庆城页岩油泵入式光纤监测技术实践

庆城油田页岩油水平井主体采用分段多簇细分切割体积压裂技术,但目前仍存在多簇起裂效率不清晰的问题。为了评价多簇起裂有效性及裂缝延伸规律,开展了水平井泵入式光纤测试技术先导性试验,该技术具有工艺灵活、便捷高效及成本低的独特优势。测试结果表明,水平井分段多簇细分切割体积压裂通过射孔限流+颗粒暂堵方式,能够实现100%多簇完全起裂,但各簇进砂(液)量差异明显,各簇裂缝延伸不均衡。该项研究初步回答了多簇起裂有效性问题,并验证了水平井套管内泵入式光纤监测技术的可行性,丰富了水平井体积压裂效果评估测试手段,同时为鄂尔多斯盆地页岩油水平井压裂工艺及参数优化提供了重要依据。

酸溶开孔筛管支撑完井工艺研究及应用

为应对顺北断控油气藏支撑完井管柱无法穿越破碎带难题,研发了以高抗扭油管、酸溶开孔筛管和高抗扭液压丢手为关键技术的“酸溶开孔筛管”支撑完井工艺。设计的高抗扭油管和丢手器,满足下入期间旋转、钻磨对管柱抗扭能力的要求;设计的酸溶开孔筛管,初始状态管体完全密封,完井液可循环至底端钻头,满足钻磨时冲洗钻头的要求,而注酸溶解可溶塞后管体变成带孔的筛管,又可满足储层改造和生产时大排量通道要求。通过开展一系列承压、耐盐、耐碱和酸溶等试验验证了工艺的可靠性。现场应用表明,酸溶开孔筛管支撑完井工艺有效解决了破碎带难以穿越的问题,已在现场应用6井次,支撑管柱到位率100%。该工艺简单可靠、便于现场操作,且与传统工艺相比,单井提高时效53.6%,节约费用90.0%。该成果可为其他类似井选择完井工艺提供参考。

基于改进NSGA-Ⅱ算法的间歇采油制度优化

对于低渗透率油井,采用间歇采油制度能有效避免空抽磨损,并减少电能消耗量。为此通过分析沉没度和地层流压随抽油机井生产时间变化的规律,从系统节能的角度出发,建立以采油总产量最大、能耗最低为目标的间歇采油制度多目标优化模型。引入NSGA-Ⅱ并改进该算法对间歇采油制度多目标优化模型求解,运用改进算法得到的Pareto最优解的多样性和收敛性,合理优化抽油机的最优停机时间,最大效率地提升采油效率的同时,最小化电能消耗量。试验结果表明,基于Pareto多目标遗传算法的间歇采油机制优化具有明显的优势,在优化系统效率的同时能够有效减少电能消耗。研究结果可为油井间歇采油机制的改进和优化提供有力的技术支持。

页岩气多级压裂断层动态滑移规律研究

泸州页岩气区块开发过程中套管变形现象严重,而多级压裂是诱发断层滑移并导致套管变形的主要因素,但目前缺乏对断层动态滑移演化规律的研究。在分析泸州地区套管变形失效特征和相关性的基础上,考虑水力裂缝沟通并激活断层实际,建立了多级压裂条件下断层滑移动态演化数值模型。研究结果表明:多级压裂导致近井筒位置孔隙压力随压裂逐级增加,有效地应力降低;模拟时间越长、注入点流量越大,断层滑移量越大,而压裂液黏度影响断层滑移量效果弱;断层长度、断层与井筒的夹角与其滑移量关系密切,断层长度越大,断层滑移量越大;断层与井筒夹角在一定范围内越大,断层滑移量越小;水平地应力差较大的地层断层滑移会越明显。研究成果可为页岩气多级压裂过程中控制压裂施工参数提供参考。

