申媛媛

中圖分類號：TE345 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）40-0078-02

1、研究目的和意義

套管是一口井中最重要的組成部分，他能夠保護(hù)井眼、加固井壁，并且能夠有效的封隔產(chǎn)層中的油和水，除此之外還能夠在鉆井、采油和修井作業(yè)過程中控制油井壓力。稠油開采過程中往往伴隨著注蒸汽產(chǎn)生的高溫高壓，這樣的條件下套管的熱損壞就十分嚴(yán)重。

2、稠油熱采井目前存在的問題

雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者對套管損壞的研究力度有所提高，但由于現(xiàn)在情況的復(fù)雜性和稠油熱采井的工藝特殊性，不同程度的套管損壞依然發(fā)生在各油田上。伴隨著這些問題，國內(nèi)外學(xué)者和專家也都提出了不同的觀點(diǎn)和看法，總的來說有以下幾點(diǎn)：

（1）熱采溫度對套管的影響（2）螺紋泄露對套管的影響（3）交變應(yīng)力對套管的影響（4）預(yù)應(yīng)力值計(jì)算方法的不合理（5）非均勻載荷對套管的影響（6）出砂引起套管的損壞

其中，熱采溫度對套管的影響最大，本文將利用ANSYS有限元模擬軟件，進(jìn)行不同隔熱條件下，井筒的溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值計(jì)算

3、注蒸汽井井筒的溫度場、應(yīng)力場數(shù)值計(jì)算

地層、套管、水泥環(huán)組成了油井在地下的復(fù)雜的封閉系統(tǒng)，通常我們采用的解析或者半解析的方法很難得到精確地?zé)岵蛇^程中溫度場、壓力場和應(yīng)力場的變化過程。為了更加準(zhǔn)確地找到地層、套管和水泥環(huán)之間的物理、力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，現(xiàn)采用ANSYS有限元軟件模擬現(xiàn)場的工況，來分析稠油熱采井井筒的溫度場和應(yīng)力場。

3.1 不同隔熱措施情況下的注蒸汽井井筒的溫度場分布

由于現(xiàn)場所用的隔熱管經(jīng)過多次蒸汽吞吐，其隔熱性能的好壞也存在很大的差異，甚至有的已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于出廠時(shí)的性能標(biāo)準(zhǔn)，為了了解這些因素對套管的損壞影響程度，現(xiàn)對不同隔熱管視導(dǎo)熱系數(shù)對地層、套管及水泥環(huán)的溫度場影響情況進(jìn)行研究，其計(jì)算結(jié)果如圖1、2及表1所示。

由圖1、2可知，地層-水泥環(huán)-套管組合的系統(tǒng)的溫度，受油管的視導(dǎo)熱系數(shù)影響非常大。較小的Kxx可以有效降低套管以及井眼附近地區(qū)的溫度。例如，在未下封隔器的時(shí)候，套管內(nèi)壁的溫度高達(dá)350℃；使用普通的油管時(shí)，套管內(nèi)壁溫度為263.4℃，相比無封隔器時(shí)下降了86.6℃；使用視導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.12、0.06、0.006 w/m·℃的隔熱油管時(shí)，套管內(nèi)壁的溫度就明顯降低了，分別為209.6℃、175.3℃、73.2℃。由此可以得出結(jié)論，采用較低視導(dǎo)熱系數(shù)的油管能明顯降低套管內(nèi)壁的溫度，從而保護(hù)套管。

3.2 不同隔熱措施下套管溫度的變化情況

整理數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可得到不同油管視導(dǎo)熱系數(shù)下套管內(nèi)外壁的溫度情況。

3.3 注蒸汽井井筒在不同隔熱條件下的應(yīng)力場分布

在完成對注蒸汽井筒的溫度場模擬計(jì)算后，將其結(jié)果作為體載荷讀入到應(yīng)力場模型中，利用間接耦合的有限元方法即可得到套管-水泥環(huán)-地層這個(gè)組合系統(tǒng)的應(yīng)力場的模擬結(jié)果。

應(yīng)力場模型：在地層垂直方向上取22m，井眼軸向?yàn)橹行娜较虬霃綖?m，由于該模型具有對稱性，所以采用1/4的三維有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖3-1所示。假設(shè)固井質(zhì)量良好，各組成部位間無相對滑移。采用ANSYS有限元分析軟件中的Brick 8node 45結(jié)構(gòu)單元，并對該模型采用單元離散的，得到64646個(gè)節(jié)點(diǎn)，51397個(gè)單元。

