劉毅
摘要:針對(duì)熱采防砂管柱注汽過程中易發(fā)生熱變形導(dǎo)致失效的問題,建立了防砂管柱熱穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型,并開發(fā)了熱固耦合分析有限元程序,優(yōu)化了防砂管柱有限元建模方法,對(duì)其熱安全性進(jìn)行了模擬分析。通過室內(nèi)試驗(yàn)確定了防砂管的鉆孔尺寸和布孔密度,又選了 P110 鋼級(jí)的油管作為防砂管柱的基管。對(duì)充填不密實(shí)及井眼擴(kuò)徑段管柱徑向熱變形差異進(jìn)行了分析,模擬計(jì)算給出了不同長(zhǎng)度管柱在不同注汽溫度下補(bǔ)償距,確定了配備熱力補(bǔ)償器的工藝。
關(guān)鍵詞:熱采防砂管;有限元分析;布孔方式;布孔密度;補(bǔ)償距
1 引言
濱南廠稠油蒸汽吞吐井每年防砂在 69 口左右,其中 83.6%是由于防砂管損壞造成躺井,造成防砂有效期短僅 562 天,針對(duì)稠油吞吐過程中防砂管損壞的現(xiàn)狀,開展了熱采防砂管熱穩(wěn)定性研究。稠油防砂井蒸汽吞吐過程中,井下防砂管柱承受交變熱載荷作用,易產(chǎn)生錯(cuò)斷、屈服、中心管彎曲等造成防砂失效。目前,防砂管柱熱穩(wěn)定性研究開展較少,一方面,防砂篩管受力復(fù)雜,油層出砂、礫石充填等影響因素眾多,另一方面,篩管中心管外層包裹繞絲或?yàn)V網(wǎng)層,進(jìn)行整體有限元建模難度大,這也使得熱采防砂管柱損壞機(jī)理與控制技術(shù)仍需深入研究。
2 防砂管柱熱穩(wěn)定性耦合模型
防砂管柱熱穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)模型應(yīng)包括三部分:(1)反映熱應(yīng)力及熱變形的線彈性熱-固耦合模型;(2)防砂管材彈性模量、屈服強(qiáng)度溫度效應(yīng)模型;(3)鉆孔導(dǎo)致基管強(qiáng)度降低率模型。
其中,線彈性熱-固耦合模型可采用經(jīng)典熱變形理論;防砂管材彈性模量、屈服強(qiáng)度溫度效應(yīng)可參看天津鋼管廠等單位對(duì)不同鋼級(jí)管材材料參數(shù)的熱測(cè)試結(jié)果;鉆孔導(dǎo)致基管強(qiáng)度降低率模型可參考宋吉水等學(xué)者對(duì)套管射孔強(qiáng)度降低模型的研究成果。
3 有限元程序研發(fā)及建模方法研究
在對(duì)熱-固耦合方程弱化的基礎(chǔ)上,基于 FEPG 系統(tǒng)開發(fā)了熱穩(wěn)定性分析有限元程序。在進(jìn)行防砂篩管熱穩(wěn)定性分析時(shí)以篩管中心管為重點(diǎn)研究對(duì)象,因?yàn)椋海?)對(duì)于繞絲篩管,當(dāng)溫度超過一定限度后,銷釘剪斷,中心管外繞絲層可自由彈性變形;(2)對(duì)于精密濾砂管,中心管外濾網(wǎng)層注汽時(shí)可在彈性范圍內(nèi)自由變形。
對(duì)于防砂管柱來說,其軸向與徑向尺寸相差較大,容易導(dǎo)致網(wǎng)格單元長(zhǎng)寬高比例嚴(yán)重失調(diào),為獲得較高精度進(jìn)行網(wǎng)格加密時(shí),又容易出現(xiàn)整體網(wǎng)格數(shù)目龐大等導(dǎo)致求解困難。由于防砂管柱軸向熱變形具有線性迭加效應(yīng),因此在建模時(shí)對(duì)防砂管柱軸向尺寸進(jìn)行了適當(dāng)縮短,在保證計(jì)算精度的同時(shí)可顯著提高運(yùn)算速度,同時(shí)防砂管柱整體結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,可僅取模型 1/4 建模分析。
4 篩管熱穩(wěn)定性分析及管柱參數(shù)優(yōu)化
(1) 布孔參數(shù)對(duì)篩管強(qiáng)度降低率影響
不妨以 31/2in 中心管為例分析打孔參數(shù)對(duì)篩管強(qiáng)度影響見圖 1, 可知:(1)布孔密度一定時(shí),孔徑越大,基管強(qiáng)度降低率越顯著,且孔密越大時(shí),孔徑差異對(duì)基管強(qiáng)度降低率影響越顯著,在不影響產(chǎn)液的前提下,應(yīng)盡量減小鉆孔孔徑;(2)孔密越大,基管強(qiáng)度降低率越顯著,以基管強(qiáng)度降低 5%為例,孔徑為 10mm 時(shí),孔密應(yīng)小于 210個(gè)/m,孔徑為12mm時(shí),孔密應(yīng)小于155個(gè)/m。
