新型充填式套管補償器研制與應用

劉永順，董建國，伊西峰，呂 瑋，孫 騫

（勝利油田 采油工藝研究院，山東 東營257000） ①

與水平井套管射孔完井相比，水平井裸眼防砂完井［1］提高了油井的完善程度，降低了完井成本，特別是由于其注汽壓力低、吸氣能力強、產液能力大、熱能利用率高，在稠油油藏中進行了大規(guī)模應用。自2006年以來，該技術在勝利油田應用了1 000多口井，其中絕大多是熱采水平井。但是，該技術在草橋油田草27塊應用時，多口井出現了篩管斷裂問題，嚴重制約了這一技術的推廣應用。為此，對該區(qū)塊套損原因進行了分析，并研制出了一種有效的補償手段。

1 草27塊套損原因分析［2－8］

1） 該區(qū)塊采用整體水平井開發(fā)，水平段長度200m，間距200m。TP110H套管不同溫差和長度下對應的套管柱伸長量如表1所示，可以看出：在320℃的注汽溫度下，套管伸長量達0.768m。

2） 該儲層巖性主要為礫狀、含礫不等粒砂巖，油質膠結，且膠結松散；鉆井時軌跡控制困難，井眼擴大嚴重。

3） 在注汽過程中，油質膠接結構破壞，地層吐砂嚴重，即使鉆井時留下足夠長度口袋，但口袋很容易被松散的膠結物埋死，構成底部約束。

因此，注汽過程中強大的熱應力使得套管伸長量無法釋放，彎曲變形，在井眼不規(guī)則處（例如井徑擴大處）發(fā)生軸向失穩(wěn)，導致屈曲破壞。

表1 TP110H套管不同溫差和長度下對應的套管柱伸長量 m

前期在篩管段增加了位移補償器，初步設計60～80m均布，并選擇在井徑較大的位置附近布置，但由于下入過程遇阻，銷釘提前被剪斷，失去了補償作用，實施效果不理想。

為此，研制了一種新型的充填式套管補償器，有效改善了管柱受熱膨脹導致的套損問題。

2 充填式補償器的研制

目前，現場應用的是剪切式套管熱應力補償器［9］，通過補償器上的剪釘來控制補償動作，即當管柱受熱應力發(fā)生軸向位移時，補償器剪釘斷開，工具補償部位收縮實現補償功能。但在現場試驗中發(fā)現：部分水平井鉆井過程中井徑處理不規(guī)則，管柱在下入過程中有遇阻現象，而強行下鉆時管柱上產生的作用力可能將管串中的補償器銷釘剪斷而使其提前動作，失去補償作用。通過反復分析論證，設計了一種新型溫控式套管補償器。設計方案為通過溫控材料來控制補償動作，即在管柱下入過程及注汽生產前補償器保持穩(wěn)定；而在注氣過程有熱應力產生時溫控材料熔化，補償部位失去束縛進行位移補償，以保護套管不發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.1 工具結構

溫控式套管補償器主要由上接頭、外筒、溫控材料、中心管組成，其結構組成如圖1。

圖1 溫控式套管補償器結構

2.2 工作原理

熱采水平井注氣時，水平段管柱受熱而使管串中補償器內部溫度上升，溫度超過80℃后，內部的溫控材料熔化，補償器內筒和中心管之間所受約束力消失。當水平段管柱受熱膨脹而發(fā)生軸向位移時，補償器進行軸向位移補償，釋放管柱產生的熱應力，從而使水平段管柱保持穩(wěn)定，防止發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3 性能特點

1） 工具結構上無剪釘，結構簡單，裝配方便。

2） 創(chuàng)新性提出通過溫度控制溫控材料的形狀來控制補償器是否進行位移補償。

3） 補償器在管柱下入過程中不會發(fā)生提前補償。

3 材料優(yōu)選與室內試驗

3.1 溫控材料優(yōu)選

3.1.1 石蠟、松香、聚氯乙烯材料的試驗

經過對相關資料的查詢和對比，尤其是材料熔點和充填可行性的篩選，初步選擇石蠟、松香和聚氯乙烯3種物質作為溫控材料，并展開試驗研究。為了了解3種材料的熔化點，對其分別進行加溫試驗。將3種材料至于透明燒杯中，分別放置于烘箱內加熱，觀察它們在不同溫度下形態(tài)的變化，具體試驗數據如表2。

表2 溫控材料熔化溫度試驗數據

由試驗數據可以看出：聚氯乙烯從固態(tài)直接氣化，而且所需溫度太高，首先被淘汰；對于石蠟，其熔化溫度過低，較低溫度下就開始軟化，會使補償器提前解除約束力，不是理想溫控材料；相比之下，松香的溫度條件比較符合要求，是可以考慮進行充填使用的材料。但松香沒有固定的熔點，熔化溫度范圍較寬。

