基于應變的油砂SAGD井儲層段管柱設計優化及應用

胡偉杰,廖建華,林志強,李斌,李福明

(1.中國海洋石油國際有限公司，北京 100027；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

加拿大油砂資源極為豐富，主要分布在阿薩巴斯卡、冷湖和匹斯河3個區域，總資源量約4 000億t，其中約240億t分布在埋深75 m內，可以采用礦采方式開發；其余的3 760億t埋深較深，需要采用就地開發方式開發。油砂就地開發方式包括蒸汽輔助重力泄油(steam assisted gravity drainage，SAGD)開發和蒸汽吞吐開發兩種。自2000年開始，SAGD技術逐漸成為目前加拿大油砂經濟開發的主要方式。該技術通過鉆2口平行距離約5 m、地下相距約1 km深度的水平井，將蒸汽從上方的井不斷注入，從而對油砂層進行加熱、軟化，油砂依靠重力流入下方的井中并被抽出。加拿大某區塊油田采用雙水平井的井對形式開發，油砂SAGD開發技術排在世界前列，已經實現了在產區塊開發的持續優化，但在開發過程中仍然有一些技術難題需要解決[1-3]，例如在油砂SAGD水平井注蒸汽生產過程中，高溫蒸汽、地層出砂沉降等原因導致作用在儲層段管柱上的應力有可能在首次施加時就已經超出管柱屈服強度，產生永久塑性變形。有的地區儲層段管柱損壞機率甚至超過30%，管柱不能繼續服役，修井難度大、費用高，成為影響油砂高效開發的重要因素。本文結合加拿大油砂SAGD水平井注蒸汽生產過程，提出油砂SAGD井儲層段管柱設計優化方法，并基于應變的設計方法進行了室內模擬試驗，確定了管柱最大的應變位置。通過研究該優化方法對儲層段管柱設計的影響，并且在加拿大的某油砂SAGD井進行了成果應用，為進一步優化油砂鉆完井儲層段管柱設計提供了指導。

1 儲層段管柱受力載荷分析

一般情況下，加拿大典型的油砂SAGD水平井需要在水平裸眼段下入繞絲篩管。但有時由于油藏物性不好，需要下篩管和盲管的交替組合。作業設計要求在完井過程中儲層段管柱處于彈性狀態，即確保儲層段管柱有一定的安全系數。同時要考慮后續的熱載荷對管柱產生的塑性應變，因此設計時應確保管柱服役過程中產生的塑性應變不超過規定的塑性應變。在第一個熱循環加熱過程中，管柱極有可能產生壓縮屈服現象，如果篩管等管柱材料設計不當，將在后續的熱循環中引起塑性應變累積。當累積塑性應變超過管柱材料臨界失效應變，儲層段管柱將產生損壞甚至不能繼續服役[4-6]。

油砂SAGD水平井高溫及溫度劇烈變化是儲層段管柱損壞的主要原因。在注汽加熱階段管柱承受壓縮應力值非常高，但是采油冷卻過程，由于溫度快速降低，管柱承受拉伸應力。累積損傷設計準則可以考慮油砂多輪次注、采生產過程中管柱發生的塑性應變累積，這些應變包括機械應變、熱應變和高溫蠕變等。一旦管柱材料產生的累計塑性應變值超過管材的極限值，則管柱將不能繼續使用，在設計過程中規定管柱累積塑性應變應小于臨界失效應變。N次循環后累積塑性應變為式(1)：

式中：εpi為第i次循環后的塑性應變增量；εpcum為管柱材料累積塑性應變。

理論研究表明，隨著注汽次數的增加，累積塑性應變逐漸增加，可按照加拿大油砂相關標準要求優選管柱鋼級和材質，并對SAGD井儲層段管柱壽命進行評估。生產過程允許管柱發生適當的塑性變形，只要不超過管柱臨界塑性應變，管柱可繼續服役。采用基于應變的累積損傷準則對儲層段管柱進行設計及壽命評估完全符合油砂SAGD水平井實際生產工況。

2 室內試驗對比

首先，基于儲層段管柱中不同材質的篩管和盲管組合進行室內試驗。實驗材料的選取主要考慮：不同的廠家、不同的完井設計方式、不同的扣型變化、管柱鋼級變化等。

其次，模擬井下管柱外在載荷作用下，經過多輪次加熱和冷卻循環，觀察繞絲篩管損壞情況以及何時會損壞。通過如圖1所示的模擬實驗，按照加拿大相關油砂標準的要求，并對管柱的累積塑性應變進行計算，確定管柱最大的應變位置，優選出繞絲篩管材質和盲管的長度等最優管柱組合。

圖1 繞絲篩管受力的室內模擬試驗

3 現場應用

基于應變的SAGD井管柱設計方法，已經成功在該油田3個油砂項目的13口油砂開發井中應用實施，效果良好。以某作業井為例，該井在井深560～705 m之間有一段長約145 m的劣質儲層，其儲層段管柱設計包括兩根盲管，然后是4根繞絲篩管，10根盲管(約140 m)穿過劣質儲層，其余井段采用繞絲篩管。作業前首先在各種工況下進行管柱受力分析，優選管柱組合方式，計算累積塑性應變，避免采用室內試驗測試中失效的組合方式。

儲層段管柱順利下入后，可通過后期監測管柱的失效情況，如圖2所示觀察該井油砂儲層物性變化，并且如圖3所示在油田現場下入管柱進行監測。13口油砂井截至目前無繞絲篩管的完整性失效現象，這充分表明了基于應變設計方法具有獨特的優越性。該方法密切結合油砂SAGD井生產過程，可根據注蒸汽輪次要求科學、靈活地設計儲層段管柱組合。克服了傳統設計方法不能考慮多輪次生產過程中循環溫度載荷對管柱性能影響的不足。

圖2 該井油砂儲層物性變化

圖3 作業現場下入管柱

4 結論與認識

(1)油砂SAGD井儲層段管柱設計，必須要考慮累積塑性應變問題。本文提出的油砂SAGD井儲層段管柱設計優化方法，為油砂SAGD井儲層段管柱設計提供了新思路，具有較好的推廣應用價值。

(2)現場應用表明，油砂SAGD井儲層段管柱設計優化方法能有效指導現場施工作業，延長了管柱使用壽命，保證作業安全和降低單井成本。