稠油熱采井剪環式雙向熱應力補償工具研究

張代明

(山東科瑞石油裝備有限公司，山東 東營 257000)①

稠油熱采井剪環式雙向熱應力補償工具研究

張代明

(山東科瑞石油裝備有限公司，山東 東營 257000)①

針對目前稠油井熱采過程中，因注蒸汽造成套管損壞的問題，開發了一種剪環式雙向熱應力補償工具，其原理是對注蒸汽時套管的熱脹冷縮變形量進行有效補償，釋放套管自身的熱應力，達到保護套管的目的。與常規的剪釘式單向補償器相比，采用了性能更加穩定可靠的剪環式雙向補償結構，既可有效滿足注蒸汽時的管柱伸長補償，又可滿足停注時管柱收縮補償。該工具已在勝利油田得到廣泛應用，取得了明顯的效果。

稠油；套管；熱應力；雙向補償

稠油在世界油氣資源中占有很大的比重，開采稠油已成為國內外許多石油公司的主要產量來源。熱力采油作為稠油開發的主要手段，其產量約占稠油總產量的70%。熱力采油的主要方式包括蒸汽吞吐、蒸汽驅、火燒油層、熱水驅等，其中蒸汽吞吐和蒸汽驅油是目前主要的熱力開采方法。早在20世紀60年代初，我國就在克拉瑪依油田開展了蒸汽吞吐和蒸汽驅試驗，隨著國外先進技術和裝備的引進、消化吸收，逐步形成了適應我國稠油油藏特點的注蒸汽開采技術，極大地促進了稠油大規模的工業化開采，我國已經成為世界上主要的稠油生產國之一[1-2]。

一直以來，因注蒸汽造成套管損壞的問題嚴重制約著稠油開采的發展，主要原因是高溫蒸汽在油井管柱內產生的熱應力使套管產生屈服變形、斷裂，在套管內有彎曲應力時，套管破壞的可能性更大。另外，反復注汽會大幅加快套管的損壞速度[3-4]。

1 熱采井套管損壞機理

以直徑?177.8 mm、鋼級N80、連接形式為API偏梯螺紋規格的套管為例，研究其損壞機理[5-7]。

對于沒有任何約束的圓形鋼棒，假設其長度為L，直徑為D，初始溫度為t1，升溫后溫度為t2，線膨脹系數為αt，其軸向伸長量為

△L=αt(t2-t1)L

熱采井套管就像一根圓形鋼棒，上端被井口固定，下端被充填砂及地層砂緊緊包裹、壓覆，也被緊緊束縛。在兩端被束縛的套管中注入350 ℃的干燥熱蒸汽時，套管受熱膨脹，材料的應力達到了700 MPa，使N80套管產生屈服變形(N80套管最小屈服強度552 MPa)。另外，由于材料的高溫蠕變現象，在停注轉抽時，溫度下降，套管收縮，產生很大的拉應力，導致套管的應力松弛相當大。

蠕變現象引起的應力松弛為

△σp=E/(1-μ2)( △εz+μ·△εθ)

式中：E為材料彈性模量；μ為泊松比；△εz為軸向塑性應變；△εθ為周向屬性應變。

材料特性遵循雙線性模型，如圖1。

圖1 材料特性

計算在不同注汽溫度下(250、300、350 ℃)熱采井套管載荷的變化，如圖2所示。

圖2 不同注汽溫度下載荷的變化

由圖2可見，當注汽時隨著溫度的升高，套管產生很大的熱壓縮載荷，達到預定溫度后，隨著時間的推移，套管發生蠕變。由于達到預定溫度后套管產生的應力已經達到或接近屈服，蠕變現象相當嚴重。當溫度下降時，由于發生了屈服和蠕變，卸載路線并沒有原路返回，而是有很大變化，使套管產生很大的拉伸載荷。

實際上，熱采井套管需要經過反復注汽，隨著熱循環次數的增加，套管產生的壓縮載荷越來越小，拉伸載荷越來越大。資料表明在第1輪和第2輪注汽時，拉伸載荷尚未使套管發生屈服，但第3輪和第4輪注汽后，套管已經發生了明顯的屈服現象。因此，隨著注汽次數的增加，會造成熱采井套管以斷裂、滑脫形式而損壞。

2 熱采井預防、改善套管損壞的措施

由于高溫而產生的熱載荷是熱采井套管損壞的根本原因，降低注汽溫度、提高材料強度、提高套管抗蠕變能力及減少套管產生過高熱應力是防止套管損壞的主要方法。通常采用的方法包括隔熱管注蒸汽技術、提拉預應力技術、熱應力補償技術、耐高溫水泥技術和使用熱采井專用套管。

對于熱采稠油防砂井而言，受完井方式、施工工藝、生產成本等因素的制約，采用熱應力補償技術是最為經濟、簡單、有效的方法。熱應力補償技術的關鍵是熱應力補償工具的性能[8-10]。

3 常規熱應力補償工具

3.1 工作原理

熱應力補償工具的原理是當套管的熱載荷達到補償器的設定值時，補償器自動開啟補償功能，從而有效釋放套管自身的熱載荷，達到保護套管的目的[11]。

常規的熱應力補償工具為剪釘式單向補償結構，如圖3所示。

圖3 剪釘式單向熱應力補償工具示意

3.2 存在問題

3.2.1 剪切受力不均勻

常規的剪釘式補償器因為使用了剪切銷釘，剪切時必然會造成受力不均、局部應力過大。銷釘的材料一般為合金鋼，其強度比較大，考慮到補償器的開啟壓力必須低于套管的屈服強度，加上安全系數，開啟壓力設置在300～500 kN。通常剪釘式補償器有4～6個銷釘，因而在工具剪切面圓周上存在4～6個局部應力高點，工作外筒受力不均勻，不利于工具的正常開啟，同時會減少工具的使用壽命。如圖4所示。

