水平井封隔器卡瓦的有限元分析及结构改进

在石油钻采中，封隔器卡瓦承受巨大压力易发生断裂，直接影响到封隔器的密封性能，从而影响油井的开采过程及生产安全。运用有限元分析软件ANSYS Workbench对卡瓦进行有限元数值模拟分析。施加140 kN载荷时，卡瓦最大应力为230.11 MPa，超过其材料的最大抗压强度；对卡瓦封隔器试验模型进行压裂试验，试验施加压力为186.33 kN时卡瓦发生断裂，测得抗压强度为233 MPa；对卡瓦进行结构设计，卡瓦牙间距尺寸分别为15 mm、25 mm和30 mm。根据有限元分析结果，卡瓦牙间距为30 mm时卡瓦应力、应变分布趋于均匀，所承受的最大载荷为240 kN，最大应力为230.66 MPa、最大变形量为0.058 mm，证明此卡瓦结构尺寸较为合理。     

整体式卡瓦断裂过程的有限元分析

耐高温高压封隔器大都采用整体式双向卡瓦,而国内缺乏对整体式卡瓦受力及断裂过程的相关研究。为此,运用现代设计理论及ANSYS软件,对整体式卡瓦断裂过程进行了有限元分析,得到了卡瓦的初次断裂、二次断裂及最终断裂临界点,绘制出卡瓦外载荷-轴向位移关系曲线图。有限元分析结果为以后根据封隔器实际工作情况设定合理的坐封载荷及对整体式卡瓦的结构尺寸进行优化设计提供了参考依据。     

分瓣式卡瓦接触应力实验研究

封隔器卡瓦是封隔器的重要零部件,其工作性能好坏直接影响封隔器在使用中的成败和生产安全.本文采用光弹性实验对封隔器卡瓦进行了模拟试验应力分析.得到了封隔器卡瓦应力分布规律,对于卡瓦同一个齿的齿尖应力分布主要在齿面的两侧,同一轴向剖面内,卡瓦上下两端齿尖的应力比中间区域的应力大得多.上述研究结论为优化卡瓦结构、提高工作性能提供了实验基础和理论依据.     

UPP-9型笼式卡瓦高温高压完井封隔器研制

提出的卡瓦结构设计方法涵盖材料评估与选择、卡瓦组件结构优化、卡瓦结构参数优化、卡瓦测试验证等流程。应用该方法设计了可以控制启动载荷的上、下笼式卡瓦组件结构。结合ANSYS有限元分析、样机测试等方法,对所设计的笼式卡瓦组件进行优化设计与试验验证。对带有防挤出护肩的2种胶筒密封组件的试验研究表明,带隔环的三胶筒结构更为优异。在此基础上,研制了高温高压液压坐封永久式封隔器,额定工作压力68.94 MPa(10 000 psi),额定工作温度204.4℃(400℉)。测试结果表明,所研制的封隔器符合API SPEC 11D1标准V0级测试要求。     

高温高压井完井封隔器卡瓦抗剪切强度分析

卡瓦作为封隔器中重要的组成部分,起支撑封隔器和锁定胶筒的作用。针对坐封后卡瓦的咬入会对套管产生损伤,以及套管剪切力会对卡瓦产生损害等问题,模拟高温高压完井封隔器卡瓦的实际受力情况,建立了简化的完井封隔器卡瓦的力学模型,应用弹性力学理论分析了卡瓦的剪切强度,得到了卡瓦剪切强度的计算方法和卡瓦发生损坏的边界条件;采用ANSYS软件分析了卡瓦咬入套管的深度。研究发现,前4个卡瓦牙基本上承受了整个卡瓦作用力,在同一卡瓦牙上,应力最大值出现在卡瓦牙最顶端部位,且对比不同位置的卡瓦齿,发现相同节点的等效应力逐渐下降。第7个卡瓦齿上所有节点的Mises应力很小,可以忽略不计。     

新型封隔器卡瓦

分析了封隔器卡瓦的结构特点及存在的问题，提出了一种新型卡丽在坐卡时沿径向平行向外移动，从而具有坐卡可靠，不锡损坏套管，卡瓦不易折断之优点。     

封隔器卡瓦损伤套管的模拟试验研究

在油田开发中封隔器是实施机械采油、分层注水、分层压裂或酸化、机械卡堵水等注采工艺作业的主要井下工具之一,封隔器上的卡瓦是保证工作可靠性的重要元件,把卡瓦安装在模拟试验装置中,通过在套管壁周围分布位移传感器,测得卡瓦锚定后加入套管壁深度,判断卡瓦对套管的损伤程度,这对封隔器的设计和现场使用具有十分重要的意义。     

