稠油热采井套损防治措施及计算理论

赵旭亮

（中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦 124010）

稠油热采井套损防治措施及计算理论

赵旭亮

（中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦 124010）

研究了稠油热采井套损机理，给出了管柱提拉预应力和下入套管热力补偿器两种套损防治措施计算理论。模拟计算表明：设置提拉预应力时，管柱需提拉的最小预应力和最小拉伸长度随管柱温度的升高而先升高后降低；下入套管热应力补偿器时，管柱需要的最小补偿伸长量随管柱温度和长度的增加而增加，但增加趋势变缓。该计算理论可用于指导热采井套损防治的方案设计和施工作业。

稠油热采；管柱预应力；套管热力补偿器

对于稠油常采用蒸汽吞吐和蒸汽驱等热采生产方式。在稠油热采过程中，若管柱温度变化引起的热应力或残余应力超过套管屈服强度时，管柱产生塑性变形或断裂。辽河油田稠油以热采为主，热采过程中套损严重，套损井占总井数的12.67%［1］。因此，研究稠油热采井套损机理、防治措施及计算理论，对于解决稠油热采井套管损坏问题具有重要意义。

1 热采井套损机理及防治措施

稠油热采井完井方式以套管射孔完井和筛管完井为主。对于射孔完井，套管被水泥环封固，限制了两者之间由管柱热胀冷缩产生的相对位移；对于筛管完井，完井工具（尾管悬挂器、套管外封隔器等）或地质因素（泥岩段等）限制了筛管长度的自由变化。

当套管与水泥环粘结强度不够或筛管完井时，管柱能够与裸眼产生相对位移，若管柱在注汽过程中由于温度升高生成压应力超过套管压缩屈服强度时，套管会因发生塑性变形而产生损坏。

若套管固井质量良好或其它完井工具锚定管柱能力足够强，则管柱在温度变化过程中产生的应力不能使管柱与裸眼产生相对位移。①当管柱在注汽过程中由于温度升高生成压应力未超过套管压缩屈服强度，管柱在焖井降温过程中，不会产生残余应力，即套管不会发生损坏。②当管柱在注汽过程中由于温度升高生成压应力超过压缩屈服强度时，管柱在焖井阶段温度降到初始温度时，管柱由于单向累计效应会形成残余拉伸应力，由于鲍辛格效应，随着注汽轮次的增加，该残余拉伸应力会越来越大，当该应力超过套管拉伸屈服强度时，套管就会发生损坏。稠油热采井套管损坏主要是由温度降低过程中形成的残余应力产生的［2］，因此主要应从以下两方面采取措施。

（1）设置提拉预应力。套管射孔完井主要通过设置提拉预应力，使管柱高温时热应力小于管柱压缩屈服强度，防止套损现象的产生。预应力完井主要工具为地锚［3］，工作原理为：地锚在下井时连接在管柱最下端，下到井底后开泵循环，然后进行正常固井作业，当胶塞碰压后坐到地锚上部胶塞座上，然后缓慢憋压到设计值，剪断销钉，地锚胶塞座下移推动中心管和连杆组撑开双级锚爪，使双级锚爪嵌入井壁，然后在憋压状态下井口提拉预应力到设计载荷或长度后候凝，完成套管预应力完井作业。

（2）下入套管热力补偿器。筛管完井主要通过下入套管热力补偿器［4］补偿管柱在温度升高过程中产生的热伸长，即可防止热应力超过套管压缩屈服强度引起塑性变形，又可防止焖井过程中残余应力的形成。套管热力补偿器内通径设计为配合使用的套管内通径，外径设计为与裸眼井径相适应且保证环空间隙满足固井需要。套管热力补偿器工作原理为：注汽过程中当管柱受热产生的热应力达到设计值时，剪断安全销钉，中心管和外管产生相对位移，使管柱不产生压应力或将压应力控制在套管压缩屈服强度极限内，防止热应力损坏套管。

