翻译.pdf

可膨胀尾管悬挂器可膨胀尾管悬挂器的发展与环空流通面积的提高的发展与环空流通面积的提高 坦斯杰克逊和布洛克沃森，哈里伯顿，和拉里莫兰，康菲公司著，王琛译 2008 年，石油工程师学会版权所有 本文是准备发表在 2008 年 9 月 21-24 日在美国科罗拉多州丹佛市举行 SPE 年度技术大 会暨展览会。 本文被选为 SPE 程序委员会所载资料简报,审查提交的作者（S） 。该文献的内容没有被 石油工程师学会审阅和作者（S）校正。该材料不代表石油工程师学会的观点。未经石油工 程师学会的同意，本文禁止电子生产、分配和储存。复印仅限于不超过 300 字的摘要;插图 不得复制，摘要必须包含承认 SPE 版权字眼。 1.1.1.1.摘要摘要摘要摘要 条件是非常重要的，因为它涉及到固井作业的有效层间封隔。研究表明，固井作业可以 通过旋转和往复衬套改进。此外，流量增加（固井前，固井时，位移时）可以提高层间封隔。 而目前可用的膨胀尾管悬挂技术， 可以实现的平移， 旋转和往复运动等影响水泥作业的运动， 但单靠这些功能无法满足各种情况下的固井。 可膨胀式尾管悬挂器被引入到油田受到广泛接 受，经验证明，增加流速（不管是在固井前，固井时还是位移时）可以改进层间封隔。新型 尾管悬挂器的设计是为了增加环状流区，降低环形摩擦压力以提高流速。此外，旁路面积也 将减少浪涌以保证运行班轮。这将缩短缸套安装时间。通过增加旁路面积，尾管悬挂器上面 的固体桥接也将会被减少（循环和固井过程中可能造成损失） 。当流通损失时，正确放置的 水泥也会受到破坏。 本文主要研究新型小外径（OD）膨胀尾管悬挂器的发展。这个项目研究的新型尾管悬挂 器的最大预扩张外径小于外界传统的尾管悬挂器的领带回插座和最大积分集加壳的直径。 新 型小直径可膨胀尾管悬挂器保持现有的可膨胀尾管悬挂器的特点。 计算机建模包括有限元建模（FEA）将显示可膨胀管的设计分析模型。此外，原型将进 行测试来验证新的设计。 膨胀尾管悬挂器设计提供了新的能力， 以提高旋转和往复运动期间的循环/固井;这是个 简单，强大的设计，具有安装的可靠性和气密衬垫顶部密封的特点。 2.2.2.2.引言引言引言引言 由于水泥作业的质量差，操作员在北海遇到了隔离带。该井已枯竭，它的断裂梯度非常 接近地层压力。 提高清理和水泥浇筑的循环率是提高固井质量的一种方法。 因为在现有设计的衬垫衣架 所引起的流动是有限的， 流通率的增加将在不远超过破裂压力梯度为这个特定的应用是可能 的。 为了满足本项目的需求， 运营商和工程服务人员认为一个新的尾管悬挂器可以提高循环 率。 可用衬垫衣架的确定为可膨胀尾管悬挂器提供干净的流路， 同时他的设计简单了设计审 查。 这为可膨胀尾管悬挂器提供了一个发展的切入点， 开发运营商将在这一领域开发。 众所 周知，这是需要全球化的，新的衬垫衣架已在北海的项目上启动。 尾管悬挂器用于部署和锚定班轮通常是较大的外径（OD） 。因此，他在流通过程和水泥 放置中造成流路限制。分析表明通过降低衬垫外径，即使很小，也能获得更大的循环速度， 改进固井。减少外径尾管悬挂器将有很多问题带解决。这些问题包括降低强度（压力等级， 拉伸评级） ，需要减少的内径（ID）以小于班轮 ID，从装配领带回插座（TBR）消除。 此处的好处：1)增加线性运行速度，节省时间，节约金钱， 2)尾管循环损失减少和减 少钻井液损失以节约成本，3)提高流量、改善隔离带和提高生产 3.3.3.3.隔离带隔离带隔离带隔离带 隔离带是建设由石油和天然气产生能源的关键部分。 水泥填充很重要， 有助于防止流体 运移，支持生产线，提供形成和表面一圈的环形屏障。 要想实现一个成功的水泥工作， 有八个基本的因素是必须考虑的。 总结这些因素， 如下： 需要完成模拟的工作。 设计和测试水泥成分。 限制钻井液。 合理利用和刷新间隔。 移动衬垫。 集中控制衬垫。 最大的提高驱替速率 按计划执行工作。 所有这些因素都是可以实现的。 然而， 最大位移速率是有限的关于衬垫装置使用当前的 尾管悬挂器设计的能力，至此生产率增加循环率需要在可接受的范围内降低 OD 尾管悬 挂器控制系统。 有三种可能的流型，非牛顿流体，可能存在如钻井液和水泥浆，层流和湍流，插头。图图 1 1 说明了流型。虚线代表的散装的环形速度，和实线表示在环上的实际速度。 