热采井首次注蒸汽后井筒应力分析

用有限元法计算了热采井在首次注蒸汽后井筒及周围水泥环和岩石中的应力分布，并分析热采井套管损坏的主要原因，为防治热采井套管损坏提供理论依据     

稠油热采井套管的预应力分析

以暴露于热蒸汽中的目的层套管为研究对象,根据弹性力学理论,首先给出了套管在热应力和非均匀地应力作用下的三轴应力表达式,然后利用对套管施加预应力来降低套管的轴向热应力,使得套管的有效应力控制在相应温度下套管的最小屈服极限内为原则,得到了热采井套管三轴预应力设计方法,并对辽河油田常用的N80钢级套管进行了预应力设计分析,给出了该套管在不同注汽温度和井深条件下所应使用的径厚比及相应的预应力值。研究表明,拉预应力在一定范围内有利于提高套管的安全性,传统的单轴预应力设计方法具有明显的缺陷,建议以后稠油热采井在进行预应力设计时应考虑热应力和实际非均匀地应力的共同作用,以及油层出砂对套管产生的影响。     

一界面存在微间隙的热采井井筒热应力分析

针对二界面固结良好,一界面存在微间隙的固井质量问题,建立了三岩层剖面的有限元模型,研究了微间隙对井筒温度场和应力场的影响。分析结果表明,微间隙改变了井筒径向温度分布的连续性;相对于所研究的整个岩层段,微间隙段井筒温度为低值点。在蒸汽吞吐过程,由于微间隙的影响,套管在温度场作用下部分约束得到释放,使得套管上产生的等效热应力较低。同时,微间隙段套管和水泥会产生较大的径向位移,给工程测井带来困难,可能使固井解释评价出现偏差。     

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。     

热采井套管柱力学分析与软件开发

结合稠油热采井实际工况,分析了在提拉、注汽和热采3个过程中套管柱的受力情况,研究形成了3种状态下的套管柱力学分析计算方法,应用C#程序设计语言开发了软件。计算结果表明,软件计算结果符合工程设计要求,满足热采井固井施工需要,对于热采井固井具有一定的指导意义。     

基于残余应力的热采井套管安全评价分析

针对热采井中套管接头螺纹发生漏失和滑脱现象,采用有限元数值模拟,得到井筒的温度场分布,将温度场导入到应力场中计算套管残余拉应力与吞吐周期的变化规律,并进行曲线拟合,建立了适合于蒸汽吞吐过程中套管残余应力评估的关系式;结合套管的剩余强度和极限剩余强度对套管进行了安全评价。该研究结果为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供了理论依据。     

热采井预压固井技术

计算表明，注蒸汽稠油井如果用常规方法固井，在通常的注汽温度下，套管都因热应力而产生屈服变形。目前现场常用的防止套管热破坏方法不能从根本上解决问题。提出了热采井预压固井技术，即在注水泥结束后，向油层套管施加压力，使套管膨胀。计算实例表明，采用预压固井技术后，热采井在整个生产周期内，套管不但正常，而且还有较大的安全系数。给出了热采过程中，套管内应力的计算模型。     

热采井循环注蒸汽套管残余应力研究

针对稠油热采注蒸汽几个循环周期后套管损坏的现象,指出了注蒸汽循环残余应力是导致后几个循环周期套管损害的主要原因之一,并引入广义Saint-Venant模型,考虑材料的鲍辛格效应和单向累积效应,建立了循环注蒸汽残余应力模型。通过实例分析确定了N80套管残余应力变化规律。     

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。     

水泥环周向缺失的热采井井筒热应力耦合分析

为研究热采井中水泥环周向局部破坏对套管力学性能的影响,利用ABAQUS软件建立了水泥环圆周方向上不同缺失程度的有限元模型,研究了在蒸汽吞吐过程中,套管应力、位移的变化规律。分析结果表明:由于水泥环周向上的缺失,在井筒中产生的温度分布不均,使得水泥环缺失部分的套管外壁温度和井壁温度低于水泥环完好部分的套管外壁温度和井壁温度;水泥环缺失程度对套管上的等效应力峰值影响较大,随着水泥环周向缺失程度的增大,套管上产生的Von Mises等效应力峰值逐渐减小;水泥环周向缺失程度为30°时,套管径向变形较大,随着水泥环周向缺失程度的增大,套管径向变形随之减小。该分析结果为热采井中的套管损坏机理研究提供了理论依据。     

稠油注蒸汽热采井套管柱预应力松弛效应分析

为了验证提拉预应力固井技术是否适合井深小于1 000 m的稠油热采注汽井,在280℃的高温蒸汽作用下,对热采N80H和普通N80Q两种套管进行了应力松弛试验;建立了套管-水泥环-地层全井筒平面有限元模型,进一步说明预应力固井技术在浅层稠油热采井中的作用。分析结果表明,稠油热采井在长期高温注蒸汽作业过程中,因管体应力松弛现象而致使预拉力失效;在高温作用下套管上施加的预拉力经过一定时间后会降低;提拉预应力固井对浅层稠油热采井没有效果,不能预防热应力导致的套管失效,建议在浅层稠油热采井中不采用预应力固井技术。     

