Fatigue Behavior of Open-Holed CFRP Laminates with Initially Cut Fibers

Carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) laminates with initially cut fibers (ICFs) have good formability without large degradation of static strength;however, their fatigue behavior has not been investigated thus far. In this paper, we investigated fatigue behavior and damage progress of open-holed CFRP laminates with ICFs having interlayers. Three types of CFRP laminates were employed: a laminate without ICF fabricated using an autoclave (Continuous-A), a laminate with ICF fabricated using an autoclave (ICF-A) and a laminate with ICF fabricated using press molding (ICF-P). First, fatigue test was conducted to obtain S (maximum stress)-N (the number of cycles to failure) curves in order to reveal fatigue strength. The fatigue tests for several specimens were interrupted at three prescribed numbers of cycles to observe damage progress. It is found that the Continuous-A laminate shows little strength degradation in the S-N curve while fatigue strength in both ICF laminates is decreased by approximately 30% at N of 106. In contrast, the damage progress of the ICF-P laminate is the least among the three laminates while the delamination progress at both edges and around the hole in the Continuous-A laminate is the most prominent.

Packer同径止水技术在彬长矿区多含水层分层抽水试验中的应用

彬长矿区含水层厚度大,矿井防治水难度高,为准确获取地下水的水力学参数、水文地质条件,需对煤层上方各含水层进行分层抽水试验。传统的异径套管分层止水方法操作难度大,扩孔费用高,止水效果一般。为准确获取不同层位含水层水力学参数,彬长矿区引入Packer同径止水技术代替传统异径套管分层止水方法进行分层抽水试验,有效的解决了传统钻孔抽水试验中分层抽水止水难题。研究表明:采用Packer系统可轻松实现在第四系松散岩类及洛河组含水层钻孔中同径止水,具有实施过程简化、安全、高效、便捷的优点,并且可以检查止水效果,能够更加准确有效地获取各含水层的水文地质参数。

基于双重介质渗流-应力耦合模型的高压压水试验渗透参数反演

高压压水试验过程中岩体易发生水力劈裂产生裂隙,岩体内部孔隙、裂隙双重导水,渗流场和应力场相互作用,导致岩体渗透参数的时空变异性。基于高压压水试验反演渗透参数需考虑双重介质渗流-应力耦合作用下产生裂隙前后渗透系数的变化规律,利用渗流-应力耦合数值模型结合工程现场高压压水试验数据进行参数反演,计算得到不同压力阶段下灰岩岩体渗透率。主要结论如下:发生水力劈裂前,随着注液压力的增大,渗透率及孔隙水压力在不同压力阶段之间分界明显,渗透率反演值与规程公式计算值相近;发生水力劈裂后,岩体渗透率增大约2倍,孔隙介质渗透率和通过的流量出现陡减现象。

一种新型钾基磷酸盐无固相高密度封隔液

高温高密度封隔液是高温高压井完井关键技术之一,目前密度超过1.60 g/cm 3无固相盐水封隔液只有溴盐、锌盐或者甲酸铯溶液,溴盐毒性大,锌盐高温腐蚀性难以控制,而甲酸铯价格昂贵,难以满足高温高压井完井技术要求,开发针对高温高压井的新型无固相高密度清洁盐水封隔液势在必行。以磷酸三钾TKP为主剂并添加其他处理剂优化而成可溶性盐SW4,研发了一种新型钾基磷酸盐无固相高密度封隔液,测试了其密度调节能力、水溶液的流变性和流变模式、金属腐蚀性、高温稳定性、生物毒性等性能。结果表明,SW4封隔液常温条件下最大密度可达1.90 g/cm 3;随密度增大,其水溶液黏度上升,其流变模式为牛顿流体;密度1.85 g/cm 3的封隔液在150℃、7 d条件下对A3钢、N80钢、TN110Cr13S和TN110Cr13M钢的腐蚀速率均小于0.076 mm/a,N80钢在1.80 g/cm 3 SW4封隔液中的腐蚀性明显低于同等条件下的溴化钠、溴化钙和溴化锌,与甲酸铯相当;在同等加量条件下,SW4能够提供更多的K+,具有更优异的防膨性;高温稳定性强,能够满足高温高压井完井工况需求;生物毒性低,具有环境可接受性,可以满足作为无固相高密度封隔液加重剂的技术要求。

连续管磨损对防喷盒胶筒密封性能的影响

为研究连续管磨损对防喷盒胶筒密封性能的影响,归纳连续管常见磨损形式并构建其磨损几何模型,以通径为38.1 mm防喷盒胶筒为例,通过实验得到其材料本构模型参数,建立防喷盒胶筒密封连续管的有限元模型;以有效接触应力和最大Mises应力为指标,分析连续管的磨损形式、磨损深度、磨损长度以及偏磨角度对胶筒密封性能的影响。结果表明:连续管偏磨形式对胶筒密封性能影响较大,连续管偏磨段长度大于胶筒高度且偏磨深度大于1 mm时,胶筒密封能力会出现不能满足井口密封要求的情况;偏磨角度会影响胶筒的应力分布,从而影响密封性能。

