基于應(yīng)變的油砂SAGD井儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)優(yōu)化及應(yīng)用

胡偉杰,廖建華,林志強(qiáng),李斌,李福明

(1.中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100027；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

加拿大油砂資源極為豐富，主要分布在阿薩巴斯卡、冷湖和匹斯河3個(gè)區(qū)域，總資源量約4 000億t，其中約240億t分布在埋深75 m內(nèi)，可以采用礦采方式開發(fā)；其余的3 760億t埋深較深，需要采用就地開發(fā)方式開發(fā)。油砂就地開發(fā)方式包括蒸汽輔助重力泄油(steam assisted gravity drainage，SAGD)開發(fā)和蒸汽吞吐開發(fā)兩種。自2000年開始，SAGD技術(shù)逐漸成為目前加拿大油砂經(jīng)濟(jì)開發(fā)的主要方式。該技術(shù)通過鉆2口平行距離約5 m、地下相距約1 km深度的水平井，將蒸汽從上方的井不斷注入，從而對(duì)油砂層進(jìn)行加熱、軟化，油砂依靠重力流入下方的井中并被抽出。加拿大某區(qū)塊油田采用雙水平井的井對(duì)形式開發(fā)，油砂SAGD開發(fā)技術(shù)排在世界前列，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在產(chǎn)區(qū)塊開發(fā)的持續(xù)優(yōu)化，但在開發(fā)過程中仍然有一些技術(shù)難題需要解決[1-3]，例如在油砂SAGD水平井注蒸汽生產(chǎn)過程中，高溫蒸汽、地層出砂沉降等原因?qū)е伦饔迷趦?chǔ)層段管柱上的應(yīng)力有可能在首次施加時(shí)就已經(jīng)超出管柱屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生永久塑性變形。有的地區(qū)儲(chǔ)層段管柱損壞機(jī)率甚至超過30%，管柱不能繼續(xù)服役，修井難度大、費(fèi)用高，成為影響油砂高效開發(fā)的重要因素。本文結(jié)合加拿大油砂SAGD水平井注蒸汽生產(chǎn)過程，提出油砂SAGD井儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，確定了管柱最大的應(yīng)變位置。通過研究該優(yōu)化方法對(duì)儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)的影響，并且在加拿大的某油砂SAGD井進(jìn)行了成果應(yīng)用，為進(jìn)一步優(yōu)化油砂鉆完井儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

1 儲(chǔ)層段管柱受力載荷分析

一般情況下，加拿大典型的油砂SAGD水平井需要在水平裸眼段下入繞絲篩管。但有時(shí)由于油藏物性不好，需要下篩管和盲管的交替組合。作業(yè)設(shè)計(jì)要求在完井過程中儲(chǔ)層段管柱處于彈性狀態(tài)，即確保儲(chǔ)層段管柱有一定的安全系數(shù)。同時(shí)要考慮后續(xù)的熱載荷對(duì)管柱產(chǎn)生的塑性應(yīng)變，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保管柱服役過程中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變不超過規(guī)定的塑性應(yīng)變。在第一個(gè)熱循環(huán)加熱過程中，管柱極有可能產(chǎn)生壓縮屈服現(xiàn)象，如果篩管等管柱材料設(shè)計(jì)不當(dāng)，將在后續(xù)的熱循環(huán)中引起塑性應(yīng)變累積。當(dāng)累積塑性應(yīng)變超過管柱材料臨界失效應(yīng)變，儲(chǔ)層段管柱將產(chǎn)生損壞甚至不能繼續(xù)服役[4-6]。

油砂SAGD水平井高溫及溫度劇烈變化是儲(chǔ)層段管柱損壞的主要原因。在注汽加熱階段管柱承受壓縮應(yīng)力值非常高，但是采油冷卻過程，由于溫度快速降低，管柱承受拉伸應(yīng)力。累積損傷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以考慮油砂多輪次注、采生產(chǎn)過程中管柱發(fā)生的塑性應(yīng)變累積，這些應(yīng)變包括機(jī)械應(yīng)變、熱應(yīng)變和高溫蠕變等。一旦管柱材料產(chǎn)生的累計(jì)塑性應(yīng)變值超過管材的極限值，則管柱將不能繼續(xù)使用，在設(shè)計(jì)過程中規(guī)定管柱累積塑性應(yīng)變應(yīng)小于臨界失效應(yīng)變。N次循環(huán)后累積塑性應(yīng)變?yōu)槭?1)：

