电缆坐封沉砂封隔器下滑原因分析与实验研究

沉砂封隔器位于套管井防砂管柱最下端,起到定位防砂管柱、封隔人工井底的作用,同时承受防砂管柱自重所产生的部分轴向力,有液压坐封以及电缆坐封两种方式,在完井作业中,电缆坐封可避免沉砂封隔器由钻杆下入井中,大大提高了作业效率。然而,在渤海油田某热采井中,沉砂封隔器在坐封后出现下滑,针对这一现象,采用根源分析法分析沉砂封隔器下滑原因,并分别进行室内实验验证。结果表明:沉砂封隔器下滑原因为卡瓦与套管之间的咬合力过小,在电缆坐封过程中,火药燃尽的时间范围内,有效坐封时间越长,沉砂封隔器越不易下滑;坐封力越大,沉砂封隔器越不易下滑,而卡瓦槽壁厚不是影响沉砂封隔器下滑的主要因素。

基于正交试验法的高温封隔器镶齿卡瓦优化

高温高压深井、超深井井下工况恶劣,对封隔器等井下工具性能提出了更为严格的要求。为此,以RTTS封隔器卡瓦为研究对象,结合高温井下工况开展卡瓦材料试验,运用有限元法以及正交试验设计,开展卡瓦力学行为分析。优化结果表明:井下高温条件会降低卡瓦材料力学性能,在210℃时屈服强度以及抗拉强度分别下降了9.19%和4.98%,高温下安全系数、安全裕度较常规工况应增加5%~10%;根据正交试验结果,可得卡瓦最优结构参数,即卡瓦安装间距20 mm、合金块安装倾角75°、合金块直径11 mm及卡瓦楔角8°;与原始方案对比,卡瓦最大应力由1446.1 MPa下降为752.1 MPa,卡瓦各齿咬入深度均匀性标准差由0.00305下降为0.000732。所得结论可为镶齿卡瓦结构参数优化提供理论参考。

UPP-9型笼式卡瓦高温高压完井封隔器研制

提出的卡瓦结构设计方法涵盖材料评估与选择、卡瓦组件结构优化、卡瓦结构参数优化、卡瓦测试验证等流程。应用该方法设计了可以控制启动载荷的上、下笼式卡瓦组件结构。结合ANSYS有限元分析、样机测试等方法,对所设计的笼式卡瓦组件进行优化设计与试验验证。对带有防挤出护肩的2种胶筒密封组件的试验研究表明,带隔环的三胶筒结构更为优异。在此基础上,研制了高温高压液压坐封永久式封隔器,额定工作压力68.94 MPa(10000 psi),额定工作温度204.4℃(400℉)。测试结果表明,所研制的封隔器符合API SPEC 11D1标准V0级测试要求。

海上热采井完井封隔器卡瓦结构优化

为满足热采工艺要求,渤海油田稠油开发井普遍采用高钢级生产套管,现场作业中常出现完井封隔器坐封之后因悬挂力不足而定位失败的问题。为此,结合封隔器分瓣式楔形卡瓦结构特点,以卡瓦牙齿面与套管内壁全接触为设计依据,优化设计新型封隔器卡瓦,通过受力分析推导得出封隔器卡瓦咬入套管深度的理论计算模型,结合卡瓦咬入套管深度和卡瓦牙结构,得出新型封隔器卡瓦剪切强度的计算模型。通过理论计算和有限元法对设计卡瓦进行了优化分析,对比分析了卡瓦外径、坐封力和套管钢级对卡瓦悬挂极限载荷的影响。计算分析表明,卡瓦外径是影响卡瓦悬挂力的主要因素,非同心全接触楔形卡瓦可以大幅提升卡瓦悬挂能力。室内测试表明,在坐封力350 kN情况下,新型封隔器卡瓦能够有效锚定TP125H钢级套管,满足现场工况要求,有望解决现场技术难题。

