熱采防砂管柱穩定性研究

劉毅

摘要：針對熱采防砂管柱注汽過程中易發生熱變形導致失效的問題，建立了防砂管柱熱穩定性數學模型，并開發了熱固耦合分析有限元程序，優化了防砂管柱有限元建模方法，對其熱安全性進行了模擬分析。通過室內試驗確定了防砂管的鉆孔尺寸和布孔密度，又選了 P110 鋼級的油管作為防砂管柱的基管。對充填不密實及井眼擴徑段管柱徑向熱變形差異進行了分析，模擬計算給出了不同長度管柱在不同注汽溫度下補償距，確定了配備熱力補償器的工藝。

關鍵詞：熱采防砂管；有限元分析；布孔方式；布孔密度；補償距

1 引言

濱南廠稠油蒸汽吞吐井每年防砂在 69 口左右，其中 83.6%是由于防砂管損壞造成躺井，造成防砂有效期短僅 562 天，針對稠油吞吐過程中防砂管損壞的現狀，開展了熱采防砂管熱穩定性研究。稠油防砂井蒸汽吞吐過程中，井下防砂管柱承受交變熱載荷作用，易產生錯斷、屈服、中心管彎曲等造成防砂失效。目前，防砂管柱熱穩定性研究開展較少，一方面，防砂篩管受力復雜，油層出砂、礫石充填等影響因素眾多，另一方面，篩管中心管外層包裹繞絲或濾網層，進行整體有限元建模難度大，這也使得熱采防砂管柱損壞機理與控制技術仍需深入研究。

2 防砂管柱熱穩定性耦合模型

防砂管柱熱穩定性分析數學模型應包括三部分：（1）反映熱應力及熱變形的線彈性熱-固耦合模型；（2）防砂管材彈性模量、屈服強度溫度效應模型；（3）鉆孔導致基管強度降低率模型。

其中，線彈性熱-固耦合模型可采用經典熱變形理論；防砂管材彈性模量、屈服強度溫度效應可參看天津鋼管廠等單位對不同鋼級管材材料參數的熱測試結果；鉆孔導致基管強度降低率模型可參考宋吉水等學者對套管射孔強度降低模型的研究成果。

3 有限元程序研發及建模方法研究

在對熱-固耦合方程弱化的基礎上，基于 FEPG 系統開發了熱穩定性分析有限元程序。在進行防砂篩管熱穩定性分析時以篩管中心管為重點研究對象，因為：（1）對于繞絲篩管，當溫度超過一定限度后，銷釘剪斷，中心管外繞絲層可自由彈性變形；（2）對于精密濾砂管，中心管外濾網層注汽時可在彈性范圍內自由變形。

對于防砂管柱來說，其軸向與徑向尺寸相差較大，容易導致網格單元長寬高比例嚴重失調，為獲得較高精度進行網格加密時，又容易出現整體網格數目龐大等導致求解困難。由于防砂管柱軸向熱變形具有線性迭加效應，因此在建模時對防砂管柱軸向尺寸進行了適當縮短，在保證計算精度的同時可顯著提高運算速度，同時防砂管柱整體結構具有對稱性，可僅取模型 1/4 建模分析。

4 篩管熱穩定性分析及管柱參數優化

（1） 布孔參數對篩管強度降低率影響

不妨以 31/2in 中心管為例分析打孔參數對篩管強度影響見圖 1， 可知：（1）布孔密度一定時，孔徑越大，基管強度降低率越顯著，且孔密越大時，孔徑差異對基管強度降低率影響越顯著，在不影響產液的前提下，應盡量減小鉆孔孔徑；（2）孔密越大，基管強度降低率越顯著，以基管強度降低 5%為例，孔徑為 10mm 時，孔密應小于 210個/m，孔徑為12mm時，孔密應小于155個/m。

（2） 熱采防砂管柱材質優選

假定油藏初始溫度為 60℃，以 J55、N80、P110 管材為例，當篩管端部完全固定時處于最惡劣工況，不同鋼級管柱的熱應力/屈服強度（反映危險性）見圖 2，可知：隨注汽溫度增加，防砂管柱熱應力/ 屈服強度（即危險性）顯著增加，對于 J55 鋼級管柱來說，注汽溫度達到265℃時失效破壞，N80及P110鋼級管柱則可以保持較好穩定性。

另外，注汽后管材彈性模量降低會使得管柱變形能力增加，不利于管柱穩定。不妨以 P110 鋼級管柱 20°C 時彈性模量為基準進行分析，N80 及 P110 鋼級管柱彈性模量保留率見圖 3，可知：N80 鋼級管柱注汽后彈性模量顯著降低，即熱應力作用下其熱變形顯著大于 P110 鋼級，不利于管柱穩定。綜上，在進行防砂管柱管材優選時，應從熱應力及熱變形角度綜合考慮，推薦選用 P110 鋼級管材。

（1） 熱補償距優化

目前油田常用熱力補償器實質為一復雜的伸縮短節，本研究采用“虛擬熱力補償器”（即采用動態位移邊界）的建模方法處理，計算得到 60°C～350°C 下不同長度防砂管柱的熱力補償距，見圖 6。熱力補償器應安裝在防砂管柱受力較集中的區域，推薦如下：（1）水平段A點位置；（2）井身軌跡中井眼擴大率大于120%處。

（3）充填工況下管柱熱安全性

在不同的充填密實程度影響下，充填段相對于非充填段的等效應力變化率見圖 4，可知：防砂管柱充填及非充填段等效應力差異小于5%，充填段等效應力明顯小于非充填段，即充填施工可在一定程度上提高管柱熱穩定性。

另外，由于充填效率的差異，防砂管柱往往存在一段未充填區或充填不密實的區域（包括裸眼井井眼擴大處），使得充填及未充填段防砂管柱徑向膨脹率存在差異，見圖 5，可知：隨充填密實程度增加， 充填及未充填段交界處徑向熱膨脹率差異逐漸變大，熱穩定性逐漸變差，尤其是對于裸眼井井眼擴徑處，篩管外部無支撐，該處危險性最大。

5 現場應用

通過選擇 P110 級油管作為基管，孔徑選擇為 12mm，孔密 146 個/m 制作了稠油吞吐井用防砂管，同時對防砂管柱進行了優化設計，在管柱中加裝了熱補償器用以減緩管柱變形產生的伸縮。2012 年 2 月在單家寺油田現場應用了 2 口井，目前生產正常，防砂有效期達到了 821天（繼續有效），累計產油9277.3噸。

6 結論

（1） 建立了防砂管柱熱穩定性數學模型，基于 FEPG 開發了熱固耦合分析有限元程序，優化了防砂管柱有限元建模方法。

（2） 布孔密度越大，基管強度降低率越顯著，對于 31/2in 基管， 以強度降低5%為限，孔徑10mm時，孔密應小于210個/m，孔徑12mm時，孔密應小于155個/m。

（3） 從熱應力和熱變形角度綜合考慮，優選 P110 鋼級作為防砂管柱管材。

（4） 充填不密實及井眼擴徑段管柱徑向熱變形差異顯著，易發生破壞，應配備熱力補償器，另外，模擬計算給出了不同長度管柱在不同注汽溫度下補償距。

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