注氮气机抽防腐防垢一体化管柱的研制与应用

针对塔河油田注氮气机抽井井筒及井下工具严重腐蚀结垢,易造成抽油泵卡泵、封隔器解封困难等井下故障的问题,在现有技术的基础上,优化改进结构、技术创新,研制了一种注氮气防腐防垢机抽一体化管柱。该管柱包括注气防垢杆式泵、防腐封隔器等关键工具,注气防垢杆式泵优化改进了柱塞和泵筒的结构,泵筒上部设计注气孔、下部设计封堵筒,柱塞下部设计密封堵头,注气时柱塞下部堵头将进油通道密封,能防止高压油液倒灌进入泵腔发生腐蚀结垢,消除柱塞下放失败的风险;防腐封隔器采用新型护肩式的胶筒组件及双“O”型圈、双向支撑密封结构、分级解封机构和分体式双向卡瓦锚定结构,提高封隔器胶筒的耐腐蚀性能、降低上提解封力和保证卡瓦锚定性能。经过理论校核和室内模拟试验均满足现场需求,现场应用表明,该管柱坐封、解封及注气均正常,转采成功率100%,满足开发需求,解决了注气腐蚀结垢卡泵和封隔器解封困难的工程难题,具有很高的推广价值。

深水测试密闭环空压力变化下的封隔器胶筒性能分析

为探讨深水测试双封隔器由密闭环空压力变化引起的变形与强度问题,建立双封隔器胶筒结构的力学分析模型。根据工作过程中封隔器间密闭环空压力的变化,对胶筒的密封性能进行分析,得到各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力的变化情况。分析采用胶筒不同圆形倒角参数时封隔器胶筒与套管的接触特性,研究胶筒倒角参数对封隔器密封性能的影响,得出封隔器的优化结构参数。结果显示:各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力均随密闭环空压力的增大而增大,其中下胶筒的增大幅度最明显;各胶筒变形量随着胶筒倒角的增大无明显变化,但等效应力随着胶筒倒角的增大均减小,而随着胶筒倒角的增大上胶筒和中胶筒的接触应力均增大,下胶筒的接触应力先增大后减小。因此,一定程度上增大胶筒倒角有利于提升封隔器的密封性能,倒角半径为0.75 mm时为最优结构。

双封隔取样压力数据深入解释方法研究

双封隔器是一种地层测试测压取样工具,取样过程通常需要泵抽几小时甚至十几小时,取得地层流体样品,获得压力和流量数据,但无法真实反映地层渗透率的探测范围。利用油藏模拟软件模拟双封隔器泵抽取样过程,引入Schroeter算法和Levitan算法这两种压力/流量数据反褶积算法,反演渗透率参数波及半径从几厘米到上百米,并使用数值模拟案例验证了只利用取样完成后的压力恢复数据进行反褶积方法的准确性和合理性。该研究应用于双封隔现场测井数据,采用反褶积方法得到渗透率探测半径31m,反褶积处理后的数据可用于产能预测,对正确认识油气藏具有重要意义。

W形密封结构金属封隔器性能研究

针对橡胶封隔器难以适应150℃、70 MPa以上环境的缺点,设计一种适用于230℃、70 MPa工况,两端传递载荷,中间中空促进径向变形的W形密封结构的金属封隔器,并研究其密封性能。根据工况需求,以温度依赖性和超弹性激发应力选择β-NiTi合金作为W形密封结构材料,以W形结构坐封后产生的接触应力评价其密封性能,以工作承压后W形结构的弹性-超弹性应变率评价其解封性能,分析W形密封结构半径、壁厚及壁厚比对其密封性能的影响,并对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析。结果表明:结构半径对W形密封结构的密封性能和解封性能影响较小,而壁厚与壁厚比均显著影响密封性能和解封性能;随着壁厚的增加,W形密封结构的密封性能逐渐下降但解封性能逐渐上升,随着壁厚比的增加,密封性能逐渐下降解封性能先上升后下降。对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析,结果表明,基于β-NiTi合金材料的W形密封结构金属封隔器完全可以适用于高温高压环境,其在230℃、70 MPa的工况下坐封载荷为220 kN,弹性-超弹性应变率达90%以上。

