基于骨架支撑的大扩张比封隔器设计研究

针对现场需求开展了大扩张比封隔器研究,由于封隔器扩张比达到50%,常规结构难以实现。鉴于此,优化设计了能够支撑大扩张比封隔器胶筒大变形的金属骨架,并分别研制了直线割缝、螺旋割缝和叠片钢带等多种金属骨架结构,通过有限元计算、变形测试和支撑胶筒胀封试验的方法,对金属骨架进行了结构优化和性能分析。试验数据表明叠片钢带骨架结构发生变形后不产生缝隙,对胶筒大变形能够提供有效支撑和保护,同时具有很好的回复性能,因此采用叠片钢带骨架结构支撑封隔器胶筒。试验中,该封隔器(外径120 mm)在内径165~182 mm的井筒内能够坐封并且封隔压力达到20 MPa,最大扩张比达到50%,各项指标满足现场技术要求。研究结果和研究方法可为大扩张比封隔器的进一步优化设计提供参考。     

高温高压测试封隔器胶筒的研制

针对中国西北和西南地区超深、超高温、高压油气井测试封隔器胶筒性能指标不达标问题,研制了与?193.7 mm测试封隔器相配套的高温高压测试封隔器胶筒。采用三胶筒结构设计,中间胶筒起密封作用,2个端胶筒硫化钢网和拉伸弹簧增强承压能力和回缩能力;优选了FKM(氟化橡胶)材料,提高了胶筒耐温性能;通过有限元分析,验证了胶筒结构设计和硬度可以满足设计需求。依据API 11D1标准对封隔器高温高压密封性能进行了室内测试,承压试验结果表明,封隔器胶筒达到了204℃、105 MPa、V0级。将胶筒与现有测试封隔器装配,进行了样机试验,结果表明,工具在150℃升温到204℃情况下封隔器胶筒下部和上部均承压差105 MPa,胶筒尺寸参数变化率在5%以内,现场应用进一步验证了该胶筒的可靠性。该测试封隔器的研制成功可助力于超深、超高温、高压油气田的高效开发。     

二次压缩Y445型封隔器的研制

井下封隔器是CO2驱油田注气管柱的关键工具,目前使用的封隔器普遍存在密封气体能力不足的问题。为此,研制了二次压缩Y445型封隔器。该封隔器在结构设计上巧妙引入了二次加载持续压缩胶筒的设计理念,增加了利用管柱加载持续压缩胶筒功能,使胶筒永久保持与套管的接触应力。设计了卡瓦张紧机构,胶筒松驰所产生的微小坐封距被卡瓦张紧机构所吸收,从而提高了封隔器的气密性能。设计了新型双丢手机构,可适应多种工况对丢手作业的要求。该封隔器经过长期反复试验,其坐封、丢手、解封性能可靠,尤其是封隔器的密封性能有了质的提高,能够长期、反复、双向承压30 MPa,达到了设计目的。     

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。     

一种消耗型压裂封隔器研制

油田压裂封隔器通常是通过胶筒的径向变形实现封隔动作,但现有胶筒耐高温与腐蚀性能较差,压裂操作时,容易变形,导致封隔器失效。研制了一种消耗型压裂封隔器,主要由中心管、限位环、扶正块、卡瓦座、卡瓦、锥体、耐压胶筒燃烧组件等组成。该封隔器卡瓦坐封安全可靠;通过燃烧组件燃烧封隔器实现解卡,且能加热储层,降低稠油黏度,提高稠油采收率。该封隔器可满足压裂施工的要求。     

新型高温高压封隔器组合式胶筒结构设计及试验

针对完井封隔器的胶筒存在耐温、耐压和循环测试可靠性等不足的技术难题,研制了符合API 11D1-V3级别的耐温170 ℃、耐压41 MPa的组合式胶筒。设计了三胶筒组合的胶筒结构,优先选了胶筒材料,并对关键尺寸进行计算和优化。建立有限元模型,分析了胶筒的接触应力和密封性能。按照API 11D1-V3级别进行室内测试,并进行模拟井试验和现场试验。该组合式胶筒满足高温、高压密封要求。     

稠油井注气掺稀一体化管柱的研制与应用

针对注气开采中常规封隔器无法正常解封、容易形成井下落鱼等问题，研制了一种稠油井注气掺稀一体化管柱。介绍了该管柱及主要配套工具的结构和工作原理，进行了室内性能测试试验及现场应用试验。试验结果表明：该管柱中配套的注气封隔器不使用水力锚和卡瓦结构，封隔器易解封，解决了由于沉淀物杂物堆积和长期注气掺稀水力锚卡瓦可能无法收回等造成的无法解封问题；该管柱中的封隔器胶筒密封性能较好，可满足高压注气，掺稀旁通保证了稠油井正常掺稀生产，E型旁通阀结构避免下井时中途胶筒提前坐封；该管柱配套的注气封隔器可替代常规液压封隔器，应用于注气、掺稀生产的稠油井中。所得结论可为油田开采提高生产时效及降低采油成本提供技术支撑。     

