新型自激脉冲射流装置实验与现场应用

自激脉冲射流能够产生较大的瞬时冲击能量,可进一步提升破岩、解堵和储层改造等作业的效率,提高油气井单井产量。利用流体附壁效应,结合反馈通道强制转向理论,研制了一种新型自激脉冲射流装置。采用有限元数值模拟方法对装置的结构参数进行模拟,分析了不同结构参数对装置性能的响应特性。开展了冲击性能物理模拟评价实验,对装置在不同排量下产生的脉冲射流冲击载荷进行了测试,并进行了大尺寸花岗岩表面冲蚀物理模拟实验,根据花岗岩试样内部和表面的破坏形态得出了脉冲射流破岩特性。使用该装置在新疆油田石西区块实施储层改造,通过现场试验对比增产效果。研究结果表明：进出口比对喷枪内腔压力幅值敏感性最强,反馈通道截面积比对装置频率敏感性最强;随着排量的增加,装置出口脉冲射流冲击载荷极值、幅值均近线性增长,且冲击载荷有明显的脉冲波动效应,充分说明了附壁摆动腔有着良好的波动性能,可产生规律的脉冲射流;随着排量增加,自激附壁脉冲射流装置的喷枪内腔压力呈相应增长趋势,且具有良好的脉冲波动特性,喷枪内腔压力波动幅值随排量增加呈近线性增长;自激脉冲射流引发的花岗岩试样振动较连续射流更为强烈,加速度变化幅值为常规射流的3.4倍;新装置产生的脉冲射流具有更强的岩石表面破碎能力和岩石内部径向破坏能力;与不使用该装置的压裂施工相比,储层增产改造效果显著提高。研究结果不仅可为新型自激脉冲射流装置的研发提供新思路,同时可为压裂储层增产改造提供技术支持。     

围压下牙轮钻头单齿对不同岩石的破岩试验

为牙轮钻头的设计提供可靠的试验数据，利用模拟深井井筒试验架模拟深井钻井环境，选取具有代表性的3种岩心进行试验，测量得到了牙轮钻头单齿在不同的围压条件和岩石下载荷、位移、围压-单位能量破碎体积以及围压-破碎坑体积等试验数据。对试验结果进行分析，得到了围压作用下对于所试验的岩石和齿形，压入载荷和压入位移成线性关系；岩石破碎坑的体积随压入载荷的增加而减小；在以相同齿形压入相同岩石的条件下，岩石的破碎面积和体积随围压的增加而减小。在相同的岩石和相同围压的条件下，抛物线形齿破碎岩石所需载荷最小，楔形齿次之，球齿所需载荷最大。同时还得到了岩石性能对破碎效率的影响规律以及破碎比功随破碎体积的变化规律。     

“压胀松动”增产技术

岩石产生“压胀”的同时其孔隙度和渗透率也增加,且这种孔隙度和渗透率的增加是不可逆的。“压胀松动”增产技术就是利用岩石的“压胀”特性,利用炸药分级爆炸产生的爆炸波在地层的叠加来满足储层岩石产生“压胀”的条件,从而达到增加近井地带储层的渗透率、使油气井增产早的目的。文章对不同岩石“压胀”特性、“压胀松动”增产技术的基本原理进行了研究,对该技术的现场用炸药药量的计算及弹体进行了设计,对现场试验应用情况进行了总结。现场试验表明该技术对油气田开采具有较好的增产效果     

异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究

针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明：切削齿切削页岩过程中,出现了镜面和“卷屑”等硬塑性特征;凹面齿切削载荷和破岩比功小于其他齿型;平面齿和三棱齿随着前倾角的增加,切削载荷呈增大趋势;凹面齿和斧形齿对前倾角的变化不敏感,且凹面齿在前倾角为10°时破岩效果最好;在相同条件下,4种齿型中凹面齿形成的岩屑最大,利于破岩效率的提高。模拟结果表明：切削过程中凹面齿以“铲削”的方式破碎岩石,三棱齿和斧形齿的棱脊对岩石产生明显的挤压效果;三棱齿沿着棱脊将岩屑一分为二向两侧排出,而斧形齿在块体岩屑的中间部分形成了明显的塑性变形。研究结果可为页岩气钻井提速增效提供基础支撑。     