基于改进CNN-SVM的井下钻头磨损状态评估研究

现有钻头磨损评估方法中,存在人工特征提取过程可能无法完全提取正确分类所需的信号动态特征,及需要对各个统计量进行大量计算等问题。为此,提出了一种新的基于改进卷积神经网络支持向量机(CNN-SVM)的钻头磨损程度评估算法。该算法将采集的近钻头原始振动数据导入CNN-Softmax模型,通过训练好的CNN模型从近钻头数据中提取主要的特征参数,将提取的稀疏特征向量输入SVM并进行故障分类,利用遗传算法实现SVM参数的优化选择,最后应用t分布随机邻域法近邻嵌入,使其故障特征学习过程可视化,以评估其特征提取能力。采用该算法对钻头磨损的现场试验数据进行了分析。分析结果表明:基于改进CNN-SVM的井下钻头磨损状态评估算法准确率高达98.33%。所得结论可为实现钻头磨损状态的进一步监测提供理论支撑。

超临界CO_(2)管道止裂韧性预测模型研究

碳中和目标下,超临界态CO_(2)管道输送已成为碳捕集利用与封存(CCUS)技术发展的必然趋势。然而,目前超临界CO_(2)管道止裂控制体系尚未构建,管材止裂韧性难以预测,成为限制其广泛应用的瓶颈问题之一。针对该问题,通过归纳国内外相关文献及规范标准,对超临界CO_(2)管道止裂控制研究进展及最新标准体系进行了简要综述;在系统收集已开展CO_(2)管道全尺寸爆破试验信息及数据的基础上,对现有止裂韧性预测模型适用性进行了讨论,由此确定了CO_(2)管道止裂韧性预测模型修正形式,并对不同模型适用范围及预测结果进行了讨论。研究结果表明,建立的修正模型解决了传统止裂预测模型过于激进的问题,同时降低了DNV推荐方法的保守性。建议将修正模型与DNN预测方法相结合,以使管材韧性值处于止裂区域;同时开展高效准确的CO_(2)管道裂纹动态扩展数值模拟。所得结果可为我国CO_(2)管道止裂设计提供指导。

PDC齿切削砾岩的细观损伤模拟

砾岩一般具有孔隙结构复杂、非均匀性严重等特点,PDC钻头钻进砾岩地层时破岩效率普遍较低,室内试验很难有效地研究PDC齿的破岩过程。为此,采用离散元软件PFC2D建立了PDC齿切削砾岩的数值模型,研究不同切削深度、前倾角及岩石非均质度情况下,砾岩的破碎形式和过程,引入破岩比功评价了砾岩切削过程中的破岩效率。研究结果表明:一定范围内增加切削深度,砾岩内部剪切裂纹更快萌生且剪切裂纹占比显著增加,主裂纹沿自由面方向和切削方向绕砾扩展;提高砾岩非均质度,岩石逐渐由塑性破坏转变为脆性破坏,非均质度过高会增加砾岩的整体强度,且使作用在PDC齿上的冲击破坏频率增加,不利于破岩;当PDC齿以1 mm切削深度、5°前倾角切削砾岩时,可获得最高的破岩效率。所得结论可为PDC齿设计及切削参数选择提供理论支持。

高温小井眼大直径岩心旋转井壁取心仪研制及应用

随着油气勘探开发难度增大,特别是海洋油气勘探开发的不断加大,以及深水井、高温井越来越多,地质方面对电缆测井技术所获取的参数要求也越来越高。为了更好地获取小井眼尺寸井壁岩心样本,助力油气田高效探勘开发,通过对取心仪井下仪器关键零部件电子控制短节和机械液压短节的创新设计与模拟分析,研制了适用于高温、高压、小尺寸井眼的大直径旋转井壁取心仪(MRCT-dumpy)。通过功能测试和5口井作业应用表明,大直径旋转井壁取心仪钻头性能及取心电机性能均得到充分验证,其热管理系统满足作业需要,符合设计要求;该取心仪取心功能正常,最高单趟收获岩心43颗,满足小井眼大直径取心作业要求。该仪器的设计与应用可为后期同类技术的发展提供指导。

