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文档简介
油油气气储储层层保保护护工工艺艺原原理理 摘要 区域储层评价的主要内鬈应包括研宄区域地质背哥 确定盆地结构 划 分地层单元 阐明储集体成因类型和分布规律 研究古水流体系 指出 沉积擞相与 油气分布的关系 同时开展储集体成岩作用和微观非均质性 研究以及对储集体进行 综合评价 进而介绍了怎样利用地质 测井 地震 等多方面的实际资料去研究地下 储集体的方法和技术 并以勘探程度较 高的多井区和勘探程度较低的少井区区域储 层评价为实例 进一步阐明 了区域储层评价方法和技术的实际应用 关键词 储集层 地层评价 区域地层对比 砂休成因 测井 地震勘探 地 质勘探 引 言 近三十年来 随着油气勘探和开发的迅猛发展 特别是对非背斜油 气藏 隐蔽油气藏研 究的不断深入 储层地质学也随之兴起 并得到了 广大地质学家的充分重视 人们从不同角 度 采用不同的手段在探讨沉 积盆地内储集体的成因类型分布规律 和储集空间的变化 但是 由于各项研究的出发点不同 涉及的实际资料有差异 在储集层研究方法和 评价技术 方面还存在一定的局限性 即研究人员往往仅对储集体的某一方 面进行研究 而缺少垒面系 统的了解和综合评价 因此 有必要搏采众 家之长 提出适合于中国陆相储集体评价的 方法 和技术 根据我国油 气储集层以陆相碎璃岩占绝对优势的重要特点 本文着重说明陆相断陷 含油气盆地碎屑岩储集层的区域评价方法和技术 区域地质背景研究方法 大地构造位置和盆地类型 应以板块构造理论或其它适用于研究 区实际资料的区域构造理论为指导 采用重力 磁 力 电力 地震反射 剖面 钻井剖面 地球化学等多种资料 进行盆地周缘野外露头综合地 质研究或进行覆盖区盆地构造综合地质研究 确定沉积盐地所处的大地构造 位置和所处的应力状忐 确定沉积盆地属于拉张性的断陷盆地浅坳陷盆地 还是属于挤压性的断坳盐地或坳 陷盆地 进而为预莉 蔓域储集体的 成因类型釉分布规律提供良好的构造地质基础 划分地层屡序和 确定地层分布 在划分地层层序时 应综合使用古生物 嘲位素测定 古 地磁 沉积旋回 地震反身寸俐 面 测井曲线等多种资料 逃循从犬判 小的原则 即首先确定区域性的等时柘志层 如不整 台面 古生物间断 商或特种岩性层 如火山尘 建立成跚地层舡元或等时地层单元 然后 依据沉积眭回 岩性 性和地震反射波组特征进行次级地层 元的划 分和对比 同时建立 地甚曙序与地震吕序以艘与测井甚序之间的时应关 系 以适应储集体成因类型的详尽研究 芷覆盖 茬 土要是依据钻 测井资料和地震资料来确定地层的厚度和地层的空问展布 井常以 地层厚度平 俦值线圈或三维立体厚度 束 明地层的空间分布 需要 指 佝是 提 侣采用去压虫后的原始地层 冗积厚度 并结台盆地构 造沉降史的研究米表明盆地内地层的腠 布以及沉积中心的迁移 沉积速 率的时空变化 这样才能更准确地反映盆地的地层格架 古地理 环境研究 古地理环境直接影响区域储集体的发育和分布 占地理环境的恢 复方法有很多种 但综 台运 口岩类 生物资料 地化指标以及测井和 地震资料是恢复含油气盆地古地理环境的正 确可靠方法 例如 利爿 岩类法研究母岩类型和母源区特征 车 用孢粉组台及其含量的变化 说明古气候 利用动物化石群分异度确定古水深 采用铁硫等元素的环境地 球化学指标研究 古盐度 运用沉积构造 地震反射前积结构 和地 层倾角矢量模式确定盆地古水流方向 应用古生物化石 沉积构造 岩 性特征及砂俸几何形态说明占湖岸线的位置和延伸方向 利 用沉积物粒 度特征和沉积构造特征确定湖盆古水动力条件等 事实上 确定盆地 古地理 环境是个综合性很强的工作 需要利用多方面的实际资料进行综合 判断 垒面分析 储集体沉积特征的研究方法 储集体岩性和结 构 储集体岩性和结构的确定方法微多 女 幽腱观察标本 常规薄片分 析 铸体薄片分析 阴极发光技术 粒度分析 重矿物分析 衍射 等 其中岩心样品的观察和描述及薄 片分析是最常用也是最为 可靠的研究方法 在我国陆船盆地中 含油气最为丰富的岩类是粉 砂岩 和细砂岩 另外 一些较粗粒的砂砾岩和较细粒的泥页岩也可含有一定的油 气 需强调 的是 在研究储集体岩性和结构特征时 应着重注意绪集岩的 碎屑成分和含量 胶结物成分 和含量及腔结程度 砂粒的分选和磨 圆度 及砂粒问的粘土类型 含量和充填方式 还应考 察岩心或岩屑样 品的含油级 砂岩颗粒的接触方式和支撑类型等 沉积构造和 沉积旋回 