油田用防砂水力锚研究与应用

为了解决现有油管水力锚锚定力不足和锚爪砂卡、不能正常锚定作业管柱的问题,通过对现有油管锚结构进行优化设计,形成了一种新型防砂水力锚。设计四组整体式锚爪,均匀布置在锚体四周,每组三个锚爪,达到1.6倍以上额定锚定力;锚体内设计有防砂管,在确保流体通径前提下起到砂卡的功能。通过室内试验和现场应用,具有较强的锚定力,密封可靠,防砂性能优良,解决了作业过程中锚定力不足和砂卡的问题,为生产作业提供了设备和技术支撑。

具有压力监测及底端扶正作用的水力锚-泵工况仪系统研究

利用泵工况实时监测机组运行状态,并采取相应的措施让机组运行在合理区,是提高机组寿命的常规办法。随着非标机组应用越来越广泛、定制化井下工具相关技术的不断发展,常规双压力测试通路泵工况,仅仅能检测井下机组的进口压力与出口压力,已经不能满足产业日益发展的需求。基于此,开发一种具有压力监测及底端扶正作用的水力锚-泵工况仪系统,克服投捞机组作业时水力锚压力水平难以直观测量、泄压情况难以判断的问题,其在检测机组进口压力和出口压力的同时,能够对水力锚内部的压力水平进行监测,并起到扶正的作用。

试油封隔器水力锚剪切强度及咬入套管深度分析

轴向载荷作用下,试油封隔器水力锚与套管咬合发生挤压变形,载荷越大,变形越大,严重时甚至导致水力锚剪切失效。为了解与套管咬合过程中试油封隔器水力锚剪切强度及咬入套管深度,根据水力锚结构特点,由能量守恒定律建立水力锚爪牙剪切应力公式、挤压应力公式和咬入套管深度公式,对比分析了常见规格水力锚爪牙咬入P110和TP140两种不同钢级套管的最大深度。算例分析表明,相同载荷作用下,水力锚爪牙所受挤压应力远大于剪切应力;水力锚爪牙与套管之间最大挤压应力和咬入套管最大深度是管柱内外压差的非线性函数;相同内外压差时,水力锚爪牙咬入P110套管时所产生的最大挤压应力比咬入同规格TP140套管时小的多;但咬入P110套管的深度却是咬入TP140套管的114%。

新型压裂用防砂水力锚试验研究

概述了新型水力锚的结构设计、挡砂性能试验研究及工具性能特点。利用工具结构设计和室内试验相结合的方法，研究了新型防砂水力锚，提高了工具安全性能；该工具可以有效过滤细砂，挡砂精度达到60～100μm，能广泛应用于直井、斜井及水平井中，满足压裂以及采油、注水的工艺要求。

卷吸效应水力锚防砂卡可行性计算分析

水力锚是在井下指定位置用来对封隔器进行锚定的工具。由于常规水力锚结构设计的缺陷,井下液体杂质(地层砂、支撑剂)容易进入到锚爪内腔并在此沉积,导致锚爪解卡受阻,严重影响封隔器的封隔效果。提出了利用卷吸效应在水力锚内部形成高速射流,以此来控制液体杂质的运动轨迹,将进入到锚爪内腔的液体杂质在压力差的作用下从内腔中卷吸出来,同时防止外部杂质再次进入到锚爪内腔中。利用伯努利方程对此原理的可行性进行了分析。

水力锚力学性能分析

水力锚在油田应用中作用广泛,主要工作部件为锚爪,通过锚爪与套管的咬合来起锚定作用,固定一些重要的井下工具。本文运用Pro E和ANSYS软件建立水力锚——套管三维有限元模型,在内压作用下,锚爪向外伸出与套管接触,对其进行有限元分析,得到应力云图。分析结果表明:水力锚爪的应力主要集中在水力锚爪齿面上,局部会出现应力集中现象,最大应力为608.7MPa;水力锚爪齿面与套管内侧的弧度相同时,水力锚爪受力比较均匀,可以减少应力集中现象,此时水力锚和套管的变形为弹性变形。水力锚齿数越多,水力锚应力集中点的应力越大,选择齿数合理的水力锚可以提高安全性。

