任麗華,王鳳祥,竇守進,王奎升,曹小梅

(1.中油大港油田公司,天津 300280;2.北京化工大學(xué),北京 100029)

大港港西油田套管受力與修復(fù)可行性分析

任麗華1,王鳳祥1,竇守進1,王奎升2,曹小梅1

(1.中油大港油田公司,天津 300280;2.北京化工大學(xué),北京 100029)

目前大港油田解決套管縮徑的主要技術(shù)是機械整形擴徑技術(shù),包括梨形脹管器和套管磨銑技術(shù),但普遍存在著損傷套管,犧牲套管厚度,修復(fù)成功率低等缺憾。為此,對港西油田套管首次變形與再次變形受力情況分析,提出了套管縮徑力學(xué)機理,分析預(yù)測了套管修復(fù)的可行性,避免了無效作業(yè)帶來的經(jīng)濟損失,提高了套管修復(fù)成功的幾率,為套管損傷井修復(fù)提供了科學(xué)的預(yù)測方法。

套管縮徑;力學(xué)機理;極限變形;首次變形;再次變形;修復(fù)位移;修復(fù)可行性;大港油田

引 言

大港油田地質(zhì)情況復(fù)雜,隨著開發(fā)的逐步深入,套管損傷及變形現(xiàn)象日益嚴(yán)重,套管變形原因呈現(xiàn)多樣復(fù)雜化[1-2]。其中港西油田是大港油田套管損傷最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[3],有一半的油水井套管存在問題。其中在冊套管損傷井 295口,占在冊井?dāng)?shù)的 42.2%;報廢套管變形井 283口,占已報廢井的 62.2%。這些套管變形井的存在給港西油田的開發(fā)帶來了意想不到的困難和嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。在 295口在冊套管損傷井中,縮徑彎曲的井有 92口,占套管損傷井總數(shù)的 31.2%,是該油田套管損傷的主要形式。目前的套修作業(yè)存在許多不確定因素,尤其是動用了大修作業(yè)隊伍,耗時 1～2個月,卻沒有修復(fù)成功,造成了人力物力的浪費。因此,尋找一種科學(xué)的套管修復(fù)預(yù)測方法是本次研究的主要目的。

1 套管的極限變形與極限載荷

本次研究采用 ANSYS有限元分析軟件,材料的本構(gòu)關(guān)系取雙線性強化和理想彈塑性模型。港西油田油水井所用的套管絕大部分是 J55和N80[4],相應(yīng)的材料常數(shù)為:彈性模量為 2.1× 105MPa,泊松比為 0.3。針對不同規(guī)格、不同材料和不同壁厚的 139.7 mm套管和 177.8 mm套管,采取小面積加載(單側(cè)加載面積為 400 mm2)與大面積加載(單側(cè)加載面積為 4 000 mm2)的方式,計算極限載荷和最大位移(表 1、2)。

表1 139.7mm套管計算數(shù)據(jù)

套管受地應(yīng)力分布面積的不同,導(dǎo)致變形的形態(tài)和大小均不同,小面積受力時套管產(chǎn)生局部凹陷,大面積受力時套管橫截面由圓環(huán)變?yōu)闄E圓環(huán),這是 2種完全不同的失效變形形式。小面積加載的變形形式為局部塑性屈服產(chǎn)生的流動,而大面積加載的變形形式是在外壓下的失穩(wěn)。從表1、2可以看出,同種材料的套管隨壁厚增加,最大位移逐漸減小;小面積加載時,同種壁厚不同種材料的套管 (按 J55、N80的順序),最大位移逐漸減小;大面積加載時,同種壁厚不同種材料的套管 (按 J55、N80的順序),最大位移逐漸增加。

表2 177.8mm套管計算數(shù)據(jù)

2 套管整形復(fù)位計算

套管在首次受力變形過程中,材料會發(fā)生強化[5]。在計算過程中,通過改變材料的本構(gòu)關(guān)系來模擬材料的強化。通過有限元模型,對不同鋼級、壁厚、尺寸的套管進行了計算,得出的應(yīng)力云圖模擬反映了材料受壓變形的各部分的應(yīng)力與變形情況。將地應(yīng)力情況及相關(guān)的數(shù)據(jù)帶入到ANSYS操作界面進行錄入,得到了不同材料、不同壁厚的套管修復(fù)應(yīng)力和修復(fù)位移(表 3、4)。

表 3 139.7mm套管修復(fù)計算所得數(shù)據(jù)

表 4 177.8mm套管修復(fù)計算所得數(shù)據(jù)

從表 3、4的對比結(jié)果可知,在采用相同方法整形復(fù)位時,隨著壁厚的增加所需的水平修復(fù)力相應(yīng)增加;而同種壁厚,材料不同時,依 J55、N80次序,所需的水平修復(fù)力也相應(yīng)增加。