注水开发油田泥岩层套管蠕变损坏机理研究

注水开发油田的套管在泥岩层中发生对称缩径变形而损坏,这是由于套损段周围的泥岩进水软化后,岩石力学特性发生变化,改变了作用在套管上的非对称外挤蠕变载荷的分布并加大了该载荷所致。鉴于此,根据泥岩含水量与泥岩力学特性的关系,建立了套管水泥环泥岩蠕变力学模型,研究了围岩弹性模量对蠕变载荷大小及分布的影响,以及在该载荷作用下套管弹塑性变形的规律,揭示了在注水开发一段时间后套管往往受蠕变载荷作用而损坏的机理。     

爆生气体作用下孔壁岩石开裂的机理及影响因素研究

开发低渗透油气田最有效的手段是改善低渗透储层物性,但目前常用的水力压裂、酸化和高能气体压裂等措施也各有其不足,因此对岩石具有应力波和爆生气体双重作用的"层内爆炸"方法应运而生.针对爆生气体作用下孔壁岩石的开裂问题,通过分析试验数据,建立了考虑试样惯性的力学模型,并从动力学角度对动态栽荷作用下孔壁岩石产生多裂缝的机制做了数值模拟研究.试验及数值模拟结果表明,爆生气体动态载荷作用下孔壁岩石产生多裂缝的实质是试样对动态载荷的结构响应,孔壁岩石能否产生多裂缝主要取决于载荷、约束、结构和材料属性等因素的影响.此外还得到了不同加栽速率和初始损伤条件下孔壁岩石开裂的一般规律.     

页岩气增产用脉冲放电冲击波装置研究

为进一步推进脉冲放电冲击波技术在页岩气井增产中的应用，研制了可用于页岩气井井下作业的脉冲放电冲击波装置。该装置包括位于地面的电源系统和位于井下的储能、放电系统，其中井下部分封装在外径为102.0 mm的不锈钢外筒内，以保证有较好的绝缘性能和机械强度。该装置的设计最高电压和最大储能分别为10 kV和5 kJ，单次下井重复放电4 000次以上。根据现场特点和工程需求，对该装置的储能方式、负载电极、高压电容器等进行了研究设计，在地面进行了解堵除垢和岩样致裂调试试验，并在油井中开展了井下试验。地面调试试验发现，脉冲放电冲击波装置工作稳定性好，具有解堵疏通、致裂岩石的效果；井下试验结果表明，产液量和产油量相比施工前分别提高227%和197%，取得了较好的增产效果。研究认为，该装置工作稳定性好，在油井中具有很好的解堵疏通、致裂岩石的效果，也具备应用于页岩气井进行增产的可行性，但在页岩气井中具体效果如何，还有待于进一步研究。      

弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的研制

旋转冲击钻井技术是在现有钻井工艺条件下提高深井和超深井机械钻速的有效途径之一。利用短螺杆马达带动冲锤产生旋转运动并产生周期性冲击载荷的新思路,研制了弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置,同时对装置的冲击参数进行了测试试验。装置的上部分为高转速短螺杆,中间部分为传动和扶正部件,下部为冲击振套,其冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数的乘积,采用纯机械碰撞的方式产生和传递冲击载荷。冲击测试试验结果表明,装置的冲击频率为37 Hz,冲击力峰值21~32 k N,单次载荷作用时间4 ms;装置达到设计要求,冲击频率和动载可预先设计并可调整,同时具有良好的稳定性。     

球形单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

从单牙轮钻头几何结构出发, 利用仿真技术, 建立了钻头运动模型、牙齿几何模型、井底模型和岩石与牙齿作用力模型等。在这些模型的基础上, 编制单牙轮钻头钻进过程仿真程序, 在计算机上模拟钻头破岩过程, 揭示了钻头与岩石互作用的大量细节, 并获得牙齿载荷和机械钻速等许多重要信息。仿真结果与台架试验结果很接近, 从而验证了仿真程序的正确性。采用该仿真程序可对不同钻井条件下不同结构单牙轮钻头的性能作出比较和判定, 也可预计尚未制成钻头的钻进能力。     

