投球式全通径压裂滑套研制

常用的水平井多级分段压裂技术在不下入内管、不进行磨铣作业情况下,难以实现管柱内大通径,不利于后期生产管理,为此,研制了投球式全通径压裂滑套。该滑套采用投球打开方式,无内封隔器、液控管线及专门的开关工具,只需向压裂管柱内投置多个同一尺寸的压裂球即可开启全部滑套,施工工艺简单,效率较高,压裂完后管柱通径大。基于显式动力学分析了压裂球推动内滑套运动过程中,内滑套受力变化以及压裂球坐封过程中可复位球座受力变化。结果表明,内滑套和可复位球座的强度均满足现场压裂施工要求。室内实验表明,内滑套启动压力为7. 6 MPa,压裂滑套打开压力为12. 6 MPa;开关、内滑套、弹簧及可复位球座动作可靠,能完成预定动作。     

深井分层压裂管柱受力计算及结果分析

根据深井高温、高压条件下分层压裂作业的施工工艺,考虑压裂管柱组配的封隔器、水力锚、滑套喷砂器等工具,建立了深井分层压裂管柱的力学分析模型。采用间隙元模拟压裂管柱与套管间的多向随机接触摩擦问题,给出了轴向摩阻与轴向位移协调的判别收敛条件;计算出了不同工作状态下封隔器的封隔力、水力锚的锚定力、滑套喷砂器与固定封隔器的轴向接触力、井口载荷、管柱上提距离及整体管柱在任一截面处的内力、应力、位移等。在油田得到成功应用,为分层压裂管柱的设计及施工提供可靠的理论依据。     

水平井不动管柱多级水力喷砂分段压裂技术

针对目前国内外超低渗透油藏水平井压裂改造工艺复杂、工具应用效率低和可靠性差的现状,设计了不动管柱多级水力喷砂分段压裂工具,研发了投球式滑套喷射器与封隔器,将多套喷射器串接,施工时通过投球的方式逐级打开各级喷射器和封隔器,实现射孔及压裂。该工艺管柱具有井下工具少、不泄压投球等特点,能够不动管柱一次性完成水平井3层段分段压裂。现场试验结果表明,该工艺管柱性能可靠,提高了分段压裂改造成功率和施工效率,是一种先进、安全、可靠、高效的水平井分段改造工艺技术。该水力喷砂分段压裂技术为改善水平井开发低渗透油田效果提供了工程技术保障。     

不同形式插管封隔器分段压裂管柱力学分析

部分非常规油气井会采用插管封隔器分段压裂管柱进行分段压裂完井。为了保障该管柱在分段压裂过程中能够安全可靠,研究了不同形式下插管封隔器分段压裂管柱的受力情况。以最典型的插管封隔器分段压裂管柱为研究对象,利用管柱轴向位移与变形理论得到了管柱总位移的计算模型。通过归纳分析管柱在分段压裂过程中的受力情况,建立了插管封隔器分段压裂管柱强度校核模型。以国外某油田油井的实际数据为例,计算了不同形式下插管封隔器分段压裂管柱的各种效应和强度校核结果。研究结果表明,不同形式的插管封隔器分段压裂管柱所对应的各种效应的数值和强度校核安全系数不同,并且地层破裂压力越高,管柱的回接形式对管柱安全的影响越大。该研究为同类型插管封隔器分段压裂管柱的受力分析提供了一定依据。     

裸眼水平井压裂管柱下入安全性分析

裸眼水平井分段压裂管柱下入过程易造成遇卡事故。鉴于此,采用弹性力学解析方法和工程力学设计与CAE可视化编程技术相结合,对压裂管柱下入进行仿真模拟,建立了带多级封隔器的压裂管柱下入力学模型,对管柱下入过程中的摩阻、井口拉力和安全系数等进行了计算分析。在理论研究的基础上,采用Visual Basic语言开发裸眼水平井压裂管柱下入安全性分析软件,提供了完整理论分析与设计计算方法。运用软件对PH9-1井等进行了实例验算,计算结果与实际结果吻合,表明该方法具有一定的实用价值。研究内容为优化水平井多级分段压裂管柱设计及确保管柱下入安全性提供了一种有效的技术手段。     

