基于“区块链+物联网+大数据”的高压管阀件信息管理系统

为了解决压裂的高压管阀件分散使用、管理效率低等问题,基于“区块链+物联网+大数据”构建了的管阀件信息管理系统。利用RFID标签,生成数字身份ID,现场手持扫描设备识别RFID标签录入管阀件使用数据并写入区块链,实现了管阀件使用数据分布式存储。采用双路径、双机制区块链信息智能拓展机制,实现信息拓展、共识,保证了信息管理系统访问数据的可靠性及安全性。基于施工现场和室内试验的大数据分析,构建了管阀件寿命预警模型,采用浮窗消息报警,提醒用户及时对报警管阀件进行更换。信息管理系统用于访问管阀件分布式存储信息,对管阀件使用信息统计管理、分类展示及实时预警,有效保证管阀件数据传输安全、提高管阀件管理效率、保障管阀件现场使用安全。

压裂液返排率影响因素的实验研究

针对压裂液返排率较低的问题,利用无量纲分析方法,推导了与现场工况相对应的实验无量纲时间,开展了压裂液返排的三维模型实验,研究了驱替方向、地层压力、界面张力、压裂液黏度和支撑剂润湿性对返排率的影响规律。结果表明,驱替方向与重力方向相同时,压裂液的最终返排率最高;驱替方向与重力方向相反时,由于出现指进现象,导致最终返排率较低。因此,应通过调整压裂液性能尽量避免指进现象的出现。压裂液的最终返排率随地层压力的升高而降低,稳定的地层压力更有利于压裂液的返排,压裂施工后需利用合适直径的油嘴控制压裂液返排。压裂液的最终返排率随界面张力的下降而上升,但上升趋势逐渐变缓,随液体黏度的增加而降低。亲油性的支撑剂更有利于压裂液的返排。

粒子冲击破岩深度的理论模型研究与室内试验

为了准确分析粒子冲击钻井过程中粒子对岩石的冲击作用机理,指导施工参数的优选,需要对粒子冲击破岩的深度进行理论计算。基于动态球形空腔膨胀理论,推导了粒子冲击破岩过程中粒子所受阻力与初始入射速度的关系,结合粒子运动微分方程建立了粒子冲击破岩深度的计算模型,并给出定解条件和求解方法。根据计算实例,对粒子冲击破岩深度与粒子初始入射速度的响应关系和破岩深度与破岩时间的响应关系进行了研究。粒子冲击破岩室内试验结果表明,理论计算结果与试验结果基本吻合,表明该理论模型准确可行,可用于粒子冲击破岩过程的理论分析。研究表明,无因次破岩深度随粒子初始入射速度增大呈线性增加、随破岩时间增长呈对数增加的规律。研究结果可为粒子冲击钻井技术的实际应用提供理论支撑。

粒子射流冲击破岩效果影响因素试验研究

为了更准确地分析粒子射流冲击破岩规律,从而有效指导粒子冲击钻井工艺参数的优选,通过粒子射流冲击破岩正交试验,确定了粒子射流各因素影响破岩效果的重要程度,然后根据单因素粒子射流冲击破岩试验,分析了粒子体积分数、粒子直径、喷射角度等主要因素对破岩效果的影响规律,并优选了粒子冲击参数。试验得出,粒子射流各因素对破岩效果的影响程度由大到小依次为喷射时间、粒子体积分数、粒子直径、喷射角度和喷距,最优粒子体积分数为2.0%,最优粒子直径为1.5mm,最优喷射角度为15°。研究结果表明,岩石破碎孔眼深度与粒子体积分数和粒子直径均成二次函数关系,与喷射角度成四次函数关系;孔眼体积与粒子体积分数、粒子直径和喷射角度均成三次函数关系。该研究结果可为粒子冲击钻井技术的推广应用提供理论支撑。

前混式磨料射流发生系统混合腔的优化设计

混合腔是前混式磨料射流发生系统的核心部件,合理的混合腔结构参数有利于磨料和水的混合,从而提高水力能量利用率。考虑液固两相的相互作用,采用标准κ-ε双方程模型,对混合腔内液固两相流场进行数值模拟研究,以液固混合不均匀度为标准,利用统计学方法对混合腔主要结构参数进行优化设计,获得最优结构尺寸组合,并进行磨料体积分数测试试验及套管切割试验。研究结果表明,优化后磨料体积分数与标定值相比波动明显减小,磨料射流切割套管的效率明显提高,且套管断面更加光滑整齐,说明优化后的混合腔能够显著提高液固混合均匀程度。

