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。      

遇水自膨胀封隔器专用橡胶的合成与性能分析

胶筒是自膨胀封隔器的关键部件,作为胶筒原料的吸水膨胀橡胶其性能对自膨胀封隔器的封隔效果起决定作用,但国内目前缺乏对胶筒专用吸水膨胀橡胶及其合成材料的深入研究。为提高遇水膨胀橡胶的抗盐能力,用丙烯酸钠与丙烯酰胺共聚制备了遇水膨胀橡胶中起吸水作用的吸水树脂,试验分析了吸水树脂吸水性能的影响因素,发现参与反应的各单体的配比、单体总的质量浓度都可影响吸水树脂的吸水能力。将丁腈橡胶、自制吸水树脂及其他原料共混制得了遇水膨胀橡胶,测试了溶液矿物质种类、浓度和pH值,以及温度、吸水时间对橡胶膨胀能力的影响,并进行了遇水膨胀橡胶的抗拉伸试验,试验证明以上各因素对橡胶的膨胀能力都有影响,且制备的遇水自膨胀橡胶抗拉性能良好。对应用自制遇水膨胀橡胶的自膨胀封隔器进行了室内承压能力测试,试验结果表明,自膨胀封隔器承压能力达到14 MPa,可满足浅井现场施工要求。      

HPR高温高压压裂封隔器的研制与应用

在高温高压井施工作业过程中,压裂封隔器易出现中途失封、压后无法解封、回收困难、管柱无法起出等问题;进口的压裂封隔器,施工成本高,进货周期长,在一定程度上制约深井和超深井的勘探开发。为满足塔里木、准噶尔、吐哈盆地、柴达木盆地等地区深井、超深井高温、高压作业的需求,研制了集锚定机构、密封机构于一体,采用特种高分子材料作为胶筒防突保护的耐温200℃、承压差105 MPa的HPR高温高压压裂封隔器。室内座封启动和解封实验结果表明,封隔器各项性能参数满足现场试验要求;经ET1井现场试验,封隔器密封良好,锚定可靠,放喷、试气后,解封顺利,满足现场施工要求。该封隔器为高温高压井压裂施工提供了有力的技术支持。     

Y341-114XF型注水封隔器的研制及应用

针对吐哈油田分层注水工艺管柱大多采用的Y341-115注水封隔器密封性差、工作寿命短、解封困难等现象，研制了Y341—114XF注水封隔器。该封隔器依靠管柱自重下放解封，解封更加可靠；胶筒肩部的保护装置既可保护胶筒又可提高其承压能力；反洗机构采用软密封，密封更加可靠；较大的内通径方便了投捞测试作业。64井次和176套封隔器的现场应用表明，该封隔器坐封、密封、解封可靠，耐压高，有效期长，施工成功率达100％，可适应深井高压分注的要求。     

耐高温高压封隔器胶筒性能研究

封隔器的关键元件是具有密封能力的胶筒,胶筒的高温力学性能是影响其密封能力的主要因素。预选了2种四丙氟橡胶A与B,采用变量控制实验法设计了8种组分,按照API 11D1要求,对150 ℃×96 h、200 ℃×96 h,230 ℃×96 h等不同高温条件处理后的橡胶材料的拉伸强度、100%定伸强度、扯断伸长率等力学性能进行了测定。优选出一种橡胶材料,其在经过200 ℃×96 h高温处理后,拉伸强度仍保持21 MPa,100%定伸强度为12 MPa; 用该橡胶材料制备成封隔器胶筒,成功通过了200 ℃、70 MPa油密封30 min无压降、无泄漏试验。研究结果可为耐高温高压封隔器胶筒材料的选择与性能研究提供试验依据。     

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。     

自封压缩式封隔器的研制与应用

为了使封隔器既能在大井斜处及井眼轨迹方位角变化较大的地方顺利坐封、保护套管压裂,又能进行水力喷射泵正常排液,基于胶筒接触密封理论,结合刚性部件机械强度校核方法,设计了自封压缩式封隔器。首先对胶筒与套管壁的接触应力进行了理论计算,然后在170 ℃条件下对该封隔器的耐压差性能进行了室内模拟试验,最后在施工现场进行了坐封、压裂、水力喷射泵排液试验。理论计算得出,胶筒的最低坐封压力应大于4.36 MPa;封隔器坐封后,胶筒与套管壁的接触应力随工作压差的增大呈线性增大趋势。室内试验显示,10.00 MPa坐封压力下,胶筒能够承受35.00 MPa反向压差;170 ℃条件下,封隔器能够承受70.00 MPa正向压差和50.00 MPa反向压差。现场试验表明,该封隔器能够在井斜角达72.4°的地方顺利坐封、压裂、排液和解封。研究表明,自封压缩式封隔器可解决常规封隔器难以实现的"既在大井斜处及井眼轨迹方位角变化较大地方顺利坐封、保护套管压裂,又能进行水力喷射泵排液"的问题,且应用效果良好,值得推广应用。      