应用系统取心资料确定特征的沉积构造 利用 光照像迭 研究隐蔽沉积构造 使用 地层倾角测井资料确定地 储集体井网附近的 地层沉积构造以及应用马尔柯夫链法编制沉积 构造序列图件 等都 是研究沉积构造的行之有效方法和技术 在沉积构造研究过程中 应 注 意沉积构造的成因类型 规模太小和空 组合方式 并结爵岩性特征来阐明 储集体的成园 类弛 实践已表明 机械成 的屡州 构造 蛾常见的沉 积构造类型 对储娠体的储馔性能具 有明显影莉 因此 在研究储集岩 层理特征时 首先应准确确定器理类型 然后研究 理的规 诬 特 细层车 屡系厚 以及 耻 状 后再 定址示疆 的眇牲粒径和 醒顷含监的空 间变化 这些都是影响储集层非均质性的主要因素 在缺 乏取心井的地区 越来越多地是利用 等测井曲线来确定沉积旋回 的类型和 规模 在研究沉积旋回规模时 除了考虑研究目的和实际资料外 应尽可能地详细划分沉积 旋回 在确定沉积旋回类型时 应考虑储集体 成因类型 比如在对河流沉积物的沉积旋回进 行划分时 应多考虑岩性 上细下粗的垂向特点等 储集体成因类型和沉积模式研究 茌确 定了储集体岩性 结构 沉积构造及沉积旋回的基础上 综合运用大地构造 背景资 料 古环境研究资料以及地质 测井 地震 室内分析化验等大量 实际资料 以现代沉积体 系理论为依据 以 相律为指导 对各种储集体的沉积特征进行综合分析 并与各成 因类型储集体的标准 沉积层序进行对比 进而总结出适合于研究区的区域性储集体沉积序列 和沉积模式 进一步指导含油气盆地的油气勘探和开发 在确定了沉积 盆地中储集体成因类型以后 还应建立适用于研究区的岩性与电性 沉积 构造在地层倾角矢量模式 诸集体成因类型与地震反射特征之间的良好对应 关系 这是因为 在某个沉积盆地中 各处的实际资料多少有明显差别 特别是在沉积盆地的勘探早期更是如 此 显然 确定了上述对应关系之 后 能更充分地利用现有实际资料 并提高确定储集体成 因类型的可靠 程度 储集体内部结构及产状和泥岩隔层 在含油气盆地中 研 究储集体内部结构 产状和泥岩隔层包括岩心或岩屑样品的详细观 察 测井曲线特征的研究 高分辩率地震反射资料的应用 油气田开发动静态资 料的综合分 析等 比如 茌局部或油田范围内 以小层为单位确定储集体 的教相类型 砂体展布 砂体 储集性能的分带 储集体与泥岩隔层的间 互状态以及确定储集层与生油层 盖层的配置情 况 最常使用的方法和 技术是岩心分析 微电极 铡井曲线特征分析和薄层砂体识 别的综合勘探技术 区域储层评价的测井方法 自然电位测并 利用自然电位测井曲线 的单层和组合形态 顶底接触关系 光滑程 度等曲线要 素可确定储集体的岩性以及岩性垂向变化 在有取心井或建立 了岩电关系的地区 还可利用 自然电位曲线形态要素去判断储集体的憾 因类型 在砂泥岩地层剖面中 自然电位曲线的异 常幅度与泥质含量有 关 泥质含量越高 异常幅度则越低 反之亦然 因此 可根据自然电 位曲线形态和组合方式 再结合其它地质 测井和地震等资料来确定储集体 成因类型 沉积 微相类型和砂体的空间展布 在渤海湾含油气盆地中 园地层水的矿化麈多大于泥浆滤液的 矿化度 故砂岩多对应负异常的自 然电位曲线响应 同时 在使用 曲线研究储集体时应 了解地层序列 测井系到和泥浆浓度 还应注意到 采用盐水泥浆时 砂岩对应的 曲线 异常不明显 泥质含量较高的 具混杂组构的致密 砾岩无明显的 曲 线异常 裂缝发育 的泥页岩可显示一定的 曲线异常 自然 伽马测并 自然伽马测井 是测量岩层中放射性元素核衰变过程中放 射出的伽马射线强度 因泥岩颗粒细 能吸附较多的放射性元粢 故其 放射性较强 砂岩颗粒较粗 吸附能力较差 放射性鞍低 所 利川 岩石的自然放射性强度来确定岩石的泥质含量和岩性的垂广 变化及 储集层的空间蜒布 利用自然脚马删井 线识别储集层岩性的方法也是根据 曲线形态 特征来确定岩性 糨细手 岩性的垂向变化 样 也可根 据自然伽马测井曲线形态特征并结合 其它资料来确定髓集俸的成因类型 在区域储集层评价中 利用自然伽马测井比利用自然电 位测井具有业多 的优点 即自然伽马测非不受泥浆滤敞浓度和储集体中流体性质的影响 当 然 在 自然伽马测井血线特征米研究区域储集体时 需考虑是 否有火山岩或其它放射性 矿物对自然伽马强度产生影响 储屡 评价的交会图和星形图技术 从交会 直观地了解储集层的矿 物组成 岩性 流体性质和含量 孔隙度和渗透率 的大小等 常川的交 会煳是岩性一孔隙度交会 或称为 一 交会图 是声波一密度交会 