可循环压井带封注采管柱的配套优化

针对塔河油田单井注气管柱腐蚀易导致封隔器解封困难,注气单流阀容易密封不严、开启压力低,封隔器无法起到保护套管作用,且气窜后不能循环压井的问题,研制了一种可循环压井带封注采管柱。该管柱包括环空压控式多次开关循环阀、防腐封隔器等关键工具;环空压控式多次开关循环阀可实现多次开关,用于气体回窜时循环压井;防腐封隔器胶筒采用金属网端胶筒、聚四氟背圈和中间AFLAS胶筒组合而成,具有良好的支撑性能、耐腐蚀性能和密封性能;优化分级解封机构及卡瓦防砂设计,降低上提解封力;分体式双向卡瓦锚定结构,达到防止完井管柱位移目的。该工艺在塔河油田应用16井次,工具性能稳定,满足注气开发需求,解决了封隔器解封困难的问题,降低了井控风险,具有很高的推广价值。     

MHR封隔器分段压裂工艺技术在大港油田的应用

MHR封隔器为液压坐封永久式封隔器,双向卡瓦、三胶筒设计,结构合理简单。配套的锚定密封总成为插入对接,正旋脱扣,保证多次使用。密封件的选用考虑了地下条件和流体的组分,具有耐高温抗H2S、CO2,的腐蚀的特点。封隔器解封时,锚定密封右旋脱手,回收油管后,下封隔器磨铣工具套铣封隔器。卡瓦制造的淬火工艺使得封隔器容易被磨铣掉,封隔器下部配有磨铣延伸筒,保证封隔器在磨铣后可以被磨铣工具回收。针对深井及含有腐蚀性气体等实际情况设计了两套基于MHR封隔器的分段压裂管柱,通过现场施工检验,具有耐高温高压,抗腐蚀,可靠性高等一系列特点,取得了良好的效果。     

无骨架内衬扩张式封隔器的研制与现场试验

为解决常规钢丝帘线或重叠钢片式扩张封隔器胀封承压后残余变形大、易卡管柱的问题,通过设计无骨架内衬扩张式胶筒,研制了无骨架内衬扩张式封隔器。该封隔器采用两端嵌套弹簧的方式来提高胶筒多次坐封的可靠性,在工作压差2.5~5.0 MPa下,胶筒可以充分胀封并可靠密封。室内试验表明,无骨架内衬扩张式封隔器在150℃下可以反复坐封/解封50次,双向承压85 MPa,解封后胶筒残余变形率小于1.5%。该封隔器在延长油田2口老井重复复压裂施工中进行了试验,其坐封显示明显,且在井内工作50 h多后,顺利解封,封隔器胶筒完好,外径仅由108 mm扩大至109 mm。研究结果表明,无骨架内衬扩张式封隔器封隔能力强,能重复坐封、解封,比常规扩张封隔器胶筒残余变形小,更易于解封起出管柱。      

用于高温高压井的胀封工具

为了提高胀封工具在高温下的承压能力,满足完井新工艺的实际需要,通过优选胀封工具的胶料制作出了耐高温高压的胀封皮碗;通过对胀封皮碗骨架结构的设计改进,提高了胀封皮碗的硫化效果,同时增强了胀封工具的承压能力;通过对胀封皮碗支承环的设计改进,进一步提高了胀封皮碗的整体承压能力及密封性能,最终研制成功了适用于高温高压井的新型胀封工具。室内试验和4口井的现场应用证明,该胀封工具能够在施工压力40MPa、温度为170℃的环境下正常工作。     

锁环回退距对封隔器胶筒密封性能影响研究

封隔器作为完井必不可少工具,其密封可靠性直接关系着作业的成败。对于封隔器的密封性能研究,大部分集中在胶筒结构和防突优化研究上,基本忽略了锁紧机构回退对密封性能的影响。以177.8 mm(7英寸)隔离封隔器锁环机构为研究对象,完成了锁环回退距的机理研究; 设计了微位移测量系统,用于检测锁环回退距与坐封力之间的关系。将试验数据与ANSYS软件相结合,分析锁环回退距对胶筒与套管间接触压力的影响。研究结果表明,当回退距达6 mm时,接触压力下降5.3 MPa,降幅达到48%; 回退距与接触压力间呈现线性关系,锁环回退距的增加对密封性能影响较明显。该结论对提升封隔器胶筒密封可靠性具有重要意义,也为锁环设计及优化提供理论支持,从而降低对胶筒组形状结构和材料性能的要求。     

