全通径滑套可溶球座冲蚀数值模拟优化与试验研究

针对常规投球滑套压裂级数受限、球座钻除难度大、无法实现井筒全通径等问题,开展了全通径可溶球座式滑套的研究,通过Fluent软件对全通径滑套用压裂球座进行冲蚀模拟。采用空间填充设计法对球座“凹面”结构进行参数试验,并对其进行响应面预测通过筛选法寻求参数最优值。优选石墨烯、硬质合金两种表现耐冲蚀涂层,通过冲蚀现场试验对比了两种材料的耐冲蚀效果。结果表明：经过响应面参数优化后的“凹面”结构球座平均量损失相比原模型明显降低,经过冲蚀测试发现表面硬质合金球座耐冲蚀性能优于石墨烯球座。研究成果对球座耐冲蚀磨损性能优化改进有指导意义。     

裸眼分段压裂投球式滑套球座关键技术研究

投球式滑套为裸眼分段压裂管柱中建立压裂级数和压裂过流通道的关键部件,但目前国内尚未开展滑套球座与其匹配的憋压球的密封能力、滑套球座的可钻性与耐冲蚀性方面的研究。通过滑套球座的结构设计、憋压球的材料优选及球座与憋压球密封能力的有限元分析与试验,研究了滑套球座与憋压球之间的密封技术;通过滑套球座材料优选和相关试验,研究了滑套球座的可钻性;通过滑套球座表面硬化处理探讨及冲蚀和密封试验,研究了其耐冲蚀性能。8井次共72段的现场试验表明,滑套设计合理,性能可靠,解决了投球式滑套高承压密封及完井管柱的全通径问题。      

基于ANSYS-CFD的滑套球座冲蚀分析

在水平井裸眼完井分段压裂技术工艺管柱中,投球开启自锁滑套的作用是分层控制开关,通过投球实现准确的分段开启,其安全可靠性能决定了分段压裂工艺的成败,关系到水平井压裂改造开发效果的好坏。研究了压力、砂流量、球座锥度对冲蚀的影响,给出了球座最佳的结构设计数据。     

水平井分段压裂投球滑套球座冲蚀分析

水平井早已成为提高油田勘探开发综合效益的重要途径,为了更好地提高油田采收率或对低渗透油气藏的水平井进行增产改造,就必须采用一些增产技术。水平井分段压裂技术是水平井增产的重要技术,流体携砂冲蚀是水平井分段压裂中工具失效的主要原因之一。为此采用计算流体力学(CFD)方法建立了流体携砂冲蚀的流固耦合模型。通过计算确定滑套球座冲蚀的主要区域,并通过改变压力、砂流量和球座锥面角度进行再计算,总结出影响冲蚀效果的规律。分析结果对整个投球滑套的设计具有指导作用。     

投球滑套双锥度球座的冲蚀磨损优化研究

水平井裸眼完井分段压裂技术是现阶段提高低渗透油藏产能的主要技术,其技术难点在于分段压裂工具的密封可靠性,其中投球滑套的密封性能在很大程度上直接决定分段压裂的成败,导致投球滑套密封失效的主要原因则是流体携砂冲蚀。依据投球滑套球座的实际工况,在常规单锥度球座的基础上提出双锥度球座,并借助Fluent流体软件实现对双锥度球座的结构优化,优化后的球座二锥度应介于70°~80°之间。双锥度球座解决了由于球座冲蚀磨损造成的投球滑套密封失效问题,保证了水平井裸眼完井分段压裂的可靠性。     

几种投球滑套球座材料的冲蚀性能试验研究

水力喷砂压裂会对投球滑套球座造成很严重的冲蚀磨损,从而导致坐封失效。为此,对35CrMo、42CrMo、45#、球墨铸铁和WC球座材料的冲蚀磨损进行试验研究,得到如下结论:塑性材料的冲蚀率随冲蚀角的变化规律相同,均在30°附近呈现最大值; WC涂层冲蚀率随冲蚀角的增大而增大,在冲蚀角90°时出现最大值,当砂浆质量分数较小时,冲蚀率随砂浆质量分数的增大而增大,在15%附近达到峰值,但当质量分数继续增大时,材料的冲蚀率趋于稳定;在同等试验条件和小冲蚀角情况下,5种球座材料试样的冲蚀率从大到小依次为球墨铸铁、45#、35CrMo、42CrMo、WC,可将WC通过热喷涂工艺喷涂到球墨铸铁表面形成涂层来提高其抗冲蚀性;当冲蚀角小于45°时,45#材料表面的冲蚀破坏形态主要以犁沟为主,当冲蚀角大于45°时,冲蚀破坏形态主要以塑性变形为主;当冲蚀角较小时,WC材料的抗冲蚀性优异,材料表面存在细而浅的犁沟,当冲蚀角变大时,凹坑的数量、面积和深度也变大。研究结果对于压裂作业的正常进行具有重要意义。     

