水平井防套管損壞研究

汪盈盈

(中油遼河油田公司,遼寧盤錦 124010)

水平井防套管損壞研究

汪盈盈

(中油遼河油田公司,遼寧盤錦 124010)

基于X油田注蒸汽開采水平井受力狀況,根據熱力學、滲流力學、固體力學相關理論建立熱-流-固耦合方程,計算、分析、研究水平井蒸汽吞吐過程中井眼附近滲流場、應力場和溫度場動態變化規律,分析套管溫度、地質構造等因素對套管應力的影響,得出熱采水平井的套損防控建議。

套損機理 水平井 熱采

X油田二次開發過程中水平井采取蒸汽吞吐的方式開采，隨著吞吐周期的增加，高溫、高壓循環作用逐漸增加套管的應力疲勞程度，應力疲勞是套損的重要誘因之一。為了保證水平井正常生產，確保XX塊開發效果的延續，需要開展注蒸汽后套管應力分析，指導熱采水平井套損防控工作。

1 熱應力對套損影響

套損是油田開發過程中普遍遇到的一大技術難題，對于熱力采油油田而言，要考慮高溫蒸汽對套管和地層的影響，研究起來更為復雜。由于蒸汽或熱水等熱流體的注入，勢必引起儲層溫度場的變化，導致油藏流體粘度、密度等參數的變化，進而引起流體流動狀態的改變.因此，油藏的熱采開發過程是一個典型的熱-流-固耦合過程，根據熱-固耦合理論、滲流-應力耦合理論建立熱-流-固耦合方程，采用有限元計算軟件對井筒熱力問題、水平段儲層粘度及溫度變化情況、套管受到的熱應力情況等進行數值模擬分析。

根據X油田二次開發先期試驗井XX井井身結構和地層資料，建立彎曲段計算模型，利用上述方法開展水平井注汽套管應力分析。

1.1 套管在實際條件下的應力分析

采用X油田的實際地層參數和注采參數，計算出地層最大應力出現在最底部，數值為46MPa左右，遠小于套管屈服強度550MPa，因此套管處于安全狀態；而套管產生的應力為218～495MPa，其中彎管段拐點附近應力值最大，達到495MPa左右，但仍小于套管屈服強度，因此套管處于安全狀態。

1.2 套管溫度變化對應力場影響

為研究套管溫度對應力場的影響，在實際井底溫度的基礎上，分別計算溫度高于和低于實際井底溫度50℃情況下的應力分布。結果表明溫度越高，套管的應力越大。隨著蒸汽的注入，套管溫度迅速升高，在套管壁上產生較大的熱應力。

1.3 地質構造對套管應力影響

考慮到地質構造對套管損壞非常重要，研究地層有傾角、斷層兩種情況下套管應力的變化情況。當地層含有傾角和斷層時，在傾角底部、斷層的底部等薄弱地方，地層都會出現不均勻的變形，并且使得套管在相應部位產生很強的應力集中，一旦注入蒸汽后，在高溫與不均勻地應力耦合作用下，套管將產生更大的應力，增加了套管損壞的風險。

2 殘余拉伸應力對套損的影響

對XX井運用井筒-地層溫度場理論首先計算出井筒-地層溫度場，得到井下套管溫度隨時間變化的關系，根據該關系采用拉伸應力、壓縮應力計算方法可以計算第一吞吐周期殘余應力，再利用拉伸-壓縮單向累計效應理論計算出每個周期的殘余拉伸應力。

在同一輪注汽過程中，隨著蒸汽的注入，套管承受的壓縮應力迅速增加，第一輪注汽末期壓縮應力達到-502.8MPa，第一周期生產結束后殘余拉伸應力為19.3MPa；隨著注汽周期的增加，套管殘余拉伸應力依次增加，第三輪注汽前套管中的殘余拉伸應力為80.7MPa；第四輪注汽前套管中的殘余拉伸應130.2MPa，第四輪采油階段結束后，套管中的殘余拉伸應力為183.1MPa。注汽輪次越多，套管的殘余拉伸應力累積越大，套管危險程度越大。按照目前條件計算，8個輪次后套管可能發生損壞。

3 主要結論及防控建議

(1)水平井注入蒸汽后，彎曲井段套管熱受力最為明顯，套管最大應力出現在彎曲段的上端。建議在水平井套管柱彎曲段的上端選用高強度套管或者厚壁套管，在井身結構允許條件下，將懸掛器位置調整到直井段內，以減小套管柱彎曲段上端局部應力，延長套管柱使用壽命。

(2)當地層含有傾角、斷層的時候，在傾角底部、斷層底部等薄弱地方，一旦注入蒸汽后，套管將產生更大的應力，大大增加了套管損壞的風險。建議遇到特殊地質構造時，要提高相應層段固井質量，以防止地應力、套管熱應力作用耦合造成套損。

(3)注汽輪次越多，套管的殘余應力累積越大，套管危險程度越大。建議采用抗拉壓循環性能較好的套管，減少周期注汽產生的殘余拉伸應力損傷套管。

[1]陳勇,練章華等.考慮地應力耦合的熱采井套管損壞分析[J].鉆采工藝,2007,30(5)：13～16.

[2]李海慶,趙國相等.套管損壞原因及套損修復技術分析[J].石油礦場機械,2005,34(3)：96～98.

汪盈盈,女,工程師,2005年畢業于長江大學石油工程專業,現從事采油工藝研究。