Numerical study on erosion behavior of sliding sleeve ball seat for hydraulic fracturing based on experimental data

The sleeve sealing ball seat is one of the important components in the multistage fracturing process of horizontal wells.The erosion and wear of the surface will decrease the sealing performance of the fracturing ball and the ball seat.This leads to pressure leakage during the fracturing process and fracturing failure.In this paper,combined with the actual ball seat materials and working conditions during the fracturing process,the erosion tests of ductile iron and tungsten carbide materials under different erosion speeds,angles,and mortar concentrations are carried out.Then the erosion test results were analyzed by mathematical fitting,and a set of erosion models suitable for sliding sleeve setting ball seat materials were innovatively established.For the first time,this paper combines the erosion model obtained from the experiment and the computational fluid dynamics(CFD)with Fluent software to simulate the erosion of the ball seat.Based on the simulation results,the morphology of the sliding sleeve seat ball after erosion is predicted.Through analysis of the test and simulation results,it is showed that the erosion rate of tungsten carbide material is lower and the wear resistance is better under the condition of small angle erosion.This research can offer a strong basis for fracturing site selection,surface treatment methods,and prediction of failure time of ball seats.

无线射频压裂滑套系统模拟试验研究

将无线射频识别(RFID)技术应用到油水井压裂中,能够很好地解决现有压裂滑套存在的压裂级数受限、操作非智能等诸多问题。因井下工况复杂,理论分析与实际应用差别较大,为进一步系统地探究井下无线射频系统的开发应用,使用三维软件设计无线射频滑套模拟试验台,对标签的运动状态进行理论分析,并建立室内模拟试验平台,系统地进行井下相关试验。试验结果表明:标签选择有铁氧体磁芯,且天线绕制形式选用单层螺线管线圈,可以提高整个系统的性能;在系统电感值相同的情况下,单层螺线管天线轴向长度对阅读器模块能识别的标签最大通过速度有积极的影响;标签天线线圈与阅读器天线线圈平面之间的角度也会影响标签的识别率。研究结果对井下无线射频系统的开发应用具有一定的指导作用。

水平井滑套完井管柱井筒压降预测方法与应用

为解决滑套完井管柱水平井流入动态预测难题,基于自主研制的生产井筒流动物理模拟装置,开展了不同井筒主流和孔眼入流条件下滑套完井管柱井筒内的油、水单液相流动测试,建立滑套完井管柱井筒水力摩阻系数计算式与压降方程,研究井筒压降分布与流入动态特征的关系,并在番禺油田进行应用。结果表明:对于滑套完井管柱,滑套开孔、孔眼入流产生的附加阻力远大于滑套开度,约占总压降的10%~70%;在层流条件下,滑套开孔和孔眼入流对井筒主流都起阻碍作用;在湍流条件下,滑套开孔起阻碍作用,而孔眼入流起减阻作用;建立的水力摩阻系数表达式与压降方程误差小于1.00%,能够有效表征滑套开孔、孔眼入流等因素产生的附加阻力。研究成果可用于预测油井流入动态,为滑套完井管柱滑套开度的调节提供指导。

一种活动式可密封的滑套开启工具设计与研制

多级滑套分段压裂技术作为水平井分段压裂的重要支撑,近年来被广泛推广应用,通过滑套开启工具开启滑套并密封上一改造层段是确保该技术成功的关键。设计了一种在滑套开启工具上设置密封胶筒的结构,采用轴向机械压缩胶筒的层间密封理念,研制了活动密封式滑套开启工具,建立了密封性评价试验系统。结果表明:开启工具的密封承载能力达45MPa,结合井筒试验验证了密封设计的可靠性,具备生产应用条件。

