稠油熱采井套管柱損壞機理研究

申媛媛

中圖分類號：TE345 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）40-0078-02

1、研究目的和意義

套管是一口井中最重要的組成部分，他能夠保護井眼、加固井壁，并且能夠有效的封隔產層中的油和水，除此之外還能夠在鉆井、采油和修井作業(yè)過程中控制油井壓力。稠油開采過程中往往伴隨著注蒸汽產生的高溫高壓，這樣的條件下套管的熱損壞就十分嚴重。

2、稠油熱采井目前存在的問題

雖然國內外眾多學者對套管損壞的研究力度有所提高，但由于現(xiàn)在情況的復雜性和稠油熱采井的工藝特殊性，不同程度的套管損壞依然發(fā)生在各油田上。伴隨著這些問題，國內外學者和專家也都提出了不同的觀點和看法，總的來說有以下幾點：

（1）熱采溫度對套管的影響（2）螺紋泄露對套管的影響（3）交變應力對套管的影響（4）預應力值計算方法的不合理（5）非均勻載荷對套管的影響（6）出砂引起套管的損壞

其中，熱采溫度對套管的影響最大，本文將利用ANSYS有限元模擬軟件，進行不同隔熱條件下，井筒的溫度場和應力場的數(shù)值計算

3、注蒸汽井井筒的溫度場、應力場數(shù)值計算

地層、套管、水泥環(huán)組成了油井在地下的復雜的封閉系統(tǒng)，通常我們采用的解析或者半解析的方法很難得到精確地熱采過程中溫度場、壓力場和應力場的變化過程。為了更加準確地找到地層、套管和水泥環(huán)之間的物理、力學參數(shù)的變化規(guī)律，現(xiàn)采用ANSYS有限元軟件模擬現(xiàn)場的工況，來分析稠油熱采井井筒的溫度場和應力場。

3.1 不同隔熱措施情況下的注蒸汽井井筒的溫度場分布

由于現(xiàn)場所用的隔熱管經過多次蒸汽吞吐，其隔熱性能的好壞也存在很大的差異，甚至有的已經遠遠低于出廠時的性能標準，為了了解這些因素對套管的損壞影響程度，現(xiàn)對不同隔熱管視導熱系數(shù)對地層、套管及水泥環(huán)的溫度場影響情況進行研究，其計算結果如圖1、2及表1所示。

由圖1、2可知，地層-水泥環(huán)-套管組合的系統(tǒng)的溫度，受油管的視導熱系數(shù)影響非常大。較小的Kxx可以有效降低套管以及井眼附近地區(qū)的溫度。例如，在未下封隔器的時候，套管內壁的溫度高達350℃；使用普通的油管時，套管內壁溫度為263.4℃，相比無封隔器時下降了86.6℃；使用視導熱系數(shù)分別為0.12、0.06、0.006 w/m·℃的隔熱油管時，套管內壁的溫度就明顯降低了，分別為209.6℃、175.3℃、73.2℃。由此可以得出結論，采用較低視導熱系數(shù)的油管能明顯降低套管內壁的溫度，從而保護套管。

3.2 不同隔熱措施下套管溫度的變化情況

整理數(shù)值計算結果，可得到不同油管視導熱系數(shù)下套管內外壁的溫度情況。

3.3 注蒸汽井井筒在不同隔熱條件下的應力場分布

在完成對注蒸汽井筒的溫度場模擬計算后，將其結果作為體載荷讀入到應力場模型中，利用間接耦合的有限元方法即可得到套管-水泥環(huán)-地層這個組合系統(tǒng)的應力場的模擬結果。

應力場模型：在地層垂直方向上取22m，井眼軸向為中心取徑向半徑為8m，由于該模型具有對稱性，所以采用1/4的三維有限元模型進行模擬計算，如圖3-1所示。假設固井質量良好，各組成部位間無相對滑移。采用ANSYS有限元分析軟件中的Brick 8node 45結構單元，并對該模型采用單元離散的，得到64646個節(jié)點，51397個單元。

