水下采油树油管悬挂器K形金属密封环密封性能模拟分析

水下采油树油管悬挂器的密封性能直接关系到水下采油树工作的可靠性,密封一旦失效,将会导致生产通道中的原油及生产过程中注入的化学试剂发生泄漏,造成环境污染。本文利用ABAQUS软件建立了真实工况下(最大水深1 500 m,压力等级69 MPa,温度等级180℃)水下采油树油管悬挂器K形金属密封环的有限元模型,分析了不同初始过盈量、工作压力和工作温度对金属密封环最大Mises应力和最大接触应力的影响。分析结果表明,K形金属密封环的最大Mises应力和两侧的最大接触应力随着工作压力的增加而增加,最大Mises应力和外侧的最大接触应力随着过盈量的增大而减小,内侧的最大接触应力则随着过盈量的增大而增大,而工作温度对其影响不大。在不同工作温度和过盈量一定的条件下,当工作压强小于40MPa时,K形金属密封环两侧的最大接触应力均超过介质压力的2~3倍,而当工作压强大于40 MPa时,K形金属密封环外侧的最大接触应力超过介质压力的10倍,因此K形金属密封环在各种工况下均能满足密封准则,能对油管挂形成良好的密封。本文研究结果对水下采油树油管悬挂器的密封设计有一定的指导意义。     

井眼直径对膨胀波纹管膨胀性能的影响

为了保障膨胀波纹管在石油钻井中的应用,针对Φ 215.9 mm波纹管现场试验过程中水力膨胀需求,采用有限元弹塑性分析的方法,建立波纹管膨胀模型,开展波纹管在直井中膨胀情况的仿真模拟。通过对所建模型的分析,对不同井眼直径可膨胀波纹管的波峰、波谷、长轴及不圆度随压力的变化关系进行研究,结果表明:随压力的增加,波纹管的不圆度逐渐减小,且井眼直径越大,不圆度越小;随井眼直径的增加,波峰、波谷、长轴的直径均增大。     

水平井分段压裂裸眼封隔器研制及应用

研制了适用于ø152.4 mm井眼的压缩式裸眼压裂封隔器。设计了胶筒防突机构及限位机构,显著提高了高温条件下封隔器的环空密封性能。在密封圈两侧增加了密封挡圈,增强了封隔器在高温条件下的密封可靠性。在充满120 ℃导热油、内径为ø160 mm的井筒中进行室内试验,封隔器的双向环空密封压力均达70 MPa。该封隔器在苏里格气田成功应用。为裸眼水平井分段压裂提供了技术保障。     

结构参数对单螺杆泵密封性能的影响

通过有限元数值模拟来分析结构参数对单螺杆泵工作性能的影响,主要对比分析了单螺杆泵初始模型、改变转子截面直径和改变转子偏心距后的模型,观察螺杆泵转子在定子中的初始位移及螺杆泵定、转子接触过盈力的变化规律。结果表明,实际工况下转子截面中心运动轨迹并非是理论上的直线,而是椭圆;减小转子截面直径能迅速降低密封线上的最大接触应力,而转子偏心距的减小不仅能降低密封线上的接触应力,而且能使密封线处的密封力更加均匀;可以通过增大或减小转子截面直径或偏心距的办法来保证圆弧处的密封力。     

Maxwell流体管内振荡流的壁面摩擦力分析

研究了Maxwell流体对管内振荡型Poiseuille流动的管壁摩擦力特性.由Bessel方程控制速度振幅,用分离变量法求出了解析解.由振荡频率对管壁摩擦力的影响的研究中发现,管壁摩擦力存在类共振特性,即在某些临界频率位置,振荡流体在管壁上产生的摩擦力会急剧增大.流体的弹性参数、管径和振荡流频率对壁面摩擦力的影响可用两个无量纲参数ω和R表示.在确定的ω范围内,当R取值较小时,壁面摩擦力振幅与ω变化关系曲线的共振峰较少;随着R的增大,共振峰的位置在ω轴上左移,幅值下降,个数增多;在R>12之后,该曲线变成一条单调下降的曲线,与牛顿流体的曲线一致,且不再有任何共振现象.该类共振特性对于提高岩心的驱油效率具有重要意义.     

可溶性泵送环在页岩气储层改造中的应用

页岩气套变井使用小尺寸桥塞或73 mm射孔枪串时泵送推力不够,无法泵送到位。通过计算表明,ø88 mm桥塞能够满足最低的泵送要求。研制了一种基于可溶材料的(柔性)泵送环,安装在电缆管串的顶部,以提高管串的泵送推力。在此基础上,成功开展了ø85 mm桥塞带ø88 mm柔性可溶性泵送环在四川威远页岩气应用,以及ø99 mm桥塞带ø103、105和107 mm刚性可溶泵送环在四川威荣页岩气的应用,共计274次现场试验,试验表明,可溶泵送环可以提高管串的泵送力和通过性,降低施工风险。     

