于法浩，蔣召平，白健華，劉義剛，孟祥海

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459)

對(duì)于渤海油田黏度大于350 mPa·s的地下稠油，注入熱流體是行之有效的開(kāi)采方式，但注入的高溫?zé)崃黧w在降低稠油黏度、提高稠油產(chǎn)量的同時(shí)，也使井下防砂篩管的完整性面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，渤海油田的5口蒸汽吞吐水平井在第一輪次蒸汽吞吐過(guò)程中就出現(xiàn)了出砂現(xiàn)象，產(chǎn)出液中含有大量地層砂和充填的陶粒，其中1#井和2#井大修作業(yè)時(shí)起出篩管的孔眼處存在明顯的塑性變形。由此可見(jiàn)，高溫蒸汽造成防砂篩管被破壞，導(dǎo)致防砂失效。目前，渤海油田熱采水平井防砂篩管選型參考的耐溫能力主要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法獲得[4-6]：1)室內(nèi)試驗(yàn)法是將整個(gè)防砂篩管裹上電加熱帶或?qū)⒑Y管切片放入高溫釜中，持續(xù)升溫至防砂篩管發(fā)生屈服破壞，用此溫度表征防砂篩管的耐溫能力；2)數(shù)值模擬方法是基于熱-固耦合理論，利用有限元軟件模擬高溫下防砂篩管的破壞情況。由于這2種方法均未考慮井況的影響，求得的耐溫能力可能比較高，導(dǎo)致?lián)诉x擇的防砂篩管不能適應(yīng)井下高溫環(huán)境，這也是該油田熱采水平井防砂篩管破壞的根本原因。因此，筆者以實(shí)際井眼中的防砂篩管為研究對(duì)象，同時(shí)考慮彎曲應(yīng)力與熱應(yīng)力對(duì)防砂篩管耐溫能力的影響，計(jì)算了渤海油田熱采井常用防砂篩管在實(shí)際井況下的耐溫能力。實(shí)例驗(yàn)證表明，同時(shí)考慮彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下計(jì)算出的篩管耐溫能力更能反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可以指導(dǎo)防砂篩管選型。

1 實(shí)際井眼中防砂篩管彎曲狀態(tài)描述

稠油熱采時(shí)，為了增加地層的受熱面積、提高單井產(chǎn)量，往往將熱采井設(shè)計(jì)為水平井。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，由于地層存在非均質(zhì)性，導(dǎo)致水平段的井斜角、方位角、垂深等井眼參數(shù)不斷變化，最終形成三維彎曲井眼[7]。下入防砂篩管后，受井眼的約束也將處于彎曲狀態(tài)，更有甚者，在井眼曲率較大或防砂篩管與井壁間摩阻力較大的情況下，防砂篩管可能發(fā)生屈曲變形。據(jù)統(tǒng)計(jì)，渤海油田熱采水平井常用星孔、金屬網(wǎng)布和橋式復(fù)合防砂篩管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3種防砂篩管的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 3 types sand control screen liner

下面以下入3種防砂篩管的熱采水平井為例，根據(jù)管柱力學(xué)理論[8-9]，利用篩管的結(jié)構(gòu)參數(shù)(鋼級(jí)和內(nèi)、外徑)及下入井段的狗腿嚴(yán)重度計(jì)算了井下防砂篩管所受的彎曲應(yīng)力、最小三軸安全系數(shù)及發(fā)生屈曲時(shí)的狗腿嚴(yán)重度，結(jié)果見(jiàn)表1?？紤]到優(yōu)質(zhì)篩管濾網(wǎng)層的強(qiáng)度和抗變形能力較基管大，選擇基管為研究對(duì)象。

表1 防砂篩管在實(shí)際井眼中的狀態(tài)Table 1 State of sand control screen liner in actual wellbore

由表1可知：1)對(duì)于不同尺寸井眼與防砂篩管的匹配，在目前井眼軌跡控制水平下，熱采井水平段幾乎不存在使防砂篩管處于屈曲狀態(tài)的狗腿嚴(yán)重度。因此，入井后的防砂篩管不會(huì)發(fā)生屈曲變形，而是處于彎曲狀態(tài)；2)雖然井眼的彎曲程度不足以使防砂篩管發(fā)生屈服破壞(最小三軸安全系數(shù)均大于1.25)，但會(huì)使篩管承受幾十或上百兆帕的彎曲應(yīng)力，并與注熱引起的熱應(yīng)力共同影響防砂篩管的穩(wěn)定性。

