海上完井滑套开关工具弹性爪机构性能研究

弹性爪机构是海上完井滑套开关工具中最重要的部件,其力学性能稳定性对于作业成败至关重要。基于受力分析和有限元模拟,建立开关工具弹性爪力学理论模型和三维有限元分析模型,研究弹性爪结构应力分布与作业性能。基于受力理论分析可知,弹性爪机构最大轴向拉力为4 116 N,最大应力为675 MPa;基于有限元模拟计算,弹性爪机构最大轴向拉力为3 924 N,最大应力747 MPa,弹性爪结构强度满足要求。功能试验结果表明,理论计算方法存在一定的误差,有限元模拟结果相对比较精确和可靠,功能试验发现若弹性爪最大应力接近屈服极限,作业过程中结构本身会发生一定的微屈服变形,试验结果偏小,设计弹性爪结构时应特别注意。     

新型单层砾石充填防砂工具及配套技术应用

由于老式单层砾石充填防砂工具的结构缺陷,在完井防砂作业中无充填滑套密封性能测试、压裂充填等功能。为了解决上述问题,新式单层砾石充填防砂工具增加了滑套关闭工具、机械下压定位器两个工具模块,实现了单层砾石充填防砂工艺的技术改进。本文阐述了新型单层砾石充填防砂工具的主要结构及其配套工艺,并以渤海渤中29-4C油田某井为例,详细介绍了现场作业流程和充填效果评价。     

基于Taguchi方法的计数式全通径压裂滑套优化设计

针对全通径压裂滑套中内滑套的动作压力不能满足现场施工要求的问题,对内滑套的结构参数进行了优化,以期在保证内滑套结构强度的同时提高内滑套的动作压力。利用Plackett-Burman设计法筛选了影响内滑套动作压力的显著影响因子,采用Taguchi方法优化了显著影响因子,通过方差分析确定了最优参数组合。采用数值模拟及室内模拟试验方法评价了内滑套优化前后的性能,得到了最优参数组合:筋宽角18.0°,筋长170.0 mm,筋厚5.5 mm,筋锥角89.5°,爪倾角115.0°,爪锥角65.0°。数值模拟得出,内滑套动作压力由4.8 MPa增大到了7.5 MPa,内滑套在运动过程中所受的最大应力由992.0 MPa增大到了1 101.0 MPa,但仍小于材料的许用应力;室内试验得出,内滑套动作压力由5.1 MPa提高到了7.9 MPa,满足现场施工要求。研究结果表明,应用Taguchi方法优化的计数式全通径压裂滑套结构参数合理。      

裸眼充填完井用反循环单流阀研制与应用

海上水平井裸眼充填防砂作业中,通常利用反循环单流阀的开关实现流道转换,完成封隔器验封和循环充填等作业。针对渤海油田开发过程中小井眼充填防砂要求,研制了一种新型反循环单流阀,结合工具结构原理和管柱施工工艺,给出了工具设计准则。采用有限元分析方法研究了槽长、槽宽和槽个数对工具负荷卡爪和弹性卡爪开关力的影响,并优选出工具结构参数方案。通过室内整机试验对优选方案进行开关力和开关性能测试,室内测试表明,在推拉速度0.1～0.2 m/s、开关次数15次的情况下,实现负荷卡爪过密封筒的力为30～35 kN;弹性卡爪的开关力为18～21 kN;负荷卡爪过密封筒的摩擦力为3～5 kN,工具开关测试成功率达到100%。现场应用结果显示：新型反循环单流阀成功完成3次开关动作,开关负荷显示明显,开关力及开关性能与室内试验结果吻合,技术指标满足海上油田的需求,具有一定的推广价值。     

可溶压裂滑套材料性能优化及试验研究

针对可溶解多级压裂滑套所采用的可溶材料强度较低,压裂过程中不能满足高承压的问题,开展了可溶材料性能提高研究。通过在原有配方基础上添加碳纳米片和碳化硅等纳米材料,可以改善合金微观组织结构,增强其力学性能,并采用粉末冶金工艺制备了高强复合可溶材料,复合材料屈服强度达到469 MPa,较常规材料提高50%。有限元数值计算和地面承压、溶解等试验数据表明,高强复合材料在强度、硬度、耐冲蚀等方面达到现场应用要求,采用该材料研制的可溶解滑套成功完成现场试验,滑套完成压裂作业的同时实现了压裂后内部球座机构的溶解、形成全通径。研究结果为可溶材料在完井工具的扩展应用提供了技术支撑。     

水平井控水砾石充填防砂技术研究

为满足控水与防砂的双重需求,解决控水筛管充填难度大及后续地层处理难的问题,通过设计旁通滑套AICD筛管并完善其配套技术,研究了一种水平井控水砾石充填防砂技术.旁通滑套AICD筛管通过增加旁通滑套提供额外液流通道,降低充填压力,通过开关滑套满足地层处理及提液等需求.为验证其可行性,自主搭建了可视化水平井充填模拟试验平台,...     

