地方，并根據(jù)分枝器分叉口的方位用計時絲扣法(timedthreads)進行定向。圖3由三個管狀部件組成的導向器需根據(jù)分枝器分叉口方位進行定向的工具有一個可與導向器定向鍵槽對接的定位銷。定向時，工具緩慢旋轉(zhuǎn)，一旦到達所需方位，其定位銷就嵌入定向鍵槽，使工具停止旋轉(zhuǎn)，至此，定向操作即告結(jié)束。某些工具，如斜向器，定向后需留在導向器內(nèi)。導向器內(nèi)的鎖定裝置可對這些工具進行鎖定，防止它們在后續(xù)建井過程中發(fā)生移動。工具在導向器內(nèi)的鎖定和回收作業(yè)，可用不同的送入、回收工具進行。4?膨脹工具用電纜傳送式膨脹工具對分枝器分叉口進行二次成型。該膨脹工具(MJET)可分為兩個部件:膨脹部件(MDJ)和控制、增壓部件(MCPI)。將MJET下入95/8〃套管內(nèi)，并通過其外表面上的定位銷在導向器內(nèi)進行8定向。當工具到達所需方位、停止旋轉(zhuǎn)之后，再將其膨脹部件的膨脹腿柱插入分枝器預壓縮的分叉口。MJET上配有兩個就位傳感器，當其在分枝器內(nèi)進入距預定位置i/〃的范圍4內(nèi)時，即被觸發(fā)，使工具就位。此外，MJET上的斜度儀，可用以確定MJET相對于井眼高邊所處的方位。利用上述數(shù)據(jù)，結(jié)合其在分枝器內(nèi)的相對位置，即可確定分枝器分叉口相對于井眼高邊的方位。當膨脹工具被啟動開始工作時，其活塞在地面精心監(jiān)控的液壓作用下推動分枝器分叉口內(nèi)的托架，使被向內(nèi)壓縮的分叉口張開，并恢復至原設(shè)計尺寸?；钊倪\動決定了分枝器分叉口二次成型的質(zhì)量，因此用八個電位計對活塞的運動進行監(jiān)控，并在作業(yè)結(jié)束后測出分枝器分叉口的最終尺寸。液壓系統(tǒng)內(nèi)的傳感器可對活塞推力和液體壓力進行連續(xù)的監(jiān)測。二次成型過程中的所有參數(shù)都被記錄并被傳送至地面接收系統(tǒng)。接收系統(tǒng)對其進行處理后，再用數(shù)字、圖表信息將其反映出來，作為下步操作的抉擇依據(jù)，從而在地面對作業(yè)進行監(jiān)控。5?斜向器(drillingdeflector)由鉆桿傳送的可回收式斜向器，用液壓操作送入工具將其送至井底，并使其進入選定的分叉口。當斜向器進入導向器時，其外表面上的定位銷使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一旦定位銷進入定向鍵槽，斜向器就停止旋轉(zhuǎn)，表示已到達所需方位。之后，啟動送入工具內(nèi)的液壓機構(gòu)，將斜向器鎖定在導向器內(nèi)的鎖定裝置上，同時，斜向器本身所帶的固定銷，也輔助將其在導向器內(nèi)進行鎖定。在下入和鎖定斜向器的過程中，一系列傳感器將反映井下情況的液壓信號送至地面，從而實現(xiàn)對過程的實時監(jiān)控。一旦斜向器座定，就無法再旋轉(zhuǎn)或上下移動。起出斜向器送入工具。此時，分支器的兩個分叉口，一個可順利進入并進行后續(xù)作業(yè)，而另一個則被斜向器封堵而無法進入。當無需再用斜向器引導鉆具組合進入分叉口時，可下回收工具回收斜向器?；厥諘r，回收工具先在導向器內(nèi)定向，然后進入斜向器并打開固定銷，同時將其自身與斜向器鎖連在一起。