图图 2 2 说明了湍流流动与驱油效率之间的关系。 在衬里形成环的高流量是有效的， 对于形 成全套理想的紊流水泥。在许多情况下，湍流不是对井身结构而是为了钻井孔结构或组成。 当间隔装置和水泥以最大流量抽水时，可以获得的最好的结果。 图 1环形流体分布的非牛顿流体 V2/水泥不动因素 图 2影响流型对驱油效率 4.4.4.4.常规和可膨胀式尾管悬挂器的比较常规和可膨胀式尾管悬挂器的比较常规和可膨胀式尾管悬挂器的比较常规和可膨胀式尾管悬挂器的比较 在传统的线性系统， “锥和滑移”技术是用来锚定套上套管。 适应提供所需的支持线性 强度的滑移和锥机制， 可用的壁厚的很大一部分是在尾管悬挂器设计消耗。 减少组建外径对 设计来说很难。除了基础固井，常规尾管悬挂器也可与整体套顶部封隔器之间提供隔离。 这 种类型的封隔器上的元素可被组装到衬套衣架固定。 在高流速下， 这种类型的元件可以洗掉。 可膨胀尾管悬挂器系统使用可扩展的固体衬垫技术证明固井开发产品和服务的能力。 3、 4、5、6 系统使用可膨胀尾管悬挂器体有整体的封隔器、回接抛光孔插座以及设置套管组件 和一个交叉子连接装配衬垫，弹性元件接合到架体。当架体膨胀时，弹性元件压缩在环形空 间。这消除了套管环空压力衬垫提供完整性以及很好的抗拉和抗压承载力。 图图 3 3 表示了传统的尾管悬挂器和可膨胀式尾管悬挂器的比较。 可膨胀尾管悬挂器系统与传统悬挂器的功能对比： 尾管悬挂器和顶部隔离封隔器封装是单独的 该封隔器元件的设计允许高循环率 结合元素阻止高频洗涤 液流旁路已经做了外部元件改进如滑倒，消除液压缸，轿厢等等 水 泥 回 收 率 对于一个给定的线性长度，外壳能承受更大的应力和应力分布 支撑壳体，防止物理损坏 搭接键嵌入配套外壳 设置工具组件包含了隔离器的制动系统，最大限度的减少衬管悬挂起的壁厚 图 3-传统的尾管悬挂器和可膨胀式尾管悬挂器的比较 5.5.5.5.可膨胀尾管悬挂器、封隔器系统可膨胀尾管悬挂器、封隔器系统可膨胀尾管悬挂器、封隔器系统可膨胀尾管悬挂器、封隔器系统的组件的组件的组件的组件 第一个可膨胀尾管悬挂器、封隔器系统将可膨胀尾管悬挂器包含有一个整体的封隔器、 回接抛光孔插座以及设置套管组件和一个交叉子连接装配衬垫。 尾管悬挂器的设计是满足最大的可扩展性关键材料制造和规格性能要求。此悬挂器采 Viton的氟橡胶，它具有耐高温和一些优秀性能。如果 Viton不合适也可以采用其他适合 的橡胶，只要能满足密封盒尾管悬挂。 一个 FT 弹性悬挂体断面在 79-5/8-英寸，可扩展的悬挂器能支撑 500,000 磅的重量， 尺寸是 7x9-5/8 英寸，更好的结合五个弹性区。一个 FT 弹性悬挂体断面在 5-1/27-5/8 英寸能支撑 350,000 磅的重量。尺寸等于或小于 5-1/27-5/8 的尾管悬挂器要采用三个或 更少的弹性部件。图图 4 4 是可膨胀尾管悬挂器系统。 6.6.6.6.可膨胀尾管悬挂器可膨胀尾管悬挂器可膨胀尾管悬挂器可膨胀尾管悬挂器 可膨胀尾管封隔器体不包含任何机构或外部元件如液压气缸、 活塞。 由于工具组件包含 液压机构，他消除了潜在的泄流路径。 打孔和固井时衬垫可以循环和往复。由于弹性元件扩大，固井在这个点上不能旋转。 这些特点决定以可膨胀尾管悬挂器为工具的固井必须减少外径。 固井作用中的流程与喘振分析 在循环和固井作业中尾管器的压降最关键是时间。 当钻井液只剩最后几桶时尾管器被固 井包围。 在安装过程中， 尾管悬挂器的压降需要一点时间。 通过钻井液时悬挂器会静止一段时间。 因此， 进行计算流体动力学 CFD 的循环摩擦压降和衬垫摩擦压降分析降低， 高粘度钻井液的 选择流体伯明翰模型流体。 表 1-分析实际流体性质 新旧系统的水力计算为了预测悬挂器和套管内径之间的流体限制。 新机库大约有常规膨 胀悬挂器两倍的环状流区域。据预计，新的悬挂系统在运行或循环时的压降将大大降低。 CFD 被用来模拟计算降低可膨胀尾管悬挂器的压力和减少膨胀悬挂器的外径。研究显 示宾汉流体的压力降增加的流动面积约减少 90%。图 5 显示了传统的可膨胀尾管悬挂器的压 降和减少外径的膨胀悬挂器粘性密度的钻井液不同流量的比较。 图图 6 6 显示可膨胀尾管悬挂器的压降和减少外径的膨胀悬挂器在不同运行速度率的不同 粘性密度的钻井液的比较。 