1、 1 膨胀管定位多分支井技术 徐长安 陈健 任荣权 张燕萍 （中国石油集团科学技术研究院机械研究所） 摘要： 本文介绍了多分支井的 国际分类体系和关键技术， 介绍了以膨胀管定位为核心的多分支井技术。在大量的室内试验和地面试验的基础上，成功地在渤海埕北油田完成了两口水平分支井的施工，形成了一套具有独立知识产权 的膨胀管定位多分支井完井工具与工艺技术。 关键词： 多分支井 膨胀管定位 多分支工具 现场施工 一、多分支井特点、分类和关键技术 1、多分支井特点 多分支井技术是继定向井、侧钻井、水平井技术之后发展起来的 在一个井眼里钻出若干个支井的钻井新技术，其优点为： 1. 有效加大井眼在目的层的总长
2、度，增加油藏泄油面积，提高油井产量； 2. 可以开采多层段的油气藏； 3.减少井位、占地面积及配套设备，减少搬迁、主井眼重钻工序等。据国外报道，在北海地区用直井、水平井、多分支水平井开发油田的“吨油成本”比值为： 1.0： 0.77： 0.56。 总之，多分支井技术可以较大幅度降低油气开发成本，充分挖掘油田生产能力，提高油气采收率，提高油气开发的综合经济效益，是 21 世纪国内外将大力开发和应用的一项低成本高收益的钻井新技术。 2、多分支井 的分类 多分支井完井技术到了 1997 年还存在大量混淆的问题，没有统一的技术术语和标准，对多分支井完井的复杂程度和风险性没有统一的衡量标准和分类。 19
3、97 年世界主要石油公司和专业服务公司的多分支井技术专家共同交流了经验，并根据复杂性和功能性对多分支井完井技术制定了一个分类体系，即 1 6 级和 6s 级： 1 级为主、支井眼都是裸眼完井； 2 级为主井眼套管注水泥完井，支井眼裸眼完井或下衬管但不回接到主井筒内； 3 级是在 2 级基础上支井眼下衬管并回接到主井筒内； 4 级为主、支井眼都是套管注水泥完井； 5 级是在 4 级的基础上，接口处的压 力完整性通过下入相应的采油管柱和封隔器来实现； 6 级为接口处的压力完整性通过预制的 “ 裤叉 ” 形套管来实现； 6s 级为相当于井下双套管井口，把一个大的主井眼分成两个小的支井眼。 3、多分支
4、井关键技术 多分支井的关键技术主要集中在分支井眼与主井眼的分支接口处，其技术水平主要体现在接口支撑、接口密封和支井重入三个方面。接口支撑是指 各分支井眼的完井管柱都要和主井眼的套管相连接，其联接处要具有机械上的整体性，以解决井壁稳定和储层出砂 等 问题。接口密封是指 将各分支井眼不同压力系统的油气流分隔开，解决分采问题。 支井重入是指 各分支 井都要与主井眼贯通，实现从主井眼向任一分支井眼重入，满足采油和修井作业的要求。各级别的多分支井在接口支撑、接口密封、支井重入和采油等几方面达到的技术水平可归纳如下： 级别 1 2 3 4 5 6 6s 接口支撑 无支撑 无支撑 机械支撑 水泥支撑 水泥支
5、撑 套管支撑 套管支撑 接口密封 不密封 不密封 不密封 不密封 密封 密封 密封 2 支井重入 不能重入 不能进入 有限进入 起油管进入 过油管进入 能进入 能进入 采油 混采 混采 混采 分采 分采 分采 分采 世界上各大石油公司和专业服务公司 在多分支井开发市场上的竞争就在于实现多分支井连接性、分隔性和可进性等技术上是否更简单实用、更先进可靠。 二、国内外研究历史和现状 多分支井的概念起源于上世纪 30 年代，而世界上首先开展多分支井技术研究和实践的是 50 年代初期的前苏联。上个世纪 ，多分支井钻探在俄罗斯 、北海油田 与北美得到广泛应用，并逐步推广到中东、南美、欧洲与亚洲 。到今天多
6、分支井在世界范围内的许多个油田已经创造了五、六千口分支井的应用记录，并日益得到开发商的重视，其技术发展到了一个新的阶段。 HALLIBURTON 公司已经具备了多分支井的全套钻井、 完井、开采和分支井重新进入等配套技术和工具装备，拥有 20 余项专利技术，可以说 HALLIBURTON 公司开发的技术在世界上处于领先地位，对外施工服务也是最多的， 2001 年统计最新研发的 ITBS 系统已经实施了 325口分支井的施工作业。 BAKER HUGHES 公司是较早在多分支井技术领域展开研究的单位之一，申请注册的有关多分支井专利最多（ 88 项），目前他具备了从多分支井完井 3 至 6 级和 6