煤层气泡沫固井新型早强剂FC-A及其性能

针对煤储层温度低,固井时水泥水化反应速率慢,水泥浆稠化时间长,水泥石抗压强度发展缓慢等问题,依据水泥浆的水化机理,以不同离子对硅酸钙矿物熟料水化速率的影响规律为理论基础,研制出过渡金属复合盐类新型低温早强剂FCA,并系统评价了该早强剂不同加量(1%、2%和3%)情况下的水泥浆性能,与早强剂氯化钙(Ca Cl2)进行对比,得到了FC-A对水泥浆的影响规律:早强剂FC-A能够提高水泥石低温早期抗压强度,完全满足6 h抗压强度(39℃、常压)大于等于4.0MPa技术指标;早强剂FC-A能够缩短水泥浆稠化时间,加有FC-A早强剂的水泥浆稠化时间与水泥原浆稠化时间之比(32℃、8.3 MPa)为0.438;FC-A对水泥浆的流变参数和初始稠度基本无影响,具有优异的低温早强和促凝作用,是一种综合性能优异的新型早强剂。

径向水平井多孔自旋射流喷嘴设计及应用

为了解决目前常规射流喷嘴无法同时实现钻大孔和钻深孔的问题,设计了一种结构简单的多孔自旋射流喷嘴,并利用SIMPLEC算法对其流场进行数值模拟计算,分析了喷嘴的外流场特性,通过室内破岩实验研究了喷嘴的破岩机理,优选了喷嘴的结构参数。结果表明:多孔自旋射流喷嘴的无因次冲击区面积随定位圆半径的增大而增大,随倾斜角的增大而减小,随切向角的增大呈现出先增大后减小的规律。在倾斜角一定的条件下,切向角为16°时,无因次冲击区面积达最大值;在切向角一定的条件下,倾斜角为6°时,射流在冲击壁面形成较大的冲击区和速度较高的漫流区。定位圆半径4 mm、倾斜角6°、切向角16°的多孔自旋射流喷嘴可实现钻大直径深孔的目标,并取得了较好的现场应用效果,可作为一种新型高效的径向水平井射流喷嘴进行推广应用。

碱改性活性炭对甲烷气体的吸附性能研究

在油气田井下作业过程中,试油气求产、酸化压裂等施工之后,油气井返排液中夹带以甲烷气体为主要成分的挥发性有机化合物(VOCs),由于点燃处理方式已明令禁止,因此研究活性炭吸附法去除甲烷气体成为石油行业蓝天保卫战的重点工作之一。为提高活性炭对甲烷气体的吸附性能,考察了不同质量分数KOH溶液碱改性后活性炭的物化参数(比表面积、孔结构及其分布、表面官能团)变化及对甲烷气体的吸附效率,研究了温度、相对湿度、气流速度等应用条件对吸附效率的影响规律。结果表明,质量分数为8%的KOH溶液对活性炭碱改性处理后,活性炭表现出更大的比表面积和更多的微孔分布,表面的碱性基团明显增多,对甲烷气体的吸附效率最高;碱改性后的活性炭对甲烷的吸附效率随着温度的升高先缓慢升高,后快速下降;相对湿度超过20%后,吸附效率明显下降;随气流速度的增大,吸附效率先缓慢降低,后迅速下降。据此,将活性炭的应用温度条件控制在20~40℃,气体相对湿度不高于20%,气流速度控制在0.1~0.15m/s范围内,能够充分发挥活性炭的吸附作用。该研究为活性炭基VOCs处理装置的设计和工作参数的优化提供了依据。

酸化返排酸性气体动态喷淋净化装置

油气井酸化施工后,井内返排液体中夹带的酸性刺激性气体,经静态喷淋净化后,均未达到排放标准,整体净化效率低,严重污染环境,威胁人身安全。为提高喷淋净化装置对酸性气体的净化效率,研究了一种以叶轮为主要部件的动态喷淋净化装置。通过理论计算气液接触面积,验证了动态喷淋装置净化气体的高效性。采用流体力学计算方法,对动态喷淋的叶轮结构进行了优化设计,优选出叶片数为6个、倾斜角为40°的叶轮,获得16 r/min转速的动态喷淋净化装置。大港油田X井采用该装置处理后的酸性气体净化效率由49.06%提高到95.88%,较静态喷淋提高了95.43%,满足油气田作业现场对酸性气体的净化要求,实现了作业现场小型、喷淋效果高效的目的,具有广泛的实用性。

