0 引言

多分支油气井根据油藏条件设计井眼并进行井眼空间分布，能有效增加油层的裸露面积，提高油藏动用程度，提高采收率^[1-3]，作为21世纪钻井领域的标志性技术，其核心是以完井工具研究为主的多分支井完井技术^[4-6]。多分支井是一种形态较为特殊的分支井，其主井眼通常平行于油层，水平延伸，各分支井眼从主井眼侧向钻出，各分支井眼的空间分布与主井眼基本上在同一油层，分支井眼与主井眼相比长度较短。多分支井可以从一个井眼中获得最大的总水平位移，在相同或不同方向上钻穿不同深度的多套油气层^[7-8]，适用于碎屑岩、碳酸岩、变质岩、岩浆岩储层以及新老油田的低渗透油层、重油油藏^[9-10]、多层薄油层、裂缝性油层、复杂断块油藏以及开发煤层气，近年来得到了广泛的应用。

多分支井技术将油气井单一水平轨迹在油藏中的分布改为多个水平段在油藏中的空间展布，以增大波及体积，从而提高单井产量和最终采收率。该技术解决了油藏开发中靠简单增加水平段长度难以提高油藏动用程度的问题，提高了开发效果。目前多分支井的完井方式大体有裸眼完井、砾石充填完井、割缝衬管完井和侧向回接系统完井4种。从钻井角度来讲，最简单的分支井与非常复杂的分支井区别不大，但完井工具和结构却大不相同。

笔者设计了一种多分支井自膨胀回接装置，该工具应用于油气藏多分支井的完井工艺中。针对现有多分支井完井方式中存在的分叉处不密封、重复进入分支井难度大等问题，通过改进、优化坐卡机构和锚定爪的形状以提高工具在裸眼中的锚定力。增加的可钻自膨胀套管机构，可实现分支井分叉处的密封和回接。该工具是一种锚定牢固、可钻性好、自动膨胀效率高、密封可靠的多分支井完井工具。

多分支井自膨胀回接装置在一套装置中实现了双级液缸、超长锚定爪、上提或旋转丢手和可钻自膨胀套管等4项主要功能。工具结构如图 1所示。

图 1 多分支井自膨胀回接装置结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of expandable tieback device for multilateral well 1—短钻杆；2—可钻自膨胀套管；3—连接体；4—防转钉1；5—缸套；6—密封圈1；7—内管；8—防转钉2；9—密封圈2；10—一级活塞；11—二级活塞；12—密封圈3；13—剪钉1；14—密封圈4；15—防转钉3；16—活塞杆；17—防转钉4；18—分瓣爪；19—密封圈5；20—连杆；21—丢手短节；22—挡管；23—密封圈6；24—剪钉2；25—中心管；26—支撑环；27—挡环；28—剪钉3；29—锁环；30—锥体；31—锚定爪；32—销轴；33—锚定爪座；34—防转钉5。

图选项

与多分支井自膨胀回接装置配合使用的工具包括加厚开窗套管和吸水自膨胀管外封隔器。加厚开窗套管采用1根管材加工而成，其外径与套管接箍外径相同，内径与套管内径相同。开窗长度根据设计的造斜度确定，一般在3~5 m。开窗后的抗拉强度是普通套管的0.85倍，满足整个管柱串的下入要求。吸水自膨胀管外封隔器的内径与套管内径相同，在钻井液和完井液等含水环境中均能坐封，达到密封套管与裸眼环空的目的。该管外封隔器是在中心管的表面喷砂，再硫化一层吸水自膨胀橡胶。两端设计了防突机构，构成了一套完整的多分支井自膨胀回接装置。

在多分支井第1个分支井眼完井过程中，利用钻杆与短钻杆连接将带有该装置的管柱串下至设计位置。液压泵加压通过内管的孔道进入到第1级和第2级液缸中，剪断剪钉1和剪钉2及其锚定爪的焊点，使一级活塞和二级活塞向右推动活塞杆、连杆、可钻自膨胀套管、锁环和锥体。锥体强力压开4个锚定爪，通过4个锚定爪在裸眼井壁中形成4道平行于中心轴线的深沟槽，达到锚定管柱的目的。锚定达到要求后继续加压剪断剪钉3，推开丢手短节、挡管、支撑环和挡环向右移动。分瓣爪失去支撑环的支撑回缩，与中心管脱离连接，完成丢手工序。将整个坐封部分提出井筒，留下可钻自膨胀套管、活塞杆、中心管、锁环、锥体、锚定爪、销轴和锚定爪座等部件。

