水平井分段压裂管柱及工具关键技术研究

摘要

水平井分段压裂是一项世界级技术难题，主要技术难点是：井眼轨迹复杂，管柱起下困难，施工风险高；水平段有效分段困难，现场控制难度大等。针对水平井分段压裂中存在的问题，通过设计、理论分析、计算和实验研究相结合的方法，开展水平井分段压裂相关技术的研究攻关；重点解决水平井封隔器分段压裂工艺中存在的压裂管柱起下困难、管柱锚定问题、卡瓦式管柱易卡钻以及砂进工具内腔影响工作性能等问题。本文对水平井分段压裂工艺技术最新成果进行了系统分析，对存在的不足和出现问题的原因进行了深入探讨分析，研究了新型封隔器分段压裂工艺管柱，对水平井分段压裂工艺管柱进行了力学分析，并进行了实验研究，取得了一些新的研究成果：(1)综合研究分析了水平井分段压裂工艺技术的国内外技术成果，对目前国内外主要的六类水平井分段压裂工艺技术的研发历史、工艺原理、国内外基本试验应用及技术的优缺点进行了系统分析总结；这些技术分析为本文的研究提供了理论依据和研究方向。(2)研究了影响水平井分段压裂工艺失效的各种原因，利用故障树方法重点分析了井下工具失效的问题，通过故障树定性定量分析研究认为，井下工具的设计加工及选材是决定井下工具性能和分段压裂工艺有效性的关键因素。(3)研究了两类水平井多级封隔器分段压裂工艺管柱(不动管柱多级封隔器分段压裂工艺管柱和拖动管柱式封隔器分段压裂工艺管柱)，对封隔器分段压裂工艺管柱进行了ABAQUS有限元力学分析，力学分析结果为优化管柱结构设计和配套井下工具设计及选材等提供了强有力技术支持，提高了分段压裂工艺管柱的安全性和可靠性，进行了现场试验检验。(4)研究了扩张式长胶筒封隔器，并应用于水平井分段压裂分段封隔和管柱锚定，可以有效避免卡瓦式锚定工具卡钻和压裂后管柱解卡困难的问题；进行了扩张式长胶筒封隔器有限元力学分析和技术性能分析，通过力学分析优化胶筒结构。(5)对分段压裂配套工具防砂挡砂性能进行了实验研究，设计了具有防砂挡砂功能的水力锚和SPK344封隔器等工具，液体通过渗透性好，过滤精度高，保证工具各项性能指标和使用性能的同时，可以有效防止砂、垢等赃物进入工具内腔，大大提高压裂时井下工具的安全性能。(6)对主要配套井下工具进行实验研究，进行结构优化设计和理论计算，这些研究为保证水平井封隔器分段压裂工艺的安全可靠奠定了良好的技术基础。

目录

文摘

英文文摘

论文创新点摘要

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 研究的目的意义

1.3 研究现状总结及存在问题

1.4 主要研究思路及内容

1.5 研究目标及预期结果

第2章 水平井分段压裂工艺国内外技术分析

2.1 转向剂分流转向分段压裂工艺技术

2.2 砂塞隔离水平井分段压裂工艺技术

2.3 机械桥塞隔离水平井分段压裂工艺技术

2.4 水平井限流分段压裂工艺技术

2.5 水平井水力喷射分段压裂工艺技术

2.6 水平井封隔器分段压裂工艺技术

2.6.1 钻井完井与管外封隔器分段压裂一体化工艺技术

2.6.2 套管完井封隔器分段压裂工艺技术

2.7 水平井分段压裂工艺管柱下入力学应用国内外现状

2.8 本章小结

2.8.1 已取得的研究成果

2.8.2 存在的问题和不足之处

2.8.3 本文的主要研究工作

第3章 水平井分段压裂工艺失效原因研究

3.1 分段压裂工艺失效原因

3.1.1 分段压裂工艺技术的适用性是主要原因

3.1.2 工艺管柱设计的影响

3.1.3 配套井下工具的影响

3.1.4 井况的影响

3.1.5 人为因素

3.1.6 其它因素

3.2 分段压裂井下工具失效故障树

3.2.1 故障树的建立

3.2.2 故障树的定性分析

3.2.3 故障树的定量分析

3.3 本章小结

第4章 水平井多级封隔器分段压裂管柱设计及力学分析研究

4.1 水平井多级封隔器分段压裂工艺管柱的研究

4.1.1 不动管柱多级封隔器分段压裂工艺管柱研究

4.1.2 拖动管柱式封隔器分段压裂工艺管柱研究

4.2 水平井压裂工艺管柱基本力学计算

4.3 水平井多级封隔器分段压裂工艺管柱力学分析

4.3.1 分段压裂管柱动力学基本方程

4.3.2 水平井分段压裂管柱数学力学模型分析

4.3.3 水平井分段压裂管柱有限元力学分析

4.4 扩张式长胶筒在水平井封隔器分段压裂中的力学研究

4.4.1 扩张式长胶筒结构优化和力学分析

4.4.2 扩张式长胶筒在水平井分段压裂中的技术分析

4.5 现场试验

4.6 本章小结

第5章 压裂工具防砂性能实验研究

5.1 压裂工具防砂设计的目的

5.2 压裂工具防砂机构设计

5.3 压裂工具防砂机理

5.4 压裂工具防砂实验研究

5.4.1 实验目的

5.4.2 实验原理

5.4.3 实验设备及器材

5.4.4 实验设计

5.4.5 实验结果分析

5.4.6 实验结论

5.5 本章小结

第6章 分段压裂管柱主要配套工具研究

6.1 SPK344扩张式封隔器的研究

6.1.1 结构原理及特点

6.1.2 设计计算

6.1.3 SPK344封隔器实验研究

6.2 SPY341封隔器的研究

6.2.1 SPY341封隔器结构原理及特点

6.2.2 SPY341封隔器设计计算

6.3 喷砂工具的研究

6.3.1 喷砂工具结构原理及特点

6.3.2 喷砂工具设计计算

6.3.3 喷砂工具实验研究

6.4 安全工具的研究

6.4.1 安全工结构原理

6.4.2 安全工具设计计算

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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