QHY331型自封式封隔器的研制及应用

为解决水力压差式封隔器坐封成功率低 ,以及自封式封隔器承压低 (最高达 30MPa)的问题 ,青海油田分公司钻采工艺研究院研制了QHY331型自封式封隔器。这种封隔器由上接头、扶正块、膨胀管、滑套、剪钉、滑套心子、调节环、中心管、长短胶筒、皮碗总成和下接头等组成。使用表明 ,这种封隔器在压裂、酸化和堵水作业中 ,坐封成功率达 10 0 % ,应用效果非常明显 ,并达到各项设计要求。若与水力锚配套使用 ,可满足施工压力高的措施井。     

热采井封隔器胶筒非线性大变形分析

井底复杂环境下封隔器胶筒的密封性能是影响热采井生产安全的关键因素之一。采用Yeoh本构模型表征胶筒超弹性与非线性特点,数值仿真封隔器坐封过程,分析胶筒非线性大变形,获得胶筒压缩距与接触应力变化规律。基于正交试验设计方法,系统研究了坐封载荷、井底温度、胶筒长度、胶筒厚度、胶筒与套管摩擦因数等对胶筒力学响应的影响。研究结果表明:封隔器坐封载荷与胶筒厚度是影响胶筒压缩距和接触应力的主控因素;随着坐封载荷增加,封隔器压缩距与接触应力非线性增大;胶筒厚度的增加能明显降低压缩距,提高接触应力。研究结果可为热采井封隔器型号优选提供依据。     

超临界CO_2页岩气拖动压裂工具的研制

将超临界CO2注入气藏进行强化采气不仅可解决压裂淡水不足的问题,同时可缓解全球气温变暖。在分析超临界CO2页岩气拖动压裂工具开发难点的基础上,介绍了连续管多重连接器、连续管液压丢手、弹性扶正器、水力喷射器、套管接箍定位器及拖动封隔器的结构和性能特点,同时对胶筒和拖动封隔器分别进行了多次坐封试验及整机试验。试验结果表明,拖动封隔器的胶筒在初始坐封压力为20 k N的条件下能够承受50 MPa气压;拖动封隔器在地面CO2气密封试验中能重复承压10次,随着拖动次数的增多,只有初始坐封力逐步增大才能承受50 MPa气压。下一步应在拖动封隔器的胶筒配料及配方方面开展正交试验,以提高其承压能力和使用次数。     

无骨架内衬扩张式封隔器的研制与现场试验

为解决常规钢丝帘线或重叠钢片式扩张封隔器胀封承压后残余变形大、易卡管柱的问题,通过设计无骨架内衬扩张式胶筒,研制了无骨架内衬扩张式封隔器。该封隔器采用两端嵌套弹簧的方式来提高胶筒多次坐封的可靠性,在工作压差2.5~5.0 MPa下,胶筒可以充分胀封并可靠密封。室内试验表明,无骨架内衬扩张式封隔器在150℃下可以反复坐封/解封50次,双向承压85 MPa,解封后胶筒残余变形率小于1.5%。该封隔器在延长油田2口老井重复复压裂施工中进行了试验,其坐封显示明显,且在井内工作50 h多后,顺利解封,封隔器胶筒完好,外径仅由108 mm扩大至109 mm。研究结果表明,无骨架内衬扩张式封隔器封隔能力强,能重复坐封、解封,比常规扩张封隔器胶筒残余变形小,更易于解封起出管柱。      

水力扩张式封隔器胶筒力学性能有限元分析

水力扩张式封隔器主要应用于水力喷射压裂作业,而胶筒的性能影响作业的成败。以最常用的K344水力扩张式封隔器为研究对象,运用Pro E和ANSYS Workbench软件建立K344封隔器胶筒三维有限元模型,对封隔器胶筒进行应力分析,得到封隔器胶筒Von Mises应力和接触应力云图。有限元分析结果表明,随着喷射压裂的进行,压裂液流经封隔器,封隔器胶筒温度降低,胶筒应力增加。当温度低于90℃时,应力反而降低;当温度低于70℃时,胶筒应力又逐渐增加。在内压作用下,封隔器胶筒的接触应力由胶筒两端向中间逐渐增加。不同参数封隔器胶筒有限元分析结果表明,影响封隔器胶筒最大应力变化的主要几何因素是胶筒外径和套管内径,胶筒的应力与胶筒外径负相关,与套管内径正相关。内压越大,封隔器胶筒的应力越大;起初,内压增加,胶筒应力迅速增加,当内压大于10.52 MPa后,胶筒应力增速趋缓。     

