基于有限元仿真技术的超大通径悬挂器的研制与应用

常规悬挂器由于通径小无法胜任膨胀筛管完井作业,并会给后续作业带来更大的风险。针对此问题,研制出一种径厚比超过8的超大通径悬挂器,将主体坐封、坐挂、下入传扭、丢手等功能结构全部集成到服务工具中。首先介绍了超大通径悬挂器的结构特点和工作原理,并对核心零部件胶筒进行了有限元分析,然后制造了悬挂器样机,开展了悬挂器的多项性能测试。分析和实验结果表明:防液锁球座密封性能良好;悬挂器坐挂、胀封、丢手动作顺畅,与设计预期相符;悬挂器的胶筒承压大于25 MPa;卡瓦以及基管等结构件可承受50 t悬挂力载荷;其性能指标满足膨胀筛管现场施工使用要求。

150℃/105 MPa全通径可溶堵塞器研制与应用

为了满足带压完井作业对于内封堵工具不断升级的可靠性与效能需求,以全通径可溶堵塞器为研发对象,分析了工具承压关键结构与耐温性能的关键因素,提出了一种解决高压应力集中与材料安全强度矛盾的设计思路。研究结果表明:(1)通过CAD/CAE一体化设计方法,确立了更为安全可靠的承压封堵结构;(2)基于高温力学实验数据,通过对可溶镁合金材料化学配方的优选,筛选出最佳材料组合,解决了材料高温力学强度和可溶解性之间的矛盾;(3)利用等离子增强气相化学沉积法(PECVD法)制备多层纳米防护膜,提升了工具耐腐蚀性能,确保可溶堵塞器承压稳定可靠的基础上又能后期快速溶解。结论认为,所研制的全通径可溶堵塞器具备较好的耐温与承压能力,以及耐腐蚀性能,作业完成后可以快速溶解,不留任何残留物,有利于下一步作业实施,为带压完井作业和非常规油气藏高效开发提供了一种更为可靠的、绿色经济的工具解决方案。

砂岩气藏水平井体积压裂中Y341封隔器裂缝控制模拟

使用Eclipse软件建立了体积压裂中Y341封隔器裂缝控制模型,在该模型中以不同段数、段长、裂缝夹角、裂缝半长、裂缝密度和裂缝导流能力作为控制因素,约束Y341封隔器对裂缝的控制能力。模拟结果显示:在约束参数控制下,Y341封隔器可完成裂缝控制,提高致密砂岩气藏水平井中的天然气采集量。

大位移井完井管柱下放受力优化

随着对复杂油气藏高效开采、降低开采成本等需求的日益增长,对大位移井的需求逐渐增加。然而,由于大位移井水平位移大、造斜点浅、深部稳斜段长等特点,在完井管柱下放过程中易出现扭矩大、摩阻大、管柱屈曲等问题,导致完井管柱难以下放到指定深度,而对大位移井完井造成不利影响,限制了大位移井的应用。为明确大位移井完井管柱的下放规律,提高大位移井完井作业的成功率,众多学者针对大位移井管柱下入开展了计算研究,逐步建立并完善了数学计算模型。廖华林等建立了大位移井中套管柱的下放摩阻计算数学模型,为计算管柱下放过程中的悬重和摩阻提供了依据。高德利等指出扭矩和摩阻是影响大位移井管柱下放的关键因素,据此建立了大位移井摩阻和扭矩的计算模型,并对管柱在下放过程中的受力情况进行分析。薄和秋等考虑大刚度管柱在高曲率井眼中的摩阻扭矩计算误差。

旋转尾管悬挂器的研制与应用

旋转尾管悬挂固井技术能解决尾管入井过程中的遇阻等复杂情况,并可提高水泥浆顶替效率和尾管固井质量,但该技术的核心旋转尾管悬挂器及其配套工具制造技术被国外公司垄断。为打破技术垄断,研制了具有自主知识产权的旋转尾管悬挂器。介绍了旋转尾管悬挂器的设计要点、结构和工作原理,并通过地面性能试验、液压丢手试验及模拟入井试验考察了旋转尾管悬挂器的各项性能。地面性能试验表明,旋转尾管悬挂器的坐挂压力、整体密封压力及承载能力均满足设计要求;液压丢手试验表明,液压丢手工具的抗拉和抗压能力均能满足设计要求,能实现液压、机械两种丢手功能;模拟入井试验表明,旋转尾管悬挂器能实现坐挂、丢手、旋转功能,各项技术参数与设计相符,达到了设计要求。现场应用表明,所研制的尾管悬挂器不但顺利实现了坐挂、丢手、旋转功能,还通过旋转提高了尾管固井质量。

