張代明

(山東科瑞石油裝備有限公司，山東 東營(yíng) 257000)①

稠油熱采井剪環(huán)式雙向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具研究

張代明

(山東科瑞石油裝備有限公司，山東 東營(yíng) 257000)①

針對(duì)目前稠油井熱采過(guò)程中，因注蒸汽造成套管損壞的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種剪環(huán)式雙向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具，其原理是對(duì)注蒸汽時(shí)套管的熱脹冷縮變形量進(jìn)行有效補(bǔ)償，釋放套管自身的熱應(yīng)力，達(dá)到保護(hù)套管的目的。與常規(guī)的剪釘式單向補(bǔ)償器相比，采用了性能更加穩(wěn)定可靠的剪環(huán)式雙向補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，既可有效滿足注蒸汽時(shí)的管柱伸長(zhǎng)補(bǔ)償，又可滿足停注時(shí)管柱收縮補(bǔ)償。該工具已在勝利油田得到廣泛應(yīng)用，取得了明顯的效果。

稠油；套管；熱應(yīng)力；雙向補(bǔ)償

稠油在世界油氣資源中占有很大的比重，開(kāi)采稠油已成為國(guó)內(nèi)外許多石油公司的主要產(chǎn)量來(lái)源。熱力采油作為稠油開(kāi)發(fā)的主要手段，其產(chǎn)量約占稠油總產(chǎn)量的70%。熱力采油的主要方式包括蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、火燒油層、熱水驅(qū)等，其中蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)油是目前主要的熱力開(kāi)采方法。早在20世紀(jì)60年代初，我國(guó)就在克拉瑪依油田開(kāi)展了蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)試驗(yàn)，隨著國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和裝備的引進(jìn)、消化吸收，逐步形成了適應(yīng)我國(guó)稠油油藏特點(diǎn)的注蒸汽開(kāi)采技術(shù)，極大地促進(jìn)了稠油大規(guī)模的工業(yè)化開(kāi)采，我國(guó)已經(jīng)成為世界上主要的稠油生產(chǎn)國(guó)之一[1-2]。

一直以來(lái)，因注蒸汽造成套管損壞的問(wèn)題嚴(yán)重制約著稠油開(kāi)采的發(fā)展，主要原因是高溫蒸汽在油井管柱內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力使套管產(chǎn)生屈服變形、斷裂，在套管內(nèi)有彎曲應(yīng)力時(shí)，套管破壞的可能性更大。另外，反復(fù)注汽會(huì)大幅加快套管的損壞速度[3-4]。

1 熱采井套管損壞機(jī)理

以直徑?177.8 mm、鋼級(jí)N80、連接形式為API偏梯螺紋規(guī)格的套管為例，研究其損壞機(jī)理[5-7]。

對(duì)于沒(méi)有任何約束的圓形鋼棒，假設(shè)其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D，初始溫度為t1，升溫后溫度為t2，線膨脹系數(shù)為αt，其軸向伸長(zhǎng)量為

△L=αt(t2-t1)L

熱采井套管就像一根圓形鋼棒，上端被井口固定，下端被充填砂及地層砂緊緊包裹、壓覆，也被緊緊束縛。在兩端被束縛的套管中注入350 ℃的干燥熱蒸汽時(shí)，套管受熱膨脹，材料的應(yīng)力達(dá)到了700 MPa，使N80套管產(chǎn)生屈服變形(N80套管最小屈服強(qiáng)度552 MPa)。另外，由于材料的高溫蠕變現(xiàn)象，在停注轉(zhuǎn)抽時(shí)，溫度下降，套管收縮，產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致套管的應(yīng)力松弛相當(dāng)大。

蠕變現(xiàn)象引起的應(yīng)力松弛為

△σp=E/(1-μ2)( △εz+μ·△εθ)

式中：E為材料彈性模量；μ為泊松比；△εz為軸向塑性應(yīng)變；△εθ為周向?qū)傩詰?yīng)變。

材料特性遵循雙線性模型，如圖1。

圖1 材料特性

計(jì)算在不同注汽溫度下(250、300、350 ℃)熱采井套管載荷的變化，如圖2所示。

圖2 不同注汽溫度下載荷的變化

由圖2可見(jiàn)，當(dāng)注汽時(shí)隨著溫度的升高，套管產(chǎn)生很大的熱壓縮載荷，達(dá)到預(yù)定溫度后，隨著時(shí)間的推移，套管發(fā)生蠕變。由于達(dá)到預(yù)定溫度后套管產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到或接近屈服，蠕變現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。當(dāng)溫度下降時(shí)，由于發(fā)生了屈服和蠕變，卸載路線并沒(méi)有原路返回，而是有很大變化，使套管產(chǎn)生很大的拉伸載荷。

