李佳 謝仁軍 郭華 劉加偉 賈立新 邢歡

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102200;2.中海油研究總院,北京 100027)

雙管注汽工藝條件下熱采井套管變形計(jì)算方法研究

李佳1謝仁軍2郭華2劉加偉1賈立新1邢歡1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102200;2.中海油研究總院,北京 100027)

雙管注氣工藝可以實(shí)現(xiàn)注入、放噴、機(jī)采共用一趟管柱,減少動(dòng)管柱作業(yè)的次數(shù),減少了作業(yè)費(fèi)用,降低成本。該技術(shù)是老油田挖潛穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要技術(shù)手段,也為新開(kāi)發(fā)油田生產(chǎn)完井開(kāi)辟了一個(gè)新的完井模式,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。但雙管注氣工藝同時(shí)也將伴隨著井下復(fù)雜的套損問(wèn)題。因此研究雙管注氣工藝套管載荷分布,建立完善的套管變形計(jì)算模型對(duì)井下作業(yè)安全具有重要意義。

雙管注氣工藝 注采一體 套損 套管變形

雙管注氣工藝即同井注采一體化技術(shù),可實(shí)現(xiàn)原井的單一注入或單一采出功能多樣化,達(dá)到油田在不增鉆新井的情況下,通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新達(dá)到新增鉆井的功效。但分析雙管注氣的管柱結(jié)構(gòu),除要考慮上述常規(guī)注氣熱采井的套管內(nèi)壓載荷、外擠載荷及軸向載荷,另外需對(duì)套管在注采作業(yè)過(guò)程中由溫差引起的套管殘余應(yīng)力進(jìn)行特殊分析。本文基于常規(guī)注氣熱采井的套管變形計(jì)算方法,并對(duì)拉伸-壓縮的循環(huán)載荷進(jìn)行重點(diǎn)分析,推導(dǎo)出了完整的雙管注氣工藝條件下熱采井套管變形計(jì)算模型,該模型穩(wěn)定可靠,易于求解。

1 載荷分析

(1)內(nèi)壓載荷。在注汽階段,不是全管段都有內(nèi)壓載荷的作用,只有管底端的封隔器以下才有蒸汽壓力載荷,在封隔器以下部分設(shè)計(jì)中需考慮注汽壓力的影響。設(shè)設(shè)i為套管柱軸向上的任意點(diǎn),不計(jì)環(huán)空外壓的抵消作用,則有:

(2)外擠載荷。

1) 浮體階段外擠載荷。

作用在套管上的外擠載荷為:

2) 注汽階段徑向熱膨脹外擠載荷。

在注汽階段,由于套管受熱膨脹受到水泥的約束,在徑向上會(huì)受到水泥擠壓作用。為簡(jiǎn)化計(jì)算起見(jiàn),假定當(dāng)套管柱的溫度達(dá)到最高狀態(tài)時(shí),水泥環(huán)及圍巖的溫度升高忽略不計(jì),從而將它們對(duì)套管柱的約束處理成沿套管軸連續(xù)分布的徑向、軸向彈簧約束(見(jiàn)圖4.29),相應(yīng)的彈簧系數(shù)可以根據(jù)巖石性質(zhì)近似定出。依此假設(shè)條件得到的擠壓載荷為。

(3)軸向載荷。

從廣義上來(lái)講,與軸向應(yīng)力有關(guān)的載荷統(tǒng)稱(chēng)為軸向載荷。最常見(jiàn)的軸向載荷來(lái)自井眼內(nèi)液體的浮力和套管柱自身的重力,它們的方向是確定的。彎曲井眼內(nèi)的套管柱總受到彎矩的作用,彎矩引起的應(yīng)力為軸向應(yīng)力,因此彎曲載荷也廣義地歸納為軸向載荷。由于研究對(duì)象是垂直井的套管受力,所以套管沒(méi)有彎曲載荷的作用。

1)浮體階段軸向載荷。計(jì)算軸向力歷來(lái)有兩種方法:壓力面積法和浮力系數(shù)法。除管柱最頂端斷面外,對(duì)其他所有斷面來(lái)說(shuō),兩種方法的計(jì)算結(jié)果是不相同的。由于本文采用雙向應(yīng)力橢圓理論進(jìn)行組合強(qiáng)度設(shè)計(jì),所以使用壓力面積法求解軸向力。在浮體階段,斷面a處的軸向應(yīng)力為:

2)注汽階段軸向熱膨脹軸向應(yīng)力。注汽使套管受熱膨脹,由于被水泥錨死,因此軸向上會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,由于受熱產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為:

