注汽工艺管柱对热采井套损的影响

摘要 针对多轮次蒸汽吞吐的情况下 , 胜利油田热采区块套损井数逐年增多的问题 , 分析了 不同隔热性能的隔热管对套管温度 、热应力分布的影响 , 表明提高隔热管的隔热性能可有效降低 套管温度和热应力 ; 对隔热管接箍区和封隔器附近套管的温度和热应力进行了计算分析 , 发现在 这两个区域套管壁的温度和热应力均大大高于管体区平均值 , 该段套管容易损坏 。在此基础上 , 提出采用新型注汽工艺管柱结构 、采用高真空隔热油管和改进接箍结构等防止套损技术措施 。
Ξ 中石化集团公司 “稠油热采井套损机理及预防技术”研究课题成果总结 。 ΞΞ 张 毅 , 教授级高级工程师 , 生于 1963 年 , 1986 年毕业于天津大学工程热物理专业 , 1997 年获石油大学 (华东) 油气田开发专业 硕士学位 , 现攻读博士学位 。任胜利油田有限公司采油工艺研究院院长 , 本刊编委 。地址 : ( 257000) 山东省东营市 。电话 : ( 0546) 8557288 。
3111 mm , 水泥环外为地层 。由图 2 可看出 , 用普 通隔热管注汽时套管内壁的 Mises 应力值为 376 MPa , 而用高真空隔热管注汽时套管内壁的 Mises 应力值为 111 MPa , 相差 265 MPa , 这说明高真空 隔热油管比普通隔热油管能更好地保护套管 。今后 热采区块上必须大面积推广应用高真空隔热油管 , 减小套管受损程度 , 延长油层套管使用寿命 。
图 11 注汽压力与套管应力的关系
防止套损技术措施
11 采用新型注汽工艺管柱结构 通过分析现场套损资料发现 , 胜利单家寺油田 由于出砂 , 该区块的注汽管柱结构中有 2 个封隔 器 , 一是热采封隔器 , 一个是丢手封隔器 , 在两个 封隔器间形成了一段裸套管注汽区域 , 这是发生套 损的主要部位[2 ] 。通过研究 , 笔者配套了新型注 汽管柱结构 (见图 12) , 防止了这种现象的发生 。
图 1 不同地层温度下视导热系数对套管温度的影响
通过对以上结果分析可得到 , 隔热管视导热系 数的变化将直接引起套管温度的变化 。对比不同隔 热性能的隔热油管 , 在相同的地层条件下 , 高真空 隔热油管可有效地降低近井眼区域的套管 、水泥环 和地层的温度 , 因此 , 降低隔热油管视导热系数可 保证套管不发生因热应力造成的强度破坏 。
11 封隔器位置与套管应力 套管壁的最大 Mises 应力 、轴向应力在封隔器 底端以下 40 mm 截面上 , 当注汽温度 350 ℃时 , 对应的 Mises 应力 、轴向应力最大值分别为 773 MPa 和 - 885 MPa (见图 9a , b) 。在该位置套管材
图 7 不同隔热管接箍区套管内壁轴向应力
பைடு நூலகம்
图 8 不同隔热管接箍区套管外壁轴向应力
由图中可以看出 , 注汽时隔热管接箍附近的套 管应力明显高于远离接箍区的管体均匀应力 , 套管 壁的应力值达到 545 MPa 以上 , 接近于 N80 套管 的屈服应力 552 MPa , 此处套管处于不安全状态 。 隔热管接箍区应力的升高是局部的 , 沿管柱轴向下 降较快 , 自隔热管接箍中部上下 1m 截面 , 套管壁 应力已接近管体的均匀应力 。
(3) 隔热油管接箍区对套管温度的影响 在现 有的注汽工艺管柱中 , 由于隔热管接箍区的特殊位 置和结构 , 无法制造成带有隔热夹层的双壁管 , 它 的隔热性能同管体相比大大下降 , 因此在该部位就 形成一隔热的薄弱环节 。隔热管接箍对套管 、水泥 环的温度 、应力场的影响究竟有多大 , 为此笔者进 行了相关的分析计算 。结果见图 3 和 4 。
(收稿日期 : 2003 - 09 - 15 ; 修改稿收到日期 : 2003 - 11 - 28)
2004 年 第 32 卷 第 2 期
张 毅等 : 注汽工艺管柱对热采井套损的影响
— 27 —
元热分析模块进行计算 , 得到温度、应力场分布图。 (1) 视导热系数对套管温度场的影响 目前胜
(4) 隔热油管接箍区对套管应力场的影响 根 据以上温度场分析 , 在隔热油管接箍区附近的套 管 、地层温度场较隔热管管体区有较大升高 , 造成 在接箍区套管的热应力增大 。因此 , 对隔热管接箍 区的应力场变化进行了重点分析 。计算条件 : 隔热
— 28 —
石 油 机 械
2004 年 第 32 卷 第 2 期
图 3 接箍区不同隔热管外壁温度
图 4 不同隔热管接箍区套管内壁温度
在隔热管接箍区的散热是局部的 , 其温度场分 布呈典型的马鞍形 , 无论是普通隔热油管还是高真 空隔热油管 , 在接箍区附近的温度场均高于管体的 均匀温度 。自接箍中部上下各 1 m 的截面处 , 套管 壁温度基本接近均匀温度 。由于在隔热管接箍区附 近存在较大的热损失 , 从而引起接箍附近的套管壁 和水泥环的温度较隔热管管体区温度有较大的升 高 , 因此在同一地层深度 , 隔热管接箍区附近的套 管壁热应力和水泥环的热应力存在最大值 。
图 9 封隔器位置套管 Mises 应力和轴向应力分布图