(2) 熱采防砂管柱材質(zhì)優(yōu)選
假定油藏初始溫度為 60℃,以 J55、N80、P110 管材為例,當(dāng)篩管端部完全固定時(shí)處于最惡劣工況,不同鋼級(jí)管柱的熱應(yīng)力/屈服強(qiáng)度(反映危險(xiǎn)性)見圖 2,可知:隨注汽溫度增加,防砂管柱熱應(yīng)力/ 屈服強(qiáng)度(即危險(xiǎn)性)顯著增加,對(duì)于 J55 鋼級(jí)管柱來說,注汽溫度達(dá)到265℃時(shí)失效破壞,N80及P110鋼級(jí)管柱則可以保持較好穩(wěn)定性。
另外,注汽后管材彈性模量降低會(huì)使得管柱變形能力增加,不利于管柱穩(wěn)定。不妨以 P110 鋼級(jí)管柱 20°C 時(shí)彈性模量為基準(zhǔn)進(jìn)行分析,N80 及 P110 鋼級(jí)管柱彈性模量保留率見圖 3,可知:N80 鋼級(jí)管柱注汽后彈性模量顯著降低,即熱應(yīng)力作用下其熱變形顯著大于 P110 鋼級(jí),不利于管柱穩(wěn)定。綜上,在進(jìn)行防砂管柱管材優(yōu)選時(shí),應(yīng)從熱應(yīng)力及熱變形角度綜合考慮,推薦選用 P110 鋼級(jí)管材。
(1) 熱補(bǔ)償距優(yōu)化
目前油田常用熱力補(bǔ)償器實(shí)質(zhì)為一復(fù)雜的伸縮短節(jié),本研究采用“虛擬熱力補(bǔ)償器”(即采用動(dòng)態(tài)位移邊界)的建模方法處理,計(jì)算得到 60°C~350°C 下不同長(zhǎng)度防砂管柱的熱力補(bǔ)償距,見圖 6。熱力補(bǔ)償器應(yīng)安裝在防砂管柱受力較集中的區(qū)域,推薦如下:(1)水平段A點(diǎn)位置;(2)井身軌跡中井眼擴(kuò)大率大于120%處。
(3)充填工況下管柱熱安全性
在不同的充填密實(shí)程度影響下,充填段相對(duì)于非充填段的等效應(yīng)力變化率見圖 4,可知:防砂管柱充填及非充填段等效應(yīng)力差異小于5%,充填段等效應(yīng)力明顯小于非充填段,即充填施工可在一定程度上提高管柱熱穩(wěn)定性。
另外,由于充填效率的差異,防砂管柱往往存在一段未充填區(qū)或充填不密實(shí)的區(qū)域(包括裸眼井井眼擴(kuò)大處),使得充填及未充填段防砂管柱徑向膨脹率存在差異,見圖 5,可知:隨充填密實(shí)程度增加, 充填及未充填段交界處徑向熱膨脹率差異逐漸變大,熱穩(wěn)定性逐漸變差,尤其是對(duì)于裸眼井井眼擴(kuò)徑處,篩管外部無支撐,該處危險(xiǎn)性最大。
5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
通過選擇 P110 級(jí)油管作為基管,孔徑選擇為 12mm,孔密 146 個(gè)/m 制作了稠油吞吐井用防砂管,同時(shí)對(duì)防砂管柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在管柱中加裝了熱補(bǔ)償器用以減緩管柱變形產(chǎn)生的伸縮。2012 年 2 月在單家寺油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了 2 口井,目前生產(chǎn)正常,防砂有效期達(dá)到了 821天(繼續(xù)有效),累計(jì)產(chǎn)油9277.3噸。
6 結(jié)論
(1) 建立了防砂管柱熱穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型,基于 FEPG 開發(fā)了熱固耦合分析有限元程序,優(yōu)化了防砂管柱有限元建模方法。
(2) 布孔密度越大,基管強(qiáng)度降低率越顯著,對(duì)于 31/2in 基管, 以強(qiáng)度降低5%為限,孔徑10mm時(shí),孔密應(yīng)小于210個(gè)/m,孔徑12mm時(shí),孔密應(yīng)小于155個(gè)/m。
(3) 從熱應(yīng)力和熱變形角度綜合考慮,優(yōu)選 P110 鋼級(jí)作為防砂管柱管材。
(4) 充填不密實(shí)及井眼擴(kuò)徑段管柱徑向熱變形差異顯著,易發(fā)生破壞,應(yīng)配備熱力補(bǔ)償器,另外,模擬計(jì)算給出了不同長(zhǎng)度管柱在不同注汽溫度下補(bǔ)償距。
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