實(shí)際上，熱采井套管需要經(jīng)過(guò)反復(fù)注汽，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，套管產(chǎn)生的壓縮載荷越來(lái)越小，拉伸載荷越來(lái)越大。資料表明在第1輪和第2輪注汽時(shí)，拉伸載荷尚未使套管發(fā)生屈服，但第3輪和第4輪注汽后，套管已經(jīng)發(fā)生了明顯的屈服現(xiàn)象。因此，隨著注汽次數(shù)的增加，會(huì)造成熱采井套管以斷裂、滑脫形式而損壞。

2 熱采井預(yù)防、改善套管損壞的措施

由于高溫而產(chǎn)生的熱載荷是熱采井套管損壞的根本原因，降低注汽溫度、提高材料強(qiáng)度、提高套管抗蠕變能力及減少套管產(chǎn)生過(guò)高熱應(yīng)力是防止套管損壞的主要方法。通常采用的方法包括隔熱管注蒸汽技術(shù)、提拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)、熱應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)、耐高溫水泥技術(shù)和使用熱采井專(zhuān)用套管。

對(duì)于熱采稠油防砂井而言，受完井方式、施工工藝、生產(chǎn)成本等因素的制約，采用熱應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)是最為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、有效的方法。熱應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)的關(guān)鍵是熱應(yīng)力補(bǔ)償工具的性能[8-10]。

3 常規(guī)熱應(yīng)力補(bǔ)償工具

3.1 工作原理

熱應(yīng)力補(bǔ)償工具的原理是當(dāng)套管的熱載荷達(dá)到補(bǔ)償器的設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)償器自動(dòng)開(kāi)啟補(bǔ)償功能，從而有效釋放套管自身的熱載荷，達(dá)到保護(hù)套管的目的[11]。

常規(guī)的熱應(yīng)力補(bǔ)償工具為剪釘式單向補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 剪釘式單向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具示意

3.2 存在問(wèn)題

3.2.1 剪切受力不均勻

常規(guī)的剪釘式補(bǔ)償器因?yàn)槭褂昧思羟袖N(xiāo)釘，剪切時(shí)必然會(huì)造成受力不均、局部應(yīng)力過(guò)大。銷(xiāo)釘?shù)牟牧弦话銥楹辖痄?，其?qiáng)度比較大，考慮到補(bǔ)償器的開(kāi)啟壓力必須低于套管的屈服強(qiáng)度，加上安全系數(shù)，開(kāi)啟壓力設(shè)置在300～500 kN。通常剪釘式補(bǔ)償器有4～6個(gè)銷(xiāo)釘，因而在工具剪切面圓周上存在4～6個(gè)局部應(yīng)力高點(diǎn)，工作外筒受力不均勻，不利于工具的正常開(kāi)啟，同時(shí)會(huì)減少工具的使用壽命。如圖4所示。

圖4 剪釘式單向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具受力示意

3.2.2 剪釘性能不穩(wěn)定

合金鋼制造的剪釘?shù)牟牧系挠捕仁軣崽幚頊囟鹊挠绊懱貏e明顯，較小的熱處理溫度差別都可能造成較大的剪釘強(qiáng)度差異，且剪釘?shù)馁|(zhì)量不穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)同一批次的剪釘，出現(xiàn)較大差異的剪切強(qiáng)度，這可能會(huì)造成工具提前開(kāi)啟或無(wú)法正常開(kāi)啟。

3.2.3 單向補(bǔ)償且補(bǔ)償距離較短

常規(guī)的熱應(yīng)力補(bǔ)償器采用單向補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償距離較短，不能滿足套管熱應(yīng)力補(bǔ)償?shù)囊?。因套管存在熱脹和冷縮2種熱變形式，只有雙向補(bǔ)償才能有效滿足熱補(bǔ)的要求。

套管的熱脹系數(shù)通常為(13～14)×10-6mm/(℃·mm)，其熱脹伸長(zhǎng)量為：套管溫度每上升100 ℃，伸長(zhǎng)量為1.3～1.4 mm/m，100 m套管溫度上升到350 ℃時(shí)，其伸長(zhǎng)量為0.45～0.49 m。常規(guī)的熱應(yīng)力單向補(bǔ)償器的補(bǔ)償距離為0.3 m，這就需要每60 m套管裝一個(gè)熱應(yīng)力補(bǔ)償器，使用頻率太高。既不經(jīng)濟(jì)，又增加了風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