2 彎曲狀態(tài)下防砂篩管耐溫能力計(jì)算

熱采水平井注蒸汽時(shí)，井下防砂篩管除承受彎曲應(yīng)力外，還要承受由高溫引起的熱應(yīng)力作用，當(dāng)某一溫度下防砂篩管受力超過(guò)自身的屈服強(qiáng)度時(shí)，防砂篩管便發(fā)生屈服破壞，將此溫度定義為防砂篩管的耐溫能力。為了確定彎曲狀態(tài)下防砂篩管的耐溫能力，需要計(jì)算防砂篩管在高溫下所受的熱應(yīng)力。

2.1 注熱時(shí)防砂篩管熱應(yīng)力數(shù)值模擬

渤海油田熱采水平井采用“裸眼礫石充填+優(yōu)質(zhì)防砂篩管”的完井方式。注高溫?zé)崃黧w時(shí)，軸向上因配有熱補(bǔ)償器，防砂篩管可以自由膨脹而不受熱應(yīng)力作用，但在徑向上，由于膨脹受到礫石層和地層的限制而產(chǎn)生熱應(yīng)力。計(jì)算熱應(yīng)力時(shí)，考慮到防砂篩管濾網(wǎng)層的熱穩(wěn)定性較基管大，選取基管為研究對(duì)象。同時(shí)，鑒于基管上分布有多個(gè)孔眼，結(jié)構(gòu)特殊，現(xiàn)有套管熱應(yīng)力解析模型[10-11]無(wú)法真實(shí)反映其熱應(yīng)力的分布情況，故選擇采用數(shù)值模擬方法[12-14]計(jì)算防砂篩管的熱應(yīng)力。數(shù)值模擬時(shí)的假設(shè)條件為：

1) 防砂篩管在井眼中居中，防砂篩管與井壁之間的環(huán)空充滿(mǎn)了礫石；

2) 注熱流體時(shí)，防砂篩管內(nèi)壁的溫度保持一致，內(nèi)壁到外壁的傳熱方式只有熱傳導(dǎo)，且忽略注入熱流體與基管的化學(xué)反應(yīng)；

3) 建立幾何模型時(shí)，考慮到防砂篩管徑向尺寸，尤其是孔眼直徑與軸向尺寸相差較大，容易導(dǎo)致劃分的網(wǎng)格單元畸變，同時(shí)由于熱應(yīng)力僅在徑向上產(chǎn)生，建立模型時(shí)對(duì)軸向尺寸進(jìn)行了縮短；

4) 防砂篩管基管材料的彈性模量、線(xiàn)膨脹系數(shù)等物性參數(shù)參與熱應(yīng)力計(jì)算，考慮其隨溫度的變化[15-16]。

根據(jù)以上假設(shè)，利用Comsol Multiphysics有限元軟件中的熱-固耦合模塊對(duì)防砂篩管熱應(yīng)力進(jìn)行模擬。模擬時(shí)建立三維基管模型；同時(shí)，由于基管整體結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，選取1/4模型作為分析對(duì)象，以減小計(jì)算量。模擬基礎(chǔ)參數(shù)取自渤海油田4#井注熱施工設(shè)計(jì)，該井防砂篩管的基管采用螺旋布孔方式，布孔相位角為40°，母線(xiàn)孔距為101.6 mm，孔眼直徑為10.0 mm；基管材料為HS100H鋼，泊松比為0.26，密度為7 800 kg/m3，比熱容為450 J/(kg·℃)，240 ℃時(shí)的屈服強(qiáng)度為770 MPa，不同溫度下的彈性模型和線(xiàn)膨脹系數(shù)如圖2所示。建立軸向尺寸為50.8 mm的基管幾何模型(見(jiàn)圖3(a))，定義基管內(nèi)壁為溫度邊界，注熱流體時(shí)井底溫度為240 ℃。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于孔眼周?chē)膱A形區(qū)域，采用六面體網(wǎng)格可以獲得較高的精度(見(jiàn)圖3(b))，共劃分2 230個(gè)網(wǎng)格單元，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3(c)。

圖2 HS100H鋼在不同溫度下的物性參數(shù)Fig.2 Physical parameters of grade HS100H steel under different temperatures

