稠油热采井套管柱强度设计方法研究1
稠油热采工作中不压井作业工艺管柱研究分析
稠油热采工作中不压井作业工艺管柱研究分析摘要：稠油井在进行热采时，存在油井注汽之后在进行压井时压井所用的液体容易渗入地层, 吸取地层中的热量,从而降低了开采效率的情况。
本文就这一问题对稠油热采不压井作业工艺管柱进行了研究。
现代研制了一种在高温高压的井下开关能随着注汽与工作不断开闭的注汽通道。
这种注汽通道的开关采用的是捅杆控制的模式,其内部使用弹簧和轨道销钉，它们共同在轨道上机械式的滑动造成了开关的启闭,通道的密封方式采用的是耐高温高压的组合式密封,通道的外部设有保护层,让注入的蒸汽在经过保护层的缓冲之后再进入,很好的保护了套管。
稠油的热采井中使用这种加工的管柱,能在注汽转抽时免去井下的压井作业,明显的减少了热采过程对地层造成的伤害,并且将蒸汽热量利用率提高到最大,还保护套管和油层, 一定程度上提高了油藏吞吐蒸汽的效果。
本文详细的叙述了管柱的工作原理及其设计结构，比较了其在热采作业中的优势，以个人的视角，分析了其不足的地方。
关键词：稠油热采；不压井作业；工艺管柱；开关原理现代稠油油藏一般使用的都是蒸汽吞吐采油的方式进行热采集。
稠油井在注汽之后,进行了压井作业，其作用主要是防止转抽作业的时候油水发生上涌、降低地层能量、污染环境等。
在压井作业的过程中,压井使用的液体很容易吸收井筒四周的热量,致使井的周围温度不断降低,使油层发生凝固,转抽之后开井就变得很困难,甚至压死井口；压井液对油层极容易造成污染，使采集的油不纯,而且这一点对稠油油藏来说尤为严重。
除此之外,在注入蒸汽后再进行压井作业就很容易使套管发生损坏。
所以，使用一种特制的管柱对稠油的热采起着十分重要的作用。
1工艺管柱的具体结构和工作原理1.1 结构详述稠油热采不压井作业工艺管柱的结构由上而下依次是: 隔热油管、井下补偿器、插入密封装置、注汽丢手封隔器、高温高压井下开关、防砂管柱……其中，工艺管柱最为关键的部分是高温高压井下开关，整个管柱系统当中，开关的作用是十分重要的。
渤海中深层稠油井注热管柱优化设计
渤海中深层稠油井注热管柱优化设计张彬奇;姬辉;刘峰;孙玉豹;胡厚猛【摘要】海上中深层稠油油藏具有井深长热损严重、水平段长注汽不均的问题.目前海上的隔热措施存在接箍等隔热薄弱点,水平段均匀注汽没有考虑长水平段的非均质性等问题.为了保证注热效果,对海上某中深层稠油油田热采注热管柱进行优化设计.调研陆地隔热方式,结合海上注采热点,推荐使用由隔热油管、隔热接箍、隔热扶正器、热敏封隔器、隔热补偿器组成的隔热管柱,同时环空采用补氮方式起到隔热和平衡井筒压力的作用,并减少注入井下气体减少气窜风险.针对水平段长,吸气能力不均的问题,在水平段使用均匀注汽阀和水平段分段封隔器进行分段均匀注热,根据水平段性质进行针对性设计,达到均衡注热.通过计算分析证明此套注热管柱具有很好的隔热效果.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2018(037)011【总页数】5页(P13-17)【关键词】中深层稠油;注热管柱;隔热;均匀注热;补氮【作者】张彬奇;姬辉;刘峰;孙玉豹;胡厚猛【作者单位】中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 300450;中海油田服务股份有限公司油田生产研究院,天津 300450;中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津300450;中海油田服务股份有限公司油田生产研究院,天津 300450;中海油田服务股份有限公司油田生产研究院,天津 300450【正文语种】中文【中图分类】TE345稠油在渤海海域的储量发现及产能建设中占据着重要的地位[1]，然而稠油油藏在冷采开发方式下开采效果差，部分稠油冷采甚至无开发效益[2]。
渤海油区稠油热采现场试验结果表明热采可以明显地提高稠油开采效果[3-5]。
渤海某稠油油田埋藏深度在1 000 m以上，管柱长，热损失大；都是大斜度水平井，经验轨迹复杂，管柱易趟壁，造成温度损失和温度集中；油井水平段较长，一般大于300 m，存在水平段油藏动用不均甚至局部气窜的问题。
