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。      

火烧油层过电缆热敏封隔器的研制

针对火烧油层技术注入井出现的高温、腐蚀和监测难等问题,研制了新型过电缆热敏封隔器。该工具设计有2道不同内、外径的同心轴向通道,能有效地保护电缆在封隔器运动过程中不受磨损,同时封隔器的坐封和解封过程不受电缆影响。室内试验成功模拟了该封隔器在350℃高温、10 MPa高压下的密封性能。现场试验结果表明:在点火过程中,火烧油层过电缆热敏封隔器保障了监测数据的实时传输,满足封隔器下部高温,而上部温度不足80℃的要求,在持续注气40个月条件下,油压达到5.1 MPa,套压达到0.1 MPa。该封隔器的研制有效地解决了火烧油层技术点火过程中的监测、密封以及防止油套环空腐蚀等问题,保障了井筒安全。     

带金属护肩封隔器的密封特性研究

针对胶筒肩部突出引起封隔器失效的问题,基于封隔器坐封过程,并考虑高温高压对封隔器密封性能的影响,建立了密封组件非线性接触模型,研究了带金属护肩封隔器的密封特性。研究结果表明,常用封隔器坐封过程中,封隔器胶筒表现出较强的肩部突出特性;胶筒肩部突出随坐封力增大而愈加严重,高温高压加剧肩部突出;阶梯坐封力从初始15 MPa增到38 MPa而最终坐封,随温度上升,左端与中间胶筒的接触压力都随坐封载荷的增大而增加,胶筒的密封性能在井温150℃时达到最优;井下温度30℃时压缩距离最大,随着温度升高,压缩距离逐渐变小但差别较小。     

双向三力加载注气封隔器的研制

针对国内CO_2驱油田注气井普遍存在带套压生产的情况,研制了双向三力加载注气封隔器。新型封隔器采用双液缸结构,胶筒受到双向液压力和外加载荷的充分压缩,在轴向上与套管的接触应力分布更为均匀,大幅度提高了胶筒的密封效果;通过增设胀紧机构,补偿了液压力消失后锁环的回退和持续压缩胶筒产生的微量坐封距,解决了注气封隔器承下压能力不足的问题,从结构上确保了封隔器的密封长效。双向三力加载注气封隔器在CO_2驱油田进行了现场应用,最高注气压力28 MPa,全部实现了无套压生产。该产品的研制成功满足了注气技术对封隔器气密性的要求。     

液压压胀式尾管顶部封隔器研制与试验

机械式尾管顶部封隔器在小尺寸井、浅井和水平井中进行压裂作业时,由于机械下压力不足,容易出现封隔器坐封困难的问题。研制了一种基于液压坐封方式的封隔器,即液压式尾管顶部封隔器。在封隔器坐封原理的基础上设计了多级液缸串联工作方式的坐封结构,解决了机械式封隔器坐封力不足的问题; 同时设计了锚定结构,增大了封隔器坐封的可靠性。地面性能试验表明,该封隔器可在25 MPa内压力条件下实现坐封、30 MPa内压力条件下完成坐挂功能,坐封后密封压力达到70 MPa。该封隔器可实现对尾管重叠段环空的有效封隔。     

压缩式封隔器胶筒力学性能分析

将压缩式封隔器分为自由变形和约束变形2个阶段。从胶筒变形的几何、静力和物理方程中推导出了封隔器密封的最小坐封力;计算了自由变形阶段胶筒的高度,得到了胶筒在有、无工作压差2种条件下的接触应力。在此基础上得到了胶筒的极限密封压力,分析了胶筒的强度,确定合理的坐封力和工作压差。为封隔器胶筒结构尺寸的设计提供理论依据。     

水力扩张式封隔器胶筒力学性能有限元分析

水力扩张式封隔器主要应用于水力喷射压裂作业,而胶筒的性能影响作业的成败。以最常用的K344水力扩张式封隔器为研究对象,运用Pro E和ANSYS Workbench软件建立K344封隔器胶筒三维有限元模型,对封隔器胶筒进行应力分析,得到封隔器胶筒Von Mises应力和接触应力云图。有限元分析结果表明,随着喷射压裂的进行,压裂液流经封隔器,封隔器胶筒温度降低,胶筒应力增加。当温度低于90℃时,应力反而降低;当温度低于70℃时,胶筒应力又逐渐增加。在内压作用下,封隔器胶筒的接触应力由胶筒两端向中间逐渐增加。不同参数封隔器胶筒有限元分析结果表明,影响封隔器胶筒最大应力变化的主要几何因素是胶筒外径和套管内径,胶筒的应力与胶筒外径负相关,与套管内径正相关。内压越大,封隔器胶筒的应力越大;起初,内压增加,胶筒应力迅速增加,当内压大于10.52 MPa后,胶筒应力增速趋缓。     

基于有限元的封隔器密封性能影响因素分析

选择了能够合理描述封隔器胶筒受力变形的Yeoh模型,通过试验测得封隔器胶筒材料的应力与应变关系,利用MATLAB计算了Yeoh模型的常数。对封隔器胶筒进行有限元分析,得到胶筒压缩距、肩部"突出"以及接触应力随坐封载荷的增加而增加;胶筒肩部"突出"使最大接触应力的作用区域变小,且由胶筒中部逐渐转移到加载端,造成胶筒与套管的接触应力分布不均匀,使胶筒密封的可靠性降低。通过试验得到坐封力与压缩距的关系,验证了有限元模型的正确性。     

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。     

双级高效坐封连通器的研制及应用

针对目前油水井作业中使用的底部割缝滑套+压差式封隔器组合工艺管柱存在的问题,研制了双级高效坐封连通器。该连通器由上接头、割缝钢球、密封圈、销钉、割缝滑套、连接套、坐封钢球、坐封滑套、调节弹簧和下接头等组成。双级高效坐封连通器+压差式封隔器组合成工艺管柱,不但可以保证压差式封隔器充分坐封,而且在1·5~3·0MPa低压下即可连通作业层段,现场推广应用取得了良好的效果。