深水隔水管-防喷器组耦合系统动力学建模与仿真验证

在深水钻井过程中,隔水管与防喷器组系统是整个作业环节的重要一环。由于在作业过程中面临着诸多风险,因此,建立精确的隔水管-防喷器组耦合系统力学分析模型,准确分析其力学行为和性能,对指导钻井作业安全进行具有重要意义。目前大多只关注于对隔水管的独立建模而忽视防喷器组的潜在影响,这将导致所建模型与实际情况存在差异,使得隔水管系统的力学特性无法得到精确分析。提出了隔水管与防喷器组刚柔耦合概念,推导耦合系统动能、势能,采用拉格朗日方法建立理论模型,用Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。采用ADAMS软件进行了仿真建模,开展不同工况条件下的动态响应对比分析。结果表明,理论模型得到的隔水管横向位移包络线、弯矩包络线、隔水管中部节点横向位移时程曲线和底部弯矩时程曲线与ADAMS仿真结果吻合良好,从而表明了该理论模型的重要性,可为我国隔水管的设计和分析提供参考和支持。

球形防喷器关键结构失效分析与结构改进研究

为减少或预防球形防喷器关键结构失效事件发生,结合现有球形防喷器结构和工作原理,对FH35-35型球形防喷器活塞行程、胶芯挤胶量等参数进行理论计算。通过对胶芯材料进行单轴拉伸、压缩和平面拉伸试验,取3组试验数据进行优化处理,得到胶芯材料的优化本构模型。同时,建立球形防喷器全尺寸三维模型,对该模型进行有限元计算,分析胶芯和支架的应力和变形规律,找到胶芯和支架失效的内在原因,并对胶芯和支架进行结构改进。研究结果表明:通过改变胶芯斜向下的倒角结构,并将支架上板块厚度由原来的40 mm增加为50 mm,改进后胶芯上部某处应力相对改进前降低23.9 MPa,支架背部的最大应力相对改进前降低约46.8~187.5 MPa,改进后的胶芯与支架有效提高防喷器强度,并且胶芯在现场使用情况良好,研究结果可为高性能球形防喷器的设计和制造提供一定参考。

海洋石油钻井平台防喷器剪切增压助推装置(SBA)升级研究

随着石油工业的发展,对石油钻井平台安全生产的要求越来越高,井控显得尤为重要,而闸板防喷器又是井控装置的关键部分。当处于紧急情况时,可用剪切闸板剪断井内管柱,并全封闭井口。以某海洋石油钻井平台防喷器剪切增压助推(SBA)装置升级为例,介绍了钻井平台升级剪切增压助推装置的原因、相关配置及工作原理。通过对剪切系统能力的分析,钻井平台原配置的防喷器剪切液缸及控制系统无法满足剪断常用S-135级149.225 mm(57/8″)钻杆的要求,需要升级安装剪切增压助推装置,以满足防喷器全能力作业下的井控安全。重点介绍了剪切增压助推装置的主要组成部分和工作原理,从最优成本角度出发,提供了实际可行的技术方案,对类似防喷器剪切闸板及控制系统改进提供借鉴。

防喷器维修及再制造过程的监理质量控制

防喷器是各类石油和天然气钻采设备中的必监设备,其维修及再制造过程的监理也逐步得到推广。本文探讨如何为油田用户提供防喷器维修及再制造过程的监理服务,阐述了防喷器维修及再制造过程的特点,监理质量控制与安全管理的目标,监理方式、方法及质量控制点设置要点等,为油田用户解决防喷器维修与再制造过程的质量管理需求以及提高防喷器使用寿命与可靠性提供参考。

新型大直径深井抽油泵防喷脱接器研制和应用

在油田修井作业中,研制应用大直径深井抽油泵二次作业油管内防喷工具是实现安全生产、无污染作业的重要发展方向。介绍了FTJ-2型大直径深井抽油泵防喷脱接器的结构和工作原理,它集防喷、对接、脱锁3种功能于一体,具有超强承载、结构简单、实用性强的特点。现场应用表明,该防喷脱接器能实现不压井作业,对接脱锁率高,二次作业密封性强,具有较好的推广应用前景。