注热管柱在热采设计中起着非常重要的作用，不仅要减少温度损失保证井下蒸汽干度，还担负着分配注入蒸汽，提高热利用率的作用。
套管柱及其强度设计
Step2 确定安全系数；
载荷计算的精确性↑ ，安全系数↓ ； 计算公式精确性↑，安全系数↓： 对于特别情况（如含有腐蚀性气体H2S、CO2）则安全系数需按特殊情 况考虑； API规定的安全系数：
◆ API规定，钢级代号后面的数值乘以1000，即为套管（以kpsi为单 位）的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外，也适应于非API 标准的套管。（1MPa=145.04psi；psi：磅/英寸2）
◆ 只有屈服强度 s 105 psi对H2S提敏感的，但对CO2则影响很小，
可以数年内不破坏，而在H2S～盐的环境中会在一小时内破坏。
• 地质构造力的影响
•
一般情况下，外挤载荷按最危险的情况考虑，即按套管内全部掏空 来计算套管承受的外挤载荷。
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
套管内全掏空
载荷
载荷
载荷
井身结构
井 深
套管内载荷
井 深
套管外载荷
井 深
套管内液面
有效载荷
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
（2）套管的API抗挤强度
抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。套管 受外挤作用时，其破坏形式主要是丧失稳定性而不是强度破 坏。
1、基本概念
（1）套管的尺寸 （又称名义外径、公称直径等）是指套管本体的外 径，实际上套管尺寸已经标准化了。
套管尺寸的确定是井身结构设计的重要内容之一，前面已经介绍过。
1、基本概念
（2）套管的钢级 API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度， 用钢级表示。
□ 套管钢级由字母及其后面的数码组成，字母没有特殊含义，但数码 代表套管的强度。
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
油气井套管柱强度计算方法文献调研报告
油气井套管柱强度计算方法文献调研报告 1抗挤强度计算方法1.1 前苏联1930年布尔卡柯夫首先提出了油气井套管抗挤强度计算公式，而1933年铁摩辛柯从另外的途径也得到了该公式[1]，因此该公式被命名为布-铁公式：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P σσσ222242312311.1 （1） 式中：K=t/D ，为壁厚与外径之比。
布尔卡柯夫[2, 3]通过实验验证了该公式，并发现该公式计算得到的套管抗挤强度要比实验值小1.13倍，同他认为处于压缩状态下工作的屈服极限为拉伸状态下工作的屈服极限1.1倍，即⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P σσσ2222423123124.1 （2） 随后式（2）被前苏联国家石油研究采用，在上世纪四十年代作为国家标准进行使用。
从上世纪50年代开始，前苏联颁布的ГОСТ632-50、ГОСТ632-57、ГОСТ632-64 分别采用了不同形式的萨尔奇索夫（Г.М.Саркисов）公式作为抗挤强度的计算依据。
萨尔奇索夫公式不但考虑了套管不圆度的影响，而且同时考虑了壁厚不均度的影响。
1960年5月，萨尔奇索夫在前苏联“石油业”杂志上发表的最新形式的套管抗挤强度公式为：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P ρσρρσρρσ202min 320min 320min 42312311.1（3）式中：D t K min min =，D t K 00=，min0K K =ρ 随着套管抗挤毁理论的发展，人们对套管抗静水外压的理论有了许多新的认识[4]，曾经在苏联流行了二十多年并作为国家标准的基础理论的萨尔索夫公式，终于遇到了耶内敏柯（Ереценко）等人的挑战。
