基于應(yīng)變數(shù)值分析的稠油熱采井套管優(yōu)選*

王建軍，楊尚諭，紀(jì)海濤，韓禮紅，田志華，王 航

(1.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.渤海能克鉆桿有限公司 河北 滄州 062650； 3.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

在蒸汽熱采作業(yè)方式下，稠油井套損日益嚴(yán)重，以新疆油田為例，稠油熱采井總體套損率超過20%，局部區(qū)塊發(fā)生了大面積套損[1]。例如，百重七區(qū)自2000年投入開發(fā)，至2005年底套損率達(dá)到30%，而2001年前投入的開發(fā)井中，套損率達(dá)到70%；六東區(qū)從2000年至今，約600口井六輪吞吐后，370口井發(fā)生了套損，不能正常生產(chǎn)，套損率達(dá)61%。遼河油田部分稠油區(qū)塊套損率已達(dá)40%以上[2]。針對(duì)稠油熱采井套管普遍損壞現(xiàn)象，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和寶鋼、天鋼、泰納瑞斯、曼內(nèi)斯曼等國內(nèi)外套管生產(chǎn)廠家通過深入研究熱采井溫度對(duì)套管性能的影響以及套損機(jī)理[3-4]，開發(fā)了一系列耐熱套管，如BG80H、TP90H、TN80H、VM80H等[5-6]，主要是對(duì)材料成分進(jìn)行了改進(jìn)，添加了Cr、Mo等微量合金元素，提高套管抗高溫強(qiáng)度，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后仍有套損發(fā)生[7-8]。因此為解決稠油熱采井不斷出現(xiàn)的套管損壞現(xiàn)象，首先選擇適用的套管下井至關(guān)重要。針對(duì)目前稠油熱采井常用的Φ177.80 mm×8.05 mm N80、N80H、T90H、TG80H4種鋼級(jí)套管，首先通過材料試驗(yàn)獲得材料均勻延伸率和蠕變本構(gòu)模型，結(jié)合建立的全井筒有限元模型，提出基于套管柱應(yīng)變時(shí)域性規(guī)律優(yōu)選熱采套管。

1 套管材料試驗(yàn)

在Φ177.80 mm×8.05 mm N80、N80H、T90H、TG80H 4種鋼級(jí)套管管體取縱向試樣，按照SY/T 5724—2008《套管柱結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分別進(jìn)行室溫和280 ℃拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)獲得4種套管的均勻延伸率，試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。

表1 均勻延伸率試驗(yàn)結(jié)果 %

對(duì)N80、N80H、T90H、TG80H 4種鋼級(jí)套管管體按照GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在Instron高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行拉應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)溫度280 ℃，分別施加468、495、525、550 MPa共4個(gè)應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量蠕變變形，并計(jì)算穩(wěn)態(tài)蠕變速率[9]，最后采用冪率蠕變指數(shù)函數(shù)關(guān)系[10]進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，可得到如下四種鋼級(jí)的蠕變本構(gòu)關(guān)系：

1)N80鋼級(jí)套管蠕變本構(gòu)模型

(1)

2)N80H鋼級(jí)套管蠕變本構(gòu)模型

(2)

3)T90H鋼級(jí)套管蠕變本構(gòu)模型

(3)

4)TG80H鋼級(jí)套管蠕變本構(gòu)模型

(4)

2 數(shù)值模型建立

以西部油田HD001熱采定向井為原型，其井眼軌跡見表2，建立套管-水泥環(huán)-地層全井筒平面有限元模型，如圖1所示。有限元模型中套管采用Φ177.80 mm×8.05 mm N80/N80H/T90H/TG80H套管，水泥環(huán)厚度32 mm，地層厚度100 m。有限元模型為對(duì)稱模型，單元類型采用Plane82，模型分析中考慮了造斜段的彎曲應(yīng)力，所以在直井段和穩(wěn)斜段采用四邊形單元?jiǎng)澐郑谠煨倍尾捎萌切螁卧獎(jiǎng)澐?，總?jì)單元數(shù)為3 127個(gè)。

表2 HD001定向井井眼軌跡

圖1 定向井(套管-水泥環(huán)-地層)模型

套管柱應(yīng)變數(shù)值分析中需要的蠕變本構(gòu)關(guān)系采用公式(1)～公式(4)。在280 ℃時(shí)，4種套管材料的本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

文中計(jì)算考慮了溫度的影響，套管-水泥環(huán)的彈性模量、線膨脹系數(shù)等都會(huì)發(fā)生改變，具體材料參數(shù)見表3所示。

圖2 280 ℃下不同材質(zhì)套管管體真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 井筒各部分材料物理特性