上骨架点与流体点连线的斜率 即 一 式 和 力刚足地 流体和地层骨架的传播时间 和 分别是地层 骨架 和地 中流体的密度 是 子一密度交会 上骨架点与流体点连线的斜率 即 一 一 一 式中 和 分别屉已刺度的地 层流体和地层骨架的中子孔隙度 和 分别是地 层骨架和地层流 体的密度 在实际应用时 首先考虑泥质 次生扎隙度 和轻烃封测井信息的影响 然后求出某沉 盆地内各种岩性的 和 值 作出理论图版 再把根据实际测井资料求出的 值与理论 值进行对 比 便可获得储集层岩性矿物组成等多方面的信息 利用交会图确定储集 层岩性的技术已得到广泛应用 目前 人们已将各种测井资料及其 相互 关系建立了数据库 从而提高了使用 吏会图确定岩性的速度 此外 人们 已充分注意到 利用多种测井资料制作星形闺或梯彤闺 然后根据星形图 的形态和面积来确定储集体的岩性 和流体性质 具体工作步骤是 对各种测井曲线进行预分层 深度和环境校正 绘 制各层的星形圜或梯形圈 猬数字聚奘分析方法将大量的星形图或梯 形图聚类归 入有限的测井相 利用岩心资料对测井桐进行标定 建 立区域性测井相模式 对多 口井绘制星形图或梯形图并与区域性 测井桐模式进行对比 从而确定这些井中储集体的岩 性 岩性的垂向变 化及流体性质等 地层倾角测井 地层倾角测井资料不但可用于 研究不整合 区域构造等地质问题 而且可广泛用于确定 沉积构造类型 古水流流向 砂体加厚或减薄方向以至储集体的成因类型等 在使用地层倾 角测井资料研究储集体成因类型时应尽量选择窗长 步长均较小的地层倾角 测井资料 以反 映层理类型而不反映区域构造特点 一般米说 窗长和 步长应分别小于 和 了解区域 构造特点 消除 域构造时地层 倾角 造成的影垧 硫定沉积构造与地层倾角矢量模式间 的时应 关系 北立反映 究 域沉祝构造特征的地层倾 矢量换武 与 其它测井资 配合使 用 最好结合系 取心井的岩心情况 他样会 提高区域储层评价的准确可靠性 在地层倾角洲外资料 迁 将 数 统计方法绘制 全矢量 泣频率图 于古水流流 向 砂体延 方 川的研究 往大多数情况 方位顿率 蝌土峰指示水流流 次峰指示砂体 厚方向 但是 对于不同成因 类型的赌鬃体来说 其主峰和次峰指向所反映的问题有所不 同 区域储层评价的地震地层学研究 区域地震地层学研究 在沉 积盆地勘探的早 中期 钻井和测井资料较少 要详细对区域储层进行综合 评价仅 仅依据少量钻井和测井资料是远远不够的 而区域地震地层学恰弥 补了这方面的不足 对于 一个沉积盆地来说 要进行区域地震地层学研 究 应采取下述工作步骤 尽量详尽了解区域构造特征 盆地结构 盆地构造发展史及区域地层组成和展布特 点 选择 那些反映盆地结构又较少受断层破坏的 地震反射较为清晰的地震剖面作为 骨 干剖面 建立控制沉积盆地的骨干剖面测网 依据地震反射 终止关系划分骨千剖而的地震超层序 层序和亚层序 并在沉积盆地 范 围内以此骨干剖而为格絮进行垒医地震层序的追踪 对比和闭合 以达到垒 区内地震层序 和 层序划分的统一 采用古生物 古地磁 放 射性年龄测定 合成记录等方法和技术对地震层序 进行地质 年代标定 以赋予地震层序的地质时代意义 根据地震相参数振 幅 连续性 率 内部结构 外部形态 层速度等来确定地震 相类型 和空间展布范围 在实际工作中 应选择可信度较高的地震反射内部结构和 外部形 态 作为确定地震相类型的主要依据 其它参数仅作为辅助性依据 分层序或亚层序制作地震相平面图 把地震相转换成沉 积相 进而确定储集体成因类型 在转相过程中应充分了解沉积 盆地的 古地理背景 充分利用井资料建立地质丰日与地震相之间的内在联系 从而 分析特殊地 震相人手 确定盆地地震相格架 依据沉积体系理论将地震相 转换成沉积相 依层序或亚层序逐层进行地震栩分析 进而恢复 沉积相以及盆地沉积充填史 局部地震地层学研究 局部地震地 层学 储层地震地层学 是在区域地震地层学研究的基础上 利用地震反射 特征和特殊处理方法来预测储集体的分布范围 储集物性和流体性质等 为 进一步开展油气 勘探和开发提供依据 利用层速度资料确定砂 岩百分含量 在少井或无井的油气勘探区 可根据地震层速 度来预测研 究区各层段砂岩富集区或砂岩百分含量 具体研究过程是 了解地 层组成 考虑特殊岩性 血 火山岩对层速度的影响 解释地震刹面和 速度谱 拾取某层段顶底处的迭 加速度 和双程旅行时 对 进行 剖面平滑 以保证 的正确取值 当地层倾角大干 时 需进行地 层倾角校正 求取均方根速度 