稠油热采井套管柱损坏机理及预防措施研究的开题报告
稠油热采井套管柱损坏机理及预防措施研究的开题报告摘要：随着油田开发程度的不断提高，稠油热采已成为目前石油行业的主要开采方式。
然而，稠油热采井套管柱损坏严重影响了井下设备的安全及生产，特别是在高温、高压、强腐蚀、强磨损等恶劣环境下。
本文基于稠油热采井套管柱损坏机理与预防措施研究，系统分析了稠油热采井套管柱损坏的主要原因及分类、预防措施及现有不足等方面。
关键词：稠油热采，井套管柱，损坏机理，预防措施一、研究背景稠油热采时需要高温高压环境，石油中含有大量的硫酸盐离子、氯离子等腐蚀性物质，且油层本身存在砂粒等颗粒物，这些因素共同导致地下设备的损坏。
而稠油热采井套管柱作为井下主要支撑装置，其损坏会给井下设备的安全及生产带来很大威胁，特别是在高温、高压、强腐蚀、强磨损等恶劣环境下，其损坏更为严重。
因此，研究稠油热采井套管柱的损坏机理及预防措施，对于确保井下设备的安全及生产的稳定具有重要意义。
二、研究目的本研究旨在通过对稠油热采井套管柱的损坏机理进行研究，分析其损坏的原因及分类，并探讨预防措施及现有不足，为稠油热采井套管柱的维护提供技术支持。
三、研究方法本研究采用文献调研和实验室模拟等方法，通过对稠油热采井套管柱损坏机理进行分析和研究，总结其损坏原因及分类，并提出相应的预防措施。
四、研究内容1. 稠油热采井套管柱损坏的原因及分类2. 稠油热采井套管柱损坏的预防措施3. 稠油热采井套管柱维护现有不足分析与对策五、研究意义稠油热采井套管柱作为井下主要支撑装置，其损坏严重影响井下设备的安全及生产。
本研究将有助于加深对稠油热采井套管柱损坏机理的认识，提高井下设备的维护水平，促进稠油热采的安全、高效、低成本开发。
海洋石油稠油热采井下管柱应用与设计
海洋石油稠油热采井下管柱应用与设计摘要：热采技术为海洋石油稠油油田的开发提供了新技术并在NB35-2-B 油田取得了显著的成效，随着热采技术在海洋稠油油田应用和推广，井下管柱设计及优化对控制作业风险和作业成本发挥着至关重要的作用。
本文对海洋石油稠油热采技术目前应用的井下管柱进行全面的分析和总结，对未来热采技术所需的井下管柱作出设计。
关键词：热采技术注采两趟管柱注采Y管管柱注采双管管柱同井同时注采管柱1 引言随着中国经济的快速发展，石油消耗量与日俱增，而目前国内石油产量已远远不足，稠油油田的深入开发是解决石油产量问题的一个方法。
热采技术在海洋石油的成功应用为海洋石油的稠油开发提供了新技术，取得了良好的效果。
结合海上石油的生产作业的特点，如何控制热采技术的作业风险和作业成本显得尤为突出。
热采管柱的设计与优化充分的解决了这个问题，为以后热采作业的发展提供了很好的参考。
2 热采技术图1是南堡35-2-B平台稠油热采技术的流程图，该项技术以油管注入多元热流体，油套环空注入氮气，通过对地层稠油进行热降粘，补充地层能量的手段，实现后期自喷和下泵开采，达到最大化开发稠油的目的。
下面注采两趟管柱已在南堡35-2-B平台成功应用，现介绍如下：3 注采两趟管柱注采两趟管柱介绍及评价（图2 图3）作业步骤：1、钻完井作业结束后，下入下部注热管柱，管柱组合（由下至上）：2-7/8”EU油管死堵+2-7/8”EU带孔倒角油管+2-7/8”EU倒角油管+底阀+桥塞；2、下入上部注热管柱，管柱组合（由下至上）：2-78”EU反扣通具+2-78”EU 倒角油管+变扣（4-1/2”B*2-7/8”P）+4-1/2”隔热油管+伸缩管+4-1/2”隔热油管+油管挂；3、安装采油树并进行水密、气密试验；3、按照工艺设计要求进行油管内注热、环空注氮作业；4、注入作业结束后进行焖井、放喷作业；5、放喷作业结束后，拆采油树，起出注入、放喷管柱，下入生产管柱（见图3）生产管柱（由下至上）：2-78”EU反扣通具+2-78”EU倒角油管+机组+3-1/2”EU油管+泄油阀+3-1/2”EU油管+油管挂；6、安装采油树，进行机采生产。
稠油热采井套管柱应变设计方法
