井下应急封隔器结构设计及胶筒坐封效果评价

为应对海洋钻井过程出现的高压溢流和井涌风险,设计了一种井下应急封隔器装置,在内外胶筒间添加金属骨架提高其坐封强度。为评估井下应急封隔器的坐封效果,利用有限元方法建立井下应急封隔器模型,模拟了封隔器的坐封过程,并对比了金属骨架对胶筒接触应力、坐封效果的影响。结果表明:20 MPa坐封压力下,胶筒与套管接触应力达到12.1 MPa,封隔器能够封堵20 MPa井下溢流;添加金属骨架后,胶筒峰值应力、变形均显著降低,坐封能力大幅提升。所设计的井下应急封隔器装置可实现高压溢流、井涌的有效封堵,保障平台作业安全。

井下封隔器气体密封性能试验

通过试验模拟井下高压注气全过程,分析井下密封设备气体密封性能。在393K试验环境下,H1010-1橡胶密封件在35MPa以下的工作压力范围之内具有较好的气体密封能力。当高于35MPa时,气体逐渐泄漏;H2010-1橡胶密封件逐渐泄漏,气体泄漏的速度也伴随着压力的提升越来越快,H1010-1橡胶材料适用于封隔器密封件。

基于有限元的顶驱下套管装置密封胶筒设计

密封胶筒是顶驱下套管装置实现套管密封、泥浆循环等作业功能的关键部件。为探究密封胶筒工作原理并为其研发提供理论依据,通过有限元分析软件建立了数值仿真模型,采用自适应网格技术模拟了密封胶筒插入套管及密封高压泥浆的动态过程。分析了密封胶筒的密封原理,研究了动态过程中密封胶筒几何形态及应力状态的变化特性。并对密封胶筒进行了力学分析和强度校核,结果表明:当密封最大泥浆压力时,胶杯最大应力为15.77 MPa,骨架最大应力为370.3 MPa,表明密封胶筒强度满足设计要求。最后通过应用试验检验密封胶筒的密封效果,验证了仿真计算各项数据的准确性,表明此密封胶筒性能满足现场使用要求。

电控智能注采扩张式封隔器胶筒失效形式及原因分析

扩张式胶筒是扩张式封隔器中最重要的部件之一,需要具有一定的承压能力,以及扩张和收缩形变的能力。为了提高扩张式封隔器工作的可靠性及井下高温高压环境下使用的长效性,在分析扩张式胶筒密封机理上,建立了等效受力物理模型,用有限元方法分析胶筒在实际工况下的受力状态。通过对比模拟分析数据,确定不同工况的受力性能,最终得到扩张式胶筒设计参数。通过数值模拟分析胶筒厚度、中间跨度、端部变形、最佳工作长度等参数,得到合理的扩张式胶筒设计参数。

大口径环形防喷器胶芯密封性能分析及设计

基于常规胶芯在井控过程中翻胶、撕裂的状态,设计了一种适用于大口径环形防喷器的密封胶芯。基于虚功原理,结合Blatz-Ko材料超弹性模型的本构方程,建立了球形胶芯密封有限元模型,模拟了胶芯受活塞推动下的变形-密封过程(初始变形、大变形阶段和密封接触),开展了不同剪切模量和活塞行程下的胶芯密封性能研究。同时结合国标GB/T 20174—2019和API 16A的技术要求对胶芯进行了试验验证。研究结果表明:球形胶芯密封性能受材料的剪切模量影响较大,随着剪切模量增大,接触压力先增大后减小,变形量随着剪切模量的增大而减小;在防喷器结构参数方面,活塞推进行程越大,胶芯接触压力和变形量随之增大。试验过程中密封部位无渗漏,证明研制的胶芯密封性能满足要求。研究方法和结果可为防喷器胶芯设计及密封性能增强提供参考。

胶筒系统接触有限元优化设计

为了研究封隔器胶筒几何参数对密封性能影响,将套管、隔环、中心衬管和胶筒作为一个系统建立接触有限元优化设计模型。应用ANSYS的参数化设计语言APDL,编制其命令流。研究了几何特征参数和峰值接触压力之间的关系并进行了参数优化设计。结果表明:胶筒的总厚度对密封性能影响很大,胶筒子厚度对密封性能影响较小,胶筒的高度对密封性能的影响存在最优方案,接触倾角选取必须慎重。高度和接触倾角双因素优化设计结果显示:与初始方案相比,高度降低37.5%,接触倾角降低8.9%,峰值接触压力升高13.38%。

