一种新型多级分段压裂自动投球器

投球压裂是页岩气水平井分段压裂改造的常用技术,目前的投球器存在着压裂球尺寸小、投球数量有限、结构过于复杂、适用性差等问题,不能满足页岩气井大通径、小间距压裂作业的需求。为此,设计出了一种转板式大通径井口自动投球器,该投球器上端设置储球筒,下端的底座内部布置投球机构,通过驱动电机控制投球机构实现逐个投球的功能;采用FEM(有限单元法)对该投球器的投球过程进行碰撞分析,通过任意拉格朗日欧拉(ALE)网格自适应方法和耦合的光滑粒子流体动力学(FEM-SPH)方法进行仿真模拟和样机实验。研究结果表明:①投球碰撞在转板上边缘处产生最大的等效应力、等效塑性应变和位移,产生的最大应力在600 MPa左右,小于42CrMo的屈服强度930 MPa,满足强度要求,并且具有一定的安全余量;②样机成功实现了投球直径介于64～108 mm、投球级差为4 mm的12级分段压裂连续投球测试。结论认为,该投球器操作简单、适用性广,可有效满足页岩气水平井多级分段压裂工艺的需要。

故障工况下有杆泵采油系统运行特性及示功图研究

根据井液进出泵筒速度及泵筒内井液压力变化规律分别建立正常工况、气体影响、漏失影响和供液不足等工况下的泵阀运行特性模型,并与杆管液动力学模型进行耦合,形成故障工况下有杆泵采油系统的仿真模型及对故障工况下的有杆泵采油系统运动特性的仿真分析。结果表明:仿真结果与现场实测地面示功图具有良好的一致性且预测产液量平均误差低于6%,验证了故障仿真模型的准确性;碳纤维混合杆柱相对于钢杆采油系统示功图载荷绝对值较小,加载和卸载线较长,谐波个数较少且平滑;气体影响、游动阀漏失会减小加载完成时抽油杆柱的谐振,供液不足、气体影响和固定阀漏失会加剧卸载完成时抽油杆柱的谐振;基于该故障仿真模型可获得碳纤维抽油杆等新型抽油杆故障工况下的示功图图库。

底水油藏单管排水采油工艺研究及其管柱优化

底水油藏在开采过程中,底水锥进是导致水处理费用增加和开发成本升高的主要原因。为解决底水锥进问题,在双层完井原理的基础上提出了一种基于电潜泵-射流管柱的底水油藏单管排水采油工艺。以胜利油田某试验井为例,采用Eclipse软件对该工艺进行数值模拟分析,结果表明在使用该工艺1 a以后,可将含水体积分数超过98%的油井的含水体积分数降低至86%,开采9 a后,含水体积分数升仅高至90%,累计油增产可达19 651 m^3。同时采用响应曲面法(RSM)结合粒子群优化算法(PSO)对该工艺中的射流管柱结构进行了优化。优化结果表明:优化后射流管柱的效率从6.6%提高到了16.1%,达到了有效开发底水油藏的目的。单管排水采油工艺综合配套技术可为我国底水油藏的开发提供技术支持。

碳纤维连续抽油杆超冲程问题研究

碳纤维连续抽油杆使用时,柱塞的运动存在超冲程现象,且超冲程的影响规律不明,导致碳纤维连续抽油杆的设计使用缺少理论依据。鉴于此,将抽油杆运动分解为由悬点位移和泵时变载荷激励的两个子运动,分别建立相应的数学模型,采用有限差分法对模型进行求解。根据所建模型分析了冲次和杆柱组合对柱塞超冲程的影响,分析结果表明:悬点位移激励产生的柱塞超冲程随着冲次的增加而单调增加,泵时变载荷引起的柱塞超冲程则有正有负;柱塞的超冲程是由悬点位移和泵时变载荷共同作用产生;有杆采油系统均存在超冲程现象,碳纤维-钢混合杆柱的能耗和泵效均优于全钢杆。研究结果可为现场充分利用碳纤维抽油杆的优势提供理论依据。

基于抗挤强度及表皮因子的割缝筛管参数优化

针对割缝筛管参数优化问题,提出应综合考虑筛管抗挤强度及表皮因子进行多目标优化。利用有限元数值模拟方法建立了筛管抗挤强度模型,采用割缝筛管表皮因子模型表征油井生产效率。利用抗挤强度模型及表皮因子模型对缝形进行了优选,在缝形优选的基础上进行了缝宽、缝长及缝密对抗挤强度和表皮因子的影响规律分析;采用响应曲面设计方法,得到不同影响参数与抗挤强度、表皮因子之间的多元回归方程;基于多目标优化方法,以筛管最大抗挤强度、最小表皮因子为优化目标,建立了割缝筛管优化设计模型,得出了高抗挤强度、低表皮因子的割缝参数的最优组合。多目标优化结果表明:选择大缝宽和小缝长或小缝宽和大缝长组合以及高缝密、小间隔的筛管有较好的抗挤性能和过流性能。研究结果对延长筛管寿命和保证油气井的安全生产具有重要意义。

碳纤维抽油杆采油系统柱塞超冲程产生机理

碳纤维抽油杆由于其本身的优势在油田得到推广;但在使用时存在柱塞超冲程现象,导致碳纤维连续抽油杆的设计使用缺少理论依据。采用运动分解的方法将抽油杆运动分解为由悬点位移激励和泵载荷激励的两个子运动,并建立相应数学模型,采用有限差分法求解,与现场数据对比,验证了模型的准确性。同时,建立了柱塞超冲程的仿真模型,分析了柱塞超冲程的产生机理及冲数、悬点冲程、泵径、泵挂和碳杆占比对柱塞超冲程的影响。仿真和分析结果表明:①柱塞相对超冲程由悬点位移激励的同频超冲程和泵载激励的谐振超冲程组成;②加载完成时悬点的速度、杆柱的谐振性能参数越大,谐振截止相位越接近3兀/2,柱塞谐振超冲程越大;阀二次动作会削弱柱塞谐振超冲程;同频超冲程随抽油杆柱的固有频率增加而下降,随冲数和悬点冲程增加而上升;③柱塞相对超冲程随冲数的增加波动上升,随悬点冲程的增加先下降、后上升,随泵径的增加先上升、后下降,随泵挂的增加单调上升;④在极值冲数或较高冲数、极值碳杆占比(杆柱固有频率最低时的碳杆占比),高泵挂时,柱塞超冲程现象明显。