完井作业油管柱失效的力学机理--以塔里木盆地某高温高压井为例

塔里木盆地某高温高压井井深约7 000 m、地层温度180℃、地层压力120 MPa,该井在完井作业中发生两处油管工厂端丝扣根部断裂的工程问题。如何从管柱变形与应力变化进行解释并提出应对措施,进而保证管柱完整性和保障安全生产是一个值得讨论的问题。为此,采用有限单元法进行管柱的三维力学数值分析,建立起三维有限元管柱力学模型,模拟完井作业中下封隔器坐封、压裂、测试3个工况下的管柱结构变形,分析管柱系统的位移和应力的变化规律,进而基于疲劳强度计算的理论公式得出了疲劳安全系数的计算公式。研究结果表明:(1)依据该井完井管柱各处的轴向应力有限元数值计算结果,得到了各弯曲应力部位的疲劳安全系数值;(2)测试作业各油管段的疲劳安全系数都大于3,属于安全状态;(3)断裂的2段油管疲劳安全系数值分别为1.99和1.11,处于预警区,而其他管段的疲劳安全系数均大于1.99,属于安全区。结论认为,该方法为具有类似结构的超深高温高压井的管柱力学设计提供了有效的分析手段。

水平井分段完井工具的室内试验及现场应用

水平井完井技术的发展趋势是分段完井,即能实现分层开采及异质层隔离功能的完井技术。为此,设计了由内外两套管柱组成的分段完井工具,外管柱实现层间隔离功能,内管柱实现坐封管外封隔器功能。室内试验表明,管外封隔器膨胀后其外径、密封效果、耐压能力等均可满足现场应用的要求。现场应用表明,采用分段完井工具进行分段完井的水平井能实现分层开采及各个不同层系间的隔离、延长无水或低含水开采期、提高采收率的目标。

胜利油田深井技术套管损坏原因分析及对策研究

统计分析表明,胜利油田深井技术套管损坏主要有井口下沉、脱扣、断裂或破裂、变形4种类型。技术套管损坏不但会影响下一步钻探工作的顺利进行,严重的还会导致井眼报废,造成巨大的经济损失。分析认为,钻具对技术套管的磨损导致其强度降低是技术套管损坏的主要原因。因此,在深井、超深井钻井过程中,必须采取相应的预防措施,其中在钻具纽合中加入非旋转套管防磨短节可以有效地减少技术套管磨损,从而避免技术套管损坏事故。

超深高温高压气井完井含伸缩管测试管柱的应力与变形特征

塔里木盆地MJ4井测试管柱长6617m,测试时井底压力为101.63MPa,完井作业过程中管柱出现了塑性变形问题,迫切需要准确地确定管柱塑性变形究竟发生在完井作业的哪个阶段。为此,采用三维有限元分析方法,结合MJ4井坐封、压裂和试油3个典型的载荷工况,对管柱的变形和轴向应力分布进行了数值计算,总结了含伸缩管的完井测试管柱力学行为计算流程。研究内容主要包括:①提出了具有伸缩管的油管柱系统中伸缩管的伸长与闭合状态的判断依据,并给出了相应的计算原理和计算公式,计算了MJ4井油管柱伸缩管的伸长闭合状态;②给出了水力锚咬合不良产生的封隔器环空附加压差载荷的分析计算方法,模拟了其对管柱系统变形行为的影响,指出了附加压差载荷对管柱的塑性屈曲变形有着重要的影响;③计算模型引入了侧向屈曲变形的限制,从而间接考虑了接箍刚度对屈曲变形的影响,计算分析了油管柱在各种载荷共同作用下的变形情况,得到的数值结果显示与观察到的变形现象相同。研究结果表明,MJ4井管柱的塑性变形发生在压裂改造施工阶段,各种形式的液体压力载荷及重力载荷是塑性变形的主要原因。结论认为,含伸缩管测试管柱的力学计算模型可作为优化施工和管柱系统结构设计的重要理论工具和分析手段。

