压裂泵液力端阀箱超高压力自增强技术研究

超高压自增强技术是一种延长压裂泵液力端阀箱使用寿命的工艺技术。针对现有超高压自增强工艺技术进行了分析,确认了按照现有工艺进行超高压自增强后液力端阀箱内腔关键位置的应力集中程度得到了显著改善,从而有效延长了压裂泵液力端的疲劳寿命。根据仿真分析对现有工艺进行了优化,提出了进行超高压自增强过程中应注意的一些问题。     

压裂泵液力端产生裂纹的原因及预防措施

压裂泵的液力端(阀箱)为价格昂贵的易损件,该部件在高循环压力载荷下工作,且受工作介质(酸或碱液)的腐蚀。液力端损坏现象愈发普遍,给企业带来一定的损失。本文分析了液力端损坏的原因并提出了预防措施,可相对延长液力端的使用寿命。     

压裂泵无相贯线阀箱设计及有限元分析

一种新型液力端结构—无相贯线阀箱,用Pro/E三维软件建立阀箱模型,在阀箱工作压力为80MPa的条件下,用ANSYS Workbench软件对新设计的阀箱进行有限元分析,新阀箱的最大的应力值比原结构阀箱的最大应力值小500MPa,应力值大幅下降,为延长压裂泵液力端的疲劳寿命提供了新的思路。     

压裂泵阀箱强度及寿命分析

对阀箱进行有限元强度和寿命计算,找到危险截面和应力分布状态,对于阀箱可靠性评估、改进设计和正确使用具有重要意义。采用与Pro/E无缝结合的有限元分析工具Pro/Mechanica对某70MPa压裂泵阀箱进行了有限元强度和疲劳寿命分析。通过对应力图动态查询可知,最大应力为694.7MPa,位于缸腔与柱塞腔相贯部位拐角处,内腔平均应力为347.6MPa。整体上阀箱的疲劳寿命为1×1020次,阀箱整体强度足够,但薄弱环节的最低疲劳寿命仅为1×104.803次。为此设计时应加大关键部位的圆角半径,以减小应力集中。为了延长泵头的工作寿命,可采用自增强、复合强化、喷丸处理等工艺措施。     

5ZB-2800型压裂泵液力端阀箱失效分析

研制的5ZB-2800型压裂泵在75MPa压力下工作114h,液力端阀箱出现开裂失效。利用有限元软件进行强度和寿命分析,找出可能出现开裂的部位。解剖失效部件,对开裂部位内部做宏观检查、SEM微观扫描及化学成分、硬度、金相、力学性能等检测。结果表明:毛坯锻造夹层在高压、酸性介质作用下,产生腐蚀疲劳裂纹并快速扩展,导致阀箱早期失效。应加强调质后材料的缺陷检测、改进阀箱高应力区的结构、调整阀箱加工方位,以提高该压力泵的使用寿命。     

基于nCode的压裂泵液力端疲劳寿命分析

压裂泵液力端在现场应用中承受脉动循环高压,易产生疲劳裂纹且不同液缸的疲劳寿命存在差异。为此,建立现场某型号压裂泵液力端的整体有限元模型,利用ANSYS与nCode DesignLife疲劳耐久性分析软件对液力端进行静力学分析与疲劳寿命预测,研究液力端不同液缸发生疲劳破坏的规律。研究结果表明：液力端在试压142.5 MPa与正常工作95 MPa这2种状态下,最大应力分别为915.89和600.36 MPa,均小于其材料的屈服应力1 070 MPa,静力学强度满足要求;液力端各个液缸易发生疲劳破坏的位置均位于液缸内部的弹簧卡座处,与液力端在现场使用过程中出现的疲劳裂纹的位置相符;液力端5个液缸中寿命最长的为4#缸,寿命最短的为1#缸,1#缸的疲劳寿命大约为4#缸的60%,液力端整体呈现出1#、5#缸比2#、3#、4#缸疲劳寿命短的规律。研究结果可为该型号压裂泵液力端的优化设计提供理论依据。     

非常规油气田压裂作业阀箱的结构创新

当前非常规油气田压裂作业对压裂泵阀箱提出了更高的性能要求,常规压裂泵阀箱因使用寿命短,可靠性偏低,已经难以满足非常规油气田的恶劣工况。针对这种情况,文章提出了通过采用新型双导向杆阀结构内腔设计来提高阀箱本体的有效壁厚,降低工作应力,进而提高阀箱的抗疲劳损坏能力,获得更高的使用寿命;此外还通过采用柱塞缸套与阀箱本体一体化的结构设计,移除了原分体式柱塞缸套与阀箱本体处的一道橡胶密封,从而减少阀箱工作时的渗漏点,有效提升阀箱工作时柱塞密封的可靠性。新型压裂泵阀箱已经在非常规油气田的实际工业使用中取得了良好的效果,阀箱的使用寿命及工作可靠性都得以明显提升,这些结构创新值得在压裂泵阀箱的制造中推广应用。     

