针对油气田在生产过程中卡钻式井下落物打捞作业的难点,开展了液压震击解卡工艺技术研究.利用液压蓄能原理在近卡点产生向上的动载荷,以保证为被卡落鱼提供巨大的震击力,提高解卡成功率.该技术采用小修作业设备,配套液压上击器、液压加速器及可退式打捞工具等,能够有效地解决因砂卡、垢卡及工具不解封等造成的井下落物的打捞.已在J油田XL采油厂开展矿场试验12井次,节约了作业费用,实现了降本提效的目的.
修井作业过程中,需要对管柱进行大量的起下、排放作业,劳动强度大、安全风险高.钻台机械手能够实现管柱在操作平台与排放架之间的移送操作,可有效提高作业效率,降低劳动强度,提升修井作业自动化水平,为此研制了 一种专门用于修井作业的钻台机械手,并对钻台机械手的结构、主要技术参数、技术特点进行了阐述.采用静力学分析方法对臂架各构件进行受力分析,验证臂架满足强度理论要求;运用ADAMS软件对臂架伸展推扶管柱过程进行运动仿真,为钻台机械手臂架轨迹控制及变幅油缸计算选型提供依据,验证了钻台机械手水平推力及推扶半径满足技术参数要求.修井用钻台机械手的成功研制及推广应用,促进了大修自动化管柱处理系统的发展.
深水钻井补偿系统是海洋深水资源开发的关键装备.以最大补偿载荷4 500 kN、补偿精度90％、适应全球海域全天候作业要求为目标,开展了补偿系统集成设计研究.分析五种补偿类型和三种补偿机理与钻探系统的适应性及对补偿系统综合性能的影响,选择适应钻采船作业要求的补偿型式.通过补偿系统整体配置计算,确定系统主要参数.对比分布式和集中式控制两种方案,最终确定分布式控制形式.通过布置方案和结构优化,以提高作业效率、降低作业成本、提高操作维护性为目标,形成高效作业的深水钻井补偿系统集成设计解决方案.最后通过试验验证了设计方案的合理性.
海上水平井裸眼充填防砂作业中,通常利用反循环单流阀的开关实现流道转换,完成封隔器验封和循环充填等作业.针对渤海油田开发过程中小井眼充填防砂要求,研制了一种新型反循环单流阀,结合工具结构原理和管柱施工工艺,给出了工具设计准则.采用有限元分析方法研究了槽长、槽宽和槽个数对工具负荷卡爪和弹性卡爪开关力的影响,并优选出工具结构参数方案.通过室内整机试验对优选方案进行开关力和开关性能测试,室内测试表明,在推拉速度0.1～0.2 m/s、开关次数15次的情况下,实现负荷卡爪过密封筒的力为30～35 kN;弹性卡爪的开关力为18～21 kN;负荷卡爪过密封筒的摩擦力为3～5 kN,工具开关测试成功率达到100％.现场应用结果显示:新型反循环单流阀成功完成3次开关动作,开关负荷显示明显,开关力及开关性能与室内试验结果吻合,技术指标满足海上油田的需求,具有一定的推广价值.
目前,吉林油田CCUS已进入工业化推广应用阶段,部分井油压超过掺输压力,需介入控压措施,而准确预测井筒压力则是进行转喷预测和控压工艺设计的关键.CO2驱高气液比油井井筒流动具有多组分、存在相变及流型转变等特征,导致现有压降模型不适用.为了进-步揭示CO2驱油井井筒多相流动规律,准确预测井筒压降,开展了油气水三相井筒可视化流动模拟试验,明确了高气液比条件下,气体扰动对油水相间作用的影响规律;基于试验数据,通过因素分析,明确了表观气、液流速和含水率与持液率的变化关系,引入新的无因次数准数,拟合得到持液率计算新模型;综合考虑CO2在原油和水中的溶解度,以及CO2沿井筒流动的相态变化,建立了 CO2驱高气液比油井压降预测模型;现场实际测压数据验证表明:新模型最大误差为8.32％.与常用工程压降模型相比,新模型精度最高.该研究成果对保障CO2驱高气液比油井的安全稳定生产具有重要的意义.