以材料為 J55、壁厚為 7.72 mm的套管為例。在套管變形過程中,臨界應(yīng)力的最大值為 390 MPa,超過了材料的屈服極限379MPa,套管發(fā)生了塑性變形,此時能夠產(chǎn)生的最大變形即為極限變形位置,為 4.116 mm。當(dāng)材料的等效應(yīng)力超過了屈服極限,且小于等于強度極限值 517 MPa時,屬于塑性變形階段,可以修復(fù)變形,這時若進行修復(fù),可避免產(chǎn)生不可修復(fù)的強度破壞。在變形套管的修復(fù)過程中,等效應(yīng)力達到設(shè)定的非線性塑性變形時,取值為 497 MPa(該值根據(jù)幾何非線性問題求解設(shè)定),材料能產(chǎn)生 4.165 mm的變形,即基本修復(fù)了極限變形時產(chǎn)生的塑性變形。此時并沒有達到強度極限值 517 MPa,套管不發(fā)生強度破壞。因此,表明修復(fù)后的套管可以繼續(xù)進行使用。

3 套管復(fù)位后再次縮頸的預(yù)測

港西油田套管變形井經(jīng)過整形復(fù)位后,重新投入生產(chǎn),由于地應(yīng)力和其他各種因素的作用依然存在,可能再次產(chǎn)生二次縮徑變形。但套管在首次受力變形過程中,材料發(fā)生了強化,因此,在再次受力變形過程中材料的性質(zhì)與首次變形不同。通過計算,得出了 139.7 mm套管和 177.8 mm套管首次變形與再次變形的理論極限應(yīng)力、理論極限合力以及理論最大位移(表 5、6)?？梢?同種材料同種壁厚的套管,再次變形所需的極限載荷大于首次變形的極限載荷;再次變形所產(chǎn)生的最大位移小于首次變形產(chǎn)生的最大位移。

4 港西油田套管修復(fù)可行性分析

通過理論分析和計算油水井套管的極限變形、極限載荷和修復(fù)橢圓變形情況下的極限變形所能達到的最大修復(fù)位移,將港西油田 15口套管損傷井的地應(yīng)力數(shù)據(jù)輸入ANSYS軟件中進行計算,得出了15口套管損傷井在現(xiàn)有工具下所能達到的最大修復(fù)位移和水平修復(fù)力。通過套管實際變形量與修復(fù)位移對比,如實際變形量小于修復(fù)位移,則套管能夠修復(fù),反之則不能。根據(jù)該原則,分析出了 15口套管損傷井在目前工藝條件下修復(fù)的可行性 (表 7、8)。表7中這部分井實際變形量半徑均小于計算能修復(fù)的最大變形半徑,通過目前的工藝可修復(fù)。表 8中該類井的套管變形量嚴(yán)重地超過了可修復(fù)范圍,因此判斷這部分井用目前的機械整形方法不能修復(fù)[6]?？梢圆捎眠m當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)修復(fù)工藝,如爆炸整形[7-8],也可采用復(fù)合整形裝置[9-10],但目前大港油田的修復(fù)技術(shù)不具備此修復(fù)條件。

表 5 139.7mm套管首次變形和再次變形的對比結(jié)果

表 6 177.8mm套管首次變形和再次變形的對比結(jié)果

表 7 能修復(fù)的套管損傷井?dāng)?shù)據(jù)

表 8 不能修復(fù)的套管損傷井?dāng)?shù)據(jù)

以上是理論計算結(jié)果,將該結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)場試驗。西 38-8-1井、西 12-7-1井和西新 11-8井經(jīng)過修復(fù),均恢復(fù)正常生產(chǎn),提高了油田的經(jīng)濟效益。其他不能修復(fù)的井暫不列入修復(fù)計劃,對已列入計劃的井重新修改井號,從而避免了無效作業(yè)帶來的經(jīng)濟損失。

5 結(jié) 論

(1)139.7 mm套管和177.8 mm套管,無論是大面積加載,還是小面積加載,同種材料的套管隨壁厚的增加,最大位移逐漸減小。

(2)套管受地應(yīng)力分布面積的不同,導(dǎo)致變形的形態(tài)和大小均不同,小面積加載的變形形式為局部的塑性屈服產(chǎn)生的流動,而大面積加載的變形形式是在外壓下的失穩(wěn),但不論哪種變形形式,其塑性變形的大小主要取決于套管的壁厚和套管材料的力學(xué)性能。

(3)同種材料、同種壁厚的套管,再次變形所需的極限載荷要大于首次變形的極限載荷,而再次變形所產(chǎn)生的最大位移要小于首次變形的最大位移。

(4)對比計算的 15口井發(fā)現(xiàn),變形量小、鋼級強及壁厚大的井易修復(fù)。

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編輯 王 昱

TE358

A

1006-6535(2010)05-0113-03

20100115;改回日期:20100610

中油大港油田公司科技創(chuàng)新項目“套變整形復(fù)位受力及復(fù)位技術(shù)研究”(20080203-5)

任麗華 (1978-),女,工程師,1997年畢業(yè)于天津市大港石油學(xué)校采油工程專業(yè),現(xiàn)從事修井工藝工作。