整個過程，通過液壓反饋信息進行監(jiān)控。一旦反饋信息表明斜向器和回收工具已成功鎖連，上提管柱，即可起出斜向器。6．分支井鉆井當斜向器就位后，下入61/8〃的井底鉆具組合用常規(guī)鉆井技術(shù)和設(shè)備鉆分支8井。第一口分支井鉆成以后，新型分支井連接工藝提供了幾種完井方式供其選擇，可裸眼完井，也可下完井管柱完井。如下完井管柱完井，用一個特殊設(shè)計、能提供機械、水力密封性能的尾管懸掛器將完井管柱懸掛在分枝器的分叉口內(nèi)即可。由液壓操作的尾管懸掛器，通過特殊設(shè)計的雙向卡瓦，座定在距分枝器分叉口出口18〃以內(nèi)的位置。座定后，懸掛器不能再發(fā)生任何移動。用圖4所示經(jīng)過特殊設(shè)計、可引導水泥漿進入尾管柱的尾管注水泥工具，兩口分支井都可以進行注水泥作業(yè)（一次一口分別進行）。圖4分支井尾管注水泥工具①杯型皮碗密封器；②注水泥內(nèi)管；③斜向器；④尾管懸掛器；⑤尾管上的開孔短節(jié)。在注水泥過程中，注水泥膠塞與浮箍配合，隔離鉆井液和水泥漿，防止水泥漿被鉆井液污染。此外，膠塞還可清除尾管內(nèi)表面上的水泥漿。在反循環(huán)過量的水泥漿時，雙環(huán)空可防止水泥漿流過斜向器、導向器定向鍵槽以及導向器的固定裝置等工具，以免這些工具被水泥漿固結(jié)而造成事故。7?分支井完井分支井完井主要采用以下三種完井方式完井：雙井完井，分層開采單井完井，混合開采智能完井，選擇性開采三種方式都需用雙管對分支井進行回接，并都需要用雙管封隔器對雙管進行坐封。如采用雙井完井，則將兩根31/2〃的短油管分別插入兩個分支井內(nèi)的2尾管懸掛器，插入時，31/2〃油管上的密封件與41/2〃尾管柱上的密封孔自22動形成機械、水力密封。雙管完井系統(tǒng)由上部、下部完井組合組成，如圖5所示。兩個帶密封件的31/2〃短油管插入帶定位銷、可在導向器內(nèi)進行定向的雙管定位器2(Dualvertor)。當定位器進入導向器時，下部完井組合旋轉(zhuǎn)、定向，使31/2〃油管分別插入位于分枝器兩個分叉口內(nèi)的尾管懸掛器，之后用雙管封隔器座定該下部完井組合。

圖5雙管完井系統(tǒng)總成①尾管懸掛器；②雙管定位器；③雙管封隔器；④雙插銷；⑤分配器。底部帶雙插銷(DualLatch)的上部完井組合下至井底并插入雙管封隔器。如需對分支井進行分層開采，則從雙插銷頂部回接兩根31人〃的油管至地2面；如需進行混合開采或選擇性過油管操作，貝懦在雙插銷之上加下一個插入分配器(interventiondiscriminator)，再用5i/〃的油管回接至地面，2即可形成混合開采油流通道。智能完井部件位于連接雙插銷和插入分配器的3i/2〃油管內(nèi),從而對兩口分2支井中的生產(chǎn)情況進行優(yōu)化控制。當需進行過油管插入時，在完井管柱內(nèi)再下一個可回收的選擇器，當其在分配器中定向、就位后，即可使過油管作業(yè)管柱進入選定的分支井進行作業(yè)。作業(yè)結(jié)束后，回收選擇器。施工準備1．主井筒要在121/4〃井眼中下入前文所述連接水平可達六級的95/8〃雙分叉口分48枝器，準備工作的第一步就是用常規(guī)的鉆井技術(shù)和設(shè)備鉆121/4〃的主井筒。