深水下套管激动压力控制工具研制与试验

深水井具有地层破裂压力低作业压力窗口窄的特点,与常规井相比下套管作业产生的激动压力更容易压裂地层发生漏失。为了缓解下套管过程中激动压力的影响,降低下套管期间井漏的风险,自主设计了激动压力控制工具。该工具连接在套管挂送入工具与送入管柱之间,当激动压力大于0.31 MPa时活动套向上运行,工具本体旁通机构打开,压力可通过旁通孔释放;工具带破裂盘的阀板可以通过正循环向下打开;当反循环压力达到5.17 MPa时阀板破裂盘击穿过流面积增大;当正向压力大于15.17 MPa时工具销钉剪切,旁通孔处于永久关位。功能试验及现场测试结果表明,该工具满足设计及加工要求,可降低深水井下套过程中激动压力过高引起井漏的风险,对提高下套管速度、作业安全性和作业时效具有应用价值。     

深水下套管激动压力控制工具研制与应用

深水井具有地层破裂压力低作业压力窗口窄的特点,与常规井相比下套管作业产生的激动压力更容
易压裂地层发生漏失。为了缓解下套管过程中激动压力的影响,降低下套管期间井漏的风险,自主设计了激动压
力控制工具。该工具连接在套管挂送入工具与送入管柱之间,当激动压力大于０．３１ＭＰａ时活动套向上运行,工具
本体旁通机构打开,压力可通过旁通孔释放;工具带破裂盘的阀板可以通过正循环向下打开;当反循环压力达到
５.１７ＭＰａ时阀板破裂盘击穿过流面积增大;当正向压力大于１５．１７ＭＰａ时工具销钉剪切,旁通孔处于永久关位。
功能试验及现场测试结果表明,该工具满足设计及加工要求,可降低深水井下套过程中激动压力过高引起井漏的
风险,对提高下套管速度、作业安全性和作业时效具有应用价值。     

酸性气田开发中腐蚀对套管强度的影响

在酸性气田的套管服役过程中,酸性等腐蚀条件会引起套管的腐蚀,套管腐蚀都会降低套管的有效强度,从而影响套管的抗挤强度和抗内压强度。研究了腐蚀孔引起的应力集中对套管强度的影响。将套管的腐蚀孔看成是类圆形腐蚀孔,以弹塑性力学的知识建立了计算套管腐蚀孔引起的应力集中系数的数学模型,在此基础上建立了套管腐蚀后的剩余强度的计算模型。利用该文推导出的计算套管腐蚀后的剩余强度的计算公式,对影响套管强度的腐蚀孔参数进行了分析,分析了套管剩余强度随着腐蚀孔开口直径和腐蚀孔开口深度这 2个参数变化而变化的关系。     

深水井套管环空泄压装置的研制与应用

针对深水油气开发中因密闭环空压力升高而导致的套管挤毁、破裂等问题,研制了一种深水井套管环空泄压装置,并对其进行了性能测试和现场应用。该泄压装置以高精度破裂盘为核心部件,利用爆破片材料能瞬时泄压的特性,释放环空高压膨胀流体,消除套管环空压力升高带来的危害。破裂盘阀体选用SS316不锈钢,爆破片选用NS312镍铬合金,采用普通正拱形结构,最高设计破裂压力36.6 MPa;破裂盘套管短节采用双孔泄压设计,以防破裂失效。室内性能测试结果显示,破裂盘结构完整,耐温性能、时效稳定性好,能满足工程中0.80倍设计破裂压力条件下的稳压要求;实测破裂压力符合制造范围偏差±3.0%的设计要求;同时,随着流体介质温度升高,破裂压力降低,降低幅度不超过5.0%,小于破裂压力允值,满足现场应用需求。深水井套管环空泄压装置在南海东部某区块3口深水井进行了应用,均取得良好的应用效果,投产至今未出现由于环空压力升高导致的井下故障。研究表明,深水井套管环空泄压装置达到了预期的环空压力控制和管理的目的,可保障井筒安全。      