地面旋流油水分离器的结构优化

地面旋流油水分离设备对勘探评价井产出原油的准确计量、原油的回收及返排污水的高效处理具有重要意义,其结构参数对油水分离效率产生巨大影响。为获取旋流油水分离器的最优结构组合,基于计算流体力学的离散相模型对分离器内油水两相的三维湍流强旋流场进行数值模拟研究,以油水分离效率为判断标准,分析各关键结构参数对分离效率的影响规律,采用正交试验方法,优化设计分离器的结构尺寸,并进行现场试验。研究结果表明:油水分离效率随着进液口直径和圆锥段角度的增大先增大后减小,随着排油口直径的增大逐渐减小,随着圆柱段长度的增大逐渐增大;最优结构参数组合为圆锥段角度α=11°,进液口直径D1=12mm,排油口直径D2=3mm,圆柱段长度L=70mm。现场试验表明,该旋流油水分离设备体积小、处理量大、使用方便,可高效分离油气井返排液中的原油,实现原油的精确测量,对合理的勘探开发方案的制定具有重要意义。

压裂液返排期间放喷油嘴的磨损规律研究

压裂液返排期间,由于支撑剂的回流返吐导致放喷油嘴磨损严重,不仅增加了更换油嘴的成本,而且影响压裂施工效果。为了延长放喷油嘴的使用寿命,基于光滑粒子流体动力学(SPH)和有限元(FEM)的耦合方法,对压裂液返排期间放喷油嘴的磨损规律进行数值模拟研究。以磨损速率为判断标准,优化设计了放喷油嘴的内流道结构,优选了油嘴材料,探讨了支撑剂质量分数和粒径对油嘴磨损程度的影响。研究结果表明:放喷油嘴收缩段与直线段的过渡段和出口处的磨损最严重,优选油嘴的内流道结构为流线形,收缩段长度为25 mm,整体长度为42 mm,材料为陶瓷;随着支撑剂质量分数和粒径的增加,放喷油嘴的磨损速率均呈现先增大后减小的规律;优化的放喷油嘴耐磨性强,使用寿命长,可保证压裂液返排施工高效进行。研究结果可为高压高含砂条件下的耐磨油嘴设计提供参考。

微型多分支钻管延伸距离影响因素

钻管穿出轨道的距离决定着微型多分支增产技术的效果。根据微型多分支技术的工艺原理,建立了钻管穿出轨道的有限元模型。文中基于瞬态动力学理论进行计算,利用钻管应力和弯曲度2个评价参数,分析了不同轨道类型和钻管参数的影响规律。室内实验结果表明:初始段曲率半径相对较大、整个轨道曲率半径变化平稳的轨道,对应的钻管应力和弯曲度较小;轨道出口角度从30°增大至60°时,钻管应力和弯曲度逐渐增大;轨道间隙从2 mm增大至10 mm时,钻管应力和弯曲度逐渐减小;随钻管直径与壁厚增大,钻管应力和弯曲度增大;地层对钻管起矫直作用,间接增加了钻管的延伸距离。针对不同的油层厚度,应选择出口角度不同的轨道,保证贯穿整个油层,并最大化泄油面积。基于瞬态动力学的钻管穿出轨道数值模拟,为微型多分支增产工具参数优选提供了理论依据。

连续油管长水平段防自锁技术

连续油管在长水平井段施工时,经常因螺旋变形而自锁,无法下到预定位置,严重影响施工进度和施工质量。为解决连续油管在长水平井段自锁的问题,利用弹簧蓄能和齿形交错结构,设计了频率可调、振动稳定、适用性强的机械振荡器,研发了新型金属降阻剂配方,总结了矿化度、pH值、温度等对摩擦系数的影响规律,形成连续油管在长水平井段推进的防自锁技术。应用于N×-3井连续油管钻塞施工中,机械振荡器振动频率25~37 Hz,金属降阻剂最佳浓度1.0%~1.5%,降低摩擦系数40%以上。机械振荡器与金属降阻剂共同使用,可降低连续油管与井壁之间的摩擦力,增加其在水平井段的推进深度,缩短连续油管施工周期,提高施工质量。

压裂液返排期间放喷油嘴设计与工作寿命预测

压裂液返排期间支撑剂回流返吐导致放喷油嘴磨损严重,依靠经验选择更换油嘴时机,增加了更换油嘴的成本和劳动强度,影响压裂施工效果。基于光滑粒子流体动力学和有限元的耦合方法,结合磨损实验,优化了油嘴的内流道结构和关键参数,优选了油嘴材料,并利用基因表达式编程算法挖掘油嘴磨损的实验数据,建立了工作寿命的预测模型,编制了预测软件。现场应用表明,优化的放喷油嘴耐磨性强,工作寿命提高了75%以上;预测软件计算结果平均误差6.03%,对压裂液高效返排施工具有理论和实际意义。

煤层粒子冲击钻井技术的适用性分析及参数优化

为了更高效地开采煤层气，应用粒子冲击钻井技术提高煤层钻井的钻速，在分析了粒子冲击钻井技术在煤层钻井的适用性基础上，依据煤岩特性对粒子冲击钻井技术参数进行了优化，同时利用耦合光滑粒子流体动力学法（SPH）及有限元法（FEM）模拟研究了粒子冲击破碎煤岩的三维非线性冲击动力学问题，得出了粒子冲击参数随破岩深度的变化规律。结果表明：在考虑有利于粒子的返出情况下，优化了粒子钻进冲击参数，得出煤层钻井时粒子入射速度80～100m／s、粒子直径1．0～1．5mm和入射角度6°～12°为最佳取值，粒子冲击钻井技术在煤层气开采中具有高效实用性。