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

為確定高溫280 ℃以及更高溫度下熱采井套管柱應(yīng)變變化規(guī)律，按照上述工況和模型，對(duì)尺寸規(guī)格為Φ177.80 mm×8.05 mm的N80、N80H、T90H、TG80H共4種套管，分別進(jìn)行靜載荷(僅考慮溫度，不考慮蠕變)和蠕變(考慮溫度+蠕變)影響下的套管柱力學(xué)行為分析。

在280 ℃高溫作用下，考慮套管柱、水泥環(huán)和地層之間的耦合影響，并考慮套管材料本構(gòu)關(guān)系(圖2)，利用ANSYS軟件計(jì)算定向井套管柱應(yīng)變狀態(tài)(靜載荷應(yīng)變)，4種套管在不同井深處的應(yīng)變數(shù)據(jù)見表4。

在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，增加蠕變本構(gòu)關(guān)系[公式(1)～公式(4)]，利用ANSYS軟件重新計(jì)算，計(jì)算3 d后的套管柱蠕變應(yīng)變(包括上述靜載荷應(yīng)變)，結(jié)果見表4。

對(duì)比表4中所示的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)考慮蠕變影響后套管柱應(yīng)變量顯著增加。在280 ℃時(shí)，蠕變時(shí)間3 d時(shí)N80、N80H、T90H、TG80H套管最大蠕變應(yīng)變分別為0.407%、0.389%、0.385%、0.354%，分別比靜載下應(yīng)變?cè)黾?.119%、0.101%、0.097%、0.063%；蠕變使總應(yīng)變?cè)龇^大，尤其以N80套管增幅最大。

表4 280 ℃下3 d后套管柱應(yīng)變值對(duì)比表 %

4 套管柱應(yīng)變時(shí)域性規(guī)律

由于熱采井高溫注汽、燜井以及生產(chǎn)過程中，套管柱長時(shí)間承受高溫的影響，因此，必須掌握高溫影響下套管柱應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析套管柱應(yīng)變的累積效應(yīng)和增幅，以便于優(yōu)選套管。

依據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪制280℃下3 d后套管柱蠕變應(yīng)變曲線，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，同一時(shí)間、同一溫度下、位于同一井深處4種套管的應(yīng)變值大小順序?yàn)椋篢G80H

在套管柱設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)的是最危險(xiǎn)位置是否安全，因此下面分析套管最大應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。由于套管節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)變值隨著井深的增加而增大，于是取套管距井口為500 m處節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行分析，分別計(jì)算10 a內(nèi)套管柱蠕變應(yīng)變的變化，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)蠕變時(shí)間為10 a時(shí)，對(duì)照表1中4種套管材質(zhì)的室溫和高溫均勻延伸率，比較結(jié)果見表5。

圖3 280 ℃下3 d后套管柱蠕變應(yīng)變曲線

圖4 280 ℃下500 m處套管柱10 a內(nèi)蠕變應(yīng)變曲線

表5 10 a后套管柱變形量比較

由表5可知，10 a后N80套管變形量已超出其均勻延伸率，結(jié)合圖4可判斷出N80套管在運(yùn)行5 a后其變形量已達(dá)到其均勻延伸率，未到達(dá)規(guī)定的最低設(shè)計(jì)壽命，而且N80套管應(yīng)變?cè)黾铀俣群头让黠@高出其他3種套管，證實(shí)API標(biāo)準(zhǔn)的N80套管不適用稠油熱采工況。

結(jié)合圖4可判斷出N80H套管在運(yùn)行9 a后其變形量已達(dá)到其均勻延伸率；10 a后T90H套管變形量處于安全臨界點(diǎn)，而TG80H套管變形量仍有安全富余量。雖然N80H、T90H、TG80H套管材質(zhì)均屬于耐熱材料，在不同程度地適用于熱采井，但從管柱累積變形量、增長幅度以及長期運(yùn)行安全角度上考慮，3種套管對(duì)稠油熱采井工況的適用性強(qiáng)弱為：N80H

5 結(jié) 論

1)對(duì)N80、N80H、T90H、TG80H套管柱的應(yīng)變分析，獲知隨蒸汽吞吐輪次的增加，套管柱的變形不斷增加，直至套管損壞。

2)對(duì)比套管柱累計(jì)應(yīng)變和均勻延伸率，發(fā)現(xiàn)API標(biāo)準(zhǔn)N80套管不適用稠油熱采工況，其他三種套管對(duì)稠油熱采井工況的適用性強(qiáng)弱為：N80H

3)根據(jù)獲得的套管柱應(yīng)變時(shí)域性規(guī)律，可對(duì)套管進(jìn)行優(yōu)選，達(dá)到降本增效的作用，并且可獲得套管柱在高溫下的安全服役年限，指導(dǎo)稠油熱采井管柱設(shè)計(jì)。