射孔冲击载荷对作业管柱的影响及对策

超深井射孔完井常采用射孔、测试、酸化三联作工艺技术,作业管柱通常包括射孔器材、封隔器、测试工具等井下工具,射孔瞬间形成的动态载荷对作业管柱产生影响,可能使射孔管柱发生弯曲、断裂等。为此,采用理论经验公式和ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,并结合有效的动态载荷对射孔管柱加载冲击载荷进行动力学模拟分析,开展了不同射孔管柱长度、管柱厚度以及距离约束端长度等管柱力学模拟分析。结果表明:作业管柱长度越长、射孔厚度越厚、距离约束端长度越长其有效应力越小,整个井下管柱系统越趋稳定。通过射孔冲击载荷对作业管柱的影响分析,总结出了有效缓解射孔管柱冲击的方法,减少射孔工程井下事故,从而提高油气井射孔完井的安全。     

超深井射孔管柱动态力学分析

超深井射孔完井过程中,射孔瞬间形成的动态载荷对射孔管柱产生影响,严重时会使射孔管柱弯曲、断裂.通过管柱动力学理论分析,利用PulsFrac射孔工程软件对射孔管柱在超深井井况下进行力学仿真.利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对射孔管柱进行隐-显动力学分析.认识到射孔管柱受到口袋长度、井液密度、管柱长度、射孔厚度、井深以及枪弹变化等因素影响,射孔时受约束的封隔器下端面处射孔管柱受力最大.提出了提高油气井射孔管柱安全性的6项措施.     

油气井管柱冲击动力问题研究概况和发展趋势

钻采作业中经常遇到管柱冲击动力问题。具体工况包括：①射孔和爆炸松扣解卡时,炸药爆炸引发的管柱冲击振动;②用震击器解卡时,突然泄流和震击力引发的管柱冲击振动;③钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆柱断脱或刹车不灵或操作失误,导致管柱沿井筒向下滑落冲击井底或泵阀,以及管柱下放时突然遇阻的情况。对文献的相关研究进展进行了评述,并介绍了油气井管柱力学三原理、油气井管柱动力学基本方程、油气井管柱的屈曲和拉力扭矩分析、钻柱动力学、直杆和薄壁管在轴向冲击作用下的应力和变形、以及有限元力学仿真的研究进展;最后,对管柱冲击动力研究的力学模型、数学模型、求解方法和预期结果等提出了建议。     

射孔段管柱瞬态响应及应力强度分析

为了了解射孔爆轰载荷作用下射孔段管柱的动态响应和应力强度安全性,应用ANSYS有限元分析软件建立了射孔段管柱有限元模型,对射孔段管柱进行瞬态响应及应力强度分析,得到了射孔段管柱振动位移、速度、加速度及等效应力等对射孔冲击载荷的响应规律,并考察了射孔段管柱长度和壁厚对管柱应力强度的影响。分析结果表明:在射孔爆轰载荷作用下,射孔段管柱受压缩和拉伸冲击载荷交替作用;管柱各处的振动位移、速度和加速度都随时间做周期性变化,且周期相同;距离封隔器越远(距离射孔爆轰源越近),振动速度和振动加速度幅值越大;射孔冲击引起的管柱振动加速度峰值可以达到重力加速度的数百倍,从而产生剧烈的动载;离封隔器越近,管柱的振动位移越小,但管柱的等效应力越大;射孔段管柱越长,管柱壁厚越厚,最大等效应力越小。所得结论可为射孔段管柱优化配置提供参考。     

长井段水平井油管输送式射孔管柱防卡技术

水平井油管输送式射孔后,管柱遇卡的现象时有发生。长井段水平井油管输送式射孔时,由于射孔器串长,射孔后管柱遇卡的风险更高。文中结合PG气田DW区块地质特点,针对造成射孔管柱遇卡的主要原因,通过设计适合DW区块地质特点的关键射孔参数、研发低碎屑射孔弹、制定射孔管柱扶正措施等。降低了长井段水平井油管输送式射孔管柱遇卡的风险,该技术在PG气田DW区块4口超长井段水平井的射孔施工中应用,射孔一次成功率100％,射孔后管柱上提摩阻在正常范围内     