扩张式封隔器胶筒力学性能分析

为了适应海上油田大排量反洗井的要求,开发了液控扩张式封隔器可洗井分注技术。对扩张式封隔器胶筒材料进行了力学性能测试,并系统地进行了封隔器胶筒结构有限元分析技术的研究。研究结果表明,封隔器胶筒橡胶的应力-应变呈非线性关系,随着温度的升高,橡胶材料强度会变弱,在温度为65℃时橡胶材料强度达到最低,继续升高温度,橡胶材料强度又会增加;当封隔器处于内压20.0 MPa工作状态时,上、下胶筒座的应力水平最高,最大Mises应力为413.2 MPa;在胶筒中,外层胶筒两端应力水平最高,可达46.4 MPa,胶筒两侧应变能密度最大;封隔器处于工作状态时,其肩部变形最大,伴随着压力的增加,变形的趋势减缓,应变能密度与工作压力基本呈直线关系。所得结果可为扩张式封隔器的结构设计提供理论依据。     

大规模压裂用Y344封隔器及工艺管柱关键技术

分层压裂时,K344封隔器解封只靠扩张胶筒的回弹力,胶筒回收不完全;Y241封隔器解封需要上提管柱、多个金属锚瓦的解封力累积效应导致解封困难。研制的大规模压裂用Y344封隔器采用弹簧自助解封机构、割缝中心管和压缩胶筒的结构形式,提高了下入、坐封和解封的稳定性和可靠性。该封隔器不需要节流压差坐封,提高了压裂施工的成功率;采用该封隔器设计的工艺管柱可实现不动管柱分6层大规模压裂施工。苏里格气田10口井的现场应用结果表明,大规模压裂用Y344封隔器及工艺管柱,施工成功率100%。该工艺适用于直井、大斜度井和水平井,具有良好的应用推广前景。     

耐高温高压双封封隔器的改进与应用

针对大庆火山岩储层特性,改进了高温高压双封封隔器胶筒橡胶件,研制一种双马来酰亚胺(BMI)改性氟橡胶高性能材料,将其作为封隔器胶筒的主体材料。改进后的封隔器能够满足最大下深4500 m、最高温度180℃、最大压差60 MPa的储层试气施工。通过室内试验和3井次现场施工,均获成功。     

ZY341型可洗井自验封注水封隔器研制

为解决注水管柱所用封隔器存在验封困难的问题,研制了ZY341型可洗井自验封封隔器。该封隔器采用液压三级液缸坐封、上提油管解封;内、外中心管采取脱节式设计,解封力小;利用液体不可压缩原理设计的自验封机构可实现管柱内加压验封。试验和应用结果表明,封隔器的工作压差达到25MPa,配备高温胶筒后耐温可达150℃,解封力小于30kN。可为油田精细化注水作业提供可靠的封隔器。     

井下封隔器胶筒橡胶材料力学性能试验研究

封隔器胶筒橡胶材料的性能决定了封隔器密封性能的好坏。由于胶筒是非线性弹性材料,其橡胶配方的不同对材料性能有相当大的影响,因此,必须通过试验测定胶筒材料的力学性能。文章主要是对封隔器胶筒硫化橡胶的标准试样在不同压力和不同温度条件下的性能进行试验,获取应力-应变关系及橡胶的压缩模量、杨氏模量等值,为分析封隔器的工作性能提供基本依据。     

裸眼压裂封隔器胶筒结构的数值优化研究

针对裸眼压裂封隔器封隔性能有待进一步提高的问题,对4″-142裸眼压裂封隔器胶筒与井壁的接触压力进行了数值模拟计算,并对裸眼压裂封隔器胶筒结构提出改进建议。研究表明,裸眼压裂封隔器胶筒工作时主要承受压应力,同等条件下第一个胶筒与井壁的接触压力最大,最大接触压力位于胶筒中部;裸眼压裂封隔器采用双段双胶筒、单个胶筒长度为100.8 mm、防突角为150°的结构时具有更好的封隔性能。     