压裂液对水平井滑套球座冲蚀磨损的数值模拟

针对水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术在施工过程中出现压裂携砂液对滑套球座冲蚀磨损的问题,采用欧拉多相流理论和Finnie微切削理论,建立压裂液对滑套球座冲蚀的液固两相双流体数学模型,结合实际工程模拟不同砂比、粒径、排量等因素对球座冲蚀磨损速率的影响,并进行失效分析和现场应用。分析结果表明,压裂携砂液冲蚀球座最严重的部位发生在滑套前端锥面;施工排量对球座冲蚀磨损的影响最大,且磨损速率与排量成指数关系;粒径次之,冲蚀磨损速率随支撑剂直径的增大而减小;砂比对球座冲蚀磨损的影响最小。该球座冲蚀磨损规律为非常规油藏水平井分段压裂施工方案的优化提供了理论依据。     

分层压裂滑套与密封球受力分析研究

为了解决滑套卡球影响压裂残液排出和油气井正常生产的问题,开展了滑套密封筒卡球研究与分析。建立了滑套与密封球受力简化模型,对密封球在球座斜面上的受力进行了分析,给出了密封球在球座斜面上不发生卡球的条件和解卡力的计算式。指出压裂时密封球与球座发生弹性变形是密封球卡住的根本原因,密封球坐在球座斜面上可降低卡球的风险;钢密封球在球座夹角大于8.53°的球座上不会发生卡球现象,复合密封球在球座夹角大于16.70°的球座上也不会发生卡球现象;卡球时最大解卡力由压裂时最大压力及与球座和球座材料有关的系数决定。     

可打捞分段压裂滑套球座打捞关键结构设计与试验

可打捞分段压裂滑套可在分段压裂作业后通过油管或连续油管下入专用打捞工具将各级滑套内部可打捞式球座一次性提出井口,实现管内全通径,便于后期下入工具进行二次改造或滑套开关。文章分析了可打捞分段压裂滑套球座打捞关键技术,设计高承载打捞机构、球座弹性分离机构、球座旁通循环冲洗机构、大间隙密封机构等关键结构,地面试验和入井试验表明滑套球座可顺利提出,验证了打捞的可靠性。     

空气锤钻头断落打捞机构

空气锤钻井技术的高效、高质量钻井效果在川东北探区须家河组以上陆相地层得到广泛的认同。但是,空气锤、特别是配套冲击钻头断脱导致的井下事故时有发生,影响因素极为复杂。研究空气锤配套钻头颈部断落机理,分析几种石油矿场用空气锤钻头打捞机构的特点,并设计钻头断落打捞机构是进一步发挥空气锤钻井效率的保证。     

基于Taguchi方法的计数式全通径压裂滑套优化设计

针对全通径压裂滑套中内滑套的动作压力不能满足现场施工要求的问题,对内滑套的结构参数进行了优化,以期在保证内滑套结构强度的同时提高内滑套的动作压力。利用Plackett-Burman设计法筛选了影响内滑套动作压力的显著影响因子,采用Taguchi方法优化了显著影响因子,通过方差分析确定了最优参数组合。采用数值模拟及室内模拟试验方法评价了内滑套优化前后的性能,得到了最优参数组合:筋宽角18.0°,筋长170.0 mm,筋厚5.5 mm,筋锥角89.5°,爪倾角115.0°,爪锥角65.0°。数值模拟得出,内滑套动作压力由4.8 MPa增大到了7.5 MPa,内滑套在运动过程中所受的最大应力由992.0 MPa增大到了1 101.0 MPa,但仍小于材料的许用应力;室内试验得出,内滑套动作压力由5.1 MPa提高到了7.9 MPa,满足现场施工要求。研究结果表明,应用Taguchi方法优化的计数式全通径压裂滑套结构参数合理。      

水平井套管定位球座分段多簇压裂技术

水平井体积压裂是国内外开发致密油气藏的核心技术,目前主流的泵送桥塞多段压裂工艺、水力喷砂多段压裂工艺、裸眼封隔器压裂工艺由于受排量、钻塞、全通径等限制,均不能满足水平井低成本、高效体积压裂的技术需求,而且随着水平段长度增加,这种技术局限性愈加明显。为此,提出了水平井套管球座分段压裂技术。其技术原理是:在套管上预置工作筒固井完井,压裂时泵送专门的射孔投放联作工具到预定位置,将弹性球座投放至套管预置工作筒完成配接,然后上提联作工具进行多簇射孔,最后将可溶球投至弹性球座上,封隔下层,进行光套管分段多簇压裂。研制了套管预置工作筒、弹性球座、可溶球等关键工具,对施工工艺参数进行了优化,并进行矿场试验,实现了在长水平段多簇射孔联作一体化、大排量压裂、压后免钻快速投产、井筒大通径的体积压裂技术目标。现场试验6口井,成功率100%,其中水平段最长1 525 m,试油周期缩短30%以上,作业成本降低10%以上,单井产量提高20%以上,提效降本效果明显,具有较好的推广应用前景。     

油气井全通径射孔夹层系统的研究

全通径夹层系统是全通径射孔的重要组成部分,其性能直接影响到全通径大跨度、多层段射孔作业的成败.经过弹架材料的优选、走索形式的设计以及弹架壁厚的优化,设计了全通径夹层系统核心部件的自毁式夹层弹架以及相应的夹层枪身、定位对止组件.通过地面试验及现场应用结果表明,该夹层系统满足现场应用要求.     

