双管注汽工艺条件下热采井套管变形计算方法研究

李佳 谢仁军 郭华 刘加伟 贾立新 邢欢

(1.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京 102200;2.中海油研究总院,北京 100027)

双管注汽工艺条件下热采井套管变形计算方法研究

李佳1谢仁军2郭华2刘加伟1贾立新1邢欢1

(1.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京 102200;2.中海油研究总院,北京 100027)

双管注气工艺可以实现注入、放喷、机采共用一趟管柱,减少动管柱作业的次数,减少了作业费用,降低成本。该技术是老油田挖潜稳产增产的重要技术手段,也为新开发油田生产完井开辟了一个新的完井模式,具有广阔的推广应用前景。但双管注气工艺同时也将伴随着井下复杂的套损问题。因此研究双管注气工艺套管载荷分布,建立完善的套管变形计算模型对井下作业安全具有重要意义。

双管注气工艺 注采一体 套损 套管变形

双管注气工艺即同井注采一体化技术,可实现原井的单一注入或单一采出功能多样化,达到油田在不增钻新井的情况下,通过技术创新达到新增钻井的功效。但分析双管注气的管柱结构,除要考虑上述常规注气热采井的套管内压载荷、外挤载荷及轴向载荷,另外需对套管在注采作业过程中由温差引起的套管残余应力进行特殊分析。本文基于常规注气热采井的套管变形计算方法,并对拉伸-压缩的循环载荷进行重点分析,推导出了完整的双管注气工艺条件下热采井套管变形计算模型,该模型稳定可靠,易于求解。

1 载荷分析

(1)内压载荷。在注汽阶段,不是全管段都有内压载荷的作用,只有管底端的封隔器以下才有蒸汽压力载荷,在封隔器以下部分设计中需考虑注汽压力的影响。设设i为套管柱轴向上的任意点,不计环空外压的抵消作用,则有:

(2)外挤载荷。

1) 浮体阶段外挤载荷。

作用在套管上的外挤载荷为:

2) 注汽阶段径向热膨胀外挤载荷。

在注汽阶段,由于套管受热膨胀受到水泥的约束,在径向上会受到水泥挤压作用。为简化计算起见,假定当套管柱的温度达到最高状态时,水泥环及围岩的温度升高忽略不计,从而将它们对套管柱的约束处理成沿套管轴连续分布的径向、轴向弹簧约束(见图4.29),相应的弹簧系数可以根据岩石性质近似定出。依此假设条件得到的挤压载荷为。

(3)轴向载荷。

从广义上来讲,与轴向应力有关的载荷统称为轴向载荷。最常见的轴向载荷来自井眼内液体的浮力和套管柱自身的重力,它们的方向是确定的。弯曲井眼内的套管柱总受到弯矩的作用,弯矩引起的应力为轴向应力,因此弯曲载荷也广义地归纳为轴向载荷。由于研究对象是垂直井的套管受力,所以套管没有弯曲载荷的作用。

1)浮体阶段轴向载荷。计算轴向力历来有两种方法:压力面积法和浮力系数法。除管柱最顶端断面外,对其他所有断面来说,两种方法的计算结果是不相同的。由于本文采用双向应力椭圆理论进行组合强度设计,所以使用压力面积法求解轴向力。在浮体阶段,断面a处的轴向应力为:

2)注汽阶段轴向热膨胀轴向应力。注汽使套管受热膨胀,由于被水泥锚死,因此轴向上会产生热应力,由于受热产生的轴向应力为:

3)水泥环摩擦力对套管柱的轴向力的影响。在热应力补偿器附近由于套管柱相对于水泥环有轴向位移,因此必然受到摩擦约束。摩擦力大小及其分布区间的长度,与热应力补偿器上、下套管的温差及第一界面窜漏情况有关。如果水泥环严重损坏,有大量蒸汽和液体窜流,则摩擦力可以忽略不计。一般情况下,由于摩擦力的影响,套管活动段长度及台阶阻力都会变小一些,而套管的轴向力会变大一些。有摩擦力影响的套管轴向力为

(4)累积残余应力计算模型。一个蒸汽吞吐循环周期包括蒸汽注入、焖井和采油3个阶段。注入阶段是一个快速升温的过程,由于套管在井下被水泥完全封固,在受热膨胀的过程中不能自由伸长,在套管上会产生很大的压应力;焖井和采油2个阶段由于没有热蒸汽从井口注入,井筒温度会不断降低,直到接近地层原始温度,在这2个阶段套管会产生较大的残余拉应力。

1)第1个循环周期残余应力计算。在套管热应力计算公式的基础上利用分段函数得到第1个循环周期的应力计算式。在应力的计算过程中,拉伸应力为正,压缩应力为负。由热应力计算理论可得:

2)任意循环周期残余应力计算。由第1个循环周期的残余应力,可以根据单向累积效应得到任意循环周期残余应力的计算式。

根据拉伸-压缩时的单向累积效应理论,当平均应力不为零时,也就是在非对称循环载荷作用下,在控制应力的拉伸-压缩时,渐进变形(单向累积效应)将会发生。每个循环的渐进变形可表示为

式中,γ、C、k为材料特性系数,可以由循环塑性特性系数表查得; Δε 为循环的渐进变形,由单向累积效应理论可得循环渐进应力为

由此可得到任意循环周期的应力应变,同样也可以得到每一个周期的残余应力。

2 模型建立

(1)内压力和外挤力的作用下套管上的应力:

(2)轴向载荷:

(3)轴向位移:

3 套管强度校核

由Von Mises强度破坏理论可得:若对于所有的r,θ,z都满足:

则套管处于安全状态。

若对于某点满足:

则套管处于塑性屈服状态。

4 结语

本文建立了双管注气条件下稠油热采井的力学、数学模型,比较全面地考虑了双管注气作业时受到的各种作用因素,根据流体力学、弹性力学等理论推导出双管注气工艺条件下稠油热采井套管变形计算方法。

双管注气管柱在压差、浮重、摩擦力、温差和膨胀综合作用下发生变形,对其使用和安全性能产生影响; 在实际工程中,由于套管和管柱的摩擦作用以及井斜角的影响,双管注气管柱的实际变形量要小于理论计算值; 当套管变形伸长到一定值时,需要做管柱的变形补偿设计。

国家科技重大专项“海上稠油热采井口升高控制技术研究”(2011ZX05024-005-007);“海上热采井口升高监测技术及方案研究”。

谢仁军(1983—),男,陕西人,2009年硕士毕业于中国石油大学(北京),工程师,现主要从事海洋石油钻井技术研究。