4 剪環(huán)式雙向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具

4.1 雙向補(bǔ)償功能

由于套管在注蒸汽時(shí)受熱伸長(zhǎng)，在停注時(shí)受冷伸縮，因而熱補(bǔ)工具應(yīng)該具備雙向補(bǔ)償功能，才能達(dá)到較為理想的熱補(bǔ)作用。設(shè)計(jì)的剪環(huán)式雙向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 剪環(huán)式雙向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具示意

鋁制剪環(huán)位于工具的中部，工具在熱脹或冷縮時(shí)起雙向補(bǔ)償?shù)淖饔?。補(bǔ)償距離各為0.5 m，較常規(guī)的單向補(bǔ)償工具有較明顯的提高。由熱脹伸長(zhǎng)量計(jì)算可知，0.5 m的補(bǔ)償距離可以滿足100 m套管在350 ℃時(shí)的熱補(bǔ)需求。對(duì)于長(zhǎng)水平段稠油熱采防砂井，可以使用較少的熱補(bǔ)工具就能滿足熱補(bǔ)要求，減少了風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，既經(jīng)濟(jì)又可靠。

4.2 鋁制剪環(huán)代替鋼制剪釘

鋼制剪釘會(huì)造成工具受力不均現(xiàn)象，而采用鋁環(huán)結(jié)構(gòu)就可以有效解決該問(wèn)題，因?yàn)榄h(huán)狀結(jié)構(gòu)是與工具的外管和內(nèi)管在圓周方向全接觸，受力均勻，不存在局部應(yīng)力過(guò)高的問(wèn)題。如圖6所示。

由圖6可知，工作筒受熱應(yīng)力拉伸或壓縮時(shí)，其受剪環(huán)的抗剪力均分分布在圓周上；同時(shí)鋁制剪環(huán)直接用鋁棒或成型鋁管加工，不需要再進(jìn)行熱處理，保證了材料力學(xué)性能的穩(wěn)定性，雖然鋁的強(qiáng)度比合金鋼低，但剪環(huán)的剪切面積比剪釘大得多，能夠滿足實(shí)際需要的開(kāi)啟壓力及抗剪強(qiáng)度。

圖6 剪環(huán)式雙向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具受力示意

5 結(jié)論

1) 針對(duì)稠油熱采井因注蒸汽熱脹冷縮而導(dǎo)致套管損壞的情況，使用熱應(yīng)力補(bǔ)償工具是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的防套損技術(shù)手段。

2) 傳統(tǒng)的鋼制剪釘式單向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具存在應(yīng)力集中、補(bǔ)償距短、單向補(bǔ)償?shù)热毕?，不能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。改進(jìn)的鋁制剪環(huán)式雙向熱應(yīng)力補(bǔ)償工具，具有剪環(huán)受力均勻、補(bǔ)償距長(zhǎng)、雙向補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，有效克服了傳統(tǒng)熱應(yīng)力補(bǔ)償工具的缺陷。

3) 采用溫控材料作為剪環(huán)將會(huì)使熱應(yīng)力補(bǔ)償工具具備更好的使用性能，但工具的成本會(huì)相應(yīng)的提高。

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packer.Therefore，a consuming fractured packer is developed and this kind of packer contains central tube，spacing ring，centralizer，slip bow，slip，cone and burning component，and so on.This consuming fractured packer can ensure the effect of the slip.As a result of the burning component，unfreezing，heat the reservoir can be realized to reduce the viscosity of the heavy oil，enhance the heavy oil recovery and meet the requirements of the fracturing operation.

Keywords：packer；fracture；slip；exhaustive；combustion element

Research on Shear Ring Bidirectional Thermal Stress Compensation Tool for Heavy Oil Thermal Recovery Hole

ZHANG Daiming

(ShandongKeruiPetroleumEquipmentCo.，Ltd.，Dongying257000，China)

Aiming at the heavy oil thermal recovery by steam injection process that caused casing damage problem，a shear ring type bidirectional thermal stress compensation tool is developed，the principle of steam injection casing expansion and contraction deformation was effectively compensated，the release of casing thermal stress，to protect the casing.Compared with the conventional one-way shear pin type compensator，the performance of shear failure type bidirectional compensation structure is more stable and reliable，which can effectively meet the elongation during steam injection pipe string compensation，and can satisfy the stop injection pipe string shrinkage compensation.The tool has been widely used in Shengli Oilfield，and has achieved remarkable results.

viscous crude oil；casing；thermal stress；bidirectional compensation

2016-09-19 作者簡(jiǎn)介：張代明(1984-)，男，四川渠縣人，現(xiàn)主要從事井下工具的研發(fā)工作，E-mail：zdm7392131@163.com。

1001-3482(2017)02-0062-04

TE934.5

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.014