CN101718173B - 石油多分支井膨胀管分叉结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油多分支井膨胀管分叉结构及施工方法。包括主干部分和分支部分。主干部分包括裸眼、水泥、套管、膨胀管分叉、导斜器、钻头、钻杆、管接头、喇叭口。分支部分包括膨胀管尾管、扶正器、胀头、密封垫组、紧固螺母、封底、皮碗、密封圈、胶塞体、卡簧、引鞋、注浆口。本发明借用石油膨胀管优异的可塑性和可焊性，为石油工程的分支、悬挂、封隔和设计施工给出全新理念，提出在管柱下井前预制膨胀管分叉和预置导斜器，经过压力整形下井，在井下定向撑开分叉恢复原形，同时利用扩径进行膨胀封隔、借助膨胀实施密封悬挂，这样可简易稳妥地获得优异六级多分支井。另外本发明分叉焊缝符合双圆柱相贯线原理，结构简单易于加工，系列技术大大简化了分支钻井设计和完井施工过程。

Description

石油多分支井膨胀管分叉结构及施工方法

技术领域

本发明涉及石油井型技术，特别是一种石油多分支井膨胀管分叉结构及施工方法。

背景技术

目前国际推崇石油分支井的两个主要理由是增加采油产量和节省采油占地空间，实际它对充分利用石油资源具有更大价值，首当其冲的是能解决“多分散和低渗透”特点油田采油问题，国际低渗透油田开采比例在不断增加，目前在中国基本已达到50％。对这类油田单一推广水平井增产并不那么奏效；另外不分场合推广压裂和注水，破坏油层自然状态，虽然短时间有点收获，但长远会造成不良后果。于是人们提出设想，像编织稠密叶脉一样、使各处都通达流畅，这样将孤立的垂直竖井改造成连通油藏三维化的分支通道，分支井就是这种模式的第一步，它即解决了海洋石油平台空间利用率问题，又能提高内陆油田单井产量，特别对低渗透多分散区块油田资源的合理利用具有更重要的现实意义。

石油分支井本身构造也很复杂，根据K.K.Waddell定义，通常石油分支井完井级别，按主干完井、分支完井和主干与分支连接完井的特点，分为一、二、三、四、五、六级，分别列入图1中并说明如下：

一级分支完井：主干裸眼完井、分支裸眼完井、连接裸眼完井；

二级分支完井：主干套管注浆完井、分支筛管裸眼完井、连接裸眼完井；

三级分支完井：主干套管注浆完井、分支套管注浆完井、连接裸眼完井；

四级分支完井：主干套管注浆完井、分支套管注浆完井、连接注浆完井；

五级分支完井：主干套管注浆完井、分支套管注浆完井、连接套管封隔密封完井；

六级分支完井：主干套管注浆完井、分支套管注浆完井、连接套管分叉注浆密封完井。

考察上述所列石油分支井的实际，工程难点在六级、六级难点在连接，连接难点在分叉(油田俗称裤衩制作)。专利CN200510107938.4采用内环定位和机械座封，代表了一般机械式分叉的特点，其问题是缩小采油空间、密封不可靠、几乎100％耐压不足或发生泄漏、施工过于复杂、工程失误或毁井风险大，至今为止石油六级分支井仍是完井工程关键难题，为此本发明提出采用膨胀管分叉的稳妥解决方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种石油多分支井膨胀管分叉结构及施工方法。本发明借用石油膨胀管优异的可塑性和可焊性，在管柱下井前预制折叠分叉和预置造斜器，下井后定向定位撑开膨胀管分叉，获得优异六级多分支井。本发明分叉焊缝符合双圆柱相贯线原理，结构简明设计合理；装置材料可塑性好易于成型，同时拥有良好可焊性，稳定可靠的保证密封；井上预制分叉和预置造斜器简化了结构设计，尺寸精确相互位置配合紧密，可以稳妥保证施工质量，大大简化井下施工过程。