QHY341型压裂封隔器的研制及应用

为实现投入少、压开层位多的一次管柱多层压裂,研制了QHY41型压裂用封隔器。这是一种无支撑、液压坐封、上提管柱解封的压缩式封隔器,能满足中深油藏一次管柱分压三层的需要。封隔器采用双液缸压缩两级胶筒密封,最高耐压70MPa,在分解成两级使用时,单级耐压达到45MPa。喷砂滑套与封隔器主体连成一体,减少了施工时的沉砂量,不易造成砂堵。由于每个封隔器的解封距由上至下逐渐递减,多个封隔器的解封载荷始终相当于一个封隔器的解封载荷,有利于顺利解封。封隔器还有反洗功能,可保证不被砂卡。6口井共9个小层的分层压裂施工均获成功,但一次管柱分压3层以上的尚待试验。     

耐高温可溶完井封隔器研制及应用

裸眼完井是实现低压、低渗透油气层增产的重要措施之一，而完井封隔器工作性能是决定其成败的关键。以塔河油田为例，碳酸盐岩储层酸压后建产，生产过程中出现因生产压差控制不当、泥岩段裸露等因素造成井壁坍塌，导致井眼内完井封隔器无法解封、打捞磨铣工作费效比高等问题。为此，文章设计了一种可溶解易钻除的完井封隔器，采用柔性锚瓦结构及复合骨架，有效防止钢骨架过大变形对胶筒破坏；研发耐高温可溶解橡胶材料，满足扩张式封隔器大拉伸率和高温要求，同时封隔器的金属材料及橡胶材料在酸压后可在井筒液体中自行溶解。通过地面评价实验验证了所研制完井封隔器的耐高温和耐酸性能，在塔河油田的应用中封隔器下入顺利、坐封显示明显，在大规模酸压施工及求产过程中套压无异常。结果表明，所研制的耐高温可溶解封隔器能够满足完井—酸压—求产一体化作业需求，对提高深层油气开发效率具有重要价值。     

选择性重复压裂工具关键技术

为了在重复压裂过程中用水力喷射射孔替代火工品射孔,并延长水力喷射工具单趟管柱的使用寿命,同时解决常规扩张封隔器胀封承压后残余变形大、易卡管柱等问题,研制了选择性重复压裂工具。该工具的射孔通道和压裂通道分开设计,通过联作芯轴实现两个通道的转换;根据通道转换特性和施工工艺特征,设计了适时坐封跨接组合式封隔器;为提高承压能力、减小变形,跨接式封隔器胶筒两端均采用了嵌套弹簧式结构。通过室内测试和现场试验验证了选段性重复压裂工具封隔器的封隔性能和通道转换能力。研究结果表明,选择性重复压裂工具可以实现射孔、压裂自由转换、自由选择,减小单段喷嘴的过砂量,延长单趟管柱的使用寿命;封隔器可实现适时坐封解封,胶筒残余变形小且可靠,更易于封隔器的解封及管柱的起出。      

φ140型裸眼分段压裂套管外封隔器的研制

封隔器是水平井裸眼分段压裂完井管串中的关键部件,其性能好坏将决定压裂施工的成败。为此,研制了φ140型裸眼分段压裂套管外封隔器。这种封隔器由定位套、阀环体总成、胶筒总成、中心管、滑套和剪销等组成,在井径不大于240 mm时,可密封外环空压力70 MPa。室内试验和现场应用表明,这种封隔器具有结构简单、密封可靠、承压高、耐高温、适应井径范围大等特点,能够满足水平井裸眼分段压裂施工的要求。     

K344型可控封隔器及压裂滑套研制

在分层压裂施工过程中,尤其是温度较高(≥150℃)的油气井,K344型封隔器容易发生失效。设计了K344型可控封隔器及压裂滑套。投1个球可实现对应的K344型可控封隔器和压裂滑套同时开启,其余封隔器不工作,减少了封隔器坐封、解封次数和工作时间,保护了胶筒,提高了封隔器的密封性能。     

厚油层内精细定位压裂技术

为了控制喇嘛甸油田压后含水上升,提高压裂效果,针对常规压裂无法确定开缝位置的问题,提出了厚油层内精细定位压裂技术,通过研制应用长胶筒封隔器反向封堵厚油层内0～0.5 m结构界面或炮眼,在目的层强制造缝,实现层内低水淹段的定位压裂挖潜.现场试验4口井,试验结果表明,研制的长胶筒封隔器坐封、解封性能良好,承压能力达到50 MPa,能够满足现场施工需要.措施后平均单井增油6.1 t/d,含水下降6.3个百分点,与同区块地质条件、压裂工艺相似的井对比含水下降幅度较大、趋势平稳;且随着有效期的延长,增油增液效果愈加明显.现场试验结果表明厚油层内较低渗透部位的剩余油得到有效动用,为特高含水期压裂挖潜提供了有效技术手段.     

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。