超深碳酸盐岩裸眼分段完井可溶球研究与应用

针对顺北油田5号条带超深碳酸盐岩储层裸眼分段完井工艺特点,研究设计了一种可控溶解的压裂球,主要用以解决“高耐酸腐蚀性、高速溶解特性、耐高压性能”等3个问题。可溶球采用“基体+涂层”结构,基体材料采用镁铝合金,涂层优选改性聚四氟乙烯+酚醛树脂纳米材料,并使用有机涂层对镁铝合金进行表面处理。对新研制的可溶球分别进行了承压数值仿真分析、耐酸承压测试和高温溶解测试,最后在顺北4-13H井进行了现场应用。研究结果表明:新研制的可溶球能够承受高温160℃、高压70 MPa、耐酸且能高速溶解,平均溶解速率为7.19 g/h,完全溶解只需12 h左右,实现了压裂时承压、生产时快速溶解不堵塞通道的双重要求,能有效提高可溶球在顺北区块裸眼分段完井工艺中的适用性和有效性,满足现场使用需求。研究结果可为油田现场水平井分段完井工艺提供参考。

陆海机抽油气井的井下循环开启装置研究

有杆泵排采是陆海油气井生产的主流工艺技术,但是埋泵、卡泵时有发生。基于不动管柱实现作业之间切换的理念,开发了井下循环开启装置。井下循环开启装置采用全机械结构设计,能更广泛地适应油气井复杂的生产和作业工况;通过滑套旋转机构实现井筒空间启闭间的切换,采用立柱锁死机构实现井底封井的目的;生产作业时极值工况下总水头损失0.818m,损失较小,表明流道通畅,结构合理。

电子趾端压裂滑套的研制与试验

趾端压裂滑套代替连续管射孔用于水平井首段压裂施工具有较高的经济效益。针对常规趾端滑套难以满足开启压力窗口范围较窄的油气井首段压裂问题,研发了一种电子趾端滑套。采用特殊设计的低成本锁定与开启控制系统,通过定制的压力波形实现远程触发开启,可以有效避免滑套在施工过程中与压力相关的风险,开展了电子趾端滑套结构及功能设计,并对其压力信号采集精度、整体能耗和开启性能进行了地面测试。研究结果表明:压力采集精度受密封件摩擦影响,在50 MPa以上高压时,采集压力与实际压力差值稳定在3 MPa左右;电子趾端滑套在150℃环境下持续工作电流只需9 mA,整机能耗为216 mA·h/d;在地面试验中,电子趾端滑套能够成功识别压力波形信号并解锁电磁式液压锁,试验最高压力达到98 MPa。研究结果可为深层、超长水平段油气开发提供选择。

全通径滑套可溶球座冲蚀数值模拟优化与试验研究

针对常规投球滑套压裂级数受限、球座钻除难度大、无法实现井筒全通径等问题,开展了全通径可溶球座式滑套的研究,通过Fluent软件对全通径滑套用压裂球座进行冲蚀模拟。采用空间填充设计法对球座“凹面”结构进行参数试验,并对其进行响应面预测通过筛选法寻求参数最优值。优选石墨烯、硬质合金两种表现耐冲蚀涂层,通过冲蚀现场试验对比了两种材料的耐冲蚀效果。结果表明:经过响应面参数优化后的“凹面”结构球座平均量损失相比原模型明显降低,经过冲蚀测试发现表面硬质合金球座耐冲蚀性能优于石墨烯球座。研究成果对球座耐冲蚀磨损性能优化改进有指导意义。

海上油田滑套断裂失效分析

某油田注水井在起出管柱过程中发现SSD滑套断裂的现象。通过对断裂滑套的断口宏观和微观分析,对42CrMo材料进行金相组织、拉伸及冲击性能测试,以及对材料的化学成分进行测试等方法对滑套断裂机理进行综合分析,结果表明:该滑套的拉伸性能不满足标准要求,其断裂的模式为大应力疲劳断裂,疲劳源起于滑套吸入口内壁,在外力提升过程中结构薄弱处发生了应力疲劳断裂。

无限级拖动分段压裂工艺及配套工具研究

水力压裂是改造低孔渗油气藏的有效增产措施之一,针对常规水平井分段压裂工艺遇到的问题,研究了无限级拖动分段压裂工艺及配套工具,该工艺通过开启固井滑套或喷砂射孔的方式实现井筒与油气层的连通,可一趟管柱实现水平井的多段压裂改造,且不受段数限制,施工后无需钻铣,可进行二次压裂。两口井的成功应用表明,该工艺可满足施工压力不高于66 MPa的压裂水平井,压裂施工后新井初期配产气量达到20000 m3/d以上,达到油藏设计要求,为后续精细化分段压裂提供有效手段。