本发明提供的石油多分支井膨胀管分叉结构包括主干部分和分支部分。

主干部分包括裸眼、水泥、套管、膨胀管分叉、导斜器、钻头、钻杆、管接头、喇叭口。所述的套管位于裸眼中心部位，套管之间通过管螺纹互相连接，套管与裸眼之间充填水泥。套管短截侧开有斜窗孔，分支膨胀管上端口焊在套管短截斜窗孔上，分支膨胀管下端有直径稍粗的喇叭口，组成膨胀管分叉。下井前在套管短截内斜窗孔同高度上安装导斜器，使导斜器上部斜面的下缘与斜窗孔下缘相重合。

所述的分支膨胀管是由膨胀管制造的。套管短截和分支膨胀管的焊缝的几何轨迹是等直径双圆柱的相贯线，其相贯曲线分别处在两个平面之内。沿该平面交线投影，则上述两个相贯线曲线的投影成为两条直线，分别是套管短截和分支膨胀管相邻轮廓线的角平分线。

所述的分支部分包括膨胀管尾管、扶正器、胀头、密封垫组、紧固螺母、封底、皮碗、密封圈、胶塞体、卡簧、引鞋、注浆口。膨胀管尾管上端悬挂在分支膨胀管末端的喇叭口内，其下部保持原来方向或逐步改变方向，下端螺纹连接引鞋，引鞋下底和旁侧有注浆孔。封底在引鞋上部，封底与膨胀管尾管以螺纹连接。封底中央有中间孔，中央孔底部有胶塞定位台阶，中央孔内有胶塞密封。所述的胶塞由皮碗、密封胶圈、胶塞体和卡簧组成。胶塞卡簧落入中间孔卡簧槽内弹开，卡住胶塞固定胶塞位置，防止注浆时被顶起向上抬。

具有膨胀管分叉的多分支井由一个主干和两个以上分支组成，多分支施工是自上而下进行的，借助钻杆提出上分支部分胀头和导斜器，然后进行下分支部分的施工。

所述的膨胀管尾管是由膨胀管制造的。采用先注浆固井，后膨胀压实工艺。

本发明提出的一种石油多分支井膨胀管分叉结构的施工方法包括的步骤：

1)，制造膨胀管分叉：下井之前，在套管短截上预先按相贯曲线切出斜窗孔，同时切出分支膨胀管的相贯曲线端口，将分支膨胀管端口焊至套管短截斜窗孔上，形成膨胀管分叉；

2)，预装导斜器：在地面将导斜器装入膨胀管分叉的套管短截内，并使导斜器导斜面与分支膨胀管方向对位，并相对套管短截固定导斜器，形成导斜分叉装配体；

3)，导斜分叉装配体造形，即将分叉管压靠贴在套管短截外表面。经过圆槽形模具下压，其套管部分由于内装导斜器，它的圆柱外形未变，而其旁侧膨胀管支叉发生塑变，被压靠，贴在套管短截外表面。如图2上右所示，两管截面自上而下有三种情况：A位置两截面之间不连通，外部连接；B位置两截面之间完全连通；C位置两截面之间完全不连通。

4)，套管管柱下井用陀螺仪给膨胀管分叉定向，按设计上下顺序和位置连接套管与整形造斜分叉装配体；

5)，分步下钻膨胀管分叉整形，钻头向下借助导斜器的导向作用，向前推压、捅开贴服的膨胀管分叉，像手臂伸入“袖筒”一样，完全张开分支膨胀管、恢复塑变前原形；

6)，钻取分支裸眼及扩孔；

7)，用钻杆下膨胀管尾管，其中包括膨胀管尾管、扶正器、胀头、密封垫组、紧固螺母、封底、引鞋和注浆口；

8)，分支管注浆固井，压送胶塞密封封底，蹩压启动胀头扩张膨胀管，进行尾管悬挂；

9)，取出导斜器继续施工下部分支

10)，通过钻杆向主干套管外侧注浆，系统工程打压验收。

本发明提供的石油多分支井膨胀管分叉结构和施工方法是借用石油膨胀管优异的可塑性和可焊性，在管柱下井前预制折叠分叉和预置造斜器，下井后定向定位撑开膨胀管分叉，获得优异六级多分支井。本发明分叉焊缝符合双圆柱相贯线原理，结构简明设计合理；装置材料可塑性好易于成型，同时拥有良好可焊性，稳定可靠的保证密封；井上预制分叉和预置造斜器简化了结构设计，尺寸精确相互位置配合紧密，可以稳妥保证施工质量，大大简化井下施工过程。