高温高压气井多封隔器管柱完整性分析方法及应用实例

为了分析计算多封隔器管柱的力学行为并评价封隔器的完整性,以压裂施工载荷工况下的双封隔器管柱系统的完整性为研究对象,提出了管柱力学全长分析与封隔器芯轴三维有限元分析结合的综合分析方法,并给出了相关的分析计算流程。以塔里木盆地迪西1井的弹塑性力学分析为例,首先对整体管柱全长进行了三维有限元分析,求取在管柱各处的应力分布;然后采用三维实体单元分析封隔器芯轴的局部结构中的应力分布与塑性应变分布,判别双封隔器管柱作业的安全性。研究结果表明:①在重力、液体压力和温度应力的作用下,管柱各处的轴向应力状态为拉应力,处于弹性应力范围;②在管柱轴向应力和液体压力共同作用下的芯轴发生了明显的塑性变形;③为了缓解压裂施工导致的温度下降引起的轴向拉应力过大的现象,应在两个封隔器之间加装伸缩节。结论认为,该方法用于分析多封隔器管柱得到的变形及应力分布数值结果与实际情况能很好的匹配,证明了该方法的有效性和实用性。     

封隔器间距对压裂管柱下入摩阻力的影响

压裂管柱下入到井斜角较大井段时,管柱所受摩阻力会产生极大值,摩阻力远大于管柱自重,管柱无法下入到设计的井段。为保证多封隔器压裂管柱顺利下入到目的层位,应分析压裂管柱下入过程遇阻的影响因素。应用管柱力学理论分析带封隔器管柱下入时的摩阻力,建立了考虑多封隔器间距对压裂管柱刚度影响的摩阻力计算模型,对压裂管柱所带封隔器数目及封隔器间距离进行优化,降低压裂管柱所受摩阻力,确保带封隔器管柱顺利下入到目的层位。     

储气库注采管柱静、动力学安全性评价及软件开发

在储气库高速交变注采的特殊工况下,注采管柱的力学强度安全性将变得非常复杂。为了准确方便地评价注采管柱的力学强度的安全性问题,开展了储气库注采管柱静、动力学安全性评价研究,并开发了相应的评价软件。首先,根据注采管柱的实际结构和受力特点,建立了封隔器对管柱作用力的计算模型和注采管柱振动的有限元模型,通过模态分析,研究了带封隔器管柱的固有频率和振型;在模态分析的基础上,对储气库注采管柱进行了瞬态动力学研究,分析了距封隔器不同距离管柱的振动位移、速度和加速度的变化规律;根据不同时刻管柱的轴向力和应力分析,计算得到了注采管柱的动力学安全系数;最后,开发了储气库注采管柱静、动力学强度安全性评价软件,该软件包括数据库模块、管柱静力学分析模块、管柱动力学分析模块和管柱安全性评价模块,为储气井注采参数的优化或优选以及注采管柱安全的运行提供参考。     

多级压裂自助解封封隔器及其管柱研究与应用

为实现对河南油田安棚深层系和泌阳凹陷等区块中多层系及大跨度储层的低成本多级压裂增产措施,研制了一种多级压裂自助解封封隔器及其工艺管柱。该管柱主要由多级压裂自助解封封隔器和滑套喷砂节流器等工具组成。其中多级压裂自助解封封隔器设计了自助解封机构,压裂后可快速解封,消除了多级分层压裂易砂卡管柱的问题,同时具有良好的耐高温高压性能。滑套喷砂节流器设计了耐磨级差滑套,可实现投球打滑套分层压裂。5口井的现场试验证明,设计的工艺管柱耐温耐压性能良好,解封安全可靠,能满足河南油田多层油井1趟管柱分层改造的需要,具有良好的推广应用前景。     

深井压裂井下管柱力学分析及其应用

根据深井高温高压条件下的压裂作业施工过程，综合考虑井身轨迹、管柱和井下工具结构，建立压裂管柱综合力学模型；研究深井压裂管柱在自重、内压、外压、各种效应力、粘滞摩阻力、套管支承反力，弯矩和锚定、坐封压力等多种载荷联合作用下的变形，并进行强度分析和校核；给出了一套实用的压裂管柱力学计算步骤、方法与公式，为准确地掌握压裂施工过程中管柱的受力及变化规律提供理论依据，从而优化管柱组合与施工参数，提高压裂作业效果和成功率。     