摘要 ： 为解决稠油热采井不 断出现的套管损坏 现象 ， 改变传 统 的管 柱强度 设计方 法 。基 于弹塑性力 学理论 ， 在 满足
套管柱强度设计 的基础上建立套管柱应变计算模 型 ； 通过对 比套管材料应变与结构应变 ， 借助 Ｒ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｙ — Ｏ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ 模 型 得到应变安全系数最小值 ， 提出套管柱应变设 计 的理论 判据 ， 形成 套管柱 应变设 计方法 。结果表 明 ， 该 设计方 法在 西部油 田 ８口稠油热采井 ｌ ７ ７ ． ８ ｍ ｍｘ ８ ． ０ ５ ｍ ｍ Ｔ Ｇ ８ ０ Ｈ特殊螺 纹套 管柱设计 中得到应用 ， 生产 ４轮次后套管柱未 出 现变形 和泄漏现象 ， 经过 １ ４轮次后 ， 套管 服役 性能依然 良好 ， 新 热采井套管 柱应变设计 方法允许套 管在可控 范 围内 变形 ， 可有效延长套管使用寿命 ， 降低套损率 。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｔ ｈ ａ ｔ ｃ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｍ ａ ｇ ｅ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍ ｅ ｓ ｍ ｏ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｍ ｏ ｒ ｅ ｓ ｅ ｉ ｒ ｏ ｕ ｓ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｍ ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｅ ｌ ｌ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ
ｗ ｅ ｌ ｌ Ｉ Ｊ １ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ（ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ） ， ２ ０ １ ７ ， ４ １ （ １ ） ： １ ５ ０ — １ ５ ５ ．
稠油热采井专用套管的设计与开发的开题报告
稠油热采井专用套管的设计与开发的开题报告一、题目稠油热采井专用套管的设计与开发二、研究背景及意义当前，石油行业中稠油热采技术是提高原油产量和效益的重要手段之一。
传统的采油方式无法有效采集稠油，而热采技术可以通过注入高温蒸汽来降低稠油的粘度，从而提高采集效率。
然而，在实际操作中，热采井普通套管由于无法承受高温和高压的热蒸汽，导致生命周期短，需要频繁更换，给采油成本带来很大压力。
因此，研发稠油热采井专用套管具有重要的现实意义，可以提高井筒完整性和稳定性，降低维护成本和采油成本，提高石油行业的竞争力。
三、研究内容1. 稠油热采井专用套管的材质和结构设计；2. 稠油热采井专用套管的制造工艺流程；3. 稠油热采井专用套管的性能测试和验证；4. 稠油热采井专用套管的应用推广和市场分析。
四、研究方法1. 对国内、外相关技术和产品进行调研，了解套管的材质和结构设计、制造工艺、性能测试等方面；2. 分析稠油热采井环境的特殊要求和挑战，制定套管的技术参数和技术标准；3. 采用CAD技术进行稠油热采井专用套管的设计，制定制造工艺流程；4. 基于国内的实验室和现场试验，对稠油热采井专用套管的性能进行测试和验证；5. 进行市场调研和产品分析，制定开发和推广策略。
五、预期成果1. 稠油热采井专用套管的设计方案和制造工艺流程；2. 稠油热采井专用套管的性能测试结果和验证报告；3. 稠油热采井专用套管的应用推广计划和市场分析报告。
六、研究周期2年七、参考文献1. 杨凤南, 钟宏. 稠油热采井套管失效机理及预测方法[J]. 中国钻探工程,2008(4):11-15.2. 王金波, 王嘉琼. 稠油热采井专用套管的研究进展[J]. 当代化工, 2016(8):31-34.3. 张华. 热采井套管材料及其应用现状[J]. 石油化工产品质量监督, 2010(6):17-20.。
