趙旭亮

（中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010）

稠油熱采井套損防治措施及計(jì)算理論

趙旭亮

（中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010）

研究了稠油熱采井套損機(jī)理，給出了管柱提拉預(yù)應(yīng)力和下入套管熱力補(bǔ)償器兩種套損防治措施計(jì)算理論。模擬計(jì)算表明：設(shè)置提拉預(yù)應(yīng)力時(shí)，管柱需提拉的最小預(yù)應(yīng)力和最小拉伸長度隨管柱溫度的升高而先升高后降低；下入套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器時(shí)，管柱需要的最小補(bǔ)償伸長量隨管柱溫度和長度的增加而增加，但增加趨勢(shì)變緩。該計(jì)算理論可用于指導(dǎo)熱采井套損防治的方案設(shè)計(jì)和施工作業(yè)。

稠油熱采；管柱預(yù)應(yīng)力；套管熱力補(bǔ)償器

對(duì)于稠油常采用蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)等熱采生產(chǎn)方式。在稠油熱采過程中，若管柱溫度變化引起的熱應(yīng)力或殘余應(yīng)力超過套管屈服強(qiáng)度時(shí)，管柱產(chǎn)生塑性變形或斷裂。遼河油田稠油以熱采為主，熱采過程中套損嚴(yán)重，套損井占總井?dāng)?shù)的12.67%［1］。因此，研究稠油熱采井套損機(jī)理、防治措施及計(jì)算理論，對(duì)于解決稠油熱采井套管損壞問題具有重要意義。

1 熱采井套損機(jī)理及防治措施

稠油熱采井完井方式以套管射孔完井和篩管完井為主。對(duì)于射孔完井，套管被水泥環(huán)封固，限制了兩者之間由管柱熱脹冷縮產(chǎn)生的相對(duì)位移；對(duì)于篩管完井，完井工具（尾管懸掛器、套管外封隔器等）或地質(zhì)因素（泥巖段等）限制了篩管長度的自由變化。

當(dāng)套管與水泥環(huán)粘結(jié)強(qiáng)度不夠或篩管完井時(shí)，管柱能夠與裸眼產(chǎn)生相對(duì)位移，若管柱在注汽過程中由于溫度升高生成壓應(yīng)力超過套管壓縮屈服強(qiáng)度時(shí)，套管會(huì)因發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生損壞。

若套管固井質(zhì)量良好或其它完井工具錨定管柱能力足夠強(qiáng)，則管柱在溫度變化過程中產(chǎn)生的應(yīng)力不能使管柱與裸眼產(chǎn)生相對(duì)位移。①當(dāng)管柱在注汽過程中由于溫度升高生成壓應(yīng)力未超過套管壓縮屈服強(qiáng)度，管柱在燜井降溫過程中，不會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，即套管不會(huì)發(fā)生損壞。②當(dāng)管柱在注汽過程中由于溫度升高生成壓應(yīng)力超過壓縮屈服強(qiáng)度時(shí)，管柱在燜井階段溫度降到初始溫度時(shí)，管柱由于單向累計(jì)效應(yīng)會(huì)形成殘余拉伸應(yīng)力，由于鮑辛格效應(yīng)，隨著注汽輪次的增加，該殘余拉伸應(yīng)力會(huì)越來越大，當(dāng)該應(yīng)力超過套管拉伸屈服強(qiáng)度時(shí)，套管就會(huì)發(fā)生損壞。稠油熱采井套管損壞主要是由溫度降低過程中形成的殘余應(yīng)力產(chǎn)生的［2］，因此主要應(yīng)從以下兩方面采取措施。

（1）設(shè)置提拉預(yù)應(yīng)力。套管射孔完井主要通過設(shè)置提拉預(yù)應(yīng)力，使管柱高溫時(shí)熱應(yīng)力小于管柱壓縮屈服強(qiáng)度，防止套損現(xiàn)象的產(chǎn)生。預(yù)應(yīng)力完井主要工具為地錨［3］，工作原理為：地錨在下井時(shí)連接在管柱最下端，下到井底后開泵循環(huán)，然后進(jìn)行正常固井作業(yè)，當(dāng)膠塞碰壓后坐到地錨上部膠塞座上，然后緩慢憋壓到設(shè)計(jì)值，剪斷銷釘，地錨膠塞座下移推動(dòng)中心管和連桿組撐開雙級(jí)錨爪，使雙級(jí)錨爪嵌入井壁，然后在憋壓狀態(tài)下井口提拉預(yù)應(yīng)力到設(shè)計(jì)載荷或長度后候凝，完成套管預(yù)應(yīng)力完井作業(yè)。

（2）下入套管熱力補(bǔ)償器。篩管完井主要通過下入套管熱力補(bǔ)償器［4］補(bǔ)償管柱在溫度升高過程中產(chǎn)生的熱伸長，即可防止熱應(yīng)力超過套管壓縮屈服強(qiáng)度引起塑性變形，又可防止?fàn)F井過程中殘余應(yīng)力的形成。套管熱力補(bǔ)償器內(nèi)通徑設(shè)計(jì)為配合使用的套管內(nèi)通徑，外徑設(shè)計(jì)為與裸眼井徑相適應(yīng)且保證環(huán)空間隙滿足固井需要。套管熱力補(bǔ)償器工作原理為：注汽過程中當(dāng)管柱受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，剪斷安全銷釘，中心管和外管產(chǎn)生相對(duì)位移，使管柱不產(chǎn)生壓應(yīng)力或?qū)簯?yīng)力控制在套管壓縮屈服強(qiáng)度極限內(nèi)，防止熱應(yīng)力損壞套管。

2 計(jì)算理論

2.1 提拉預(yù)應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力完井技術(shù)需要對(duì)套管柱施加的最小預(yù)拉力和最小拉伸長度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算［5］。