合理选择丁腈橡胶胶筒本构模型探讨

根据大变形橡胶理论和试验数据,利用最小二乘法原理,导出了确定橡胶本构模型系数的公式和评价本构模型优劣的公式。以两种封隔器胶筒材料—701#和29#丁腈橡胶的压缩试验数据为例,确定了二常数、三常数、五常数和九常数Mooney-Rivlin(简称M-R)本构模型和Yeoh三次幂本构模型的待定系数,进行了模型的误差评估和比较。结果表明:Yeoh三次幂本构模型拟合701#和29#材料试验数据能够满足精度要求,但M-R二常数本构模型误差太大;701#丁腈橡胶材料应选择M-R五常数以上本构模型;29#丁腈橡胶材料应选择三常数以上本构模型。

胶囊式分段注浆止浆塞的研制

文章介绍一种煤矿井下用的胶囊式分段注浆止浆塞的结构、工作原理、膨胀元件的选择。止浆塞采用单管封孔注浆技术,封孔注浆系统简单。止浆元件选用钢丝膨胀胶管,承压能力高。试验结果表明:止浆塞设计合理,止浆效果好,并且体积小,重量轻,操作简单,适用于煤矿井下任意角度小口径深孔分段注浆。

新型封隔式尾管悬挂器的开发与应用

针对常规尾管固井重叠段固井质量差的问题,研制了新型封隔式尾管悬挂器。该悬挂器具有悬挂、封隔两种功能,能够有效地密封重叠段,防止油、气、水窜的发生。地面试验和现场应用表明,封隔式尾管悬挂器结构合理,密封可靠,操作简便,有效地解决了尾管固井过程中重叠段固井质量差的难题,具有极大的推广应用价值。

电机驱动式井下环空防喷器的研制及密封性能分析

针对钻井工艺的复杂性及井型、井段的适应性,研制了一种电机驱动式井下环空防喷器,对其结构、控制方式、工作原理进行了介绍;采用有限元的方法对胶筒座封过程中胶筒与套管不同间距的情况进行仿真分析,得到了胶筒的应力变化规律及"快速密封"的座封方式;利用防喷器实验台架模拟井下溢流的方法测得此防喷器的最大封隔压差以及密封过程中的形态变化,测得硬度为90的胶筒在最大压缩量的时候可以封隔25 MPa压差。此电机驱动式井下环空防喷器结构简单,动作迅速,无需频繁起出钻柱进行防喷器更换,能够重复使用,降低总成本,具有较强的实用性。

封隔器胶筒结构改进及优势分析

井下用封隔器的关键部件为弹性密封元件(胶筒),其结构影响到封隔器的密封性能。由于传统的封隔器结构为三胶筒,浪费材料、装配复杂,对胶筒结构进行改进,在精简胶筒数量的基础上,增加了1层紫铜包络层。采用非线性有限元分析方法,对传统胶筒结构和改进型胶筒结构的对比分析发现:改进型结构上胶筒起主要密封作用,接触应力比传统胶筒结构有明显提高,验证了改进型结构的可行性。

水平井封隔器卡瓦的有限元分析及结构改进

在石油钻采中,封隔器卡瓦承受巨大压力易发生断裂,直接影响到封隔器的密封性能,从而影响油井的开采过程及生产安全。运用有限元分析软件ANSYS Workbench对卡瓦进行有限元数值模拟分析。施加140 kN载荷时,卡瓦最大应力为230.11 MPa,超过其材料的最大抗压强度;对卡瓦封隔器试验模型进行压裂试验,试验施加压力为186.33 kN时卡瓦发生断裂,测得抗压强度为233 MPa;对卡瓦进行结构设计,卡瓦牙间距尺寸分别为15 mm、25 mm和30 mm。根据有限元分析结果,卡瓦牙间距为30 mm时卡瓦应力、应变分布趋于均匀,所承受的最大载荷为240 kN,最大应力为230.66 MPa、最大变形量为0.058mm,证明此卡瓦结构尺寸较为合理。

封隔器胶筒应力数值模拟与结构优化研究

封隔器胶筒是具有弹性密封、用以保护套管的井下工具,其结构形式和材料性能决定封隔器的密封压差。利用MARC有限元分析软件模拟封隔器胶筒的密封状态,分析计算轴向载荷、密封压差与接触压力之间的关系及封隔器胶筒结构对它的影响,获得了胶筒高度、外斜角、外径等优化结构参数,提高了封隔器胶筒的耐压差性能。