热采井油层保护工艺管柱的研制与应用
热采井油层保护工艺管柱的研制与应用【摘要】河口采油厂热采井注汽后，一旦需要检泵作业和热洗，因为油稠洗井压力高，加之入井液温度低、地层压力低等原因，容易造成入井液进入地层，引发注汽后高温地层冷伤害，致使油井产量降低。
为此，研制并应用了稠油热采井油层保护工艺管柱来避免稠油井入井液对地层的冷伤害，进而提高热采高产周期，减少热采作业费用，提高注汽热采效益。
本文介绍了稠油热采井油层保护工艺管柱的工作原理、操作规程及现场应用效果。
【关键词】入井液冷伤害防倒灌管柱1 前言河口采油厂热采井359口，其中开井312口，年产油51.4万吨。
统计2008-2010年热采井注汽后生产期间，发生检泵作业27口井，全部发生了冷伤害，普遍出现液量下降，油量急剧下降，含水快速上升的现象，平均日油由10.2吨下降到3吨，含水平均上升13.8%，其中有12口含水上升10%以上，最大的含水上升达到56%，单井产量平均下降70%，热采井生产周期较正常转周周期缩短164天。
入井液冷伤害是导致稠油热采井产能急剧下降，影响热采措施效果的主要原因。
因此我们研制了稠油热采井油层保护工艺管柱来避免稠油井入井液对地层的冷伤害，减少热采作业费用，提高注汽热采效益。
2 稠油热采井油层保护工艺管柱的工作原理该装置主要由封隔器、底阀、沉砂管组成，管柱组合（方向由下至上）：FXf-150底阀+∮76mm油管×20m + FXY445-150注汽井高温可捞式空心桥塞+∮76mm油管至井口。
2.1 FXY445-150注汽井高温可捞式空心桥塞座封原理FXY445-150注汽井高温可捞式空心桥塞由送封工具、封隔、锚定、步进锁定等机构组成，打压座封时，当压力达到6MPa时启动活塞右行，推动上锥体右行，降卡瓦胀出，卡瓦锚定于套管内壁，胶筒压缩封隔器环腔，当压力达到16MPa 时，卡瓦锚定牢固，胶筒胀封完成。
当压力达到20-22MPa时，送封工具与工具丢开。
主要技术指标：（1）内通径：Ф76mm（2）工作温度：≤350℃（3）工作压力：≤20Mpa （4）坐封压力：20-23 Mpa （5）解封载荷：60-90KN 。
稠油热采井套管柱损坏机理及预防措施研究
稠油热采井套管柱损坏机理及预防措施研究我国是石油资源大国，而且重油所占的比例非常大，在开采稠油的过程中，由于稠油资源具有注汽次数多、出砂气窜现象多发、开采周期短等特点，常常会遇到套管柱损坏的问题，在很大程度上影响开采进度。
因此，本文针对套管柱出现损坏的原因，研究预防套管柱损坏的主要方法，以期能够改善套管柱损坏情况，提高油藏的开采效率与开采质量。
标签：稠油热采井；套管柱；损坏；预防0 前言一般情况下稠油井中的套管柱损坏，主要有三种类型：第一，漏失，其产生原因绝大多数为腐蚀，导致管道内出现不同程度的破裂，如果没有及时处理，还容易导致大井段破漏，后果非常严重。
第二，变形，一般情况下为缩径变形，容易导致开采量减少，严重时还会堵塞管道。
第三，错位，多是因为地层移动而导致管道受力发生变化，进而形成断脱，这种情况在修复过程中的难度很大。
1 损坏原因1.1 高温变化稠油热采井中的高温，是造成套管柱损坏的一个主要原因。
很多工程在油层上段都没有安装热处理设备，还有一些工程没有及时处理已经失效的封隔器，这些因素都会使得井内的高温蒸汽直接作用于套管柱，套管柱长期处在高温工作条件下，其工作效能很容易降低，进而影响其使用寿命[1]。
从实际情况来看，如果长期处于高温工作环境下，其抗拉强度、弹性模量以及工作效能，都会出现不同程度的降低。
1.2 油井问题当前，很多稠油井都会出现出砂现象，尤其是对油井进行挖掘的过程中，油层很容易因碰撞而出砂，如果岩砂飞溅到稠油井中，就会导致该段套管陷入到亏空境地，这种情况是非常危险的。
另外，如果地层压力在同一时间出现降低情况，那么在物理挤压的条件下，岩石无法保持原本相对平衡的应力，在这种情况下，也很容导致套管因受到挤压而发生破损。
1.3 热能处理在稠油热采井中，很容易产生高温热应力，如果没有对其及时处理，就会对套管产生破坏。