ROV扭矩工具是海洋油气工程中水下生产系统常用的维修安装工具之一,其适应性与稳定性直接影响水下生产系统维修安装的效率与安全.目前国内对ROV扭矩工具的研究还处于认识和操作的基础阶段,核心技术还无法突破.结合API及ISO13628-8相关标准,设计了 ROV扭矩工具的液压监控系统;然后建立液压马达回路数学模型,得到液压马达回路传递函数方框图;最后采用Matlab和AMESim两款软件对液压马达回路进行仿真和对比.采用AMESim软件对锁紧和换挡液压缸回路进行建模仿真,得到三个回路的输出曲线,通过分析,液压马达回路两个仿真结果具有较好一致性,数学模型准确无误,锁紧和换挡液压缸回路满足系统工作要求.仿真结果表明:设计的液压监控系统满足工程需要,可为ROV扭矩工具核心技术突破提供一定的技术参考.研究成果对我国ROV扭矩工具的国产化研究有一定的指导意义.
破裂盘是管理深水油气套管环空压力的重要工具,安装破裂盘需要对套管进行开孔操作,会对套管原有的性能造成一定影响.通过建立套管短节有限元分析模型,对破裂盘安装孔位置、安装孔数量、安装孔尺寸、安装孔台阶面及螺纹类型进行参数敏感性分析,探究了破裂盘安装孔相关参数对套管短节强度的影响规律.利用套管短节下放至飞溅区所承受弯矩对推荐方案的套管短节进行强度校核.结果表明:在推荐方案下,当短节下放时经历一年一遇与十年一遇海流时可安全下放,当短节经历百年一遇海流时可能无法安全下放.分析结果可为后续破裂盘套管工具的安装下放提供借鉴.
当前在抽油机井用量最多的是超高强度的H级抽油杆,但其耐腐蚀性能不能适应高含水期油井耐腐蚀要求,抽油杆腐蚀情况较为严重,腐蚀疲劳断裂是主要的损坏形式.为研发耐腐蚀抽油杆,设计了含铬量12％的超低碳合金00Cr12,通过对采用00Cr12合金制作的抽油杆的抗拉强度、耐疲劳性能和耐腐蚀性性能进行测试,结果表明,00Cr12合金制作的抽油杆力学性能和耐疲劳性能达到了 H级抽油杆要求,模拟环境腐蚀试验测试得到的腐蚀速率是普通H级抽油杆的1/38.00Cr12合金制作的抽油杆入井应用取得良好的耐腐蚀效果.
随着石油勘探开发力度不断加大,低渗透、超低渗透等非常规油气资源逐渐成为各国油气田的增产主体.超低渗地层使用常规水力压裂技术就会存在造缝程度低、泵注量大、能量利用率低等问题.针对上述问题提出了利用水力脉冲强化压裂的构思,并对水力脉冲压裂所用到的涡轮机构工具进行设计,分析并使用有限元数值模拟软件进行受力分析验证设计可行性以及所需材料强度.数值模拟结果表明:涡轮部件中部更易发生变形与断裂,需要选用材料强度较高的材料保证强度.工具采用涡轮驱动脉冲开关、止回阀防止回流、齿轮副调节脉冲频率,模块化程度高;设备组装便捷、可靠性稳定、耐酸耐高温,地层适应性强,能够满足水力压裂工艺需要.