新型内防喷器安放位置分析

开发设计了一种新型内防喷器,并完成了工业性试验和理论研究工作。该防喷器主要由固定外壳、滑座、旋板阀等组成,固定外壳固定在钻杆或钻铤上,钻进中随钻柱一起转动,与钻柱承受同样的扭矩、钻压和冲击振动。对其安放位置及井喷压力进行了简要分析和探讨,建立了钻头压降与流量、流体密度的关系曲线。分析表明,当流量Q=10L/s,流体密度为1.2g/cm3时,假设井深为4000m,井底压力为70MPa,内防喷器安放在距钻头2m,钻具中部100、200、500、1000m处时,防喷器处内外压差为4.164、4.366、4.572、5.190、6.220MPa,为内防喷器的控制提供了理论数据和依据。

防喷器控制装置的调试系统设计

为了实现对防喷器泵组自动启停、蓄能器组充压时间等一系列试压试验,构建了基于上下位机的防喷器试压实验装置。通过ADAM4117采集卡将压力变送器接收的压力信号实时采集并显示在由Matlab编写的上位机图形用户界面(GUI)上,上位机处理后将分析结果反馈到STC89C52RC单片机上,通过其控制防喷器防爆启动器的开关。该调试系统在防喷器控制装置的安全使用和检查维护中起重要作用,有助于提高学生分析问题和解决问题的能力。

基于冲蚀磨损理论的新型内防喷器阀座锥角研究

针对现有内防喷器失效率高等不足,提出一种结构新颖且密封可靠的自旋合式锥形密封内防喷器。对该新型内防喷器的阀座锥角进行了力学分析,并采用MATLAB对阀座锥角进行了优化。基于理论分析得到的结论,采用CFD(computational fluid dynamics,计算流体动力学)方法(标准k-ε湍流模型及Tabakoff-Grant冲蚀模型)及ANSYSCFX软件,对该新型内防喷器在不同钻井液流量及不同阀座锥角下的流场进行数值模拟分析,仿真结果表明容易发生冲蚀磨损的部位主要集中在上下阀座流道边缘及下部管壁处。通过对比多组仿真数据,提出了该新型内防喷器上下阀座的最优锥角为25°,并采用ANSYSWorkbench静力学分析软件模拟了井喷时上下阀座密封锥面的接触应力分布,验证了冲蚀仿真分析得出的最优锥角的结论。样机试制后进行了密封性实验以验证其可靠性,结果表明该新型内防喷器无泄漏,满足密封性要求。研究结论为内防喷器的设计与改进提供了重要的理论依据,对油田生产设备的安全升级有重要意义。

一种自升式钻井平台防喷器吊装移运方案设计和应用

针对自升式钻井平台防喷器吊装和移运的特点及现场要求,设计出一套由气动防喷器吊车、气动绞车、小推车、电动吊车等组成的配置方案,通过该方案实现对防喷器的吊装、移运、就位、安装、对中、拆解、维修、维护等工作。介绍了该方案的配置情况、基本参数、功能用途和性能特点,并结合应用的情况说明了该套方案具有较好的市场需求和良好的推广应用前景。

内置式井口防喷装置的研制及试验

注入井测井井口防喷装置是测井施工中的关键装备,目前常用的是橡胶密封式防喷装置。在测井过程中,橡胶密封垫子磨损,发生泄漏,却无法对密封垫进行压紧调整或更换,导致溢流量达不到施工规范要求。为此研制了内置式井口防喷装置,在橡胶密封式防喷装置的基础上,增加了内置防喷盒、推进器总成、分离总成结构,实现了内置防喷盒井口坐封、防喷管内降压、防喷管与井口分离功能。现场试验表明该装置的测井溢流量控制效果十分理想。