碳酸盐岩中炮孔不耦合系数对地震激发效果影响的分析

为改善碳酸盐岩中地震勘探的激发效果,针对目前爆炸激发地震波能量弱、频率高的现状,试图在震源装药不耦合系数上提出合理的改进措施。在建立震源装药爆炸载荷计算模型基础上,由编程计算得到碳酸盐岩中震源爆炸载荷和耦合能量的时间函数。分析时间函数曲线表明:该岩石条件下不耦合系数Kd=1.5时,孔壁质点压力等载荷的衰减更慢,作用时间较长,岩石介质耦合能量较大,地震激发效果最好。石灰岩条件下的现场试验与理论计算结果基本一致。地震勘探数据采集中,可借鉴本文计算方法,根据现场碳酸盐岩和炸药的波阻抗参数计算得到激发效果最佳的不耦合系数值。     

围岩流变对套管载荷的影响分析

针对由于地层具有流变特性对套管载荷的影响以及由于泥岩浸水等因素造成的地层流变特性改变而对套损产生影响等问题,根据开尔文模型推导了流变地层中套管载荷和地层粘度的关系,从而反映了套管载荷随时间的变化,在此基础上分析了流变地层岩石力学参数对套管载荷的影响.分析认为地层的粘性不同,其流变程度不同,导致套管达到最大载荷的时间不同.由于泥岩浸水导致岩石弹性模量降低,在相同地应力场作用下会明显加大最终作用在套管上的载荷,从而大大增加了套损的危险性.研究结果揭示了围岩流变导致套管损坏的机理.     

新型水泥环完整性可视化和量化试验装置

为了研究热循环过程中水泥环破裂机理,研发了新型水泥环完整性可视化和量化试验装置。该装置可用不同类型的岩石、套管、水泥体系及钻井液进行试验,通过X射线CT扫描可进行热循环前、后水泥环完整性3D可视化,并量化水泥-套管界面和水泥-地层界面胶接及水泥环中的裂缝比例。虽然试验结果未必代表现场情形,但该新型试验装置非常适合定性研究不同间隙、井眼尺寸和岩石类型对不同水泥体系完整性的影响,从而深刻认识水泥环降解机理;建议对试验装置和步骤进行改进,实现岩石周围更多的限制及水泥浆泵入方式,并使用分辨率更高的CT扫描仪,以便观察微小裂缝的脱粘区域。在此基础上进行更多类型岩石、不同尺寸套管及不同水泥体系的试验,为多环境下的现场施工提供借鉴。     

抽油机机械蓄能器及其对电机能耗的影响

游梁式抽油机载荷变化剧烈,致使电机装机功率高且工作效率低下。研制了一种机械蓄能器,将其安装在电机输出端,依靠其较大的转动惯量进行能量储存与释放,以平衡电机的载荷及功率波动,实现降低装机功率及节能的目的。试验结果表明,该装置有功节电率达11.7%,效果明显。     

地层流变对套管载荷的影响研究

针对由于地层具有流变特性对套管载荷的影响以及由于泥岩浸水等因素造成的地层流变特性改变而对套损产生影响等问题，根据开尔文模型推导了流变地层中套管载荷和地层粘度的关系，从而反映了套管载荷随时间的变化，在此基础上分析了流变地层岩石力学参数对套管载荷的影响。分析认为地层的粘性不同，其流变程度不同，导致套管达到最大载荷的时间不同。由于泥岩浸水导致岩石弹性模量降低，在相同地应力场作用下会明显加大最终作用在套管上的载荷，从而大大增加了套损的危险性。研究结果揭示了围岩流变导致套管损坏的机理。     