永久封隔器胶筒结构改进与优化

利用ANSYS有限元软件模拟不同载荷作用下胶筒与套管的接触应力大小,对于判断胶筒能否达到预期密封效果以及对胶筒结构参数进行优化均具有重要意义。以永久封隔器胶筒为研究对象,对初始设计的胶筒在不同坐封载荷下胶筒与套管的接触应力以及摩擦因数对接触应力的影响进行了分析,对胶筒进行了结构优化。分析结果表明,随着摩擦因数的增大,胶筒与套管之间的最大接触应力减小;优化后胶筒与套管之间的接触应力达到21.073 MPa,满足设计要求。     

封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析

利用ANSYS软件对封隔器胶筒的接触应力进行了数值模拟计算，通过计算分析得到了接触应力沿胶筒轴向的分布情况。计算表明，此种封隔器可承受40MPa的密封压差，接触应力的最大区域位于端部胶筒与中段工作胶筒的接触部位，高温持久试验也证明其可以满足工作要求。     

基于有限元的封隔器密封性能影响因素分析

选择了能够合理描述封隔器胶筒受力变形的Yeoh模型,通过试验测得封隔器胶筒材料的应力与应变关系,利用MATLAB计算了Yeoh模型的常数。对封隔器胶筒进行有限元分析,得到胶筒压缩距、肩部"突出"以及接触应力随坐封载荷的增加而增加;胶筒肩部"突出"使最大接触应力的作用区域变小,且由胶筒中部逐渐转移到加载端,造成胶筒与套管的接触应力分布不均匀,使胶筒密封的可靠性降低。通过试验得到坐封力与压缩距的关系,验证了有限元模型的正确性。     

压缩式裸眼封隔器的研制与应用

为了降低裸眼水平井压裂改造成本,研制了压缩式裸眼封隔器。该裸眼封隔器采用可扩张保护块式胶筒端部保护机构及双胶筒密封单元,封隔器承压能力得到显著提高;同时,采用防中途坐封双保险锁定机构,降低了封隔器下入过程中提前坐封的风险。室内试验结果表明,在模拟152.4 mm裸眼井条件下,封隔器承受双向压差达70 MPa以上。该裸眼封隔器具有结构独特、加工成本低等特点。苏里格气田现场应用情况表明,压后平均无阻流量为相邻直井的3～9倍,获得了较好的增产效果,为长庆气田低成本快速开发提供了有力的技术支撑。     

可钻封隔器设计及密封机构特性研究

为解决油田分层注水封隔器工艺成功率低的问题，研制了一种可钻封隔器。该封隔器内径为62 mm,零件采用非金属可钻复合材料；封隔器采用双活塞低压坐封，减小了坐封压差，增强了坐封可靠性；筛选耐高温高压胶筒，尽可能缩小胶筒厚度。通过对胶筒密封机构进行仿真分析，得出不同工作压力下胶筒与套管内壁的接触压力与胶筒压缩距。对仿真结果进行分析可知，密封机构满足设计要求且密封性能良好。室内试验和现场应用结果表明：可钻封隔器坐封顺利，解封可靠，整体密封性能良好。密封压差可达35 MPa,常温至120℃高温下承压25 MPa,能够满足高温、高压等复杂环境下的工作需求，工艺成功率100%,应用效果良好。此封隔器的研制成功为分层注水井的应用提供了技术支持，对油田实现降本增效起到了良好作用，具有广阔的推广应用前景。     

高温高压深井用液压封隔器研制及试验

塔河油田在钻探井和评价井时,机械封隔器和国产常规液压封隔器难以满足高温、高压井的生产和录取地层资料的要求.国外生产的高性能封隔器的订货周期长,价格昂贵.因此有必要研制一种高温、高压、深井用液压封隔器.通过理论计算和现场应用分析,发现影响封隔器的耐温、耐压性能的关键点是胶筒和活塞外筒.在常规套管液压封隔器（MCHR封隔器）的基础上,加厚外芯轴和活塞外筒并引进高性能胶筒后,设计的新型封隔器可耐温204℃、耐压差69 MPa.室内性能评价试验合格后,现场应用8口井,成功率100％,可在酸压作业和常规完井中推广应用.     