拉弯复合载荷作用下的API短圆套管螺纹力学行为

套管下入水平井弯曲段时,套管螺纹是否已发生屈服对于随后的钻进和油气井生产有至关重要的影响,而目前国内外对于井眼曲率（弯矩）对套管螺纹连接强度和密封性能影响的研究极少。笔者基于虚功原理、接触非线性理论及vonMises屈服准则,建立了API短圆套管螺纹连接的三维计算模型,研究了拉弯复合载荷下连接螺纹的应力分布规律,指出井眼曲率（弯矩）对套管的连接强度和密封性能影响极大,并通过大量计算绘制了给定井眼曲率时的最大许用套管悬重图,综合考虑连接强度和密封能力推荐了API短圆套管螺纹标准所列锥度、螺距、螺纹长度、牙高参数系列中的最优值。     

水下套管挂和密封总成下放工具设计

套管挂和密封总成下放工具是重要的水下井口头系统作业工具,在对比分析国外技术的基础上,以安全、高效、低作业成本为目标,运用模块化设计方法划分下放工具的功能结构单元,完成工具的详细设计。对工具中心轴连接螺纹强度进行研究,并分析了齿根圆角半径对接触应力的影响。结果表明:最大等效应力836.599MPa出现在第1齿螺纹齿根的下侧,随着螺纹齿根部圆角半径增大,螺纹齿接触应力逐渐减小。     

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。     

不钻塞选择性完井工艺在塔里木油田的应用

为满足塔里木油田碳酸盐岩储层水平段封隔水层、漏失层和减少储层污染等的要求,在分析塔里木油田碳酸盐岩储层结构特点的基础上,设计了选择性完井不钻塞筛管顶部注水泥工艺的管柱结构,剖析了主要工具结构特点、工作原理,推荐了现场易于操作及控制的工艺流程。研究结果表明,采用"筛管+盲板+管外封隔器+固井开孔短节"的管柱结构,工具安放位置不受井斜控制,固井开孔短节可反复开关循环孔,安全可靠性高,施工后套管内不留水泥塞,节约了扫塞时间。在塔里木油田试验6口井,完井作业顺利。现场试验表明,该工艺可实现碳酸盐储层水平井的分段开采,提高油田开发效果。      

基于有限元分析的高泵压压裂井射孔参数优选

高泵压压裂时套管的内外压差较大,易发生管体破裂或沿射孔孔眼撕裂问题。为了优选射孔参数,以尽量提高射孔套管的剩余抗内压强度,并为泵压控制提供依据,基于ANSYS有限元分析方法,以139.7 mm×9.17mm P110套管为研究对象,分析在内压、外压与轴向力共同作用下,不同射孔参数对套管抗内压强度的影响,以此优选出最佳的射孔参数。分析结果表明,对目前常用的射孔参数,孔径与相位角不变,孔密在8~24孔/m之间时,最佳孔密为18孔/m或20孔/m;孔密与相位角不变,孔径在6~16 mm之间时,最佳孔径为8 mm或10 mm;孔密与孔径不变,最佳相位角为60°或90°。     

减摩及电缆保护油管短节设计与安装间距分析

针对磁导向工具在作业过程中,油管下放摩阻较大及传输电缆磨损的问题,提出一种减摩及电缆保护油管短节。对短节的结构及原理进行了阐述,结合管柱受力变形分析给出了扶正器在井下的安装间距计算方法,并进行了实例计算和分析。结果表明:短节安装间距计算方法与实际要求基本相符,且随着井斜角的增大,安装间距减小。该油管短节结构简单、安装方便,能减少油管在井内起下过程中的摩擦阻力和磨损,有效避免电缆在油管与井壁的环空中受到挤压或磨损,保障井下测试作业的稳定性,节省作业时间和成本。     