多级压缩机气阀寿命评估与极限含水量预测

针对目前油田天然气回注具有介质含水多、压力高且变化范围宽等特点,多级往复式压缩机容易产生水击破坏,如何预测极限含水量以有效防止水击是亟需解决的关键问题。采用计算流体力学方法,数值模拟并分析了多级压缩机注入湿气条件下各级气阀阀片的动力学特性,得到了不同天然气含水量的气阀阀片载荷分布。进一步结合nCode计算疲劳,预测了多级压缩机气阀服役寿命与极限含水量。JGC-4型压缩机模拟计算结果表明:随着进气含水量增大,压缩机排气压力提高,气缸内不断析出水滴,致使水击产生,且对高压级影响更为显著,压缩机整机进气含水体积分数上限为0.43%。研究结果可为多级往复式压缩机的应用提供技术支撑。

佳县南区致密气小井眼优快钻井关键技术

为进一步提高佳县南区区块钻井效率、降低钻井成本,开展了小井眼二开一趟钻优快钻井技术研究。以提高佳县南区小井眼二开一趟钻比例为导向,基于佳县南区地层特征,分析了小井眼钻井难点及技术需求,在此基础上进行了井眼轨道精细设计以及钻头、钻具组合与钻井参数等方面的优化研究,优化构建了防塌承压钻井液体系及复合堵漏技术,形成了适合该区块的小井眼优快钻井关键技术,并在75口井进行了应用。研究结果表明:应用井二开一趟钻比例由13.4%提高至62.7%,机械钻速提高至23.4 m/h,完井周期降至17.65 d,单井漏失量明显降低。研究结果可为小井眼优快钻井持续提速降本提供技术支撑。

高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验研究

深部地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差,地质条件复杂、施工难度大,高压水射流辅助钻井可有效延长钻头寿命,提高钻进效率。采用室内试验与理论分析相结合的方法,开展了高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验,分析了高压水射流辅助锥形PDC齿和常规PDC齿破碎花岗岩特性,揭示了射流压力、喷射距离、喷嘴直径及喷射角度等因素对锥形PDC齿破岩效果的影响规律。研究结果表明:在高压水射流辅助破岩条件下,锥形PDC齿与常规PDC齿的破岩比能分别降低了17.36%与19.63%;射流压力越大,射流辅助锥形PDC齿破岩效果越好;在研究条件下,喷距范围为5~10 mm可使水射流辅助锥形PDC齿破岩效果最佳;当喷嘴直径为2 mm时,切削力离散系数最小;喷射角度为30°时,锥形PDC齿切削力与破岩比能达到最小值;喷射角度为20°时,切削力离散系数最小,切削力最稳定。研究结果可为适用于深部硬岩钻井的锥形PDC钻头水力结构设计与优化提供理论支撑。

基于仿真的复合冲击破岩流固热耦合场分析

为了揭示复合冲击载荷下全尺寸PDC钻头破岩机理,以温度为纽带,通过迭代算法建立复合冲击载荷下PDC钻头破岩流固热耦合仿真分析模型,同时以PDC钻头切削齿温度为评价指标验证仿真模型;从动态破岩过程、力学变化行为、温度演化规律和流场分布特征等4个方面完成复合冲击载荷下全尺寸PDC钻头破岩工作特性分析。分析结果表明:PDC钻头破岩流固热耦合仿真分析模型误差在10%以内,满足工程分析精度需求;PDC钻头破岩过程分为单齿破岩、平面破岩和深度破岩3个阶段,增加复合冲击载荷后PDC钻头最大扭矩增大66.3%,平均扭矩增大28.0%;PDC钻头的高温区域分布在钻头最底部切削齿表面,最高温度达到166.9℃;钻井液在PDC钻头刀翼外侧切削齿产生高压区域,最大压力达到107.9 kPa;钻井液在喷嘴出口处流速最大,达到6.1 m/s。研究结果可为揭示复合冲击破岩机理、开发高效PDC钻头提供理论指导和技术支持。