在运行孔时，CFD 也被用于分析尾管悬挂器的特性。结果显示固井作业的浪涌引起的 压降减少了约 90%。 图图 5 5 和图和图 6 6 表明上升流区在尾管悬挂器压降的影响。 空隙压力和破裂压力梯度的大小能 使尾管悬挂器流量减少导致压力增加。 如你所见， 可膨胀尾管悬挂器能承受 500 磅甚至更多 的压降（或类似的压力下降，常规尾管悬挂器内胆顶部封隔器的外径和回插座） 。 在 15000 英尺的垂直深度下，500 磅的压力会增加大约 0.64 分的当量循环密度，10000 英尺时 1 分，5000 英寸时两分等等。 尾管悬挂器的循环压力降 尾管悬挂器的运行压力降 7.7.7.7.悬挂器外径减少的开发悬挂器外径减少的开发悬挂器外径减少的开发悬挂器外径减少的开发 流通分析显示，对于一个给定的压降衬管悬挂器减少 0.20 英寸外径流量将急剧增加。 内径 8.535 英寸通常能承受 9 5/8-英寸 53.5 磅/英尺的力。当环状间隙是 0.1125 英寸时， 通过减少尾管悬挂器的外径至 8.100 英寸，环状间隙增大到 0.2175 英寸。虽然表面上变化 不大，但是当内管外径线性减少时，环形摩擦压力降曾指数增长。而且增加环形间隙约 0.1-0.2 英寸，固井时环形桥接的可能性大大降低。为了平衡原尾管器的环形间隙，环形桥 梁面积直径的 1/4，岩屑直径的 1/8。通过固体衬垫，可旋转和往复衬垫尾管悬挂器循环时 也大大增加。 为了减少外径， 必须建立新设计的参数。 设计标准的建立是为了满足最终用户的要求： 减少新工具的最大外径 0.20 英寸 维持目前的额定设计压力（破裂和碎裂） 消除积分容器 第二次运行时允许系回 消除设置球 保持高扭矩 刀具长度小于 60 英寸 8.8.8.8.设计过程设计过程设计过程设计过程 新的可膨胀悬挂器的设计基于 7 x 9 5/8, 53.5 磅/英尺的尾管悬挂器的设计。外径较 小的尾管悬挂器的膨胀比增加，这增加了所需的膨胀能量。采用计算机辅助设计，新的参数 被纳入新的设计。有限元分析是用来确保设计符合目的。图图 7 7 显示的封装元件应力分布。 这种分析是用来确保接触应力是足以支持线性负载，同时，对规范压力控制的设计。 有 限元分析也被用来确定扩大尾管悬挂器所需的力量。 运行工具的重新设计使所有的液压活塞自我控制和减少完整的刀具长度。 图 7-尾管悬挂器的外壳不变形有限元建模的塑性应变分布 9.9.9.9.结论结论结论结论 计算机模拟表明， 该可膨胀尾管悬挂器的设计可以提高水泥的位置过程， 提高油气井的 分区隔离。膨胀式尾管的设计标准的变化能够在不减少压力和拉伸能力的情况下降低外径。 这种变化是使环形流动面积增加，从而降低环形摩擦压力，提高流速。提高流速在固井、 位 移过程中可以提高固井效率。此外，通过增加旁路区，尾管悬挂器在固体桥接的可能性（这 可能会导致流通循环和固井过程中的损失）也将被减少。流通损失发生时，即使正确放置水 泥也会受到损害。已开发的新系统能减少上述风险，从而缩短班轮安装时间，改善隔离带， 提高经济效益。 在写这篇文章时，原型零件正在制造。一旦组件完成，原型测试将开始。经过测试， 现 场试验将充分证明该实用程序尾管悬挂系统。 鸣谢 作者感谢康菲公司和哈利伯顿公司对这工作的支持和鼓励。 我也要感谢李慧珍和艾伦中提 供的计算机建模的支持。 10.10.10.10.参考文献参考文献参考文献参考文献 Crook, R J., Faul, R., Benge, G., Jones, R. B.，八个步骤确保正常的水泥工作， 油气杂志，2011.07.02，37-43 页 Haut, Richard C., Crook, Ronald J， “初级固井：水泥置换过程” SPE 8253 本文发 表在 1976 年 09 月 16 日在拉斯维加斯，内华达州的举办的美国石油工程师学会第五十四届 秋季技术会展 Jackson T., Smith, P., Mota, J， “可膨胀尾管悬挂器使用的案例” OTC 18158 本文 发表在 2006 年 5 月 1-4 号在美国德克萨斯州，休斯顿举办的海洋科技大会 Cantu, J., Smith, P., Nida, R， “膨胀式尾管悬挂器在气井固井中的应用” SPE 88510 本文发表在 2004 年 10 月 18-20 号在澳大利亚