稠油熱采井套損防治措施及計算理論

趙旭亮

（中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010）

稠油熱采井套損防治措施及計算理論

趙旭亮

（中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010）

研究了稠油熱采井套損機理，給出了管柱提拉預應力和下入套管熱力補償器兩種套損防治措施計算理論。模擬計算表明：設置提拉預應力時，管柱需提拉的最小預應力和最小拉伸長度隨管柱溫度的升高而先升高后降低；下入套管熱應力補償器時，管柱需要的最小補償伸長量隨管柱溫度和長度的增加而增加，但增加趨勢變緩。該計算理論可用于指導熱采井套損防治的方案設計和施工作業(yè)。

稠油熱采；管柱預應力；套管熱力補償器

對于稠油常采用蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)等熱采生產(chǎn)方式。在稠油熱采過程中，若管柱溫度變化引起的熱應力或殘余應力超過套管屈服強度時，管柱產(chǎn)生塑性變形或斷裂。遼河油田稠油以熱采為主，熱采過程中套損嚴重，套損井占總井數(shù)的12.67%［1］。因此，研究稠油熱采井套損機理、防治措施及計算理論，對于解決稠油熱采井套管損壞問題具有重要意義。

1 熱采井套損機理及防治措施

稠油熱采井完井方式以套管射孔完井和篩管完井為主。對于射孔完井，套管被水泥環(huán)封固，限制了兩者之間由管柱熱脹冷縮產(chǎn)生的相對位移；對于篩管完井，完井工具（尾管懸掛器、套管外封隔器等）或地質(zhì)因素（泥巖段等）限制了篩管長度的自由變化。

當套管與水泥環(huán)粘結強度不夠或篩管完井時，管柱能夠與裸眼產(chǎn)生相對位移，若管柱在注汽過程中由于溫度升高生成壓應力超過套管壓縮屈服強度時，套管會因發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生損壞。

若套管固井質(zhì)量良好或其它完井工具錨定管柱能力足夠強，則管柱在溫度變化過程中產(chǎn)生的應力不能使管柱與裸眼產(chǎn)生相對位移。①當管柱在注汽過程中由于溫度升高生成壓應力未超過套管壓縮屈服強度，管柱在燜井降溫過程中，不會產(chǎn)生殘余應力，即套管不會發(fā)生損壞。②當管柱在注汽過程中由于溫度升高生成壓應力超過壓縮屈服強度時，管柱在燜井階段溫度降到初始溫度時，管柱由于單向累計效應會形成殘余拉伸應力，由于鮑辛格效應，隨著注汽輪次的增加，該殘余拉伸應力會越來越大，當該應力超過套管拉伸屈服強度時，套管就會發(fā)生損壞。稠油熱采井套管損壞主要是由溫度降低過程中形成的殘余應力產(chǎn)生的［2］，因此主要應從以下兩方面采取措施。

（1）設置提拉預應力。套管射孔完井主要通過設置提拉預應力，使管柱高溫時熱應力小于管柱壓縮屈服強度，防止套損現(xiàn)象的產(chǎn)生。預應力完井主要工具為地錨［3］，工作原理為：地錨在下井時連接在管柱最下端，下到井底后開泵循環(huán)，然后進行正常固井作業(yè)，當膠塞碰壓后坐到地錨上部膠塞座上，然后緩慢憋壓到設計值，剪斷銷釘，地錨膠塞座下移推動中心管和連桿組撐開雙級錨爪，使雙級錨爪嵌入井壁，然后在憋壓狀態(tài)下井口提拉預應力到設計載荷或長度后候凝，完成套管預應力完井作業(yè)。

（2）下入套管熱力補償器。篩管完井主要通過下入套管熱力補償器［4］補償管柱在溫度升高過程中產(chǎn)生的熱伸長，即可防止熱應力超過套管壓縮屈服強度引起塑性變形，又可防止燜井過程中殘余應力的形成。套管熱力補償器內(nèi)通徑設計為配合使用的套管內(nèi)通徑，外徑設計為與裸眼井徑相適應且保證環(huán)空間隙滿足固井需要。套管熱力補償器工作原理為：注汽過程中當管柱受熱產(chǎn)生的熱應力達到設計值時，剪斷安全銷釘，中心管和外管產(chǎn)生相對位移，使管柱不產(chǎn)生壓應力或?qū)簯刂圃谔坠軌嚎s屈服強度極限內(nèi)，防止熱應力損壞套管。