可钻自膨胀套管外表面硫化了一层吸水自膨胀橡胶，当完井管柱留在分支井眼时，吸水自膨胀橡胶在钻井液中缓慢膨胀。待主井眼重新下钻到分支井眼处，将多余留在井眼中的可钻自膨胀套管钻除。继续进行第2个分支井眼的钻井工艺，重复几次完成剩余分支井眼的完井。接下来下入主井眼的管柱，在每一个分支位置安排预先开窗的加厚开窗套管，并在每一个加厚开窗套管的上部和下部各连接一个吸水自膨胀管外封隔器。整个管柱下到设计位置。利用平整锥将每一个分叉处磨铣平整，使每一个分支井都能够顺利进入。

若是稀油油藏，则不需要其他工序就此完井。若是稠油油藏，则需要进行注水泥工艺。下入回接挤灰管柱到最末端的分支井眼处，插进于此经自膨胀回接装置内部，完成插入密封后准备进行挤灰工艺。由于可钻自膨胀套管已经将分支井眼与完井管柱密封，所以可以将水泥浆阻挡，防止注入的水泥浆流进分支井眼与完井管柱的环空中。水泥返至主井眼中，保证分叉处的密封。重复此工艺完成各个分叉位置的注灰密封。最后将各个分支井眼与主井眼分叉位置多余的水泥钻除，完成整个多分支井的完井，可实现5S级的完井水平。后期能够实现各个分支井的分注分采，防止主井眼与锚定装置之间的井眼坍塌，延长了油井的使用寿命，提高了油井的生产效率。

(1) 锚定爪的前端薄而窄，切面非常锋利且能完全和锥体贴合，中间逐渐变宽变厚，增强了锚定爪的锚定效果。一方面，4个锚定爪的设计能够最大限度地增大该装置的接触面积，保证锚定的稳定性和可靠性；另一方面，锚定爪完全张开后最大外径可达520 mm，可以满足各种形式的裸眼井壁。

(2) 多分支井自膨胀回接装置的可钻自膨胀套管采用碳纤维增强热固型酚醛树脂的复合材料制作而成，强度高于玻璃纤维增强树脂加工成的复合材料，可钻性能远远优于球墨铸铁。该复合材料制作成的套管表面硫化一层吸水自膨胀橡胶，有利于分叉处的长期密封。可钻自膨胀套管在分支井眼中能够防止井壁坍塌堵塞井眼。

(3) 通过吸水膨胀管外封隔器、加厚开窗套管与可钻自膨胀套管的配合使用，形成一个贴合紧密且能够保持密封的结构，这样既保证了2个井眼中套管规格的一致性，又保证了各个井眼的重复可进性。为了进一步提高密封效果，还可以通过挤注水泥的方式提高分叉处的强度和长期密封性能。

表 1所示为多分支井自膨胀回接装置技术参数。对多分支井自膨胀回接装置整体结构进行了改进设计。多分支井自膨胀回接装置在一套装置中实现了双级液缸、超长锚定爪、上提或旋转丢手和可钻自膨胀套管等4项主要功能。双级液缸面积可达2×10⁴ mm²，在20 MPa时产生400 kN的推力，同时锚定爪对井壁产生350 kN的锚定挤压力。该装置可采用上提和旋转2种丢手方式，丢手前加压25 MPa，若上提管柱的方式拉力过大，则可进行旋转丢手操作。

多分支井自膨胀回接装置在辽河油田杜84-兴H232、杜84-兴H 238Z、杜84-兴H244和边台-H3Z等井中进行了应用。杜84-兴H238Z井为第1口使用多分支井自膨胀回接装置的井，该井2014年1月28日至2月14日开始第1轮注蒸汽，2月18日至3月8日放喷，3月15日至5月2日抽油机生产。从2014年6月22日转入第2轮采油生产，单井最高日产量152.6 t。截至2015年11月7日，累计采油16 864.3 t，在日产量和采油量方面均有很大的提高。该装置已经应用在沈阳采油厂、冷家采油厂、曙光采油厂和兴隆台采油厂，共计9井次，一次性成功率达100%。

(1) 多分支井自膨胀回接装置设计新颖、结构简单、安全可靠，满足分支井管柱完井工艺要求。

(2) 多分支井自膨胀回接装置的锚定力大，能够保证完井管串在较大角度的分支井眼中长期有效的固定，确保完井质量。

(3) 多分支井自膨胀回接装置的自膨胀套管可确保分支井眼与主井眼的连接，有效解决了分支井眼与主井眼的后期回接问题，提高了多分支井的生产效率，延长了油井的使用寿命。