求取某些段的平均层速度和中点深度并进行 平 面平滑 制作砂泥岩量板 进而求琅某屠段某点处的砂岩百分含量 并 绘制砂岩百分含量平 面等值线图 解释层速度和砂岩百分含量值的分布 特点 确定地震棚 层速度 砂岩百分含 最与储集体成同类型之同的关 系 利用地震波形振幅特征预测砂岩分布 对于砂泥岩问互地屡 在钻井数较少时 可利 地震波波形振幅特征米顶洲局郜砂岩的分确 垃置靠 发育状况 错 岩性剖面与地震反射 剖面进行对比 以发现 往砂岩发育 波形分义 畸变和陂组延续杞 立增多 在砂岩 不发育区 波形圆滑 延续阳 芷较少 这是因为当砂崖上 均为厚层 泥岩时 砂岩的波形 特征主要取决于砂岩的厚嚏及其分布形式 比如某 研究区砂岩总厚度为 地震波长 为 砂岩厚度恰好位 波长之间 而薄层地质模型表明 波长厚 度为调谐厚度 顶底界面反射叠加之后振幅雏夫 这时随 着砂岩厚度减薄 波形变化趋势是 振幅变小 波形变窄 而随着移岩厚 度加大 则波形振幅逐渐变小并由一个相位变为两个相 位 即由圆滑的 波形变为畸形波形 显然 可根据波形特征对某研究区的地震剖面进行统计 分析 进而编制研究区储集体分布趋势陶 实际上 在局部地震地层学 研究 还有许多识别储集体的方法和技术 比如用声阻抗 剖面 结合钻井资料推测储集体边界 利用地震波振幅信息结合井资料推断砂岩厚 度变化 利 用 确定岩性和砂体分布 利用积分能谱分析薄层砂体 频谱分析定量解释薄层储集体 采用三维地震剖 确定储集体岩性和 分布范围等 在实际应用中 应视研究医实际情况加以 选用 区 域储层综合评价方法和技术 储集体成岩作用和非均质性研究 在区域储层评价 着实际资料许可 应作储层成岩作用和非均质性研究 具体工作步 骤是 选择关键井进行岩心 岩屑 媚述 在研究储集 体成困类型和确定含油级别的同 时 有目的地采集样品以作有荧分析化 验 进行薄层等常规方法的分析化验 确定岩石 的矿物组成和含 量 孔隙类型丰 分布 成岩作用类型和序次等 进行阴极发光 能谱等先进方法的分析测试 妫定岩石的岩矿特征 孔隙类型 牯土矿物类型和充填方式 交代序次等 寻找成岩作翊阶段划分 标志 确立成岩序列和孔隙发育带 进而建立含油 气盆地储层成岩模式 探讨成岩作用和次生孔隙与构造活动和沉积微相问的关系 并从 成岩作用角度对储层作出综合评价 储层非均质性研究包括宏观和微观 非均质性等两个方面 通过对储集体样品的粒度分 析 沉积构造研究 压汞试验 敏感性试验等多种分析测试和地质 测井 地震 试 采等资料的综合分析 掌握唪个砂体的几何形态和连续性 层内不连续薄层 的分布 渗透 率的方向性 孔隙中牯土杂基类型以及粘土矿物伤害储层 的机理 最终建立各储集体的储层 非均质性模式和井问预测模式 为储层综合评价提供依据 区域储集体综合评价 储集体的 综台评价是储层研究的最终罚的 即是在沉积盆地内全而研究生 储 盖 运 圈 保等石油地质条件的基础上 对有利储集体进行综合评价 固定 储集体分布范围 确定 储集参数的空问变化规律 计算油气储量 选择 有利圈闭和关键井位进行钻探 其中确定储 集参数空问变化规律是进行 储层综合评价的关键 研究表明 在少井地区主要利用地质与地 震相结 合的方法圈定储集体分布范围 确定储层厚度和储集参数的空间分布规律 进而计算 油气储量 在多井地区则主要应用地质与测井相结合的方法圈定 储集体分布范围以及确定储 区域储层评价实例分析 勘探程度 较高的多井区区域储层评价 东濮凹陷黄河陌地区是个勘探程度拥对较高 的含油气区 勘探面积约 已钻井 余口 综舟 运用地质和地球物理方法 明盆地是受基底断裂控制的不对称箕状湖盆 下 笫三系发育并拘成沙阳殴 沙三段和沙二陵 东营组两大沉积旋回 在 其中发育了冲积扇 河流 廓三如洲 近岸水 赢 三角洲 滩埙和轴 向重力流水道等多种成因类型的储集 体 三角洲储集体的评 价方法包括 解盆地结构和构造演化史 掌握储集体分布区的 断裂腱布和活动情况 选择马 等关键井进 行岩心描述 确定岩性和沉积 构造等沉积特征 进行单井沉积微稆分析 并采集有关分析样品 建立关键井岩性与电 性和地震反射之间的 内在联系 进行薄片鉴定 粒度分析等多种室内分析测试 掌握储 集体的岩矿特征 粒度特征 古生物组合特征以及物性 成岩作用特征 研究岩相的垂 向组合 确定各沉积微栩类型和沉积特征 建立储 集体的沉积序列和沉积模式 见附图 利用 曲线和地震反 射资料确定储集体几何形态和空间分布范围 研究储层的储 集物 性与沉积微棚 成岩作用 含油性 熳断裂活动之问的丰丌互关系 