7、S 级的全部开发技术。 国内最早开展多分支井钻井技术尝试的是玉门油田于 1960 年在老君庙地区的浅井上进行的，第一口多分支井是四分 支井，玉门共钻成多分支井六口，均裸眼完井。四川油田在1965 1966 年间钻成两口多分支，均裸眼完井。从上世纪 80 年代后期开始，随着定向井、水平井技术的迅速发展和成功应用，对多分支井技术的研究和应用重新开展起来，主要是胜利油田、地矿部第六普查勘探大队和海洋石油总公司渤海石油公司。到了 90 年代后期，勘探院机械所、辽河工程院在集团公司的支持下开展了多分支井技术的研究开发工作。近几年来，胜利油田、辽河油田工程院和勘探院机械所在国内分别打了 2 口、 3 口和
8、 2 口具有四级水平的多分支井。 三、 膨胀管定位分支井技术简介 1、 膨胀管定位分支井技术特点 机械研究所以“膨胀管定位”这一创新技术为核心开展了多分支井钻完井技术攻关，制定了按国际 4 级完井水平的多分支井钻完井技术总体方案，攻克了井下配套工具的设计和研制。 “膨胀管定位”这一创新技术不仅能够很好地解决国内外用卡瓦定位所带来的诸多技术难题，而且具有其它独特的优点，并使整套系列工具的设计和施工工艺大大简化，提高了工具的可靠性和施工的成功率。该多分支井技术具有如下优点： 1.膨胀管在井下形成了支井的永久定位，实现了对斜向器和支井重入斜向器的可靠定位； 2.膨胀管在井下可承受很大的钻压和 扭矩，
9、完全满足开窗、侧钻、平磨、套铣等施工要求； 3.膨胀管的使用使主井筒的内径最大，保证以后的采油、修井和油层改造等作业能够正常进行； 4.膨胀管的使用可在同一主井筒中打出多个支井，支井数目不受限制； 5.膨胀管的使用适合中国油田小尺寸套管内老井侧钻分支井这一国情； 6.与膨胀管配合使用，斜向器同时具备可开窗、可钻井、可固井、可套铣、可回收等功能，简化了施工工艺和作业难度； 7.套铣、回收尾管重叠部分和斜向器一趟钻完成； 8.与膨胀管配合使用，支井重入斜向器实现了各支井的选择性重新进入； 9.膨胀管定位装置与套管之间采 用金属密封，最大完井井深不受限制； 10.各工具在井下的施工信3 号明显，司钻
10、易于操作。 2、膨胀管定位分支井主要工具 2.1 膨胀管定位总成： 井下定位技术是多分支井的技术关键，定位装置需要有足够的抗轴向载荷、抗大扭矩和高压密封能力。机械研究所首先进行了膨胀管定位技术攻关，从管体材料的研制、密封材料的优选到膨胀管、膨胀工具的设计计算等，机械研究所做了大量的工作。膨胀管定位技术所攻克的技术难点有： 1.根据井下永久定位要求而特制的膨胀管材料，使其具有耐腐蚀、抗冲击、抗载荷、抗扭矩等特有性能； 2.定位用膨胀管管体的结构 设计； 3.膨胀工具高强度耐磨材料优选和结构设计。厚壁钢管的膨胀需更大的力量推动，因此膨胀工具的材料需要能够承载高压、高应力，具有很高的表面硬度等等；
11、4.特殊的胀管胀力自平衡结构，解决了膨胀管打压膨胀时工具上顶钻杆、下顶胀管的问题。这与英国壳牌石油公司发明的膨胀套管膨胀原理有较大的差别，在结构上做了重大改进； 5.膨胀管管外金属密封材料的优选、结构设计和加工。侧钻开窗、钻井冲击、高压流体等等除膨胀管管体需要承受外，与套管内壁贴合的密封材料同样需要承受；另外，井下温度较高，有一定的腐蚀性，因此，普通的橡胶材料不能 承担此工况，需要使用具有一定塑性性能的金属材料作为密封，增加了胀管需要的胀力，给膨胀管的总体结构设计带来难度。课题组攻克了这一难题，实践证明这种密封结构完全满足钻完井需要，同时还可应用于其它领域； 6.胀管定位低压坐封技术。带有金属