模型結構：取油管內半徑20.4mm，外半徑25.8mm，環(huán)空厚度28.8mm，選用51/2”N80套管，其內半徑為54.6mm，外半徑62.3mm，水泥環(huán)厚度為22.7mm，模擬地層厚度65mm。

邊界條件：現(xiàn)以遼河油田地下深度1100m處為例，油管內注蒸汽壓力為16MPa，應力邊界條件見表2。

3.4 預應力對套管應力產生的影響

熱采井注蒸汽過程中看，預應力對套管的影響如圖3所示。圖中反應出預應力的大小與套管壁上Mises應力值呈反比關系，當預應力增加時，Mises應力值就明顯降低。較大的預應力能夠抵擋部分熱應力，減少對套管的損壞，起到一部分保護作用。為了得到更為明確的結果，現(xiàn)分別取預應力60.100.140MPa，套管內壁上的Mises應力分別降低34、57、80MPa ，各自分別有6.71%、11.2%、15.8%的降幅。

3.5 套管應力受注汽溫度的影響

分析N80套管在預應力大小為60MPa，注蒸汽的壓力為16MPa時，在不同溫度下所對應的Mises應力如圖4所示。由圖可知當注汽溫度降低時，套管的Mises應力也降低。當注蒸汽溫度為200℃、250℃、300℃、350℃時，套管內壁上的Mises應力分別為318.2MPa、378.4MPa、430.7MPa、468.5MPa。

4 結論

目前國內外都面臨著稠油熱采套管柱損壞問題，套管柱的損壞，給油田帶了不同程度的經濟損失。本論文采用理論分析，數(shù)值計算，并結合現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)進行不同方面的分析。

（1）套管變形占了遼河油田熱采井中套損中的87%，并伴隨著明顯的地層出砂特征。射孔段以及射孔段以上20m的范圍內位套損部位集中區(qū)域。

（2）油藏出砂引起的套管損壞主要有以下幾個類型：1套管壓縮破壞；2套管剪切破壞3套管屈曲；4套管彎曲破壞；5套管擠毀；6其它。油藏的邊緣地帶經常發(fā)生套管的剪切破壞和彎曲破壞。而套管屈曲和壓縮破壞，則常發(fā)生垂向變形較大的地段，例如油藏中部的生產層段。

數(shù)值模擬采用ANSYS有限元模擬軟件對稠油熱采井套管柱受溫度場以及應力場破壞進行了數(shù)值模擬，并得出結論：

（1）較低的油管視導熱系數(shù)Kxx能有效的降低井筒熱損失。例如，在原始地層溫度為53℃的條件下，當未下封隔器時，在井眼軸線4.2米處的地層因注汽溫度上升到103℃，當使用普通油管時溫度上升到88.2℃，在采用Kxx為0.12、0.06、0.006 w/m·℃的隔熱管時，溫度分別上升到79.8、72.6、51.2℃，相比未下封隔器和普通油管分別降低了22.5%、29.5%、50.3%。

（2）在整個注汽過程中，隨著預應力的增加，套管軸向上的壓應力也隨之降低，這也導致套管上的Mises應力降低，這使套管到達屈服的注汽溫度變得更高，因此，增加預應力對套管有一定的保護作用。

（3）在不影響注汽效果的前提下，適當?shù)慕档妥⑵麥囟?，可降低套管軸向應力和Mises應力，對套管起到一定的保護。例如，當注汽溫度從350℃降低到300℃時，套管內壁的Mises應力就從468.5MPa，降低到了430.7MPa，下降了37.8MPa。另外，增大注汽壓力，也能夠抵消部分軸向熱膨脹產生的位移，也能夠對套管起到保護。

（4）合理增加套管的壁厚和選用高強度的套管也能降低套管壁上的Mises壓力，對套管起到保護，特別是在稠油熱采井中采用高強度的套管，可以最大程度的減少對套管的損害。

參考文獻

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