指 出最有利油气聚集 的沉积微桐类型 为油 勘探和开发指明方向 平愿出道 泛盈平原 水 计土阿逋 河 砂垠 远 现及前三角 踟 附图东濮凹陷马厂三角洲沉积垂向序列 勘探程度较低的无井 区或少井区区域储层评价 辽东湾南部盆地是勘探程度较低的含油气盆地 自西向东包括辽西凹陷 辽西低凸起 辽中凹陷 辽中凸起和辽东凹陷 等构造单元 面积约 目前 区内仅有两口井钻在 辽西 低凸起上 揭露 东营组以上地层 此外有一万余公里的地震反射剖面 采 用了地震地 层学的区域储层评价方法 对该区城进行了评价 了解缘区地质 地震资料 然后浓据地震反射终止关系 选择骨干剖面进行地震层 序和亚层序的划分 并利用邻区井的 资料进行了地震层序的地质年代标定 建立了地震 Zhang qiang 一 一 目 录 前言 1 一 保护油气层系统工程的技术思一 保护油气层系统工程的技术思 路路 2 简介简介 2 二 岩心分析概述二 岩心分析概述 4 1 岩心分析的目的 2 岩心分析的内容 3 岩样准备 三 油气层损害的室内评价三 油气层损害的室内评价 1 速敏评价实验 速敏评价实验 1 1 速敏概念和实验目的 2 水敏性评价实验 水敏性评价实验 2 1 水敏概念及实验目的 2 2 原理及评价指标 3 盐敏评价实验 盐敏评价实验 3 1 盐敏概念及实验目的 3 2 原理及评价指标 4 碱敏评价实验 碱敏评价实验 4 1 碱敏概念及实验目的 4 2 原理及评价指标 五 酸敏评价实验五 酸敏评价实验 1 酸敏概念及实验目的 2 原理及评价指标 六 敏感性评价实验分析的应用六 敏感性评价实验分析的应用 1 用于储层潜在敏感性因素分析研究用于储层潜在敏感性因素分析研究 2 用于工作液滤失对储层伤害模拟实验评价用于工作液滤失对储层伤害模拟实验评价 3 用于射孔液对储层伤害模拟实验评价用于射孔液对储层伤害模拟实验评价 4 用于注入水与储层岩矿配伍性评价用于注入水与储层岩矿配伍性评价 5 用于动态防膨稳定性能筛选评价用于动态防膨稳定性能筛选评价 6 用于室内酸化效果模拟实验评价用于室内酸化效果模拟实验评价 七 油气田开发生产中的保护油气层技术七 油气田开发生产中的保护油气层技术 1 油气田开发生产中油气层损害的特点油气田开发生产中油气层损害的特点 2 采油过程中的保护油气层技术采油过程中的保护油气层技术 2 1 工作制度不合理造成的油气层损害 工作制度不合理造成的油气层损害 2 2 采油过程中的保护油气层技术措施 采油过程中的保护油气层技术措施 3 注水中的保护油气层技术注水中的保护油气层技术 3 1 注水中的油气层损害分析 注水中的油气层损害分析 3 2 注水中保护油气层技术 注水中保护油气层技术 4 酸化作业中的保护油气层技术酸化作业中的保护油气层技术 4 1 酸与油气层岩石和流体不配伍造成的损害 4 2 不合理施工造成的损害 4 1 选用与油气层岩石和流体相配伍的酸液和添加剂 2 使用前置液 3 使用合适的酸液浓度 4 及时排液 5 压裂作业中的油气层损害及保护技术压裂作业中的油气层损害及保护技术 5 1 粘土矿物膨胀和颗粒运移引起的损 害 5 2 机械杂质引起的堵塞损害 5 3 原油引起的乳化损害 5 4 支撑裂缝导流能力的损害 6 注蒸汽采油引起的地层损害及保护措施注蒸汽采油引起的地层损害及保护措施 5 3 实验方案 5 3 2 1 补强性能采用正交设计法进行配方设计 5 3 2 2 防老化试验设计 5 3 3 实验过程 6 3 3 1 混炼 6 3 3 2 6 3 3 3 物化性能测试 6 3 4 结果分析 7 3 4 1 补强性能分析 7 3 4 2 防老化性能分析 7 3 5 小结 7 4 结构形状优化 8 4 1 尺寸设计 8 4 2 端部形状设计 8 5 加工工艺研究 9 5 1 填料方式 9 5 2 胶筒壁厚对硫化时间及温度的影响 9 6 封隔器胶筒模拟试验 10 6 1 试验设备 10 6 2 试验记录 10 6 3 试验结果分析 10 6 3 1 结构形状对胶筒性能的影响 10 6 3 2 初始密封的座封力测定 11 6 3 3 座封载荷和密封压差的关系 11 结论 2 前言 近年来 中原油田的开发已进入高含水阶段 井况恶化现象严重 各种 新的配套工艺措施不断出现 所需井下工具的结构类型也越来越多 根据统 计 到 2003 年底中原油田有各类套管损坏井1121 口 约占总油水井数的 24 其中 存在套管缩径变形问题的有720 口 其变形段的内径仅有 108mm 或者更少 常规的 51 