黃永智，張哲平，張傳友，楊騰飛

(天津鋼管制造有限公司 天津 300301)

0 引 言

熱采井是采用熱力方法提高油井產(chǎn)量的一種油井，一般針對(duì)稠油油井，主要采用蒸汽吞吐(CSS)、蒸汽驅(qū)(SAGD)或者火燒油層等作業(yè)方式，提高地層原油的溫度，降低原油粘度，從而增加了地層油的流度比、增加采收率[1]。

但是由于蒸汽或者火燒給套管帶來(lái)的高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力，以及在高低溫轉(zhuǎn)換過(guò)程中，引起的拉壓載荷的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致套管發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，從而降低熱采井的開(kāi)采效率[2]。

1 國(guó)內(nèi)熱采井套管發(fā)生套損的主要原因

目前國(guó)內(nèi)熱采井普遍采用蒸汽吞吐的作業(yè)方式進(jìn)行開(kāi)采，使用的無(wú)縫鋼管鋼級(jí)主要有90H、100H、110H和125H等，螺紋類(lèi)型主要采用偏梯形螺紋或者TP-CQ氣密封螺紋。國(guó)內(nèi)選用的熱采井用無(wú)縫鋼管組合在經(jīng)過(guò)幾輪次的蒸汽吞吐后，鋼管拉伸屈服極限降低，發(fā)生累積塑性變形。如P110套管在設(shè)定最高溫度372 ℃、飽和蒸汽壓力21.6 MPa、9天為1個(gè)吞吐周期的條件下，經(jīng)過(guò)8個(gè)吞吐周期后井下套管所產(chǎn)生的內(nèi)部拉應(yīng)力為370 MPa，可能發(fā)生縮頸和斷裂等套管損壞[3]。根據(jù)國(guó)內(nèi)某油田統(tǒng)計(jì)的熱采井的套損位置數(shù)據(jù)，套損位置主要是在油層上下100 m(占82.8%)，并靠近接箍附近。熱采井套管因螺紋類(lèi)型而引起熱采井套損的主要原因如下：

1)當(dāng)熱采井中的套管為偏梯形螺紋時(shí)，在注蒸汽作業(yè)過(guò)程中，蒸汽會(huì)通過(guò)偏梯形螺紋間隙泄漏，使套管在井內(nèi)的很多部位出現(xiàn)膨脹，并且偏梯形螺紋沒(méi)有對(duì)頂臺(tái)肩設(shè)計(jì)，不能承受高扭矩，不適合旋轉(zhuǎn)下入，抗壓縮能力低，在高壓縮載荷下會(huì)出現(xiàn)屈曲失效。

2)TP-CQ類(lèi)型普通油氣井用特殊扣螺紋的密封結(jié)構(gòu)形式，在常溫或者低于200 ℃的高溫下可以保持氣密封能力，但是由于熱采井蒸汽溫度高于200 ℃，該類(lèi)型特殊扣在高溫環(huán)境下密封能力會(huì)降低，同樣會(huì)造成熱蒸汽的泄漏，并且該類(lèi)型特殊扣抗壓縮能力不能超過(guò)管體的80%，在高壓縮狀態(tài)下容易發(fā)生泄漏失效[4]。

3)偏梯形螺紋或者普通氣密封螺紋的齒形采用偏梯形絲扣型式，該齒形存在一定的應(yīng)力集中，在經(jīng)過(guò)多次熱循環(huán)引起的拉壓循環(huán)后會(huì)引起螺紋尾扣處發(fā)生疲勞斷裂。

2 熱采井套管設(shè)計(jì)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計(jì)方法

為了降低套損發(fā)生的概率，目前國(guó)內(nèi)外采用兩種熱采井用無(wú)縫套管的設(shè)計(jì)方法：基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法和基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法。國(guó)內(nèi)常用的是基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法，其主要原理為：提高套管產(chǎn)品的鋼級(jí)，增加套管材料強(qiáng)度的安全系數(shù)，材料中加入大量的Cr和Mo，提高材料在高溫環(huán)境的性能可靠性，螺紋類(lèi)型主要采用API偏梯型螺紋或者普通特殊扣螺紋。

