稠油热采井剪环式双向热应力补偿工具研究

针对目前稠油井热采过程中,因注蒸汽造成套管损坏的问题,开发了一种剪环式双向热应力补偿工具,其原理是对注蒸汽时套管的热胀冷缩变形量进行有效补偿,释放套管自身的热应力,达到保护套管的目的。与常规的剪钉式单向补偿器相比,采用了性能更加稳定可靠的剪环式双向补偿结构,既可有效满足注蒸汽时的管柱伸长补偿,又可满足停注时管柱收缩补偿。该工具已在胜利油田得到广泛应用,取得了明显的效果。     

薄互层稠油油藏二次防砂井工艺及应用

薄互层稠油油藏热采过程中防砂体系易失效,在对失效井扶躺时,需要分析二次防砂后油井产能,同时优化防砂筛管参数以确保油井二次防砂措施的有效性。通过精细描述Cinco-Ley产能模型中机械防砂的表皮系数,使之适用于薄互层油藏二次防砂油井;同时,在应用产能公式的过程中,提出了筛管拟渗透率的概念,以量化描述筛管渗透性。在Moriche油田二次防砂筛管设计中,优选渗透性更好的φ101.6 mm割缝筛管作为防砂筛管;基于杆管强度理论和热应力影响,优化了割缝长度和割缝密度。将二次防砂优化结果运用于Moriche油田的MKT-13井,取得了MTK-13井产能降低幅度小于5%的效果。该研究对薄互层稠油油藏二次防砂井具有重要意义。     

热采水平井复合筛管热应力及变形规律分析

目前对于筛管热稳定性的研究主要是将筛管简化为单层油管或基管进行热稳定性及应力分析,未考虑筛管本身复杂的机械结构。针对目前广泛使用的基管-挡砂层-外保护罩复合防砂筛管,考虑各介质材料强度参数随温度的变化,建立了基管与外保护罩的变形耦合模型,采用机械筛管防砂水平井在不同热采工况下的筛管热应力分布和热变形量计算方法,分析了恶劣工况下的筛管破坏特征。案例分析结果表明,未锚定状态下筛管受热振动的主要影响因素是温度效应造成的轴向伸缩量,井底温度为350℃时,筛管轴向膨胀率达0.66%。锚定条件下当井底温度达到305℃时筛管基管发生屈服,筛管的破坏特征强度值为563.1 MPa。研究成果对热采机械筛管防砂水平井管柱设计有一定的指导意义。     

割缝筛管水平井注蒸汽热力参数分布规律数值模拟研究

为了清楚认识割缝筛管完井水平井注蒸汽过程中热力参数的分布规律,为水平井割缝筛管完井优化提供理论依据,根据质量守恒、动量守恒和能量守恒原理,建立了注蒸汽过程中蒸汽压力、蒸汽温度和蒸汽干度沿水平井筒分布的数学模型,并采用压力增量和干度增量双重迭代方法对其进行求解.以此为基础,通过实例分析了蒸汽热力参数沿水平井筒的分布规律及割缝筛管参数对其分布规律的影响.结果表明:蒸汽通过300 m长的水平井段后,其压力、温度和干度分别下降5.8 kPa、0.035 ℃和0.128;割缝宽度、长度及密度分别由0.2 mm增至0.4 mm、100 m增至140 m、200条/m增至360条/m时,水平段吸汽长度分别缩短90,100和70 m,在水平段吸汽长度范围内,蒸汽压力下降幅度分别减小1.50,1.74和1.38 kPa,蒸汽干度下降幅度分别增加0.03、0.06和0.056.蒸汽压力、蒸汽温度和蒸汽干度沿水平井筒呈二次多项式的非线性下降关系,且增大割缝的宽度、长度和密度,可使蒸汽压力的下降幅度减缓、蒸汽干度的下降幅度增大、水平井段吸汽长度变短.      

