彈性套管保護套設(shè)計及應(yīng)用方法

章婭菲，竇益華，祁珊珊

(西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院, 陜西 西安 710065)

石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，是保證鉆井和完井后整個油井正常運行的生命線。然而，水泥環(huán)缺陷、偏心或膠結(jié)不好均會影響套管的承載能力。對于強度較低、流變性較大的泥巖、鹽巖地層，泥巖吸水軟化后，地層的非均布載荷更易影響到套管安全[1-2]。在頁巖地層尤其是水平井壓裂過程中，套管變形也是最棘手的問題之一[3]。大慶、中原、江漢、勝利、華北、塔里木等油田都發(fā)生過套管擠毀事件，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

在鉆井工程中，套管與井眼之間一般都有特定的匹配關(guān)系，理想狀態(tài)下水泥環(huán)的厚度為常數(shù)，但實際上隨著井下溫度與壓力的變化，套管、水泥石環(huán)、井眼之間的匹配關(guān)系經(jīng)常發(fā)生變化，偏離設(shè)計工況[4]。當(dāng)井下壓力降低時，水泥石環(huán)與套管壁變形不協(xié)調(diào)，形成微環(huán)隙，造成氣竄通道[5]。當(dāng)井下溫度降低時，水泥石環(huán)與套管體積收縮量不一致，也會形成微環(huán)隙，造成氣竄通道[6]。自從固井注水泥作業(yè)實施以來，氣竄就一直是困擾固井作業(yè)的一大難題。據(jù)估計，大約有25%的井在完井過程中存在氣竄。一旦發(fā)生氣竄，即使花費大量的人力物力，也很難修復(fù)到原有的層間封固狀態(tài)。

為有效解決套管因地應(yīng)力改變而導(dǎo)致的變形問題，并改善套管與水泥石環(huán)間的氣竄風(fēng)險，作者利用具有超彈體積形變能力的納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[7-8]，設(shè)計了一種彈性套管保護套，研究了所包覆的納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)配方的選取方法。該套管保護套緊密包裹在套管外側(cè)，具有能夠根據(jù)所處工作環(huán)境的溫度、壓力變化調(diào)節(jié)自身形狀和體積的特性。這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能一方面能夠有效提高套管抗內(nèi)擠與抗外壓的能力；另一方面，也能夠密封套管與水泥石環(huán)之間的微縫隙，減小氣竄風(fēng)險，提高套管與水泥石環(huán)之間的匹配關(guān)系。

本文從納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作原理、彈性套管保護套設(shè)計思路及應(yīng)用方法幾方面來介紹這種新型彈性套管保護套的設(shè)計及應(yīng)用方案。

1 納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作原理

納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由憎水性納米多孔介質(zhì)與非浸潤的液體混合封裝后組成。在一個完整的壓力升高然后降低的循環(huán)周期內(nèi)，典型的納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的壓力-體積特性曲線如圖1所示。

在加壓初期，壓力較低，由于表面張力的作用，液體被擋在納米多孔介質(zhì)孔道的孔口，無法進入到納米孔內(nèi)部，如圖1所示第一階段。此時納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的壓力-體積特性基本呈線性，系統(tǒng)形變量為納米多孔介質(zhì)與液體的混合液的彈性形變的總和。當(dāng)外界所施加壓力達到液體克服液固表面張力的臨界壓力(即上壓力閥值Pin)時，液體開始進入到納米多孔介質(zhì)孔道內(nèi)部，如圖1所示第二階段。隨著壓力的繼續(xù)增大，液體源源不斷地流入多孔材料的孔道中去，而系統(tǒng)壓力變化十分微小，對應(yīng)圖1所示第三階段，此時的壓力-體積特性曲線則呈現(xiàn)一個壓力平臺，稱為進孔平臺。當(dāng)多孔介質(zhì)孔道被填滿后，進一步增大壓力，系統(tǒng)的壓力-體積特性曲線又急劇上升，與第一階段液體未進孔時相同。

圖1 納米流控系統(tǒng)壓力-體積特性曲線示意圖

若減小外界壓力，當(dāng)減小到一定值后，由于系統(tǒng)中選用的納米多孔介質(zhì)為憎水性材料，液體會在液固兩相間斥力的推動下流出納米孔道，此時系統(tǒng)的壓力-體積特性如圖1中壓力-體積特性曲線的出孔平臺所示。

