热采井井筒热应力耦合的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立了热采井井筒热应力耦合的瞬态分析模型。分析结果表明,注汽初始阶段套管内会产生较大的热应力;由于套管材料的膨胀系数大于水泥环的膨胀系数,在注汽过程中水泥环限制了套管的热膨胀,从而在套管外壁产生较大的热应力;经过几轮蒸汽吞吐,套管上会积累较高的残余应力。该分析为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供可靠的依据。     

热采井高温对套管强度的影响

注蒸汽热采技术已广泛应用于提高重质油的采收率。在注蒸汽期间, 井下高温使管柱产生附加热应力, 从而可能使其发生塑性屈服、 变形、 断裂或屈曲。热采井中套管的失效几率非常高, 研究套管柱在较高压力的高温蒸汽以及外围的地应力共同作用下的应力分布规律, 对于评估套管的服役状况, 提高套管设计的安全性, 从而减少套管的失效几率具有重要意义。文章根据套管 －水泥环 －地层体系受力情况建立了平面力学分析模型, 根据位移的连续条件求解了管柱与水泥环间的接触应力, 探讨了注气条件下井筒温度的分布情况, 分析了热采井中管柱所受三轴热应力的分布。算例分析结果表明, 三轴热应力值远大于管柱实际的屈服强度, 从而使管柱发生屈服破坏, 为减小热应力对套管寿命的影响, 应合理选择注气参数并合理设计管柱。     

稠油热采井套管保护技术研究

针对蒸汽吞吐时发生汽窜、地层出砂及水泥环破裂掏空的情况，利用ANYSIS有限元分析的数值模拟，对井筒热应力和热膨胀进行了分析。注蒸汽井间发生汽窜时，易诱发地层出砂，最大热应力都发生在套管内壁，且超过了N80套管的热弹性屈服极限，最大热膨胀都发生在温度变化过渡区，是诱发热采井套管变形损坏的主要原因。套管周围地层掏空时，其热应变达到了2％，远超过材料弹性极限应变的0．3％，是热采井套管变形损坏的主要原因。提出套管保护对策，并开展了4项相应防治技术先导试验，取得了较好的保护套管效果，形成了稠油热采井套管保护配套技术。     

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。     

热采管柱的应力分析

稠油开采中注入热蒸汽时,套管柱除受正常应力外,还由于套管柱与水泥环地层热胀系数不同而产生很大的热应力。采用弹性力学的位移解法对该问题进行求解,得到了管柱的应力解析式,为进行管柱设计和选择提供了理论依据。     

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。     

套管与水泥环内压下热弹塑性分析

在一定的注汽压力下, 随着热蒸汽的注入, 热采井中套管与水泥环的温度逐渐升高, 特别是封隔器失效及注汽段处, 套管与水泥环的温度甚至可达３ ５ ０ ℃, 产生的热应力足以使水泥环发生塑性变形而失效。当水泥环降至初始温度（ 注汽前） 时, 就会产生永久的塑性变形。文章运用弹塑性力学以及热力学基本理论, 建立了套管 －水泥环耦合模型, 分析了套管与水泥环的应力分布, 推导了冷热膨胀后水泥环内部的塑性变形方程, 并以辽河油田常规注汽以及油井参数为例, 借助 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 及 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ软件确定各项参数, 得出了不同隔热方式下交界面处的微间隙值, 为防套损及井下气窜提供了理论依据。     

注汽工艺管柱对热采井套损的影响

针对多轮次蒸汽吞吐的情况下 ,胜利油田热采区块套损井数逐年增多的问题 ,分析了不同隔热性能的隔热管对套管温度、热应力分布的影响 ,表明提高隔热管的隔热性能可有效降低套管温度和热应力 ;对隔热管接箍区和封隔器附近套管的温度和热应力进行了计算分析 ,发现在这两个区域套管壁的温度和热应力均大大高于管体区平均值 ,该段套管容易损坏。在此基础上 ,提出采用新型注汽工艺管柱结构、采用高真空隔热油管和改进接箍结构等防止套损技术措施     

超稠油井隔热套管完井工艺技术及现场试验

提高注入蒸汽热焓是超稠油热采开发的关键技术之一.为了保证蒸汽注入过程中的热焓,最大限度地降低热损失,防止高温蒸汽热胀冷缩损坏套管和水泥环,必须采用井筒隔热技术.常规的普通套管完井工艺配套热采隔热工艺技术,一般采用隔热油管注汽,普通油管转抽,导致频繁作业,下入井下工具多,事故风险大.隔热套管完井技术,采用隔热套管完井,配套注汽和生产一体化普通油管生产管柱,可有效解决井筒隔热问题,提高套管、水泥环的安全性和蒸汽热能的利用率,且可在放喷后马上转抽,使注采工艺得以简化,降低了人工成本和作业费用.在河南油田的超稠油区块现场应用中,该技术取得了很好的效果,实施的2口直井产量是该区块同类型井的2倍左右,经济效益明显,也为在同类油藏水平井实施先导试验作了有益尝试.     