螺杆泵转速对油水旋流分离管流场特性的影响

旋流分离器在井下采油螺杆泵作用下会发生复杂的振动现象,对旋流分离器内部流场造成一定影响。为研究螺杆泵不同转速下旋流分离器内部流场的变化规律,以同井注采工艺中螺杆泵作用下的旋流分离管柱为研究对象,针对振动壁面旋流分离管柱结构及工作特点,基于计算流体动力学方法、计算固体力学方法以及流固耦合理论,建立流固耦合力学模型;利用流固耦合分析方法,对双螺杆泵转动条件下井下旋流分离管柱内速度场、油相分布、涡量及湍动能等流场特性进行分析。分析结果表明:随着螺杆泵转速升高,分离器内切向速度和轴向速度强度逐渐减弱,径向速度的不对称性逐渐加剧,转速的周期性变化还会造成径向速度场分布的偏移;螺杆泵不同转速下旋流分离器内部涡量分布不同,随着转速升高,溢流管以及锥段部分附近相关流场的涡旋明显增强;旋流器溢流口附近油相体积分数会随着螺杆泵转速的升高而减小;不同螺杆泵转动状态下,大颗粒油滴的分布不同。所得结果可为螺杆泵井下旋流分离同井注采系统的设计及螺杆泵的转速设定提供参考。

φ175 mm涡轮钻具叶片型线结构参数优化研究

以φ175 mm涡轮钻具为研究对象,研究了不同叶片型线结构参数对涡轮钻具效率及扭矩的影响。基于五次多项式理论和计算流体力学基本原理,开展了涡轮钻具水力性能仿真分析;结合正交试验法和响应面优化法,研究了叶片的前缘和后缘半径、前缘和后缘楔角、进口和出口结构角对涡轮钻具效率和扭矩的影响程度,并通过对极差分析,确定以入口结构角、出口结构角和后缘楔角为影响因素,以效率和扭矩最大化为目标,进行响应面优化;通过响应面法建立了叶片结构参数与扭矩和效率的回归方程,得到了涡轮钻具优化后的工作效率和扭矩。研究结果表明:影响效率的主要因素是出口结构角、后缘楔角和后缘半径;影响扭矩的主要因素是出口结构角、入口结构角和后缘楔角;优化后的涡轮钻具其扭矩提高了42.6%,效率提高了2.4%。研究结果可为涡轮钻具叶片型线结构的参数设计和优化提供理论支持。

煤层气水平井筒倾斜-水平耦合流动规律影响分析

精确掌握煤层气水平井井筒内气液流动规律,对煤层气水平井的合理开发工艺和设备的选择具有重要意义。基于气液两相流理论采用Fluent软件模拟分析的方法,研究了煤层气水平井段倾斜-水平耦合条件下变状态流动规律。分析结果表明:水平段井筒中,上倾斜段井筒内的流动会加剧井筒内气液两相界面的波动。高气、液量下水平段井筒内持液率在流体流动方向上不断增大,低气、液量下水平段井筒内持液率在流体流动方向上不断减小。上倾段倾斜角小于20°时,倾斜角对水平段平均持液率影响较大;下水平段井筒中,倾斜段井筒的长度和倾斜角会影响水平井筒中假想断面的位置,同一流动条件下,出口上倾井筒的倾斜角越大、长度越大,假想断面位置越远离出口端上倾井筒。研究结果可为煤层气水平井下泵深度等排采工艺设计和优选提供理论依据。

气体封隔器密封单元的增强方法与安全分析

气体封隔器胶筒是实现气井分层分段开采的关键部件。常规三胶筒结构在坐封时易发生初始破坏,导致胶筒整体应力水平降低,密封安全性储备不足。为此,提出一种多材料组合式密封单元的增强方法,用于HPHT105-232-V0型含硫化氢高温高压气体封隔器密封单元的设计;基于拉伸试验和Yeoh理论获得橡胶的本构模型参数;在温度204℃、坐封力200 kN和环空压力70 MPa下,分析了胶筒的应力和变形规律;试验测试了增强单元的密封安全性。分析结果表明:HPHT105-232-V0型封隔器密封单元胶筒的最大变形量为94.785 mm,最大接触应力为240 MPa,位于金属护环与套管接触区域。根据API标准,对HPHT105-232-V0型封隔器实物进行测试试验,坐封时胶筒未发生初始破坏,密封单元的整体应力水平提高;稳压过程胶筒压降幅度小于1%;整个试验测试过程中,密封单元无气泡溢出,封隔器卸载后胶筒结构无明显的塑性变形。研究结果表明,采用该增强方法所设计的多材料组合式密封单元具有良好的密封性能,满足极端环境下的密封安全性要求。