2 彈性套管保護套結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文基于納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)獨特的壓力-體積變化特性，設(shè)計了一種彈性套管保護套，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為懸浮液，因此需要先將其包覆起來并選擇力學(xué)性能優(yōu)良的骨架進行支撐才可使用。所設(shè)計的套管保護套由包覆層和超彈結(jié)構(gòu)層組成。包覆層采用耐介質(zhì)耐高溫材料(如丁晴橡膠)制作，起到對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的初級保護作用。超彈結(jié)構(gòu)層由主體骨架封裝納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。圖2中右側(cè)給出了幾種骨架結(jié)構(gòu)。以空心小體積堆聚而成的骨架結(jié)構(gòu)主要具有支撐及包覆兩方面功能。這種空心骨架結(jié)構(gòu)不僅能將納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)封裝其中，保證套管保護套以固定的形態(tài)呈現(xiàn)，且封裝了液體以后的骨架結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能優(yōu)于同等排布方式下未填充液體的空心骨架結(jié)構(gòu)[9]。另外，每個小體積之內(nèi)的包覆空間相互獨立，服役過程中，一個小體積失效破裂并不影響其整體功能。

圖2 彈性套管保護套結(jié)構(gòu)示意圖

3 彈性套管保護套工作原理

鉆井施工過程中，提前將該保護套包覆在套管外圍，將保護套與套管同時下入井眼中，然后再澆筑水泥石環(huán)。水泥石環(huán)澆筑以后，由于水泥的自重堆積擠壓作用，保護套與套管壁面及水泥石環(huán)之間將緊密貼合。

主體骨架保證套管保護套具有一定的施工強度，能夠隨套管完整下入井眼而不被破壞。所設(shè)計的獨立封裝骨架結(jié)構(gòu)增加了該套管保護套的安全使用壽命。當(dāng)某一獨立小體積破損或失效后，彈性層的其余部位會迅速做出反應(yīng)，各個封裝小體積內(nèi)的液體感應(yīng)到壓力變化，自發(fā)流入或流出多孔介質(zhì)孔道，重新調(diào)整自身形態(tài)，以使壓力均勻分散至各個部位，提高套管在高溫高壓下的使用壽命。

通過調(diào)整骨架內(nèi)所包覆的納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中納米多孔介質(zhì)與液體的配方，可以保證套管保護套受壓時的工作區(qū)間在圖1所示的進孔平臺期內(nèi)。當(dāng)外層水泥石環(huán)產(chǎn)生形變擠壓套管保護套時，所包覆的液體流入多孔介質(zhì)孔道中，通過自身形狀改變平衡外界壓力，套管保護套對內(nèi)側(cè)套管、外圍水泥石環(huán)的壓力均可維持在液體進入納米多孔介質(zhì)的上壓力閥值附近。

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，不同材料熱脹冷縮程度不同將會引發(fā)水泥石環(huán)與套管間壓力的變化。所包覆的納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可對溫度與壓力的波動做出實時響應(yīng)，通過液體流入/流出納米孔道，改變自身體積變化，使得套管保護套對外壓力穩(wěn)定在一個較小范圍內(nèi)，減小套管所受壓力變化。另外，當(dāng)水泥石環(huán)與套管間間隙由于溫度變化或其他原因增大后，水泥石環(huán)與套管間壓力減小，套管保護套內(nèi)的液體流出多孔介質(zhì)孔道，通過自身體積的增量來彌補縫隙，保證密封套管與水泥石環(huán)間的間隙，降低氣竄風(fēng)險。

4 彈性套管保護套應(yīng)用方法

彈性套管保護套應(yīng)用方法主要包括納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)配方的選取方案及所采用納米多孔介質(zhì)最可孔徑的確定方法。

針對不同深度與不同地質(zhì)環(huán)境段的套管保護套，納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(納米多孔介質(zhì)與液體的混合液)配方可根據(jù)其具體工作環(huán)境分別選取，個性設(shè)計。納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的納米多孔介質(zhì)既可以為孔徑相同的同種材料，也可以為孔徑不同的多種納米多孔介質(zhì)；可將不同孔徑的納米多孔介質(zhì)與液體的混合液封裝于不同單元體中，也可將不同孔徑的納米多孔介質(zhì)與液體混合后封裝于同一單元體內(nèi)，獲得兩個或多個不同壓力下的工作區(qū)間，用以平衡同一位置出現(xiàn)的不同等級的壓力值。