4第二步就是在主井筒內(nèi)用擴眼鉆頭對將要安放分枝器的121/4〃井段進行擴4眼。擴眼段段長至少40英尺，直徑不小于17〃。同樣由常規(guī)鉆井設(shè)備、技術(shù)完成。當井眼準備好以后，根據(jù)常規(guī)下套管程序，將長42英尺、預成型的分枝器接在95/8〃套管柱的下端下入井內(nèi)，并使其進入直徑為17〃的擴眼段。8裝配電纜傳送式分枝器膨脹工具,并用旋轉(zhuǎn)式電纜卷筒將其下至井底。當膨脹腿柱插入分枝器的分叉口后,將電纜固定在95/8〃套管柱頂部，即可根據(jù)需8要通過套管進行循環(huán)，或上下活動套管柱。通過在地面用鉆機大鉗旋轉(zhuǎn)95/8〃套管，旋轉(zhuǎn)位于套管柱下端的分枝器，并8使其到達所需要的方位。由于套管柱在扭矩作用下發(fā)生扭曲，分枝器的方位變化用插入其中的膨脹工具進行實時監(jiān)測。一旦分枝器到達所需方位，即可啟動膨脹工具膨脹其分叉口。整個過程在地面進行實時監(jiān)控，并在40分鐘以內(nèi)完成。膨脹結(jié)束后，起出膨脹工具及信號傳輸裝置，準備進行95/8〃套管固井。82．注水泥封固分枝器及95/8〃套管柱8在95/8〃套管內(nèi)下一個常規(guī)的電纜坐封注水泥擋環(huán),并使其坐封在導向器和8異徑接頭之間，坐封位置應(yīng)能保證在注水泥期間防止水泥漿到達導向器部件注水泥擋環(huán)坐封到位以后，下入注水泥管柱，并使管柱上的注水泥插頭進入擋環(huán)。管柱就位后即可開始注水泥作業(yè)。作業(yè)結(jié)束后，上提注水泥管柱，從擋環(huán)中拔出插頭，反循環(huán)出多余的水泥漿。水泥漿凝固后，回收注水泥擋環(huán)3．鉆分支井用83/8〃的鉆頭配合零彎角的導向泥漿馬達鉆分支井。8井底鉆具組合上的定位接頭，通過在導向器內(nèi)進行定位而限定組合在導向器內(nèi)的鉆進長度。下入鉆具組合鉆主井筒內(nèi)注水泥擋環(huán)以下的水泥塞至分枝器異徑接頭的底部。當鉆具組合鉆至其限定位置時，定位接頭上的定位銷插入導向器內(nèi)的固定裝置，防止組合進一步下鉆，從而防止組合進入分枝器異徑接頭之下的分叉口。起出83/8〃的鉆水泥塞鉆具組合,下入斜向器,并通過導向器定位、鎖定；起出8斜向器送入工具；下61/8〃的定向鉆具組合，在斜向器的引導下，鉆進選定的8分叉口，鉆分支井。當分支井鉆達目標井深后，選用前述的完井方式完井。第一口分支井完成后，起出斜向器，并在第二個分叉口入口處重新定位，之后，用同樣的設(shè)備、技術(shù)鉆第二口分支井。4．連接分支井和主井筒分支井和主井筒之間通過上部完井組合和下部完井組合進行連接。下部完井組合對于前述三種完井方式都是必須的，而上部完井組合則由于所選完井方式不同而有所區(qū)別。第一步，用雙管定位器和頂部帶有特殊定位插座及送入工具的雙管封隔器將兩根31/2〃的短油管送至井底。雙管定位器在導向器內(nèi)定向后，將油管分2別插入位于分枝器兩個分叉口中的尾管懸掛器。插入時，油管上的密封件進入尾管懸掛器內(nèi)的密封孔，從而使兩個分叉口都實現(xiàn)機械、水力密封。然后通過液壓操作座定雙管封隔器，將可回收的下部完井組合留在井內(nèi)。起出送入工具。第二步，用雙插銷將雙31/2〃短油管送至井底，并通過先期下入的、位于雙管2封隔器頂部的特殊插座將其定向、座定。