旋风分离器内置导流叶片结构参数优化研究

为研究旋风分离器内置导流叶片各个结构参数之间的相互作用,基于CFD数值模拟方法和BBD试验设计,采用二阶多项式基函数建立了Stairmand旋风分离器的叶片轴向位置、叶片长度及叶片偏转角度与分离效率及压降间的数学模型。拟合结果表明:响应目标的决定系数均在0.99以上,表明相关性和回归模型效果较好。使用Design Expert软件处理数据后选择了最佳推荐点,对分离器结构进行了优化。优化后的模型与原结构对比结果如下:优化模型的压降略有上升;颗粒直径在1~20μm范围内时,优化前后分离器的分离效率变化明显,尤其在1~15μm范围内时,优化前分离效率为6.8%~31.0%,优化后则达到了17.0%~54.0%,提升约20个百分点;而当粒径在15~40μm区间时,优化前后的分离效率变化不明显,尤其是在粒径20~40μm时,优化前的分离效率为71.0%~98.0%,而优化后的分离效率只有77%~99%,提升约10个百分点;优化后的模型性能符合“高效低阻”的设计目标。所得结论可为旋风分离器内置叶片的改进提供设计指导。

涡轮钻具定转子三维叶型的设计方法研究

为了研究涡轮三维叶型的水力性能,基于等环量法提出了一种涡轮三维叶型的理论造型方法,并推导出了该涡轮三维叶型的特性参数计算方法。利用ANSYS Fluent对同尺寸下的涡轮三维叶型和二维叶型进行了数值模拟分析其水力特性。研究结果表明:与二维叶型相比,涡轮三维叶型的压降减小约50%,水力效率提高约5%。对比了三维叶型涡轮扭矩的理论计算结果与仿真结果,发现它们的误差在10%左右,在实际工程允许范围内。研究结果可为涡轮三维叶型的设计提供理论依据。

基于避免断层激活机制的组合压裂模式研究

页岩气井多级压裂过程中的套管剪切变形问题日益严重,甚至出现了水力压裂诱发断层激活造成邻井套管变形的现象,这导致相邻水平井压裂不能顺利进行,严重影响了区块产能建设,而降低泵压及排量等现有方法对套管变形控制效果不明显。为此,基于Mohr-Coulomb准则建立了页岩气井井间断层激活评价模型,揭示了常规压裂模式下井间断层激活机理,提出了一种基于避免水力压裂诱发断层激活机制的组合压裂模式。研究结果表明:常规压裂模式下井间断层区域均会被激活,导致相邻水平井丢段;随井间距增加及水平井夹角减小,水平井丢段长度增加;通过采用拉链-顺序-同步组合压裂模式优化断层附近多井多段压裂顺序,可达到避免断层提前激活、缩短水平井丢段长度的效果。研究结果可为页岩气水平井断层激活及套管变形控制提供理论指导。

Helmholtz型空化射流喷嘴结构优化数值模拟研究

目前Helmholtz型空化射流喷嘴结构尺寸偏大,不适用于空化射流洗井解堵作业,且与其相关研究缺乏对射流脉冲特性的评价。为此,利用CFD数值模拟方法探讨了结构参数对Helmholtz型空化射流喷嘴脉冲性能的影响规律,对该类型喷嘴的结构进行了优化。研究结果表明:在入口长度为5~15 mm时,空化射流脉冲特性和入口长度呈反比关系;在出口长度为5~10 mm时,空化射流的脉冲峰值和脉冲幅度与出口长度呈正比关系,脉冲频率基本不受影响;所得喷嘴最优结构尺寸为喷嘴入口直径2.5 mm,入口长度5.0 mm,谐振腔入口圆角1.0 mm,谐振腔直径10.0 mm,谐振腔长度2.0 mm,碰撞壁夹角60°,出口长度10.0 mm,出口直径3.0 mm。研究结果可为空化射流解堵技术中空化射流喷嘴结构优化设计提供理论参考。