首先，為保證套管保護套的可重復(fù)使用性，納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的納米多孔介質(zhì)必須為憎水性納米多孔材料，液體為非浸潤性液體。如此才能保證液體被壓入多孔介質(zhì)孔道后，能夠在外壓撤離的情況下自發(fā)流出納米孔道。

所設(shè)計的套管保護套的主要工作性能參數(shù)為上壓力閥值Pin。套管保護套的壓力閥值Pin取決于骨架內(nèi)所包覆的納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的配方，而對于一個納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，Pin主要與所選用的液固兩相間的浸潤性及納米多孔介質(zhì)孔徑相關(guān)。在保證了液固兩相相互不浸潤的前提下，通過調(diào)節(jié)納米多孔介質(zhì)的孔道大小來獲得具有不同工作特性的套管保護套是一種非常簡便的方法。當(dāng)選定納米多孔介質(zhì)與液體后，需根據(jù)工作條件，計算出納米多孔介質(zhì)的孔徑，以保證其工作性能。

設(shè)已知施工條件，先根據(jù)管柱力學(xué)分析計算出套管所受徑向外載。根據(jù)套管所受徑向外載，結(jié)合初步選定的納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中納米多孔介質(zhì)及液體的物性，估算出應(yīng)該選擇的納米多孔材料的最可孔徑D，從而確定納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的配方。具體推導(dǎo)及計算過程如下。

楊氏方程[10]：

(1)

(2)

式中：γla為氣液界面張力；α為液固相界面接觸角。液體及納米多孔介質(zhì)初步選定后，γla和α可查。

d=D-2h

(3)

式中：h為計算液固兩相相互浸潤時納米微孔的孔徑修正參數(shù)，h=0.14 nm[11]。

將式(2)、(3)代入式(1)可得：

(4)

根據(jù)施工條件，通過管柱力學(xué)分析計算出套管所受徑向外載，從而估算出套管保護套的預(yù)期工作區(qū)間起始壓力值P，也即上壓力閥值Pin。

P=Kσr=Pin

(5)

式中：K為套管抗外擠設(shè)計安全系數(shù)，其數(shù)值在設(shè)計中根據(jù)具體應(yīng)用工況選取，結(jié)合以往管柱力學(xué)計算經(jīng)驗，建議K取1.5～2.0；σr為套管外載的徑向分量，可根據(jù)施工條件，通過管柱力學(xué)分析計算獲得。

綜合式(4)、(5)可得D：

(6)

5 彈性套管保護套應(yīng)用算例

設(shè)某井在1 000～1 100m深度套管外載的徑向分量σr為100MPa左右。初步選擇采用ZSM-5型沸石與甘油組成納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。對于ZSM-5型沸石-甘油系統(tǒng)，30℃時，其γla為0.062 8N/m[12]，α約為96.73°[8]，h取0.14nm[11]，K取1.7。將以上參數(shù)代入式(6)，可得所需要的ZSM-5型沸石的最可孔徑D為0.453nm。計算所得的最可孔徑正好與最初選取的納米多孔介質(zhì)ZSM-5型沸石的孔徑相符，因此可以采用該配方獲得所需性能的套管保護套。若經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)對于所選擇的納米多孔介質(zhì)，無法獲得計算結(jié)果得到的孔徑值，則需要重新選擇納米多孔介質(zhì)與功能流體的配方，直到計算得到的孔徑值能夠與所選材料吻合。

6 結(jié)束語

本文介紹了納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的壓力-體積變化特性，基于該特性提出了一種彈性套管保護套的設(shè)計方案，分析了所設(shè)計套管保護套在壓力與溫度變化時的工作特性，并給出了該種套管保護套所包覆的納米流控能量吸收/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)配方的選取方法。該彈性套管保護套緊密貼合在套管外圍，可起到保護套管、密閉套管與水泥石環(huán)間縫隙的作用。當(dāng)套管出現(xiàn)鼓脹或者水泥石環(huán)因地層壓力變大擠壓套管時，能夠起到減壓作用，提高套管使用壽命；當(dāng)水泥石環(huán)與套管間因溫度壓力變化出現(xiàn)縫隙時，本裝置通過調(diào)節(jié)自身形狀來填補縫隙，減小氣竄風(fēng)險。