高压泵阀的新结构

阀是水泥车泵液力端重要的部件。固井、诱导油流、岩层的水力压裂、井底酸化和其它工作方面的一些复杂操作完成的可靠性,在很大程度上取决于阀的工作能力。格罗兹尼《红锤》机器制造厂研制了移动式水泥车的11T型和4P—700型泵的新结构的阀(见图)。     

超大粒径暂堵剂注入装置研究

现场进行暂堵压裂时,由于暂堵剂注入装置过流性能较差,泵注超大粒径不规则颗粒暂堵剂时易导致空泵和低压管线憋爆,不仅增加了更换设备的成本,而且影响压裂施工效果。为了提高暂堵转向压裂的施工成功率,在分析了暂堵剂注入装置失效原因的基础上,开展了超大粒径暂堵剂注入装置的研制。设计了最高工作压力为70 MPa的笼式阀,并利用有限元软件进行密封面强度校核,对液力端的组合阀箱进行改进,减缓压力对阀箱的冲击,避免空泵现象。通过室内强度性能、过流性能及地面模拟试验,验证了该装置的可靠性。现场应用结果表明,采用超大粒径暂堵剂注入装置在施工过程中未出现脱砂、砂堵、设备井筒堵塞等情况,增产效果显著,有效解决了注入装置泵注超大粒径暂堵剂时易卡垫的问题。     

高压压裂泵阀箱的强化处理

高压压裂泵阀箱工作时，内腔表面产生很高的应力。对ＹＬＢ—１４００型压裂泵阀箱的应力分析表明，在两孔相贯线的顶部，峰值应力可达１１６８ＭＰａ，超过了阀箱钢材的屈服极限σｓ，这种阀箱只有在强化处理后才能使用。液压自增强处理和爆炸处理的关键是利用高的液压或爆炸压力对阀箱内腔预压，使阀箱内表面发生塑性变形而外表面发生弹性变形，并通过弹性恢复在内表层形成高而深的残余压应力层。ＹＬＢ—１４００型压裂泵阀箱经强化处理，在内腔表面危险区域形成－４５０～－５３０ＭＰａ的残余压应力，可大幅度提高疲劳寿命。     

深层油气用加重滑溜水压裂液体系

塔里木库车山前区块作为典型的超深层气藏,75%施工井泵压在100 MPa以上,最高施工压力达到136 MPa,压裂增产改造一直是制约其油气开发的技术瓶颈,施工排量也受到极大限制。据统计超深加重压裂液施工井,普遍存在液体密度增加,施工压力降低幅度未达到理论效果,基于理论分析及加重压裂液实际应用中存在的问题,借鉴页岩气用滑溜水成功应用的经验和加重压裂液的优点,通过优选加重剂、耐高盐降阻剂和助排剂形成了加重滑溜水体系。该体系加重密度为1.35 g/cm3,耐氯化钙35×104 mg/L,能有效降低施工压力和施工风险,降阻率为62%,与常规瓜胶压裂液减阻率相当,并具有良好的耐温耐剪切性能和助排性能,岩心伤害率为11.2%,对储层伤害低,为超高压超深井储层改造提供新的技术支持。      

石英砂支撑剂长期导流能力变化规律实验研究

利用石英砂代替陶粒支撑剂能有效降低施工成本,在致密油气藏压裂改造中广为应用。为探究石英砂支撑剂对裂缝长期导流能力的影响规律,选用20～40目、40～70目和70～140目石英砂,开展长期导流能力测试实验,探究闭合应力、铺砂浓度、粒径组合、铺置模式等因素对石英砂长期导流能力的影响并拟合参数化经验模型。研究认为：长期导流能力随铺砂浓度的增加,先升高再降低,反映了从“支撑”到“封堵”的演化;在低铺砂浓度条件下,大粒径石英砂易破碎堵塞流道,因此可在高闭合压力储层优选细砂,在低闭合压力储层优选中砂或粗砂;在考虑混合铺置时,应先采用低黏度压裂液泵送大粒径石英砂,后采用高黏度压裂液泵送小粒径石英砂。同时文章给出的混合铺置导流能力预测模型适用于混合铺置支撑剂粒径及比例的优化设计。     

液氮泵内缸套有限元强度与疲劳分析

对液氮泵内缸套进行有限元强度分析和疲劳寿命分析计算,找到危险位置与应力分布状态,对液氮泵缸体的可靠性评价、指导改进设计和正确使用具有重要意义。为此,采用Solid-works Simulation有限元分析软件,对某76 MPa液氮泵内缸套进行有限元强度和疲劳计算,并分析了吸入压力对强度和疲劳寿命的影响。分析结果表明,对该液氮泵内缸套采用无相贯线设计,有效地避免了相贯线的应力集中,静强度足够,整体疲劳寿命满足设计要求。但内缸套最大应力与最小疲劳寿命均出现在内缸套大端台阶边缘处,根据入口压力与强度和疲劳关系曲线认为,适当提高吸入压力可以有效改善内缸套强度和延长其疲劳寿命。     

工业氯化钙加重胍胶压裂液体系研究与现场试验

为了解决现有加重压裂液体系成本高及加重密度低等问题,采用工业氯化钙作为加重剂,研发了一种低成本加重压裂液技术.在分析硼交联剂在氯化钙胍胶基液中交联受阻机理的基础上,制备了耐高浓度氯化钙溶液的交联剂,可在低pH值环境下使高浓度氯化钙溶液和胍胶基液形成交联冻胶.工业氯化钙加重胍胶压裂液具有加重密度高、基液黏度低和耐温耐剪切...     