無論是雙油管還是單油管，都可以從雙插銷回接至地面。為將51/2〃的單油管回接至地面，下插入分配器到雙插銷的上方,而智能完2井部件則裝入連接雙插銷和分配器的雙31/2〃油管內(nèi)。分配器上有一采油2總成，使兩根31/2〃油管在此匯合，并與其上回接至的地面51/2〃油管相22通。完井管柱安放好以后，在51/2〃的回接油管內(nèi)下入可回收的選擇器2(Selector)，并使其進入采油總成，鎖定在插入分配器內(nèi)，即可形成過油管入口，引導后續(xù)作業(yè)管柱進入選定的分支井。一旦過油管作業(yè)操作完畢，選擇器可回收再利用。在油田的首次應(yīng)用1．井眼概況1999年冬，在俄克拉荷馬地區(qū)的一口試驗斜井上，新工藝成功地實現(xiàn)了新型分枝器在斜井中的定位、膨脹和注水泥封固操作。通過分枝器鉆了兩個61/8〃的定向分支井。第一口分支井不注水泥下481/2〃的尾管完井，而第二口則下41/2〃尾管注水泥完井。22用常規(guī)的鉆井技術(shù)、設(shè)備鉆121/4〃的斜直井到測深970英尺，并將井底440英尺井段用常規(guī)擴眼設(shè)備、技術(shù)擴眼至17〃。3．下95/8〃分枝器8另行堆放需下井的95/8〃套管，并予以準確測量、記數(shù)，以保證分枝器被準8確下入擴眼井段。下入時，將42英尺長的分枝器接在95/8〃套管柱的下端，8作為95/8〃套管柱的一部分按常規(guī)下套管程序下至井底。分枝器被成功地下8入擴眼段。4．膨脹分枝器95/8〃套管就位以后，裝配由如下四部分組成的信號測量、傳輸、執(zhí)行裝置：8自動記錄式遙測電子線路短節(jié)、Y射線測井儀、套管接箍定位儀和膨脹工具。將裝置下至井底后，用Y射線測井儀和套管接箍定位儀確定裝置的位置，當其到達導向器時,對其進行定向,之后在分枝器內(nèi)座定。當就位傳感器信號表明膨脹工具已到達設(shè)定位置、膨脹腿柱也已插入分枝器的分叉口后，用工具內(nèi)的斜度儀測量分枝器相對于井眼高邊的方位。啟動膨脹工具膨脹分枝器的分叉口，并在地面通過工具內(nèi)的傳感器對膨脹過程進行實時監(jiān)控。整個膨脹過程在35分鐘內(nèi)完成。分枝器的二次成型工作完成以后，僅用15分鐘就使膨脹工具復原。起出膨脹工具。整個作業(yè)過程，包括電纜總成的現(xiàn)場安裝和拆卸，總共不到3小時。5．注水泥封固分枝器下注水泥擋環(huán)，并使其座定在導向器之下、分枝器之上。注水泥插頭就位后，注水泥封固95/8〃套管柱。候凝24小時以后，在95/8〃套管內(nèi)下入有線88成像測井儀測井，評價注水泥作業(yè)的質(zhì)量。評價結(jié)果表明，注水泥作業(yè)成功。6．鉆分支井用83/8〃的鉆頭配合泥漿馬達鉆注水泥擋環(huán)和分枝器異徑接頭之間的水泥8塞。如果注水泥擋環(huán)不予以回收而被鉆碎，所產(chǎn)生的金屬碎屑需進行清洗、打撈，否則將降低鉆進的速度,為此,開發(fā)了注水泥擋環(huán)回收工藝，并已在室內(nèi)得到驗證。下入斜向器，并將其鎖定在選定的分叉口處。用61/8〃的導向鉆具組合鉆所8選分叉口內(nèi)的水泥塞，之后，繼續(xù)鉆進鉆分支井。41/2〃的尾管柱被成功地下在第一口分支井內(nèi)，并在一趟鉆內(nèi)將其用液壓短