圖3 HS100H鋼防砂篩管熱應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Numerical simulation results of thermal stress of grade HS100H steel sand control screen liner

從圖3(c)可以看出：1)防砂篩管基管孔眼處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，受到的熱應(yīng)力最大，注熱流體時(shí)的井底溫度為240 ℃，HS100H鋼級(jí)防砂篩管受到的熱應(yīng)力達(dá)到了482 MPa，由于HS100H鋼具有較高的熱穩(wěn)定性，熱應(yīng)力仍低于防砂篩管屈服強(qiáng)度(770 MPa)，防砂篩管不發(fā)生破壞；2)注熱流體時(shí)，防砂篩管因徑向不能自由膨脹而承受周向受壓、軸向受拉的熱應(yīng)力作用，并且周向上的熱應(yīng)力較軸向大。

2.2 彎曲應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用下防砂篩管耐溫能力的確定

以上研究表明，在單一彎曲應(yīng)力或熱應(yīng)力作用下防砂篩管不會(huì)發(fā)生破壞。在注熱流體過(guò)程中，防砂篩管會(huì)同時(shí)承受彎曲應(yīng)力與熱應(yīng)力的作用，兩者對(duì)于防砂篩管的破壞是相互協(xié)同還是相互制約，需要進(jìn)一步分析。與防砂篩管基管相比，防砂篩管孔眼處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最容易發(fā)生破壞，分析時(shí)以孔眼為研究對(duì)象。

當(dāng)防砂篩管向下彎曲(見(jiàn)圖4(a))時(shí)，彎矩會(huì)使防砂篩管基管外壁孔眼在軸向上受拉，在周向上受壓，表現(xiàn)為孔眼由圓形變?yōu)闄E圓形。同時(shí)，注熱流體時(shí)因防砂篩管徑向膨脹受到限制而產(chǎn)生熱應(yīng)力，也會(huì)使防砂篩管基管孔眼在軸向上受拉、在周向上受壓(見(jiàn)圖4(b)。由此可見(jiàn)，彎曲應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用會(huì)加快防砂篩管的破壞，即考慮彎曲應(yīng)力防砂篩管的耐溫能力會(huì)降低。

圖4 防砂篩管孔眼處的受力分析Fig.4 Stress analysis at the eyehole of sand control screen liner

以渤海油田4#熱采水平井為例，說(shuō)明彎曲應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用下防砂篩管耐溫能力的確定過(guò)程：1)計(jì)算防砂篩管下入后所受最大彎曲應(yīng)力,該井防砂篩管下入段最大狗腿嚴(yán)重度為4.78°/30m，計(jì)算出其所受最大彎曲應(yīng)力為147.6 MPa；2)計(jì)算不同溫度下防砂篩管所受的熱應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)圖5；3)考慮溫度對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度的影響；4)考慮鉆孔對(duì)基管屈服強(qiáng)度的影響[17]；5)以超過(guò)基管屈服強(qiáng)度作為其發(fā)生破壞的臨界條件，得出彎曲應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用下防砂篩管的耐溫能力，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 4#熱采井彎曲應(yīng)力作用下防砂篩管的耐溫能力Fig.5 The temperature resistance capacity of sand control screen liner under bending stress in 4# thermal recovery well

從圖5可以看出：1)考慮彎曲應(yīng)力時(shí)防砂篩管的耐溫能力與未考慮彎曲應(yīng)力時(shí)相比降低了50 ℃，說(shuō)明在井眼中處于彎曲狀態(tài)下的防砂篩管更容易發(fā)生熱破壞；2)只考慮溫度計(jì)算出的防砂篩管的耐溫能力比實(shí)際井況下防砂篩管能承受的極限溫度高。

3 實(shí)例驗(yàn)證與分析

以渤海油田6口稠油熱采井為例,驗(yàn)證同時(shí)考慮彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力確定的防砂篩管耐溫能力是否可行及計(jì)算結(jié)果能否指導(dǎo)防砂篩管選型。6口熱采井均采用“裸眼礫石充填+優(yōu)質(zhì)防砂篩管”的完井方式，但所使用防砂篩管的類(lèi)型不盡相同。1#—5#熱采井采用多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)，6#采用蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)，注熱時(shí)井底溫度存在差異。6口井使用防砂篩管的參數(shù)及出砂情況見(jiàn)表2，采用前述計(jì)算方法計(jì)算防砂篩管的耐溫能力，結(jié)果見(jiàn)圖6。