在对稠油井注气时，怎样运用技术，将井内存在的热能疏散，也是当前领域内部面临的主要问题。
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[收稿日期]2009-01-15 [作者简介]路利军(1965-),男,1987年大学毕业,工程师,现主要从事测井、射孔作业安全研究和管理工作。
稠油热采井套管柱强度设计方法研究路利军(中油测井有限公司长庆事业部,陕西西安710201) 冯少波(塔里木油田分公司,新疆库尔勒841000) 张 波 (胜利石油管理局测井公司,山东东营257096)[摘要]针对稠油热采井套管损坏问题,调研了大量国内外研究文献,指出了现有套管柱强度校核的不足,提出了稠油热采井套管柱强度校核应采用应力强度设计方法,并根据油田注蒸汽实际工况计算套管载荷和热应力,根据厂家试验取得的高温下套管屈服强度数据校核和设计套管。
[关键词]稠油;热采井;注蒸汽;套管柱;强度设计[中图分类号]T E931 2[文献标识码]A [文章编号]1000-9752(2009)02-0364-03我国稠油资源分布广泛,主要包括辽河油田、新疆油田、河南油田等。
其中新疆油田和辽河油田广泛采用注蒸汽开发稠油油藏。
套管柱强度设计是油气井工程的基础,也是井身结构设计的重要内容之一,关系到油气井安全钻进、油气井寿命和油气田整体开发效益。
国内外学者针对稠油热采注蒸汽井筒热分布和套管强度开展了大量的研究工作[1~4],取得了一些成果和认识,基本满足了稠油开发生产的需求。
但是各油田还是不同程度地出现了热采井损坏现象[5],其原因之一是套管柱强度设计没有充分考虑注蒸汽热采对套管的影响。
国内早在1994年就开展了注蒸汽热采井套管强度设计方法研究[6,7],随着对热采井套管载荷研究的深入和钢材技术水平的提高,综合利用研究成果开展稠油热采井套管柱强度设计方法研究具有重要意义。
1 热采井套管柱强度设计方法套管柱强度设计方法多种多样,其核心是套管外载荷的计算和强度的选择。
油田设计套管时一般按照SY/T 5322-2000标准执行,针对稠油热采增加相应的热载荷。
但是强度设计合格的套管柱还是出现了套损现象,说明目前的套管柱强度设计方法需要针对稠油注蒸汽热采作相应的改进。
热采井套管柱设计的原则是在保证套管柱完井和注采过程中安全的基础上经济有效。
上述设计原则关键点在于安全和经济。
由于稠油注蒸汽温度高达350 ,除了按照SY/T 5322-2000标准设计和校核之外,更重要的是要考虑注汽开采过程中套管受热产生的非线性热应力和温度对套管强度的影响。
鉴于热采井套管强度设计的复杂性,需要采用应力强度设计方法。
该方法首先根据套管完井和采油过程中的载荷计算套管的V on M ises 等效应力,然后用高温下套管材料的屈服强度校核。
2 热采井套管外载荷计算套管外载荷的计算包括完井过程中的常规载荷和注蒸汽热采过程中的热载荷,其中热载荷计算是关键。
注蒸汽时井筒温度增加,套管温度上升,套管因热膨胀而伸长,但套管被水泥环封固,热膨胀不能自由进行,从而转化为套管的热应力。
注蒸汽后,热量从井筒传递到地层,套管温度逐渐降低,热应力 364 石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2009年4月 第31卷 第2期Journal of Oil and Gas Technology (J JPI) Apr 2009 Vol31 No 2逐渐释放。
关于井筒温度场和套管热应力的计算已经有一些研究成果,经过对比和筛选,推荐采用文献[4]的方法计算井筒温度场和套管热应力。
2 1 井筒温度场计算井筒温度场主要包括蒸汽压力和干度沿程变化的计算,饱和蒸汽的温度和压力是一一对应的,可以计算出对应井深的蒸汽温度和套管温度。
