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防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术

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防止 热采井 套管 破坏 膨胀 技术
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第30卷第2期 2009年4月 固体力学学报 F O 009 防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术 李子丰 阳鑫军 王兆运 田新民 (燕山大学石油工程研究所,秦皇岛,066004) 摘要热力采油是开采稠油的最广泛、效益较高的方法.实践表明,注蒸汽稠油井如果用常规方法固井,那 么在通常的注汽温度下,套管都因热应力而产生屈服变形.文中提出了防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术, 即在注水泥结束但没有凝固时,将油层套管预热和向油层套管施加内压强,使套管膨胀;水泥在套管膨胀的条件下 凝固.计算表明,采用预膨胀固井技术后,热采井在整个生产周期内,套管不但不屈服,而且还有较大的安全系数. 室内实验证明,注汽后,采用预膨胀固井的套管的塑性变形量远小于常规固井的套管的塑性变形量.此项技术可能 成为延长热采井套管使用寿命的重要手段. 关键词注蒸汽,套管损坏,套管应力,固井,数学模型 0 引言 注蒸汽是开采稠油油藏时应用最广泛、效益较 高的方法之一.辽河油田和胜利油田的许多稠油井 采用了这种生产方式.注蒸汽采油可分为注蒸汽驱 和蒸汽吞吐两种,均将隔热油管下至近油层,用封隔 器把隔热油管固定在套管内,在油管与套管的环形 空间注满氮气.蒸汽吞吐法是利用注汽设备从隔热 油管内将饱和蒸汽注入油层,从而加热油层,降低原 油的粘度,使地层压强升高,再焖井一定时间后,井 口放喷采油.注蒸汽驱法是利用注汽设备从隔热油 管内将饱和蒸汽注入油层,驱动原油流向周围采油 井, 在注蒸汽期间,井下高温使油井套管柱产生热 应力,从而发生塑性屈服,在不均匀的外压强和套管 本身不均匀等因素作用下,套管产生变形口。].当停 注开采时,井下温度下降,套管弹性应力降低,塑性 变形保留,从而产生轴向拉应力,常使套管脱扣. 现有的提拉预应力、套管伸缩短节和全预热应 力等固井技术和措施 ],应用效果不理想,不能从根 本上解决热采井套管变形的问题.为此,笔者研究开 发了一种安全、便于实施的防止热采井套管破坏的 固井方法——半预热固井[9]和预压固井技术,在 理论上可实现在整个开采过程中,套管一直处于弹 性状态,不发生塑性变形,可以解决套管热破坏问 题.半预热固井技术的实施程序是在注水泥完毕后, 从井口向井内油层段下入加热器,将油层段套管加 热到预定的温度,使其有一定的预膨胀,水泥在套管 膨胀的条件下凝固;水泥终凝后取出加热器.预压固 井技术的实施程序是在注水泥完毕后,通过管柱从 井口向井内下入封隔器,在将来的注汽封隔器上方 坐封,通过管柱内液体向油层套管施加压强,套管膨 胀,水泥凝固,水泥终凝后取出封隔器.文献[9]是热 采井半预热固井技术的初级成果,文献[1O]是热采 井预压固井技术的初级成果,它们的理论不完善.本 文将从弹性力学理论出发,将两种技术结合使用,并 对理论进一步完善. 1 理论模型 热采井套管破坏的主要原因是水泥固结后限制 了套管的受热膨胀,从而产生了热应力.为此,只要 在水泥凝固之前,让套管有一定的预膨胀,水泥浆在 套管膨胀的条件下凝固,就会减少注汽过程中套管 内的热应力. 1.1基本假设 油井在热采过程中,套管内的应力和套管材料 的力学性能都是随温度而变化的.套管的屈服强度、 弹性模量、线胀系数和泊松比都是温度的函数.因而 *国家自然科学基金项目(50574078)和河北省资助优秀专家出国培训项目资助 2007—12—24收到第1稿,2008—10—16收到修改稿. **通讯作者.335—8079211, E—n. 