式中：εpi為第i次循環(huán)后的塑性應(yīng)變?cè)隽?；εpcum為管柱材料累積塑性應(yīng)變。

理論研究表明，隨著注汽次數(shù)的增加，累積塑性應(yīng)變逐漸增加，可按照加拿大油砂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求優(yōu)選管柱鋼級(jí)和材質(zhì)，并對(duì)SAGD井儲(chǔ)層段管柱壽命進(jìn)行評(píng)估。生產(chǎn)過程允許管柱發(fā)生適當(dāng)?shù)乃苄宰冃?，只要不超過管柱臨界塑性應(yīng)變，管柱可繼續(xù)服役。采用基于應(yīng)變的累積損傷準(zhǔn)則對(duì)儲(chǔ)層段管柱進(jìn)行設(shè)計(jì)及壽命評(píng)估完全符合油砂SAGD水平井實(shí)際生產(chǎn)工況。

2 室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比

首先，基于儲(chǔ)層段管柱中不同材質(zhì)的篩管和盲管組合進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料的選取主要考慮：不同的廠家、不同的完井設(shè)計(jì)方式、不同的扣型變化、管柱鋼級(jí)變化等。

其次，模擬井下管柱外在載荷作用下，經(jīng)過多輪次加熱和冷卻循環(huán)，觀察繞絲篩管損壞情況以及何時(shí)會(huì)損壞。通過如圖1所示的模擬實(shí)驗(yàn)，按照加拿大相關(guān)油砂標(biāo)準(zhǔn)的要求，并對(duì)管柱的累積塑性應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，確定管柱最大的應(yīng)變位置，優(yōu)選出繞絲篩管材質(zhì)和盲管的長(zhǎng)度等最優(yōu)管柱組合。

圖1 繞絲篩管受力的室內(nèi)模擬試驗(yàn)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于應(yīng)變的SAGD井管柱設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)成功在該油田3個(gè)油砂項(xiàng)目的13口油砂開發(fā)井中應(yīng)用實(shí)施，效果良好。以某作業(yè)井為例，該井在井深560～705 m之間有一段長(zhǎng)約145 m的劣質(zhì)儲(chǔ)層，其儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)包括兩根盲管，然后是4根繞絲篩管，10根盲管(約140 m)穿過劣質(zhì)儲(chǔ)層，其余井段采用繞絲篩管。作業(yè)前首先在各種工況下進(jìn)行管柱受力分析，優(yōu)選管柱組合方式，計(jì)算累積塑性應(yīng)變，避免采用室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試中失效的組合方式。

儲(chǔ)層段管柱順利下入后，可通過后期監(jiān)測(cè)管柱的失效情況，如圖2所示觀察該井油砂儲(chǔ)層物性變化，并且如圖3所示在油田現(xiàn)場(chǎng)下入管柱進(jìn)行監(jiān)測(cè)。13口油砂井截至目前無繞絲篩管的完整性失效現(xiàn)象，這充分表明了基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法具有獨(dú)特的優(yōu)越性。該方法密切結(jié)合油砂SAGD井生產(chǎn)過程，可根據(jù)注蒸汽輪次要求科學(xué)、靈活地設(shè)計(jì)儲(chǔ)層段管柱組合?？朔藗鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法不能考慮多輪次生產(chǎn)過程中循環(huán)溫度載荷對(duì)管柱性能影響的不足。

圖2 該井油砂儲(chǔ)層物性變化

圖3 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)下入管柱

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)油砂SAGD井儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)，必須要考慮累積塑性應(yīng)變問題。本文提出的油砂SAGD井儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，為油砂SAGD井儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)提供了新思路，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，油砂SAGD井儲(chǔ)層段管柱設(shè)計(jì)優(yōu)化方法能有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，延長(zhǎng)了管柱使用壽命，保證作業(yè)安全和降低單井成本。