致密油藏多级压裂球座钻磨铣工作机理分析

目前致密油藏多级压裂球座的钻磨铣工艺存在工作效率低、故障率高及使用寿命短等问题。为满足压裂球座高效、低成本钻磨铣施工需求,通过ABAQUS软件建立单磨粒磨削模型,对钻磨铣球座工作机理进行分析,重点分析磨粒前角、磨削深度和磨削速度对磨削力的影响规律。分析结果表明:磨削力随磨粒前角增大而减小,且近似可看作二项式关系,负磨粒前角可以产生更大的磨削力;磨削深度为4 mm时形成断屑,而且磨削深度越大,越易形成断屑,随着磨削深度的加深,断屑点前移,磨铣工具单圈磨削深度在4 mm左右较合适;在单磨粒正常磨削速度范围内,磨削速度对磨削力的影响不大,可以忽略,单纯改变磨铣工具转速对提高磨铣效率意义不大。研究成果对于钻除压裂球座,实现多级压裂井后期的大通径生产作业具有重要意义。     

全通径井下自动防喷器设计

根据高压气井安全生产的需求，开发研制了一种用于强腐蚀环境的全通径、全机械控制井下自动防喷器。利用2个封隔器，将其安装在气井的射孔段，对正常生产没有影响；由于具有全通的内孔，能够进行全井深测井、洗井和冲砂作业；在井口泄漏或失控的情况下，能够立即实现井下关井，防止事故扩大和蔓延，最大限度地减小事故损失，并能为井口修复留有足够的时间。     

分段压裂球座耐冲蚀性能评价

为了提高分段压裂滑套球座的耐冲蚀性,根据球座材料优选、优化后的流道结构及表面处理技术,加工了4种类型的球座试样,对不同类型的试样进行了冲蚀磨损试验,并对冲蚀后的试样进行了加压密封试验,对比分析了球座的冲蚀程度和耐压能力。分析结果表明,不同结构类型的球座试样冲蚀最严重的部位都发生在球座喉道连接处,即球座与球的密封部位;经过材料优选和结构优化的22°锥角+球弧面密封QT500-7球座,在冲蚀累计过砂200 m3后密封仍可达到70 MPa,满足现场压裂应用条件。研究结果可为与球座类似的工具设计提供依据。     

全通径射孔与杆式泵联作技术在排液采气井中的应用

全通径油管输送射孔(TCP)与杆式泵联作工艺技术是将全通径压力起爆器、全通径油管输送射孔枪与杆式泵结合起来，使射孔完井与下抽油泵用一趟管柱完成；在下完抽油杆之后密封井口，采用油管内加压起爆射孔枪的方式，射孔后立即启动抽油机，进行排液采气。介绍了联作的原理与工艺流程。该技术既可提高射孔完井效率，又可以减少作业次数和井喷压井所带来的水泥车费用和压井液费用；同时，由于形成枪内全通，可以进行测试等其它作业。在大庆油田采油九厂塔301井的现场应用见到了明显的效果。     

油气井撞击式全通径起爆装置研究

介绍初型撞击式全通径起爆装置的结构和起爆原理,提出其存在的4个不足之处。借助常规起爆装置的设计经验,经过大量的试验和研究,研发与全通径射孔作业配套的新型全通径起爆装置。设计上将初型的陶瓷密封系统改为撞击密封一体化系统,采用O型圈密封;将初型的铸铁通径芯件改为特种高分子材质的通径芯件;将初型的胶粘剂粘接组装结构改为机械紧固装配结构。模拟试验和油田现场应用表明,该新型起爆装置的结构合理、性能指标稳定,完全能够满足全通径射孔技术工艺要求。     

水平井裸眼压裂球座模型的建立与分析

水平井裸眼压裂技术是水平井增产的重要技术,球座是水平井压裂关键工具之一。通过建立球座的几何模型,采用Fluent软件,使用离散相模型和磨蚀模型对球座的磨损形态及流道两相流动状态进行数值分析。分析结果表明,在砂粒对球座的冲蚀磨损过程中,球座壁面处砂粒浓度越高,砂粒与壁面的撞击概率也越大,从而导致较为严重的冲蚀磨损;球座锥段处流道流通面积不断缩小,流场速度梯度变化最为强烈,从而导致部分砂粒脱离主流流线冲击球座锥面,产生冲蚀磨损现象。该项研究结果对球座的设计具有指导作用。