模型結(jié)構(gòu)：取油管內(nèi)半徑20.4mm，外半徑25.8mm，環(huán)空厚度28.8mm，選用51/2”N80套管，其內(nèi)半徑為54.6mm，外半徑62.3mm，水泥環(huán)厚度為22.7mm，模擬地層厚度65mm。

邊界條件：現(xiàn)以遼河油田地下深度1100m處為例，油管內(nèi)注蒸汽壓力為16MPa，應(yīng)力邊界條件見表2。

3.4 預(yù)應(yīng)力對套管應(yīng)力產(chǎn)生的影響

熱采井注蒸汽過程中看，預(yù)應(yīng)力對套管的影響如圖3所示。圖中反應(yīng)出預(yù)應(yīng)力的大小與套管壁上Mises應(yīng)力值呈反比關(guān)系，當(dāng)預(yù)應(yīng)力增加時(shí)，Mises應(yīng)力值就明顯降低。較大的預(yù)應(yīng)力能夠抵擋部分熱應(yīng)力，減少對套管的損壞，起到一部分保護(hù)作用。為了得到更為明確的結(jié)果，現(xiàn)分別取預(yù)應(yīng)力60.100.140MPa，套管內(nèi)壁上的Mises應(yīng)力分別降低34、57、80MPa ，各自分別有6.71%、11.2%、15.8%的降幅。

3.5 套管應(yīng)力受注汽溫度的影響

分析N80套管在預(yù)應(yīng)力大小為60MPa，注蒸汽的壓力為16MPa時(shí)，在不同溫度下所對應(yīng)的Mises應(yīng)力如圖4所示。由圖可知當(dāng)注汽溫度降低時(shí)，套管的Mises應(yīng)力也降低。當(dāng)注蒸汽溫度為200℃、250℃、300℃、350℃時(shí)，套管內(nèi)壁上的Mises應(yīng)力分別為318.2MPa、378.4MPa、430.7MPa、468.5MPa。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)外都面臨著稠油熱采套管柱損壞問題，套管柱的損壞，給油田帶了不同程度的經(jīng)濟(jì)損失。本論文采用理論分析，數(shù)值計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方面的分析。

（1）套管變形占了遼河油田熱采井中套損中的87%，并伴隨著明顯的地層出砂特征。射孔段以及射孔段以上20m的范圍內(nèi)位套損部位集中區(qū)域。

（2）油藏出砂引起的套管損壞主要有以下幾個(gè)類型：1套管壓縮破壞；2套管剪切破壞3套管屈曲；4套管彎曲破壞；5套管擠毀；6其它。油藏的邊緣地帶經(jīng)常發(fā)生套管的剪切破壞和彎曲破壞。而套管屈曲和壓縮破壞，則常發(fā)生垂向變形較大的地段，例如油藏中部的生產(chǎn)層段。

數(shù)值模擬采用ANSYS有限元模擬軟件對稠油熱采井套管柱受溫度場以及應(yīng)力場破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬，并得出結(jié)論：

（1）較低的油管視導(dǎo)熱系數(shù)Kxx能有效的降低井筒熱損失。例如，在原始地層溫度為53℃的條件下，當(dāng)未下封隔器時(shí)，在井眼軸線4.2米處的地層因注汽溫度上升到103℃，當(dāng)使用普通油管時(shí)溫度上升到88.2℃，在采用Kxx為0.12、0.06、0.006 w/m·℃的隔熱管時(shí)，溫度分別上升到79.8、72.6、51.2℃，相比未下封隔器和普通油管分別降低了22.5%、29.5%、50.3%。

（2）在整個(gè)注汽過程中，隨著預(yù)應(yīng)力的增加，套管軸向上的壓應(yīng)力也隨之降低，這也導(dǎo)致套管上的Mises應(yīng)力降低，這使套管到達(dá)屈服的注汽溫度變得更高，因此，增加預(yù)應(yīng)力對套管有一定的保護(hù)作用。

（3）在不影響注汽效果的前提下，適當(dāng)?shù)慕档妥⑵麥囟龋山档吞坠茌S向應(yīng)力和Mises應(yīng)力，對套管起到一定的保護(hù)。例如，當(dāng)注汽溫度從350℃降低到300℃時(shí)，套管內(nèi)壁的Mises應(yīng)力就從468.5MPa，降低到了430.7MPa，下降了37.8MPa。另外，增大注汽壓力，也能夠抵消部分軸向熱膨脹產(chǎn)生的位移，也能夠?qū)μ坠芷鸬奖Ｗo(hù)。

（4）合理增加套管的壁厚和選用高強(qiáng)度的套管也能降低套管壁上的Mises壓力，對套管起到保護(hù)，特別是在稠油熱采井中采用高強(qiáng)度的套管，可以最大程度的減少對套管的損害。

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