井口套管磨损失效原因分析及预防措施

套管磨损,特别是井口套管磨损是油田普遍存在的问题。井口套管磨损失效与井口偏心、井口悬挂载荷、套管头结构、钻井工艺参数、套管材质等有关。对S油田井口套管磨损失效事故进行了研究,分析了井口悬挂载荷和套管头结构等对井口套管磨损的影响。通过对井口套管悬挂载荷的计算,得到了能有效减小井口套管总载荷的优化计算公式。采用该公式对S油田进行了固井施工案例计算,结果表明,按照该公式确定井口悬挂载荷有利于防止井口套管失效。采用Ansys有限元分析软件对套管受卡瓦夹持力的影响进行了研究,研究表明,在卡瓦牙板上、下端面位置套管内表面存在应力集中,提出了套管头卡瓦优化设计方案。     

超深井套管悬挂支撑系统承载性能研究

油气开发趋势决定井深越来越深、压力越来越高,对套管头悬挂器结构强度提出了更高的要求,悬挂器系统结构直接影响套管头作业安全。基于重载、高压套管头本体和悬挂器支撑环结构,借助有限元仿真分析软件,在对支撑环斜角进行参数优选基础上,研究不同载荷下所优选支撑环系统结构的力学行为,并经试验证实所设计的套管头支撑环系统能够满足悬重3 000kN、耐压140MPa套管头设计要求,为相似套管头悬挂器支撑环承载性能研究及结构优化提供借鉴。     

井口槽用新型一体式套管头的设计与应用

通过对国内外各种套管头结构技术水平分析,结合冀东南堡油田1号人工岛井口槽钻井要求,按照简化操作程序,提高操作效率、操作可靠和安全的原则,对套管头的本体、悬挂器和密封组件的选型和优化设计进行了研究,设计出了外形尺寸小巧、操作简单,1个本体可以悬挂2级套管的新型一体式套管头。通过型式试验和现场使用表明,所设计的产品能够满足人工岛井口槽的钻井要求,提高工作效率,降低安全隐患。     

新型井口装置──ST锁紧式套管头的应用

通过对环形钢板、简易套管头和正规套管头三种井口装置在使用过程中弊病的分析,华北油田研制成ST锁紧式套管头。该套管头由底法兰体、悬挂头总成和防护盖罩三部分组成,结构简单、操作方便、价格适中。经现场400多口井应用,认为该套管头能满足钻井、完井过程各种工艺的要求,提高井口安装的标准化程度,缩短建井周期,减轻工人劳动强度,提高工作效率,有较好的社会效益和经济效益。文中重点介绍了套管头的结构、工作原理、安装操作及推广应用情况。     

较深水导管架隔水套管安装方案优化及提效技术

与浅水相比,较深水导管架隔水套管的安装具有翻身强度限制、分节数量多、悬挂于导管架井口区、井口区强度要求较高、海上施工效率低及建设成本高等特点。以东方气田某导管架平台为例,阐述较深水导管架隔水套管分节方案优化方法,创造性地提出超长隔水套管的分节方案,开发超长隔水套管双起重机合抬起桩设计,采用数值分析和三维模拟对结构强度和干涉状态进行分析,给出超长隔水套管的安装方案设计。技术成果在工程项目中得到实际应用,效果良好,对浅水及较深水类似项目具有一定的借鉴意义。     

水下井口套管悬挂器的敏感性及疲劳损伤分析

套管悬挂器是水下井口的关键部件之一，在温压环境等多场耦合作用下容易引发疲劳失效，破坏油气井井筒完整性。为探究套管悬挂器在复杂环境下的力学性能和疲劳损伤变化规律，以南海东方1-1气田某板块的水下井口为例，分析套管悬挂器温度分布和各类载荷，建立基于热力耦合作用的水下井口套管悬挂器精细有限元模型，对比下放、BOP试压、回收下放工具和完井采油等4种工况下套管悬挂器的力学性能和疲劳损伤，并评估温度和BOP重力等敏感性因素对水下井口套管悬挂器力学性能的影响效果。研究结果表明：在热力耦合作用下，等效应力和变形量均显著增加，井口温度对套管悬挂器性能的影响显著；最大疲劳损伤出现在BOP试压工况下，其值为1.23×10^-4 d^-1,在该工况下套管悬挂器的疲劳寿命为22.27 a,满足设计要求。研究成果对水下井筒完整性评估及深水钻采安全作业具有指导意义。     