顺北油气田超深井分段完井技术

顺北油气田储层发育多条断裂,每个断裂内有一条或多条栅状储集体,储集体间分隔性强,需要通过分段改造动用多个断面储集体,提高油气井产能。为此,通过优化橡胶材料的配方、硫化工艺和完井工具的机械结构,研发了耐高温高压的大扩张比裸眼封隔器、投球分级滑套、压差滑套、完井封隔器等分段完井用关键工具。基于两性离子酸用稠化剂和有机–无机抗高温双重交联剂,研制了抗高温交联缓速酸;利用压裂液和酸液的黏度及密度差异,形成了远距离沟通深部酸压工艺。在研发关键完井工具、高温酸液、酸压工艺的基础上,基于地质工程一体化理念,研究形成了顺北油气田超深井分段改造完井技术。顺北油气田12口井应用了该技术,应用结果表明:裸眼封隔器、投球分级滑套和压差滑套耐温180℃、耐压90 MPa,分段级数可达5级;交联缓速酸耐温180℃,黏度提高2倍以上,酸岩反应速率降低20%以上,酸液穿透距离由100 m提高至120 m;现场应用分段级数最高达到4级,封隔器下深达8833 m,应用温度最高达182℃;压后折算产量同比邻井平均提高20%,SHB4-5H井等3口井达到日产油量超过千吨,实现了少井高产。

一种高温生产滑套研制

针对海上油气田开发,本文设计了一种高温生产滑套,其适用温度为180℃,密封压力为35MPa。基于理论计算和有限元分析,研究了悬臂梁式和固支梁式两种锁定爪的锁定性能,理论计算的悬臂梁式和固支梁式锁定爪最大锁定力分别为545N和2853N,有限元分析的悬臂梁式和固支梁式锁定爪最大锁定力分别为421N和2443N。对两种锁定爪的锁定力进行了试验验证,悬臂梁式和固支梁式锁定爪的最大实测锁定力分别为434N和2193N,试验结果表明,有限元分析结果更接近实验值。最后通过试验验证了生产滑套的高温密封性能,该生产滑套满足设计要求。

一种新型滑套开关工具及配套技术应用研究

介绍了一种新的滑套开关工具,通过连续油管带光纤设备连接井下工具串,能够精确定位滑套位置并实时监测井下负载、压力、温度等参数,通过在地面对测量数据进行处理、解释,可准确判断井下情况,实现滑套的可靠开关操作;并通过CCL曲线变化确定滑套是否操作到位,节约因操作失误导致的大量后期作业成本和时间。

大规模加砂压裂完井工具冲蚀定量模拟计算及工具优化

须家河致密砂岩气藏120 MPa超高压、长时间大排量加砂压裂作业对管柱冲蚀影响,导致完井管柱出现变形、断裂、球座磨损、分段球不到位等问题。基于冲蚀磨损理论,选择出分段管柱中四处冲蚀严重部位,利用Ansys软件进行建模,采用动静态结合方法,计算得到了大规模加砂压裂施工管柱变径处的冲蚀程度定量值,明确了油管短节与滑套球座为冲蚀严重位置,有针对性地对冲蚀最严重位置进行了结构优化及材质优选。油管变扣短节优选Q125钢级管材可兼顾强度及经济性;改进滑套上接头变径处台阶倒角控制在30°以内,滑套球座顶部优化设计为弧形结构,球座采用硬质合金材质,优化改进后的滑套冲蚀程度比原结构降低66.5%,经川东北须家河组YL15、YL171、YL6等多口井成功应用,优化改进的压裂管柱满足了超高压加砂压裂长时间施工需求。