以加拿大熱采井為代表的基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法主要原理為：套管管體鋼級(jí)選用API鋼級(jí)，根據(jù)材料斷裂前的最大應(yīng)變量以及高溫下材料真實(shí)服役性能的衰減值進(jìn)行熱采井的特殊扣螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；套管螺紋選用能夠在保持總應(yīng)變不變的情況下，經(jīng)過(guò)十次高低溫循環(huán)不發(fā)生泄漏的特殊套管螺紋[5]。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)熱采井無(wú)縫套管實(shí)物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要采用ISO 13679(API 5C5)，該評(píng)價(jià)試驗(yàn)是確定套管管體和特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下的結(jié)構(gòu)完整性與密封能力，復(fù)合載荷包括：拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓、彎曲和高溫等。

目前國(guó)外熱采井無(wú)縫套管的實(shí)物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要采用ISO 12835標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)主要評(píng)價(jià)套管在模擬蒸汽注采載荷工況環(huán)境下整體結(jié)構(gòu)的完整性與密封能力，模擬蒸汽注采循環(huán)，載荷主要包括：恒應(yīng)變情況下由于溫度變化引起的拉伸壓縮載荷、內(nèi)壓和彎曲等。

因?yàn)闊岵删斫Y(jié)構(gòu)通常為大位移定向井或者水平井，在下入過(guò)程中，國(guó)外通常會(huì)采用頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)下入的操作方式，因此以后的評(píng)價(jià)試驗(yàn)會(huì)先進(jìn)行整管振動(dòng)彎曲疲勞測(cè)試，然后依據(jù)ISO 12835評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

3 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)熱采井用無(wú)縫套管和螺紋類(lèi)型

3.1 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)熱采井用無(wú)縫套管

無(wú)縫套管在注蒸汽作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生膨脹，而熱采井套管由于受到固井水泥的約束無(wú)法進(jìn)行膨脹，因此套管會(huì)產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，如圖1所示。當(dāng)加熱到一定溫度后套管管體承受的內(nèi)應(yīng)力會(huì)超過(guò)管體的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生塑性變形，而這部分塑性變形是不可恢復(fù)的。當(dāng)注蒸汽作業(yè)完成后套管管體溫度降低，同時(shí)由于在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生了塑性變形，套管會(huì)由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)換成拉伸狀態(tài)，因此如果在高溫壓縮狀態(tài)下套管管體產(chǎn)生的不可恢復(fù)塑性變形越多，低溫環(huán)境下套管承受的拉力越大。

圖1 熱采井應(yīng)力與溫度曲線

由于碳鋼的熱膨脹系數(shù)是恒定值，因此我們需要控制適用于熱采井的套管材料在高溫環(huán)境下發(fā)生塑性形變量，降低圖1中BC段的長(zhǎng)度。熱采井套管在BC段發(fā)生高溫軟化，材料屈服強(qiáng)度逐漸降低，套管材料在此過(guò)程中產(chǎn)生部分塑性變形。

以國(guó)內(nèi)基于應(yīng)力設(shè)計(jì)的適用于熱采井的TP110H鋼級(jí)為例，TP110H在高溫下材料的屈服強(qiáng)度降低幅度較大，而P110鋼級(jí)高溫下材料的屈服強(qiáng)度降低幅度較小，如圖2所示。

圖2 材料在不同溫度下的屈服強(qiáng)度

不同鋼級(jí)的熱采井材料在不同溫度下隨著鋼級(jí)的增加材料屈服強(qiáng)度的衰減系數(shù)逐漸降低，基于應(yīng)力設(shè)計(jì)的熱采井材料主要是根據(jù)材料在常溫和高溫環(huán)境中材料屈服強(qiáng)度的差值或者衰減系數(shù)進(jìn)行套管材料的設(shè)計(jì)和選擇，如圖3所示。

圖3 材料在不同溫度下的衰減系數(shù)