φ88.9mm侧钻水平井套管外封隔器的研制与应用

为了解决侧钻水平井固井时存在的层间混窜和管外喷冒等问题 ,研制了 88 9mm侧钻水平井套管外封隔器。封隔器的膨胀控制系统采用一种新型的施工阀、保压阀和液缸预充液压油结构 ,膨胀密封元件采用新式的帘布夹层胶筒 ,可以在小尺寸情况下封隔比较大的环空 ,胶筒端部用压环压紧密封 ,同时又采用了胀环结构作靠背 ,提高了胶筒承压能力。现场应用证明 ,这种封隔器具有通过能力强 ,承压能力高 ,试压可靠性高 ,封隔性能好等特点 ,坐封成功率达1 0 0 %。     

K344-108型小直径封隔器的改进与应用

为满足水平井多段分层压裂的有效封隔及特殊井作业的需要,降低卡钻风险,研制了K344-108型小直径封隔器。通过对该封隔器的胶筒结构、安装方式及胶筒座肩部等进行改进,封隔器中心管承压能力可以达到70MPa,套管上、下密封压差达到65MPa。2009年,将K344-108型小直径封隔器与水力喷射压裂组合管柱在长庆油田现场应用12口井,实现了1趟管柱拖动多段压裂,各层段间施工压力差异明显,封隔可靠,施工后起出封隔器形状基本完好,满足了现场施工要求。     

大庆油田套损井大规模压裂工艺及配套工具

大庆油田累计套损井近万口,为了动用这些压裂程度低、剩余油相对富集的潜力井,开展了多级大规模压裂工艺研究。通过有限元软件分析胶筒肩部角度、长度与应力之间的关系,并通过油浸实验验证了胶筒在大形变下的耐温承压性能;应用自编软件优化调整关键部件尺寸,设计了工艺配套工具。最终确定了小直径封隔器胶筒肩部角度50°,长度550 mm;小直径喷砂器能够针对套管内径大于?104 mm的套损井进行施工,工艺覆盖率提升至70%;新型锚定工具可确保工具通过套损点并使管柱稳定;双功能防喷封隔器能够实现目的层封隔及油管防喷。现场试验结果表明,该工艺及配套工具能够用于套损井压裂,单趟管柱可压裂5层,砂量289 m3,初步实现了套损井大规模压裂施工。     

采油井模块化分层流体取样与压力测试技术

为了准确掌握老油田高含水开采后期各油层分层压力及流体参数等开发动态数据,提出并研发了具有模块化、全电控、快捷化等特点的模块化分层取样与测试技术,并进行了室内测试和现场试验。模块化分层取样与测试系统由地面控制系统、井下电源、排液泵、电控锚定器、电控封隔器、电控取样器、磁定位短节、终端短节、适配管缆、快速接头等多个功能模块构成,室内测试证实各模块性能参数均达到了设计要求。系统井下功能模块耐压35 MPa,耐温85℃,电控封隔器胶筒耐压差10 MPa以上,电控锚定器锚定力大于6.9 t,并可在意外情况下强制解卡,排液泵排量0.8 m³/d,扬程500 m,电控取样器能够满足3腔各500 mL取样需求。吉林油田现场试验表明,该系统能够实现井下单个生产层段快速封隔与自验封,完成分层压力恢复测试,利用排液泵可将上下封隔器间以及近井地带的混合液体排出,获取被测层段的地层真实流体样品,提高老油田产层认识水平,为开发方案调整优化、油层改造等提高采收率措施提供重要依据。     

