稠油热采井用防砂筛管温度效应试验研究
2017-12-06，，，，，，，，
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(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 西安 710077；2.中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000)
稠油热采井用防砂筛管温度效应试验研究
潘志勇1，韩礼红1，王建军1，龙岩1，谢俊峰2，宋成立1，李孝军1，王华2，杨鹏1
(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 西安 710077；2.中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000)
通过对稠油热采井用防砂筛管试样进行温度载荷试验和温度循环试验，得出了试样在高温条件下的极限轴向压缩载荷，了解了高温及交变热应力对防砂筛管轴向热伸长性能的影响规律，计算出了筛管的轴向热膨胀系数。
防砂筛管；温度载荷；温度循环；交变热应力；热膨胀系数；试验研究
0 引 言
目前，全球非常规油气资源量是常规油气资源量的4倍，非常规油气资源的开发潜力巨大，重油、致密油、煤层气正成为非常规油气发展的重要领域。而我国稠油储量丰富，随着国内油气资源需求逐年快速增长，稠油开采得到重视并快速发展。国内稠油主要采用注蒸汽进行开采，但由于开采过程中存在高温及温度循环，产生的高温蠕变及交变热应力载荷对管柱安全影响较大，我国的渤海油田、新疆油田、辽河油田稠油井管柱损坏严重，套管出现变形、缩径、泄露、错断、滑脱、断裂等失效[1-4]，防砂筛管出现开裂、破裂、弯曲、挤毁等失效[5]，严重影响了油井产量和经济效益。
针对套管失效，国外的C-FER公司和国内的石油管工程技术研究院提出了基于应变设计的方法，而对于稠油热采井中的防砂筛管，由于其密封性几乎无要求，针对其在高温及交变热应力条件下的实验和研究较少，并且随着稠油开采工况变得苛刻以及水平井长水平段筛管的大量使用，筛管的安全性和可靠性变得越来越重要，筛管的工况适用性试验急需针对性的试验方法，另外，为预防筛管失效，必须对防砂筛管在高温及交变热应力载荷条件下的温度效应进行研究。
1 试样简介
试验筛管试样分为金属网布筛管(CMS筛管，见图1)和复合筛管(见图2)，两种筛管所用基管规格均为Φ139.7mm×7.72mm 110H-3Cr，筛管试样示意图及主要尺寸见图3，筛管类型、数量及编号见表1。
图1 CMS筛管
图2 复合筛管
图3 筛管试样主要尺寸
表1 筛管试样编号
2 温度载荷试验
温度载荷试验的目的是测定防砂筛管在高温条件下的轴向热应力载荷。将筛管下端固定在复合加载试验机底座上，筛管上端固定在复合加载试验机台架上，在加热过程中试验机活塞油缸可自由运动，即试验机台架和筛管上端处于自由状态。筛管加热到350℃后对筛管上端施加轴向压缩载荷，使筛管恢复到原始长度或开始屈曲，通过该压缩载荷大小间接得到筛管在轴向约束条件下加热过程中的温度载荷。
根据试样轴向压缩载荷和轴向伸长量建立对比曲线，如图4所示。由图4可见，CMS筛管试样W1在轴向压缩载荷超过1 820 kN后引伸计伸长量不再缩短而保持不变后增加。这是由于筛管试样发生弯曲变形导致复合加载试验机的4个油缸受力不均发生侧弯而使引伸计伸长量增加，继续增大压缩载荷，试样W1发生屈曲。同理复合筛管试样W2在轴向压缩载荷超过1 720 kN后试样开始弯曲，为避免复合加载试验机发生损坏，W2试样两端压缩载荷超过1 820 kN后停止实验。
图4 试样在350℃条件下轴向伸长量与轴向压缩载荷的对应关系
根据上述分析，CMS筛管试样W1和复合筛管试样W2在350℃条件下的极限轴向压缩载荷分别为1 820 kN和1 720 kN。
3 温度循环试验
温度循环试验的目的是研究高温及交变热应力对防砂筛管轴向热伸长的影响规律。筛管在加热和冷却过程中以及多轮次的温度循环过程中，筛管的长度随温度发生改变。引伸计支架垂直于筛管轴线固定在筛管两端，引伸计通过钢缆连接在支架上，当筛管长度发生变化时，引伸计同步反映筛管的伸长量或缩短量，引伸计在温度循环过程中的数值变化即可反映温度循环对筛管的影响。
对筛管试样加热，在不同温度点保温后记录引伸计伸长量。重复加热及降温过程，以此来评价高温及交变热应力对防砂筛管轴向热伸长的影响。CMS筛管试样Y1、Y2和复合筛管试样Y3、Y4温度循环试验步骤见表2。
为便于温度循环试验中各轮次伸长量的对比分析，以温度点为横坐标，各温度点试样伸长量为纵坐标，Y1、Y2、Y3和Y4试样温度循环试验各轮次伸长量对比图分别如图5、图6、图7和图8所示。
表2 温度循环试验步骤
注：步骤2～11为一个轮次，总共进行7个轮次并记录每一个温度点引伸计伸长量。
图5 Y1各轮次伸长量对比图
图6 Y2各轮次伸长量对比图
图7 Y3各轮次伸长量对比图