料会产生屈服破坏 (N80 套管屈服极限最低值 552 MPa) 。封隔器以下套管均匀应力分布区的 Mises 应力为 650～670 MPa 。封隔器作用处套管壁存在
2004 年 第 32 卷 第 2 期
张 毅等 : 注汽工艺管柱对热采井套损的影响
关键词 注蒸汽 热采井 隔热管 套管损坏 封隔器 热应力
经过十几年的注汽开发 , 胜利油田大部分稠油 区块都已进入高轮次吞吐阶段 。随着吞吐周期和作 业次数的增加 , 套损井数逐年增多 , 单二块 、渤 21 区块套损率已达 36 % , 草 20 区块达到 21 %。 由于这些套损井大都属于稠油富集区 , 因而造成井 网控制不完善 , 油藏动用程度差 , 稠油储量动用不 均衡和热采整体效果下降的后果 。造成热采井套管 损坏的主要原因是在多轮次蒸汽吞吐的情况下 , 热 采井套管承受高温 、高压引起的交变热应力的影 响 。在注汽温度高达 250～350 ℃的条件下 , 部分 井段套管壁温也会达到相应温度 , 引起套管热胀伸 长 , 超过其承压极限载荷值 ; 反之 , 在转抽作业过 程中 , 引起套管受冷收缩 , 超过其拉伸载荷极限 值 ; 尤其在油层井段部分 , 因高温 、射孔 、油层出 砂等多重因素作用 , 套管更易损坏 。因此 , 开展注 汽管柱对热采井套损影响的机理研究 , 并找出相应 的预防措施 , 对有效降低热采井套损 , 延长油井使 用寿命 , 提高注汽开发效益具有十分重要的意义 。
利油田热采井注汽大部分采用防氢害隔热管 (视导 热系数 0106 ～ 0108) , 而新研制的高真空隔热管 (视导热系数 01008 6) 因经济原因没有得到大面积 推广应用[1 ] , 此外现场在用的隔热管经过多轮吞 吐周期的应用后 , 其隔热性能参差不齐 , 部分隔热 管的隔热性能已大大低于出厂时的水平 , 为了解这 些变化因素对热采井套管损坏的影响程度 , 笔者进 行了不同视导热系数对套管温度场的影响研究 , 结 果见图 1 。在地层温度为 45 、15 ℃时 , 对视导热 系数变化引起套管内壁温度变化的计算结果进行分 析 , 得出隔热性能对套管温度影响的规律 。
— 29 —
图 10 注汽温度与套管应力关系
31 注汽压力与套管应力 在温度不变的条件下 , 增加套管内的注汽压 力 , 套管壁上的 Mises 应力会降低 , 当注汽温度 350 ℃, 注汽压力分别取 0 、12 、17 MPa 时 , 套管 内壁应力分别为 712 、683 、650 MPa , 应力降幅 62 MPa , 达 817 % , 如图 11 所示 。这是由于温度 不变 , 增大内压时 , 套管增大了径向变形 , 套管的 径向变形抵消了部分轴向热胀位移 , 从而降低了轴 向压应力 。
计算条件 : 分别计算注汽压力为 17 、12 、0 MPa , 注汽温度 350 、300 、250 ℃, 环 空 压 力 0 MPa 条件下的封隔器附近的温度场和应力场 。计 算过程只考虑套管管壁的温度应力 , 不考虑封隔器 与套管的接触应力与密封问题 。
应用该模型主要模拟计算了在注汽条件下封隔 器附近的套管 、水泥环和地层的应力分布情况 , 根 据其应力值的大小 , 判断该部位套管是否发生屈服 变形 。此外 , 改变注汽压力 、注汽温度 , 研究注汽 参数对该部位套管应力影响的变化规律 , 以便于今 后优选合理的注汽工艺参数 。
隔热管对套管的温度和热应力影响
注汽热采井的高温热应力主要发生在注汽过程
中 , 一般热采井注汽均采用隔热管或隔热管 + 油管 的组合注汽工艺管柱 , 油层上部采用热采封隔器对 油 、套环空进行密封 , 如果隔热管的隔热效果较 好 , 就可以有效地减小油层上部套管的热应力变 化 , 延长套管的使用寿命 。为了掌握隔热管的隔热 性能对套管 、水泥环的温度和热应力的影响程度 , 笔者开展了有关的数模研究 。
管内注汽温度 350 ℃, 注汽压力 17 MPa , 环空压 力为 0 。计算以隔热管接箍中间截面为坐标零点 , 坐标单位为 m , 计算结果见图 5～图 8 。
图 5 不同隔热管接箍区套管内壁 Mises 应力
图 6 不同隔热管接箍区套管外壁 Mises 应力
热采封隔器对热采井套损的影响
现有的统计资料表明 , 热采井容易发生套损现 象的部位主要集中在封隔器以下至油层上部这一 段 , 因此封隔器在热采井套损中起着非常重要的作 用 , 需对其进行详细的分析计算 , 摸清它对热采井 套损的影响方式 。
应力集中 , 热应力集中系数为 1115 ～1123 左右 。 显然 , 整个套管柱上最危险截面即在此截面 。
21 注汽温度与套管应力 通过研究发现在压力不变的条件下 , 降低套管 内的注汽温度 , 套管壁上的 Mises 应力会显著降 低 , 当注汽压力取 17 MPa , 注汽温度分别取 350 、 300 、250 ℃时 , 套管内壁有效应力分 别 为 650 、 542 、421 MPa , 套管壁温度下降 100 ℃, 应力降 低 229 MPa , 降幅达 3512 % , 如图 10 所示 。