Композиционное строение магниевого шарового элемента клапана для буровой скважины

Об авторах:

Логинов Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры обработки металлов давлением, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия; ведущий научный сотрудник, Институт физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, Екатеринбург, Россия, j.n.loginov@urfu.ru, https://orcid.org/0000-0002-7222-2521
Замараева Юлия Валентиновна, кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, Екатеринбург, Россия; начальник отдела, Каменск-Уральский металлургический завод, Каменск-Уральский, Россия, zamaraeva@imp.uran.ru, https://orcid.org/0000-0002-2620-7064

Аннотация:

В нефтяной промышленности шары применяются в процессе гидравлического разрыва пласта (ГРП). Материалом, удовлетворяющим основным требованиям к шарам для ГРП, является магний. Растворимые магниевые шары предназначены для активации муфт ГРП. При достижении седла муфты, во время прокачки жидкости ГРП, шар временно перекрывает проходное сечение внутри колонны-хвостовика, что обеспечивает возможность для создания избыточного давления и открытия окон муфты ГРП. Однако поскольку магний обладает малой плотностью, то в бурильных растворах, имеющих высокую плотность, возможен негерметичный контакт шара с седлом клапана вследствие недостаточной силы гравитации. Это может привести к утечкам рабочей жидкости. Цель работы — создание и исследование способа изготовления шара, нацеленного на его утяжеление. Описан разработанный способ изготовления двухслойного шарового элемента клапана методом штамповки. Двухслойный шар состоит из магниевой оболочки, в которую помещен стальной шар. В магниевый цилиндрический стакан с дном опускается стальной шар, стакан закрывается крышкой из магния. Полученную композиционную сборку деформируют, подвергая сжатию двумя пуансонами с торцами в виде полусфер до плотного смыкания торцов цилиндрического стакана. В качестве варианта исполнения оболочки шара предложен магний марки Мг90. Теоретически установлено, что масса биметаллического шара в 2,74 раза больше магниевого шара. Смоделирована штамповка композиционной заготовки с целью установить возможность получения шара по предложенному способу. Рассмотрено напряженно-деформированное состояние композиционной заготовки в процессе формоизменения. Успешное компьютерное моделирование процесса дает основание рекомендовать предложенный способ для осуществления в условиях реального эксперимента. Также установлено наименьшее значение соотношения толщины стенки цилиндра к его высоте, обеспечивающее сохранение устойчивости стенки цилиндра в процессе деформации.

Список литературы:

Буркин С. П., Логинов Ю. Н., Разинкин А. В., Сапунжи В. В. 2001. Высокопроизводительная технология изготовления магниевых заготовок под закрытую штамповку // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. № 1. С. 11–15.

Логинов Ю. Н., Замараева Ю. В. 2021а. Инвариантные показатели напряженного состояния при кузнечной осадке магния в оболочке // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). Том 23. № 1. С. 79–88. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2021-23.1-79-88

Логинов Ю. Н., Замараева Ю. В. 2021б. Напряженно-деформированное состояние сферического клапана в буровой скважине // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. № 2 (122). С. 43–47. https://doi.org/10.33285/1999-6934-2021-2(122)-43-47

Логинов Ю. Н., Илларионов А. Г., Клюева С. Ю., Иванова М. А. 2012. Деформации и структура металла при холодной стыковой сварке медных заготовок // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. № 1. С. 37–44.

Яркеева Н. Р., Хусаинов Б. И., Самушкова Э. С. 2019. Анализ проведения гидравлического разрыва пласта по технологии Slug Frac // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. № 4 (120). С. 58–64. https://doi.org/10.17122/ntj-oil-2019-4-58-64

Duorong L., Lin L., Baofeng P., Bing Y., Dongmei Y., Wenyao W., Jia T., Zhixin L. 2019. Soluble pressure building ball: pat. 208934677 CN: MPK E21B43/26 / applicant and patent hol­der China Petroleum & Chemical Corporation, Sinopec Southwest Oil & Gas Company. No. 201821641602U; applied 10 Oct. 2018; published 4 June 2019.