海上热采井完井封隔器卡瓦结构优化

为满足热采工艺要求,渤海油田稠油开发井普遍采用高钢级生产套管,现场作业中常出现完井封隔器坐封之后因悬挂力不足而定位失败的问题。为此,结合封隔器分瓣式楔形卡瓦结构特点,以卡瓦牙齿面与套管内壁全接触为设计依据,优化设计新型封隔器卡瓦,通过受力分析推导得出封隔器卡瓦咬入套管深度的理论计算模型,结合卡瓦咬入套管深度和卡瓦牙结构,得出新型封隔器卡瓦剪切强度的计算模型。通过理论计算和有限元法对设计卡瓦进行了优化分析,对比分析了卡瓦外径、坐封力和套管钢级对卡瓦悬挂极限载荷的影响。计算分析表明,卡瓦外径是影响卡瓦悬挂力的主要因素,非同心全接触楔形卡瓦可以大幅提升卡瓦悬挂能力。室内测试表明,在坐封力350 kN情况下,新型封隔器卡瓦能够有效锚定TP125H钢级套管,满足现场工况要求,有望解决现场技术难题。     

JDY441可取式卡瓦封隔器的研制与应用

为了解决可取式卡瓦封隔器存在的锚定和解卡不可靠问题,通过改进、优化封隔器锚定机构和解卡机构,研制了JDY441可取式卡瓦封隔器。该封隔器由防撞部分、坐封部分、锁紧部分、密封部分、锚定部分及解封部分组成,采用多级液压缸坐封、双向卡瓦锚定,封隔器密封、锚定安全可靠。室内试验和现场应用结果表明,封隔器的工作压力达到35 MPa,工作温度为135℃,解封力为96 kN。     

RTTS封隔器卡瓦力学性能分析

为了解RTTS封隔器卡瓦在井下的力学行为,优化其结构参数和提高其承载能力,利用弹性力学楔形体应力分析方法分析了RTTS封隔器卡瓦的应力分布及强度,确定了卡瓦牙根部的应力集中系数与集中应力,同时根据井下卡瓦的平衡条件,导出了RTTS封隔器卡瓦在井下承受的真实轴向载荷的计算公式。算例分析结果表明:(1)卡瓦下端面牙齿受力较大,该点为应力危险点,而卡瓦端面最薄处牙齿受力则较小;(2)相同轴向载荷作用下,封隔器卡瓦在不同套管尺寸下的应力分布不同;(3)增大卡瓦片数、牙面长度、牙面宽度及卡瓦楔角等结构参数可以有效降低卡瓦的相当应力。因此,校核RTTS封隔器卡瓦的强度应以其牙根部应力危险点为依据。     

可提出式插管封隔器关键技术及现场应用

插管封隔器是水平井多级滑套裸眼封隔器压裂工艺的核心工具。针对多级滑套压裂施工过程中插管封隔器存在的提前坐挂、下入遇阻等问题,分析了可提出式插管封隔器工具的工作原理及关键技术,阐述了送入和坐封工具的结构组成,采用整体式合金卡瓦避免入井过程中卡瓦损坏导致的提前坐挂现象和保证卡瓦的双向锚定性能,创新地提出了机械和液压双作用丢手工具和解挂工具,提高其承载能力和回收性能。数值模拟和地面实验表明,可提出式插管封隔器承载能力大于600 k N,封隔压差70 MPa,并顺利解挂,各项功能均满足设计要求。在现场×6井应用中,由于异常井况,工具发生提前坐挂,下入解挂工具后顺利实现封隔器解挂和管串提出。     

库车山前深层高温高压气井多封隔器分层压裂工艺

库车山前区域深层高温高压低孔低渗气藏多封隔器分层压裂作业易发生封隔器失效、钢球堵塞管柱及射孔段下部替液不干净等问题,成为影响储层改造作业成功的关键问题。为解决上述问题,在完井管柱上加装了伸缩短节并延伸管柱至射孔段底界;研发了一种高强度铝合金可溶球,以三聚氰胺为过渡层的复合有机硅树脂涂层为其特殊保护膜,其承压强度在69 MPa以上且溶解速度先慢后快;研发了一种全通径压裂阀,采用棘爪式结构和投球打压方式,滑套打开侧孔时扩径通过球,使球移动至管柱底部,其通径可与下部封隔器保持一致,形成了适用于深层高温高压气井的多封隔器分层压裂工艺。现场累计应用14井次,未出现封隔器压裂时失效、管柱堵塞和替液不净等问题。分析表明:伸缩短节能够缓解温度效应和管内外压差产生的轴向力;可溶球满足压裂施工需求的同时,避免了滞留堵塞现象的出现;延伸管柱配合全通径压裂阀为射孔段替液和压裂液有效注入提供了通道,解决了射孔段钻井液沉淀堵塞和支撑剂沉积在井底的问题。多封隔器分层压裂工艺能够为深层高温高压气井储层压裂改造提供可靠技术支撑。     