三维TTI介质弹性波相、群速度的近似配方表征法

TTI介质弹性波相速度可以通过求解Christoffel方程得到,其精确式往往比较复杂,难以运用。为此,从Thomsen各向异性参数表征的TTI介质弹性波精确三维相速度表达式出发,利用近似配方法推导了TTI介质qP波和qSV波三维相速度的近似公式;将其代入Berryman的群速度表征中,得到了qP波和qSV波群速度的近似公式。理论分析和数值计算表明,基于近似配方法的相、群速度表达式在一定范围内与精确值吻合较好,能够适用于中强各向异性情况,且Thomsen参数ε与δ越接近,其精度越高;沿TTI介质对称轴方向和垂直对称轴方向的速度误差最小,而与对称轴呈45°方向误差相对较大;在相同各向异性强度下,qP波相、群速度误差一般要小于qSV波。     

Maxwell流体管内振荡流的壁面摩擦力分析

研究了Maxwell流体对管内振荡型Poiseuille流动的管壁摩擦力特性.由Bessel方程控制速度振幅,用分离变量法求出了解析解.由振荡频率对管壁摩擦力的影响的研究中发现,管壁摩擦力存在类共振特性,即在某些临界频率位置,振荡流体在管壁上产生的摩擦力会急剧增大.流体的弹性参数、管径和振荡流频率对壁面摩擦力的影响可用两个无量纲参数ω和R表示.在确定的ω范围内,当R取值较小时,壁面摩擦力振幅与ω变化关系曲线的共振峰较少;随着R的增大,共振峰的位置在ω轴上左移,幅值下降,个数增多;在R>12之后,该曲线变成一条单调下降的曲线,与牛顿流体的曲线一致,且不再有任何共振现象.该类共振特性对于提高岩心的驱油效率具有重要意义.     

一个新的钻井液流变模型

钻井液流变曲线的一般特点,是有一弯曲段及一与γ轴成一定角度的近似直线段.据此特点,文中提出了一个新的流变模型：τ=τ_ｓ+η_pγ(1+β/γ)^1/2.新的流变方程中有三个独立参数：静切应力τ_ｓ,塑性粘度ηp及剪切稀释系数β.试验比较了几个现有的方程,结果表明,新方程的剩余标准差最小,预报精度最高.新方程不但描述了塑性流体的流变性,还可描述多种其他流体的流变性.当τ_ｓ=0时,描述假塑性流体;当β=0时,描述宾汉流体;当τ_ｓ=0,β=0时,描述牛顿流体.新方程还有一显着的特点,即当γ足够大时,新方程变得与滨汉方程相同.证明了宾汉方程只适用于中、高剪切区的实践经验.     

直井全通径分层压裂关键技术及试验研究

苏里格气田采用的“K344型封隔器+喷砂滑套”分层压裂技术,由于整个管柱压后不能实现全通径,影响了后续排液采气、冲砂、测试、监测产液剖面,且无法进行二次改造作业。采用可溶金属材料,设计了直井全通径分层压裂工艺管柱。介绍了直井全通径分层压裂工艺管柱及关键工具。研制了新型喷砂滑套、滑套密封器和节流底阀。室内试验和现场试验结果表明,直井全通径分层压裂工艺管柱中关键工具的溶解时间可控,初始溶解时间大于72 h,压裂后工具内的可溶部分溶解时间小于7 d,不可溶部分脱离可溶部分的束缚下行掉落到井底,整个管柱全通径可达ø57 mm,能够满足一趟管柱分7层压裂施工及后续作业的要求。为直井分层压裂实现管柱全通径提供了新的技术手段。     

渣油泵波纹管密封泄漏分析及解决对策

为了解决渣油泵波纹管机械密封泄漏的问题,检查了操作方法,简单计算了密封端面比压、温度,诊断了失效的密封元件,分析了泵体抽空和波纹管压缩量增大的原因。通过改进密封辅助系统蒸汽背冷方式,改善密封面的散热程度和冷却效果,降低密封端面的温度,使密封端面处在合理的温度范围。改进机械密封元件,增加传动轴套固定环的厚度,更换防退螺钉,保证了机械密封轴套的有效传动,从而解决了波纹管密封泄漏的问题。实际应用结果表明：保证轴套的有效传动和合理控制波纹管密封的端面温度,可以很好地解决渣油泵金属波纹管密封泄漏的问题。     

分层压裂滑套与密封球受力分析研究

为了解决滑套卡球影响压裂残液排出和油气井正常生产的问题,开展了滑套密封筒卡球研究与分析。建立了滑套与密封球受力简化模型,对密封球在球座斜面上的受力进行了分析,给出了密封球在球座斜面上不发生卡球的条件和解卡力的计算式。指出压裂时密封球与球座发生弹性变形是密封球卡住的根本原因,密封球坐在球座斜面上可降低卡球的风险;钢密封球在球座夹角大于8.53°的球座上不会发生卡球现象,复合密封球在球座夹角大于16.70°的球座上也不会发生卡球现象;卡球时最大解卡力由压裂时最大压力及与球座和球座材料有关的系数决定。     