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。

水平井封隔器卡瓦的有限元分析及结构改进

在石油钻采中,封隔器卡瓦承受巨大压力易发生断裂,直接影响到封隔器的密封性能,从而影响油井的开采过程及生产安全。运用有限元分析软件ANSYS Workbench对卡瓦进行有限元数值模拟分析。施加140 kN载荷时,卡瓦最大应力为230.11 MPa,超过其材料的最大抗压强度;对卡瓦封隔器试验模型进行压裂试验,试验施加压力为186.33 kN时卡瓦发生断裂,测得抗压强度为233 MPa;对卡瓦进行结构设计,卡瓦牙间距尺寸分别为15 mm、25 mm和30 mm。根据有限元分析结果,卡瓦牙间距为30 mm时卡瓦应力、应变分布趋于均匀,所承受的最大载荷为240 kN,最大应力为230.66 MPa、最大变形量为0.058mm,证明此卡瓦结构尺寸较为合理。

悬挂封隔器卡瓦作用区段套管应力分布研究

悬挂封隔器上的卡瓦是保证水平井改造工作可靠性的重要元件,锚定后可以起到支撑、锚定封隔器和锁定胶筒的作用.但由于套管是薄壁件,在卡瓦的作用下容易破坏而造成不良后果,因此对卡瓦作用段套管的受力情况进行力学分析显得尤为重要,通过建立数学模型确定卡瓦作用区段套管的应力分布情况.结果显示,封隔器的坐封力会加大套管的环向应力,悬重会加大套管的轴向应力,两者一起会使得套管应力大幅上升,甚至造成套管产生缺陷.得到的理论公式为水平井改造现场判断悬挂封隔器作用段套管应力提供了预估参考.

高温高压井完井封隔器卡瓦抗剪切强度分析

卡瓦作为封隔器中重要的组成部分,起支撑封隔器和锁定胶筒的作用。针对坐封后卡瓦的咬入会对套管产生损伤,以及套管剪切力会对卡瓦产生损害等问题,模拟高温高压完井封隔器卡瓦的实际受力情况,建立了简化的完井封隔器卡瓦的力学模型,应用弹性力学理论分析了卡瓦的剪切强度,得到了卡瓦剪切强度的计算方法和卡瓦发生损坏的边界条件;采用ANSYS软件分析了卡瓦咬入套管的深度。研究发现,前4个卡瓦牙基本上承受了整个卡瓦作用力,在同一卡瓦牙上,应力最大值出现在卡瓦牙最顶端部位,且对比不同位置的卡瓦齿,发现相同节点的等效应力逐渐下降。第7个卡瓦齿上所有节点的Mises应力很小,可以忽略不计。

整体式卡瓦牙型结构优化及试验研究

整体式卡瓦牙型结构若设计不合理会直接影响封隔器的坐封力和锚定效果。以适用于177.8 mm套管的整体式卡瓦为例进行研究,采用ANSYS软件建立模型,利用应力瞬态特性分析方法,对不同参数下的牙齿倾角α、牙齿角度β、牙齿间宽度d和卡瓦锥角γ进行应力分析。在相同的边界条件下,根据不同牙型参数下的应力值,综合分析得出α=70°、β=75°、d=70 mm、γ=13°时,卡瓦载荷分布均匀,无应力集中现象,为最合理的牙型参数。试验结果表明,在150℃的条件下,密封压力64.5 MPa时,整体式卡瓦有效开裂,均匀咬合套管内壁且锚定力满足工作要求。

整体式卡瓦断裂压力的试验研究

为了解决整体式卡瓦设计断裂压力过大或过小的问题,进行了整体式卡瓦断裂的试验研究,获得了不同开槽长度下整体式卡瓦的断裂压力,并与理论计算的设计断裂压力进行对比分析,结果表明,在不同开槽长度下,整体式卡瓦设计断裂压力均大于试验断裂压力。基于整体式卡瓦的试验断裂压力,建立了断裂压力与开槽长度之间的拟合关系式T=0.045l^2-7.38l+291.88,为整体式卡瓦断裂压力的设计提供了参考依据。