高温高压高产气体封隔器卡瓦力学行为的分析与实验

为了提高海上“三高”气井管柱的安全性,确保卡瓦良好的工作性能,以HPC070401封隔器双向筒式卡瓦为例,将滑移线理论法、数值模拟和实验法相结合,研究卡瓦咬入过程的力学行为,分析卡瓦与套管的接触应力分布规律、卡瓦牙咬入套管的深度和疲劳寿命,建立了封隔器卡瓦系统工作可靠的充分必要准则。研究结果表明:坐卡压力增加,卡瓦牙咬入套管的深度也随之增加,在坐卡压力为35、42、48、55 MPa时,卡瓦咬入套管深度为0.25993、0.29425、0.32353、0.36561 mm;坐卡压力增加,卡瓦牙尖局部塑性变形增大,在坐卡压力35、42、48、55 MPa下,对称循环波动20%时,卡瓦疲劳循环次数为951110、789540、717160、629260;通过高温高压封隔器卡瓦锚定实验,卡瓦咬入套管的实测深度介于0.350~1 mm之间,与有限元模拟结果较吻合;结合评价准则和高温高压封隔器疲劳实验可知,套管因疲劳累积损伤产生的应力松驰系数为0.18。

气体封隔器密封单元的增强方法与安全分析

气体封隔器胶筒是实现气井分层分段开采的关键部件。常规三胶筒结构在坐封时易发生初始破坏,导致胶筒整体应力水平降低,密封安全性储备不足。为此,提出一种多材料组合式密封单元的增强方法,用于HPHT105-232-V0型含硫化氢高温高压气体封隔器密封单元的设计;基于拉伸试验和Yeoh理论获得橡胶的本构模型参数;在温度204℃、坐封力200 kN和环空压力70 MPa下,分析了胶筒的应力和变形规律;试验测试了增强单元的密封安全性。分析结果表明:HPHT105-232-V0型封隔器密封单元胶筒的最大变形量为94.785 mm,最大接触应力为240 MPa,位于金属护环与套管接触区域。根据API标准,对HPHT105-232-V0型封隔器实物进行测试试验,坐封时胶筒未发生初始破坏,密封单元的整体应力水平提高;稳压过程胶筒压降幅度小于1%;整个试验测试过程中,密封单元无气泡溢出,封隔器卸载后胶筒结构无明显的塑性变形。研究结果表明,采用该增强方法所设计的多材料组合式密封单元具有良好的密封性能,满足极端环境下的密封安全性要求。

超深井射孔冲击动载荷引起封隔器断裂失效分析

中国超深层油气资源丰富,超深井油气开发过程中常采用一体化管柱完成射孔—试油—酸化三联作业,作业过程中超深井射孔冲击动载荷频繁导致封隔器断裂失效。为解决上述问题,基于弹塑性有限元法,结合实际井下测得的射孔管串起爆瞬态冲击动力学载荷边界条件,开展了新疆某地X1井射孔作业RTTS封隔器(全开式挂壁封隔器)—减震器管串瞬态冲击动力学有限元仿真分析,建立了减震器二阶带阻尼的质量—弹簧力学系统模型,从理论上对比分析了双减震器的减震效果与有限元分析结果的可靠性。研究结果表明:(1)在射孔爆轰0.09 s和0.21 s时刻,中心管接头螺纹处分别出现805.4 MPa和925.1 MPa两个应力峰值,超过了管材的屈服强度和抗拉强度,且冲击波引起的交变应力导致局部位置开始发生裂纹失效,裂纹逐渐扩展到整个截面,造成螺纹接头断裂;(2)根据仿真模型计算结果以及中心管结构尺寸分析,发现其螺纹部分结构尺寸偏小,导致峰值应力超过其抗拉强度造成断裂失效;(3)建议采用中心管上部螺纹连接处镦粗2~3 mm的改进方案,其最大应力可降低27%以上,可明显提高结构强度;(4)使用双减震器能有效降低射孔管串上部冲击载荷,理论计算指出双减震器比单减震器的振幅降低约50%,其最大应力降低约42%。结论认为,研究成果可为超深井RTTS封隔器管柱安全射孔作业提供理论和技术支撑,并将有力推动我国超深层油气资源的高效勘探开发。

塔河油田T1-5H井泵送桥塞分段加砂压裂工艺

针对塔河油田泵送桥塞分段加砂压裂施工中存在泵送桥塞工具串易遇阻遇卡,缺乏相配的井下工具,含硫化氢、井控风险较高等问题,以T1-5H井为例,提出了井下工具泵送模拟技术,提高工具串在复合套管中的通过性;形成了人工井底地质深度回归结合连续油管探底的高精度校深方法,保证首段射孔位置精确;采用大通径全封堵桥塞,解决高压气井组下生产管柱的难题。应用表明,T1-5H井泵送桥塞分段加砂压裂完井工艺4段5簇,注入地层总液量3210.7 m^(3),累计产能提高2401.6 t,有效提高了储层动用程度。该工艺为西北工区砂泥岩薄互储层改造提供经验借鉴,为实现超深石炭系储层大规模开发奠定了技术基础。