中石油非常规储层水平井压裂技术进展

中国石油天然气集团公司(以下简称中石油)从2006年启动水平井改造专项攻关以来,水平井压裂技术实现了从无到有再到无限级段分段的跨越,2015年实现了最高分段数26段。10年间,中石油在非常规储层水平井压裂改造技术领域取得了突出进展:(1)自主研发了水平井双封单卡、封隔器滑套、水力喷砂和裸眼封隔器4套水平井压裂主体工艺技术;(2)自主研发了复合桥塞、套管固井滑套2项水平井大排量体积改造主体工艺技术,配套体积改造优化设计理论、压裂液体系、裂缝监测等技术,初步形成体积改造技术体系和水平井工厂化作业模式;(3)自主研发的压裂工具、液体体系等关键技术,不动管柱多级滑套水力喷砂分段压裂技术、液体胶塞分段技术等,达到了国际先进水平或同期国际领先水平。据统计,2014年中石油水平井分别占油井和气井总数的3.2%和13.1%,其对油田和气田产量的贡献率分别达到9.9%和39.7%。最后,指出了新区高密度完井压裂工程试验、老区老井体积重复压裂试验等中石油新一轮水平井改造技术的攻关重点方向。     

储气库注采参数与管柱临界屈曲载荷分析

针对华北油田储气井井身结构及其采气过程,开展了储气井井口油压、产量与油管柱屈曲变形的深入研究。在前人研究的基础上,讨论了管柱在井筒中发生正弦屈曲或螺旋屈曲变形的3个临界载荷值以及这3个临界载荷之间的屈曲状态,在此基础上,得到了划分不稳定区的新临界载荷,推导出了计算油管底部轴向力的数学模型。基于带有封隔器的管柱力学分析和理论研究、封隔器管柱中的各种效应变化计算数学模型以及建立的管柱临界屈曲载荷的数学模型,用VB2013开发出了一套储气井注采管柱力学安全性评价软件,应用该软件对华北油田S-x储气井注采管柱进行了研究,为储气井井口油压、产量等参数的优选及注采管柱安全性评价提供依据。     

超深水平井尾管悬挂器下部环空压力预测及其应用

超深水平井多封隔器分段改造作业过程中,井筒温度下降造成尾管悬挂封隔器下部环空压力下降,易造成尾管悬挂封隔器、下部分段改造封隔器和油管柱失效。针对典型分段改造水平井井身结构,开展分段改造过程中尾管悬挂封隔器下部环空压力变化的影响因素和潜在后果分析,综合考虑油管柱鼓胀效应引起的环空体积变化、井筒压力温度变化引起的环空流体体积变化和井筒温度变化引起的油管柱体积变化对尾管悬挂封隔器下部环空压力的影响,建立了尾管悬挂封隔器下部环空压力变化预测模型。以塔里木油田一口超深水平井为例,开展了分段改造过程中尾管悬挂封隔器下部环空压力预测,并在此基础上开展了封隔器和改造管柱力学分析。分析结果表明:超深水平井分段改造过程中,由于井筒温度场急剧下降,尾管悬挂封隔器下部环空压力相对坐封工况将发生大幅下降,从而给改造管柱和封隔器带来非常大的失效风险,超深水平井分段改造管柱设计过程中必须充分考虑该因素。     

连续油管水平井多簇滑套作业探索与实践

针对水平井压裂时经常遇到的砂堵现象,通过研究连续油管内压力损耗原理,建立了连续管摩阻计算模型,参考模型计算结果优选连续管,完善地面设备配置,形成一套连续油管水平井多簇滑套解堵工艺。利用该工艺可以在不起下井内管柱的情况下,实现油管或套管内解堵施工,工序简单有效,作业效率高,同时可有效避免因堵塞压力的突然释放带来的井控风险。该作业技术经吉林油田红平57－**井现场试验,成功实现解堵施工,为实现后续压裂提供了保障。     

不动管柱水力喷射压裂技术在川西气田水平井的应用

水力喷射分段压裂技术是针对低渗透致密油气藏开发的水平井特别是裸眼水平井最有效的储层改造技术之一。现有的水力喷射压裂技术存在需带压装置、需动管柱、工期长、需取工具、压井伤害、连续油管排量低等缺点,不适合川西地区低渗致密的地层特征。通过对现有的水力喷射压裂技术进行改进,形成了水平井不动管柱滑套水力喷射分段压裂技术。该工艺结合了水力喷射压裂技术和滑套多层压裂的优点,不动管柱连续分段改造、不带封隔器、管柱容易起出,克服了常规水力喷射压裂技术的众多缺点,并进行了现场实践,获得了显著的增产效果。     