注蒸汽井套管的热应力数值分析

利用ANSYS有限元软件的耦合场分析功能,通过模拟现场热采工况,开展了稠油注蒸汽井井筒的温度场、应力场数值模拟研究。结果表明,采用隔热性能较好的隔热油管不仅能够大大减少井筒的热损失,增加注汽效果,而且可以使套管壁温度和套管Mises应力大幅降低,从而有效地保护套管,使其不发生强度破坏;注汽过程中施加预应力,可使套管达到屈服时的注汽温度升高,这对套管具有一定的保护作用。模拟研究结果为制定合理的注蒸汽井套管损坏预防措施提供了依据。     

计数式全通径压裂滑套优化设计

为了提高内滑套步进压力,同时使得内滑套结构强度较高,提出一种优化计数式全通径压裂滑套的方法。采用最陡爬坡实验设计确定最佳响应区域;利用响应曲面法分别建立显著因子与步进压力及运动过程中内滑套所受最大应力之间的二阶响应模型并分析了各因子对各响应的影响;根据线性加权法确定目标函数,采用粒子群优化（PSO）算法寻优,得到内滑套最优结构参数;基于显式动力学方法模拟压裂球推动内滑套运动过程。结果表明,优化后,运动过程中内滑套所受的最大应力增大了9.2%,内滑套步进压力提高了40%。室内模拟实验表明,优化后,内滑套步进压力提高了44%,与数值模拟结果近似,最陡爬坡实验设计、响应曲面法以及PSO算法相结合用于内滑套结构参数的优化是有效的。     

机械或液压触发无限级分段压裂滑套研制

研制了一种机械或液压触发无限级分段压裂滑套。改进现有压裂滑套的结构,设计弹性套、可变径球座,使用同一尺寸的低密度压裂球能够全通径开启若干级滑套,降低压裂后管柱的摩阻,实现储层的精细化改造,并且提供后期修井作业的无障碍通道。对弹性套、可变径球座、弹簧等零件进行理论力学分析和有限元仿真分析,均能满足要求。在室内试验,通过机械驱动过球试验,验证了滑套动作的完整性; 通过混砂压裂液开启滑套试验,得到滑套开启的最小排量为80 m³/h,该值与理论计算值相符。研制的分段压裂滑套及其配套工艺管柱可进行无限级分段压裂作业,为海上低渗和陆上非常规油气藏的精细化压裂增产改造提供技术支持。     

煤气发生炉水夹套强度计算

根据热量衡算的结果对水夹套结构整体温度场的分布进行了模拟,并通过有限元计算模型进行了结构的应力分析和强度计算.分析总结了夹套结构安全的影响因素,指出温度载荷可影响设备的正常运行.水夹套应力分布规律可为结构的优化设计提供一定的理论依据.     

钢结构模块吊装平衡梁负荷试验及有限元分析

某气化装置钢结构模块吊装平衡梁在实际吊装过程中承受巨大载荷，进行负荷试验可以保障其安全稳定运行。根据载荷内力计算获得平衡梁结构中最大轴向拉力的位置。基于杠杆原理，对平衡梁最大负荷处进行应变测试试验和有限元模拟。试验测点的最大微应变与有限元模拟结果基本一致，最大应力均小于平衡梁结构材料的屈服强度，材料处于弹性变形区状态。负荷试验后焊缝外观完好，试验结果满足钢结构模块吊装的安全及使用要求。为大型化工装置钢结构模块吊装的安全校验提供了一种方法。     

水平井分段压裂投球滑套承压接触分析

鉴于国内还没有成熟的裸眼完井配套工具,研制了适合苏里格气田的水平井分段压裂投球滑套,并针对投球滑套在压裂施工中到位不明显的问题,利用有限元分析软件ANSYS建立了投球滑套的接触模型,分析了不同压力对低密度球和球座变形与应力分布的影响。分析结果表明,施工压力由10 MPa增至20 MPa时,接触压力近似线性变化,当压力从20 MPa增加到50 MPa时,球和球座之间开始产生塑性变形,接触面积增加,从而使接触压力增加变慢。当压力为50 MPa时,球座最大应力值达到358 MPa,超过了低密度球和球座的屈服强度而发生了塑性变形,但是没有达到材料的屈服极限,满足压裂施工的要求。     

基于正交试验的短管蜂窝夹套结构应力强度影响因素分析

针对三角形排列方式短管蜂窝夹套结构,利用有限元软件ANSYS中参数化建模功能,基于正交试验方法,应用极差分析法、方差分析法及响应面分析方法等数据处理和分析方法,就单个和多个短管结构参数(厚度t、轴向间距s、长度l、直径d)对蜂窝夹套应力强度的影响进行研究。研究结果表明,单个短管结构参数因素对蜂窝夹套应力强度影响的显著性排序为dtsl。研究得到了一次局部薄膜应力、一次应力+二次应力的多元线性回归方程。研究的结论和结果可为工程设计提供参考。     