增材制造技术在超高膨胀封隔器中的应用

石油和天然气行业不断关注增材制造技术在航空航天和汽车行业的应用发展。研发了利用增材制造技术的超高膨胀封隔器,该封隔器的支承环系统由增材制造。增材制造设计大幅减少了支承系统的构件数量,同时显著提高了膨胀能力和额定压力。密封元件系统与增材制造支承环安装在一起,提供了极端膨胀比、零挤压间隙和对不规则孔的良好适应性。分析和测试结果表明:直径膨胀比高达111%,与常规封隔器相比,提高50%以上; 至少涵盖5种线重的套管(外径相同); 在148.89 ℃的温度下,密封元件能够保持压力68.95 MPa。介绍了增材制造技术、增材制造支承环概念、增材制造材料力学性能、密封元件系统优化和测试情况,以期给我国的完井作业提供借鉴。     

MHR封隔器分段压裂技术及在大港油田的应用

MHR封隔器为液压坐封永久式封隔器,为双向卡瓦、三胶筒设计,结构合理简单,具有液压坐封功能,一次管柱下入即可完成整个管柱安装;经过在大港油田现场多次的成功使用,坐封过程安全可靠。通过现场应用情况总结,提出了该封隔器存在的问题及改进的措施。     

冲砂同心管用Z331型自封封隔器研制

在同心管冲砂方式转化作业过程中,自封型封隔器是实现井底冲砂液流转向所必需的井下工具。为解决常规皮碗状自封封隔器使用寿命短、易砂阻、易砂卡的技术难题,研制了同心管用Z331型囊状自封封隔器。通过封隔器的结构设计、工作原理及囊状橡胶密封圈的有限元数值模拟,研究了Z331型囊状封隔器的工作特性、密封有效性及冲砂作业适用性能。耐磨蚀囊状橡胶密封胶筒可有效预防封隔器密封胶筒落砂,有效控制砂阻、砂卡管柱,同时提高了橡胶密封面因冲砂作业反复活动起下管柱而所需的耐磨蚀性能。为冲砂同心管型自封封隔器的设计提供了一种新的方法。     

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θ₁,收缩角α₁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 m³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。     

高温高压深井用液压封隔器研制及试验

塔河油田在钻探井和评价井时,机械封隔器和国产常规液压封隔器难以满足高温、高压井的生产和录取地层资料的要求.国外生产的高性能封隔器的订货周期长,价格昂贵.因此有必要研制一种高温、高压、深井用液压封隔器.通过理论计算和现场应用分析,发现影响封隔器的耐温、耐压性能的关键点是胶筒和活塞外筒.在常规套管液压封隔器（MCHR封隔器）的基础上,加厚外芯轴和活塞外筒并引进高性能胶筒后,设计的新型封隔器可耐温204℃、耐压差69 MPa.室内性能评价试验合格后,现场应用8口井,成功率100％,可在酸压作业和常规完井中推广应用.     

封隔器坐封过程有限元模拟分析

根据封隔器的结构特点及其工作原理,用VB开发了压缩式封隔器、扩张式封隔器和套管外封隔器在坐封过程中,各部件之间接触问题的有限元计算力学模型。在进行封隔器的有限元分析之前,只需要输入封隔器结构参数、橡胶材料力学特性参数、坐封过程中的力学参数以及有限元网格控制参数,该软件将自动调用有限元解算器内核,并将接触压力分布结果、Von Mises应力结果自动存入Word文件报告中。详细地分析了3种封隔器接触压力分布的大小,同时通过Von Mises应力分布大小,讨论了封隔器胶筒的失效部位,为封隔器的结构优化设计和封隔器结构的改进提供了理论依据。     

卡瓦式封隔器支撑卡瓦有限元分析

分析了卡瓦式封隔器的工作原理，探讨了支撑卡瓦的结构，讨论了进行分层压裂时封隔器所受的各种载荷。用国际通用的有限元分析软件ANSYS对卡瓦式封隔器磨鞋式支撑卡瓦进行了有限元分析，得出了压裂时支撑卡瓦安全工作的最大压力，最后给出了结论。     

CYY443─—146导斜封隔器及管柱的研制与应用

一般的导斜器靠水泥固定，尾管支撑，施工麻烦，作业时间长，且不能在套管任意位置固定和开窗侧钻。据此，四川石油管理局井下作业处研制了一种新型ＣＹＹ４４３—１４６导斜封隔器和与之配套的坐封及丢手工艺管柱。着重叙述了该型封隔器及管柱的设计要点、工作原理和主要技术参数，简述了导斜封隔器整体性能和弹爪丢手装置承受拉力及丢手的室内和现场试验情况。川西南矿区４口井的井下试验表明，导斜封隔器及管柱结构简单，承压能力高，坐封可靠，组装和施工方便，能在套管任意位置坐封和开窗侧钻，现场施工成功率达１００％。