王建軍，楊尚諭，紀海濤，韓禮紅，田志華，王 航

(1.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.渤海能克鉆桿有限公司 河北 滄州 062650； 3.中國石油新疆油田公司工程技術研究院 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

在蒸汽熱采作業(yè)方式下，稠油井套損日益嚴重，以新疆油田為例，稠油熱采井總體套損率超過20%，局部區(qū)塊發(fā)生了大面積套損[1]。例如，百重七區(qū)自2000年投入開發(fā)，至2005年底套損率達到30%，而2001年前投入的開發(fā)井中，套損率達到70%；六東區(qū)從2000年至今，約600口井六輪吞吐后，370口井發(fā)生了套損，不能正常生產，套損率達61%。遼河油田部分稠油區(qū)塊套損率已達40%以上[2]。針對稠油熱采井套管普遍損壞現象，國內外研究機構和寶鋼、天鋼、泰納瑞斯、曼內斯曼等國內外套管生產廠家通過深入研究熱采井溫度對套管性能的影響以及套損機理[3-4]，開發(fā)了一系列耐熱套管，如BG80H、TP90H、TN80H、VM80H等[5-6]，主要是對材料成分進行了改進，添加了Cr、Mo等微量合金元素，提高套管抗高溫強度，但經現場應用后仍有套損發(fā)生[7-8]。因此為解決稠油熱采井不斷出現的套管損壞現象，首先選擇適用的套管下井至關重要。針對目前稠油熱采井常用的Φ177.80 mm×8.05 mm N80、N80H、T90H、TG80H4種鋼級套管，首先通過材料試驗獲得材料均勻延伸率和蠕變本構模型，結合建立的全井筒有限元模型，提出基于套管柱應變時域性規(guī)律優(yōu)選熱采套管。

1 套管材料試驗

在Φ177.80 mm×8.05 mm N80、N80H、T90H、TG80H 4種鋼級套管管體取縱向試樣，按照SY/T 5724—2008《套管柱結構與強度設計》標準規(guī)定分別進行室溫和280 ℃拉伸試驗，試驗獲得4種套管的均勻延伸率，試驗結果見表1所示。

表1 均勻延伸率試驗結果 %

對N80、N80H、T90H、TG80H 4種鋼級套管管體按照GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》標準，在Instron高溫蠕變試驗機上進行拉應力下的蠕變試驗，試驗溫度280 ℃，分別施加468、495、525、550 MPa共4個應力進行試驗，測量蠕變變形，并計算穩(wěn)態(tài)蠕變速率[9]，最后采用冪率蠕變指數函數關系[10]進行數據擬合，可得到如下四種鋼級的蠕變本構關系：

1)N80鋼級套管蠕變本構模型

(1)

2)N80H鋼級套管蠕變本構模型

(2)

3)T90H鋼級套管蠕變本構模型

(3)

4)TG80H鋼級套管蠕變本構模型

(4)

2 數值模型建立

以西部油田HD001熱采定向井為原型，其井眼軌跡見表2，建立套管-水泥環(huán)-地層全井筒平面有限元模型，如圖1所示。有限元模型中套管采用Φ177.80 mm×8.05 mm N80/N80H/T90H/TG80H套管，水泥環(huán)厚度32 mm，地層厚度100 m。有限元模型為對稱模型，單元類型采用Plane82，模型分析中考慮了造斜段的彎曲應力，所以在直井段和穩(wěn)斜段采用四邊形單元劃分，而在造斜段采用三角形單元劃分，總計單元數為3 127個。

表2 HD001定向井井眼軌跡

圖1 定向井(套管-水泥環(huán)-地層)模型

套管柱應變數值分析中需要的蠕變本構關系采用公式(1)～公式(4)。在280 ℃時，4種套管材料的本構關系如圖2所示。

文中計算考慮了溫度的影響，套管-水泥環(huán)的彈性模量、線膨脹系數等都會發(fā)生改變，具體材料參數見表3所示。

圖2 280 ℃下不同材質套管管體真實應力-應變曲線

表3 井筒各部分材料物理特性

3 數值計算結果

為確定高溫280 ℃以及更高溫度下熱采井套管柱應變變化規(guī)律，按照上述工況和模型，對尺寸規(guī)格為Φ177.80 mm×8.05 mm的N80、N80H、T90H、TG80H共4種套管，分別進行靜載荷(僅考慮溫度，不考慮蠕變)和蠕變(考慮溫度+蠕變)影響下的套管柱力學行為分析。