旋冲钻井破岩力学模型的研究

旋冲钻井技术可有效提高硬地层、易斜地层的机械钻速。以弹性力学、波动理论和冲击动力学为基础，采用室内试验和力学理论相结合的研究方法，建立了旋冲钻井破岩力学模型。在该模型的建立过程中。首先根据冲击器的工作原理，结合冲击动力学，对旋，中钻井中冲击动载作用下的破岩过程进行了简化；假设岩石为弹性介质，根据弹性力理论，分析了轴向力和剪切力作用下岩石的受力状态；对在室内进行的载荷侵入深度曲线的试验结果进行分析，得出岩石所受外栽荷与侵入深度成一定的线性关系；结合波动理论，分析了冲击动栽作用下岩石的应力状态。建立的破岩力学模型对旋冲钻井的进一步发展具有重要的现实意义。     

一种球密封储层保护工具研制及试验

孔洞型或裂缝发育型储层在后期修井作业时会发生大量压井液泄漏问题。研制了一种可多次回插球密封储层保护工具。通过有限元建模和试验,对球阀打开或关闭进行分析。计算和试验结果表明:球阀打开或关闭时,操作杆有效行程约为56 mm; 球阀关闭所需载荷大于球阀打开所需载荷; 球阀摩擦因数与球阀开启所需载荷呈非线性递增关系; 试验测得球阀的开启或关闭载荷约为20～30 kN,且满足70 MPa密封要求。该工具能有效阻止完井液漏入地层,降低完井成本。     

环抱式密封岩心夹持器的设计与研制

岩心夹持器是一种用于夹持和密封岩心，完成各种岩石物理性质测试及相关实验的装置。文章介绍的岩心夹持器采用气压密封方式，夹持器上端设有一密封气体入口，支撑杆置于密封套内，密封气体进入夹持器缸套与岩心密封套之间的腔体，对待测岩石样品侧表面施加均匀围压，确保测试流体通过岩心样品前后两端时无测试流体渗漏。该岩心夹持器具有密封效果好，装取样品方便，结构简单，安全防爆且使用寿命长的特点，可广泛用于各类岩石样品的渗透率测试及岩心驱替试验。     

循环推送下套管系统的研制

如何将套管安全下到预定位置是大位移井、分支井以及丛式井等复杂结构井完井面临的技术难题之一,为此,研制了循环推送下套管系统。该系统能够自动连接套管、建立钻井液循环、旋转套管柱以及在套管柱末端产生轴向振荡力,减小套管下入摩阻,同时可通过切削井壁清除砂桥、台阶等。介绍了该系统套管循环旋转装置和套管推送下入装置的结构和工作原理,采用数值模拟方法分析了套管循环旋转装置的卡瓦承载能力。室内试验表明,套管循环旋转装置工作可靠,可承受轴向载荷2 400 kN、扭矩30kN·m,密封承压35 MPa,设计排量条件下,套管推送下入装置压降2.7 MPa、振荡力41 kN。现场试验表明,该循环推送下套管系统能够有效提高套管下入的安全性,可进一步推广应用。     

小型圆锥压缩弹簧的设计及试验

根据氨制冷热氨融霜的工艺条件,本项目预设上游压力0.8MPa、下游压力0.2MPa。根据预设限流装置的几何尺寸、弹簧行程,进行不锈钢弹簧钢丝小型圆锥弹簧设计,采用等节距形式。对该弹簧强度、设定形变时的钢丝切应力计算,制造完成后选用2件圆锥弹簧分别进行1-12 mm的弹簧形变及弹簧载荷试验,记录其形成曲线,验证该弹簧刚度线性范围及与理论刚性设计值的差异。     

低温下4116航天润滑油拖动特性的研究

在模拟航天轴承工况条件的试验机上,对4116航天润滑油进行了多种滚速、多种载荷和多种低温温度下拖动特性的测试。提出了该润滑油的拖动系数计算模型。基于Tevaarwerk-Johnson模型,对低温下该润滑油的流变特性和流变参数进行了分析。结果表明：低温下润滑油4116对滚速较敏感,对法向载荷不敏感。该润滑油在0℃以下使用时,适合于高速工况。4116润滑油在温度0℃以下表现为弹塑性流体。平均极限剪切应力和平均弹性剪切模量与滚速和入口油温呈负相关关系,与法向载荷呈正相关关系。