基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的熱采井套管是根據(jù)材料在高溫靜態(tài)服役環(huán)境中材料的真實(shí)性能(材料在進(jìn)行應(yīng)力松弛釋放后的材料真實(shí)性能)進(jìn)行套管設(shè)計(jì)，如圖4所示。圖4中藍(lán)色測(cè)試數(shù)據(jù)代表材料在高溫環(huán)境下的拉伸曲線(該曲線由試驗(yàn)室高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)獲得)，紅色曲線靜態(tài)強(qiáng)度數(shù)值代表材料長(zhǎng)期在高溫環(huán)境中服役的真實(shí)材料性能(應(yīng)力松弛后的材料性能)。基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)熱采井套管材料通過(guò)評(píng)估材料在高溫下的拉伸性能(藍(lán)色測(cè)試數(shù)據(jù))與材料的真實(shí)服役性能(紅色靜態(tài)強(qiáng)度數(shù)值)的差值確定BC段的長(zhǎng)度值。

圖4 材料靜態(tài)真實(shí)服役性能與材料常規(guī)高溫性能

3.2 特殊扣型螺紋的設(shè)計(jì)研發(fā)

由于熱采井套管材料在高溫環(huán)境下已經(jīng)完全處于過(guò)屈服狀態(tài)，因此基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的熱采井用特殊螺紋扣型，應(yīng)具有較高的超越普通油氣井用特殊扣的抗壓縮能力；同時(shí)由于熱采井使用溫度通常超過(guò)300 ℃，因此常規(guī)的錐對(duì)錐形式的密封面，經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算和實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)，密封性能較差，不適用于熱采井。圖5是經(jīng)過(guò)有限元分析優(yōu)化后的密封接觸壓力。

由于偏梯形螺紋在經(jīng)過(guò)數(shù)次高強(qiáng)度的拉伸壓縮循環(huán)后，螺紋消失扣處會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，為了解決此問(wèn)題，應(yīng)選用具有一定抗疲勞能力的特殊扣螺紋，如圖6所示，并且進(jìn)行了抗疲勞特殊扣有限元分析與整管振動(dòng)彎曲疲勞評(píng)價(jià)試驗(yàn)，如圖7所示。

圖5 密封接觸壓力

圖6 適用于熱采井的TP-G2 TW特殊扣

圖7 振動(dòng)彎曲疲勞評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)

3.3 特殊扣螺紋的評(píng)價(jià)試驗(yàn)

根據(jù)ISO 12835—2013熱采井特殊扣螺紋評(píng)價(jià)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的特殊扣螺紋套管產(chǎn)品進(jìn)行了評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容包含以下幾方面內(nèi)容：1)利用具有位移控制功能的復(fù)合力試驗(yàn)機(jī)，在控制位移的狀態(tài)下，模擬10個(gè)輪次的蒸汽吞吐試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)特殊扣螺紋接頭的氣體泄漏情況，試驗(yàn)裝置如圖8所示，試驗(yàn)中的拉伸載荷加載路徑如圖9所示。2)進(jìn)行了極限拉伸試驗(yàn)和極限彎曲試驗(yàn)，測(cè)試特殊扣螺紋在極限條件下的密封能力。最后利用彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備，測(cè)試了特殊扣螺紋的抗疲勞能力，保證特殊扣螺紋在經(jīng)過(guò)多次拉壓循環(huán)和旋轉(zhuǎn)下入后不發(fā)生疲勞斷裂失效。

圖8 熱采井特殊扣實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)

注：1 kip=4 448 N圖9 熱采井評(píng)價(jià)試驗(yàn)載荷加載路徑

經(jīng)過(guò)以上特殊扣螺紋的試驗(yàn)評(píng)價(jià)，基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)理論開(kāi)發(fā)的TP-G2 TW特殊扣螺紋在全尺寸實(shí)物評(píng)價(jià)過(guò)程中未發(fā)生任何泄漏以及結(jié)構(gòu)失效等。目前國(guó)內(nèi)只有該特殊扣螺紋通過(guò)了ISO 12835—2013評(píng)價(jià)試驗(yàn)，并且已經(jīng)在加拿大的尼克森形成批量生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

1)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的熱采井套管更加適用于國(guó)內(nèi)外熱采井。

2)國(guó)內(nèi)的熱采井套管材料的選用標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步完善，應(yīng)確定在靜態(tài)服役過(guò)程中材料的真實(shí)性能。

3)國(guó)內(nèi)應(yīng)用的偏梯形螺紋不適用于熱采井，需要選擇基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的特殊螺紋。