封隔器卡瓦咬合过程受力模拟研究

文章采用云纹法物理模拟技术和有限元法数值模拟技术相结合的方法 ,对封隔器卡瓦与套管之间的咬合受力情况进行了研究 ,得到了卡瓦内部应力、应变分布规律 ,发现了卡瓦各齿受力不均匀情况和对卡瓦失效产生的重要影响。上述研究结果为改善卡瓦结构。

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。

封隔器仿生鳞片齿卡瓦微牙痕及稳定性研究

传统封隔器卡瓦在长期锚定套管内壁时,卡瓦牙与套管接触面会形成咬痕,过大的咬入深度可能会导致套管内壁遭到破坏,甚至失效。通过建立常规齿和仿生鳞片齿卡瓦牙与弹性套管半空间体接触模型,推导出在弹性区域和塑性区域内卡瓦牙与套管相互作用力和压入深度的关系。并且对比常规齿卡瓦牙型结构参数,构建了仿生鳞片齿卡瓦牙型结构参数,建立了锥体-卡瓦-套管三维接触有限元模型,采用有限元数值模拟和正交优化相结合的方法得出仿生鳞片齿卡瓦最佳牙型结构参数为:卡瓦牙倾角β′=90°、卡瓦锥角γ′=15°、卡瓦牙顶角α′=72°、鳞片齿长半轴R=5 mm、鳞片齿短半轴r=3 mm。研究结果表明:优化后的仿生鳞片齿卡瓦比优化后的常规齿卡瓦在套管内表面产生的应力减小了7.8%,牙痕深度减小了18.6%,证明了仿生鳞片齿卡瓦的微牙痕效果。由数值模拟得出不同摩擦因数下常规齿卡瓦和仿生鳞片齿卡瓦与套管接触压力的合力随时间变化曲线,摩擦应力的合力随时间变化曲线和接触面积随时间变化曲线,从曲线可以看出仿生鳞片齿卡瓦的稳定性比常规齿卡瓦更优。研究结果可为封隔器的研究与应用提供参考。

ZYT441—114桶式卡瓦封隔器的研制

常规卡瓦封隔器由于采用粗牙分瓣式卡瓦结构 ,对套管的伤害较大。为此 ,研制了ZYT441— 1 1 4桶式卡瓦封隔器 ,其特点是采用独特的细牙、整体双向卡瓦锚定结构 ,使卡瓦沿套管内壁周向全接触 ,增加了卡瓦与套管内壁的接触面积 ,减小了卡瓦牙对套管内壁的嵌入深度 ,改善了套管的周向应力分布状态 ,大大降低了卡瓦对套管的伤害。室内及现场试验表明 ,该封隔器对套管的伤害较小 ,同时具有坐、解封灵活可靠 ,耐高温、高压等优点。

封隔器仿生六棱柱齿状卡瓦微牙痕及稳定性

为解决常规封隔器卡瓦在长期锚定套管壁时,卡瓦牙与套管接触面形成咬痕,过大的嵌入深度可能会导致套管损坏、失效,使套管壁遭到破坏。通过对比常规齿状卡瓦牙型结构参数,构建仿生六棱柱齿状卡瓦牙型结构参数,建立锥体-卡瓦-套管三维接触有限元模型,采用有限元数值模拟和正交优化相结合的方法得出仿生六棱柱齿状卡瓦最佳牙型结构参数为:卡瓦牙倾角α′=18°、正六边形外接圆直径d=6 mm、相邻六棱柱卡瓦牙间距s=0.5 mm、卡瓦牙上底高c=0.5 mm和卡瓦锥角γ′=15°。结果表明:优化后的仿生六棱柱齿状卡瓦比优化后的常规齿状卡瓦在套管内表面产生的应力减小了14.61%~15.25%,牙痕深度了减小44.12%~47.10%,可见仿生六棱柱齿状卡瓦的微牙痕效果。同时,由数值模拟得出不同摩擦系数下常规齿状卡瓦和仿生六棱柱齿状卡瓦与套管接触压力的合力随时间变化曲线,摩擦应力的合力随时间变化曲线和接触面积随时间变化曲线,从曲线可以得出仿生六棱柱齿状卡瓦的稳定性要优于常规齿状卡瓦。