第2期 李子丰等: 防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术 ·163· 精确计算热应力是比较复杂的,为此做如下假设: (1)某一温度下的热应力是当前温度下的线胀 系数、弹性模量和温度增量的线性函数; (2)凝固后的水泥环的内径不变; (3)套管内壁为强度校核点. 1.2基本力学公式 根据假设,套管在水泥凝固过程中和凝固后的 力学问题是厚壁筒在内压强、外压强、温度和轴向拉 力作用下的厚壁筒问题. 1.2.1 在外压强和内压强的作用下套管内的径向 应力和周向应力 根据厚壁筒理论[1 : f 一户 r 一户。r^一(户 一 。),- r 一 一 I—P r 一 一— 十 二 其中, 为径向应力;为套管的内 径 为套管的外径;r(r。≤r≤径向坐标;P。 为套管的内压强;P。为套管的外压强. 1.2.2在外压强、内压强和温度的作用下套管径向 位移 ,,一 二 ! ! + 二 ! 一 “ E r 一r E (r:一r )r + E… (2) 其中,“为径向位移; 为当前温度下套管钢材的泊 松比;为轴 向应力;1.2.3在轴向拉力和温度作用下套管的轴向应力 和应变 一 等 (3) £ = 一告( + )+ L 一 一 ; +口△丁 (4) £ L ro—中,F:为轴向拉力 为轴向应变. 1.3 常规固井过程中套管内壁应力和外壁位移 常规固井时,套管处在液体中,没有固定边界约 束,受轴向拉力、外挤压强和内压强的作用.在强度 校核中,因为套管内壁的应力强度最大,所以需要计 算套管内壁的应力.在计算水泥浆凝固后套管的强 度时,假设水泥环内半径不变.水泥环内半径就是套 管的外半径加上套管外壁的位移.为此,还需要计算 套管外壁的位移.在计算热应力效应时,以水泥凝固 时的温度为基点,即水泥凝固时. 1.3.1 常规固井过程中套管内壁的应力 套管内壁的应力为: ( F 一 一一P (5) 1.一P (r:+r )一2p r: 一—— 一 其中,F 为常规固井时该点套管的轴向拉力;P 为 常规固井时套管的外压强;P 为常规固井时套管的 内压强; 为常规固井时套管内壁的轴向应力; 为 常规固井时套管内壁的径向应力; 为常规固井时 套管内壁的周向应力. 1.3.2常规固井过程中套管外壁的径向位移和轴 向应变 常规固井时,套管外壁的径向位移为: “m— 南 2P [ (r:一r )一 ( +r )]卜 (6) f 其中,“ 为常规固井时套管外壁的径向位移; 为 常规固井时套管钢材的泊松比;钢材的弹性模量. 套管的轴向应变为: 一 ‘ E, (7) 其中,e 为常规固井时的轴向应变. 1.4预膨胀固井过程中套管内壁应力和外壁位移 在预膨胀固井过程,套管仍处在液体中,没有固 定边界约束,在轴向拉力、外挤压强和内压强的作用 下,不同之处为套管内压强增加了一个值P ,同时, 水泥凝固时套管的温度上升了. 1.4.1 预膨胀固井过程中套管内壁的应力 水泥凝固过程中,预内压强不但对套管内壁施 加压强,而且增加套管所承受的轴向应力.套管内的 总应力为: .一 J. 十 P 一 (r:+r ) r: 一—— — p 七p 其中,P 为套管的预内压强;P 为包含预内压强的 ·164· 固体力学学报 套管的总内压强; 为预内压固井时套管内壁的轴 向应力; 为预内压固井时套管内壁的径向应力; 为预内压固井时套管内壁的周向应力. 1.4.2预膨胀固井过程中套管外壁的径向位移和 轴向应变 预膨胀固井时,套管外壁的径向位移为: “ — {2 [ c(,一 ( 十r )])一 (9) 中,“。为预膨胀固井时套管外壁的径向位移. 套管的轴向应变为: 一 一 二 E E r 一r (10) 其中,e 为预膨胀固井时的轴向应变. 如果P 一0,同时水泥凝固时的温度为地温,则 蜕变为常规固井. 1.5注汽、采油等生产过程中套管内的应力 在水泥凝固后,解除套管预内压强和预热装置, 注入水蒸汽和进行采油作业.