水平井分段压裂裸眼封隔器的研究与应用

为了能更有效地利用水平井裸眼完井压裂技术开发苏里格低渗透气田,自主研发了水平井分段压裂配套工具。裸眼封隔器是其重要组成部分,其性能直接影响压裂施工的效果。针对现场实际情况,设计了开启阀式裸眼封隔器,封隔器开启压力可根据施工井情况进行调节,有效防止了下井过程中封隔器提前打开坐封。密封胶筒采用单流阀设计,可以保证胶筒充分膨胀,加强密封效果。该封隔器采用扩张式胶筒结构,配合悬挂器、投球滑套、压差滑套、坐封球座等工具在苏里格地区进行了4口水平井的成功应用,证明能满足水平井分段压裂工艺管柱要求,为水平井裸眼完井分段压裂能顺利进行提供了技术保障。     

滑套式安全接头的设计与研制

安全接头的种类繁多,结构各异,其实施丢手作业方式多为旋转管柱。随着水平井、大斜度井以及联作作业管串的逐步增加,以旋转管柱的方式实施丢手的安全接头,由于井身结构及施工管串的技术限定,致使安全接头丢手可靠性低,甚至无法实现丢手作业。为此,设计研制了滑套式安全接头,该安全接头只需投球憋压即可实现实施丢手作业。从根本上杜绝了管串丢手时无法实施的拉、压、扭作业,功能及性能上满足各种复杂作业需求。滑套式安全接头结构设计简单合理,可操作性强,应用范围广泛。室内实验及现场应用证实了滑套式安全接头的性能稳定性及操作的可靠性,可进一步推广应用。     

基于阿基米德双螺旋线原理的水力喷射压裂技术

针对水平井多级压裂双簇水力喷射效果不佳、上下游喷射器冲蚀不均匀和水平井筒内携砂流体中砂粒易沉降等问题,研究了基于阿基米德双螺旋线原理的水力喷射压裂技术。根据阿基米德双螺旋线原理,设计了双螺旋水力喷射压裂管柱及喷射器,并采用可视化试验方法对双螺旋特性进行了室内携砂评价试验;根据牛顿第二定律建立了水力喷射压裂工况下等径直管和双螺旋管柱内携砂流体中砂粒运移的动力学方程,得出了等径直管和双螺旋管柱内砂粒的运动速度计算模型。研究得出,双螺旋水力喷射压裂管柱及喷射器能起到螺旋旋流作用,均衡双簇水力喷射压裂效果和降低上、下游水力喷射器冲蚀的非均匀性;等径直管内砂粒的运动规律符合恒定加速度运动方程,双螺旋管内砂粒的运动规律符合变加速度运动方程。研究结果表明,采用双螺旋结构水力喷射压裂管柱及喷射器是可行的,在均衡多级水力喷射压裂效果和提高水平井筒内携砂流体携砂能力方面具有显著作用。      

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。     

无碱二元体系在孤东七区油藏流变性和界面活性分布

为更好地揭示无碱二元体系在油藏中性能损失规律,结合胜利孤东七区非均质强、储层结构疏松等油藏条件,在不同长度岩心中开展二元体系溶液渗流实验。通过进行聚合物溶液对表面活性剂界面活性以及表面活性剂对聚合物溶液黏度的影响来研究两者间的相互作用;并在不同长度岩心出口端取采出液,测试不同位置处黏度与界面张力的变化研究该二元体系溶液在近井和油藏流变性和界面活性分布特征。结果表明:加入聚合物溶液后,二元体系界面张力变化规律与单一表面活性剂相似,但使油/水界面张力达到超低时间要长;表面活性剂对聚合物溶液黏度影响不大,二元体系能保持良好的增黏特性;渗流开始时,二元体系A和B黏度保留率较单一聚合物溶液要高,而界面活性主要损失在近井地带（相对距离0~20%）,并在相对距离60%~100%处达到稳定;渗流达到稳定时,二元体系黏度保留率在0~20%处从100%降为84.2%,并在油藏深部分布均匀,受到相对距离的影响不大,二元体系与油滴间的界面张力在60%时达到稳定。