图8 Y4各轮次伸长量对比图
通过对比可见，7个轮次的温度循环过程中各温度点筛管的轴向热伸长量基本相同，微小差异可能是设备、仪器及人员因素的影响造成，在工程上可忽略不计。所以，高温及交变热应力对防砂筛管的轴向热伸长性能几乎无影响。
根据公式(1)计算筛管的热膨胀系数γ：
(1)
式中：γ为筛管的热膨胀系数，mm/℃；δavg为Y1、Y2、Y3、Y4筛管试样从室温升到350℃时伸长量的平均值，δavg=(δY1+δY2+δY3+δY4)/4=5.755mm；δY1为Y1筛管试样从室温升到350℃时的伸长量，δY1= 5.61 mm；δY2为Y2筛管试样从室温升到350℃时的伸长量，δY2=6.34 mm；δY3为Y3筛管试样从室温升到350℃时的伸长量，δY3= 5.46 mm；δY4为Y4筛管试样从室温升到350℃时的伸长量，δY4= 5.61 mm；L为筛管试样长，L=1 900 mm；T为筛管试样从室温(20℃)升到350℃时的温度差，T= 330℃。
计算得筛管的轴向热膨胀系数γ=9.18×10-6mm/℃，即当温度升高或降低1℃时，1 mm单位长度的筛管试样将伸长或缩短9.18×10-6mm。
4 结 论
1)CMS筛管试样在350℃条件下极限轴向压缩载荷为1 820 kN，复合筛管试样在350℃条件下极限轴向压缩载荷为1 720 kN。
2)高温及交变热应力对两种防砂筛管的轴向热伸长性能几乎无影响。
3)通过试验数据计算获得筛管的轴向热膨胀系数为9.18×10-6mm/℃。
4)根据温度载荷试验和温度循环试验结果可合理配置筛管柱中的热应力补偿器数量，避免筛管在温度载荷作用下失效。
[1] 潘志勇，陈 鹏，王建军，等．某井偏梯形螺纹接头脱扣原因分析[J]．金属热处理，2012，37(4)：124-127.
[2] 潘志勇，燕 铸，刘文红，等．两起套管脱扣失效的典型案例分析[J]．钻采工艺，2012，35(5)：83-86.
[3] 潘志勇，梁明华，朱丽霞，等．长圆螺纹套管接头滑脱原因分析[J]．理化检验-物理分册，2013，49(5)：320-326.
[4] 潘志勇，宋生印，刘文红，等．某井圆螺纹套管接头滑脱事故分析[J]．石油矿场机械，2011，40(12)：20-24.
[5] 潘志勇，杨成新，林 凯，等．筛管保护套破裂原因分析[C]．2016油气井管柱与管材国际会议.
ExperimentalStudyonTemperatureEffectofSandScreenUsedinHeavyOilThermalRecoveryWell
PANZhiyong1,HANLihong1,WANGJianjun1,LONGYan1,XIEJunfeng2,SONGChengli1,LIXiaojun1,WANGHua2,YANGPeng1
(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China; 2.PetroChinaTarimOilfieldCompany,Korla,Xinjiang841000,China)
The temperature load test and temperature cycle test were conducted on the sand screen sample used in the heavy oil thermal recovery well. The maximum axial compressive load of sample at high temperature was gotten. The sand screen’s axial thermal extension regularity influenced by the high temperature and the alternating thermal stress was acquired. The sand screen’s axial coefficient of thermal expansion was obtained from the test data.
sand control screen; temperature load; temperature cycle; alternating thermal stress; coefficient of thermal expansion; experimental study
潘志勇，男，1976年生，高级工程师，2006年毕业于中国石油大学(北京)并获硕士学位，主要从事管柱力学计算、特殊螺纹接头设计开发、油套管工况适用性评价等方面的研究工作以及石油管材与装备的失效分析和预防。E-mail：panzy@cnpc.com.cn
TE358+.1
A
2096-0077(2017)05-0040-04
10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.010
2016-03-20编辑姜 婷)