2 計算理論

2.1 提拉預應力

預應力完井技術需要對套管柱施加的最小預拉力和最小拉伸長度進行設計計算［5］。

套管熱伸長受水泥環(huán)約束產(chǎn)生的熱應力為：

式中：σ為套管熱應力，MPa；λ為鋼材線膨脹系數(shù)，1／℃；E為鋼材彈性模量，MPa；ΔT為管柱溫度增加值，℃。

套管柱需施加的最小預拉力為：

式中，F(xiàn)min為套管柱應施加的最小預拉力，N；σs為套管壓縮屈服強度，MPa；S為套管橫截面積，mm2。

套管柱在最小預拉力下的拉伸長度為：

式中，ΔLmin為套管柱最小拉伸長度，mm；L為管柱長度，mm。

2.2 下入套管熱力補償器

下入套管熱力補償器前，需要對套管熱應力補償器補償能力和補償后管柱熱應力進行設計計算。

溫度變化使管柱產(chǎn)生的伸長量為：

式中，ΔL為溫度效應引起的管柱伸長量，mm。

套管熱應力補償器需要的最小補償能力為：

式中，Lmin為套管熱應力補償器需要的最小補償能力，mm。

等效溫度定義為將套管熱力補償器的補償能力轉(zhuǎn)換為管柱溫度變化后，將管柱初始溫度修正后得到的溫度。

式中，T1為管柱初始溫度，℃；T1′為管柱補償后的等效初始溫度，℃。

下入套管熱應力補償器后，溫度變化使管柱產(chǎn)生的熱應力為：

式中，F(xiàn)為溫度效應引起的管柱軸向熱應力，N；A為管柱的橫截面積，mm2；T2為管柱注汽時最高溫度，℃。

由式（1）～（7）可知，上述計算理論與套管屈服強度、彈性模量及線膨脹系數(shù)密切相關，而這些參數(shù)又隨溫度的變化而變化。

3 計算實例

3.1 提拉預應力

以7"套管（鋼級N80，壁厚9.19mm，管柱長度500m，管柱初始溫度20℃）為研究對象，采用上述理論進行模擬計算。管柱熱應力計算結果見圖1，可見管柱熱應力隨管柱溫度升高先增加后降低，在管柱溫度為300℃達到最大值1148.3kN。管柱最小拉伸力和最小拉伸長度計算結果見圖2，當管柱溫度小于200℃時，由于管柱熱應力小于套管壓縮屈服強度，不需要對管柱提拉預應力；當管柱溫度達到300℃時，管柱需要提拉最小預應力和最小拉伸長度達到最大值。在實際拉伸預應力作業(yè)過程中，須保證整個作業(yè)過程不能產(chǎn)生套損現(xiàn)象，因此若設計注汽溫度為350℃時也應該按300℃工況進行設計計算。

圖1 管柱熱應力計算結果

圖2 預應力完井計算結果

3.2 下入套管熱力補償器

以7"套管（鋼級N80，壁厚9.19 mm，管柱長度100～400 m，管柱初始溫度20℃）為對象，采用上述理論進行模擬計算，計算結果見圖3和圖4。由圖可知，管柱自由伸長量隨管柱溫度和長度的增加而增加，但增加趨勢變緩。長度為100 m、200 m、300 m和400 m管柱在350℃時自由伸長量分別為775 mm、1 550 mm、2 325 mm和3 101 mm，需要下入補償器的最小補償伸長量分別為438 mm、876 mm、1 314 mm和1 753 mm。

圖3 管柱自由伸長量計算結果

圖4 補償器補償能力計算結果

4 結論

本文在研究稠油熱采井套管損壞機理的基礎上，考慮管柱溫度影響，給出了提拉預應力和下入套管熱應力補償器兩種套損防治措施的設計計算理論，并進行了模擬計算，計算結果表明：

（1）當采用提拉預應力套損防治措施時，管柱需要的提拉最小預應力和最小拉伸長度隨管柱溫度先升高后降低，在實際設計計算過程中須保證整個作業(yè)過程不能產(chǎn)生套損現(xiàn)象。

（2）當采用下入套管熱應力補償器套損防治措施時，管柱最小補償伸長量隨管柱溫度和長度的增加而增加，但增加趨勢變緩。

［1］ 余雷，薄岷.遼河油田熱采井套損防治新技術［J］.石油勘探與開發(fā)，2005，32（1）：116－118.

［2］ 孫凱，李黔，聶海光.熱采井套管殘余應力計算新方法［J］.石油礦物機械，2008，37（12）：48－51.

［3］ 呂瑞典.油氣開采井下作業(yè)及工具［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008：105－112.

［4］ 孫迎春.熱應力補償器在超稠油開發(fā)中的應用［J］.特種油氣藏，2002，9（6）：51－53.

［5］ SY／T 5729－1995.稠油熱采井固井作業(yè)規(guī)程［S］.1995.

［6］ 王會兆，馬兆忠.熱采井溫度對套管性能的影響及預應力值計算方法［J］.鋼管，2007，36（8）：24－27.

According to the study of heavy oil thermal recovery casing damage mechanism，two casing damage prevention computation theory of pipe string pulling up prestress and casing thermal compensator are made.Simulation results show that：when set pulling up prestress，the minimum pulling prestressed needed for pulling pipe string and minimum tensile length increased firstly，then decreased with the increasing of pipe string temperature；when using the casing thermal stress compensator，the required minimum compensation increased with the increasing of pipe string temperature and length，but the increasing tends slow.The computation theory can be used to guide the thermal recovery wells casing damage prevention design and construction work.

122Heavy oil thermal recovery casing damage prevention measures and computation theory

Zhao Xuliang（Drilling and Production Technology Institute of Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010）

Heavy oil thermal recovery；pipe string prestress；casing thermal compensator

TE358

A

1673－8217（2012）04－0122－03

2012－02－21

趙旭亮，工程師，1981年生，2009年畢業(yè)于東北大學，獲工學博士學位，現(xiàn)從事井下工具設計研究工作。

李金華