大通径桥塞压裂用可溶解球研制及性能评价

为解决国内可溶解憋压球无法满足大通径桥塞压裂要求的问题,采用网络结构设计了以镁铝合金为基体并添加Zn、Cu等材料而形成的多元材料,以抗压强度、屈服强度、溶解速率为目标优化了材料中Zn、Cu的加量,研制了与大通径桥塞压裂配套用的大直径、高强度、可溶解合金材料及憋压球。经测试合金材料的抗压强度与屈服强度分别超过了430和330 MPa,直径89.027mm憋压球承压超过70 MPa,且喷涂防护膜后球体稳定承压达到6h;93℃条件下在3%KCl溶液中球体溶解90%体积所需时间约为92h;在胍胶压裂液中的溶解速率虽然比在1%KCl溶液慢,但200h也能溶解球体90%的体积。这表明,大直径可溶解憋压球能满足大通径桥塞压裂所需的高强度、快速溶解的性能要求。

套管固井滑套冲蚀磨损模拟分析与试验研究

为准确分析套管固井滑套长时间在固液两相流中冲蚀后的磨损情况及可靠性,在进行冲蚀理论分析和数值模拟的基础上,利用研制的冲蚀磨损试验装置,研究了特定工况下固井滑套带孔短节的冲蚀磨损情况,分析了滑套孔眼冲蚀磨损速率与孔眼数量、砂比及排量的关系,建立了冲蚀磨损速率新模型,研究了滑套带孔短节孔眼过流能力与冲蚀磨损速率的关系;同时,结合数值分析结果和试验数据,得到了A型材质滑套短节的冲蚀磨损系数。研究结果表明,当滑套孔眼为2个时,含砂流体对滑套孔眼周边的冲蚀磨损较为明显,且滑套孔眼冲蚀磨损速率与砂比呈线性关系,与排量呈指数关系。该研究结果可为套管固井滑套可靠性评估提供理论依据,且能够指导滑套压裂工具的现场应用。

套管水平井全通径分段压裂工具新进展

为了满足页岩气、低渗透油气、煤层气等非常规油气储层的高效和低成本开发需求,国内外诸多机构都开展了水平井全通径无限级分段压裂技术攻关研究,已经形成完善的工具系统及配套现场施工工艺。文中介绍了国内外目前针对水平井开发非常规储层的新兴全通径分段压裂技术原理、关键工具组成与结构特点以及现场应用效果,并结合国内非常规油气藏开发需求,剖析了下一步重点关键技术攻关研究方向,主要从创新工具结构设计、研制新型工程材料、完善工具性能测试等方面着手,突破技术研发和应用瓶颈,以尽快实现国内套管井全通径分段压裂工具自主化,为油气田高效开发提供技术支撑。

高强快速分解Mg-xAl合金的组织与性能

采用铸锭法制备了高铝含量的Mg-Al系合金。通过X射线衍射、扫描电镜、压缩性能测试及浸泡腐蚀测试,研究了添加不同高Al含量对镁合金的显微组织、抗压缩性能与快速分解性能的影响。结果表明,通过添加15%~20%Al到纯镁中,可明显提高基体合金的抗压缩强度与93℃下的分解速率。Mg-20%Al合金的室温抗压缩强度达到423 MPa,93℃及3%KCl溶液下的腐蚀分解速率达到25 mg·h-1·cm-2。

多级滑套可溶解憋压球材料研究

多级滑套配套使用的常规憋压球受压时易变形,水平井趾端小直径憋压球返排难度大,下入钻具进行磨铣会延长施工周期,增加施工成本与风险。鉴于此,通过分析国外用于多级滑套憋压球的可溶解金属材料发展现状及其溶解机理,研究了一种微观核壳结构金属材料。该材料主要以Mg金属为基体、Al金属为包覆层,同时添加一定含量的β相金属元素制成金属复合粉末,采用粉末冶金合成方式制备成坯体材料,测试材料抗压强度达到300 MPa。将坯体制备成38.1mm直径憋压球后测试其耐压性能达70 MPa,在93℃、质量分数3%的氯化钾溶液中溶解速率达0.2 g/h。研究成果可为解决常规憋压球现存问题并进行可溶解憋压球现场推广应用提供参考。

