劉永順，董建國，伊西峰，呂 瑋，孫 騫

（勝利油田 采油工藝研究院，山東 東營257000） ①

與水平井套管射孔完井相比，水平井裸眼防砂完井［1］提高了油井的完善程度，降低了完井成本，特別是由于其注汽壓力低、吸氣能力強(qiáng)、產(chǎn)液能力大、熱能利用率高，在稠油油藏中進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用。自2006年以來，該技術(shù)在勝利油田應(yīng)用了1 000多口井，其中絕大多是熱采水平井。但是，該技術(shù)在草橋油田草27塊應(yīng)用時，多口井出現(xiàn)了篩管斷裂問題，嚴(yán)重制約了這一技術(shù)的推廣應(yīng)用。為此，對該區(qū)塊套損原因進(jìn)行了分析，并研制出了一種有效的補(bǔ)償手段。

1 草27塊套損原因分析［2－8］

1） 該區(qū)塊采用整體水平井開發(fā)，水平段長度200m，間距200m。TP110H套管不同溫差和長度下對應(yīng)的套管柱伸長量如表1所示，可以看出：在320℃的注汽溫度下，套管伸長量達(dá)0.768m。

2） 該儲層巖性主要為礫狀、含礫不等粒砂巖，油質(zhì)膠結(jié)，且膠結(jié)松散；鉆井時軌跡控制困難，井眼擴(kuò)大嚴(yán)重。

3） 在注汽過程中，油質(zhì)膠接結(jié)構(gòu)破壞，地層吐砂嚴(yán)重，即使鉆井時留下足夠長度口袋，但口袋很容易被松散的膠結(jié)物埋死，構(gòu)成底部約束。

因此，注汽過程中強(qiáng)大的熱應(yīng)力使得套管伸長量無法釋放，彎曲變形，在井眼不規(guī)則處（例如井徑擴(kuò)大處）發(fā)生軸向失穩(wěn)，導(dǎo)致屈曲破壞。

表1 TP110H套管不同溫差和長度下對應(yīng)的套管柱伸長量 m

前期在篩管段增加了位移補(bǔ)償器，初步設(shè)計60～80m均布，并選擇在井徑較大的位置附近布置，但由于下入過程遇阻，銷釘提前被剪斷，失去了補(bǔ)償作用，實施效果不理想。

為此，研制了一種新型的充填式套管補(bǔ)償器，有效改善了管柱受熱膨脹導(dǎo)致的套損問題。

2 充填式補(bǔ)償器的研制

目前，現(xiàn)場應(yīng)用的是剪切式套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器［9］，通過補(bǔ)償器上的剪釘來控制補(bǔ)償動作，即當(dāng)管柱受熱應(yīng)力發(fā)生軸向位移時，補(bǔ)償器剪釘斷開，工具補(bǔ)償部位收縮實現(xiàn)補(bǔ)償功能。但在現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)：部分水平井鉆井過程中井徑處理不規(guī)則，管柱在下入過程中有遇阻現(xiàn)象，而強(qiáng)行下鉆時管柱上產(chǎn)生的作用力可能將管串中的補(bǔ)償器銷釘剪斷而使其提前動作，失去補(bǔ)償作用。通過反復(fù)分析論證，設(shè)計了一種新型溫控式套管補(bǔ)償器。設(shè)計方案為通過溫控材料來控制補(bǔ)償動作，即在管柱下入過程及注汽生產(chǎn)前補(bǔ)償器保持穩(wěn)定；而在注氣過程有熱應(yīng)力產(chǎn)生時溫控材料熔化，補(bǔ)償部位失去束縛進(jìn)行位移補(bǔ)償，以保護(hù)套管不發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.1 工具結(jié)構(gòu)

溫控式套管補(bǔ)償器主要由上接頭、外筒、溫控材料、中心管組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1。

圖1 溫控式套管補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

熱采水平井注氣時，水平段管柱受熱而使管串中補(bǔ)償器內(nèi)部溫度上升，溫度超過80℃后，內(nèi)部的溫控材料熔化，補(bǔ)償器內(nèi)筒和中心管之間所受約束力消失。當(dāng)水平段管柱受熱膨脹而發(fā)生軸向位移時，補(bǔ)償器進(jìn)行軸向位移補(bǔ)償，釋放管柱產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而使水平段管柱保持穩(wěn)定，防止發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3 性能特點

1） 工具結(jié)構(gòu)上無剪釘，結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便。

2） 創(chuàng)新性提出通過溫度控制溫控材料的形狀來控制補(bǔ)償器是否進(jìn)行位移補(bǔ)償。

3） 補(bǔ)償器在管柱下入過程中不會發(fā)生提前補(bǔ)償。

3 材料優(yōu)選與室內(nèi)試驗

3.1 溫控材料優(yōu)選

3.1.1 石蠟、松香、聚氯乙烯材料的試驗

經(jīng)過對相關(guān)資料的查詢和對比，尤其是材料熔點和充填可行性的篩選，初步選擇石蠟、松香和聚氯乙烯3種物質(zhì)作為溫控材料，并展開試驗研究。為了了解3種材料的熔化點，對其分別進(jìn)行加溫試驗。將3種材料至于透明燒杯中，分別放置于烘箱內(nèi)加熱，觀察它們在不同溫度下形態(tài)的變化，具體試驗數(shù)據(jù)如表2。