热采水平井改善吸汽剖面技术研究及应用

热采水平井蒸汽吞吐时水平段吸汽不均衡,造成水平段动用不均。鉴于此,对热采水平井改善吸汽剖面技术进行研究。首先,建立油藏-井筒流动耦合模型及储层热-流-变形三场耦合模型,定量分析了油层物性参数、非均质性及注汽口位置对吸汽剖面的影响。然后,根据上述分析结果,设计了均衡注汽完井工艺管柱。该管柱可实现注采一体化及均匀注汽以及长水平段、非均质储层的均匀注采。现场应用结果表明,热采水平井改善吸汽剖面技术可以改善热采水平井长水平段的吸汽剖面,实现均衡注汽,提高水平井的动用程度。     

水平井均匀注汽工艺研究及软件开发

为解决热采水平井射孔段均匀注汽这一难题,在建立水平注汽管柱内汽、液2相流热动力学模型及配注器节流模型的基础上,根据沿管柱长度方向流量分配均衡原则,将注汽段流量均匀分布作为目标函数,应用数值仿真技术对配注器＋油管组合型注汽管柱的配注器数量、泄流孔个数及布置形式等进行了优化。依据仿真结果开发了水平井注汽参数优化设计软件,该软件在胜利油田滨南采油厂进行了初步应用,达到了预期效果。     

基于有限元法的热采井套损机理研究

注汽井套管既受到注汽温度所产生的热应力的影响,又受到套管、水泥环和岩层等结构应力的影响。文章对注汽井套管的失效机理和原因进行分析,归纳总结影响失效的因素;然后利用ANSYS软件建立了套管、水泥环和岩层系统的热—结构耦合的二维平面有限元分析模型。研究了参数变化对热-结构耦合的套管强度的影响。分析结果表明,在小于14mm之前套管壁厚增加会明显降低套管最大峰值应力,此后套管壁厚增加套管最大峰值应力下降速度会减缓。仅从热膨胀角度来看,套管最大峰值应力随蒸汽温度增加而增加。310°C以后套管最大峰值应力随蒸汽温度增加会加剧。     

常规井注汽套升研究

常规完井与热采完井的固井有差异,在常规井上注汽,套管的受力变形比热采井复杂。为保证套管安全,建立了准确描述套管受力变形的数学模型。在重点分析套管综合受力的基础上,结合现场经验,推导出了常规井注汽井口套升计算公式。经现场验证,预测值与实际测量值较吻合,此公式对设计注汽补偿器长度、保证注汽安全具有指导意义。     

热采水平井多点注汽工具设计与试验研究

多点注汽是改善稠油热采井吸汽剖面、提高采收率的有效工艺,蒸汽限流分配器是实现该工艺的关键工具。以热采水平井吸汽能力模型为基础,综合考虑油藏物性、井筒汽液两相流压降的影响,设计蒸汽限流分配器,实现沿水平井筒蒸汽注入量的调配。通过水平井注汽地面模拟试验,验证蒸汽限流分配器的有效性,并研究注入参数的影响。结果表明:调配蒸汽限流分配器的通流面积后,试验单元流量分布的均匀性得到明显改善,不均匀系数最大降幅为93.8%;随着泵排量的增大,流量分布不均匀系数先减小后增大;蒸汽限流分配器与封隔器的优化组合是实现水平井多点注汽工艺的有效方法。     

稠油热采井套管柱强度设计方法研究

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。     

热采井注汽过程井筒沿程蒸汽参数变化规律研究

利用热力学、流体力学原理,建立了热采井注汽过程井筒沿程蒸汽干度分布计算模型。根据能量平衡原理,分析研究了蒸汽参数与压力损失、井筒传热量之间的关系。编制了相应的计算程序,并以实际注蒸汽井数据为基础验证了程序计算方法及蒸汽参数变化规律的正确性.     

FO-152型稠油注汽热采封隔器

针对目前热采注汽管柱伸缩补偿器无法隔热、热损失较大、现用热采封隔器密封效果较差等问题,研制出FO-152稠油注汽热采封隔器,由普遍采用的面密封改为线密封,取消了伸缩管,动力件采用动力记忆金属合金制成,并具有动态密封性。主要对该热采封隔器的研制、工作原理、特点及现场应用情况等进行了论述,实践证明:该封隔器结构简单、性能可靠,既节约了成本,又提高了注汽质量,并减少了套管损坏,在稠油蒸汽吞吐井上使用效果很好。     

Casing cementing with half warm-up for thermal recovery wells

Thermal recovery is a very common and effective method for producing heavy oil. Casing failure is a very serious problem in thermal recovery wells. In some oilfields, more than 95% of thermal recovery well's casing was failed due to thermal stresses. In the steam injection process, the casing is heated by steam. Change of casing temperature produces thermal stresses in the casing. The casing deforms when stresses exceed yield point of its material. If using conventional cementing technology for thermal recovery wells, the casing deforms due to thermal stresses in steam injection process. Technologies conventional used to protect the casing from failure for thermal recovery wells are ineffective theoretically. Casing cementing with half warm-up for thermal recovery wells refers to heat payzone production casing to a certain temperature and makes it expand in cement slurry solidifying period. Calculations show that casing cementing with half warm-up performs greater safety coefficient during the whole production cycle and no plastic deformation. This technology will be an important method to prolong thermal recovery well's casing life.