2 井下工具的外径一般在 113mm 115mm 不能配合这部分措施井施工 导致部分油水井停产 给油田带来了巨大损失 故急需研制小直径封隔器来满足现场施工需求 使 这部分油水井恢复生产 另外随着4 套管技术在部分变形井中的应用 也需要小直径封隔器来配合现场施工 两种封隔器都必须配有高性能的特殊 胶筒来保证其密封性能和措施有效期 以下内容略 1 封隔器胶筒工况分析 1 1 简介 封隔器胶筒一般由弹性体复合材料制备而成 可分为强制型 自封型和 复合型等 强制型中的压缩式封隔器胶筒是用的最为普遍的一种 本课题研 究的就是此类 作为封隔器的关键的弹性体密封部件 其位于油管和套管之 间 座封时承受轴向载荷产生径向大变形 胶筒外壁与套管壁产生接触压力 封隔环空 实现分层注水 酸化 压裂等工艺措施 其质量的好坏直接影响 到井下工具性能的高低 影响到增产措施的成败 据保守估计 国内油田年 消耗量约在 10 万套以上 1 2 工况分析 封隔器胶筒的使用工况是非常复杂和苛刻的 高压 高温 处于油介质 中 同时还受到硫化氢 蒸汽 酸等的侵蚀 在这样的环境中 弹性体复合 材料将会发生油溶胀 老化 过度交联等现象 导致材料的硬度上升 强度 下降 弹性下降 抗裂口增长能力也明显降低 因此容易在单次使用时就 产生早期破坏 导致密封失败 同时 封隔器胶筒的 爆炸式解压破坏 模式是客观存在的 它将容易发生在胶筒的重复使用情况下 以下内容略 1 3 胶筒性能的影响因素 在胶筒的使用工况下 各种橡胶的拉伸结晶特性事实上已经消失 即已 经超过了橡胶的拉伸结晶熔点 常温下表现的高强度特性完全不复存在 实验表明 室温下炭黑填充补强的NBR 的常温强度 25MPa 以上 但在 150 下 却不足 4MPa 见图 1 1 即使是抗热氧老化特性非常好的氢化 丁腈橡胶和氟橡胶 高温下的强度也大概是常温强度的25 以下 见表 1 1 如此低的强度无法满足高压密封需要 更不能抵制 爆炸式解压 破坏 模式 导致胶筒肩部出现裂纹 裂纹扩展 最后破裂失效 表1 2 显示了常规薄壁胶筒在不同温度下耐压差性能的变化 图 1 1 橡胶材料性能随温度变化示意图 表 1 1 温度对橡胶材料性能的影响 表 1 2 常规 80 胶筒在不同温度下耐压差性能比较 从表 1 2 可以看出 橡胶材料性能随着温度升高而大副下降是胶筒高温 破坏的主要原因 所以 有效提高橡胶材料的强度和改善材料抵抗老化的能 力是提高胶筒性能的关键 项目室温150 拉伸强度 MPa253 2 扯断伸长率 20040 硬度 度9070 温度 25120150 工作压差 MPa703515 25 20 15 10 5 MPa 23 60 90 2 研究方案设计 2 1 技术路线 技术路线如图 2 1 所示 图 2 1 技术路线 2 2 技术方案 先通过大量的实验室研究 包括 复合材料的力学性能 防老化性能试 验 获得特种弹性体复合材料配合的基本规律 获取最佳的配合和制备工艺 参数 进而 对实验室规模产生的复合材料 10 公斤级别 制备封隔器 胶筒样品 研究最佳的加工工艺条件 对胶筒的结构进行优化设计等 然后 制备样品进行模拟试验 通过性能反馈来优化复合材料的配合及制备工艺 优化胶筒的结构设计 模具设计 成型工艺等内容 使胶筒性能达到要求的 指标 加工工艺 合理选择原材料 配方试验 试制胶筒样品 胶筒的工作条件分析 油浸模拟试验 产品性能达到规 定要求 结构及模具设计 3 配方实验 3 1 实验准备 3 1 1 原材料选择 此处内容略 3 1 2 仪器设备 主要包括 230mm 开炼机 100t 50t 平板硫化机 MDR 100E 硫化 测定仪 老化测定仪 冲片机1 台 DL 2 5 电子拉力试验机 油浸模拟试 验装置 3 2 实验方案 进行补强和防老化两个方面的性能试验 3 2 1 补强性能采用正交设计法进行配方设计 考虑到多因素变量 选定相应的变量及变量水平见表3 1 表 3 1 变量及水平表 表格略 不考虑因素之间的相互作用 并且因素的变化水平都是三个 因此 采用 L9 34 正交试验表 可以安排三个系列实验元素 对三个系列试验的 具体安排如下表 3 2 表 3 2 丁腈橡胶 L9 34 表格略 3 2 2 防老化试验设计 考虑到油田井下的实际工况 存在油 水 氧 硫化氢等介质 选择了 几种防老剂进行并用 具体设计见表3 3 表 3 3 防护体系设计表 表格略 3 3 实验过程 3 3 1 混炼 针对丁腈胶的特点 选择合理的混炼工艺 以下内容略 3 