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防止热采井套管热破坏的预压固井技术

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防止 热采井 套管 破坏 预压 技术
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第 25 卷第 6 期 程 力 学 2008 年 6 月 2008 19 ——————————————— 收稿日期: 2006改日期: 2007金项目:国家自然科学基金资助项目 (50574078);河北省资助优秀专家出国培训项目 作者简介:*李子丰 (1962― ),男,河北迁安人,教授,博士后,博导,燕山大学石油工程研究所所长,主要从事油气井杆管柱力学的研究工作 ( 阳鑫军 (1978― ),女,湖南人,博士生,从事钻井工程研究 ( 王兆运 (1982― ),男,山东人,硕士生,从事钻井工程研究 ( 田新民 (1981― ),男,辽宁人,硕士生,从事钻井工程研究 ( 文章编号: 1000008)06止热采井套管热破坏的预压固井技术 *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。目前现场常用的防止套管热破坏方法不能从根本上解决问题。该文提出了防止热采井套管热破坏的预压固井技术,即在注水泥结束但没有凝固时,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:采用预压固井技术后,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。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 中图分类号: 文献标识码: A 66004, is a is a in In is by of in of If to in to to on in no be an to of 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吞吐和蒸汽驱两种,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220 工 程 力 学 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[1― 7]。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[8],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[10]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。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 [10]是热采井预压固井技术的初级成果,理论不完善。本文将从弹性力学理论出发,对技术进一步完善。 l 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。 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。 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。 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[11]22 222 22222 222 222(),()()()ii oo i o o oo i o o −=−⎪⎪⎨−−⎪=+⎪⎩(1) 式中:径向应力;θσ 为周向应力;套管的内径;套管的外径; r ( )为径向坐标;套管的内压强;套管的外压强。 在外压强、内压强和温度的作用下套管径向位移 22222222()1()1()ii pr =+−−+−+∆−(2) 式中: µ 为当前温度下套管钢材的泊松比; E 为当前温度下套管钢材的弹性模量;α 为线膨胀系数; T∆ 为温度增量。 在轴向拉力和温度作用下套管的轴向应力和应变 22π()−(3) 2222()2εσσσ µ=− + +∆=−−+∆−(4) 式中:轴向拉力;轴向应变。 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0T∆=。 常规固井过程中套管内壁的应力 套管内壁的应力为: 工 程 力 学 221 2222 222,π(),()2o i oc rr ⎪−⎪=−⎨⎪ +−=⎪−⎩。(5) 式中:常规固井时该点套管的轴向拉力;常规固井时套管的内压强;常规固井时套管内壁的轴向应力;常规固井时套管内壁的径向应力;常规固井时套管内壁的周向应力。 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: 222222222222 221( )1( ){2()[ ( ) ( )]}c o i o pr =+−+−−=−+−−−+ −(6)式中:常规固井时套管外壁的径向位移;常规固井时套管钢材的泊松比;常规固井时套管钢材的弹性模量。 套管的轴向应变为: 22222zc c ic i oc −−(7) 式中常规固井时的轴向应变。 预压固井过程中套管内壁应力和外壁位移 在预压固井过程,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 预压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: 222 2222 222,(),()2,o i oc ic rr +⎪π− −⎪⎪=−⎪⎨+−⎪=⎪−⎪⎪=+⎩。(8) 式中:套管的预内压强;包含预内压强的套管的总内压强;预内压固井时套管内壁的轴向应力;预内压固井时套管内壁的径向应力;预内压固井时套管内壁的周向应力。 预压固井过程中套管外壁的径向位移和 轴向应变 预压固井时,套管外壁的径向位移为: 22222 22{2()[ ( ) ( )]}iy c o i o −−−+ −(9) 式中预压固井时套管外壁的径向位移。 套管的轴向应变为: 22222zy iy i oc −−(10) 式中预压固井时的轴向应变。 如果 0 ,则蜕变为常规固井。 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,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。 