海洋水下井口装置密封技术研究

密封技术是水下井口装置的关键技术之一,密封性能的优劣直接影响并决定整个海洋石油开采系统的安全性和可靠性。介绍了国内海洋水下井口装置密封技术现状,尤其对美国VetcoGray公司的VX、VX-2、VGX、VGX-2、VT、VT-2等垫环密封和SG-LTR环空密封、DrilQuip公司的环空密封以及Aker公司的环空密封的结构技术参数和性能特点进行了重点分析研究。同时阐述了海洋水下井口装置密封的设计与制造关键技术。指出井口头密封的双密封面结构和球面密封面结构技术先进;环空密封的全金属密封、压入安装方式具有承压高、工作可靠、寿命长的优点。最后建议借鉴国外海洋水下井口装置密封的结构特点,加大科研力度,做好试验设施建设,以推进海洋水下井口装置国产化进程。     

水下井口连接器密封结构性能分析

水下井口连接器在生产过程中面临的工况和环境较复杂。通过有限元计算,分析了连接器在安装预紧工况和生产工况下密封圈的密封性能。研究了轴向预紧力、密封圈接触应力和径向压缩量等参数之间的相互影响规律。通过编写Abaqus的inp程序,分析完井与修井工况下承受弯矩载荷的井口连接器密封性能,研究了金属密封圈左右接触面不同弯矩载荷下的接触应力相互影响规律。分析结果表明,连接器在承受2.02×10~6N·m的弯矩条件下,金属密封圈虽然发生面积较大的屈服,但是仍然具有密封性,能够有效密封内压。研究成果可为水下井口连接器的安全应用提供参考。     

环空带压对深水水下井口疲劳损伤的影响规律

海洋深水油气井测试过程中,高温产液上返时会加热周围套管及多层套管环空内的液体,引起液体在密闭井筒环空中膨胀,产生环空带压。环空带压的存在会改变水下井口疲劳热点处的应力状态,进而对水下井口疲劳损伤产生不利影响,制约了深水油气井长期安全高效运行。为了给深水油气井的长期安全运行提供更加科学的指导,考虑环空液体物性参数、井筒环空液体热膨胀和环空体积变化的耦合影响,建立了水下井筒环空带压计算模型,采用迭代法对环空带压进行了求解,将获得的环空带压施加到水下井口有限元模型上,然后以高压井口头与表层套管的焊缝为研究对象,研究了环空带压条件下水下井口疲劳热点处的应力状态;在此基础上,分析了环空带压、水泥浆返高和高压井口头出泥高度对水下井口疲劳损伤的影响规律。研究结果表明:①环空带压的存在会加剧水下井口的疲劳损伤,压力越高,疲劳损伤越严重;②表层套管外水泥浆返高与泥线的距离越大,水下井口的疲劳损伤越小;③高压井口头出泥高度越大,水下井口疲劳损伤越大。结论认为,有效地控制水下井口的环空带压与合理地设计井身结构,有助于减少水下井口的疲劳损伤。     

转动式环测井口及应用

简单介绍了我国目前主要使用的两种转动式环测井口的结构,重点讨论了转动式井口的解缠方法及推广中存在的主要问题,旨在使转动式环测井口设计及使用更合理。     

水下井口头密封总成系列化设计与分析

我国的密封总成仅局限于浅海和低压密封,不能实现不同海水深度和不同压力的钻井需求。鉴于此,通过对系列化设计方法和金属密封机理的研究,对影响密封总成密封性能和压力等级的关键因素进行了分析,确定了密封总成系列化设计原则和评价标准,得到密封总成的系列化设计方法,验证了103.4 MPa井口头系统密封总成作为系列化设计的基型能够达到预定的密封效果并能安全回收,完成了34.5、68.9和137.9MPa 3个压力等级密封总成的结构参数设计,形成了密封总成的系列化。利用ANSYS Workbench对基型密封总成的密封性能做了详细的力学分析。提出的密封总成设计方法可以为整套井口头系统的系列化设计提供理论依据和指导。     