3 2 硫化 正硫化点的确定利用硫化仪测定出各试验配方 计算正硫化时间 表 3 4 表 3 4 各配方正硫化时间表 表格略 3 3 3 物化性能测试 按照国家标准 压片测试 各配方的强度 伸长率 硬度 老化系数等 主要性能指标测试结果见表3 5 表 3 5 硫化胶性能表 配方 拉伸强度 MPa 扯断伸长率 硬度 邵 A 老化系数 N410112 5260720 80 N410218 2270800 85 N410319 2280860 85 N410419 5280870 85 N410514 0270720 80 N410618 3250810 85 N410719 0260850 80 N410820 6270900 90 N410915 0260800 80 各防护体系耐热氧老化性能见表3 6 表 3 6 各防护体系耐热氧老化性能对比 表格略 耐水井介质性能对比见表 3 7 表 3 7 各防护体系耐水井介质性能对比 表格略 3 4 结果分析 3 4 1 补强性能分析 按 L9 34 正交法对数据进行分析 计算各因素的水平数据和 并求出 最大偏差 R 表 3 8 列出了试验的结果 由表中数据可以看出 对拉伸强度的影响因素D A B C 最佳组合 为 A3B2C2D3 对扯断伸长率的影响 D C A B 最佳组合为 A1B2C2D3 对老化因素的影响 D B C A 最佳组合为 A1B2C2D3 以下内容略 表 3 8 丁腈橡胶试验结果 表格略 3 4 2 防老化性能分析 从表 3 6 3 7 中可以看出 防护体系的加入可以大大提高橡胶材料的 耐老化和耐水井介质性能 平均提高一倍以上 在三种防护体系的对比中 MB BLE 硬脂酸防护体系 2 0 1 0 1 0 的橡胶材料性能最优 3 5 小结 1 适的配合体系可以使胶料的综合性能达到最佳 拉伸强度提高 5 7MPa 伸长率高出 50 老化系数提高 10 15 2 特殊补强剂甲基丙稀酸镁 MMg 的应用可以有效提高胶料的物 理机械性能 同等条件下 10 份甲基丙稀酸镁可以提高拉伸强度5 在 MPa 以上 提高伸长率 30 50 这一点 对大变形量的小直径胶筒是很重 要的 经过以上的配方试验 确定了最佳配方见表3 9 表 3 9 优化配方及性能表 表格略 4 结构形状优化 4 1 尺寸设计 1 51 2 胶筒内 外径分别确定为 60mm 和 104mm 与封隔器钢 体配套 根据资料介绍 胶筒高度可以用下式近似计算 P Rt2 R12 2R1 I 2 RtfP0 1 4 1 Rt 套管内半径 mm R1 胶筒外半径 mm P 工作压差 MPa I 胶筒许用剪切应力 MPa f 胶筒与套管壁的摩擦系数 一般取0 3 P0 预压载荷 MPa 波松系数 一般取 0 475 以下内容略 2 4 胶筒内外径设计为 60mm 和 80mm 高度采用式 4 1 计算 以下内容略 4 2 端部形状设计 根据资料介绍和实际试验得到 胶筒在长时间的大压缩负荷和介质的物 理化学作用下 胶筒肩部应力集中 产生很大的残余变形将导致胶筒破坏 桶形胶筒的变形与应力关系见图4 1 图略 图 4 1 桶形胶筒的变形与应力关系 根据这个原理 设计了新型胶筒端部形状如下图 并通过模拟试验发现 新的结构形状可以有效改善胶筒的抗破坏性能 耐压差性能平均提高 5Mpa 详见图 4 2 a 改变前形状 b 改变后形状 图 4 2 胶筒形状对比图 h 5 加工工艺研究 5 1 填料方式 采用手工填料和注压移模两种方式并改变硫化的压力进行试验 检验胶 筒的外观 断面性质 硫化胶密度 表5 1 中列出了对比的结果 表 5 1 填料方式对性能的影响 表格略 从表中可以看出 注压移模明显优于手工填料 而且随着硫化压力的增 加 胶料的流动性增加 外观及致密度有明显改善 产品性能提高 综合考 虑选用注压移模方式进行填料 硫化压力定为15 MPa 20MPa 5 2 胶筒壁厚对硫化时间及温度的影响 橡胶的硫化温度和硫化时间是相互制约的 它们之间的关系可以用下式 表示 t1 t2 K T2 T1 10 5 1 t1 温度为 T1 时所需的硫化时间 t2 温度为 T2 时所需的硫化时间 K 硫化温度系数 一般取 K 2 从式 5 1 说明 硫化温度提高 10 硫化时间可缩短一倍 温度的提 高可以有效的提高生产效率 但橡胶的传导系数很低 传热速度很慢 对于 象胶筒的厚壁制品 内层的温度达到规定的硫化温度需要一定的时间 硫化 温度过高 就会导致内外层硫化不均 要么外层正硫化内层欠硫化 