Fripp M. L., Walton Z. W. 2017. Subterranean formation operations using degradable wellbore isolation devices: pat. 2542095 UK: MPK E21B33/12, E21B33/128, E21B34/06, C22C23/02, C22C23/04 / applicant and patent holder Halliburton Energy Services Inc. No. 20170000605; applied 13 Aug. 2015; published 8 Mar. 2017.

Hu D., Ren L., Li Z., Zhao J., Lin R., Jiang T. 2022. Simulation of fracture control during temporary plugging at fracture openings in deep and ultra-deep shale-gas horizontal wells // Natu­ral Gas Industry B. Vol. 9. No. 5. Pp. 487–496. https://doi.org/10.1016/j.ngib.2022.10.002

Junjie X., Weigang Z., Tianyu X., Tianyue X., Shouquan Y., Chuanbing H., Rongli L. 2015. Self-dissolution fracturing ball for oil and gas well fracturing technology: pat. 204371293 CN: MPK E21B43/267. No. 201420813510U; applied 18 Dec. 2014; published 3 June 2015.

Liu Y., Wang W., Li Y., Han Z., Hao M. 2017. Manufacturing method of soluble alloy fracturing ball for oil and gas exploitation: pat. 107385245 CN: MPK C22C1/03, C22C23/00, E21B43/26 / applicant and patent holder Xian University of Technology. No. 201710430332; applied 9 June 2017; published 24 Nov. 2017.

Miao W., Zhao L. 2017. Development status and prospect of staged fracturing technology in horizontal wells // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. Vol. 22. No. 13. Pp. 5107–5118.

Tan W., Li T., Li S., Fang D., Ding X., Sun J. 2021. High strength-ductility and rapid degradation rate of as-cast Mg-Cu-Al alloys for application in fracturing balls // Journal of Materials Science & Technology. Vol. 94. Pp. 22–31. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.010

Wang J., Gao S., Liu X., Peng X., Wang K., Liu S., Jiang W., Guo S., Pan F. 2020. Enhanced mechanical properties and degradation rate of Mg–Ni–Y alloy by introducing LPSO phase for degradable fracturing ball applications // Journal of Magnesium and Alloys. Vol. 8. No. 1. Pp. 127–133. https://doi.org/10.1016/j.jma.2019.11.010

Xiao D. H., Geng Z. W., Chen L., Wu Z., Diao H. Y., Song M., Zhou P. F. 2015. Effects of alloying elements on microstructure and properties of magnesium alloys for tripling ball // Metallurgical and Materials Transactions A. Vol. 46. No. 10. Pp. 4793–4803. https://doi.org/10.1007/s11661-015-3053-7

Yu S., Ji Z., Xiong W., Liu E., Jiang Q., Zhao Y. 2017. Soluble magnesium alloy composite fracturing ball and preparation method thereof: pat. 107099712 CN: MPK C09K8/62, C09K8/70, C22C1/06, C22C1/10, C22C23/02, C22C32/00, C25D11/30 / applicant and patent holder China University of Petroleum. No. 201710381832; applied 26 May 2017; published 29 Aug. 2017.

Zhang C., Wu L., Huang G., Chen L., Xia D., Jiang B., Atrens A., Pan F. 2019. Effects of Fe concentration on microstructure and corrosion of Mg-6Al-1Zn-xFe alloys for fracturing balls applications // Journal of Materials Science & Technology. Vol. 35. No. 9. Pp. 2086–2098. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.04.012

Zhang Y., Wang X., Kuang Y., Liu B., Zhang K., Fang D. 2017. Enhanced mechanical properties and degradation rate of Mg-3Zn-1Y based alloy by Cu addition for degradable fracturing ball applications // Materials Letters. Vol. 195. Pp. 194–197. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.02.024

Zhang Y., Yu L., Ren Y., Yang D., Zhang Y., Feng D. 2018. A new type of degradable setting ball for fracturing packers // Well Testing. Vol. 27. No. 2. Pp. 53–58.