石墨烯增强铝基可溶球座研制与性能评价

为了解决水平井多级投球滑套球座在钻除过程中存在的钻除效率低、钻除不彻底影响作业工具重入等问题,研制了石墨烯增强铝基复合材料用于制备滑套可溶球座。利用石墨烯及碳化硅陶瓷颗粒增强铝合金,结合粉末冶金方法,制备得到石墨烯增强铝基复合材料,其具有高强度、高硬度和在盐水环境下实现自行快速溶解等特点,屈服强度达469 MPa,表面硬度达170 HBW。采用石墨烯增强铝基复合材料加工的可溶球座,经砂比30%的含砂压裂液在排量4 m^(3)/min条件下冲蚀26 h后,仍然具备密封承压能力,质量仅减少2.1%;在温度90℃、质量分数4%的KCl溶液中浸泡32.5 h后能够完全溶解。现场试验表明,石墨烯增强铝基可溶球座满足多级滑套压裂大排量、高砂比和长时间作业要求,压裂后能在井下液体环境下自行溶解实现井筒全通径。研制的石墨烯增强铝基可溶球座为储层二次改造提供了清洁、安全的井筒条件。

基于APDL的损伤缺陷对K形井架受力影响分析

利用APDL参数化设计语言建立了含损伤缺陷的K形井架参数化模型,并将其结果保存为数据文件。仿真结果表明:杆件截面锈蚀对杆件本身应力产生较大影响;局部杆件弯曲使该杆件自身应力增大,并导致与其连接的上端杆件应力减小,下端杆件应力增大;井架大腿整体弯曲会导致其应力增大,且井架前腿的弯曲比后腿弯曲更加危险;井架支座沉陷会导致下沉侧大腿应力减小,另一侧大腿应力增大,支座沉陷对井架整体的受力影响较明显。

基于井况的趾端滑套应用分析与结构改进

常规压差式趾端滑套主要用于水平井首段免射孔压裂施工,但受复杂井况条件及现场操作的影响,常常会出现滑套无法打开或者提前打开的问题;加之,依靠管内外压差开启滑套,无法实现压裂前全井筒试压。为了解决上述问题,通过分析滑套现场使用工况,改进趾端滑套结构,增加一套由爆破片、活塞及流量控制阀等组成的压差滑套打开控制系统;采用仿真分析了不同规格压裂孔眼对地层起裂压力的影响,以及含砂压裂液对滑套压裂孔眼冲蚀磨损情况,优化得到了长圆形孔眼结构尺寸。研究结果表明:①采用该控制系统,隔离环空压力,依靠井筒绝对压力延时打开滑套,满足了井筒试压要求;②经地面性能测试表明,改进后的趾端滑套打开压力为69 MPa,延时时间为28.4 min,压裂孔眼满足6 m^(3)/min施工排量、25%砂比、连续冲蚀4 h的要求;③获取了压降较小、易于压开地层的滑套孔眼尺寸,并进行了循环冲蚀磨损验证;④研选了具有耐高温高黏油脂进行压裂孔眼封堵,防止入井及固井施工过程中井内污物进入滑套。结论认为,该项研究成果为提高趾端滑套现场应用的稳定性与可靠性提供了指导。

水溶性高分子材料在油气田压裂中的应用研究进展

以我国油气田压裂所用的暂堵球、暂堵剂等2大类产品为主线,系统总结了不同工艺及配方合成的暂堵产品的暂堵机理、性能特点及应用现状,阐述了各产品的溶解特性,结合油气田绿色环保开发需求提出了现有水溶性暂堵球、暂堵剂存在的问题,并对暂堵产品未来的发展方向进行了展望。

基于应力测试数据的K形井架模型修正仿真研究

为建立与在役K形井架相似的仿真模型,提高仿真模型的应力、损伤数据精度,提出以井架实测应力与仿真模型对应单元应力的均方差构建目标函数,以损伤缺陷类型、位置、程度等为优化变量,杆件材料的许用应力为约束条件,先后运用ANSYS零阶和一阶优化算法的模型修正方法对含损伤缺陷的参考仿真井架进行了模型修正。结果表明:修正后模型与参考井架的测点处杆件应力相对误差在0.6%左右,该方法用于钻井井架结构承载能力检测和评定是可行和有效的。为钻机系统安全运行提供了参考依据。