3.1.2 低熔點合金的試驗

在重新搜索中，發(fā)現低熔點合金是適合的溫控材料。低熔點合金為一種特制的多元共晶金屬，熔點通常在150℃以下，熔化范圍較精確，凝固后可馬上投入生產使用，且熱膨脹系數相當低，而且其產品已經成熟化、系列化，材料可選則的范圍較廣。

根據現場應用要求的需要，選取標定80℃熔化的低熔點合金進行材料試驗，并對其進行加溫試驗。將低熔點合金置于透明燒杯中，置入烘箱內加熱至80℃，經過觀察，在80.5℃開始熔化，熔點較為穩(wěn)定，誤差在1℃以內，熔化溫度條件符合要求。

溫控材料不僅需要在溫度選擇方面符合要求，還需要在管柱下入過程中承受較大的作用力而不被破壞。因此，在溫度試驗的基礎上，又進一步開展了溫控材料的強度評價試驗。為了模擬補償器的受力情況，制作了溫控補償器的模擬試樣來檢驗材料的強度，如圖2所示。

圖2 補償器小樣示意

將低熔點合金置于補償器小樣中，用額定壓力為30kN的千斤頂向充填部位的材料施加壓力，期間材料未被擠出。為了取得更嚴謹的試驗數據，將充填好低熔點合金的小樣置于整機試驗裝置上進行強度試驗，控制壓力設備均勻向補償器小樣施加壓力110kN，小樣中的補償件在向下運動1.2cm后不再發(fā)生位移，低熔點合金未從充填空間被擠出。

通過對試驗小樣進行分析，認為補償器小樣在整機試驗裝置上產生位移的原因主要是因為低熔點合金材料在充填空間內未被充實所致，當其完全充實后，是可以承受較大壓力的。

對補償器小樣的受力情況進行計算，折算到溫控式熱力補償器可承受的壓力≥633kN。通過將試驗數據進行對比折算，可得溫控式熱力補償器可承受的壓力＞600kN，完全符合現場施工要求。

3.2 抗壓強度中間試驗

試驗工具：溫控式熱力補償器；試驗設備：試驗室大型拉壓試驗架；試驗介質：清水；試驗溫度：常溫。

如圖3所示，在大型拉壓架上連接好設備和工具。啟動拉壓試驗架，緩慢推動拉桿，向補償器施加壓力，檢驗內部溫控材料抗壓能力。加壓至600 kN，經過觀察，補償器未發(fā)生動作，溫控材料沒有被破壞。重復以上抗壓強度試驗3次，補償器均未發(fā)生位移。

圖3 溫控式套管補償器抗壓強度試驗示意

溫控式套管補償器在承受600kN的壓力載荷時不發(fā)生補償位移，說明其抗壓能力符合下井要求，不會因管柱入井過程中受到沖擊而提前補償，滿足了熱采水平井注汽時軸向穩(wěn)定的需要。

3 現場應用情況

自2010-10以來，熱采水平井溫控式套管熱應力補償器已經在現場推廣應用83井次、132套，施工成功率100%。現場應用證明：該補償器能夠有效地保護完井管柱，提高了熱采水平井裸眼防砂完井施工的成功率，使套損井占篩管完井水平井的比例由6.6%降至0.8%。

4 結論

1） 注汽過程中熱應力過大使得套管發(fā)生軸向失穩(wěn)，是導致套管發(fā)生屈曲破壞的主要原因。

2） 新型充填式補償器克服了以前補償器的缺點，充填材料滿足注汽過程中的補償要求和下入過程中的強度要求。

3） 現場應用證明，該補償器能夠有效地保護完井管柱，大幅降低套損井的發(fā)生率。

［1］ 皇甫潔，張全勝，李文波.水平井篩管頂部注水泥技術的研究與應用［J］.鉆采工藝，2006，30（3）：161-162.

［2］ 孫 凱，李 黔，聶海光.熱采井套管殘余應力計算新方法［J］.石油礦場機械，2008，37（12）：48-51.

［3］ 楊秀娟，楊恒林，閆相禎，等.熱采井套管三軸預應力設計分析［J］.石油礦場機械，2004，33（1）：1-5.

［4］ 左青山.熱采水平井篩管完井套損原因淺析［J］.內蒙古石油化工，2010（22）：60-61.

［5］ 李 靜，林承焰，楊少春，等.稠油開發(fā)井套管損壞機理與強度設計問題分析［J］.石油礦場機械，2009，38（1）：9-13.

［6］ 楊秀娟，楊 麗，賈善坡，等.熱采井出砂套管損壞機理的有限元分析［J］.石油礦場機械，2005，34（2）：19-33.

［7］ 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（2）：116-118.

［8］ 王 娟，張建峰，景永紅，等.疏松砂巖地層出砂對套管損壞的研究［J］.石油礦場機械，2007，36（7）：15-18.

［9］ 孫迎春，賈耀惠.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.