记蒸汽压力梯度方程为F,干度梯度方程为G,于是蒸汽压力和干度梯度方程可以表示如下:F(Z,P ,X )=d P d Z =- m g sin +f m m v 2m 2d 1- m v m v sg P(1) G(Z,P,X )=d X d Z =-d Q d Z + h m P -v m v sg P d P d Z +g sin h mX (2)式中,Z 为井深,m ;P 为压力,M Pa ;X 为蒸汽干度,无因次; m 为蒸汽密度,kg/m 3;g 为重力加速度,m/s 2;为井斜角,弧度;f m 为摩擦系数,无因次;v m 为蒸汽流速,m/s ;d 为管柱内径,m m ;v sg 为气相表观流速,m/s ;Q 为热量,J ;h m 为蒸汽热焓,J 。
求解公式(1)和(2)并转化成蒸汽温度,就可以计算出套管温度。
引入时间参数,可以得到套管温度随时间变化历程,为套管热应力计算提供基础。
2 2 套管热应力计算稠油井注蒸汽和开采过程中套管处于变温状态,根据热应力基本理论,可以得到变温状态下,套管的热应力计算公式:r =- c E c T 2(1- c )+E c C c1(1+ c )(1-2 c )1-r 2ci r 2 =- c E c T 2(1- c )+E c C c1(1+ c )(1-2 c )1+r 2ci r 2 Z =- c E c T 1- c +2 c E c C c1(1+ c )(1-2 c )(3)式中, r 为径向应力,M Pa ; 为环向应力,M Pa ; z 为轴向应力,M Pa ; c 为套管线膨胀系数,无因次;E c 为套管弹性模量,MPa ; T 为温差, ; c 为套管泊松比,无因次;C c1为套管热容,J/(kg );r ci 为套管内半径,m m ;r 为套管外半径,mm 。
在公式(3)中,拉伸应力为正,压缩应力为负,根据计算出来的 r 、 和 Z ,采用弹性力学基本理论计算Von M ises 等效应力。
该公式的适用范围是套管应力没有达到屈服强度。
3 温度对套管强度影响分析国内外早已开展了套管强度随着温度变化的研究[8],试验得到套管材料屈服强度随温度变化曲线,从中可以看出,屈服强度随温度变化具有减小趋势。
上述研究针对的是套管材料的屈服强度。
常规套管强度校核方法是根据该曲线计算不同温度下套管的抗拉、抗挤和抗内压强度,从而设计和校核套管强度。
热采井套管应力校核方法不需要用套管材料屈服强度计算抗拉、抗挤和抗内压强度,而是直接用屈服强度校核套管的Von M ises 等效应力。
而且根据套管材料屈服强度计算抗拉、抗挤和抗内压强度需要作一定的简化和假设,从而降低了计算精度。
4 热采井套管的选择根据设计选用套管时,需要有足够品种和强度的套管以满足安全性和经济性的要求。
针对热采井高 365 第31卷第2期路利军等:稠油热采井套管柱强度设计方法研究温的需求,国内外开展了大量的研究[9,10]。
天钢、宝钢、西姆莱斯等钢厂也研究并制造了热采井专用套管,其中天钢有TP65H 、TP90H 、TP95H 、TP100H 、TP110H 和T P120TH 等钢级可供选择。
热采套管不但要满足A PI 标准和行业标准,而且还要满足油田补充订货技术条件。
油田在制定补 图1 WSP -105H 套管螺纹的基本结构充订货技术条件时,需根据油田需要和厂家的研究及加工能力而提出合理的技术要求。
热采套管以保证套管在注热蒸汽时具有良好性能作为设计依据,保证套管在350 温度下屈服强度基本降低,并具有较低的线膨胀系数。
天钢开发的TP100H 钢级热采套管350 下屈服强度下降较少[9]。
热采井套管除了要求钢材的耐高温性能之外,还需要选用有利于热膨胀的连接螺纹。
西姆莱斯研发了WSP -105H 热采套管螺纹[10],其基本结构见图1。
可用于实际生产。
5 结 语1)热采井套管柱强度设计应采用应力强度设计方法,根据温度变化计算套管载荷,从而计算Vo n Mises 应力,并用套管材料的屈服强度校核。
2)套管载荷计算和高温下套管强度的变化是套管柱强度设计的关键因素,油田可以根据具体情况确定载荷的计算方法,厂家应提供所供货套管的高温性能参数。
3)目前套管柱强度设计往往是先选定套管,再根据套管进行强度校核。
建议油田联合厂家继续研发热采专用套管,并以降低材料的线膨胀系数为主要目标,以保证热采井套管的安全性。
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