水下井口套管悬挂器偏磨事故预防技术

为了防止半潜式钻机施工过程中水下井口套管悬挂器及其连接短节发生偏磨,破坏油气井的完整性,以海上高温高压探井M井钻井过程中?273.1 mm套管悬挂器及其连接短节发生严重偏磨事故为例,分析了作业时海况、钻井平台偏离井口的程度、隔水管挠性接头是否扭卡和套管悬挂器耐磨补心的内径等可能造成套管悬挂器偏磨的因素,结合有限元软件计算结果,提出了以精确监测钻井平台偏离井口程度和选用与套管内径一致的套管悬挂器耐磨补心为主的预防技术措施。M井填井侧钻及后续的11口井进行钻修井、弃井作业时,4台半潜式钻井平台在施工中严格采取相应的预防技术措施,套管悬挂器及连接短节未发生明显偏磨。现场应用表明,预防技术能够有效保护水下井口套挂悬挂器,保证油气井的完整性。      

较深水导管架隔水套管悬挂平台的研制及工程应用

由于受到导管架平台顶水平层强度、作业水深、吊高、隔水套管强度、自由站立等因素的限制,东方1-1WHPF导管架首节隔水套管不能直接入泥,需悬挂在导管架上进行首节和第二节隔水套管的组对焊接工作,而导管架顶水平层强度不足,使得海上工程进度受阻,因此需根据其结构特点设计隔水套管悬挂平台,以提高导管架顶水平层强度。通过对东方1-1项目WHPF导管架隔水套管的力学分析及根据导管架EL.+7.5 m水平层强度及结构特点,设计了安装在导管架平台上的隔水套管悬挂平台,并利用ANSYS软件对其进行三维建模,分别对预挂2、3、4根φ762 mm(4节)隔水套管的悬挂平台进行结构强度分析,确定了合理的设计、安装、使用方案。工程应用表明,导管架平台安装了隔水套管悬挂平台后,解决了平台水平层悬挂强度不足的问题,悬挂的隔水套管数量增加到了4根,明显地提高了隔水套管安装作业效率,节约了船天数。     

套管头四通本体结构的三维静态有限元分析

四通是井口套管头装置的关键部件之一, 其强度和刚度是保证井口装置运行安全性和使用寿命的主要因素, 生产厂家在其制造过程中, 都必须对其关键部件进行强度试验。文中以某厂生产的套管头四通为例, 建立了本体结构的三维实体模型, 采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ平台, 对工作工况和静水压试验工况下的四通进行了有限元计算, 获得了各部位的应力分布规律, 找出了危险部位, 为改进四通结构设计提供了理论依据。     

TF70型油(气)井套管头装置通过省级鉴定

一种主要用来固定钻采石油/天然气井口,连接和悬挂井下套管柱,可靠地密封井口和套管控制管环形空间的新型装置——TF70型套管头,由四川石油管理局钻采工艺研究所和江苏省金湖机械厂联合研制成功,于1992年2月25日在金湖县通过了省级样机鉴定,投入小批量生产。该装置主要由套管头本体、套管四通、W型悬挂器以及顶上填料和相应的配套阀门组成。钻井时,其上安装防喷器等设备,有效地控制管间空间     

140MPa超高压井口闸阀阀体的有限元强度分析

PFF65-140法兰式平行闸阀是为超高压井开发设计的一类高压闸阀,适用于各类采油(气)树、井口装置、管汇和套管头.为验证其开发设计的合理性和安全性,建立超高压井口闸阀阀体的三维实体模型,在额定工作压力和静水压试验压力两种情况下,采用Solidworks及Cosmos分析软件对闸阀阀体进行有限元分析计算,证明存在高应力区.按照ASME应力分析法分析其应力组合,表明该设计是安全的.     

钻井作业井喷抢险装置设计

针对目前钻井作业过程中出现的井喷失控事故,设计了井喷抢险装置。该装置在远程控制下能够与光套管连接并且能可靠封闭井口,提高了井喷抢险作业的安全性。井喷抢险装置主要由支撑系统、生根系统、起升系统、对中系统、封井系统和套管卡紧系统组成。作业过程:支撑架将井喷抢险装置支撑在井口,支撑架上的液压缸推动固定架向前运动,当到达指定位置后生根系统卡紧套管本体,实现井喷抢险装置的生根;在对中系统的作用下,封井系统在水平面内前后左右运动,使封井系统的轴线与套管的轴线共线;升降系统带动封井系统下降,到达指定位置后封井系统停止运动;关闭环形防喷器和全封闸板防喷器,分别封闭封井系统与套管间的环空空间和套管内孔。对各系统进行了详细的结构设计并且利用ABAQUS有限元软件对关键零部件进行了有限元分析。分析结果表明,装置的强度与刚度均满足要求,针对目前钻井井喷事故中抢喷时间长、作业危险性高的现状,井喷抢险装置能够快速与井口光套管连接,及时制止井喷,可封闭压力达35 MPa的井口。     

Multistring analysis of wellhead movement and uncemented casing strength in offshore oil and gas wells