“三高”气井井控配套新装置

井控装置是防止井喷,节流压井、处理事故的核心设备和最后一道屏障,其可靠性、操控性、稳定性决定了井控工作的成败。井控装置要求其具有强剪切力、稳定的密封性能和高抗冲蚀能力,但“三高”(高含硫、高压力、高产量)气井钻井所用钻杆尺寸、钢级、壁厚等已超出防喷器标准要求,导致井控装置存在防喷器剪切能力不足,全封—剪切一体闸板剪切后无法形成有效密封,节流管汇抗冲蚀能力弱等新问题。为此,在车间和现场实验、数值模拟的基础上对井控配套装置进行了系统改进。研究结果表明:①通过加装增力液缸,在套压70 MPa下,能剪断Ø149.2 mm×12.7 mm S110钻杆;②全封—剪切一体化闸板上下密封改为前端密封,并采用斜面技术,既能对落鱼修整又能确保密封可靠性,剪切后能封住105 MPa压力;③基于现场模拟冲蚀实验数据,管汇J_(1)号阀、J_(4)号阀优选圆柱形阀,对后端短节进行形状和抗冲蚀角度优化,提升了抗冲蚀能力,操控性更强。结论认为:①该配套,装置已在CS1井等30余口“三高”气井成功使用,进一步展示了良好的应用前景;②目前井控设备方面的标准较钻井技术、井控工艺的发展存在一定程度的滞后,为适应油气勘探开发向深层进军的需要,应加快标准的更新和研究。

深水防喷器系统可靠性分析

深水防喷器(BOP)作为深水井控关键部件,其可靠性对于保证深水钻井安全高效进行极为重要。通过分析墨西哥湾及中国海域深水防喷器失效事故案例、厂家安全公告并结合现场故障及维保经验,分析了"海洋石油981"平台(HYSY981)防喷器组失效故障模式。以井口连接器为例,进行失效模式及后果分析(FMEA),并通过基于信息公理(AD)与风险优先数(RPN)集结合的评估方法对风险因素科学排序。实例分析结果表明,通过FMEA分析,可以找出影响防喷器系统可靠性的潜在危险因素与薄弱环节,可从风险防控措施、风险处理方案、优化配件库存等方面为操作人员提供依据,实现提高深水防喷器系统可靠性的同时,也能为其他钻井相关设备系统提供支持。

新型抽油泵防喷脱接器的研制与应用

在大庆油田修井作业中,研制应用抽油泵二次作业油管内防喷工具是实现安全生产、无污染作业的重要发展方向。介绍了新型抽油泵防喷脱接器的结构和工作原理。该防喷脱接器集防喷、对接、脱锁3种功能于一体,常规作业不增加起下管柱次数,二次作业时采用上提抽油杆柱的方式密封油管,实现不压井作业。该防喷脱接器具有超强承载、结构简单、实用性强的特点。在大庆油田推广应用表明,该防喷脱接器能够满足不压井作业的需要,而且具备接脱锁率高、二次作业密封性好等特点,具有较好的推广应用前景。

双瓣单流阀用于连续管拖动压裂的试验与评价

为解决连续管拖动压裂过程中环空混砂液进入连续管,造成喷嘴砂堵、油管意外损伤以及开裂引起的能量外泄问题,以双瓣单流阀为对象,对内防喷工具进行深入研究。通过室内试验,采用Φ38.1 mm连续管带Φ60.3 mm单流阀,模拟与实际相近的射孔流速,验证单流阀在连续管喷射过程中的抗冲蚀性能;在现场条件下,采用Φ50.8 mm连续管带Φ73.0 mm单流阀,验证单流阀的抗冲蚀性能,并进行评价。试验结果表明:双瓣单流阀阀内结构均满足抗冲蚀要求;冲蚀后的单流阀反向密封性能良好,可防止环空混砂液进入油管而造成喷嘴堵塞;可有效防止因油管意外损伤和开裂造成的能量外泄,降低井控风险。因此,单流阀可作为内防喷工具,提高连续管拖动压裂施工的一次性成功率和本质安全性。

