APR测试工具在高温及高压差作业条件下的改进与应用

在塔里木油田测试作业中,出现诸如封隔器胶筒高温碳化失封、“O”密封圈气爆破损渗漏、高压差失封等问题,无法安全优质地完成超深超高压高温气井的测试需要。为提升井下测试工具耐温耐压性能,基于塔里木油田“十三五”以来超深高温高压井APR测试实践,总结分析了常规高温高压井测试APR测试工具存在的问题,通过提升密封部件材料的耐温等级、优化密封组合形式、改进封隔器胶筒结构等手段,将APR测试工具的耐温耐压差性能由70 MPa/177℃提升至105 MPa/204℃。经室内高温高压评价实验,封隔器设计等级、耐温耐压等关键指标满足设计要求。现场DB×井使用改进型193.675 mm CHAMP-Ⅳ封隔器、MJ×井使用改进型127 mm RTTS封隔器,作业期间井下工具工作正常,测试均取得成功,起出检查测试工具完好。改进的APR测试工具为超深高温高压井高质量勘探开发打下了坚实的基础。

高性能底封拖动分段压裂工具研制及试验

底封拖动分段压裂工具作为“三低”油气藏开发及低品位油气资源效益挖潜的一种利器,目前在国内油田大量推广应用取得了一定效果。但工具在长水平段中的作业性能难以满足油公司降本增效的需求。因此文章开展高性能底封拖动分段压裂工具研究,采用有限元模拟分析方法结合加工实际对喷嘴孔道参数、封隔器胶筒结构参数及卡瓦合金齿设计参数进行优化设计,数值计算结果表明喷嘴孔道长径比l/d,扩散角θ_(1),收缩角α_(1)在最优设计参数时喷嘴射流效果最佳。坐封胶筒采用“M”形结构,内外壁应力集中处设计应力释放槽,胶筒坐封时内部应力及管壁接触应力改善明显。锚定单元轴向承压70 MPa时卡瓦硬质合金齿的嵌入倾角α<27°,突出高度h<1.5 mm时套管径向形变最小。室内测试及现场应用结果表明,优化改进后的喷砂射孔器过砂能力10 m^(3)以上,封隔器胶筒反复坐封解封10次封隔压差70 MPa,作业管柱具备一趟管柱压裂10段以上的作业能力,能很好满足现场应用需求。

高温高压气密封测试封隔器研发及现场试验

国内测试封隔器的机械性能不稳定、作业失败率较高,无法满足超深高温高压油气井的测试工作。为此,采用水力锚与下卡瓦实现双向锚定,“J”形槽结构实现机械式可重复座封、可回收等功能,设计旁通孔以便在解封时平衡胶筒上下压差、达到保护胶筒效果,研制了高温高压气密封测试封隔器。该测试封隔器胶筒设计为三胶筒结构,选用FKM材料以提高胶筒性能。采用API 19TT标准模拟入井、关井、开井、酸压等全过程复杂工序,实现7次压力反转,耐温204℃、耐压105 MPa,试验最大绝对压力140 MPa,达到V1-TP气密封等级。该测试封隔器在1口超深井中进行了现场试验,坐封位置7300 m,一次坐封成功率100%。该封隔器的成功研制,打破了国外地层测试封隔器的技术垄断,有效降低了测试成本,为国内高端工具的研发提供了借鉴。

热力耦合下封隔器锚固失效及影响因素分析

在深井、超深井中,高温、高压的恶劣环境对封隔器的工作性能提出了更高要求。为此,基于能量守恒定律,考虑井筒-地层径向的温度传递过程,建立了井筒温度分布的理论计算模型;基于卡瓦有限元计算模型,明确了封隔器卡-套接触压力分布特征。分析结果表明:不同卡瓦牙齿与套管的接触压力存在明显的不均匀性;卡瓦倾角与卡瓦锥角是完井封隔器卡瓦结构设计的关键几何参数,卡瓦倾角对卡-套接触压力峰值影响变化幅值仅为1.65%,不同卡瓦倾角下卡瓦1~4号齿的卡-套接触压力变化幅值却高达22%,不同卡瓦锥角下卡-套接触压力峰值变化幅值高达27%,但卡瓦1~4号齿上的卡-套接触压力变化仅有8.5%。所得结论可为完井封隔器锚固系统设计提供理论参考。

封隔器卡瓦损伤套管的模拟试验研究

在油田开发中封隔器是实施机械采油、分层注水、分层压裂或酸化、机械卡堵水等注采工艺作业的主要井下工具之一 ,封隔器上的卡瓦是保证工作可靠性的重要元件 ,把卡瓦安装在模拟试验装置中 ,通过在套管壁周围分布位移传感器 ,测得卡瓦锚定后切入套管壁深度 ,判断卡瓦对套管的损伤程度 ,这对封隔器的设计和现场使用具有十分重要的意义。