12、密封的膨胀管定位装置在套管内紧密贴合需要很高的打压压力，用普通钻杆传递高压是不太可能的，因此课题组设计发明了一种降低压力进行胀管膨胀的工具，彻底解决了这一难题，实践证明简单、实用、有效。 2.2 斜向器总成： 膨胀管定位多分支井用斜向器与普通钻井斜向器相比有许多不同，由于完井后需要各 支井连通，因此阻截主套管通道的一切井下工具必须回收到地面，而机械研究所开发研制的井下膨胀管定位装置，使斜向器在自动找正定位及钻井、固井等作业后能够顺利回收提供了良好的条件。 课题组研制了钻、完井一体化斜向器，即钻完井斜向器合二为一，使其同时具备可开窗、可钻井、可固井、可套铣、可回收等功能。斜向器需要在固井条件下进
13、行套铣打捞，课题组在完井斜向器结构上设计研制了一种新型的打捞机构，即使斜向器被水泥固死也可通过特制的套铣工具进行顺利打捞。 2.3 套铣工具： 研制的套铣工具包括套铣鞋、套铣管扶正器、套铣管、变扣接头 。套铣鞋内设计有与斜向器打捞机构配合的机构，便于套铣后回收打捞。套铣鞋套铣效率高，特殊的齿形与材料具有很高的强度和切削性能和耐磨性能。在现场先导性试验和现场工业性试验中，套铣尾管和斜向器的套铣及回收一趟钻完成，起钻后套铣鞋新度仍有 90%以上。 2.4 打压设备： 为减少与现场的接口、满足膨胀管小排量打压和压力易于控制的特殊要求、提高施工效率等，机械研究所提供的打压设备自成体系，即当钻柱在井口坐
14、好后，钻杆打压接头与井口第一根钻杆直接连接后便可打压。 2.5 其它工具： 特制的套管通径规；轴承短接（轴承短接是用来 消除整个钻柱摩擦扭矩对斜向器滑动进入膨胀管斜口的影响）；开窗铣锥（由于斜向器要被套铣回收，因此开窗铣锥需要特殊设计或专门选购，以减少开窗时对斜向器造成过分的损害）；高效平铣鞋；锥铣鞋等。 四、渤海埕北油田 CB-A22 井施工 在大量室内试验的基础上，经过陆上一口井的先导性试验成功后，在渤海埕北油田（ CB-A22 井和 CB-A10 井）成功地完成了两口双分支水平井的施工。 1、埕北油田 CB-A22 井基本情况 埕北油田 A 平台 CB A22 井已投产 17年，生产套管
15、为 7”，产出液含水达 89.8%，产油不到 11 吨。根据油藏调 整和挖掘剩余油的需要，油田将 CB-A22 井设计为双分支井，要求保4 留原井眼进行合采。由于该井生产已达 17 年，生产套管可能变形和腐蚀，并且开窗点距上下水层仅 15m，因此开窗侧钻后可能发生窜槽等复杂情况，其技术要求高和施工难度都很大。 2、 CB-A22 水平分支井井眼数据及井身结构 CB-A22 水平分支井侧钻点在井深 1550 米处，侧钻点井斜 32.5，支井井深 2246 米，垂深 1666 米，水平段长度 300 米，靶心 2m 20m 280m。支井用筛管完井加半程水泥固井封固水层。该井的主要井身结构如图 1
16、 所示，井眼数据见表 1。 图 1 井身结构及井身剖面 表 1 井眼主要技术参数 1 井号 CB A22 9 井底垂深 1666(m) 2 井型 侧钻分支水平井 10 井底位移 845.26(m) 3 深度基准面 转盘面 11 最大井斜 90() 4 井口坐标 X:4257483.50 Y:623405.78 12 #1 靶点坐标 X:4257103.58 Y: 623825.69 5 侧钻点深度 1550（ m） 垂深 1666.00（ m） 6 造斜终了点 1946（ m） 13 #2 靶点坐标 X:4256925.00 Y:624040.00 7 最大狗腿严重度 5.5(/30m) 8
17、井底斜深 2226(m) 垂深 1666.00（ m） 3、 CB-A22 水平分支井主要施工工艺 3.1 刮管 : 将套管刮 管 器下入到膨胀管定位设计深度（ 1561m）上下和旋转刮管。 3.2 通径 :下专用通井规通径。 保证膨胀管 定位总成 及斜向器下入通畅。 3.3 下膨胀管定位总成膨胀定位：下入膨胀管定位总成设计深度（ 1561m），连接打压泵打压，垂直深度（m）南(-)/北(+)靶点 2 靶点 1 0 200 400 600 800 1000 600 800 1000 1200 1400 1600 侧钻点 :1550m 0 200 400 600 800 -600 -400 -2
