汪盈盈

(中油遼河油田公司,遼寧盤(pán)錦 124010)

水平井防套管損壞研究

汪盈盈

(中油遼河油田公司,遼寧盤(pán)錦 124010)

基于X油田注蒸汽開(kāi)采水平井受力狀況,根據(jù)熱力學(xué)、滲流力學(xué)、固體力學(xué)相關(guān)理論建立熱-流-固耦合方程,計(jì)算、分析、研究水平井蒸汽吞吐過(guò)程中井眼附近滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,分析套管溫度、地質(zhì)構(gòu)造等因素對(duì)套管應(yīng)力的影響,得出熱采水平井的套損防控建議。

套損機(jī)理 水平井 熱采

X油田二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中水平井采取蒸汽吞吐的方式開(kāi)采，隨著吞吐周期的增加，高溫、高壓循環(huán)作用逐漸增加套管的應(yīng)力疲勞程度，應(yīng)力疲勞是套損的重要誘因之一。為了保證水平井正常生產(chǎn)，確保XX塊開(kāi)發(fā)效果的延續(xù)，需要開(kāi)展注蒸汽后套管應(yīng)力分析，指導(dǎo)熱采水平井套損防控工作。

1 熱應(yīng)力對(duì)套損影響

套損是油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中普遍遇到的一大技術(shù)難題，對(duì)于熱力采油油田而言，要考慮高溫蒸汽對(duì)套管和地層的影響，研究起來(lái)更為復(fù)雜。由于蒸汽或熱水等熱流體的注入，勢(shì)必引起儲(chǔ)層溫度場(chǎng)的變化，導(dǎo)致油藏流體粘度、密度等參數(shù)的變化，進(jìn)而引起流體流動(dòng)狀態(tài)的改變.因此，油藏的熱采開(kāi)發(fā)過(guò)程是一個(gè)典型的熱-流-固耦合過(guò)程，根據(jù)熱-固耦合理論、滲流-應(yīng)力耦合理論建立熱-流-固耦合方程，采用有限元計(jì)算軟件對(duì)井筒熱力問(wèn)題、水平段儲(chǔ)層粘度及溫度變化情況、套管受到的熱應(yīng)力情況等進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

根據(jù)X油田二次開(kāi)發(fā)先期試驗(yàn)井XX井井身結(jié)構(gòu)和地層資料，建立彎曲段計(jì)算模型，利用上述方法開(kāi)展水平井注汽套管應(yīng)力分析。

1.1 套管在實(shí)際條件下的應(yīng)力分析

采用X油田的實(shí)際地層參數(shù)和注采參數(shù)，計(jì)算出地層最大應(yīng)力出現(xiàn)在最底部，數(shù)值為46MPa左右，遠(yuǎn)小于套管屈服強(qiáng)度550MPa，因此套管處于安全狀態(tài)；而套管產(chǎn)生的應(yīng)力為218～495MPa，其中彎管段拐點(diǎn)附近應(yīng)力值最大，達(dá)到495MPa左右，但仍小于套管屈服強(qiáng)度，因此套管處于安全狀態(tài)。

1.2 套管溫度變化對(duì)應(yīng)力場(chǎng)影響

為研究套管溫度對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，在實(shí)際井底溫度的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算溫度高于和低于實(shí)際井底溫度50℃情況下的應(yīng)力分布。結(jié)果表明溫度越高，套管的應(yīng)力越大。隨著蒸汽的注入，套管溫度迅速升高，在套管壁上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)套管應(yīng)力影響

考慮到地質(zhì)構(gòu)造對(duì)套管損壞非常重要，研究地層有傾角、斷層兩種情況下套管應(yīng)力的變化情況。當(dāng)?shù)貙雍袃A角和斷層時(shí)，在傾角底部、斷層的底部等薄弱地方，地層都會(huì)出現(xiàn)不均勻的變形，并且使得套管在相應(yīng)部位產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力集中，一旦注入蒸汽后，在高溫與不均勻地應(yīng)力耦合作用下，套管將產(chǎn)生更大的應(yīng)力，增加了套管損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2 殘余拉伸應(yīng)力對(duì)套損的影響

對(duì)XX井運(yùn)用井筒-地層溫度場(chǎng)理論首先計(jì)算出井筒-地層溫度場(chǎng)，得到井下套管溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系，根據(jù)該關(guān)系采用拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力計(jì)算方法可以計(jì)算第一吞吐周期殘余應(yīng)力，再利用拉伸-壓縮單向累計(jì)效應(yīng)理論計(jì)算出每個(gè)周期的殘余拉伸應(yīng)力。

在同一輪注汽過(guò)程中，隨著蒸汽的注入，套管承受的壓縮應(yīng)力迅速增加，第一輪注汽末期壓縮應(yīng)力達(dá)到-502.8MPa，第一周期生產(chǎn)結(jié)束后殘余拉伸應(yīng)力為19.3MPa；隨著注汽周期的增加，套管殘余拉伸應(yīng)力依次增加，第三輪注汽前套管中的殘余拉伸應(yīng)力為80.7MPa；第四輪注汽前套管中的殘余拉伸應(yīng)130.2MPa，第四輪采油階段結(jié)束后，套管中的殘余拉伸應(yīng)力為183.1MPa。注汽輪次越多，套管的殘余拉伸應(yīng)力累積越大，套管危險(xiǎn)程度越大。按照目前條件計(jì)算，8個(gè)輪次后套管可能發(fā)生損壞。

3 主要結(jié)論及防控建議

(1)水平井注入蒸汽后，彎曲井段套管熱受力最為明顯，套管最大應(yīng)力出現(xiàn)在彎曲段的上端。建議在水平井套管柱彎曲段的上端選用高強(qiáng)度套管或者厚壁套管，在井身結(jié)構(gòu)允許條件下，將懸掛器位置調(diào)整到直井段內(nèi)，以減小套管柱彎曲段上端局部應(yīng)力，延長(zhǎng)套管柱使用壽命。

(2)當(dāng)?shù)貙雍袃A角、斷層的時(shí)候，在傾角底部、斷層底部等薄弱地方，一旦注入蒸汽后，套管將產(chǎn)生更大的應(yīng)力，大大增加了套管損壞的風(fēng)險(xiǎn)。建議遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，要提高相應(yīng)層段固井質(zhì)量，以防止地應(yīng)力、套管熱應(yīng)力作用耦合造成套損。

(3)注汽輪次越多，套管的殘余應(yīng)力累積越大，套管危險(xiǎn)程度越大。建議采用抗拉壓循環(huán)性能較好的套管，減少周期注汽產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力損傷套管。

[1]陳勇,練章華等.考慮地應(yīng)力耦合的熱采井套管損壞分析[J].鉆采工藝,2007,30(5)：13～16.

[2]李海慶,趙國(guó)相等.套管損壞原因及套損修復(fù)技術(shù)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2005,34(3)：96～98.

汪盈盈,女,工程師,2005年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事采油工藝研究。