支撑式跨隔测试管柱力学分析及其应用

与传统的单封隔器管柱相比,支撑式跨隔测试管柱受力状况更加复杂,测试风险加大,常常失利。为了解支撑式跨隔测试失败的原因,为管柱组合及施工参数选择提供依据,根据支撑式跨隔测试的特点和传统管柱力学研究的不足,用微元体分析法和能量法对有限长跨隔段、支撑段管柱的屈曲行为重新进行分析,求得了有限长管柱的屈曲临界载荷和屈曲构型。分析表明,有限长管柱有3种屈曲构型:1个半波弯曲、2个半波弯曲和螺旋弯曲。据此,可以计算有限长管柱的附加弯矩及附加弯曲应力,校核其强度安全性;可以合理组合管柱、合理确定测试压差。当井径一定时,可以作出跨距—测试压差安全施工界限图。该研究指导了塔中和轮南地区若干口井的跨隔测试,测试成功且没有发生管柱、工具损坏事故。

可取式液压双向锚定封隔器结构设计

可取式液压双向锚定封隔器是目前结构最复杂、性能最好的一种封隔器。这种封隔器设计中应注意的问题是：（1）锚定方式选择；（2）坐封后的承压平衡；（3）解封方式选择；（4）双锥体结构锚定机构的下锥体脱卡；（5）锁紧机构的设计与选择。从我国机械加工能力和使用可靠性方面考虑，建议优先选用单面螺纹步进锁紧机构。提出了单卡瓦双锥体双向锚定、承压平衡、单面螺纹步进锁紧及下锥体主动力脱卡的设计思路和方法。

分层注水工艺管柱存在问题分析及防治

分层注水是解决油田开发过程中的层间矛盾 ,实现有效注水 ,保持地层能量 ,维持油田长期稳产、高产 ,提高水驱动用储量和采收率的重要手段。而分层注水有效率的高低主要取决于分层注水有效期的长短。分析了胡庆油田分层注水井分层注水失效的原因 ,并提出了具体的解决办法。

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%。

海上完井封隔器新型锚定卡瓦咬入套管分析

基于海上φ244.5 mm(9 5/8in)套管井内封隔器应用要求,对卡瓦进行受力分析,计算卡瓦咬入套管的深度。运用ANSYS软件建立卡瓦咬入套管二维有限元模型,研究80°、90°和100°等3种牙型角的卡瓦咬入套管深度和等效应力分布规律。研究结果表明,在相同的坐封压力、验封压力和承载情况下,80°牙型角卡瓦咬入套管深度最小,90°牙型角卡瓦咬入套管深度最大,大于90°咬入套管深度减小;随着卡瓦承受载荷的增大,卡瓦等效应力增大,验封过程中卡瓦应力均已超过材料屈服强度。卡瓦设计时除了需要优化其本身结构参数外,对选材和热处理也有特殊要求,应采用整体淬火+回火+表面渗碳处理,这样可将卡瓦表面硬度和强度提高近2倍。

新型双向锚定封隔器和配套完井生产管柱

河南油田现有的双向锚定封隔器结构复杂,组装困难,不适用于高温、高压井堵水工艺。通过优化锚定结构、坐封结构和密封件性能,设计出新型高温高压双向锚定封隔器,并通过配套Y341型封隔器、射流泵和洗井保护开关等工具,完成多级找堵水、有杆射流泵分层采油和洗井作业等。现场推广应用100多井次,工艺成功率100%,有效率95%,累计增油5 000多t,累计降水137 204 m3,取得了显著的经济效益。

高压分层酸化管柱的研制和应用

针对宝浪油田油层非均质严重 ,不同油层启动压力相差很大的特点 ,研制了两种分层酸化管柱 ,一种为单层酸化工艺管柱 ;另一种为一次酸化施工先后对两层轮换酸化的管柱。高压酸化封隔器采用水力压缩式胶筒 ,胶筒设计有肩部保护机构 ,承压能力达 80MPa ,同时还设计有反洗通道 ,增加了管柱的安全性。高压水力锚利用酸化施工压力使锚牙张开锚定管柱 ,施工结束时依靠板簧弹力使锚牙收回 ,锚定、收回可靠。 7井次的现场应用表明 ,最高施工压力78MPa ,工艺成功率 10 0 % ,累计增产原油 2 830t ,增注水 2 75× 10 4 m3。

HNY441双向锚定封隔器

HNY4 4 1双向锚定封隔器由锁紧、密封、平衡、锚定和解封解卡机构等组成 ,设计了防中途坐卡机构 ,使封隔器能实现与其下部连接封隔器逐级分开解封 ;解封机构采取了分步解封解卡的方式 ,两者均减小了管柱上提解封力。 1 0 5口井的现场使用表明 ,这种封隔器坐封成功率达1 0 0 % ,封堵成功率达 90 % ,一次解封成功率达 1 0 0 % ,单级封堵井的解封上提力约为 1 0kN。