注蒸汽井的温度场及其套管的热应力

利用有限元法分析了注蒸汽井的不稳定温度场及其热应力,并着重给出了螺纹和水泥未封固到井口的热力干扰影响。为了热采井汽钻井工艺设计的需要,本文还详细地分析了封隔器失效、井深H、环空厚度△r、弹性模量E(T)、注蒸汽温度Tf对套管热应力σZ的影响,并绘制了相应的关系曲线,提供了数值计算软件。     

隔热保温防磨油管下入深度确定方法

隔热保温防磨油管广泛应用于高凝原油开采,但其价格昂贵,准确计算其在油井的下入深度既可以实现保温效果的最大化,又能够有效控制材料成本,提高高凝、高含蜡油井开采效益。为此,以某隔热保温防磨油管为例,依据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,将油井产液看作气液两相流,建立了油井井筒温度场控制模型和井筒传热模型,开展了隔热保温防磨油管下入深度研究。通过对比多种计算方法,得到计算结果与现场实际很接近的迭代求解数值方法,保证了模型的收敛和稳定。B-2D井的应用结果表明:模型计算结果与生产现场测试结果相对误差为2. 12%; 30余口油井应用后平均节约225 m保温隔热防偏磨油管,平均井口温度提高18. 3℃,油井井口回压平均降低0. 42 MPa。建立的油井井筒温度场控制模型和井筒传热模型不仅可用于自喷井保温油管的下入深度计算,也可以为水合物形成、注氮气或注蒸汽工艺参数设计提供依据。     

考虑地应力耦合的热采井套管损坏分析

考虑到热采过程会引起井筒附近地层局部温度场的改变,文中将注汽前地应力、热采过程中局部地应力改变以及套管热应力的作用三种因素进行耦合求解,计算得到套管的最大Von Mises等效应力。计算结果表明,热采注汽初始阶段套管温度迅速上升,使套管柱处于高温场中,在套管内部产生热应力。热采过程引起的局部地应力场改变对套管最大Von Mises等效应力有较大影响,仅仅考虑温度改变对套管Von Mises等效应力的影响是不够的,建议在计算套管Von Mises等效应力时,应尽量考虑地应力的作用。     

垂直井筒内超临界蒸汽相态变化规律数值模拟——以高升油田高3624块为例

根据高升油田高3624块的储层地质条件及流体特征,结合超临界蒸汽吞吐机理,通过对动量方程、能量方程、散热方程等控制方程的求解,建立超临界蒸汽驱压降及温降的数值模型,计算超临界蒸汽各参数在注气油井中的数值展布,研究垂直井筒内超临界蒸汽吞吐过程中流动的各项热力学参数、压力降和套管温度的变化规律。以计算流体力学为基础,通过改变注入蒸汽压力、蒸汽温度等模拟条件,得到不同位置的温度场、压力场分布云图,进一步加深对超临界蒸汽相态变化规律的研究,为高升油田超临界注汽参数的优化和提高深层稠油采收率提供依据。     

水平井蒸汽吞吐注汽筛管位置调整时机优化研究

针对稠油油藏水平井蒸汽吞吐吸汽不均导致热效率低的问题,采用数值模拟方法,对非均质储层水平井段吸汽规律进行研究,分析了注汽筛管位置对水平井段吸汽规律的影响,引入温度变异系数对比多个周期水平段吸汽不均的程度,并提出了注汽筛管位置调整时机优化方法,根据温度变异系数先降后升的“V”字形变化规律,对比不同阶段调整注汽筛管位置对蒸汽吞吐采油的影响。结果表明:蒸汽吞吐初期温度变异系数不断下降,依据热力学加和性原理,该阶段吸汽较好的储层比热容升高,证明含水量不断增大,剩余油被大量采出,此时调整筛管位置无法充分动用高渗储层的剩余油;若在蒸汽吞吐后期调整筛管位置,则高渗区的油大量采出后至筛管调整前这一阶段,蒸汽注入后富集于高渗低含油区,热利用效率低;在温度变异系数达到最小值时,说明高渗段油藏体系比热容升至较高值,含水饱和度大,剩余油较少,此时调整筛管位置可改善非均质储层动用不均的问题,因此,温度变异系数达到最小值后越早调整筛管位置效果越好。将研究成果应用于乐安油田,通过温度变异系数方法选择时机调整筛管位置后,吸汽剖面更为均衡,平均日产油由上一周期的0.5 t/d提高至3.4 t/d。研究成果对改善蒸汽吞吐吸汽不均有指导意义。     