射孔动态特征测试分析系统研制及应用

在超高温超高压射孔完井中常面临射孔管柱弯曲断裂、管柱遇卡、射孔后套管变形等一系列复杂工程事故。介绍了射孔爆炸载荷响应井下测试系统和射孔动态特征分析系统。该系统可以测量射孔瞬间压力响应、加速度响应等参数;分析系统具有压力波频谱分析、压力波频谱校正、速度分析、位移分析、单位冲击力分析等功能。该测试分析系统的研制及应用,解决了超高温超高压射孔完井技术的瓶颈问题。     

T114通径射孔器

T114C40—8通径射孔器由通径点火头、射孔枪、夹层枪、口袋枪、碎解弹架、低碎屑弹、导爆索、外接头、定位盘和释放枪尾等组成。用油管输送到目的层，投棒点火后，在完成单层或多层射孔的同时。点火头内部组件、弹壳、弹架、定位盘等全部碎解成细屑和点火棒一起落入口袋枪或井底口袋，在枪内形成轴向通径。此通径射孔器既适用于普通油气井，又适用高压油气井，不仅可减少管柱起下，节约施工费用，更重要的是避免射孔后，高压油气井起下管柱带来风险和影响产量，避免压井造成地层污染伤害。     

聚能射孔对水泥环的冲击损伤试验及数值模拟

对于聚能射孔,现有研究主要集中于射孔后套管的破损及强度变化,对聚能射孔动态冲击载荷下水泥环损伤研究涉及较少。鉴于此,以聚能射孔冲击对水泥环的损伤为研究对象,开展了带温压的实弹射孔打靶试验,研究分析了射孔弹类型及水泥环自身性能对其损伤程度的影响。结合聚能射孔弹结构特性,采用有限元数值模拟软件建立射流形态仿真模型,可有效模拟射流的形成、发展和冲击动态过程,并计算动态冲击载荷。数值分析与试验结果对比表明,建立的套管-水泥环-地层数值模型和水泥环损伤数值模型可有效模拟射孔动态冲击载荷作用下的水泥环损伤情况。研究结果可为射孔参数优化和水泥浆体系优化设计提供指导,对提高射孔后水泥环的力学完整性,降低射孔冲击对水泥环的损伤,延长油气井寿命具有重要意义。     

跨隔射孔测试联作技术研究及应用

论述了跨隔射孔测试联作工艺技术的原理、管柱结构和现场应用情况。它的井下管柱采用双封隔器结构,射孔枪接在两个封隔器之间,用油管把测试工具和射孔枪送入井下并对准油层,负压射孔后立即进行地层测试,录取地层资料,实现射孔和测试的连续施工。应用这项技术能够解决油气井任意选层射孔测试联作的技术难题,减少打、钻桥塞作业,减少井筒储存影响,实现负压射孔,有效地防止井喷,确保安全生产和环境保护。研制开发了双通道剪销封隔器、电子压力计保护托筒等一批新型井下工具。解决了射孔弹爆炸瞬间产生的巨大震动和压力波对井下工具及仪表的冲击破坏问题。     

油管输送射孔抽油泵联作技术研究与应用

为了避免射孔后压井取管柱再下抽油泵对地层造成的再次污染，开发了油管输送射孔（TCP）与有杆抽油泵联作工艺技术。该技术是将油管输送射孔与采油或注水管柱结合起来，使射孔守井与新井下抽油泵用一趟管柱完成。介绍了联作的原理与工艺流程、抽油泵的选择原则、射孔枪爆炸压力与压力传播试验分析，应用管柱力学软件对抽油泵的受力进行分析、计算及强度校核。在此基础上，设计了合理的下井管柱结构，在大庆油田采油三厂和八厂现场应用，一次获得成功，见到了明显的效果。该工艺尤其适用于高压、异常高压油层的生产井，可提高射孔完井效率，又可预防井喷事故发生，减少作业次数。     