全自溶分段压裂滑套的研制与应用

针对常规水平井裸眼多级滑套压裂管柱不能实现压裂后管内全通径,后期储层二次改造、封堵底水、单段测试等作业受到限制等问题,开展了全自溶合金材料在分段压裂工具中的应用研究。通过球座结构优化和表面涂层强化,实现滑套入井后球座不溶解,压裂后迅速溶解的目的。经排量为6 m^3/min、压裂液砂比为30%、循环时间为32 h的冲蚀实验表明,球座仍具备承压70 MPa的能力。在杭锦旗气田的压裂井中开展了现场应用,成功实现了入井静置48 d后顺利开启,并满足了压裂施工过程中的大排量冲蚀要求,压裂后球及球座在地层环境下溶解,滑套内形成了全通径。全自溶分段压裂滑套的研制与应用为优化压裂工艺、提升施工效率提出了解决思路,具有重要的指导意义。

水平井趾端压裂关键工具设计与试验

大牛地气田和东胜气田水平井采用连续油管底封拖动或桥塞泵送压裂工艺,趾端首段压裂施工时存在封隔器解封困难、电缆射孔施工工期长和费用高等问题。为解决这些问题,结合现场压裂工艺,研究了水平井趾端滑套分段压裂技术,研制了趾端延时滑套、密封锁紧座等关键工具,以满足水平井套管柱试压需求,实现水平井趾端免射孔全通径压裂。地面性能试验结果表明,设计的水平井趾端压裂关键工具能够实现压裂滑套定压延时开启、固井碰压锁紧密封等功能,趾端延时滑套爆破阀在压力达到82.0 MPa时启动,延时29min后滑套完全打开,且滑套承压达到105.0MPa;密封锁紧座与配套胶塞可实现碰压锁紧,反向承压能力达到52.5MPa,具备现场应用可行性。水平井趾端压裂工具的成功研制,为今后替代水平井射孔作业、降低国内致密油气藏开发成本提供了技术支持。

套管固井分段压裂滑套关键技术分析

套管固井滑套分段压裂技术是近年来兴起的一种储层改造技术,目前国外各大公司已经在该技术的研究上取得了较大进展。概述了套管固井滑套分段压裂技术的工艺原理,详细介绍了其关键技术,包括滑套打开方式、内套定位机构、密封方式、滑套包覆层技术和胶塞顶替技术,同时通过对各关键技术优缺点的对比分析,指出套管固井滑套应朝着高开关稳定性、高密封性能和高施工可靠性等方向发展。

水平井延时启动趾端滑套关键技术研究

国内外的非常规油气储层开发大都采用泵送桥塞分段压裂技术,但在首段压裂时,需采用连续油管进行射孔作业,以建立井筒和地层的流通通道,增加了作业周期和成本。针对这一问题,开发了一种延时启动趾端滑套,文章概述了工具的结构原理和施工流程,总结出延时启动控制技术和启动压力精准控制技术两项关键技术,并通过对工具结构和工艺上的优化,提出了提高工具入井安全可靠性的方法。延时启动趾端滑套在国内页岩气井进行了应用,有效替代了第一段的射孔作业,实现了页岩气等非常规油气藏开发的降本增效。

插管封隔悬挂器在镇泾油田分段压裂中的应用

针对国产悬挂器存在环空封隔压力低,不具备双向锚定能力以及坐封载荷大等问题,对常规插管封隔悬挂器的结构进行了优化设计。通过增大工具内径,保证了压裂作业中大直径憋压球的顺利通过,从而使得分段压裂工具的可压裂级数不受限制;同时增设了双级液缸坐封机构,配套了插入锁紧密封装置。改进后的插管封隔悬挂器可实现对压裂管柱的双向锚定及尾管重叠段环空70 MPa的封隔能力。现场应用结果表明,大通径插管封隔悬挂器可以有效实现压裂完井管柱的送入及双向锚定,并可实现对尾管顶部重叠段环空的高压封隔。