套管的温度和作用于 套管内壁的压强发生变化,导致套管内的应力重新 分布. 在水泥凝固后,套管的轴向应变保持为定值.如 果套管与水泥环胶结足够强,则套管外壁的位移保 持不变,否则套管与水泥环间可能产生裂隙. 1.5.1套管与水泥环胶结 注汽、采油等生产过程中,套管外壁的径向位移 为: “巾一 {2 r + 印[ ( 一r )一 ( 十r )]}+口 △丁一 (11) 中,M 为生产过程中套管外壁的径向位移; 为 生产过程中套管钢材的泊松比;E 为生产过程中套 管钢材的弹性模量;P 为生产过程中套管的外压强 (套管与水泥环间的压强);P 为生产过程中套管的 内压强; 为生产过程中套管的轴向应力;△的温度增量一生产时的温度~水泥凝固时的温 度. 如果水泥环与套管保持胶结,根据假设式(2) 有: 即: 。 (——— —一 套管内壁的径向和周向应力为: =:=一户 一P ( +r )一2(14) r:一r 其中, 为生产过程中套管内壁的径向应力 为 生产过程中套管内壁的周向应力. 生产过程中,套管的轴向应变为: £砷一竽一 霉 +15) p r 一r ’ 其中,e 为生产过程中套管的轴向应变. 由于套管轴向应变不变,所以: e ===£: (16) 解得: 坤一E ( 一(17, 在式(13)和(17)中,共有P 和 砷两个未知量. 将两个方程联立,就可确定.将式(17)代入式(13): P r 一r )一(r +r )+2 ;r: … 1.5.2套管与水泥环非胶结 如果水泥环与套管胶结强度不够,则在预内压 强和预热解除后,套管与水泥环间可能存在间隙.在 注水蒸汽时,由于套管受热膨胀,间隙会闭合. 1.5.2.1套管与水泥环间隙厚度 套管与水泥环的间隙就是预膨胀固井时套管外 壁径向位移与生产过程中套管外壁径向位移之差: △ 一M 一 (19) 其中,△“为套管与水泥环的间隙厚度; 由式(9) 计算;“ 由式(11)计算.利用式(11)计算时,套管的 内压强、外压强和温度都是已知的.外压强P 可以 按静水压强或地层压强计算. 第2期 李子丰等: 防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术 ·165。 如果静水压强或地层压强确定外 压强P。 后,仍由式(14)和(17)计算. 1.5.2.3套管与水泥环间隙闭合时套管内壁的应力 如果,就说明没有间隙,在套管与水泥环 间存在压应力.按照1.5.1套管与水泥环胶结计算. 1.6强度校核 根据应力强度 来对套管进行强度校核,其计 算公式为: 1 一 (20) 其中峨为应力强度 为当前温度下套管钢材的屈 服强度. 若 < ,则套管处于弹性状态,否则处于塑性 状态. 1.7预热功率 如果地层从原始地温开始加热,则预热功率与 套管温度和加热时间的关系为 : !! (21) ~/是 f/r。)一0.29 其中,N 为预热功率;k 为地层导热系数;温度; 为地层原始温度;k 为地层散 热系数. 2计算示例 设某井套管[】 外径0.1778 径0.1594 m,钢级深1500 井期间管外液体密 度1800 kg/m。,管内液体密度1100 kg/m。;生产期 间管外液体密度1040 kg/m。,管内液体密度0 下端轴向负荷为0 N;地层温度梯度为0.03 ℃/m;蒸汽温度为360。C;地层的散热系数口 为 0.0037 m /h,地层的导热系数为2 h·m ·℃). 2.1常规固井 如果常规固井,不施加预膨胀强,固井过程中套 管的应力强度114 管正常.如果套管与水泥 环始终胶结,生产过程中,井底温度为65℃时,套管 的应力强度为119 料的屈服强度为568 ,套管正常;当注汽温度达到360℃时,套管 的应力强度为683 料的屈服强度为519 管会发生屈服破坏.如果套管与水泥环不胶 结,生产过程中,井底温度为65℃时,套管的应力强 度为153 料的屈服强度为568 套 管正常;当注汽温度达到360。管的应力强度 为683 料的屈服强度为519 管会发 生屈服破坏.这就是热采井套管破坏的主要原因. 