为解决水平井桥塞射孔联作分段压裂工艺存在的储层改造不均衡、压后钻塞风险大等问题,开展了连续油管拖动压裂和无限级固井滑套分压工艺研究应用,其核心技术指标是井下工具组合的使用寿命和施工安全性.作为井下工具组合的主要组成部分之一,平衡阀的开关及密封性能直接影响整个现场施工质量、效率和成本.进行了平衡阀结构优化,通过插入密封总成结构和处理工艺优化设计,提高平衡阀多次开关密封可靠性,同时降低工具维护成本;通过阀杆排砂结构设计,避免压裂沉砂导致开启困难,保障现场施工安全.室内试验承压70 MPa,开关次数≥50次,现场试验2 口井8层,施工成功率100％,压裂后工具提出完好,具备继续使用的条件.试验结果表明,优化后的平衡阀开关及密封性能可靠,可以满足水平井多级压裂安全性和经济性要求.
根据大港油田自动化修井作业的具体要求,结合自动化修井机的特点,设计了 一种自动化修井机杆管自动接送装置.阐述了该装置的基本结构及工作原理,对重要部件的工作过程进行了描述;建立了相应的数学模型.对其上料机构进行了分析,选取了合适的上料液压缸.根据自动化修井机杆管自动接送装置的工作原理、工作过程设计出了相应的液压系统,保证了装置工作时的安全与稳定.运用有限元软件对装置主要承载部件进行强度分析,计算结果表明:自动化修井机杆管自动接送装置工作可靠、稳定好;且满足油田自动化程度高、安全的工作要求,大大降低了工人的劳动强度,具有很高的工程应用价值.
防喷器是防止井喷等重大事故的最后一道防线,其一旦失效,将会严重危害海洋平台人员和设备的安全,并且造成难以估量的损失.目前,国内外无统一的防喷器判废标准,且相关判废标准定性描述较多,适用性差.针对这些问题,提出了基于贝叶斯网络的防喷器概率性判废分级评定方法.首先,根据判废标准对评定对象进行标准判定.其次,考虑自身缺陷和外在因素对判废结果的影响,分别对其进行缺陷安全评定和风险性评定.最后,综合标准判定、缺陷评定和风险性评定结果得到防喷器当前状态下的判废等级.以某FZ35-70型闸板防喷器为例,得到了该闸板防喷器的判废等级和对应的维修建议,验证了所提出方法的可行性,为制定防喷器判废规则提供参考.
智能分注技术能够实现分层注水井动态数据的连续监测、注水方案的实时调整,保证注水合格率.但是成本高,不能在多层精细分注井大规模应用.其中,电磁流量计在智能配水器中的成本占比约为38％,为降低成本而取消物理流量计,开展智能配水器新型流量测量技术研究.利用无量纲分析方法,构建智能配水器水嘴前后压差与流量和水嘴开度经验计算准测方程,通过室内试验获取方程的经验参数.利用压力传感器监测注水井压力,将压差值代入方程并计算流量,实现注水井分层流量实时测量.室内试验结果表明,新型流量测量技术获得的计算流量值与标准流量值比较,相对误差小于12％.在智能分注工具中采用新型流量测量技术,不需要配置流量计,从而降低智能分注工具的成本,为智能分注技术的规模化应用提供技术支持.
PDC钻头的固定式喷嘴对于改善钻头井底流场、抑制漩涡区的发展、防止钻头泥包等方面的作用有限.建立具有旋转喷嘴的PDC钻头的数值仿真模型,分析旋转喷嘴数量、喷嘴自转速度、钻头转速对PDC钻头井底漩涡场的影响规律.结果表明:旋转喷嘴较固定式喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡场的发展;随着旋转喷嘴数量的增加,钻头井底漩涡区面积占比是减小的;随着旋转喷嘴自转速度的增加,钻头井底漩涡区面积占比呈先减小后增加的趋势,存在最优的喷嘴转速值;钻头转速对于旋转喷嘴条件下PDC钻头的井底漩涡场影响较小.
对2FZ28-140型双闸板防喷器的壳体在静水试验压力和额定工作压力下进行有限元分析,并按照ASME规范进行强度校核.以双闸板防喷器质量、最大应力、危险薄膜应力、危险弯曲应力、危险组合应力为优化目标,采用响应曲面法进行防喷器的壳体结构优化,得到壳体的最优结构参数组合.研究结果表明:初步设计的2FZ28-140型双闸板防喷器的强度满足规范要求,危险部位出现在垂直通孔与长圆形通孔贯穿的相贯线处;防喷器的最终优化方案满足各危险工况要求,优化前后壳体的质量、最大应力、危险薄膜应力、危险弯曲应力、危险组合应力分别降低5.2％、5.4％、3.4％、18.6％、11.7％.