水力锚锚爪结构对套管变形及挤压应力的影响

为优化水力锚爪结构参数,减小水力锚爪结构对套管的损伤,针对普通螺纹齿形锚爪和镶硬质合金锚爪结构,利用材料力学理论建立了镶硬质合金锚爪接触处套管所受的挤压应力公式,采用有限元法分析了普通螺纹齿形锚爪接触处套管的变形及挤压应力。分析表明,普通螺纹齿形锚爪和镶硬质合金锚爪均会对套管产生不同程度的损伤;在相同油管内外压差作用下,与镶硬质合金锚爪相比,普通螺纹齿形锚爪接触处套管所受挤压应力和径向变形较小,对套管损伤最小。研究结果表明,试油压裂用水力锚结构应采用螺纹齿形设计;在相同油管内外压差作用下,镶硬质合金锚爪接触处套管所受挤压应力随牙齿楔角增大呈幂律指数降低,随牙柱直径增大呈幂律指数下降,随锚爪直径增大呈多项式增大,随牙齿后角呈指数增大,但增大幅度较为平缓,随轴向载荷增大呈多项式增大,但增大幅度较小;建议牙齿楔角取10°,锚爪牙柱直径取10~12mm,锚爪直径取40~50mm。研究结果为水力锚锚爪结构设计提供了理论依据。

压力波动对水力锚安全性能的影响

开发低渗难采油气藏的最好办法就是多层压裂技术,多层压裂具有针对性强、作业时间短、压裂效果好等特点,但在压裂过程中经常会出现压力波动,致使管柱上下蠕动从而导致关键工具水力锚和封隔器失效,严重影响施工安全,因此压力波动对水力锚安全性能影响的研究至关重要。针对水力锚锚定、封隔器全部失效这一危险情况,考虑了接触非线性以及压裂管柱的瞬态动力学特性,运用ANSYS软件,建立了上部压裂管柱和下部工具串的力学模型,对不同压力波动幅值下的压裂管柱进行瞬态动力学分析,分析结果表明水力锚最大轴向摩擦力值随波动幅值的增加而增大,同时计算出使水力锚滑脱失效的临界压力波动幅值。该研究结果不仅可以为水力锚的优化设计提供有效的理论依据,也为压裂施工提供合理参数。

软锚爪水力锚的研制与应用

针对常规水力锚固定管柱时会损坏套管及卡井的问题,研制了软锚爪水力锚。它采用橡胶锚爪头,正常分注时锚爪靠其与套管之间的摩擦力卡牢在套管内壁上,不会损坏套管。水力锚卡井时,可以采取强拔的方式,把橡胶锚爪从锚爪活塞中拔脱而解卡。试验结果表明:泵压50MPa时软锚爪水力锚的锚定力达683.2 kN,是其额定锚定力的1.132倍,符合行业标准;锚爪伸出和复位成功率达100%,锚爪无任何卡阻现象。使用软锚爪水力锚可以节约作业费用,具有较好的经济效益。

新型卡瓦式高温高压水力锚的研制与试验

西部油田超深碳酸盐岩储层部分井需进行酸压施工才能获得工业油气流,施工初期压力高,沟通储层后压力快速下降,存在压力反转的现象。目前使用的常规水力锚存在对套管损伤大、密封性能弱、压力反转时无法锚定导致封隔器失封等问题。鉴于此,研制了新型卡瓦式高温高压水力锚。该水力锚采用支撑密封结构,可增强密封能力;采用桶状卡瓦,可减小对套管的损伤;采用机械锁紧机构,可解决压力反转锚定失效的问题;采用C形弹力环机构,可有效解决重复酸压问题。试验结果表明:新型卡瓦式高温高压水力锚耐压达到70 MPa,C形弹力环能进行6次以上有效锁定;在坐封压力20 MPa下,锚定力在490 kN以上。该水力锚可有效地提高深层碳酸盐岩储层酸压完井施工成功率,为油田的高效开发提供技术支撑。

水力锚座加工新方法

针对水力锚座(即球齿座)采用一般机加工工艺性较差、工艺成本高和沉孔粗糙度难以达到Ra1.6μm等问题,对加工工艺和工装进行了创新。对成套工装设计从4个方面做了详尽论述(1)成套工装设计4要点;(2)球齿座钻夹具设计;(3)深度控制装置;(4)加工球齿座孔的专用刀具。实践证明,采用创新工艺加工球齿座达到图纸设计的技术要求,尺寸精度达H7以上,沉孔粗糙度达Ra0.8μm以上。工艺创新后每8h能加工8件球齿座,比原工艺的加工效率提高33%;原工艺加工1件球齿座的加工费用290元,现每件仅50元。