2 计算理论

2.1 提拉预应力

预应力完井技术需要对套管柱施加的最小预拉力和最小拉伸长度进行设计计算［5］。

套管热伸长受水泥环约束产生的热应力为：

式中：σ为套管热应力，MPa；λ为钢材线膨胀系数，1／℃；E为钢材弹性模量，MPa；ΔT为管柱温度增加值，℃。

套管柱需施加的最小预拉力为：

式中，Fmin为套管柱应施加的最小预拉力，N；σs为套管压缩屈服强度，MPa；S为套管横截面积，mm2。

套管柱在最小预拉力下的拉伸长度为：

式中，ΔLmin为套管柱最小拉伸长度，mm；L为管柱长度，mm。

2.2 下入套管热力补偿器

下入套管热力补偿器前，需要对套管热应力补偿器补偿能力和补偿后管柱热应力进行设计计算。

温度变化使管柱产生的伸长量为：

式中，ΔL为温度效应引起的管柱伸长量，mm。

套管热应力补偿器需要的最小补偿能力为：

式中，Lmin为套管热应力补偿器需要的最小补偿能力，mm。

等效温度定义为将套管热力补偿器的补偿能力转换为管柱温度变化后，将管柱初始温度修正后得到的温度。

式中，T1为管柱初始温度，℃；T1′为管柱补偿后的等效初始温度，℃。

下入套管热应力补偿器后，温度变化使管柱产生的热应力为：

式中，F为温度效应引起的管柱轴向热应力，N；A为管柱的横截面积，mm2；T2为管柱注汽时最高温度，℃。

由式（1）～（7）可知，上述计算理论与套管屈服强度、弹性模量及线膨胀系数密切相关，而这些参数又随温度的变化而变化。

3 计算实例

3.1 提拉预应力

以7"套管（钢级N80，壁厚9.19mm，管柱长度500m，管柱初始温度20℃）为研究对象，采用上述理论进行模拟计算。管柱热应力计算结果见图1，可见管柱热应力随管柱温度升高先增加后降低，在管柱温度为300℃达到最大值1148.3kN。管柱最小拉伸力和最小拉伸长度计算结果见图2，当管柱温度小于200℃时，由于管柱热应力小于套管压缩屈服强度，不需要对管柱提拉预应力；当管柱温度达到300℃时，管柱需要提拉最小预应力和最小拉伸长度达到最大值。在实际拉伸预应力作业过程中，须保证整个作业过程不能产生套损现象，因此若设计注汽温度为350℃时也应该按300℃工况进行设计计算。

图1 管柱热应力计算结果

图2 预应力完井计算结果

3.2 下入套管热力补偿器

以7"套管（钢级N80，壁厚9.19 mm，管柱长度100～400 m，管柱初始温度20℃）为对象，采用上述理论进行模拟计算，计算结果见图3和图4。由图可知，管柱自由伸长量随管柱温度和长度的增加而增加，但增加趋势变缓。长度为100 m、200 m、300 m和400 m管柱在350℃时自由伸长量分别为775 mm、1 550 mm、2 325 mm和3 101 mm，需要下入补偿器的最小补偿伸长量分别为438 mm、876 mm、1 314 mm和1 753 mm。

图3 管柱自由伸长量计算结果

图4 补偿器补偿能力计算结果

4 结论

本文在研究稠油热采井套管损坏机理的基础上，考虑管柱温度影响，给出了提拉预应力和下入套管热应力补偿器两种套损防治措施的设计计算理论，并进行了模拟计算，计算结果表明：

（1）当采用提拉预应力套损防治措施时，管柱需要的提拉最小预应力和最小拉伸长度随管柱温度先升高后降低，在实际设计计算过程中须保证整个作业过程不能产生套损现象。

（2）当采用下入套管热应力补偿器套损防治措施时，管柱最小补偿伸长量随管柱温度和长度的增加而增加，但增加趋势变缓。

［1］ 余雷，薄岷.辽河油田热采井套损防治新技术［J］.石油勘探与开发，2005，32（1）：116－118.

［2］ 孙凯，李黔，聂海光.热采井套管残余应力计算新方法［J］.石油矿物机械，2008，37（12）：48－51.

［3］ 吕瑞典.油气开采井下作业及工具［M］.北京：石油工业出版社，2008：105－112.

［4］ 孙迎春.热应力补偿器在超稠油开发中的应用［J］.特种油气藏，2002，9（6）：51－53.

［5］ SY／T 5729－1995.稠油热采井固井作业规程［S］.1995.

［6］ 王会兆，马兆忠.热采井温度对套管性能的影响及预应力值计算方法［J］.钢管，2007，36（8）：24－27.

According to the study of heavy oil thermal recovery casing damage mechanism，two casing damage prevention computation theory of pipe string pulling up prestress and casing thermal compensator are made.Simulation results show that：when set pulling up prestress，the minimum pulling prestressed needed for pulling pipe string and minimum tensile length increased firstly，then decreased with the increasing of pipe string temperature；when using the casing thermal stress compensator，the required minimum compensation increased with the increasing of pipe string temperature and length，but the increasing tends slow.The computation theory can be used to guide the thermal recovery wells casing damage prevention design and construction work.

122Heavy oil thermal recovery casing damage prevention measures and computation theory

Zhao Xuliang（Drilling and Production Technology Institute of Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010）

Heavy oil thermal recovery；pipe string prestress；casing thermal compensator

TE358

A

1673－8217（2012）04－0122－03

2012－02－21

赵旭亮，工程师，1981年生，2009年毕业于东北大学，获工学博士学位，现从事井下工具设计研究工作。

李金华