稠油热采井完井设计

大量现场实况调查及理论研究结果
表明，注蒸汽热采井套管柱发生强度破
坏的主要部位是在封隔器以下的油层段
及封隔器附近的井段。主要破坏形式为
拉断。因此，计算注蒸汽热采井套管柱
的强度，只关注最大热载荷及其相应的
热应力是不够的，应该进一步关注吐液
降温之后的残余拉伸应力。因为这种残
余拉伸应力才是和热采井套管主要破坏
稠油热采井完井设计
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设计内容提纲
• 稠油热采井套管损坏原因分析 • 稠油热采井套管选择 • 稠油热采井套管设计计算内容 • 稠油热采井套管管柱设计 • 稠油热采井套管固井技术 • 稠油热采井防砂技术
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辽河油田稠油及超稠油套管损坏状况
• 通过五个地区的稠油区块调查的 3860口热采井，发生套管损坏的有 489口，占12.64%
形式直接相关的。
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套管柱上主要的强度危险区
（1）封隔器以下高温区的管段（含直管段 和弯管段），这里的热胀轴向压力最大， 热胀弯矩也可能很大，同时还有固井时 留下的初始应力（含预拉应力及弯管段 的弯曲应力）。
（2）封隔器附近接箍邻区的管段，这里的 热胀轴向压力并非最大，但热胀引起的 局部围压能使管壁产生相当大的局部弯 曲应力。
• 洼38块到目前为止套管损坏率巳达 40%
• 特油公司有N80套管井299口，已损 坏112口，损坏率已达到37%。
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造成稠油热采井套管损坏的原因
•热采井高温及温度剧烈变化是套管 损坏的主要原因
•油井出砂也是套管损坏的重要原因
•API圆螺纹接头和偏梯形螺纹接头 不适合热采井要求
•水泥封固质量不好与水泥环空段套 管易变形
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稠油热采井套管设计强度条件
a高温区管段初始应力应该满足的强度 条件
b高温区管段热应力（残余拉伸应力） 应该满足的强度条件
c封隔器附近管段热应力（残余拉伸应 力）应该满足的强度条件
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套管柱设计
如果热采井设计使用的蒸汽温度过 高，又缺乏高强度的管材，这种情况下 要满足套管柱强度设计的安全条件，可 能发生困难。解决这种困难的有效措施 在于设法吸收部分热胀变形，降低套管 柱上高应力部位的应力值。为了解决这 一困难辽河油田研究成功了热应力补偿 器。
b. 热应力补偿器的内径与配合使用的套管内径一 致；外径与钻井井径相适应，保证有足够的固 井所需的环空间隙，以确保固井质量；
c. 具有良好的气密性，保证热注、热采和固井过 程中不发生泄漏；
d. 具有热化学稳定性和耐腐蚀性，以保证油井的
使用寿命。
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辽河油田所用热应力补偿器结构示意图
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热应力补偿器的主要技术 性能指标
• 抗拉强度 Hale Waihona Puke Baidu66吨
• 抗挤强度 26.9 MPa
• 工作温度 ≤350℃
• 工作压力 ≤20 MPa
• 伸缩量
150-500mm
• 最大外径
220mm
• 可在350℃和15MPa压力条件下工作500次以上。
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热采稠油井预应力完井
为了减少套管上的热应力，国内外广泛应 用了套管提拉预应力技术。在套管提拉预应力 上有多种方法，辽河油田最开始搞的是双凝水 泥提拉预应力技术和两次注水泥提拉应力技术。 由于施工技术复杂，辽河油田先后研究成功了 多种地锚简化提拉预应力工作。现在广泛使用 的是用辽河油田自己研制的WA-Ⅱ型空心式套 管地锚。采用该项技术有效地解决了提拉预应 力工艺复杂的技术问题。
•隔热管和隔热措施不利影响很大
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套管柱全h长温度曲线
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套管柱热胀h应力分布曲线
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套管柱热胀位h 移分布曲线
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井筒剖面热胀时的变形状态
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蒸 汽吞吐轴h向应力变化
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计算采用的井h 筒温度升高值 10
试样安装h 示意图
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套管试样
• A 种 ： φ177.8×9.19mm TP100H BCSG 2 根（试验编号为11#，12#）
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热应力补偿器的作用
根据调查及理论研究成果，套管损坏
的一大原因是套管受热后受压，冷却后 受拉导致丝扣破坏或套管变形。为此， 构想在套管柱恰当位置装上1~2只允许套 管具有一定轴向伸缩变形量的热应力补 偿器，将套管内应力值控制在屈服极限 范围之内。
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热应力补偿器的技术性能
a. 热应力补偿器作为完井套管柱的一部分，具有 与所选套管一致的强度性能；
97.0 101.0 92.5 84.0 82.0 84.5
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硬度试验结果
套 管 TP100H
N80
硬 度 值 （ HRC） 30.0 30.0 29.8 22.3 23.0 22.7
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套管的变形分析
从保持载荷恒定时的位移变化曲线
可以看出两种套管变形情况，尤其是 N80 套 管 的 2 # 试 样 在 高 温 及 载 荷 为 2447KN的条件下，15分种的压缩保载 时 其 位 移 最 大 伸 长 了 0 . 6 6 mm， 而 TP100H 套 管 1 1 # 试 样 在 高 温 及 载 荷 为 3559KN的条件下，15分种的压缩保载 时 其 位 移 最 大 仅 伸 长 0 . 3 8 mm， 可 见 TP100H套管抗高温变形能力要远好于 N80套管。
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研究结果
在载荷相同的条件下，TP100H 套管拉伸、压缩位移量明显较N80 套管小；位移量相同的条件下， TP100H 套 管 能 承 受 的 载 荷 值 明 显 高于N80套管，这说明两种套管抵 抗热应力变形存在一定的差异， TP100H套管明显优于N80套管。
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套管强度计算
• B种：φ177.8×8.05mm N80 BCSG 2根(试 验编号为2#，4#)进口N80套管
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拉伸试验结果
试验项目
试验结果 （室温）
TP100H N80
抗拉强度 （MPa）
958 955 961 789 800 801
试验结果** （350℃）
TP100H
811
注*：拉伸试样为 19.05×50mm 板状试样； 注**：为天津钢管公司提供；
屈服强度 （MPa）
844 855 858 742 716 751
703
延伸率 （%） 23.4
22 23.2 27.8 25.2 24.0
19.0
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冲击试验结果
套 管 试 样 规 格 TP100H 7.5× 10× 55× 2V
N80
5× 10× 55× 2V
试 验 温 度 0℃ 0℃
纵 向