射孔冲击载荷对射孔—酸化—测试联作管柱的影响分析

针对射孔弹起爆时产生的瞬时压力场进行了研究,建立了射孔冲击载荷的计算模型,通过对计算模型进行变量分析得出了射孔弹数目、引爆间隔时间、主装炸药量、人工井底物理条件及"口袋"深度对射孔冲击载荷的影响规律。以该计算模型为基础,对封隔器以下管柱在射孔冲击载荷下的受力进行了分析,建立了管柱的力学计算模型,得出了管柱发生螺旋屈曲及塑性形变的临界载荷计算公式,可为射孔—酸化—测试联作管柱的强度校核提供参考,从而提高联作管柱射孔完井的安全性。     

油气井杆管柱力学研究进展与争论

油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。在石油与天然气工程学科中,油气井杆管柱力学是一门重要的应用基础科学。先介绍了油气井杆管柱力学的相关专著、从事油气井杆管柱力学研究学者、研究油气井杆管柱力学的方法并澄清了一些基本概念;进一步重点介绍了油气井杆管柱力学基本原理、油气井杆管柱的运动状态、油气井杆管柱动力学基本方程、油气井杆管柱的稳定性、油气井杆管柱的稳态拉力扭矩、下部钻具三维力学分析、钻柱动力学、套管柱力学分析、测试管柱力学分析、压裂注水注汽管柱力学分析、有杆泵抽油系统诊断和参数优选与节能、采气管柱的振动、管柱的冲击震动、膨胀筛(套)管力学分析、隔水管柱力学分析、振动波信号在管柱中的传播、管柱的磨损和腐蚀与冲蚀、管柱的剩余强度和疲劳强度预测等方向的进展与争论;展望了油气井杆管柱力学的重点研究方向。     

油气井杆管柱力学研究现状和发展方向

油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作 ,在各种力的作用下 ,处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井管柱进行系统的、准确的力学分析 ,具有重要的工程实用意义。鉴于此 ,介绍了油气井杆管柱的组成及研究油气井杆管柱力学的重要意义。重点阐述油气井管柱的运动状态、动力学基本方程、油气井杆管柱稳态拉力和扭矩、下部钻具三维力学分析、钻柱振动、杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统参数诊断和优选等方面的研究意义、研究应用现状和发展方向     

TCP与生产管柱联作技术研究

为了避免射孔时地层再次受到污染，达到保护油气层的目的，以及满足地面环保要求，开发了油管输送射孔(TCP)与生产管柱联作工艺技术。该技术是将油管输送射孔与采油或注水管柱结合起来，使射孔完井与新井下抽油泵一趟管柱完成。本文介绍了抽油泵的选择原则、射孔枪爆炸压力与压力传播试验分析，应用管柱力学软件对抽油泵的受力分析、计算及强度校核，在此基础上，设计了合理的下井管柱结构，在大庆油田采油三厂和八厂的现场应用。一次获得成功。见到了明显的效果。该工艺尤其适用于高压、异常高压油层的生产井。既可提高射孔完井效率。又可预防井喷事故发生，减少作业次数、降低井喷压井所带来的水泥车和压井液费用，同时减轻了工人劳动强度。     

114.3 mm尾管射孔技术在渤海高温高压井的应用

以海洋石油某高温高压气井为研究对象。海3井完钻井深5 329 m,为渤海第一深井,生产套管为114.3 mm尾管,177.8 mm尾管回接至距井口317.34 m,井身结构复杂。针对该井射孔作业存在的技术难点,对射孔工艺方案选择,点火方式选择,射孔管柱设计及现场施工等方面叙述。本井射孔段分为两层,以底层为分析对象,采用TCP平衡射孔方式,经设计讨论分两次平衡射孔,单独下一趟负压返涌管柱,射孔起爆压力约为20 MPa,射孔枪、导爆索、传爆管、射孔弹炸药均为超高温炸药,射孔管柱及井下工具均能满足高温高压井射孔作业。     