在280 ℃高溫作用下，考慮套管柱、水泥環(huán)和地層之間的耦合影響，并考慮套管材料本構關系(圖2)，利用ANSYS軟件計算定向井套管柱應變狀態(tài)(靜載荷應變)，4種套管在不同井深處的應變數據見表4。

在上述計算的基礎上，增加蠕變本構關系[公式(1)～公式(4)]，利用ANSYS軟件重新計算，計算3 d后的套管柱蠕變應變(包括上述靜載荷應變)，結果見表4。

對比表4中所示的數據，發(fā)現考慮蠕變影響后套管柱應變量顯著增加。在280 ℃時，蠕變時間3 d時N80、N80H、T90H、TG80H套管最大蠕變應變分別為0.407%、0.389%、0.385%、0.354%，分別比靜載下應變增加0.119%、0.101%、0.097%、0.063%；蠕變使總應變增幅較大，尤其以N80套管增幅最大。

表4 280 ℃下3 d后套管柱應變值對比表 %

4 套管柱應變時域性規(guī)律

由于熱采井高溫注汽、燜井以及生產過程中，套管柱長時間承受高溫的影響，因此，必須掌握高溫影響下套管柱應變隨時間的變化規(guī)律，分析套管柱應變的累積效應和增幅，以便于優(yōu)選套管。

依據表4中的數據繪制280℃下3 d后套管柱蠕變應變曲線，如圖3所示。根據圖3可知，同一時間、同一溫度下、位于同一井深處4種套管的應變值大小順序為：TG80H

在套管柱設計中，重點的是最危險位置是否安全，因此下面分析套管最大應變隨時間的變化規(guī)律。由于套管節(jié)點處的應變值隨著井深的增加而增大，于是取套管距井口為500 m處節(jié)點的應變值進行分析，分別計算10 a內套管柱蠕變應變的變化，結果如圖4所示。當蠕變時間為10 a時，對照表1中4種套管材質的室溫和高溫均勻延伸率，比較結果見表5。

圖3 280 ℃下3 d后套管柱蠕變應變曲線

圖4 280 ℃下500 m處套管柱10 a內蠕變應變曲線

表5 10 a后套管柱變形量比較

由表5可知，10 a后N80套管變形量已超出其均勻延伸率，結合圖4可判斷出N80套管在運行5 a后其變形量已達到其均勻延伸率，未到達規(guī)定的最低設計壽命，而且N80套管應變增加速度和幅度明顯高出其他3種套管，證實API標準的N80套管不適用稠油熱采工況。

結合圖4可判斷出N80H套管在運行9 a后其變形量已達到其均勻延伸率；10 a后T90H套管變形量處于安全臨界點，而TG80H套管變形量仍有安全富余量。雖然N80H、T90H、TG80H套管材質均屬于耐熱材料，在不同程度地適用于熱采井，但從管柱累積變形量、增長幅度以及長期運行安全角度上考慮，3種套管對稠油熱采井工況的適用性強弱為：N80H

5 結 論

1)對N80、N80H、T90H、TG80H套管柱的應變分析，獲知隨蒸汽吞吐輪次的增加，套管柱的變形不斷增加，直至套管損壞。

2)對比套管柱累計應變和均勻延伸率，發(fā)現API標準N80套管不適用稠油熱采工況，其他三種套管對稠油熱采井工況的適用性強弱為：N80H

3)根據獲得的套管柱應變時域性規(guī)律，可對套管進行優(yōu)選，達到降本增效的作用，并且可獲得套管柱在高溫下的安全服役年限，指導稠油熱采井管柱設計。