海洋深水钻井井口头系统下放工具研究

介绍了Vetco和Dril-Quip公司的几种典型水下井口头系统下放工具,即临时导向基座(TGB)下放工具、762 mm导管头下放工具以及套管挂和密封总成下放工具。对这几种下放工具的结构特点和作用过程进行分析和总结,提出了改进意见和改进方案———应采用反推的原则设计井口头系统下放工具,明确下放工具与要下放的原件之间的配合方式,确定配合方式后,对下放工具中间部件的连接方式进行设计。这对我国自主开发井口头系统下放工具具有参考价值。     

底法兰（套管头）快速安装装置的研制与应用

在钻井过程中,底法兰或套管头与套管的快速正确安装,对减少套管螺纹的损伤,保证井口安全具有重要作用。但是国内长期以来底法兰（套管头）与套管螺纹的连接方法为直接吊装对扣、使用钢丝绳直接吊挂进行旋转紧扣,因吊装设备的上提下放幅度较大,对扣时非常容易因碰击造成螺纹损伤,从而造成返工或底法兰（套管头）的报废。文章介绍了一种防止错扣及碰扣的底法兰（套管头）快速安装装置,可有效地保证底法兰（套管头）与套管的现场安装质量。     

基于ANSYS的电磁随钻测量信号中继传输特性分析

基于中继器工作原理,应用ANSYS有限元分析软件,建立电磁随钻测量信号中继传输的二维轴对称仿真模型,并研究电场分布及钻杆上的电流分布特征、套管和钻杆对中继信号的影响。仿真结果表明：电势越靠近钻柱变化越快,电流在激励源处出现最大值,并整体向钻柱两端递减,但在绝缘短节处出现极小值;套管对中继信号起到屏蔽和引导作用,且随着套管电阻率的增加而减弱。当中继绝缘短节未进入套管时,引导作用占主导,信号强度随套管下入而增加;当中继绝缘短节进入套管后,套管对信号的屏蔽作用占主导,导致信号强度突然减小;但套管下入一定深度后,屏蔽作用不再增加,信号强度随引导作用的增加而缓慢增加。钻杆长度和钻杆电阻率与信号强度分别呈负相关和正相关关系。因此,安装中继器位置时,应该尽量选择位于套管外但靠近套管管鞋处的位置,这有利于提高电磁随钻测量信号强度。     

偏磨套管破裂强度三维弹塑性有限元分析

为了更真实地模拟套管在内压下的破裂过程及影响因素,基于弹塑性大变形理论,建立套管三维有限元模型,对偏磨套管的破裂问题进行了研究。结合实验数据,提出了新的判断套管破裂的强度准则,给出了“月牙形”模型中偏磨率和“偏心筒”模型中偏心率的关系,并讨论了偏磨半径和偏磨率对偏磨套管破裂强度的影响。结果显示,套管内壁应力达到极限强度作为套管破裂的强度准则较为准确;偏磨半径对套管破裂强度影响较小;破裂压力随偏磨率的增加近似呈线性下降。研究结果可为套管柱设计提供理论支持。     

基于ANSYS的延长线对EM-MWD信号传输的影响

为了研究延长线对电磁随钻测量(EM-MWD)信号传输的影响,基于ANSYS有限元软件,对延长线型EM-MWD信号传输特性进行了仿真,从延长线长度和延长线单位长度电阻方面开展了研究。建模时假设井眼为直井,钻柱轴线与套管轴线重合,钻柱全为钻杆。分析结果表明:随着延长线长度增加,EM-MWD信号接收强度先快速增强,后缓慢增强或减弱;延长线单位长度电阻越小,EM-MWD接收信号越强;当绝缘短节位于金属套管内时,延长线型EM-MWD的地面接收信号弱于常规EM-MWD;当绝缘短节位于金属套管外时,延长线型EM-MWD接收信号强度比常规EM-MWD强。所得结果可为延长线型EM-MWD传输技术的现场应用提供指导。     