水下井口系统拉伸与弯曲测试工装设计与分析

水下井口系统在深水油气开采作业期间承受复杂载荷的作用，极易发生强度破坏和结构失效。目前主要通过数值模拟的手段对水下井口系统进行分析，无法准确评估水下井口在工程应用时的安全性，研制水下井口系统的专用测试设备并分析其试验过程中的结构稳定性具有重要意义。根据水下井口系统实际装配结构，自主设计了水下井口承受悬挂、拉伸、弯曲载荷下的专用测试工装。为论证测试工装结构在测试试验过程中是否会发生强度破坏，基于ANSYS Worbench建立了3种测试工装的有限元模型，分析得到不同工况下测试工装应力响应云图。计算结果表明：悬挂载荷测试时，测试工装最大应力为597.50 MPa;弯曲载荷测试时，测试工装最大应力为349.34 MPa;拉伸载荷测试时，测试工装最大应力为179.14 MPa。各部件应力均未超出材料屈服强度，能够保证测试试验的稳定运行。研究结果可为水下井口系统测试工装的研究设计提供参考。     

基于ANSYS的不同排列方式短管蜂窝夹套有限元分析

以短管蜂窝夹套为研究对象,采用ANSYS有限元方法,模拟分析了短管排列方式改变对夹套静应力的影响及热应力-机械场对夹套结构强度的影响,进行了夹套疲劳寿命的校核。研究结果表明,在模拟试验条件下,三角形排列方式短管蜂窝夹套结构的总体应力为212.382 MPa,最大当量应力值为266.512 MPa,内筒体内陷量为0.854 mm,外壳外凸量为0.579 mm;正方形排列方式短管蜂窝夹套结构的总体应力为170.215 MPa,最大当量应力值为199.982 MPa,内筒体内陷量为1.573 mm,外壳外凸量为1.183 mm。2种短管排列方式的蜂窝夹套结构均满足强度要求和疲劳寿命要求。     

可开关压裂滑套关键技术研究与应用

针对常规投球多级滑套存在的后续储层改造困难的难题,研制了一种新型分段压裂工具——可开关压裂滑套。相比常规压裂滑套,可开关压裂滑套可在井下进行多次开关。在压裂后期,根据储层改造需要,下入开关工具并对可开关压裂滑套进行开关作业,满足后期储层二次改造作业需求。研制了用于水平井裸眼分段压裂作业的可开关压裂滑套及配套开关工具。开展了工具耐冲蚀技术、反复过孔高压密封技术、滑套锁紧限位技术、开关工具定压节流启动技术、开关显示技术等关键技术研究。通过模拟试验,证明可开关压裂滑套的性能达到设计要求。现场应用20多井次,取得了良好的效果。     

井下电控滑套研制与试验

机械滑套作为分层开采的主要配产工具在渤海油田被广泛使用,但开启或者关闭机械滑套需要下入专门的滑套移位工具进行作业,且机械滑套的开度无法调节,只能是全开或全关。研制了一种电控滑套,介绍了电控滑套的结构、工作原理。试验结果表明,电控滑套工作压力可达40 MPa; 通过上位机发送指令可对电控滑套的开度大小进行无级调节; 用单根钢管电缆将6套电控滑套串联,各个电控滑套仍可按照指令进行动作; 现场试验验证了电控滑套的可靠性。电控滑套开度越大,其控制的流量就越大; 开度越小,控制的流量就越小。电控滑套的调控功能满足使用要求。     

脱接器弹簧爪大变形分析

脱接器是油田机采井重要的井下工具。以前对脱接器的研究大多集中在弹簧爪功能方面,而对弹簧爪的连接方面,即装配过程的研究较少。弹簧爪的装配过程是一个动态大变形过程,其应力分布和各部位变形随时间而变化,难以获得解析解。使用CAD/CAE/CAM一体化软件UG对弹簧爪的装配过程进行模拟,得到装配过程中每一时刻的应力分布和变形情况,对优化设计弹簧爪的结构具有指导意义。     

水下井口及配套工具压力测试工装设计与分析

水下井口是深水油气钻井作业的关键装备,承受复杂多变的内压和外部载荷。目前,主要通过理论分析和数值模拟的方法,对水下井口进行强度分析。但缺乏水下井口压力测试的专用测试工装,无法真实反映水下井口系统及其配套工具承压作业时的安全性。针对此问题,本文考虑水下井口系统作业过程中的不同作业工况,针对水下井口不同作业阶段的内压载荷,分别设计了相应的专用测试工装。为保证工装结构的测试稳定性,采用有限元分析方法,建立测试工装有限元模型,开展了不同测试载荷下工装结构的力学响应分析。分析结果表明,水下井口专用测试工装能够开展不同作业阶段的承压能力测试,在测试过程中,工装结构各部件应力均未超出材料屈服强度。本研究可为水下井口测试工装的结构设计和优化分析提供技术支持。     

压差滑套优化设计与分析

裸眼水平井分段压裂是开发低孔、低渗、致密气藏的有效技术,但第1级压裂压差滑套的打开成功率较低,降低了采收率。鉴于此,在分析国内压差滑套打开率低的原因基础上,利用CAD和Solidworks机械制图软件对压差滑套的结构进行改进设计,并利用ABAQUS有限元软件对其结构及其密封性进行了分析,最后对其进行了室内试验,试验结果验证了设计的合理性。改进的压差滑套提高了开启成功率,从而可更加高效地进行油气田改造。