圖4 剪釘式單向熱應力補償工具受力示意

3.2.2 剪釘性能不穩定

合金鋼制造的剪釘的材料的硬度受熱處理溫度的影響特別明顯，較小的熱處理溫度差別都可能造成較大的剪釘強度差異，且剪釘的質量不穩定。在實際應用中經常出現同一批次的剪釘，出現較大差異的剪切強度，這可能會造成工具提前開啟或無法正常開啟。

3.2.3 單向補償且補償距離較短

常規的熱應力補償器采用單向補償結構，補償距離較短，不能滿足套管熱應力補償的要求。因套管存在熱脹和冷縮2種熱變形式，只有雙向補償才能有效滿足熱補的要求。

套管的熱脹系數通常為(13～14)×10-6mm/(℃·mm)，其熱脹伸長量為：套管溫度每上升100 ℃，伸長量為1.3～1.4 mm/m，100 m套管溫度上升到350 ℃時，其伸長量為0.45～0.49 m。常規的熱應力單向補償器的補償距離為0.3 m，這就需要每60 m套管裝一個熱應力補償器，使用頻率太高。既不經濟，又增加了風險點。

4 剪環式雙向熱應力補償工具

4.1 雙向補償功能

由于套管在注蒸汽時受熱伸長，在停注時受冷伸縮，因而熱補工具應該具備雙向補償功能，才能達到較為理想的熱補作用。設計的剪環式雙向熱應力補償工具結構如圖5所示。

圖5 剪環式雙向熱應力補償工具示意

鋁制剪環位于工具的中部，工具在熱脹或冷縮時起雙向補償的作用。補償距離各為0.5 m，較常規的單向補償工具有較明顯的提高。由熱脹伸長量計算可知，0.5 m的補償距離可以滿足100 m套管在350 ℃時的熱補需求。對于長水平段稠油熱采防砂井，可以使用較少的熱補工具就能滿足熱補要求，減少了風險點，既經濟又可靠。

4.2 鋁制剪環代替鋼制剪釘

鋼制剪釘會造成工具受力不均現象，而采用鋁環結構就可以有效解決該問題，因為環狀結構是與工具的外管和內管在圓周方向全接觸，受力均勻，不存在局部應力過高的問題。如圖6所示。

由圖6可知，工作筒受熱應力拉伸或壓縮時，其受剪環的抗剪力均分分布在圓周上；同時鋁制剪環直接用鋁棒或成型鋁管加工，不需要再進行熱處理，保證了材料力學性能的穩定性，雖然鋁的強度比合金鋼低，但剪環的剪切面積比剪釘大得多，能夠滿足實際需要的開啟壓力及抗剪強度。

圖6 剪環式雙向熱應力補償工具受力示意

5 結論

1) 針對稠油熱采井因注蒸汽熱脹冷縮而導致套管損壞的情況，使用熱應力補償工具是一種簡單、經濟、可靠的防套損技術手段。

2) 傳統的鋼制剪釘式單向熱應力補償工具存在應力集中、補償距短、單向補償等缺陷，不能完全滿足現場實際需求。改進的鋁制剪環式雙向熱應力補償工具，具有剪環受力均勻、補償距長、雙向補償的優點，有效克服了傳統熱應力補償工具的缺陷。

3) 采用溫控材料作為剪環將會使熱應力補償工具具備更好的使用性能，但工具的成本會相應的提高。

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packer.Therefore，a consuming fractured packer is developed and this kind of packer contains central tube，spacing ring，centralizer，slip bow，slip，cone and burning component，and so on.This consuming fractured packer can ensure the effect of the slip.As a result of the burning component，unfreezing，heat the reservoir can be realized to reduce the viscosity of the heavy oil，enhance the heavy oil recovery and meet the requirements of the fracturing operation.

Keywords：packer；fracture；slip；exhaustive；combustion element

Research on Shear Ring Bidirectional Thermal Stress Compensation Tool for Heavy Oil Thermal Recovery Hole

ZHANG Daiming

(ShandongKeruiPetroleumEquipmentCo.，Ltd.，Dongying257000，China)

Aiming at the heavy oil thermal recovery by steam injection process that caused casing damage problem，a shear ring type bidirectional thermal stress compensation tool is developed，the principle of steam injection casing expansion and contraction deformation was effectively compensated，the release of casing thermal stress，to protect the casing.Compared with the conventional one-way shear pin type compensator，the performance of shear failure type bidirectional compensation structure is more stable and reliable，which can effectively meet the elongation during steam injection pipe string compensation，and can satisfy the stop injection pipe string shrinkage compensation.The tool has been widely used in Shengli Oilfield，and has achieved remarkable results.

viscous crude oil；casing；thermal stress；bidirectional compensation

2016-09-19 作者簡介：張代明(1984-)，男，四川渠縣人，現主要從事井下工具的研發工作，E-mail：zdm7392131@163.com。

1001-3482(2017)02-0062-04

TE934.5

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.014