基于四参数流变模式的套管下放速度分析

固井下套管作业中,井底压力平衡与波动压力的大小密切相关。套管下放速度是影响波动压力的主要因素,因此确定合理的套管下放速度,对安全固井具有重要的意义。基于下套管工况,以先进的四参数流变模式为基础,利用窄槽模型,根据井筒流体流动的连续性和相应的边界条件,得出窄槽模型下的环空流量,以此流量与常规模型下得到的流量相等为条件,建立套管最大安全下放速度计算模型。模型验证结果显示,该模型计算的套管安全下放速度与实例井套管下放速度误差在10% 以内,表明该计算模型具有一定的精度,可以为现场固井下套管作业提供参考。     

高温高压深井地层测试工具低频度失效案例解析

高温高压深井苛刻的井底工况，很容易使测试工具的缺陷和瑕疵扩大，从而造成地层测试作业的失败。测试作业人员如果没有丰富的经验以及充分的防范措施，很难确保测试作业的高成功率，尤其是一些低频度的工具失效形式，更是增加了测试失败的几率。文章针对在一些案例井中出现的RDS阀循环孔提前开启、RDS/RD阀循环孔无法开启、测试管柱发生单向串漏、油套压力间歇性窜漏等罕见的失效形式，经过逐步的解析，发现了破裂盘的焊接质量问题、密封圈抗气爆性能失效、套管的大尺度变形及磨损、温度效应造成管柱长度的大范围伸缩等潜在原因。从而提出了加大破裂盘的抽检比例，并且在其安装在外筒后，坚持按照破裂值80%试压；选择抗气爆性能优越的密封件；测试前开展套管磨损检测及分析计算；开展作业全过程管柱三轴应力分析计算等对应解决方案，进一步提高了入井工具应用的成功率。     

高腐蚀环境下油井管剩余抗挤强度的理论解

在高温高压高酸性气田中,油井管局部腐蚀或点蚀会产生应力集中,降低油井管强度,严重时会发展成穿孔泄漏。在本体应力集中系数应力分量表达式的基础上,推导了浅半球腐蚀孔、半球腐蚀孔及深半球腐蚀孔的应力集中系数表达式,并对油井管的剩余抗挤强度进行修正,同时应用推导的腐蚀孔应力集中系数公式对套管的剩余抗挤强度影响规律进行研究。结果表明,腐蚀孔直径d=2.5mm、深度h=1mm时,套管剩余抗挤强度下降近46%,而当h=1mm、d=5或7mm时,套管剩余抗挤强度分别下降30%和20%。     

射孔参数对套管强度影响有限元分析

在不同的孔密、孔径和相位角情况下,应用板壳弹性体线性理论模型,对射孔套管进行了有限元分析,并对射孔套管强度的影响程度进行了计算。结果表明:孔密小于32孔/米时,套管强度的影响程度不大;孔径小于16mm时,套管强度的影响程度可以忽略;90°相位角套管强度影响程度最低。     

基于OrcaFlex的水下采油树钻杆下放影响因素敏感性分析

针对东方1-1气田的海况,基于OrcaFlex专业海工软件建立平台钻杆下放采油树的仿真模型,研究了水下采油树在下放过程中钻杆的受力情况,以及采油树的运动响应问题。研究结果表明:在钻杆受力方面,下放过程中所受到的Von Mises应力以及弯矩都主要集中在钻杆上部靠近钻杆顶端处,在钻杆与采油树连接处有较小的应力集中和弯矩。在敏感性参数分析方面,风速对下放过程钻杆受力、弯矩以及水下采油树的运动响应影响很小; 海流流速、浪高、海况的方向角度对其影响较大,其中海流流速和浪高都是正影响; 不同的海况方向角度对钻杆的受力和采油树的运动响应有不同程度的影响。研究结果将对国内水下采油树的安装提供一定指导作用。