涡轮负压式局部反循环打捞工具的设计

复杂结构井的打捞施工存在碎屑上返困难、极易造成卡钻等问题,常规的修井液循环方式无法兼顾施工成功率和生产效益的问题,使其成为大修施工中棘手的生产难题。为了提高复杂结构井中打捞施工的成功率,降低生产成本,依靠涡轮旋转对井底产生负压抽吸作用的原理,设计了一种涡轮负压式局部反循环打捞工具,采用无量纲处理的方法理论设计了高比转速的涡轮结构尺寸,并对设计的工具开展了现场试验。研究结果表明:该工具适用于φ139.5mm以上套管内的打捞作业,齿轮增速机构的传动比为1∶3,迷宫储藏室和翻板式捞筒共可打捞4m^3以上的落物。在工作液流量为3m^3/h、涡轮转速为800r/min的情况下,高比转速涡轮的入口宽度为27.5mm,出口宽度为19.5mm,外径为95mm,叶片数为9,叶片出口角为41.2°。现场应用表明,该工具可在常规泵压和排量下成功打捞碎屑和大块落物,避免卡钻的同时大幅提高施工效率,实现套、磨、铣、打捞一体化施工,对提高复杂结构井打捞施工成功率和经济效益具有重要的意义。

射流抽吸式水泥浆调配装置的研究与应用

为了解决注水泥塞的施工过程中,地面调配水泥浆费时费力、施工难度大及安全风险高的问题,根据射流抽吸原理设计了射流抽吸式水泥浆调配装置。基于离散颗粒法对注入漏斗内干水泥粉的运动规律进行数值模拟研究,优化设计了注入漏斗的半顶角和调制开关塞的安装高度,以达到防堵塞的目的,最后通过现场应用验证了该装置的使用效果。研究结果表明:漏斗流的流动形态是导致注入漏斗口堵塞的主要原因;随着注入漏斗半顶角的增大,干水泥粉停滞区域增大,体积流率减小,优选半顶角为45°;调制开关塞能够实现干水泥粉的流动形态由漏斗流向整体流转变,随着其安装高度的增加,干水泥粉的体积流率逐渐减小,优选安装高度为70 mm。现场应用中,射流抽吸式水泥浆调配装置可节省调配水泥浆用时50%以上,水、灰混合均匀,未出现堵塞现象,极大降低了“插旗杆”等施工事故发生的概率,保证了施工作业安全、高效地进行,应用前景广阔。

旋转磨料射流套管开窗预测模型及应用

套管开窗径向水平井技术有助于提高低渗透储层的油气采收率,旋转磨料射流套管开窗方式是该技术新的发展方向,套管开窗直径和开窗深度是评价开窗效果的2个重要指标。由于无法实时监测井下开窗过程,需对开窗效果的预测进行研究。但套管开窗效果与旋转磨料射流参数之间存在复杂的非线性关系,使得传统预测方法的精度偏低。为此,文中提出了一种基于基因表达式编程建立套管开窗预测模型的新方法。通过遗传编码、遗传操作和适应度评估,建立了开窗直径和深度的直观数学表达式预测模型,利用套管开窗综合实验结果对该方法的准确性、实用性进行了验证。结果表明:该方法的预测精度较高,与检验样本相比,开窗直径和深度的平均误差分别为5.5%和4.4%;将预测模型的计算结果与套管开窗综合实验结果相比,开窗时间的误差为6.1%,开窗直径的误差为4.5%。因此,基因表达式编程算法能够更精确地推导出反映实际数据的最佳拟合函数,建立的预测模型可用于指导旋转磨料射流套管开窗现场施工。

煤层气井固井泡沫水泥浆密度变化规律及应用

针对泡沫水泥浆在井筒内的密度变化的不确定性和复杂性导致固井设计困难等问题,通过试验测试现场1.10和1.20 g/cm3两种化学充氮泡沫水泥浆体系的密度变化,分析水泥石中泡沫尺寸变化特点以及固井液柱压力的变化,并进行11口井的现场应用。结果表明:泡沫水泥浆密度随温度和压力的变化符合Boltzmann函数;随着压力增加,水泥石中泡沫尺寸呈先急剧缩小、后变化较小的趋势。修正后的泡沫水泥浆密度计算公式对现场固井具有指导作用,固井优质率超过96%,为煤层气泡沫水泥固井提供技术支撑。