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。     

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。      

煤层气井新型螺旋轴流式混抽泵设计

针对煤层气井排采中含有气体与煤粉的特点,专门设计了泵的增压单元,并且采用压紧式叶轮结构,有效延长了泵的工作寿命。对样机进行室内试验研究,给出了该泵的外特性曲线,结果表明在入口含气率在40%左右时,样机的最高效率达到了40%,单级扬程2.6 m,该泵对高含气率的多相流体混抽效果明显,对煤粉固体颗粒不敏感,在煤层气开采中具有较好的推广应用前景。     

基于遗传算法的计数式全通径压裂滑套优化设计

如何合理设计内滑套结构参数，使得内滑套结构强度较高的同时，压裂球推动内滑套运动所需压力较大，是计数式全通径压裂滑套设计的难点之一。为节约设计时间与成本，采用Plackett-Burman 设计筛选影响压裂球推动内滑套运动所需压力的显著因子，利用响应曲面法建立显著因子与多响应之间的回归方程并判定方程的有效性，将多目标优化问题转化为单目标优化问题并确定合适的目标函数，基于遗传算法寻找最优结构参数。基于Ls-dyna 模拟压裂球推动内滑套运动过程，结果表明，优化后压裂球推动内滑套运动所需压力由4.8 MPa 提高到7.2 MPa，运动过程中的最大应力由992 MPa 增大到1 036 MPa， 但仍小于材料的许用应力。进行了内滑套样机室内模拟实验，优化后压裂球推动内滑套运动所需压力由5.1 MPa 提高到了7.6 MPa，表明Plackett-Burman 设计、响应曲面法及遗传算法相结合用于优化内滑套结构参数是有效的。     

井下双级串联式油水分离器工作特性研究

井下双级串联式油水分离器的工作特性对于井下油水分离系统的工况诊断及调节必不可少。基于代数滑移混合物模型(Algebraic slip mixture model,ASMM)和大涡模拟(Large eddy simulation,LES)模型,针对T228井井况设置相关参数及边界条件,研究井下双级串联式油水分离器的分流特性和分离特性,并与地面试验结果对比。结果表明,入口流量为80~200m3·d–1时,总分流比的范围随着入口流量的增大而增大,一、二级水力旋流器的溢流口流量之比与总分流比的变化关系是确定的函数关系,底流含油质量分数随着总分流比的增大先减小后增大;额定工况下,第一级水力旋流器起主要分离作用,第二级对于进一步降低底流含油质量分数起关键作用;入口流量和总分流比的组合为(120~140 m3·d–1/0.36~0.74)、(140~160 m3·d–1/0.31~0.77)或(160~180 m3·d–1/0.33~0.76)时,底流含油质量分数不大于0.02%;数值模拟预测的分流特性与试验结果一致,预测的总分流比和底流含油质量分数的关系与试验结果定性一致。通过综合分析分流特性和分离特性,得出进行井下工况调节时入口流量和总分流比的合理范围,为现场试验提供指导。     

自激式涡流控制水力振荡器研制与应用

自激式涡流控制水力振荡器具有无易损件、制造成本低和压降小的优点，可减小钻进过程中的摩阻，降低压差卡钻的可能性，改善钻压传递效果，提高机械钻速。为了解决大位移井、长水平段水平井钻井过程中的高摩阻问题，研制了自激式涡流控制水力振荡器。该振荡器由稳态射流元件和涡流可变液阻区2部分组成，主要利用射流的附壁效应和特定的流道形式产生周期性涡流，以产生轴向振荡。采用二维平面模型，基于计算流体动力学方法，采用数值模拟方法，分析了自激式涡流控制水力振荡器内部的流动状态和其性能参数与入口流量的关系。数值模拟结果表明，自激式涡流控制水力振荡器的主要性能参数压力脉动幅值与入口流量呈平方关系，压力脉动频率与入口流量呈线性关系。现场应用表明，自激式涡流控制水力振荡器不仅能显著提高机械钻速，而且不会对随钻测量工具产生影响，具有结构简单、功能可靠和工作特性优良的特点。      

考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限研究

变形套管经冲击整形后套管内存在残余应力,为了真实模拟套管冲击整形过程,探讨套管整形修复尺寸界限,采用ANSYS软件建立了变形套管冲击整形非线性接触三维有限元模型。以P110钢级、壁厚12.65 mm的177.8 mm(7 in)套管为例,分别对不考虑套管残余应力和考虑套管残余应力2种情况进行研究。研究结果表明,考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限比不考虑套管残余应力的套管整形修复尺寸界限减小了4 mm,且考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限与试验结果更接近。该研究结果为套管整形修复技术提供了理论参考,对于现场套管整形修复作业有一定的理论指导意义。     

水力脉冲轴向振荡减摩钻井技术分析

水力脉冲轴向振荡减阻钻井技术可降低滑动钻进摩阻,改善钻压传递和工具面的控制,提高机械钻速。介绍了水力脉冲轴向振荡减阻钻井技术的减阻原理、水力脉冲轴向振荡减阻工具的结构原理。对轴向振荡减阻钻井工具进行了量化分析。现场实际应用及量化分析表明,在钻柱中加入轴向振荡减阻工具,减少了托压现象及摆工具面的时间,工具面更稳定,对常规PDC钻头具有良好的适应性,可改善钻压传递效果。该工具对MWD、LWD信号传输不会产生干扰。     

计数式全通径压裂滑套优化设计

为了提高内滑套步进压力,同时使得内滑套结构强度较高,提出一种优化计数式全通径压裂滑套的方法。采用最陡爬坡实验设计确定最佳响应区域;利用响应曲面法分别建立显著因子与步进压力及运动过程中内滑套所受最大应力之间的二阶响应模型并分析了各因子对各响应的影响;根据线性加权法确定目标函数,采用粒子群优化（PSO）算法寻优,得到内滑套最优结构参数;基于显式动力学方法模拟压裂球推动内滑套运动过程。结果表明,优化后,运动过程中内滑套所受的最大应力增大了9.2%,内滑套步进压力提高了40%。室内模拟实验表明,优化后,内滑套步进压力提高了44%,与数值模拟结果近似,最陡爬坡实验设计、响应曲面法以及PSO算法相结合用于内滑套结构参数的优化是有效的。     

井下油水分离器的模块化设计及性能试验

目前对油水分离器的研究主要集中在水力旋流器方面,没有涉及井下模块设计方法及性能测试等方面。为此,针对采上注下型井下油水分离系统,介绍了井下油水分离器模块化设计方法,指出井下油水分离器的设计首先要考虑井下管柱结构和井下工艺流程,在此基础上研究油水分离器模块的外部接口方案和内部引流方案,然后针对水力旋流器进行模块化设计。同时制造了模块样机1套,通过现场地面性能试验验证装置的分离性能。试验结果表明,处理流量固定时,随着分流比的增大,分离效率先变小后增大,在设计指标要求的范围内,油水分离器满足井场作业要求。