海洋作业平台悬臂梁强度计算与试验分析研究

悬臂梁的强度直接关系到海洋作业平台的安全。应用有限元软件ANSYS对悬臂梁进行了有限元建模分析,得到了悬臂梁的位移和应力分布云图,指出了其应力较大部位;在平台建造码头对悬臂梁进行了现场强度测试试验,并将有限元的计算结果与实际测试结果进行了比较分析。分析结果表明,有限元分析结果与实际测试结果比较接近,两者得到的应力规律基本一致;2种工况下最危险点应力值都小于悬臂梁的许用应力,满足强度要求。

模拟套管固井滑套工况下冲蚀实验方案设计

新研发的井下工具必须经严格实验检验才能投放现场,因此,实际工况的准确模拟显得尤为重要。针对固井滑套在压裂时具有大排量与高含砂比的特点,设计了四泵串并联方式的工况模拟实验模型。根据实验条件,先假设冲蚀实验设备连接方案为两泵并联方式,而理论计算得出泵为管路所提供的扬程需达到35.82 m,与实测单台离心泵Q H特性曲线相结合,最终确定了设备连接方案为四泵串并联方式。通过监测模拟冲蚀实验中的排量与含砂比,结果表明,所设计的实验方案能够满足模拟大排量(4.5～7.0 m3/min)、高含砂比(体积比25%)的冲蚀要求且存在较大余量;同时得出进行压裂作业时不同孔眼数的滑套对管路整体压力损耗、实验流量、泵送能力等影响明显。

新型等通径键槽式滑套压裂技术

为解决常规投球式滑套压裂后不能实现全通径、后期储层改造困难的难题,研制了一种新型等通径键槽式滑套分段压裂技术,该技术主要由键槽式滑套和配套的专用打开工具组成,通过逐级投入专用打开工具打开滑套进行压裂施工,压裂结束后专用打开工具可返排出井口或在井内溶解,无需下钻即可实现管柱内的全通径,节省了施工时间和成本。地面实验和模拟入井试验结果表明,打开工具可顺利通过并打开滑套,工具的各项技术指标均满足设计要求,达到了现场应用条件,具有较好的适用性和应用前景,可为非常规油气藏的降本增效开发提供技术支撑。

石墨对TA7钛合金微弧氧化涂层组织结构及摩擦磨损行为的影响

为提高TA7钛合金耐磨损关键服役性能,在钛合金表面制备微弧氧化陶瓷涂层。通过厚度、粗糙度、显微硬度测量、X射线衍射、场发射扫描电镜观察、能谱分析、摩擦学性能检测等手段研究了石墨对微弧氧化涂层组织结构及摩擦学行为的影响机制。结果表明:基础电解液中加入石墨颗粒能够显著提高TA7钛合金微弧氧化涂层的厚度,降低微弧氧化涂层的表面粗糙度和显微硬度,且随着石墨浓度的升高,微弧氧化涂层的厚度增大,表面粗糙度和显微硬度减小;微弧氧化涂层降低了TA7钛合金的摩擦系数,显著改善了合金的耐磨性能;石墨颗粒的加入进一步降低了微弧氧化涂层的摩擦系数,当石墨浓度为3 g/L时,涂层摩擦系数保持在0.15以下,表现出良好的减摩特性。

全通径滑套分段压裂工具耐冲蚀性能试验研究

结合全通径分段压裂滑套工具现场使用工况,设计了一套适用于大排量、高砂比、长时间冲蚀模拟试验装置以及性能验证装置,试验时平均排量4.5~6.0 m3/min,含砂体积分数20%~30%,有效冲蚀时间达到24 h,充分模拟了全通径分段压裂滑套和开关工具的耐冲蚀性能,并深入分析了工具各项性能指标。试验结果表明,滑套孔眼中轴向冲蚀较周向冲蚀更为严重;开关工具经冲蚀后液缸边角位置发生一定的冲蚀磨损,经联机及密封测试后,滑套密封压力仍稳定在70 MPa,开关工具锁块仍能顺利伸缩,并成功多次打开、关闭滑套。全通径滑套分段压裂工具经长时间、大排量、高砂比冲蚀后,工具性能均能满足使用要求。