深水智能完井关键设备组合优化模型的建立与应用分析

目前选择智能完井设备的标准往往是由经济因素所决定,并且智能完井设备优选多是侧重于某一种关键设备的选型或是安装位置,不能真实反映工程对设备组合的准确性、可靠性、兼容性等多目标要求。基于层次分析法(AHP)建立了深水智能完井关键设备组合优选模型:将井下控制系统、温压传感器、封隔器、流量控制阀、井下流量计、分布式温度传感器等完井设备组合作为AHP的方案层,将费用、可靠性、控制精度性、数据测量精确性、操作方便性、兼容性等6种最能代表设备组合特点和性能的参数作为AHP的标准层,将最优设备组合作为AHP的目标层;根据工程实际需求得到不同设备组合针对准则层以及准则层针对目标层的判断矩阵,然后通过层次总排序得到针对目标层的最优设备组合。实例分析结果表明,本文建立的优选模型可以在实际工程中进行应用,能够满足工程实际需要,可以得到适用于不同工况下的深水智能完井最优设备组合方案。

新型泡沫金属筛管堵塞机理及影响因素试验研究

为了解新型泡沫金属筛管的堵塞机理和优化筛管结构,利用全尺寸防砂试验装置模拟泡沫金属筛管的堵塞过程,采用比采油指数评价筛管堵塞程度,分析不同泥质含量、筛管精度和泡沫金属层厚度下的堵塞程度及堵塞机理。结果表明,表层颗粒架桥是泡沫金属筛管堵塞的主要原因,筛管的比采油指数随泥质含量增大呈指数函数衰减,最终约稳定在0.075m3/(d·MPa·m),与不含泥质时相比,下降了约78%;泡沫金属层孔径增大,比采油指数随之增大;泡沫金属层厚度增大,比采油指数的变化很小。新型泡沫金属筛管堵塞机理及影响因素的研究结果,为进一步优化筛管结构提供了理论依据。

库车山前高温高压气井完井封隔器失效控制措施

库车山前高温高压气井主要采用Y443-111封隔器,但封隔器在替液过程中易憋压,严重时甚至出现封隔器提前坐封问题,导致油套环空的试油钻井液无法被环空保护液完全替出,后期可能对油管、套管柱产生腐蚀。针对上述问题,分析了Y443-111封隔器替液过程中失效与损坏的原因,发现造成该封隔器失效的主要原因是封隔器与套管的间隙太小,次要原因是替液排量大和井筒清洁情况差。为此,制定了降低替液排量、清除井筒杂质、优化试油钻井液性能、提高井筒工作液质量和缩小封隔器外径等控制完井封隔器失效的措施。上述措施在现场累计应用43井次,成功率达97.6%,解决了库车山前高温高压气井完井封隔器失效的问题,确保了高温高压井下作业安全和完井作业的顺利施工。

悬挂器坐挂失效的简要分析

为降低钻井成本 ,各油田采用尾管完井已很普遍。然而 ,生产应用中发现 ,这种完井工艺尚存在许多问题。突出问题是悬挂器坐挂失效 ,给现场施工人员带来许多麻烦。文中从悬挂器受力分析角度出发 ,借用数学工具 ,探讨了悬挂器自锁条件及与悬挂负荷有关的几个因素 。

完井用多孔隙形状记忆聚合物的性能影响因素研究

由单一相对分子质量多元醇制备的多孔隙形状记忆聚合物的性能无法满足完井的要求,需要采用不同相对分子质量多元醇制备多孔隙形状记忆聚合物。为给制备适用于不同井下条件的多孔隙形状记忆聚合物提供依据,通过改变不同相对分子质量多元醇的质量比,制备了不同的多孔隙形状记忆聚合物,并测试其力学性能、玻璃化温度、热敏性能和观察其孔隙结构,分析了不同相对分子质量多元醇的质量比对其性能的影响规律。低相对分子质量与高相对分子质量多元醇的质量比越大,多孔隙形状记忆聚合物的硬度、压缩强度和弯曲强度越高,玻璃化温度、热形变温度、形变恢复温度和开孔率越低,泡孔尺寸越大,孔型系数和泡孔壁厚越大,结构的各向异性越强。研究表明,通过调整制备原料中不同相对分子质量多元醇的质量比,可获得具有一定力学强度,同时满足不同井下温度条件形状恢复、对不同粒径地层砂具有滤砂过流功能的完井用多孔隙形状记忆聚合物。

水平井旁通分流砾石充填工具的研制

目前,国内用于油气井防砂的砾石充填技术,对于井斜角小于45°的定向井已经相当成熟,效果很好,但是当井斜角大于45°时,砾石充填效果会急剧下降。为此,研制出了水平井旁通分流砾石充填防砂工具。介绍了该工具的结构和工作原理,进行了单元件之间的对接试验和分流管充填试验。试验结果表明:单元件互换对接性能良好,接头密封、自锁性能良好;采用该工具进行砾石充填能使水平井段完全充满砾石。