井下封堵球密封副接触应力建模与分析

封堵球密封副的密封性能是井下作业成败的关键,密封副接触应力的大小反映其密封能力。针对井下封堵球密封副的密封原理,分别建立了密封副接触应力的物理模型和有限元模型,通过实例模拟对比了二者的计算结果,分析了密封副几何结构和密封副材料特性对接触应力的影响规律。分析结果表明,封堵球密封副的接触应力可通过物理模型法或有限元法计算,二者模拟结果近似程度高,偏差较小;物理模型法可以反映模拟参数对最大接触应力的连续影响关系,有限元法可以模拟接触应力在密封副上的分布;在相同工况下采用小半锥角设计或选用较高弹性模量的封堵球材料均可增大密封副的接触应力,从而提高密封性能。     

油井管接头密封方法及机理综述

高温高压天然气井的管柱密封性至今无法完全保障。油井管最常用的四种密封方法是螺纹密封、台肩密封、弹性密封环密封和金属接触密封。大部分特殊螺纹接头采用金属接触密封,密封面接触压力决定了密封能力。正确的金属接触密封会显示出一种压力激发效应。将密封面设计在远离螺纹端部的位置,螺纹端部刚性增强了密封接触力。金属接触密封的泄漏概率为10^-2,泄漏速度取决于密封面的接触应力宽度、粗糙度、损伤程度、密封脂、涂层等。特殊螺纹接头在振动后,即使产生疲劳裂纹,也不发生泄漏。一些接头台肩刻槽后作密封性试验,结果发生泄漏。很多气井管柱扭矩台肩发生了腐蚀,证明金属接触密封存在泄漏通道,即扭矩台肩起密封作用。接触压应力设计法无法完全解决特殊螺纹接头的密封问题,发展全新的设计理论和制造技术,是保障特殊螺纹接头密封性的重要发展方向。     

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。      

磁记忆信号用于高压金属密封的密封性检测

为了实现金属密封圈密封状态的在线检测和早期诊断,采用金属磁记忆检测技术监测法兰螺栓所受应力。法兰受内压作用时,金属密封圈弹性变形量发生改变,从而使螺栓所受应力发生改变,因此可由螺栓所受应力判断金属密封的密封状态。磁记忆检测结果分析表明,金属密封环的密封性与螺栓应力状态相关联,可通过检测螺栓应力状态反映金属密封环的密封性;便携式磁记忆监测装置可以很好地同时监测法兰盘上多个螺栓的应力状态,进而实现对密封圈密封状态的快速在线检测。通过对磁记忆检测结果的分析,结合螺栓应力状态与金属密封性之间的关系,得到了高压金属密封密封性失效的磁记忆判定准则。     

液压反馈自封高效节能柱塞泵的研究与应用

针对目前采用的柱塞泵摩阻大、漏失大、寿命短等问题，提出了一种新型液压反馈高效节能自封柱塞泵（HSP）。该泵的柱塞芯由中部开有若干个径向槽孔的金属管制成，柱塞上装有一个弹性伸缩套，套在中心筛管柱塞芯上，在弹性伸缩套外面套有若干个耐磨的密封环。上行程时柱塞内部的流体压力作用到胶套内表面上使之向外膨胀，使密封环始终压在泵筒内壁上，形成良好的密封；下行程时弹性伸缩套恢复原状，柱塞和泵筒之间产生间隙。通过有限元力学分析，证明该泵克服了常规柱塞泵摩阻大、效率低、寿命短等不足。室内试验表明该泵实现了下行“无”摩阻，上行自封“无”漏失，专用耐磨环实现了长寿命的目的。现场试验表明，在供液条件充足的情况下，该泵泵效达到60%~80%，可高效节能连续工作2 年以上。     

膨胀套管中的橡胶筒尺寸设计分析

根据带有橡胶筒的膨胀套管有限元力学模型,对套管膨胀过程中橡胶变形和套管内的应力变化、橡胶筒两侧的接触压力,以及摩擦因数引起的膨胀参数变化等做了分析研究;对橡胶筒的厚度、长度做了定量和定性分析,发现在橡胶与套管之间的接触摩擦因数作用下,橡胶过长将会在纵向产生“堆积”现象,在有限空间中,使其受较大的接触压力而失效。研究结果表明为了使橡胶筒能有足够的支承力支承套管,可在膨胀套管外面安装多个橡胶筒,相邻橡胶筒之间的间距必须大于2.5倍的橡胶筒纵向伸长量,以免橡胶筒纵向伸长后相互间干扰而形成“堆积”现象。推荐本膨胀结构尺寸中橡胶筒壁厚1.7~2.0mm,橡胶筒长度170~250mm为最佳范围。     

热油泵机械密封泄漏原因及对策

冷却系统结垢,使摩擦副端面温度过高,是导致热油泵机械密封失效的根本原因。采取软化水 夹套冷却和新增静环背冷等措施,可降低摩擦副端面温度,从而解决密封泄漏的问题。     

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。