水下井口系统拉伸与弯曲测试工装设计与分析

水下井口系统在深水油气开采作业期间承受复杂载荷的作用,极易发生强度破坏和结构失效。目前主要通过数值模拟的手段对水下井口系统进行分析,无法准确评估水下井口在工程应用时的安全性,研制水下井口系统的专用测试设备并分析其试验过程中的结构稳定性具有重要意义。根据水下井口系统实际装配结构,自主设计了水下井口承受悬挂、拉伸、弯曲载荷下的专用测试工装。为论证测试工装结构在测试试验过程中是否会发生强度破坏,基于ANSYS Worbench建立了3种测试工装的有限元模型,分析得到不同工况下测试工装应力响应云图。计算结果表明：悬挂载荷测试时,测试工装最大应力为597.50 MPa;弯曲载荷测试时,测试工装最大应力为349.34 MPa;拉伸载荷测试时,测试工装最大应力为179.14 MPa。各部件应力均未超出材料屈服强度,能够保证测试试验的稳定运行。研究结果可为水下井口系统测试工装的研究设计提供参考。     

瞬态力－热耦合作用下水泥环完整性分析

页岩气井工程实践表明,套管压裂易导致水泥环完整性发生破坏出现环空带压。基于套管压裂工程实际,建立井筒温度场模型和套管－水泥环－地层组合体有限元模型,采用解析法和数值法结合方式,计算页岩气井压裂过程中瞬态力－热耦合对水泥环应力大小、分布影响规律。结果表明:压裂过程中水泥环内外壁温差先增大后减小,压裂初近内壁处存在陡峭温度梯度,易导致内壁应力显著提高;瞬态力－热耦合作用导致水泥环内壁应力大幅提升,加剧了水泥环完整性失效的风险,压裂初期为水泥环易发生损坏的“风险段”;水泥环内壁最大应力随着时间变化,易产生“多裂纹”形态,加剧环空带压。研究结果可为页岩气井压裂过程中水泥环完整性设计控制提供参考。     

海洋油气井水下井口回接装置

海洋油气井水下井口回接是海洋油气井通过水下井口与海面采油平台建立采油采气通道的一种方法。介绍了回接连接装置的结构、组合式金属膨胀密封环的设计方案及其工作原理。该方案设计的装置结构简单、操作方便,为国内在海上油气井回接系统方面的研究提供新的设计思路。     

螺栓连接式水下井口连接器结构性能分析

水下井口连接器是海洋油气勘探开发的重要设备,工作时面临的工况和环境较复杂。通过三维有限元计算,分析了螺栓连接式水下井口连接器在安装预紧模式、生产模式及钻完井和修井模式下的结构性能,研究了外部载荷、金属密封垫环接触力、螺栓应力应变等参数之间的相互影响规律。建模时密封垫环采用GK3D8单元来模拟接触的非线性行为,其他模型采用C3D8R单元划分网格。分析结果表明,内压循环载荷对连接器预紧能力的影响很小;钻完井和修井模式下,螺栓是毂面分离后的主要承载部件;连接器在发生塑性破坏或达到结构极限强度时,金属密封垫环仍能有效密封内压。     

稠油热采井口光杆密封装置

针对克拉玛依六-九区稠油开采中井口普遍出现的跑油问题,提出了根治跑油的办法,研制出一种新型井口密封装置。该装置利用盘根盒腔体与光杆形成密封空间,用专用注塑枪等向腔内注入新型密封材料,使密封剂的挤压力与泄漏原油介质的压力相平衡,建立新的密封结构堵塞泄漏孔隙和通道,挡住流体的外泄。应用结果表明:采用新型密封装置操做方便,实用性强,减少了因原油泄漏造成的能源浪费及环境污染,具有很好的经济和社会效益。     

深水钻井水下井口稳定性分析

为了对深水钻井水下井口稳定性进行分析,基于土力学理论,利用大型有限元软件ANSYS中管单元和非线性弹簧单元模拟管-土受力与变形过程,对水下井口的横向位移、井口转角以及管身弯矩进行分析。建模时将表层导管与海底浅层土横向及竖向作用简化为管-非线性弹簧模型,导管视作线弹性管,用非线性弹簧来模拟土层的变形特性,通过共用节点实现管单元与非线性弹簧单元连接。分析结果表明,钻井船偏移量相同时,导管的横向偏移、井口转角、管身弯矩都随顶部张力比的增加而增大;钻井船偏移量增大后,高的张力比会急剧增大井口的横向位移、转角和管身最大弯矩,易造成井口侧翻。当钻井船偏移量增大时,建议适当降低隔水管顶部的张力,以降低井口侧翻的风险。     

含腐蚀缺陷的水下连接器密封圈性能分析

密封性能是水下连接器的设计难点,实现密封的核心部件是金属密封圈.为了分析腐蚀对金属密封圈密封性能的影响,利用SolidWorks建立含有腐蚀缺陷密封圈的水下连接器三维仿真模型,导入ABAQUS进行有限元分析,得到连接器在不同工况下的密封圈应力云图,进而可以得到连接器临界密封功能失效状态.只有当预紧力足够大,使得密圈接触...     