遇水自膨胀封隔器专用橡胶的合成与性能分析

胶筒是自膨胀封隔器的关键部件,作为胶筒原料的吸水膨胀橡胶其性能对自膨胀封隔器的封隔效果起决定作用,但国内目前缺乏对胶筒专用吸水膨胀橡胶及其合成材料的深入研究。为提高遇水膨胀橡胶的抗盐能力,用丙烯酸钠与丙烯酰胺共聚制备了遇水膨胀橡胶中起吸水作用的吸水树脂,试验分析了吸水树脂吸水性能的影响因素,发现参与反应的各单体的配比、单体总的质量浓度都可影响吸水树脂的吸水能力。将丁腈橡胶、自制吸水树脂及其他原料共混制得了遇水膨胀橡胶,测试了溶液矿物质种类、浓度和pH值,以及温度、吸水时间对橡胶膨胀能力的影响,并进行了遇水膨胀橡胶的抗拉伸试验,试验证明以上各因素对橡胶的膨胀能力都有影响,且制备的遇水自膨胀橡胶抗拉性能良好。对应用自制遇水膨胀橡胶的自膨胀封隔器进行了室内承压能力测试,试验结果表明,自膨胀封隔器承压能力达到14MPa,可满足浅井现场施工要求。

遇水膨胀封隔器关键技术研究

针对常规封隔器在大尺寸及不规则井眼中使用可靠性较差的问题,开展了遇水膨胀封隔器技术研究。采用了测试遇水膨胀橡胶膨胀率和封隔能力等的方法,优选了遇水膨胀橡胶的配方:橡胶D1+70%吸水聚合物+20%补强剂A+40%补强剂C。通过室内试验分析了温度及盐溶液对遇水膨胀橡胶的影响规律,结果表明:随着温度的升高,遇水膨胀橡胶的膨胀率增大,但当温度高于120℃时,其膨胀率随温度升高而降低;盐溶液的离子强度越高,遇水膨胀橡胶的膨胀率越低。分析了遇水膨胀封隔器的膨胀密封机理,并采用有限元方法分析了遇水膨胀橡胶不同膨胀率下的封隔能力,发现遇水膨胀橡胶的膨胀率越大,封隔能力越强。现场应用表明,遇水膨胀封隔器能解决常规封隔器在大尺寸及不规则井眼中使用可靠性较差的问题。

形状记忆筛管膨胀性能测试

为了解形状记忆筛管在井下环境的膨胀性能,根据该筛管在井下的膨胀原理,研发了能够模拟井下环境的形状记忆筛管膨胀性能测试系统,进行了形状记忆筛管样机膨胀性能测试,分析了循环流体排量和温度对响应温度、膨胀速度和膨胀力的影响。研究结果表明:随着循环流体排量增大,响应温度随之升高,膨胀速度降低;当循环流体温度不低于初始响应温度时,随着循环流体温度升高,膨胀速度增大;循环流体的排量和温度对最终膨胀力的影响较小。测试结果为形状记忆筛管的设计和应用提供了依据。

新型割缝筛管的设计及安全性评价

针对欠压实、胶结疏松油藏尤其是稠油油藏的特点 ,并综合考虑经济等因素 ,提出不等密度布缝的割缝筛管完井新概念并研制出新型割缝筛管 ,解决了稠油开采中的油井出砂问题。这种筛管防砂效果好 ,不阻隔油气流 ,耐腐蚀 ,不易形成砂堵 ,使用寿命长 ,制造容易 ,很容易实现不等缝眼密度和不等缝宽布缝 ,便于实施不等密度布缝和缝宽完井。与未割缝套管相比 ,新型割缝筛管的抗拉、压强度和抗扭强度减小不多 ,可以满足完井作业和井下工况的需要。

割缝衬管完井适度出砂临界缝宽研究

针对油田严重出砂的危害及现有防砂工艺存在的问题,指出了割缝衬管防砂的优越性及适度出砂割缝衬管缝宽设计的重要性。介绍了割缝筛管防砂的机理,建立了出砂的数学模型、割缝衬管表皮模型及割缝衬管防砂产能模型,基于模型比较了不同防砂程度情况下的增产比,提出了临界缝宽的概念。计算分析表明:采取防砂措施后,随着缝宽减小,产量减小,增产比降低;不同防砂程度相比较,得出了割缝衬管防砂临界缝宽;大于临界缝宽时,采取防砂措施时的产量和增产比比不防砂时高,而小于临界缝宽时,采取防砂措施时的产量和增产比比不防砂时低。