附图说明

图1是已有石油分支井完井级别示意图。

图2是本发明石油多分支井膨胀管分叉结构示意图。

具体实施方式

本发明参照附图详细说明如下：

如图2所示，本发明的组成为：裸眼1，套管2，钻杆3，水泥4，管接头5，导斜器6，膨胀管分叉7，喇叭口8，胀头9，密封垫组10，固定螺母11，膨胀管尾管12，扶正器13，封底14，皮碗15，密封圈16，卡簧17，胶塞体18，注浆口19，引鞋20，钻头21。

本发明石油多分支井膨胀管分叉结构包括主干部分和分支部分：

主干部分包括裸眼1、套管2、钻杆3、水泥4、管接头5、导斜器6、膨胀管分叉7、喇叭口8、钻头21；

裸眼1是指钻通岩土的孔眼裸眼。套管2位于裸眼1的中心部位，套管2之间通过螺纹管接头互相连接，套管2与裸眼1之间充填水泥4。套管短截侧开有斜窗孔，膨胀管分叉7焊在套管短截斜窗孔上。下井前装好导斜器6，在套管短截内侧斜窗孔同高度安装导斜器6，使导斜器6的导斜面下缘与斜窗孔下缘相重合。下井前在套管短截上预先按相贯曲线切出斜窗孔，同时切出分支膨胀管的相贯曲线上端口。

下井前将分支膨胀管端口焊至套管短截2斜窗孔上，再预先装入导斜器6，利用圆槽形状模具下压，膨胀管发生塑变，被压靠贴于套管短截2外表面。两管截面自上而下有三种情况：A位置两截面之间不连通，外部连接；B位置两截面之间完全连通；C位置两截面之间完全不连通。另外套管短截2和分支膨胀管连接焊缝的几何轨迹是等直径双圆柱的相贯线，其相贯曲线如图1所示，分别处在D、E两个平面之内。以沿该D、E平面交线投影，则D、E两个平面投影成为两条直线。

上述下井前已装配管的连接管柱下井到位后，下井钻头借助导斜器6的导向作用，向前推拱、捅开贴服的分支膨胀管，像手臂伸入“袖筒”一样，帮助分支膨胀管张开、并恢复了塑变前的原形。

所述的分支部分包括胀头9、密封垫组10、固定螺母11、膨胀管尾管12、扶正器13、封底14、皮碗15，密封圈16，卡簧17，胶塞体18、注浆口19、引鞋20。膨胀管尾管12的上端悬挂于分支膨胀管末端的喇叭口8内，其下端螺纹连接引鞋20，引鞋20下底位置和旁侧有注浆孔19。在引鞋20上部有封底14，膨胀管尾管12以螺纹连接封底14。封底14中央有中央孔，中央孔内有胶塞，中间孔底部有胶塞定位台阶。所述的胶塞是由皮碗15、密封圈16、胶塞体18和卡簧17组成。胶塞卡簧17落入中间孔的卡簧槽内弹开卡住胶塞，防止注浆被顶开避免回流。

如上所述钻头21下伸使膨胀管分叉7恢复了原形，同时本身作为定位模具，引导钻头21继续向前，露出分叉端部后开始旋转钻进，钻取分支的裸眼。用随动导向仪来控制钻孔轨迹，钻通分支的裸眼后进行扩孔。利用钻杆3下入胀头9、膨胀尾管12、扶正器13、封底14和引鞋20。所述的膨胀管尾管12是由膨胀管制造的。并采用先注浆固井、后膨胀压实工艺。下到位后冲洗完毕，开始注入前置液、水泥4和隔离液，填充膨胀尾管12与裸眼1之间的环形空隙。压送胶塞至封底14中孔定位处密封，此时下有胶塞密封的封底、上有密封垫组10的胀头9和四周有环抱的膨胀管尾管12密封，形成封闭空间。从钻杆3中孔注水憋压，推动胀头9向上前进，开始扩张膨胀管，一直达到膨胀管分叉的喇叭口8处，所述的尾管2是悬挂在喇叭口内。即借助膨胀管向外扩径，则压缩了膨胀管与喇叭口8之间的橡胶圈，形成悬挂力来固定膨胀尾管12。