针对传统油管封隔器+投球滑套分层压裂工艺存在改造规模小、分压层数受限、管柱砂卡风险大等问题,开展了无限级固井滑套分层压裂工艺研究及配套工具研制.新工艺将多个固井滑套与油层套管一起下入井内,完井后通过连续油管下入滑套定位器、封隔器等组成的滑套开启工具,自下而上依次开启各级滑套,进行分段压裂.压裂结束后,提出连续油管,即可放喷投产.研制了固井滑套及滑套定位器、封隔器、循环阀等滑套开启工具串,耐压70 MPa,耐温150 ℃.现场试验2 口井,8套滑套全部成功开启,压裂施工成功率100％.结果表明,研制的无限级固井滑套分压工具可以满足直井、定向井的多层大规模压裂改造需求,成本比进口工具降低70％以上.
深部地层的环境温度高,岩石硬度大、研磨性强.采用PDC钻头常规钻井方式,钻头的破岩效率低、机械钻速慢.介绍了 1种轴扭复合冲击破岩工具的结构和工作原理.建立PDC钻头破岩理论模型和数值分析模型,并进行对比分析,得出了常规钻进和轴扭复合冲击钻进过程中PDC钻头的运动轨迹和岩石破碎过程应力变化规律.分析发现,复合冲击作用下岩石裂纹发生快,更容易产生体积破碎,岩石表面能够形成连续均匀的破碎坑,相比常规钻进能够提速30％左右.该研究为轴扭复合冲击破岩提供了理论依据,对深井油气田开发具有重要意义.
随着海洋石油平台退役及老井弃置的逐渐增多,套管高效切割技术成为研究热点.磨料射流切割技术是井下套管切割的关键技术之一,然而,应用于偏心套管切割,该技术仍存在效率不高、切割成功率低等问题.为预测磨料射流切割偏心套管的能力,进行3层偏心套管切割试验,并对试验结果进行分析.结果表明,在偏心严重的井眼条件下,一趟作业无法完成762 mm(30英寸)导管切割.一趟作业完成3层套管切割,对井眼偏心距离要求较为严格.将试验结果与理论计算结合可知,磨料射流工具可对直径838.2 mm(33英寸)(以切割工具为中心)的区域进行切割.针对常规完井套管组合结构,可对最大偏心率为14.7％的套管进行切割.
现有的稠油热采工艺普遍存在生产效率低、工艺流程复杂和液控管线数量较多的问题.针对这些问题设计了一种适用于高温电潜泵注采一体化工艺的新型自动Y工具,可以实现稠油热采过程中注入和生产通道的自动切换,简化了工艺流程,并减少了液控管线的数量.介绍了 自动Y工具的设计原理、强度校核和有限元分析,并进行了常规功能性试验、流量试验和隔热试验.结果显示,该自动Y工具能够满足350 ℃高温电潜泵注采一体化的作业要求,隔热效果良好,最大流量为 2.86 m3/min(18 bbl/min).
在分层开采井的生产管柱下入之前,需要对油水井进行冲洗、封隔器验封作业,常规工艺是采用2趟管柱,作业效率低.为了提高海上油田修井作业时效,降低作业成本,研发了冲洗验封一体化管柱,实现冲砂、分层封隔器验功能,提高了作业时效,单井节约修井时间36 h.设计的滑套式开关冲洗工具结构简单,实现了中心管的零泄露,保障验封评价效果,其内通径冲洗流量达到2 000 m3/d,有效保障洗井效果.现场试验表明,冲洗验封一体化管柱及关键工具的性能可靠,可以应用于分层采油井、注水井的完井和修井作业中.