新型水平井不动管柱封隔器分段压裂技术

通过分析水平井分段压裂技术现状，提出一种新型水平井不动管柱封隔器分段压裂工艺技术。介绍新型工艺技术的管柱结构、工艺原理及创新点，并利用ABAQUS有限元分析软件对工艺管柱进行力学分析。结果表明：新型分段压裂工艺管柱能达到力学设计要求；新技术的创新点在于能够实现一趟管柱完成2～3层段分段压裂，设计封隔器长胶筒摩擦锚定，降低安全事故的发生，设计工具挡砂传液机构，有效避免工具内腔进砂引起的事故，管柱无卡瓦锚定，可以反洗井，整个压裂施工可以在一天内完成，施工简单，可以有效节省作业时间和作业费用。

用接触有限元研究胶筒系统的力学行为

为了研究封隔器胶筒系统的力学行为,文章应用ANSYS的参数化设计语言APDL(ANSYS Parametric De-sign Language),编制了胶筒系统的接触有限元命令流。研究了轴向坐封载荷与胶筒的峰值接触压力和轴向压缩量之间的变化规律。根据胶筒的变形特征,其力学行为可以分为A、B、C三个基本阶段。用接触有限元方法详细研究后发现,每一个基本阶段又可细分为若干小阶段,例如B1、B2。根据这些小阶段的特点,可以确定封隔器胶筒的最小坐封载荷等于B2小阶段结束处的轴向坐封载荷。当轴向坐封载荷达到C3阶段的末点时,设计胶筒防“肩突”结构是必须的,否则容易出现胶筒失效。

逆解法求封隔器胶筒与石油套管内壁挤压应力

由于胶筒位于套管内部 ,周围有油和水 ,工作环境极复杂 ,无法用直接测量或数值法得到挤压应力 .作者利用电测法测出套管外壁应变 ,再结合有限元法 ,由测得的应变反算出封隔器胶筒与套管之间的挤压应力 .结果表明 ,成功地为研究胶筒封隔器的工作状态提供了有效方法 。

封隔器胶筒损坏失效分析

随着深井超深井的增多,封隔器大量运用到储层改造方面,但封隔器的失效频率也逐渐增大。为更好掌握封隔器胶筒在压差作用下的力学行为,改进封隔器胶筒结构以满足现在复杂的井下工况,结合封隔器胶筒在井下的工作状态,建立了压缩式封隔器和扩张式封隔器胶筒失效机理;利用有限元分析软件,模拟压缩式和扩张式两种类型封隔器在井底压差作用下胶筒的力学行为,为这两类封隔器胶筒结构的设计和改进提供了理论依据。

喇嘛甸油田注入井高渗透层胶筒封堵技术研究

针对喇嘛甸油田葡Ⅰ1-2厚油层渗透率级差大,注入水无效循环现象严重的特性,提出了采用长胶筒封隔器封堵套管炮眼控制高渗透层吸水量的方法,从而提高低渗透层的吸水能力。该项目经过系列长胶筒封隔器的研制与室内试验,改变了传统的扩张式封隔器的工作方式,从基本原理和技术关键上解决了能够稳定封堵套管炮眼的问题,通过现场实验与应用,使封堵井的吸水剖面在纵向上得到了明显改善。同时,该技术由于受地层条件的限制,有着一定的适用范围,对此进行了论述,为提高长胶筒封堵效果提供了保障。

套损井压裂管柱的研制

针对大庆油田套损井压裂情况,强调套损井压裂的必要性。套损井压裂技术的关键内容是套损井压裂管柱,其技术难点是过套损点封隔器胶筒承压低、肩部凸出和残余变形过大,以及喷砂器通径过小等。介绍了过套损点压裂管柱的结构原理及其主要工具,侧重介绍解决的技术难题,说明套损井压裂管柱的实用性。

封隔器坐封过程有限元模拟分析

根据封隔器的结构特点及其工作原理,用VB开发了压缩式封隔器、扩张式封隔器和套管外封隔器在坐封过程中,各部件之间接触问题的有限元计算力学模型。在进行封隔器的有限元分析之前,只需要输入封隔器结构参数、橡胶材料力学特性参数、坐封过程中的力学参数以及有限元网格控制参数,该软件将自动调用有限元解算器内核,并将接触压力分布结果、Von Mises应力结果自动存入Word文件报告中。详细地分析了3种封隔器接触压力分布的大小,同时通过Von Mises应力分布大小,讨论了封隔器胶筒的失效部位,为封隔器的结构优化设计和封隔器结构的改进提供了理论依据。