2.2预压固井 如果仅在油层套管施加内压力,而不对套管进 行预热,则称为预压固井. 2.2.1预压固井套管受力状态 如果固井时的预压强为40 井过程中套 管的应力强度271 管正常;如果套管与水泥 环始终胶结,当注汽温度达到360℃时,套管的应力 强度为497 料的屈服强度为519 管 正常;当温度降到原始温度65℃时,套管的应力强 度为236 料的屈服强度为568 管正 常;如果套管与水泥环不胶结,当注汽温度达到360 。管的应力强度为497 料的屈服强度 为519 管正常;当温度降到原始温度65℃ 时,套管的应力强度为192 料的屈服强度为 568 管正常;整个生产周期内,套管不但正 常,而且还有一定的安全系数. 2.2.2预压强与套管的应力 预压强不同,生产过程中套管内的应力不同,套 管的状态不同,见表1.从表1可以看出,预压强过 低,则在注汽时套管屈服.图1是生产过程中套管安 全系数随预压强的变化图.如果预压强过高,如8O 在固井过程中,套管就破坏了.所以预压强 必须恰当. 2.3半预热固井 如果仅在对油层套管进行预热,而不对套管施 加预内压强,则称为半预热固井. 垛 敏 榔 裂隙注汽 裂隙地温 裂隙注汽 裂隙地温 图1套管内预压强与套管安全系数 in S. 166 · 固体力学学报 表1 预压强与套管的受力和状态 S.of .3.1半预热固井套管受力状态 如果固井时的预热温度220 井过程中套 管的应力强度114 管正常;如果套管与水泥 环始终胶结,当注汽温度达到360℃时,套管的应力 强度为399 料的屈服强度为519 管 正常;当温度降到原始温度65℃时,套管的应力强 度为413 料的屈服强度为568 管正 常;如果套管与水泥环不胶结,当注汽温度达到360 ℃时,套管的应力强度为399 料的屈服强度 为519 管正常;当温度降到原始温度65℃ 时,套管的应力强度为398 料的屈服强度为 568 管正常;整个生产周期内,套管不但正 常,而且还有一定的安全系数. 2.3.2预热温度与套管的应力 预热温度不同,生产过程中套管内的应力不同, 套管的状态不同,见表2.从表2可以看出,预热温度 过低,则在注汽时套管屈服.图2是生产过程中套管 安全系数随预热温度的变化图.如果热温度过高,如 300 在预热解除后,套管就破坏了.所以预热温 度必须恰当.预热温度一般在地层原始温度与注汽温 度的中值比较合适.这就是称为半预热的原因. 表2预热温度与套管的受力和状态 up S.of .4预热时间与预热功率 如果将套管预热到200℃,若预热时间为1小 时,则预热功率为82 kw/m;若预热时间为5小时, 则预热功率为2.4 kw/m;若预热时间为1则预热功率为1.7 kW/m. 如果采用2.3 kW/1小时后 为69℃;5小时后为197℃;10小时后为252℃. 2.5预热与预压联合作用效果 预热与预内压可以同时使用.图3是套管在整 个生产过程中的最小安全系数与预热温度和预内压 强的关系.从图可以看出,预热比预压效果更明显. 但是,预热比预压技术复杂. 第2期 李子丰等: 防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术 · 167 · 籁 垛 5O 100 15O 200 250 300 水泥凝固温度/'C 无裂晾 无裂隙 有裂隙 有裂隙 图2套管预热温度与套管安全系数 up S.施工程序 在注完水泥浆后,立即将预压管柱下人热采井 段,将封隔器安放在将来注汽封隔器的上方一点,然 套管 地层 油层 水泥浆 籁 垛 预热温度/℃ 图3套管安全系数与预内压强和预热温度 S.在预压管内下人加热器,向热采层段套管加压到 预定的压强和加热到一定的温度并维持,使水泥浆 在预膨胀下凝固.水泥终凝后,将预热器和预压管柱 提出(如图4). 套管 地层 油层 水泥石 (1)注水泥浆结束 (2)预膨胀凝固 (3)预膨胀结束有裂隙 (4)预膨胀结束无裂隙 (1))))管 地层 油层 水泥石 (5)注水蒸汽 (6)有裂隙采油 (7)无裂隙采油 (5)6)7)4 套管预膨胀凝固、注汽和采油过程图 of 5 4 3 2 1 0 · 168 · 固体力学学报 2009焦 由于水泥浆是在预热和预压的条件下凝固的, 预热和预压解除后,如果水泥与套管胶结强度低,可 能在水泥环与套管间产生微裂隙,其值一般小于 o.2 波测井显示的固井质量变差.