对龙16井茅口组试油中复杂情况的认识

龙16井是我国少有的超高压特大产量高含硫气井,该井试油成功表明我国超高压高含硫气井的试油工艺技术取得了长足进步。同时,在施工中也出现了管柱被卡等复杂情况。分析认为管柱被卡实为射孔枪被卡,上提拉断油管才得以解卡,起出管柱发现封隔器以下部分油管弯曲,可能为强大的气流对管柱的上顶力造成。因此,建议设计井身结构时要考虑套管内径与射孔枪外径的间隙应适当;进一步改进射孔枪、射孔弹和射孔减震器,最大限度减少射孔枪在射孔后产生的变形和孔眼毛刺;在设计试油管柱和完井管柱时,应计算管柱的流通能力和气流对封隔器上下管柱的上顶力并对封隔器以下管柱进行优选和强度校核。     

射孔水泥环损伤评价及压裂裂缝扩展规律

为了进一步提高储层段水泥环在射孔作业、压裂充填完井或水力压裂作业过程中的力学完整性,满足后期增产作业对固井质量的需求。以射孔作用下的水泥环损伤响应为研究对象,在模拟地层温度和压力工况条件下分别采用大孔径和深穿透2种射孔弹开展射孔实验,分析射孔水泥环损伤与射孔弹及水泥环性能的关系。结合射孔弹结构,建立射孔动态冲击载荷作用下的水泥环伤响应数值模型,提出以累计塑性应变率和最大偏应力为关键指标,形成射孔水泥环冲击损伤量化评价技术。基于流固耦合理论和压裂裂缝扩展力学理论,建立非均值特性水泥环压裂裂缝延展数值分析模型,针对射孔水泥环初始裂纹的4种状态,开展了压裂过程中的水泥环损伤及裂缝延展规律研究。研究结论可指导优化固井设计、优化射孔方案和优化压裂完井方案,对保障井筒安全具有重要意义。      

复合射孔爆炸与燃烧机理数值模拟分析

为了研究复合射孔爆炸与燃烧机理,建立了复合射孔有限元模型,利用LS_DYNA软件对模型进行了显性动力学数值计算,得出了射孔弹爆炸后枪身内产生的压力、温度分布情况。射孔弹爆炸后枪身内的压力和温度呈非均匀分布;时间越长、距起爆点距离越远时,冲击波、稀疏波在空气介质中形成的压力值越小。对弹间火药进行了冲击敏感性实验和热点火实验,在实验基础上,联系数值分析结果确定了枪身内火药的点火方式。通过实验得出弹间火药的热点温度在300～350℃之间;冲击敏感性为2.07～2.65GPa,延迟期为4μs。分析了枪身内射孔弹爆炸与火药燃烧耦合作用下火药燃烧性能和枪身内的压力的变化规律。火药的燃烧速度随压力、温度的升高而增快。p-t显示研究得出的复合射孔爆炸与燃烧机理具有较高的准确性。     

海上油气井测试射孔峰值压力预测方法

为有效降低海上油气井射孔测试联作施工安全风险,以东海常用套管、油管、射孔枪、射孔弹组合为参考,建立了射孔管柱有限元数值模型。利用控制变量法,结合射孔峰值压力数值模拟结果,分析了总装药量、井筒初始压力、井筒爆炸空间等参数与射孔峰值压力的相关性,在此基础上,通过多元非线性回归建立了射孔峰值压力的计算公式。利用2口井射孔实测压力结果对公式进行验证,射孔峰值压力相对误差分别为6.1%和9.8%,在合理误差范围内。该公式可用于射孔作业前的峰值压力预测,为现场及时作出安全决策提供指导和支持。     

射孔管柱断裂失效分析及其控制措施

针对XX9超深井射孔时管柱从射孔枪母接头断裂掉井、XX1超深井射孔测试联作时管柱从封隔器下变扣接头断裂掉井、X209H47-8页岩气井分簇射孔管柱从选发母接头断裂掉井这3次事件,对失效接头进行了化学成分分析、硬度测试、冲击测试、金相测试、扫描电镜分析、扫描电镜-X射线能谱分析.在理化检验分析的基础上,结合射孔设计、射孔器材加工质量、井筒条件、射孔冲击载荷模拟结果等对这3起事件进行了剖析和探讨,提出以上异常现象的诱发因素及可能存在的原因.针对射孔管柱断裂失效原因,提出增大设计安全系数、提高射孔用材料检测标准、优化射孔工艺及射孔管柱配置等控制措施以提高类似井射孔作业可靠性.