大规模体积压裂过程中压裂液性能表征方法研究

针对SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》压裂液性能评价标准未能模拟大规模体积压裂过程中压裂液剪切历史,尤其缺少过炮眼高速剪切对压裂液性能影响的重要环节,项目开展模拟体积压裂施工全过程压裂液体系性能测试方法探索性研究。参照现场实际施工排量,模拟压裂液流经管柱、炮眼和裂缝不同阶段的剪切历史,同时,以压裂液破胶低伤害为前提进行破胶剂量优化,在此基础上进行压裂液流变性能测试,保证压裂液满足施工过程具备携砂性能和施工结束后一段时间内完全破胶的双重要求;采用透明平行板模型,考察使用条件下压裂液动态携砂性能,测试结果为大规模体积压裂“全裂缝支撑”提供设计依据。新方法测试结果表明,复合交联瓜胶压裂液体系和交联聚合物压裂液体系通过高速炮眼后黏度损失较大;乳液缔合型压裂液体系对破胶剂敏感,在满足破胶低伤害的前提下,动态携砂性能难以满足裂缝远端支撑剂铺置要求;低浓度瓜胶压裂液体系添加优化用量破胶剂,体系在施工排量下动态携砂性能良好,满足裂缝远端支撑剂铺置的技术目标。      

东胜气田锦30井区变黏压裂液体积压裂技术

东胜气田锦30井区主要目的层盒1段为致密低渗砂岩气藏,储层非均质性强,长缝压裂改造效果差。开展了缝网体积压裂适应性评价和岩心裂缝扩展规律研究,明确了形成复杂缝网的主控因素,并通过数值模拟优化压裂施工参数。研究表明:锦30井区盒1段储层脆性指数高、天然裂缝发育、两向应力差异小,低黏液和大排量施工易形成复杂缝;施工排量8~10 m3/min、液量700~800 m3、变黏压裂液组合为10 mPa · s+100 mPa · s、前置液比例50%~55%、平均砂比20%~22%时,压裂裂缝复杂程度高、改造体积大。现场应用34口直/定向井,压后平均产量1.85×104 m3/d,较长缝压裂提高68.2%,证实了变黏压裂液体积压裂技术在锦30井区具有良好的适应性,可进一步推广。     

二氧化碳泡沫压裂技术在低渗透低压气藏中的应用

针对低渗透、低压气藏压裂改造中压裂液返排困难的问题,研究了CO₂泡沫压裂技术,分析了CO₂泡沫压裂过程中井筒和储层温度场变化对CO₂液气转化的影响,对提高CO₂泡沫压裂液的流变性、内相恒定与工艺措施等进行了室内研究.现场试验表明,CO₂泡沫压裂技术能减少进入地层的水基压裂液量,提供地层液体返排的能量,达到了压裂液自喷、快速、多排的目的,从而降低了压裂液对储层的二次伤害,提高了低渗透、低压气藏的压裂效果.     

页岩储层水力压裂支撑裂缝导流能力影响因素

支撑裂缝的导流能力是评价页岩储层水力压裂施工效果的一项重要参数,其大小受到多种因素影响。文中开展了支撑剂类型、颗粒大小、铺砂浓度等对支撑裂缝导流能力影响的室内实验研究。结果表明:陶粒的导流能力明显高于石英砂和覆膜砂,在低闭合压力条件下,20~40目陶粒的导流能力最大,在高闭合压力条件下,组合支撑剂的导流能力明显高于单一支撑剂;铺砂浓度越大,裂缝导流能力越大;循环应力加载模式下,裂缝导流能力比稳载时下降了31.7%,经过滑溜水和胍胶压裂返排液污染后,裂缝导流能力分别下降了33.9%和76.5%。研究成果指导了X-4井的现场压裂施工,该井措施后产气量较高且稳定生产,压裂增产效果较好。     

CO2压裂技术在苏里格气田的应用

针对苏里格气田低压、低渗气藏的特点,以及常规压裂压后液体返排困难,储层水伤害严重的问题,研究利用CO2压裂技术提高压裂液返排效果,减少储层伤害。有针对性地研究了CO2压裂工艺的原理、压裂优化设计技术及压裂配套工艺等。该技术在长庆油田苏里格气田的现场应用表明,应用CO2压裂技术降低了压裂液对气层的伤害,提高了气井单井产量和压裂效果。