高温深层碳酸盐岩裸眼酸压完井封隔器研制与现场试验

针对塔北深层奥陶系油藏裸眼完井过程中封隔器胶筒易老化、骨架易破损的问题,进行了故障原因分析,设计了柔性锚瓦结构,以保护钢骨架,防止大扩张比、高承压状态下钢骨架变形过大造成的胶筒破坏;在保持氟橡胶（FKM）优异耐老化性能的基础上进行了改性,提高其塑性和热稳定性,使其更容易在模具中注胶和成型;坐封机构进液通道设计了可投球激活的保护滑套,可以避免钻井液沉淀堵塞。改进后的裸眼封隔器耐温达180 ℃,封隔能力强,适用于不规则裸眼地层的长期密封。塔北哈拉哈塘作业区4口井应用了改进后的裸眼完井封隔器,封隔器下入顺利,坐封显示明显,大规模酸压施工及求产过程中套压无异常。研究结果表明,改进后的封隔器满足完井–酸压–求产一体化工艺需求,解决了塔里木盆地深层油气开发存在的问题,具有较好的推广应用价值。      

油井管空心轻质爬行器设计研究

在多层复合油气藏,为提高单井的经济效益,采油前可先进行分层压裂。压力液通过空心轻质爬行器对过球式喷砂滑套内的滑套施加压力来剪断过球式喷砂滑套上的剪钉,打开喷砂嘴。通过封隔器、过球式喷砂滑套和空心轻质爬行器的配合使用完成油井下层的有效封堵。对空心轻质爬行器进行了优化设计和虚拟装配,介绍了基本原理和工作特点,并对爬行器的强度进行了有限元分析。     

QHY341型压裂封隔器的研制及应用

为实现投入少、压开层位多的一次管柱多层压裂,研制了QHY41型压裂用封隔器。这是一种无支撑、液压坐封、上提管柱解封的压缩式封隔器,能满足中深油藏一次管柱分压三层的需要。封隔器采用双液缸压缩两级胶筒密封,最高耐压70MPa,在分解成两级使用时,单级耐压达到45MPa。喷砂滑套与封隔器主体连成一体,减少了施工时的沉砂量,不易造成砂堵。由于每个封隔器的解封距由上至下逐渐递减,多个封隔器的解封载荷始终相当于一个封隔器的解封载荷,有利于顺利解封。封隔器还有反洗功能,可保证不被砂卡。6口井共9个小层的分层压裂施工均获成功,但一次管柱分压3层以上的尚待试验。     

水平井预置管柱完井与连续油管带底封分段压裂一体化技术

在大牛地气田致密气藏开发中,常规水平井预置管柱分段压裂为其主体技术,但该技术存在分级滑套逐级缩径、不能全部返出的分级球滞留井底的问题,不利于压后排水采气、地层测试及后期措施改造等作业。预置管柱与连续油管带底封压裂相结合的完井压裂工艺可以达到全通径的工程技术要求,通过压裂材料优选和压裂施工参数优化,在A井进行了现场试验,压后获得无阻流量6.07×104m3/d。同邻井应用效果对比来看,采用预置管柱完井与连续油管带底封分段压裂工艺施工效果明显好于固井完井压裂效果,与采用常规预置管柱裸眼封隔器压裂工艺效果持平,可进一步推广应用。     

套管封隔器分段压裂管柱遇卡原因分析及解决方案

为了降低套管封隔器分段压裂的施工风险,解决压裂结束后套管封隔器分段压裂管柱上提易遇卡的问题,以某区块一口水平井的套管封隔器分段压裂为例,从压裂管柱上提时的载荷、上下活动距离和返排液性质等特征因素入手,详细分析了该井前3段压裂后压裂管柱上提遇卡的原因,并制定了解卡措施,压裂管柱顺利解卡.为防止后续6段压裂再出现压裂管柱上...     

φ140型裸眼分段压裂套管外封隔器的研制

封隔器是水平井裸眼分段压裂完井管串中的关键部件,其性能好坏将决定压裂施工的成败。为此,研制了φ140型裸眼分段压裂套管外封隔器。这种封隔器由定位套、阀环体总成、胶筒总成、中心管、滑套和剪销等组成,在井径不大于240 mm时,可密封外环空压力70 MPa。室内试验和现场应用表明,这种封隔器具有结构简单、密封可靠、承压高、耐高温、适应井径范围大等特点,能够满足水平井裸眼分段压裂施工的要求。     

ZYT441—114桶式卡瓦封隔器的研制

常规卡瓦封隔器由于采用粗牙分瓣式卡瓦结构 ,对套管的伤害较大。为此 ,研制了ZYT441— 1 1 4桶式卡瓦封隔器 ,其特点是采用独特的细牙、整体双向卡瓦锚定结构 ,使卡瓦沿套管内壁周向全接触 ,增加了卡瓦与套管内壁的接触面积 ,减小了卡瓦牙对套管内壁的嵌入深度 ,改善了套管的周向应力分布状态 ,大大降低了卡瓦对套管的伤害。室内及现场试验表明 ,该封隔器对套管的伤害较小 ,同时具有坐、解封灵活可靠 ,耐高温、高压等优点。