要么内 层正硫化外层过硫化 影响胶筒的性能 以下内容略 6 封隔器胶筒模拟试验 6 1 试验设备 1 模拟试验装置 模拟试验装置是胶筒室内试验的主要设备 由试压泵 套加热装置和控 温仪等组成 技术指标为 试验温度 室温 180 试验压差 0 120MPa 套管内径 86 mm 125mm 2 试验工具 胶筒试验工具主要由活塞 液缸 萝卜头 中心管和外锁紧机构组成 利用试验工具模拟封隔器胶筒的工作状态 可以进行胶筒的座封性能 密封 性能的测试 6 2 试验记录 表 6 1 6 2 列出了部分试验原始记录 6 3 试验结果分析 6 3 1 结构形状对胶筒性能的影响 在胶筒内外径一定的条件下 胶筒高度对性能有较大的影响 表6 3 列出了相同条件下不同高度胶筒所达到耐压指标 表 6 1 51 2 套管胶筒模拟试验记录 表格略 表 6 2 4 套管胶筒模拟试验记录 表格略 表 6 3 胶筒高度与工作压差关系 表格略 可见胶筒太长和太短都不能取得最好的性能 分析其原因 胶筒太短 座封时肩部变形量大 易剪切破坏 座封后与套管壁的有效接触面积小 也 不利于长久密封 胶筒太长 座封过程容易出现双峰现象 降低与套管壁的 接触应力 也就降低了所能密封的工作压差 所以 合理的胶筒高度可以有 效提高耐压指标 通过试验得出 51 2 小直径胶筒的合理高度为 100mm 4 胶筒的合 理高度为 50mm 与理论计算值基本相同 但内外径的改变也会引起合理高 度的改变 6 3 2 初始密封的座封力测定 在地面上用 4 套管胶筒加压 泵压为 1 5Mpa 时 胶筒开始贴紧套管 壁 经计算此时座封力为 12kN 达到性能指标要求 6 3 3 座封载荷和密封压差的关系 根据资料介绍 座封载荷 F 和密封压差 P 具有下面的关系 P Rt2 R02 R12 R02 4f R0h 1 z 2Rt Rt R12 Rt2 R02 6 1 Rt 套管内半径 mm R1 胶筒外半径 mm R0 中心管外半径 mm h 胶筒高度 mm f 胶筒与套管壁的摩擦系数 一般取0 3 由以上公式计算和实际测试的结果见表6 4 表 6 4 座封载荷与密封压差的关系 表格略 从表中可以看出 实际试验的座封载荷高于理论计算值 这在实际应用 中是必要的 以下内容略 F z 结论 1 在过氧化物硫化体系条件下 甲基丙稀酸镁 MMg 的应用可以 有效提高胶料的物理机械性能 尤其适应大变形量的小直径胶筒 2 胶筒结构的合理设计 可以有效提高胶筒的耐压差性能和密封耐 久性能 3 研制出的小直径特殊胶筒具有结构合理 性能高 用途广等特点 能满足油田大部分套变井的要求 推广应用前景广阔 参考文献 1 袁新恒 张稳西 张勇 等 甲基丙烯酸镁对 NBR 的补强作用 J 橡 胶工业 1999 46 5 281 28 2 李航 吴文涛 罗东山 甲基丙烯酸锌在 NBR 木质素中的应用 J 合成橡胶工业 1995 18 6 357 359 3 赵阳 卢咏来 刘力 等 甲基丙烯酸锌 丁腈橡胶纳米 微米混杂复 合材料 J 合成橡胶工业 2001 24 6 350 353 4 陈朝晖 王迪珍 甲基丙烯酸锌在 NBR 中的应用 J 合成橡胶工业 2001 24 5 294 297 5 陈朝晖 王迪珍 罗东山 等 高性能 NBR Zn MMg 2合金的研究 J 合 成橡胶工业 1999 22 6 365 367 6 封隔器理论基础及应用 江汉石油管理局采油工艺研究所 J 江汉石 油学院采油教研室 1983 7 谢遂志 生胶及骨架材料 橡胶工业手册第一分册 机械工业出版社 1989 8 梁星宇 配方与基本工艺 橡胶工业手册第三分册 机械工业出版社 1989 9 刘植榕 试验方法 橡胶工业手册第八分册 机械工业出版社 1989 致谢 首先 感谢西安石油大学继续教育学院老师们的辛勤劳动 是他们严谨求 实的科学态度 一丝不苟的治学作风 鼓励 引导着我顺利完成学业 我特别 感谢我的指导老师 XXX 老师 本毕业设计 论文 是在他的悉心指导和大力帮 助下完成的 在毕业设计完成 的过程中 中原油田采油工程技术研究院分层 工艺室 XXX 高级工程师给予了精心指导 XXX 工程师在资料查阅方面给予 了大力支持 在此对以上人员一并表示衷心的谢意 袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁 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