双封隔器在渤海油田潜山地层取样的应用

渤海油田潜山地层油气藏油质好、储量大,但由于埋藏深、岩性复杂、储集空间多样,勘探开发过程中储层有效性评价及流体性质评价难度大。钻井中途油气层测试仪(EFDT)是中海油田服务股份有限公司自研的一种模块化、泵抽式电缆地层测试仪,其双封隔器取样技术能够在非均质性强的地层成功坐封和取样,准确判断潜山地层是否存在油气,为正确认识储层特征和流体类型提供可靠依据,为确定潜山成藏模式的勘探决策提供重要参考。

双Packer系统在鄂尔多斯盆地地下水勘查中的应用

双Packer系统在鄂尔多斯盆地地下水勘查中的应用,为在该盆地开展深层地下水水化学同位素的研究,提供了一个有效的工具。了解该系统的工作原理、应用条件和在鄂尔多斯盆地地下水勘查中的具体应用,对在我国水文界普及该技术具有重要意义。

鄂尔多斯高原地下水流系统的多层结构循环模式——来自深孔中PACKER系统分层水头测定的证据

地下水流系统和循环模式分析是研究地下水形成机理的基础,对正确认识和评价地下水资源具有重要意义。鄂尔多斯高原在含水系统和众多地下水排泄区的控制下,形成了多个不同规模、不同循环深度、相互独立的地下水流系统。PACKER系统分层试验测定的不同深度水头的数据证明,鄂尔多斯高原地下水流系统存在托斯多层水流模式,区域性水流系统一般包含浅循环、中间循环和深循环3个循环系统。浅循环系统的发育深度在200m以内,深循环系统的发育深度大于400m。

Packer分层取样技术在非均质含水层勘查中的应用

在第四系松散岩层中进行抽水试验及分层取样工作一直是水文地质勘查中棘手的事情。为获得不同深度、不同层位含水层空间异质性特征,在实践应用的基础上提出了Packer分层取样结合井中物探技术,有效解决了传统钻孔抽水试验中分层抽水及取样的困难。研究表明:采用Packer分层取样技术可以实现在第四系松散岩类含水层钻孔中同径止水,分层封隔洗井、抽水试验及取样,而且易于实施,可以更加准确有效地获得空间异质性岩层中各含水层的水文地质参数。

煤矿井下定点注浆工艺研究及装备研究应用

针对定向钻孔施工遇破碎地层成孔深度浅、破碎带塌孔、定向钻进困难等问题,提出了采用定点注浆钻具组合施工破碎地层定点注浆加固的技术方案,介绍了其技术原理,开发了定点注浆位置优选工艺、封隔器坐封与解封工艺、注浆工艺等关键技术,研制开发了裸眼挤堵封隔器、高压密封注浆钻杆和高压送水器等关键钻具设备,形成了成套技术与装备,并在淮南进行了地面实验与现场试验,验证封隔器坐封、爆破和解封可调可控,在朱集东矿1151(3)轨顺6#钻孔中完成定点注浆加固,注浆加固后定向钻进顺利通过破碎带,为施工定向钻孔遇破碎地层提供了一种新的技术手段。

雄安新区基岩热储钻探施工技术探讨

针对雄安新区基岩热储钻探中风化壳钻进、地层大量漏失封堵及基岩取心的钻探工程难点,通过对所处牛驼镇地热田、容城地热田和高阳地热田地热地质状况、岩性特点的分析,提出了基岩热储地热钻探有效解决方案,包括采用小径探孔施工工法、采用封隔器有效完成水泥浆堵漏、借鉴金刚石满眼取心钻具技术等。

深井封隔器解封时套管挤压失效风险评估方法及应用

封隔器解封时,环空液柱快速下沉将产生明显抽吸压力,导致封隔器解封后生产套管挤毁事故时有发生,给深部高温高压油井安全生产带来巨大挑战。基于规范中套管有效外压力的计算方法,考虑环空液柱下沉流速及其诱导的环空抽吸压力,建立了封隔器解封时套管有效外压力计算方法,针对现场实例井研究了封隔器解封对套管等效支撑内压力和套管挤压失效风险的影响规律。结果表明,封隔器解封时油管液面深度越大、封隔器胶筒外径与套管内径环空间隙越大,环空抽吸压力值越大,套管内等效支撑内压力当量密度越低,套管挤压失效风险越大。为降低套管挤压失效风险,建议提高封隔器胶筒解封后变形恢复能力,同时封隔器解封前油管内应尽量补满液体。研究成果为确保深部高温高压油井安全生产提供重要理论依据和技术支撑。