在注蒸汽 时,温度升高,该裂隙闭合,对采油影响不大. 4室内实验 为了验证上述理论的正确性,研制了预膨胀固 井模拟实验台.利用预膨胀固井模拟实验台分别做 了预压固井、半预热固井和常规固井的模拟注汽实 验.在注汽温度相同的条件下,对不同的预压强、不 同的预热温度固的井的套管的塑性变形量进行了测 量,并与常规固井的套管的塑性变形量作了对比,寻 找出了能够对套管起保护作用的预压及预热区间; 在同一预压强或预热温度、不同的注汽温度下做了 实验,研究了注汽温度对套管塑性变形量的影响.实 验证明,采用预压固井及半预热固井的套管在循环 注汽后的塑性变形量要明显小于采用常规固井的套 管的塑性变形量;预膨胀固井技术对于热采井套管 有一定的保护作用,能够起到防止其热破坏的效 果[ . 5 结论 [4] [6] [7] (1)热采井套管破坏主要是热应力造成的. (2)现有的防止热采井套管破坏的固井方法和 … 技术措施不能从根本上解决热采井问题. (3)预膨胀固井可以使套管在整个热采过程中 都处于弹性状态. (注:本文采用国际单位制). 2] 参考文献 李子丰,马兴瑞,黄文虎,等.热采井套管柱力学分析 [J].工程力学,1998,15(2):19—26.(a et of in ].e— 998,15(2):19 李卫忠.曙光油田超稠油井套管损坏的机理和防治 口].钻采工艺,2003,26(2):55—57.(he of in ].003,26(2):55—57.(9] [11] 贾选红,刘玉.辽河油田稠油井套管损坏原因分析与 治理措施特种油气藏,2003,10(2):69—71.(u.003,10(2):69—71.( 周羽,吴鸿麟,应明.热采水平井套管应力分析的摄动 有限元方法清华大学学报(自然科学版),2000, 40(12):10—13.(u,of 000,40(12): 1 卢小庆,方华,张冬梅,胡秉仁.高强度热采井专用套 管].钢铁,2001,36(10):24—25. (u of ].001,36 (10):24—25.( 高宝奎.高温引起的套管附加载荷实用计算模型[J]. 石油钻采工艺,2002,24(1):8on by ].002,24(1):8 J, S,.of at a on c].of 2002,390—396. 钻井手册(甲方)编写组.钻井手册(甲方)上册[M]. 北京:石油工业出版社,1990.())].990.( 李子丰,李天降,阳鑫军,张海明.热采井半预热固井 技术[J].石油钻采工艺,2004,26(5):16—18.(i 004,26(5):16—18.( 李子丰.热采井预压固井技术[J].石油钻探技术, 2005,33(1):1—4.(].005,33(1):1 清华大学徐秉业.弹性与塑性力学一例题和习题[M]. 北京:机械工业出版社,1981.(2期 李子丰等: 防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术 · 169 · [12] [13] ].1981.( 刘文章.稠油注蒸汽热采工程[京:石油工业出 版社,1997:102—140.(].997:102—140.( 周全兴.钻采工具手册北京:科学出版社,2000. (].000.( [153 李子丰.油气井杆管柱力学[M].北京:石油工业出版 社,1996.(od il ].996.( 王兆运.热采井预膨胀固井模拟实验研究[D].秦皇 岛:燕山大学,2008.(r~e— ].2008.( O N i 66004) is a of is in n in n we a to in i.e.,be by be of in is in of
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