3)水泥環(huán)摩擦力對(duì)套管柱的軸向力的影響。在熱應(yīng)力補(bǔ)償器附近由于套管柱相對(duì)于水泥環(huán)有軸向位移,因此必然受到摩擦約束。摩擦力大小及其分布區(qū)間的長(zhǎng)度,與熱應(yīng)力補(bǔ)償器上、下套管的溫差及第一界面竄漏情況有關(guān)。如果水泥環(huán)嚴(yán)重?fù)p壞,有大量蒸汽和液體竄流,則摩擦力可以忽略不計(jì)。一般情況下,由于摩擦力的影響,套管活動(dòng)段長(zhǎng)度及臺(tái)階阻力都會(huì)變小一些,而套管的軸向力會(huì)變大一些。有摩擦力影響的套管軸向力為

(4)累積殘余應(yīng)力計(jì)算模型。一個(gè)蒸汽吞吐循環(huán)周期包括蒸汽注入、燜井和采油3個(gè)階段。注入階段是一個(gè)快速升溫的過(guò)程,由于套管在井下被水泥完全封固,在受熱膨脹的過(guò)程中不能自由伸長(zhǎng),在套管上會(huì)產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力;燜井和采油2個(gè)階段由于沒(méi)有熱蒸汽從井口注入,井筒溫度會(huì)不斷降低,直到接近地層原始溫度,在這2個(gè)階段套管會(huì)產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力。

1)第1個(gè)循環(huán)周期殘余應(yīng)力計(jì)算。在套管熱應(yīng)力計(jì)算公式的基礎(chǔ)上利用分段函數(shù)得到第1個(gè)循環(huán)周期的應(yīng)力計(jì)算式。在應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程中,拉伸應(yīng)力為正,壓縮應(yīng)力為負(fù)。由熱應(yīng)力計(jì)算理論可得:

2)任意循環(huán)周期殘余應(yīng)力計(jì)算。由第1個(gè)循環(huán)周期的殘余應(yīng)力,可以根據(jù)單向累積效應(yīng)得到任意循環(huán)周期殘余應(yīng)力的計(jì)算式。

根據(jù)拉伸-壓縮時(shí)的單向累積效應(yīng)理論,當(dāng)平均應(yīng)力不為零時(shí),也就是在非對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷作用下,在控制應(yīng)力的拉伸-壓縮時(shí),漸進(jìn)變形(單向累積效應(yīng))將會(huì)發(fā)生。每個(gè)循環(huán)的漸進(jìn)變形可表示為

式中,γ、C、k為材料特性系數(shù),可以由循環(huán)塑性特性系數(shù)表查得; Δε 為循環(huán)的漸進(jìn)變形,由單向累積效應(yīng)理論可得循環(huán)漸進(jìn)應(yīng)力為

由此可得到任意循環(huán)周期的應(yīng)力應(yīng)變,同樣也可以得到每一個(gè)周期的殘余應(yīng)力。

2 模型建立

(1)內(nèi)壓力和外擠力的作用下套管上的應(yīng)力:

(2)軸向載荷:

(3)軸向位移:

3 套管強(qiáng)度校核

由Von Mises強(qiáng)度破壞理論可得:若對(duì)于所有的r,θ,z都滿(mǎn)足:

則套管處于安全狀態(tài)。

若對(duì)于某點(diǎn)滿(mǎn)足:

則套管處于塑性屈服狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了雙管注氣條件下稠油熱采井的力學(xué)、數(shù)學(xué)模型,比較全面地考慮了雙管注氣作業(yè)時(shí)受到的各種作用因素,根據(jù)流體力學(xué)、彈性力學(xué)等理論推導(dǎo)出雙管注氣工藝條件下稠油熱采井套管變形計(jì)算方法。

雙管注氣管柱在壓差、浮重、摩擦力、溫差和膨脹綜合作用下發(fā)生變形,對(duì)其使用和安全性能產(chǎn)生影響; 在實(shí)際工程中,由于套管和管柱的摩擦作用以及井斜角的影響,雙管注氣管柱的實(shí)際變形量要小于理論計(jì)算值; 當(dāng)套管變形伸長(zhǎng)到一定值時(shí),需要做管柱的變形補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“海上稠油熱采井口升高控制技術(shù)研究”(2011ZX05024-005-007);“海上熱采井口升高監(jiān)測(cè)技術(shù)及方案研究”。

謝仁軍(1983—),男,陜西人,2009年碩士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京),工程師,現(xiàn)主要從事海洋石油鉆井技術(shù)研究。