本发明提出的石油多分支井膨胀管分叉结构的施工方法经过的步骤：

1)，制造膨胀管分叉7：下井之前在套管短截上预先按相贯曲线切出斜窗孔，同时切出分支膨胀管的相贯曲线端口，将分支膨胀管端口焊至套管斜窗孔上，形成膨胀管分叉7；

2)，预装导斜器6：在地面将导斜器6装入膨胀管分叉7的套管短截内，并使导斜器6导斜面与分支膨胀管方向对位，并相对套管短截固定导斜器6，形成导斜分叉装配体；

3)，导斜分叉装配体造形，即将膨胀管分叉7压靠贴在套管短截外表面。经过圆槽形模具下压，其套管短截部分由于内装导斜器6，它的圆柱外形未变，而其旁侧膨胀管支叉7发生塑变，被压靠贴在套管短截外表面。如图2上右所示，此时两管截面自上而下有三种情况：A位置两截面不通外接；B位置两截面为通而直接；C位置两截面为不通不接。

4)，套管2管柱下井用陀螺仪给膨胀管分叉7定向，按设计上下顺序和位置连接套管2与整形造斜分叉装配体；

5)，分步下钻膨胀管分叉7整形，钻头向下借助导斜器6的导向作用，向前推压、捅开贴服的膨胀管分叉7，像手臂伸入“袖筒”一样，完全张开膨胀管分叉7、恢复塑变前原形；

6)，钻取分支部分裸眼1及扩孔；

7)，用钻杆2下膨胀管尾管12，其中包括膨胀管尾管12、扶正器13、胀头9、密封垫组10、固定螺母11、封底14、引鞋20和注浆口19；

8)，分支膨胀管尾管12注浆固井，压送胶塞密封封底14，蹩压启动胀头9扩张膨胀管尾管12，使其悬挂在喇叭口8内；

9)，取出导斜器6继续施工下部分支

10)，通过钻杆2向主干套管2外侧注浆，系统工程经过打压验收。；

应用实施例

本发明实施是膨胀管多分支试验井，主干套管短截直径D为7”、N80套管150米，有两个分支部分。上分支点在30米处、分支膨胀管尾管长度30米，分叉狗腿度Θ＝4°；下分支点在120米处、膨胀管尾管长度30米，膨胀管分叉Θ＝3°。本实施例的上、下分支膨胀管与套管等直径、均为Φ177.8×7mm、ZP08膨胀管。上、下膨胀管尾管均为Φ140×7mm、ZP08膨胀管，材料延伸率32％、强度高于80级。主干部分包括9”裸眼、Φ177.8×8.05mm的N80套管和膨胀管分叉、4°和3°造斜器、焊缝窗口最长尺寸分别为1352mm，1786mm，分支膨胀管尺寸L均为500mm，为了保证自由张开，裸眼分支点的长度范围1m，局部扩大的半径尺寸R为300mm，一般推荐大于或等于：