套管熱伸長受水泥環(huán)約束產(chǎn)生的熱應(yīng)力為：

式中：σ為套管熱應(yīng)力，MPa；λ為鋼材線膨脹系數(shù)，1／℃；E為鋼材彈性模量，MPa；ΔT為管柱溫度增加值，℃。

套管柱需施加的最小預(yù)拉力為：

式中，F(xiàn)min為套管柱應(yīng)施加的最小預(yù)拉力，N；σs為套管壓縮屈服強(qiáng)度，MPa；S為套管橫截面積，mm2。

套管柱在最小預(yù)拉力下的拉伸長度為：

式中，ΔLmin為套管柱最小拉伸長度，mm；L為管柱長度，mm。

2.2 下入套管熱力補(bǔ)償器

下入套管熱力補(bǔ)償器前，需要對(duì)套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器補(bǔ)償能力和補(bǔ)償后管柱熱應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

溫度變化使管柱產(chǎn)生的伸長量為：

式中，ΔL為溫度效應(yīng)引起的管柱伸長量，mm。

套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器需要的最小補(bǔ)償能力為：

式中，Lmin為套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器需要的最小補(bǔ)償能力，mm。

等效溫度定義為將套管熱力補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力轉(zhuǎn)換為管柱溫度變化后，將管柱初始溫度修正后得到的溫度。

式中，T1為管柱初始溫度，℃；T1′為管柱補(bǔ)償后的等效初始溫度，℃。

下入套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器后，溫度變化使管柱產(chǎn)生的熱應(yīng)力為：

式中，F(xiàn)為溫度效應(yīng)引起的管柱軸向熱應(yīng)力，N；A為管柱的橫截面積，mm2；T2為管柱注汽時(shí)最高溫度，℃。

由式（1）～（7）可知，上述計(jì)算理論與套管屈服強(qiáng)度、彈性模量及線膨脹系數(shù)密切相關(guān)，而這些參數(shù)又隨溫度的變化而變化。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 提拉預(yù)應(yīng)力

以7"套管（鋼級(jí)N80，壁厚9.19mm，管柱長度500m，管柱初始溫度20℃）為研究對(duì)象，采用上述理論進(jìn)行模擬計(jì)算。管柱熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖1，可見管柱熱應(yīng)力隨管柱溫度升高先增加后降低，在管柱溫度為300℃達(dá)到最大值1148.3kN。管柱最小拉伸力和最小拉伸長度計(jì)算結(jié)果見圖2，當(dāng)管柱溫度小于200℃時(shí)，由于管柱熱應(yīng)力小于套管壓縮屈服強(qiáng)度，不需要對(duì)管柱提拉預(yù)應(yīng)力；當(dāng)管柱溫度達(dá)到300℃時(shí)，管柱需要提拉最小預(yù)應(yīng)力和最小拉伸長度達(dá)到最大值。在實(shí)際拉伸預(yù)應(yīng)力作業(yè)過程中，須保證整個(gè)作業(yè)過程不能產(chǎn)生套損現(xiàn)象，因此若設(shè)計(jì)注汽溫度為350℃時(shí)也應(yīng)該按300℃工況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖1 管柱熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖2 預(yù)應(yīng)力完井計(jì)算結(jié)果

3.2 下入套管熱力補(bǔ)償器

以7"套管（鋼級(jí)N80，壁厚9.19 mm，管柱長度100～400 m，管柱初始溫度20℃）為對(duì)象，采用上述理論進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖3和圖4。由圖可知，管柱自由伸長量隨管柱溫度和長度的增加而增加，但增加趨勢(shì)變緩。長度為100 m、200 m、300 m和400 m管柱在350℃時(shí)自由伸長量分別為775 mm、1 550 mm、2 325 mm和3 101 mm，需要下入補(bǔ)償器的最小補(bǔ)償伸長量分別為438 mm、876 mm、1 314 mm和1 753 mm。

圖3 管柱自由伸長量計(jì)算結(jié)果

圖4 補(bǔ)償器補(bǔ)償能力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文在研究稠油熱采井套管損壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，考慮管柱溫度影響，給出了提拉預(yù)應(yīng)力和下入套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器兩種套損防治措施的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，并進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）當(dāng)采用提拉預(yù)應(yīng)力套損防治措施時(shí)，管柱需要的提拉最小預(yù)應(yīng)力和最小拉伸長度隨管柱溫度先升高后降低，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算過程中須保證整個(gè)作業(yè)過程不能產(chǎn)生套損現(xiàn)象。

（2）當(dāng)采用下入套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器套損防治措施時(shí)，管柱最小補(bǔ)償伸長量隨管柱溫度和長度的增加而增加，但增加趨勢(shì)變緩。

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According to the study of heavy oil thermal recovery casing damage mechanism，two casing damage prevention computation theory of pipe string pulling up prestress and casing thermal compensator are made.Simulation results show that：when set pulling up prestress，the minimum pulling prestressed needed for pulling pipe string and minimum tensile length increased firstly，then decreased with the increasing of pipe string temperature；when using the casing thermal stress compensator，the required minimum compensation increased with the increasing of pipe string temperature and length，but the increasing tends slow.The computation theory can be used to guide the thermal recovery wells casing damage prevention design and construction work.

122Heavy oil thermal recovery casing damage prevention measures and computation theory

Zhao Xuliang（Drilling and Production Technology Institute of Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010）

Heavy oil thermal recovery；pipe string prestress；casing thermal compensator

TE358

A

1673－8217（2012）04－0122－03

2012－02－21

趙旭亮，工程師，1981年生，2009年畢業(yè)于東北大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)從事井下工具設(shè)計(jì)研究工作。

李金華