表2 6口熱采井防砂篩管的參數(shù)及出砂情況Table 2 Parameters and sand production of sand control screen liners in 6 thermal recovery wells

圖6 6口井熱采井防砂篩管的耐溫能力與井底溫度對(duì)比Fig.6 Comparison of temperature resistance capacity of sand control screen liner and bottom-hole temperature in 6 thermal recovery wells

由表2和圖6可知：彎曲應(yīng)力會(huì)使防砂篩管的耐溫能力降低。對(duì)于1#和2#熱采井，考慮彎曲應(yīng)力影響計(jì)算出的防砂篩管耐溫能力均低于注熱時(shí)的井底溫度，說(shuō)明防砂篩管會(huì)發(fā)生破壞；未考慮彎曲應(yīng)力影響計(jì)算出的防砂篩管耐溫能力均高于井底溫度，說(shuō)明防砂篩管將保持較好的完整性，但從這2口井的實(shí)際出砂情況及孔眼的塑性變形看防砂篩管發(fā)生了破壞。對(duì)于3#—6#熱采井，由于防砂篩管使用的鋼級(jí)較高，考慮彎曲應(yīng)力計(jì)算出的防砂篩管的耐溫能力仍然高于井底溫度，而3#—6#熱采井經(jīng)歷幾個(gè)注熱輪次后未出現(xiàn)出砂現(xiàn)象，說(shuō)明防砂篩管未被破壞。以上分析可知，考慮彎曲應(yīng)力影響計(jì)算出的耐溫能力更能反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可靠性較高。

為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)選擇防砂篩管，筆者按照前述計(jì)算方法計(jì)算了星孔、金屬網(wǎng)布和橋式復(fù)合3種防砂篩管單位狗腿嚴(yán)重度下的耐溫能力降低幅度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同類(lèi)型防砂篩管單位狗腿嚴(yán)重度下耐溫能力的降低幅度

由表3可知：1)單位狗腿嚴(yán)重度會(huì)使3種防砂篩管的耐溫能力降低6～16 ℃；2)鋼級(jí)越高，彎曲應(yīng)力對(duì)防砂篩管耐溫能力的影響越小，與防砂篩管尺寸相比，鋼級(jí)對(duì)防砂篩管耐溫能力的影響更大，因此熱采井選擇防砂篩管時(shí)，應(yīng)先考慮鋼級(jí)；3)雖然星孔防砂篩管單位狗腿嚴(yán)重度下耐溫能力的降低幅度較金屬網(wǎng)布防砂篩管和橋式復(fù)合防砂篩管小，但星孔防砂篩管采用的是紐扣裝配結(jié)構(gòu)，基管孔眼的塑性變形易導(dǎo)致紐扣掉落造成防砂失效。綜合考慮，TP110H、BG110H鋼級(jí)的金屬網(wǎng)布和橋式復(fù)合防砂篩管在熱采井中更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

1) 以渤海油田實(shí)際井眼中的防砂篩管為研究對(duì)象，同時(shí)考慮彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力計(jì)算了該油田熱采水平井防砂篩管的耐溫能力。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)對(duì)比表明，同時(shí)考慮彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力計(jì)算出的防砂篩管耐溫能力更符合實(shí)際，指導(dǎo)熱采水平井防砂篩管選型更可靠。

2) 彎曲應(yīng)力對(duì)防砂篩管耐溫能力的影響較大，不考慮彎曲應(yīng)力影響計(jì)算出的防砂篩管耐溫能力比防砂篩管實(shí)際的耐溫能力高。為降低彎曲應(yīng)力對(duì)防砂篩管耐溫能力的影響，建議在防砂管柱中加裝扶正器。

3) 鋼級(jí)對(duì)熱采水平井防砂篩管耐溫能力的影響比尺寸的影響大，因此熱采井水平井選擇防砂篩管應(yīng)優(yōu)先考慮鋼級(jí)，但同時(shí)要考慮防砂篩管的結(jié)構(gòu)是否容易被破壞。

4) 在實(shí)際井況條件下，除彎曲應(yīng)力外，熱力補(bǔ)償器的位置、礫石充填的密實(shí)程度、砂埋引起的防砂管柱變形受限等因素也會(huì)影響防砂篩管的熱穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步研究這些因素對(duì)防砂篩管耐溫能力的影響程度。