表2 溫控材料熔化溫度試驗數(shù)據(jù)

由試驗數(shù)據(jù)可以看出：聚氯乙烯從固態(tài)直接氣化，而且所需溫度太高，首先被淘汰；對于石蠟，其熔化溫度過低，較低溫度下就開始軟化，會使補(bǔ)償器提前解除約束力，不是理想溫控材料；相比之下，松香的溫度條件比較符合要求，是可以考慮進(jìn)行充填使用的材料。但松香沒有固定的熔點，熔化溫度范圍較寬。

3.1.2 低熔點合金的試驗

在重新搜索中，發(fā)現(xiàn)低熔點合金是適合的溫控材料。低熔點合金為一種特制的多元共晶金屬，熔點通常在150℃以下，熔化范圍較精確，凝固后可馬上投入生產(chǎn)使用，且熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)?，而且其產(chǎn)品已經(jīng)成熟化、系列化，材料可選則的范圍較廣。

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用要求的需要，選取標(biāo)定80℃熔化的低熔點合金進(jìn)行材料試驗，并對其進(jìn)行加溫試驗。將低熔點合金置于透明燒杯中，置入烘箱內(nèi)加熱至80℃，經(jīng)過觀察，在80.5℃開始熔化，熔點較為穩(wěn)定，誤差在1℃以內(nèi)，熔化溫度條件符合要求。

溫控材料不僅需要在溫度選擇方面符合要求，還需要在管柱下入過程中承受較大的作用力而不被破壞。因此，在溫度試驗的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步開展了溫控材料的強(qiáng)度評價試驗。為了模擬補(bǔ)償器的受力情況，制作了溫控補(bǔ)償器的模擬試樣來檢驗材料的強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償器小樣示意

將低熔點合金置于補(bǔ)償器小樣中，用額定壓力為30kN的千斤頂向充填部位的材料施加壓力，期間材料未被擠出。為了取得更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼灁?shù)據(jù)，將充填好低熔點合金的小樣置于整機(jī)試驗裝置上進(jìn)行強(qiáng)度試驗，控制壓力設(shè)備均勻向補(bǔ)償器小樣施加壓力110kN，小樣中的補(bǔ)償件在向下運(yùn)動1.2cm后不再發(fā)生位移，低熔點合金未從充填空間被擠出。

通過對試驗小樣進(jìn)行分析，認(rèn)為補(bǔ)償器小樣在整機(jī)試驗裝置上產(chǎn)生位移的原因主要是因為低熔點合金材料在充填空間內(nèi)未被充實所致，當(dāng)其完全充實后，是可以承受較大壓力的。

對補(bǔ)償器小樣的受力情況進(jìn)行計算，折算到溫控式熱力補(bǔ)償器可承受的壓力≥633kN。通過將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比折算，可得溫控式熱力補(bǔ)償器可承受的壓力＞600kN，完全符合現(xiàn)場施工要求。

3.2 抗壓強(qiáng)度中間試驗

試驗工具：溫控式熱力補(bǔ)償器；試驗設(shè)備：試驗室大型拉壓試驗架；試驗介質(zhì)：清水；試驗溫度：常溫。

如圖3所示，在大型拉壓架上連接好設(shè)備和工具。啟動拉壓試驗架，緩慢推動拉桿，向補(bǔ)償器施加壓力，檢驗內(nèi)部溫控材料抗壓能力。加壓至600 kN，經(jīng)過觀察，補(bǔ)償器未發(fā)生動作，溫控材料沒有被破壞。重復(fù)以上抗壓強(qiáng)度試驗3次，補(bǔ)償器均未發(fā)生位移。

圖3 溫控式套管補(bǔ)償器抗壓強(qiáng)度試驗示意

溫控式套管補(bǔ)償器在承受600kN的壓力載荷時不發(fā)生補(bǔ)償位移，說明其抗壓能力符合下井要求，不會因管柱入井過程中受到?jīng)_擊而提前補(bǔ)償，滿足了熱采水平井注汽時軸向穩(wěn)定的需要。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

自2010-10以來，熱采水平井溫控式套管熱應(yīng)力補(bǔ)償器已經(jīng)在現(xiàn)場推廣應(yīng)用83井次、132套，施工成功率100%。現(xiàn)場應(yīng)用證明：該補(bǔ)償器能夠有效地保護(hù)完井管柱，提高了熱采水平井裸眼防砂完井施工的成功率，使套損井占篩管完井水平井的比例由6.6%降至0.8%。

4 結(jié)論

1） 注汽過程中熱應(yīng)力過大使得套管發(fā)生軸向失穩(wěn)，是導(dǎo)致套管發(fā)生屈曲破壞的主要原因。

2） 新型充填式補(bǔ)償器克服了以前補(bǔ)償器的缺點，充填材料滿足注汽過程中的補(bǔ)償要求和下入過程中的強(qiáng)度要求。

3） 現(xiàn)場應(yīng)用證明，該補(bǔ)償器能夠有效地保護(hù)完井管柱，大幅降低套損井的發(fā)生率。

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