This paper presents a theoretical method and a finite element method to describe wellhead movement and uncemented casing strength in offshore oil and gas wells.Parameters considered in the theoretical method include operating load during drilling and completion and the temperature field,pressure field and the end effect of pressure during gas production.The finite element method for multistring analysis is developed to simulate random contact between casings.The relevant finite element analysis scheme is also presented according to the actual procedures of drilling,completion and gas production.Finally,field cases are presented and analyzed using the proposed methods.These are four offshore wells in the South China Sea.The calculated wellhead growths during gas production are compared with measured values.The results show that the wellhead subsides during drilling and completion and grows up during gas production.The theoretical and finite element solutions for wellhead growth are in good agreement with measured values and the deviations of calculation are within 10％.The maximum von Mises stress on the uncemented intermediate casing occurs during the running of the oil tube.The maximum von Mises stress on the uncemented production casing,calculated with the theoretical method occurs at removing the blow-out-preventer （BOP） while that calculated with the finite element method occurs at gas production.Finite element solutions for von Mises stress are recommended and the uncemented casings of four wells satisfy strength requirements.     

温差作用下回接套管柱井口抬升影响分析

井口抬升会导致油气井井筒完整性破坏,影响油井的后续生产作业安全。为了研究回接套管柱在固井-生产作业中的井口应力分布及抬升高度变化规律,采用有限元方法,根据顺北区块某井现场工况,利用ABAQUS软件建立了不同工况下多层套管-水泥环-地层多体系统热-固耦合分析有限元模型,分析了回接套管从固井阶段开始到生产时的应力和位移变化,得到了井口应力、抬升高度变化过程及其相关参数的影响规律。分析结果表明:随着水泥浆返高的增加,井口抬升高度单调增加,这表明随着水泥环缺失的严重性增加,套管自由段数越长,在温差作用下可伸长抬升的高度也就越大;随着水泥浆返高的增加,井口固定时回接套管的Mises应力先增大、后减小,并不呈现单调递增或递减的趋势。所得结果可为现场回接套管柱井口抬升现象分析提供一定的参考。     

端面金属自密封特殊钩形螺纹有限元分析

针对常规API套管螺纹在膨胀时不能保持其结构和密封性能的问题,设计了一种端面金属自密封的膨胀套管特殊钩形螺纹结构,根据弹塑性有限元理论,建立了该特殊螺纹的有限元模型,模型结构中包括膨胀锥、膨胀套管及其特殊螺纹结构,研究了膨胀过程中特殊螺纹部分的Von Mises应力分布大小,结果表明该螺纹满足力学要求。分析了套管膨胀后端面金属自密封处的密封性和特殊螺纹部分的密封性,最终提出在预留退刀槽部分设计安装1个橡胶密封圈,增加1个密封圈后,能够保证该特殊钩形螺纹的密封完整性,为膨胀套管特殊螺纹结构设计提供了理论依据。     

水泥环对套管射孔后抗挤毁强度的影响

建立了未射孔套管、不带水泥环射孔套管、外裹水泥环套管的有限元分析模型,对这3种情况下套管的抗挤毁强度进行了对比分析。得出如下重要结论(1)射孔使套管抗挤毁强度显著降低,降低幅度为29%;(2)固结良好的水泥环对于加强射孔套管强度有明显作用,使射孔套管的抗挤毁强度提高188%;(3)水泥环不能抵消射孔对套管抗挤毁强度的伤害,外裹固结良好水泥环的套管,射孔后其抗挤毁强度与无孔套管相比下降156%。     

旋扣套管吊卡设计及有限元分析

为了提高车载煤层气钻机下套管的作业效率,通过借鉴国外先进技术理念,结合国内现场应用情况,提出了新的旋扣套管吊卡设计理念。在介绍旋扣套管吊卡结构和工作原理的基础上,利用有限元软件对旋扣套管吊卡的上连接短节、连接板和吊卡总成进行了力学分析。针对旋扣套管吊卡的承载能力开展了地面试验。试验结果表明,经过反复600 kN载荷的施加,装置未见明显的变形和磨损,说明旋扣套管吊卡能满足1 000 m井深车载煤层气钻机的下套管要求。     

海上自升式钻井平台探井井口稳定性分析

在海洋探井作业过程中,通常采用独立的井口支撑装置,为达到井控安全及进一步增加钻探深度,很有必要对探井井口系统进行稳定性分析。对海洋石油自升式钻井平台探井井口系统稳定性研究进行了介绍,通过对井口配重、常规井身结构、井口套管头、海上隔水导管、泥线悬挂流及井口悬吊系统等配套设备技术和操作要点的分析研究,得出了确保井口支撑系统稳定应采取的措施。通过现场实例分析,可为今后的勘探钻井作业提供相关的技术指导,达到更高的安全效果和经济效益。