采油井模块化分层流体取样与压力测试技术

为了准确掌握老油田高含水开采后期各油层分层压力及流体参数等开发动态数据,提出并研发了具有模块化、全电控、快捷化等特点的模块化分层取样与测试技术,并进行了室内测试和现场试验。模块化分层取样与测试系统由地面控制系统、井下电源、排液泵、电控锚定器、电控封隔器、电控取样器、磁定位短节、终端短节、适配管缆、快速接头等多个功能模块构成,室内测试证实各模块性能参数均达到了设计要求。系统井下功能模块耐压35 MPa,耐温85℃,电控封隔器胶筒耐压差10 MPa以上,电控锚定器锚定力大于6.9 t,并可在意外情况下强制解卡,排液泵排量0.8 m³/d,扬程500 m,电控取样器能够满足3腔各500 mL取样需求。吉林油田现场试验表明,该系统能够实现井下单个生产层段快速封隔与自验封,完成分层压力恢复测试,利用排液泵可将上下封隔器间以及近井地带的混合液体排出,获取被测层段的地层真实流体样品,提高老油田产层认识水平,为开发方案调整优化、油层改造等提高采收率措施提供重要依据。     

高性能底封拖动分段压裂工具研制及试验

底封拖动分段压裂工具作为“三低”油气藏开发及低品位油气资源效益挖潜的一种利器,目前在国内油田大量推广应用取得了一定效果。但工具在长水平段中的作业性能难以满足油公司降本增效的需求。因此文章开展高性能底封拖动分段压裂工具研究,采用有限元模拟分析方法结合加工实际对喷嘴孔道参数、封隔器胶筒结构参数及卡瓦合金齿设计参数进行优化设计,数值计算结果表明喷嘴孔道长径比l/d,扩散角θ₁,收缩角α₁在最优设计参数时喷嘴射流效果最佳。坐封胶筒采用“M”形结构,内外壁应力集中处设计应力释放槽,胶筒坐封时内部应力及管壁接触应力改善明显。锚定单元轴向承压70 MPa时卡瓦硬质合金齿的嵌入倾角α<27°,突出高度h<1.5 mm时套管径向形变最小。室内测试及现场应用结果表明,优化改进后的喷砂射孔器过砂能力10 m³以上,封隔器胶筒反复坐封解封10次封隔压差70 MPa,作业管柱具备一趟管柱压裂10段以上的作业能力,能很好满足现场应用需求。     

带封隔器的油套合压管柱油管临界排量计算

为防止油套合压过程中封隔器因承受较大活塞力而发生移位,开展了保证封隔器不发生移位的油管临界排量计算研究。通过管柱受力分析,建立了压裂管柱轴向力计算模型,利用有限元分析软件模拟了封隔器胶筒的锚定力。根据压裂管柱所受轴向力与锚定力的关系建立了保证封隔器不发生移位的油管临界注入排量计算模型。通过计算得出:当地层破裂压力梯度为2.1 MPa/100m时,井深2 000.00 m处φ60.3,φ73.0及φ88.9 mm油管的临界排量分别为0.965,0.810和0.470 m3/min;而在井深3 000.00 m处,3种尺寸油管的临界排量分别为1.120,0.985和0.680 m3/min;临界排量随井深增加而增大,随油管尺寸增大而减小;在选取的地层破裂压力梯度范围内,地层破裂压力梯度为1.8 MPa/100m时,φ88.9 mm油管的临界排量最小,为0.46 m3/min。研究结果表明,油管排量大于临界排量可有效防止封隔器发生移位,有助于确保油套合压过程中压裂层位和压裂深度的准确性。      

液压压胀式尾管顶部封隔器研制与试验

机械式尾管顶部封隔器在小尺寸井、浅井和水平井中进行压裂作业时,由于机械下压力不足,容易出现封隔器坐封困难的问题。研制了一种基于液压坐封方式的封隔器,即液压式尾管顶部封隔器。在封隔器坐封原理的基础上设计了多级液缸串联工作方式的坐封结构,解决了机械式封隔器坐封力不足的问题; 同时设计了锚定结构,增大了封隔器坐封的可靠性。地面性能试验表明,该封隔器可在25 MPa内压力条件下实现坐封、30 MPa内压力条件下完成坐挂功能,坐封后密封压力达到70 MPa。该封隔器可实现对尾管重叠段环空的有效封隔。