高性能锚定封隔器的研制与应用

针对常规压裂用双向锚定封隔器存在的环空封隔压力低、悬挂性能差以及下入安全性低等问题,研制了高性能锚定封隔器。该封隔器采用三胶筒交叉结构配合防突环,坐封后形成密闭空间,提高了胶筒的封压性能,防突环与保护锥套采用一体化结构设计,可防止胶筒下入过程提前坐封。优化了锚定结构,改变传统采用铸铁卡瓦的结构形式,采用铸铁配合合金钢卡瓦的方式,提高了悬挂器的锚定性能,防止悬挂器下入过程中因卡瓦破裂导致的提前坐挂。室内试验中,该封隔器具有良好的封压和锚定性能,封压达80 MPa,耐温达160℃。高性能锚定封隔器应用效果良好,具有较高的推广应用价值。

Y241型封隔器分压管柱可靠性分析

水力锚砂卡是造成长庆气田采用Y241型封隔器分压合采管柱起钻成功率偏低的主要原因之一。针对这一问题,在去掉Y241型封隔器分压合采管柱下封隔器水力锚的基础上,对管柱进行了可靠性分析,为优化Y241型封隔器分压合采管柱结构提供了理论依据。

小套管井一次多层压裂管柱的研制与应用

针对坪北油田部分油水井采用小套管开采“低孔、低渗、低丰、低压、低产”油藏的现实 ,为了节省成本、减少投资 ,实现少投入、多产出的目的 ,特研制了一种小套管井一次多层压裂管柱。 7井次的现场应用表明 ,该管柱具有结构简单、坐封方便、反洗通畅、易解卡。

深井巷道底板预应力锚索快速加固技术研究

为解决深井巷道底鼓治理难度大的难题,通过分析制约底板加固技术发展的因素,提出了底板预应力锚索加固的方法和工艺;阐述了搅拌头、锚固剂和止浆塞对锚固效果的影响作用。试验结果表明:钢管树脂锚固剂固定式搅拌头和大直径快、慢速混合使用的锚固剂,锚固效果最好,满足了巷道底板预应力锚索初始支护的要求;采用锚索专用止浆塞实现了锚索自由段带压注浆,增强了底板围岩的强度,保证了底板锚索的锚固性能。预应力锚索加固不仅使巷道底板锚索及时主动承载,而且使底板围岩及锚索锚固性能得到强化,最大程度保持底板围岩的完整性,保证加固效果,降低了支护成本。

同井注采系统封隔失效检测装置的研制

针对同井注采系统井下封隔锚定失效检测困难且时效性差,造成生产及能源浪费的问题,研究了一种井下油管封隔锚定松脱预警方法,并开发了相应的同井注采系统封隔失效检测装置。通过检测井口套管应变以及受力状况,推导油管受力情况,从而分析判断井下封隔锚定装置的工作状态。基于WIN CE嵌入式操作系统开发了便携式油管封隔锚定失效预警检测仪器,以12 V蓄电池作为能源,在井口套管贴应变片组成惠斯通电桥,以此测量井口套管应变,利用油管封隔锚定失效预警检测仪器采集并记录井口套管应变数据,通过对比井口套管应变历史数据,即可判定井下油管锚定工作状况。在对30口同井注采井的长期监测中,发现4口井的坐封载荷远低于坐封时加载的载荷,判定这4口井属于封隔锚定失效井,这与实际情况相符。现场测试结果表明该仪器可以及时预警井下封隔锚定装置松脱故障,有效指导生产,提高经济效益。

X441-210型热采封隔器的研制与室内试验

海上热采井多为φ244.5 mm水平井,井身结构和流体介质复杂,腐蚀性强,条件苛刻。而且海上热采目前采用"隔热油管+环空注氮气"的井筒隔热方式,隔热方式比较单一。为此,研制了X441-210型热采封隔器。该封隔器具有坐封与解封灵活可靠、密封性能好、双向锚定、悬挂能力强以及耐高温高压等特点。利用模拟试验井系统,开展了封隔器在常温和高温下的动作及性能试验。试验结果表明:该封隔器坐封压力为16~18MPa,耐温350℃,高温下耐压差21 MPa,解封力为80~100 kN。将该封隔器用于海上热采,不仅能提高隔热效果,提高注汽质量,保护油井套管,而且能简化注汽工艺,降低注汽成本,具有良好的应用前景。

防顶锚定器的研制与应用

常用的机械压缩式封隔器在封隔油水层和进行分层开采时,会因压缩坐封而造成油管弯曲,发生管杆偏磨,或者坐封载荷过低,井底压力较高,导致封隔器卡封失败。新研制的防顶锚定器与伸缩补偿器和压缩式封隔器配套使用,能有效地避免封隔器压缩坐封造成的泵上部油管弯曲的现象,并保障封隔器卡封的有效性。这种防顶锚定器由防顶卡瓦装置、卡瓦锁紧机构、挡砂皮碗和反扣丢手匹配组成。与伸缩补偿器配套使用,可用于机采带封管柱,也可直接代替原防顶卡瓦实施封层丢手管柱。