基于试验和数值仿真的封隔器卡瓦结构优化

永久式封隔器是页岩气开采过程中分段压裂的必备工具,其卡瓦结构直接影响封隔器的坐封性能。针对Y440型封隔器进行坐封、验封试验,工具在验封过程中存在下移情况,井下冲击与振动可能使工具下移加剧甚至滑脱、漏封。基于非线性显式动态分析方法,建立有限元模型,综合评估不同卡瓦牙型参数下卡瓦、套管的应力值、等效塑性应变、卡瓦滑移量。分析得出牙倾角20°、牙顶角75°、牙齿宽度8 mm、内锥角15°为相对最优的卡瓦结构。该文的研究工作为封隔器卡瓦的优化设计提供了科学依据。

FH型静液压封隔器解封力及其计算方法

分析了影响FH型静液压封隔器解封力的因素，认为该型封隔器的解封力与其工作时的承压、坐封启动压差、泵抽汲及温度等因素有关。介绍了其解封力的具体计算方法，为该型封隔器的解封剪环规格的选择提供了理论依据。在满足使用的条件下，应尽量选用小规格的剪环，以减小封隔器的解封力。在计算其它封隔器的解封力时，本文介绍的计算方法可作为参考。

封隔器内卡瓦有限元分析及结构优选

内卡瓦作为封隔器的重要锚定锁紧工具,其性能直接影响封隔器的工作性能。为研究结构类型对内卡瓦力学性能的影响,以152.4mm套管为例,设计了双面齿C型、双面齿型、C型及分瓣式4种内卡瓦锁紧结构,运用ANSYS有限元分析法建立了4种内卡瓦有限元模型,并进行相关分析计算,从力学性能角度进行了对比及结构优选。结果表明分瓣式内卡瓦的力学性能最优,为后续内卡瓦设计提供了理论参考。

RTTS封隔器卡瓦力学性能分析

为了解RTTS封隔器卡瓦在井下的力学行为,优化其结构参数和提高其承载能力,利用弹性力学楔形体应力分析方法分析了RTTS封隔器卡瓦的应力分布及强度,确定了卡瓦牙根部的应力集中系数与集中应力,同时根据井下卡瓦的平衡条件,导出了RTTS封隔器卡瓦在井下承受的真实轴向载荷的计算公式。算例分析结果表明:(1)卡瓦下端面牙齿受力较大,该点为应力危险点,而卡瓦端面最薄处牙齿受力则较小;(2)相同轴向载荷作用下,封隔器卡瓦在不同套管尺寸下的应力分布不同;(3)增大卡瓦片数、牙面长度、牙面宽度及卡瓦楔角等结构参数可以有效降低卡瓦的相当应力。因此,校核RTTS封隔器卡瓦的强度应以其牙根部应力危险点为依据。

JDY441可取式卡瓦封隔器的研制与应用

为了解决可取式卡瓦封隔器存在的锚定和解卡不可靠问题,通过改进、优化封隔器锚定机构和解卡机构,研制了JDY441可取式卡瓦封隔器。该封隔器由防撞部分、坐封部分、锁紧部分、密封部分、锚定部分及解封部分组成,采用多级液压缸坐封、双向卡瓦锚定,封隔器密封、锚定安全可靠。室内试验和现场应用结果表明,封隔器的工作压力达到35 MPa,工作温度为135℃,解封力为96 kN。