注蒸注井套管热应力分析及管柱强度设计

介绍了适合注蒸汽井温度场，套管三维热应力分析的有限元计算理论和方法，经过大量的计算，得出了注汽井四种工况下的温度场，套管三维热应力分布规律，考虑套管的受热，受力特点，研制出了相应的套管柱设计软件，现场实践证明，该理论和方法符合注汽井实际。结论认为，隔热管要居中且接箍处隔热，水泥需返井口；Ｎ８０套管需提拉预应力；油层部位套管应采取高钢级耐热套管。     

注蒸汽井套管热应力分析及管柱强度设计

介绍了适合注蒸汽井温度场、套管三维热应力分析的有限元计算理论和方法。经过大量的计算，得出了注汽井四种工况下的温度场、套管三维热应力分布规律。考虑套管的受热、受力特点，研制出了相应的套管柱设计软件。现场实践证明，该理论和方法符合注汽井实际。结论认为，隔热管要居中且接箍处要隔热；水泥需近到井口；Ｎ８０套管需提拉预应力；油层部位套管应采取高钢级耐热套管。     

隔热套管完井工艺技术

稠油热采时须采取井筒隔热措施以降低蒸汽井筒热损失,同时防止高温蒸汽损坏套管和水泥环,由此造成热采工艺复杂、生产时率低、热采成本高。因此,将油层段以上套管采用隔热套管进行完井,后期吞吐时即可从套管注汽、油管采油,不必再考虑井筒隔热问题,从而可以简化热采工艺,提高生产时率,同时也提高了隔热可靠性,保证了套管安全,提高了蒸汽热能利用率。介绍了隔热套管结构性能、完井、注采工艺以及现场应用情况。     

机械式双向自锁封隔器在塔里木油田的应用

双向自锁封隔器分螺纹式锁定和剪销式锁定两种。这两种封隔器在结构上都设计了上、下两组卡瓦，可实现双向锁定，使封隔器坐封以后，无论处于受压、受拉或平衡状态，都能确保对井筒的有效封隔。双向式自锁封隔器适用于大多数套管井，既可单独使用，也可作为跨隔测试的下封隔器使用；它既可以与MFE测试器配合进行试油作业，也可以与丢手工具配合使用。经在塔里木油田多次现场应用，证明双向自锁封隔器性能可靠。     

稠油热注热采井口热应力补偿装置

一种稠油热注热采井口热应力补偿装置。解决了套管、油管和采油树等因受热膨胀而产生位移的问题。其特征在于：套管上端对应固定内壁有凸台的对接件，在对接件外固定焊接件的一端，焊接件的另一端固定在支墩上；对接件内置有一个补偿节，在补偿节和对接件内凸台的上部之间形成的腔内向上依次置有垫圈、密封环及高压密封环，密封环被高压丝扣压盖罩扣后用“0”形压环内置二者之间，补偿节顶部固定有法兰。从根本上解决了稠油热注热采井口热应力的难题，消除了安全隐患，且投资小。     

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。     

相邻大型套管式热交换器蒸汽进口间热补偿装置设计

针对大型套管式热交换器运行初期蒸汽进口处多次发生爆裂的情况,根据温差应力理论和现场实际对其进行改造,在热交换器两相邻蒸汽进口间安装综合补偿能力较强的S型热补偿装置。改造后几年的运行中大型套管式热交换器再未发生类似事故,满足生产的安全和实用要求。     

超稠油油藏地表窜汽原因分析

超稠油注蒸汽吞吐开发中发生层间汽窜的突出表现是地表窜汽,造成产能损失,使地表窜汽区域储量不能利用。由于注汽压力远大于油层压力,经过一段时间的吞吐生产,套管与固井水泥环间会产生缝隙,后续注汽时蒸汽沿此缝隙上窜,就会从水泥环薄弱部位进入上覆砂层。当窜入该砂层的蒸汽量达到一定程度后,若继续注汽,蒸汽就会从该砂层薄弱部位喷出地表而产生窜汽。其原因主要是超稠油注蒸汽吞吐开发时的采注比小于1,且长期压注所致。解决的方法是提高排液能力,封堵套管窜槽部位。     

新型热敏式补偿器在水平井稠油完井中的应用研究

筛管先期防砂完井技术在水平井中应用日益广泛,胜利油田为国内水平井发展最快、应用规模最广的油区。由于注水注气井的高温高压工况,完井管柱受热膨胀变形损坏,大大影响了作业效果。为提高完井工具的可靠性,改善完井管柱的受力状况,本文建立了水平井筛管管柱的有限元模型,在对筛管管柱注汽条件下热应力分析基础上,研制了新型套管热敏式补偿器,并在胜利油田多口井进行了现场应用,结果表明热敏式补偿器可有效缓解水平井筛管的损坏程度。     

辽河油田热采井套损防治新技术

辽河油田稠油热采过程中套管损坏严重。经大量调查研究认为，造成套管先期损坏的原因是：热应力大，油井出砂，API圆螺纹接头和偏梯形螺纹接头不适合热采井要求，水泥封固质量不好，水泥环空段套管易变形，隔热管和隔热措施不力。采取的措施有：提拉预应力，用N80偏梯套管取代普通套管，使用热呆专用水泥返到井口．用良好的隔热管。治理后热采井套管损坏虽有所下降，但套管先期损坏依然严重。采取的新措施主要是：用热应力补偿器减少注蒸汽时套管应力，用TP100H套管以增强抗热变形能力，用TP120TH外加厚套管解决油层套管因出砂和射孔引起的套管轴向应力问题。经过长期的研究与实践，减缓了热采井套管先期损坏速率。参13     

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。