温度分布不均匀对炉管弯曲变形影响

制氢炉炉管的弯曲变形有可能造成炉管破裂从而导致重大事故发生。通过对制氢炉辐射室的温度场分布、炉管温度分布以及炉管热应力等的计算 ,分析了炉管弯曲变形的内在原因以及由炉管热应力引起的初变形对炉管弯曲变形的影响 ,炉管表面周向温度分布不均匀是炉管弯曲变形的主要原因     

海上稠油热采井防砂筛管热应力分析

为了研究稠油热采井防砂筛管的热稳定性,建立了筛管热应力分析模型,对不同工况下不同钢级的筛管基管进行研究。建模时为获得较高的网格密度,且在划分网格时不引起网格畸变,只取筛管基管的一部分进行模拟,忽略多元热流体化学因素的影响,采用8节点线性减缩积分应力单元C3D8R。结果认为,筛管弹性模量、膨胀系数与屈服强度受温度影响变化显著,对筛管热应力分析有明显的影响;热应力补偿器的配备可显著缓解防砂管柱热应力,提高其热稳定性。     

热采井中复合缝腔割缝筛管的抗压强度研究

根据热力学原理,结合特定现场地层特点,计算了在热采过程中筛管表面温度分布,并利用有限元软件分析了在此温度分布条件下筛管的抗压强度。结果表明,在外部围压作用下,筛管的应力分布不均衡,仅有局部极小的区域应力较大,该区域主要集中于筛管的缝腔处。在热采情况下计算的筛管整体Von Mises应力大于在常温下计算得到的应力。在较大的外压载荷下热采温度对筛管抗压强度的影响很小甚至可以忽略。筛管的抗压强度随缝长的减小和割缝数的减少而增大。这种分析方法对研究井下热采过程中割缝筛管复杂的温度应力情况有一定的指导意义。     

防砂筛管受热变形分析

为提高稠油热采井防砂效果,基于线弹性热—固耦合理论,考虑筛管弹性模量及屈服强度随温度变化、钻孔对筛管中心管强度影响,利用FEPG系统开发了防砂筛管热稳定性分析有限元程序,对不同工况下防砂筛管稳定性进行了模拟。其模拟结果表明,筛管弹性模量及屈服强度受温度影响较大,随着温度的升高、口袋沉砂密实程度的增大,防砂管柱等效应力逐渐增加。同时,采用动态位移边界对热力补偿器进行建模,热力补偿器的配备可显著增强防砂管柱稳定性。     

DN1 200 mm钢管螺旋焊缝焊接温度场及应力场有限元分析

为了研究X80管线钢在焊接过程中温度场及应力场的分布情况,以DN 1 200 mm X80螺旋焊管为研究对象,采用有限元分析软件Abaqus分别沿着管道的内螺旋线和外螺旋线进行焊接模拟。结果表明,焊接过程中热源中心最高温度可达1 650 ℃。在焊接内圈时,温度场对称分布;而在焊接外圈时,温度场分布不对称。在焊接完内圈的瞬间,接头最高温度约1 200 ℃,管道内侧的应力峰值为850 MPa。在焊接完外圈的瞬间,接头最高温度为1 300 ℃左右,管道内侧的应力峰值约为620 MPa。管道内侧焊接完成后,在对管道外侧焊接过程中,外侧焊缝处产生的应力场不仅使峰值应力降低,还使应力分布变得更加均匀。试验表明,通过分析内外螺旋焊缝的温度场和应力场分布以及形变情况,对于在焊接过程中内焊裂纹的预防有重要意义。     

