大港港西油田套管受力與修復可行性分析

任麗華,王鳳祥,竇守進,王奎升,曹小梅

(1.中油大港油田公司,天津 300280;2.北京化工大學,北京 100029)

大港港西油田套管受力與修復可行性分析

任麗華1,王鳳祥1,竇守進1,王奎升2,曹小梅1

(1.中油大港油田公司,天津 300280;2.北京化工大學,北京 100029)

目前大港油田解決套管縮徑的主要技術是機械整形擴徑技術,包括梨形脹管器和套管磨銑技術,但普遍存在著損傷套管,犧牲套管厚度,修復成功率低等缺憾。為此,對港西油田套管首次變形與再次變形受力情況分析,提出了套管縮徑力學機理,分析預測了套管修復的可行性,避免了無效作業(yè)帶來的經濟損失,提高了套管修復成功的幾率,為套管損傷井修復提供了科學的預測方法。

套管縮徑;力學機理;極限變形;首次變形;再次變形;修復位移;修復可行性;大港油田

引 言

大港油田地質情況復雜,隨著開發(fā)的逐步深入,套管損傷及變形現(xiàn)象日益嚴重,套管變形原因呈現(xiàn)多樣復雜化[1-2]。其中港西油田是大港油田套管損傷最為嚴重的地區(qū)之一[3],有一半的油水井套管存在問題。其中在冊套管損傷井 295口,占在冊井數(shù)的 42.2%;報廢套管變形井 283口,占已報廢井的 62.2%。這些套管變形井的存在給港西油田的開發(fā)帶來了意想不到的困難和嚴重的經濟損失。在 295口在冊套管損傷井中,縮徑彎曲的井有 92口,占套管損傷井總數(shù)的 31.2%,是該油田套管損傷的主要形式。目前的套修作業(yè)存在許多不確定因素,尤其是動用了大修作業(yè)隊伍,耗時 1～2個月,卻沒有修復成功,造成了人力物力的浪費。因此,尋找一種科學的套管修復預測方法是本次研究的主要目的。

1 套管的極限變形與極限載荷

本次研究采用 ANSYS有限元分析軟件,材料的本構關系取雙線性強化和理想彈塑性模型。港西油田油水井所用的套管絕大部分是 J55和N80[4],相應的材料常數(shù)為:彈性模量為 2.1× 105MPa,泊松比為 0.3。針對不同規(guī)格、不同材料和不同壁厚的 139.7 mm套管和 177.8 mm套管,采取小面積加載(單側加載面積為 400 mm2)與大面積加載(單側加載面積為 4 000 mm2)的方式,計算極限載荷和最大位移(表 1、2)。

表1 139.7mm套管計算數(shù)據(jù)

套管受地應力分布面積的不同,導致變形的形態(tài)和大小均不同,小面積受力時套管產生局部凹陷,大面積受力時套管橫截面由圓環(huán)變?yōu)闄E圓環(huán),這是 2種完全不同的失效變形形式。小面積加載的變形形式為局部塑性屈服產生的流動,而大面積加載的變形形式是在外壓下的失穩(wěn)。從表1、2可以看出,同種材料的套管隨壁厚增加,最大位移逐漸減小;小面積加載時,同種壁厚不同種材料的套管 (按 J55、N80的順序),最大位移逐漸減小;大面積加載時,同種壁厚不同種材料的套管 (按 J55、N80的順序),最大位移逐漸增加。

表2 177.8mm套管計算數(shù)據(jù)

2 套管整形復位計算

套管在首次受力變形過程中,材料會發(fā)生強化[5]。在計算過程中,通過改變材料的本構關系來模擬材料的強化。通過有限元模型,對不同鋼級、壁厚、尺寸的套管進行了計算,得出的應力云圖模擬反映了材料受壓變形的各部分的應力與變形情況。將地應力情況及相關的數(shù)據(jù)帶入到ANSYS操作界面進行錄入,得到了不同材料、不同壁厚的套管修復應力和修復位移(表 3、4)。

表 3 139.7mm套管修復計算所得數(shù)據(jù)

表 4 177.8mm套管修復計算所得數(shù)據(jù)

從表 3、4的對比結果可知,在采用相同方法整形復位時,隨著壁厚的增加所需的水平修復力相應增加;而同種壁厚,材料不同時,依 J55、N80次序,所需的水平修復力也相應增加。