R≥1.5D+0.0175ΘL

为保证良好的固井质量，获得厚度均匀的水泥环，使套管处在裸眼的中心部位，则管外侧安装扶正器，所谓扶正器其每组的主要部分为四个扁弹簧带，每个弹簧带中段径向隆起，其两端插入管固定环的孔中，则两端可以在一定范围进行移动。通过管接头套管互相连接，通过钻杆向套管外侧与裸眼之间注浆。本实施例中，套管斜窗孔和焊接分叉管焊缝的几何轨迹，是等直径双圆柱的相贯线。在井上先切割好上下套管短截斜窗孔和上下膨胀管分叉端部，将上下分叉分别焊在上下套管短截斜窗孔上。清理后在套管短截内侧与斜窗孔同高度安装上下导斜器，使导斜器斜面下缘与斜窗孔下缘重合。利用形状模具将分支膨胀管压靠贴于套管短截外表面。用陀螺仪给下井膨胀管分叉定向。下裸眼水泥和Φ160mm钻头和Φ220mm扩孔钻头。下Φ160mm钻头，钻头借助导斜器上表面导向，前推捅开贴服的膨胀管分叉，像手臂伸入袖筒一样张开膨胀管分叉，并恢复其塑变前的原形。钻头继续向前旋转开始钻孔，按随动导向仪控制钻头轨迹形成裸孔，然后继续Φ220mm扩孔。下入上分支部分膨胀尾管管柱，其中包括膨胀尾管、扶正器、胀头、密封垫组、紧固螺母、封底、引鞋、注浆口。管柱到位后配泥浆液开始冲洗。注意本实施例配缓凝8小时的水泥浆。注入的前置液、水泥浆和隔离液，按1∶2∶1配比，打压8MPa注浆通过注浆孔填充上膨胀管尾管与裸眼之间的环形空隙。压送胶塞刮浆并密封封底，胶塞卡簧落入中间孔卡簧槽内弹开，固定胶塞位置。注水憋压35MPa后推动胀头向上前进，扩张膨胀管，胀头尺寸Φ145mm、膨胀幅度15％。一直达到膨胀管分叉的喇叭口处，借助于膨胀管扩径，压缩膨胀管与喇叭口内径之间橡胶圈，形成悬挂力以固定膨胀管尾管。膨胀管尾管上端悬挂于膨胀管分叉末端的喇叭口内。多分支井的施工是自上而下进行的，上分支部分施工完成后，提出上分支部分的胀头和造斜器，然后进行下分支部分的施工，其施工工艺与上述类似。最后通过钻杆向主干套管外侧注浆固井。打压30MPa、稳压1小时、无渗无漏，证明分叉结构密封良好工程验收。

Claims (3)

1.一种石油多分支井膨胀管分叉结构，其特征在于它包括主干部分和分支部分；主干部分包括裸眼、水泥、套管、膨胀管分叉、导斜器、钻头、钻杆、管接头、喇叭口；所述的套管位于裸眼中心部位，套管之间通过管螺纹互相连接，套管与裸眼之间充填水泥；套管短截侧开有斜窗孔，分支膨胀管上端口焊在套管短截斜窗孔上，分支膨胀管下端有直径稍粗的喇叭口，组成膨胀管分叉；下井前在套管短截内斜窗孔同高度上安装导斜器，使导斜器上部斜面的下缘与斜窗孔下缘相重合；

所述的分支部分包括膨胀管尾管、扶正器、胀头、密封垫组、紧固螺母、封底、皮碗、密封圈、胶塞体、卡簧、引鞋、注浆孔；膨胀管尾管上端悬挂在分支膨胀管末端的喇叭口内，其下部保持原来方向或逐步改变方向，下端螺纹连接引鞋，引鞋下底和旁侧有注浆孔；封底在引鞋上部，封底与膨胀管尾管以螺纹连接；封底中央有中间孔，中间孔底部有胶塞定位台阶，中间孔内有胶塞密封；所述的胶塞由皮碗、密封圈、胶塞体和卡簧组成；胶塞卡簧落入中间孔卡簧槽内弹开，卡住胶塞固定胶塞位置。

2.一种权利要求1所述的石油多分支井膨胀管分叉结构的施工方法，其特征在于包括的步骤：

1)下井之前制造膨胀管分叉；

2)在地面预装导斜器，形成导斜分叉装配体；

3)导斜分叉装配体压靠造形；

4)套管管柱下井用陀螺仪给膨胀管分叉定向；

5)钻头向下使膨胀管分叉恢复塑变前原形；

6)钻取分支裸眼及扩孔；

7)用钻杆下膨胀管尾管；

8)膨胀管尾管注浆固井，启动胀头进行扩张膨胀管尾管，进行尾管悬挂；

9)取出导斜器继续施工下部分支膨胀管尾管；

10)通过钻杆向主干套管外侧注浆，系统工程打压验收。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于钻头向下使膨胀管分叉恢复塑变前原形，对于分支膨胀管长度L、分叉狗腿度Θ、套管短截直径D的条件，主干裸眼局部扩大的半径尺寸R应当按下式确定：

R≥1.5D+0.0175ΘL。