油水井管柱内清垢封堵器的研制

油水井内清垢封堵器,主要作用是清除管注内壁的结垢物,保证封堵器顺利投放和锚定。

基于Shear Damage模型的剪切闸板防喷器剪切性能研究

为揭示剪切闸板在纯剪切工况条件下(无压差、无悬重)剪切钻杆时剪切力特征,以及悬重、内外压差等复杂工况条件对剪切钻杆时剪切力和油压的影响规律。本文基于Shear Damage断裂损伤模型,通过显示动力学方法开展剪切过程仿真研究。研究结果表明:在纯剪切工况条件下,剪切力随时间增加先逐渐增加再急剧下降为0;在有悬重工况条件下,剪切力和油压随悬重增加而呈减小趋势;在钻杆内压大于外压工况条件下,剪切力和油压均随压差增大而增大;在钻杆内压小于外压工况条件下,剪切力随压差增大而减小,57/8 in(壁厚14.50 mm)、5 in(壁厚12.70 mm)规格钻杆油压随压差增大呈先增加后减小趋势,51/2 in(壁厚10.54 mm)规格钻杆油压随压差变化不明显,其余钻杆油压随压差增大均呈上升趋势。研究结果可为剪切闸板防喷器油压配置、结构优化、关井工艺改进等提供关键技术支撑。

BQFZ18—35半封-全封一体化封井器的研制

针对以往井口防喷器的特点 ,研制开发了BQFZ18— 35半封 全封一体化封井器。这种新型封井器主要由半封总成、全封总成和壳体三大部分组成 ,兼具半封封井器和全封封井器的优点和功能 ,并使半封闸板与现场使用的半封封井器闸板通用。 10 0多套封井器的现场应用表明 ,新型封井器开关灵活、密封可靠、承压高 ,是用于修井作业的理想防喷配套设备。

剪切闸板剪断管柱所致落鱼打捞技术应用

渤海A19井在射孔作业后上提管柱时发生井涌井喷,为实现紧急封井而关闭剪切闸板防喷器导致井内管柱落井。通过置换法压井后,恢复至一级井况状态,之后采用计算井内落鱼深度、落鱼组合形式,选择下入铅印打印鱼顶状态的方法,进一步分析、优选打捞方案,最终通过磨鞋磨铣、卡瓦打捞筒打捞等工艺技术成功打捞出因剪切闸板所剪断落井的管柱,避免了井因事故而导致的报废。在分析、讨论的基础上,对整个作业过程中的操作细节做了深入说明,可为此类较为罕见的钻井事故提供借鉴。

液压推进式可拆卸环空测井防喷装置的研制

针对环空测井密闭防喷装置存在的不易安装与测井仪下井困难等问题,研制了液压推进式可拆卸防喷装置;使用液压推进技术,改进井口连接装置。结合现场实验和数十井次测井,该装置可以在抽油机正常生产压力下实现环空测井,并且达到了密闭测井要求。选取两口井进行实验,对比密闭和非密闭测井环境下的产出剖面资料的差异性,分析井内流量变化和压力变化,得出井内压力变化对测井结果的影响。证实了密闭式环空测井的重要性,即密闭测井过程与油井生产环境一致,从而得到更加准确的产出剖面资料。

地面防喷器控制系统改进方案探讨

为了解决地面防喷器控制系统中存在的液气管汇繁杂、控制方法落后、维护管理困难、建造成本居高不下、响应时间过长等问题,此文从总线技术和水下防喷器的控制技术入手,探讨并将这些技术运用于常规的地面防喷器控制系统,以期通过适当的改进,能最大限度地减少常规地面防喷器控制系统控制管汇数量,实现多点多地便利操作并有效提高系统响应速度的效果。研究表明,利用新的通讯技术并借鉴水下防喷器控制系统的先进控制技术,对现有的地面防喷器控制系统进行局部或整体改造是可行的、有益的。