以材料為 J55、壁厚為 7.72 mm的套管為例。在套管變形過程中,臨界應力的最大值為 390 MPa,超過了材料的屈服極限379MPa,套管發(fā)生了塑性變形,此時能夠產生的最大變形即為極限變形位置,為 4.116 mm。當材料的等效應力超過了屈服極限,且小于等于強度極限值 517 MPa時,屬于塑性變形階段,可以修復變形,這時若進行修復,可避免產生不可修復的強度破壞。在變形套管的修復過程中,等效應力達到設定的非線性塑性變形時,取值為 497 MPa(該值根據(jù)幾何非線性問題求解設定),材料能產生 4.165 mm的變形,即基本修復了極限變形時產生的塑性變形。此時并沒有達到強度極限值 517 MPa,套管不發(fā)生強度破壞。因此,表明修復后的套管可以繼續(xù)進行使用。

3 套管復位后再次縮頸的預測

港西油田套管變形井經過整形復位后,重新投入生產,由于地應力和其他各種因素的作用依然存在,可能再次產生二次縮徑變形。但套管在首次受力變形過程中,材料發(fā)生了強化,因此,在再次受力變形過程中材料的性質與首次變形不同。通過計算,得出了 139.7 mm套管和 177.8 mm套管首次變形與再次變形的理論極限應力、理論極限合力以及理論最大位移(表 5、6)?？梢?同種材料同種壁厚的套管,再次變形所需的極限載荷大于首次變形的極限載荷;再次變形所產生的最大位移小于首次變形產生的最大位移。

4 港西油田套管修復可行性分析

通過理論分析和計算油水井套管的極限變形、極限載荷和修復橢圓變形情況下的極限變形所能達到的最大修復位移,將港西油田 15口套管損傷井的地應力數(shù)據(jù)輸入ANSYS軟件中進行計算,得出了15口套管損傷井在現(xiàn)有工具下所能達到的最大修復位移和水平修復力。通過套管實際變形量與修復位移對比,如實際變形量小于修復位移,則套管能夠修復,反之則不能。根據(jù)該原則,分析出了 15口套管損傷井在目前工藝條件下修復的可行性 (表 7、8)。表7中這部分井實際變形量半徑均小于計算能修復的最大變形半徑,通過目前的工藝可修復。表 8中該類井的套管變形量嚴重地超過了可修復范圍,因此判斷這部分井用目前的機械整形方法不能修復[6]?？梢圆捎眠m當?shù)幕瘜W修復工藝,如爆炸整形[7-8],也可采用復合整形裝置[9-10],但目前大港油田的修復技術不具備此修復條件。

表 5 139.7mm套管首次變形和再次變形的對比結果

表 6 177.8mm套管首次變形和再次變形的對比結果

表 7 能修復的套管損傷井數(shù)據(jù)

表 8 不能修復的套管損傷井數(shù)據(jù)

以上是理論計算結果,將該結果應用于現(xiàn)場試驗。西 38-8-1井、西 12-7-1井和西新 11-8井經過修復,均恢復正常生產,提高了油田的經濟效益。其他不能修復的井暫不列入修復計劃,對已列入計劃的井重新修改井號,從而避免了無效作業(yè)帶來的經濟損失。

5 結 論

(1)139.7 mm套管和177.8 mm套管,無論是大面積加載,還是小面積加載,同種材料的套管隨壁厚的增加,最大位移逐漸減小。

(2)套管受地應力分布面積的不同,導致變形的形態(tài)和大小均不同,小面積加載的變形形式為局部的塑性屈服產生的流動,而大面積加載的變形形式是在外壓下的失穩(wěn),但不論哪種變形形式,其塑性變形的大小主要取決于套管的壁厚和套管材料的力學性能。

(3)同種材料、同種壁厚的套管,再次變形所需的極限載荷要大于首次變形的極限載荷,而再次變形所產生的最大位移要小于首次變形的最大位移。

(4)對比計算的 15口井發(fā)現(xiàn),變形量小、鋼級強及壁厚大的井易修復。

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編輯 王 昱

TE358

A

1006-6535(2010)05-0113-03

20100115;改回日期:20100610

中油大港油田公司科技創(chuàng)新項目“套變整形復位受力及復位技術研究”(20080203-5)

任麗華 (1978-),女,工程師,1997年畢業(yè)于天津市大港石油學校采油工程專業(yè),現(xiàn)從事修井工藝工作。