18、00 0 G M T 东 (-)/西 (+) 靶点 1 靶点 2 水平位移（ m） 0m 水深 16.4m 30“导管 70m 17-1/2“井眼 260m 13-3/8“255m 6“井眼 1550 2226m 4-1/2“筛管尾管 平均海平面 30m 膨胀管 5 当压力忽然掉到零井口有钻井液返出时，证 明膨胀管定位装置已牢固地膨胀到主套管上，送入工具自动丢手。上提送入工具证明已脱手， 下压 20T 验证膨胀管与套管牢固贴合。 3.4 下入陀螺仪定向：回放送入工具，下陀螺定向仪，测量膨胀管定位装置工具面角。 3.5 下入钻完井斜向器总成：根据陀螺定向测量的参数，在地面调整好斜向器角度，下入斜
19、向器并坐放在膨胀管定位短节上。斜 向器到位后钻压开始上升，缓慢下压，钻压突然掉零，表明剪切销钉已被剪断并脱手。 3.6 开窗侧钻：下入开窗侧钻钻具组合，磨铣进入新地层。 3.7 定向钻井：常规方法定向侧钻水平井。 3.8 下筛管、套管管柱 及固井作业 。 多分支井课题组成员于 2003 年 11 月 1 日上井， 11 月 10 日完成了钻井设计规定的全部施工工序，上井施工工具完全达到设计要求。分支井试油结果日产原油 112 吨，含水约 3%。继 CB A22 井之后，于 2004 年 3 月又成功地完成了 CB A10 水平分支井的施工，分支井工具与施工工艺和 CB A22 井基本相同。 五
20、、小结 实践证明，膨胀管定位多分支技术，解决了国内外小尺寸套管老井侧钻分支井的诸多难题。膨胀管定位技术各项性能指标已经达到了现场应用阶段，是多分支井领域中的一项创新技术。该技术现场作业简单、易操作，作 业费用低，可靠性高，因此，它的应用将为油田带来极大的经济效益。 膨胀管定位低压坐封技术和工具，有效降低了胀管膨胀所需的打压压力。台架试验数据表明用金属密封将 8mm 壁厚的胀管座封在 7”套管内，由原来膨胀所需的 40MPa 膨胀压力大辐下降到了 18MPa 以下，座封性能保持不变，完全可以用普通钻杆进行打压作业，省去了压裂管柱等高压装备，简化了作业程序，提高了作业和工具设备的安全性。 特殊的膨
21、胀管胀力自平衡结构，打压时钻杆不受拉压作用，彻底解决了打压时上顶钻杆和下顶胀管等问题。 新型膨胀管密封结构，密封能力达 42MPa 以上，承载能力达 84 吨以上，承扭达 85kN-m以上。完全满足现场施工要求。 可回收式钻完井一体化斜向器，同时具备可开窗、可钻井、可固水泥、可套铣、可回收等功能，解决了 A22 井主支井交汇处可能挤水泥封固水层并能够回收斜向器等难题，是一项斜向器设计创新技术。另外，该结构斜向器同井下膨胀管定位装置配合自动定位后锁紧功能。 6 第一作者简介： 徐长安， 1978 年毕业于天津大学。现为中国石油勘探开发研究院机械所工程师，主要从事螺杆钻具、螺杆泵和多分支井技术研究
22、工作，是膨胀管定位多分支技术的主要设计 者之一。地址：北京 910 信箱机械所。邮政编码：100083。电话： 010-62097421。 E-mail: 陈健 ， 1988 年毕业于石油勘探开发研究院（北京）研究生部。现为中国石油勘探开发研究院机械所副所长、高级工程师，主要从事多分支井技术研究工作，是膨胀管定位多分支技术的主要设计者之一。通讯处北京 910 信箱机械所。邮政编码： 100083。 任荣权 ， 1992 年毕业于石油勘探开发研究院（北京）研究生部。现为中国石油勘探开发研究院机械所高级工程师，主要从事多分支井技术研究 工作，是膨胀管定位多分支技术的主要设计者之一。通讯处北京 910 信箱机械所。邮政编码：100083。