套管固井滑套工具现状及发展趋势

非常规油气资源丰富,开发潜力巨大。但因其渗透率低、渗透阻力大导致水平井单井产量低,难以满足经济开发要求。为提高储层改造效率实现有效增产,中外形成了水平井分段压裂的主体技术。作为水平井分段压裂的新兴技术,套管固井滑套分段压裂具有井眼适应性强、过流面积大、适合大排量压裂的优点。概述了各类套管固井滑套分段压裂工具现状,指出了工艺技术背后的缺陷与难点。通过对各类工具优缺点对比分析,提出了套管固井滑套未来的发展建议。

套管滑套压裂生产一体化管柱的应用

为了解决长庆气田直井分层压裂工艺上存在施工排量低、周期长及费用高等问题,实现连续压、大排量、可控开采等目的,文章通过对趾端滑套、套管滑套及可控溶解暂堵桥塞等配套工具的研究,形成了气田直井一体化工艺及管柱。该工艺可实现免射孔、连续大排量压裂、压后常压下入油管排液、生产,且后期可以选择性地进行滑套关闭,从而进行可控开采。该一体化管柱随完井套管一起下井,完成固井后靠井口加压打开趾端滑套压裂第一层,后续投入配套可溶球打开对应的套管滑套进行分层压裂,压后用电缆下入可控溶解暂堵桥塞封堵井筒,常压下入油管排液生产。与桥射联作工艺相比,该工艺单层可缩短压裂施工周期3~4 h,节约施工费用6~7万元,对苏里格气田降本增效具有重要意义。

束鹿页岩油密切割压裂技术——以SY302X井为例

为评价束鹿凹陷中洼槽沙三下段砾岩体致密油气藏,最大程度释放储层产能。钻探水平井SY302X井,水平段长1160 m,储层钻遇率95.60%,为充分改造储层,在总结以往大型体积酸压改造经验的基础上优选无限级滑套的改造工艺,段间距缩短到10 m左右,可实现对水平段密切割压裂。该井使用140 MPa高压管汇撬、140型井口、5500 m^(3)储液池、连续输砂装置等设备,并完成26段压裂,单段最大液量达1850.2 m^(3),单段最大加砂51 m^(3),全井累计泵注液体2.41×104 m^(3),累计加砂956.6 m^(3)。该井的顺利完成为束鹿凹陷非常规储层改造积累了宝贵经验,为后续改造指明了方向。

3瓣式自动抓紧旋盖头设计

为了解决目前3瓣卡爪旋盖头结构复杂、成本高,以及简易旋盖头兼容性差、生产效率低等技术缺陷,课题组设计了一种3瓣式自动抓紧旋盖头。3瓣式自动抓紧旋盖头主要由锥套、3瓣齿牙滑套、定位体、滑动体、复位弹簧和3个定位螺钉等组成。滑动体在旋盖头内腔的中间位置,在旋盖头下降和上升过程中,塑料盖或复位弹簧对滑动体的压力推动3瓣齿牙滑套在锥套内腔上下移动,使其下端收缩或张开,因此不需要设置驱动源。该旋盖头结构简单,可适用于各种旋盖设备,能自动抓紧或脱离塑料盖而完成旋盖任务,值得在包装领域推广。

压裂滑套不限级设计方式研究现状与展望

通过对国内外压裂滑套不限级设计方式的调查研究,重点论述了依靠井下开关工具组合、机械结构限位计数以及智能电控系统触发3种方式实现压裂滑套不限级设计的基本原理与研究进展。从利用齿槽结构、键槽结构等特征结构在压裂滑套轴向或周向上的尺寸变化、数量变化以及尺寸和数量组合编码3个方面对压裂滑套的不限级设计方式进行了展望。

柱塞式高压水泵十字头滑套的研制

传统的水清洗用柱塞式高压水泵的十字头在工作中与泵体对摩,会使泵体严重磨损。为此,研制了一种双金属滑套,安装在泵体内侧,与十字头对摩。滑套采用双金属板材三次弯曲法冲压成圆,上下冲压模具材料分别为Cr12MoV、40Cr。滑套接缝采用焊接或搭扣连接的方式,最后滑套的内外圆表面需经过精加工达到使用要求。研制的滑套不仅可以用于修复旧的柱塞泵泵体,还可以用于新开发的泵体上,磨损之后直接更换滑套即可,提高了泵的可维修性。