水力锚损伤套管数值模拟分析

本文采用有限元分析软件ANSYS研究封隔器座封后水力锚对套管应力与变形的影响规律。研究认为锚爪齿面接触处的套管当量应力、径向应力均呈非均匀分布,存在应力集中,套管发生径向变形,导致套管内壁曲率增大。锚爪不同部位与套管接触点处的接触压力数值呈非均匀性,各接触点处的接触压力值并不一定随着水力锚上的作用力增加而增加。

压力波动对水力锚性能的影响和其结构优化设计分析

由于低产低渗是延长油田石油的一个特点,这就需要后期生产中通过用水力压裂的方法来达到增产的要求。但是在增加压裂次数和频率的同时,还会持续更新压裂工艺,这就要求所用的压裂工具的性能,尤其是井下工具的性能也要相应提升。随着油井刺激的广泛使用,在水力压裂过程和酸化过程中,液压锚充当锚定管柱的作用,这一作用提升了井下工具和管柱的承载能力。水力锚,主要工作部件为锚爪,通过锚爪与套管的咬合来起锚定作用,固定井下工具中一些重要的部件。所以,相关研究部门会注重研究水力锚对保证水力压裂合理高效的使用。本论文正是针对这一问题进行了研究,给了我们很好的指导性建议。

密闭水力锚的研制及现场应用

针对目前分层注水管柱用的水力锚洗井或停注时,提供的锚定力不足以克服管柱因温度效应引起的蠕动,研制了一种密闭水力锚。该水力锚在洗井及停注时仍然保持锚定状态,避免了管柱蠕动;设计了上提管柱解卡法,方便实用;锚爪与锚体之间的空腔灌入液压油,有效解决结垢导致锚爪难于回收的问题。该水力锚在胜利油田现场试验应用了3口井,实施成功率100%,解卡成功率100%,现场试验表明,该密闭水力锚结构合理、原理可靠,具有较好的应用效果。

一种斜置式锚爪水力锚的研究与应用

针对常规水力锚易结垢和卡井锚爪不易收回的问题，研制了斜置式锚爪水力锚。此水力锚通过锚体与衬管之间的缝隙过流推动锚爪，锚爪腔内不结垢，不易卡住；将锚爪中心线与锚体轴线之间的夹角由垂直状态改为非垂直状态，通过有限元分析，角度在82°-86°之间合适，解卡时，上提管柱助力锚爪的回缩，易于解卡。通过试验斜置式锚爪水力锚的锚定力符合行业标准；锚爪伸出和复位成功率达100%，锚爪无任何卡阻现象。使用斜置式锚爪水力锚在出现卡井时，即易于解卡，又不易结垢。

切割工具串中水力锚结构优化方法

目前连续油管传输切割工艺的应用需要解决切割过程中工具抖动严重的问题。通过优化常规水力锚,可以直接与切割工具连接,传递扭矩,使切割的管柱断面平整,且易于打捞,整体工具串寿命更长,综合费用更低。该项研究对于提升切割工艺的稳定性和效率具有重要意义,对于页岩气区块和其他类似应用领域具有实际应用价值。

水力锚式穿越封隔器研制

针对海上高压油气井,设计开发了一种水力锚式穿越封隔器。该封隔器包含一个油管接口、一个电缆穿越接口、一个放气阀接口、四个管线接口。封隔器上接头集成了水力锚结构,当井下压力过高时,水力锚张开咬住套管,避免封隔器意外解封。通过功能测试验证了该封隔器的性能,测试结果表明,24 MPa压力可使封隔器完全坐封,封隔器能承受35 MPa的上下压差,水力锚功能完好,有效防止了封隔器解封,22 t的轴向拉力将封隔器解封。该封隔器完全满足海上高压油气井的使用要求。

顺北油气田压裂工具锚定结构性能分析

封隔器是压裂酸化技术成功最为关键的核心技术之一,要求具有锚定和解封可靠、密封性好、耐压差高等特点,本文针对顺北油气田的复杂工况,设计了一种适用于5-1/2 in套管的新型Y341-115完井压裂封隔器,并对水力锚的锚定性能的进行了数值仿真分析;研究结果表明:新型Y341-115封隔器在45 MPa、75 MPa和105 MPa三种工作压差下,水力锚卡瓦结构安全;当压差达到37 MPa后,卡瓦最大应力呈非线性变化,且增幅相对较平缓;在压差达到70 MPa后,套管咬入深度呈非线性变化,且增幅较为明显;当工作压差达到105 MPa时,水力锚在套管壁上的咬入深度达到了0.43 mm,说明锚定性能非常可靠。现场应用结果表明:新型Y341-115压裂封隔器,该封隔器锚定和坐封性能均比较可靠,能够满足顺北油气田压裂施工的各项参数要求。