利用有限元法研究热应力变化对套管的影响

由于注入液体温度与油层原始温度的差异,在注入井周围区域会产生一个温度应力场,从而引起水平地应力的减小。对于文南油田近3000m深的井,地层温度和注水温度之间存在的巨大差异是不容忽视的,它将使注入井周围水平地应力减少很多。文中主要利用有限元的方法来分析这种热应力对套管的影响,并建立有限元分析模型,从而得出热应力变化规律。     

渤海油田稠油水平井防砂筛管耐温能力的确定

渤海油田热采水平井防砂筛管选型时参考的耐温能力未考虑井况的影响,导致部分热采水平井选用的防砂筛管不能满足注热要求而发生破坏。为此,在分析稠油热采水平井防砂筛管注热时受力的基础上,综合考虑弯曲应力与热应力对防砂筛管破坏的影响,给出了稠油热采水平井防砂筛管耐温能力的数值模拟计算方法。利用该方法计算了渤海油田6口热采水平井防砂筛管的耐温能力,分析了单位狗腿严重度下星孔、金属网布和桥式复合3种防砂筛管的耐温能力降低幅度。研究发现:考虑弯曲应力计算出的耐温能力与现场实际较吻合;单位狗腿严重度下星孔、金属网布和桥式复合3种防砂筛管耐温能力降低6~16℃;单位狗腿严重度下防砂筛管耐温能力的降低幅度随防砂筛管径向尺寸增大而增大;防砂筛管基管钢级越高,耐温能力降低幅度越小,且钢级对耐温能力降低幅度的影响程度大于径向尺寸;TP110H和BG110H钢级的金属网布或桥式复合防砂筛管具有较高的耐温能力,能满足渤海油田热采水平井的注热要求。研究结果表明,稠油热采水平井选择防砂筛管时,应考虑弯曲应力对防砂筛管耐温能力的影响,否则会导致防砂失效,影响稠油热采开发效果。      

集输管道清管应力荷载探讨

在高温高压埋地集输管道中,直管段的热位移在相邻弯头处部分释放,可能引起弯头应力水平增高。当清管或内检测工况下清管器通过弯头处时,由于存在管道与弯管连接处内径突变和弯头引起清管器运动方向改变等问题,将引起瞬时附加荷载,这可能对导致弯管应力水平进一步升高,因此有必要探讨该部分荷载的计算分析方法。     

热采水平井注蒸汽过程中温度场扩展规律

水平井注蒸汽开采技术是稠油油藏开采的重要技术,因水平段长度大及油藏非均质性,会导致实际配汽效果较差等问题。使用Fluent软件模拟了不同注汽井结构下的油藏温度变化及油藏吸汽量,并设计搭建水平井配汽三维物模实验平台,分析了均质储层条件下使用不同管柱的油藏温度场变化。结果表明:均匀射孔管柱所得油藏温度和油藏分段吸汽量由注汽井跟端到趾端逐渐降低,而通过加密趾端射孔,油藏温度和分段吸汽量较为均匀。割缝管和均匀射孔管柱温度场发育主要集中在注汽井跟端,趾端发育缓慢甚至不发育,对趾端射孔加密,温度场基本平行于注汽井,均衡向前推进,配汽较为均匀,与数值模拟结果形成对应。      

连续油管环焊温度场及残余应力场数值分析

采用有限单元法,初步模拟了连续油管环焊温度场及残余应力场的分布情况。结果表明,在焊接过程中,焊缝附近温度梯度很大,在远离焊缝的地方温度梯度渐渐趋于平缓;随着焊接热源的移动,温度中心也随之移动,最高温度可达母材的熔点;在每一道焊接结束后,温度迅速下降,越接近层间温度,降温所用的时间也越长。焊后残余应力主要分布在焊缝附近,管体其他部位应力很小,只有几十兆帕;最大残余应力在焊缝壁厚的中心位置,其值为592 MPa,应力值较大,建议采用相关热处理技术来消除焊缝处的残余应力。