新型充填式套管补偿器研制与应用

2013-01-12刘永顺董建国伊西峰

石油矿场机械 2013年1期

刘永顺，董建国，伊西峰，吕玮，孙骞

（胜利油田采油工艺研究院，山东东营257000） ①

与水平井套管射孔完井相比，水平井裸眼防砂完井［1］提高了油井的完善程度，降低了完井成本，特别是由于其注汽压力低、吸气能力强、产液能力大、热能利用率高，在稠油油藏中进行了大规模应用。自2006年以来，该技术在胜利油田应用了1 000多口井，其中绝大多是热采水平井。但是，该技术在草桥油田草27块应用时，多口井出现了筛管断裂问题，严重制约了这一技术的推广应用。为此，对该区块套损原因进行了分析，并研制出了一种有效的补偿手段。

1 草27块套损原因分析［2－8］

1）该区块采用整体水平井开发，水平段长度200m，间距200m。TP110H套管不同温差和长度下对应的套管柱伸长量如表1所示，可以看出：在320℃的注汽温度下，套管伸长量达0.768m。

2）该储层岩性主要为砾状、含砾不等粒砂岩，油质胶结，且胶结松散；钻井时轨迹控制困难，井眼扩大严重。

3）在注汽过程中，油质胶接结构破坏，地层吐砂严重，即使钻井时留下足够长度口袋，但口袋很容易被松散的胶结物埋死，构成底部约束。

因此，注汽过程中强大的热应力使得套管伸长量无法释放，弯曲变形，在井眼不规则处（例如井径扩大处）发生轴向失稳，导致屈曲破坏。

表1 TP110H套管不同温差和长度下对应的套管柱伸长量 m

前期在筛管段增加了位移补偿器，初步设计60～80m均布，并选择在井径较大的位置附近布置，但由于下入过程遇阻，销钉提前被剪断，失去了补偿作用，实施效果不理想。

为此，研制了一种新型的充填式套管补偿器，有效改善了管柱受热膨胀导致的套损问题。

2 充填式补偿器的研制

目前，现场应用的是剪切式套管热应力补偿器［9］，通过补偿器上的剪钉来控制补偿动作，即当管柱受热应力发生轴向位移时，补偿器剪钉断开，工具补偿部位收缩实现补偿功能。但在现场试验中发现：部分水平井钻井过程中井径处理不规则，管柱在下入过程中有遇阻现象，而强行下钻时管柱上产生的作用力可能将管串中的补偿器销钉剪断而使其提前动作，失去补偿作用。通过反复分析论证，设计了一种新型温控式套管补偿器。设计方案为通过温控材料来控制补偿动作，即在管柱下入过程及注汽生产前补偿器保持稳定；而在注气过程有热应力产生时温控材料熔化，补偿部位失去束缚进行位移补偿，以保护套管不发生失稳破坏。

2.1 工具结构

温控式套管补偿器主要由上接头、外筒、温控材料、中心管组成，其结构组成如图1。

图1 温控式套管补偿器结构

2.2 工作原理

热采水平井注气时，水平段管柱受热而使管串中补偿器内部温度上升，温度超过80℃后，内部的温控材料熔化，补偿器内筒和中心管之间所受约束力消失。当水平段管柱受热膨胀而发生轴向位移时，补偿器进行轴向位移补偿，释放管柱产生的热应力，从而使水平段管柱保持稳定，防止发生失稳破坏。

2.3 性能特点

1）工具结构上无剪钉，结构简单，装配方便。

2）创新性提出通过温度控制温控材料的形状来控制补偿器是否进行位移补偿。

3）补偿器在管柱下入过程中不会发生提前补偿。

3 材料优选与室内试验

3.1 温控材料优选

3.1.1 石蜡、松香、聚氯乙烯材料的试验

经过对相关资料的查询和对比，尤其是材料熔点和充填可行性的筛选，初步选择石蜡、松香和聚氯乙烯3种物质作为温控材料，并展开试验研究。为了了解3种材料的熔化点，对其分别进行加温试验。将3种材料至于透明烧杯中，分别放置于烘箱内加热，观察它们在不同温度下形态的变化，具体试验数据如表2。

表2 温控材料熔化温度试验数据

由试验数据可以看出：聚氯乙烯从固态直接气化，而且所需温度太高，首先被淘汰；对于石蜡，其熔化温度过低，较低温度下就开始软化，会使补偿器提前解除约束力，不是理想温控材料；相比之下，松香的温度条件比较符合要求，是可以考虑进行充填使用的材料。但松香没有固定的熔点，熔化温度范围较宽。

3.1.2 低熔点合金的试验

在重新搜索中，发现低熔点合金是适合的温控材料。低熔点合金为一种特制的多元共晶金属，熔点通常在150℃以下，熔化范围较精确，凝固后可马上投入生产使用，且热膨胀系数相当低，而且其产品已经成熟化、系列化，材料可选则的范围较广。

根据现场应用要求的需要，选取标定80℃熔化的低熔点合金进行材料试验，并对其进行加温试验。将低熔点合金置于透明烧杯中，置入烘箱内加热至80℃，经过观察，在80.5℃开始熔化，熔点较为稳定，误差在1℃以内，熔化温度条件符合要求。

温控材料不仅需要在温度选择方面符合要求，还需要在管柱下入过程中承受较大的作用力而不被破坏。因此，在温度试验的基础上，又进一步开展了温控材料的强度评价试验。为了模拟补偿器的受力情况，制作了温控补偿器的模拟试样来检验材料的强度，如图2所示。

图2 补偿器小样示意

将低熔点合金置于补偿器小样中，用额定压力为30kN的千斤顶向充填部位的材料施加压力，期间材料未被挤出。为了取得更严谨的试验数据，将充填好低熔点合金的小样置于整机试验装置上进行强度试验，控制压力设备均匀向补偿器小样施加压力110kN，小样中的补偿件在向下运动1.2cm后不再发生位移，低熔点合金未从充填空间被挤出。

通过对试验小样进行分析，认为补偿器小样在整机试验装置上产生位移的原因主要是因为低熔点合金材料在充填空间内未被充实所致，当其完全充实后，是可以承受较大压力的。

对补偿器小样的受力情况进行计算，折算到温控式热力补偿器可承受的压力≥633kN。通过将试验数据进行对比折算，可得温控式热力补偿器可承受的压力＞600kN，完全符合现场施工要求。