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: 2222222{2 [ ( )()( )]}ip i op p o −−++∆− (11)式中:生产过程中套管外壁的径向位移;生产过程中套管钢材的弹性模量;生产过程中套管的外压强 (套管与水泥环间的压强 );生产过程中套管的内压强;生产过程中套管的轴向应力,T∆ 为套管的温度增量 =生产时的温度 如果水泥环与套管保持胶结,根据假设 (2)有: cp (12) 即: 222 工 程 力 学 22222 22()2()()o ip i o ⎛⎞+−∆−⎜⎟⎝⎠−−+(13) 套管内壁的径向和周向应力为: 22 222,()2()rp o i op rr ⎧⎪+−⎨=⎪−⎩。(14) 式中:生产过程中套管内壁的径向应力; 生产过程中,套管的轴向应变为: 22222zp p ip i op − +∆−(15) 式中生产过程中套管的轴向应变。 由于套管轴向应变不变,所以: zp (16) 解得: 22222p −=−∆+⎜⎟−⎝⎠(17) 在式 (13)和式 (17)中,共有个未知量。 将两个方程联立, 就可确定。 将式 (17)代入式 (13): 22222() 22()()222p o zy o ip po i o i rT rr ⎛⎞−+−∆+−∆−⎢⎥⎜⎟−⎝⎠⎣⎦=−−++(18) 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) 套管与水泥环间隙厚度。 套管与水泥环的间隙就是预压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: cy u∆= − (19) 式中: u∆ 为套管与水泥环的间隙厚度;式 (9)计算;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。 外压强以按静水压强或地层压强计算。 如果 0u∆< ,则意味着间隙闭合或不存在 间隙。 2) 套管与水泥环存在间隙时套管内壁的应力。 如果 u∆≥0,按静水压强或地层压强确定外压强,仍由式 (14)和式 (17)计算。 3) 套管与水泥环间隙闭合时套管内壁的应力。 如果 0u∆<,就说明没有间隙,在套管与水泥环间存在压应力。按照 套管与水泥环胶结计算。 强度校核 根据应力强度对套管进行强度校核, 其计算公式为: 22 21()()()2+−+−< (20) 式中:应力强度;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。 2 计算示例 设某井套管[12]外径 径 级 深 1500m;固井期间管外液体密度1800kg/内液体密度 1100kg/产期间管外液体密度 1040kg/内液体密度 0kg/端轴向负荷为 0N;地层温度梯度为 m;蒸汽温度为 360℃。 常规固井 如果常规固井,不施加预压强,固井过程中套管的应力强度为 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 5683],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 3],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。这就是热采井套管破坏的主要原因。 预压固井 如果固井时的预压强为 40 固井过程中套 工 程 力 学 223 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℃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 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。 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 80在固井过程中,套管就破坏了。所以预压强必须恰当。 表 1 预压强与套管的受力和状态 of 管与水泥环胶结 套管与水泥环非胶结 注汽条件下 原始地温下 注汽条件下 原始地温下预压 强 /力强 度 /态 应力强 度 /态应力强 度 /态 应力强度 /83 屈服 118 正常 683 屈服 153 正常10 635 屈服 64 正常 635 屈服 161 正常20 588 屈服 87 正常 588 屈服 171 正常30 542 屈服 158 正常 542 屈服 181 正常40 497 正常 236 正常 497 正常 193 正常50 453 正常 316 正常 453 正常 205 正常0123456789100102030405060708090100套管内预压(管安全系数无裂隙注汽无裂隙地温有裂隙注汽有裂隙地温图 1 套管内预压强与套管安全系数 in 3 施工程序 在注完水泥浆后,立即将预压管柱下入热采井段,将封隔器安放在将来注汽封隔器的上方一点,向热采层段套管加压到预定的压强并维持,使水泥浆在预压下凝固。水泥终凝后,将预压管柱提出,见图 2。 油层 套管 水泥石 油管封隔器(e) 注水蒸汽氮气水蒸汽地层油层套管水泥石油管封隔器油和水地层 油层 套管 水泥石 裂隙油层 (c) 预压结束有裂隙顶替液地层油层套管水泥石(d) 预压结束无裂隙顶替液地层 油层套管水泥浆 顶替液地层油层套管水泥浆钻杆 封隔器 (b) 预压凝固顶替液 预压 套管安全系数套管内预压强 /裂隙注汽 无裂隙地温 有裂隙注汽 有裂隙地温 地层氮气 (a) 注水泥浆结束 (f) 有裂隙采油 224 工 程 力 学 图 2 套管内预压凝固、注汽和采油过程图 of 于水泥浆是在预压的条件下凝固的,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 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 结论 (1) 热采井套管破坏主要是热应力造成的。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。 (2) 预压固井可以在轴向施加预拉应力、在周向施加预拉应力或提供部分自由膨胀间隙,减小生产过程中的应力强度,使套管在整个热采过程中都处于弹性状态。 参考文献: [1] 李子丰 . 热采井套管柱力学分析 [J]. 工程力学 , 1998, 15(2): 19― 26. of in J]. 1998, 15(2): 19― 26. 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(层 油层 油和水 套管 水泥石 油管 封隔器 (g) 无裂隙采油 氮气
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