热采井口装置全尺寸热-流-固强度计算及安全评定

采用数值模拟的方法,对KR14-337型热采井口装置进行全尺寸热-流-固强度计算,分析其流场、温度场以及应力场。基于弹性分析评价准则,对其主要的承压部件(上法兰、阀体、油管头四通、小四通、螺栓)进行了安全评定。结果表明:该热采井口装置中压力波动并不大,可以看作为均匀内压。阀体和小四通位置存在较大的温度梯度,强度校核时必须考虑不均匀温度场所产生的热应力。主要承压部件中,上法兰和螺栓处的安全裕量较小,在以后的在役检测评价过程中应给予特别关注,以保证设备长周期安全稳定运行。     

基于有限元的膨胀管膨胀过程力学分析

为了研究膨胀管在膨胀过程中的力值分布、膨胀管外形尺寸的变化,以及管内的残余应力分布,对膨胀管和膨胀锥进行三维建模.通过ANSYS软件对膨胀过程进行有限元分析,得到膨胀管的应力分布、膨胀力值、残余应力、轴向收缩量以及壁厚变化情况.为现场施工提供理论指导.     

封隔器胶筒密封性能有限元分析

封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能，且胶筒属于超弹性材料，在井下多种载荷作用下，其力学行为复杂。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象，建立了封隔器密封元件的有限元力学模型，分析了加载方式、摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响，得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律，研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业。     

水下电连接器密封和环境补偿结构设计与分析

水下电连接器工作水深为1 500 m时,公头和母头插拔面临巨大的内外压力差和动密封难度大的难题。设计的插拔动密封结构,将残余海水剐蹭并隔离在前密封外,使插座充油腔始终保持密封状态;设计的环境补偿结构降低了内外压力差,从而降低插拔难度。采用厚壁圆筒结构Lame公式和畸变能理论,对水下电连接器进行危险截面计算与校核。基于ANSYS软件中的Workbench平台建立重点零件的三维网格模型。对该模型施加压力并进行仿真分析,得到形变云图和应力云图,证明该水下电连接器满足水深1 500 m工作的技术要求。     

自膨胀封隔器密封性能影响因素分析

封隔器胶筒密封性能的研究关键就是胶筒与井壁之间的最大接触压力。以YZF51/2″×203×3000型遇油膨胀封隔器为研究对象,利用有限元软件分析了胶筒橡胶硬度、井壁摩擦因数以及工作压力对胶筒与井壁的接触压力以及胶筒应力的影响。分析结果表明,随着橡胶硬度的增加,胶筒与井壁间最大接触压力增加,密封性能增加;井壁摩擦因数较小时,胶筒与井壁间最大接触压力随着摩擦因数增加显著,但当摩擦因数大于0.15后,其对接触压力影响较小;工作压力应该控制在90 MPa以内,即工作压差在30 MPa以内,封隔器能够实现安全密封。研究结果可指导自膨胀封隔器胶筒的优化设计以及自膨胀封隔器的现场应用。     

井眼直径对膨胀波纹管膨胀性能的影响

为了保障膨胀波纹管在石油钻井中的应用,针对Φ 215.9 mm波纹管现场试验过程中水力膨胀需求,采用有限元弹塑性分析的方法,建立波纹管膨胀模型,开展波纹管在直井中膨胀情况的仿真模拟。通过对所建模型的分析,对不同井眼直径可膨胀波纹管的波峰、波谷、长轴及不圆度随压力的变化关系进行研究,结果表明:随压力的增加,波纹管的不圆度逐渐减小,且井眼直径越大,不圆度越小;随井眼直径的增加,波峰、波谷、长轴的直径均增大。     

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。