（机械设计及理论专业论文）超稠油油藏水平井筛管损坏研究与保护对策.pdf

摘要 在石油钻采作业中，筛管是一种重要的器材，常用于先期完井或采油防砂，在超稠 油油藏热采水平井完井过程中发挥了巨大的重要。在高温高压环境中工作的筛管，恶劣 的服役环境和下入过程中复杂受力情况是其损坏的关键原因，严重缩短筛管的使用寿 命。为此，本文开展注汽热采筛管的损坏机理研究，弄清引起筛管损坏的主要原因，制 定和实施有效的防治措施，尽可能减少注汽热采对筛管的损坏作用，对提高稠油热采效 益具有重要意义。 首先，建立了筛管在下井过程中的摩阻力学模型，针对辽河油田目自订地层结构和筛 管柱在下入过程中不附加扶正器或封隔器这种情况，结合井眼完井数据，计算分析得出 了井眼轨迹特征和全角变化率的不规则是筛管的下入过程中遇阻的主要原因。其次，采 用有限元分析软件a n s y s ，数值模拟计算了筛管在蒸汽吞吐周期过程中的温度场和热应 力，得出温度是筛管强度损坏的重要因素。再次，以辽河油田的杜8 4 馆h 5 0 热采井的筛 管为研究对象，通过对筛管振动固有特性及其动力响应的计算，分析出在注汽起炉到注 汽参数稳定和注汽参数稳定到停炉两个阶段，注汽压力变化导致筛管剧烈振动。最后， 分析了筛管疲劳损坏的原因，并给出相应的防治和保护对策。对目前主要机械防砂方法 给予评价，介绍了六种比较先进的完井工艺，并给出一些完井工艺改善措施，给预防筛 管损坏和现场施工提供一定的指导作用。 关键词：水平井，筛管，热应力，有限元 s t u d yo ns c r e e nl i n e rf a i l u r ei nh o r i z o n t a lw e i i sf o rs u p e r - h e a v yo i l r e s e r v o i ra n dp r o t e c t i o nc o u n t e r m e a s u r e s c h eq i a n g ( m e c h a n i cd e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a n x i a n g a b s t r a c t s c r e e nl i n e ri st h ek e ye q u i p m e n tt oc o n t r o ls a n di np e t r o l e u mp r o d u c t i v eo p e r m i o n i t p l a y s a ni m p o r t a n tp a r ti nt h ep r o c e s so fh o r i z o n t a la n dt h e r m a lw e l l sc o m p l e t i o nf o r s u p e r h e a v y o i lr e s e r v o i r f o rt h es c r e e nl i n e ri nt h eh i g ht e m p e r a t u r e ，h i 【g hp r e s s u r e e n v i r o n m e n t ，t h ea b o m i n a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n dc o m p l e x e dl o a d i n gs i t u a t i o ni st h ek e y d a m a g er e a s o n i tw i l ls h o r t e ns e r i o u s l yt h es c r e e nl i n e r su s i n gl i f e t od e c l i n et h es c r e e n l i n e rb r e a k a g ei nt h e r m a lp r o g r e s s ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h es c r e e nl i n e rb r e a k a g em e c h a n i c s m e c h a n i s m ，f o u n do u tt h em a i nr e a s o n sf o ri t sb r e a k a g e ，a n dm a d eh i g he f f e c t i v em e a s u r e s ， w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ee c o n o m i cb e n e f i ti nh e a v yo i lt h e r m a lr e c o v e r y a tf i r s t ，o nt h eb a s i so ff r i c t i o nd r a gm o d e lo ft h eh o r i z o n t a ls c r e e nl i n e ro nt h et r i p p i n g p r o c e s s w i t ht h es o f t w a r ew h i c ha n a l y z e st h et r i p e b i l i t yo fc o m p l e t i o ns c r e e nl i n e ri n h o r i z o n t a lw e l l c o m b i n e d 、i t ht h ep r o j e c tw e l l b o r ed a t a , t h ep a p e ra n a l y z e dt h ea b n o r m a l w e l l b o r et r a je c t o r ya n dd o g l e gb o t ha f f e c t e dt h eh o r i z o n t a ls c r e e nl i n e ro nt h et r i p p i n gp r o c e s s t h e nm a t h e m a t i cs i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s so fs c r e e nl i n e ri nt h e s o a k a g ec y c l ew a sc a r d e do u tw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，s oh i g h t e m p e r a t u r e i st h em o s to n eo fr e a s o n sf o rt h es t r e n g t hf a i l u r eo ft h es c r e e nl i n e r i nt h ep a p e r ， t h es c r e e nl i n e rs t r i n go fd u 8 4 - - g u a nh 5 0w e l li nt h el i a o h eo i l - f i e l db e c a m ea st h eo b j e c t i v e t oc o m p u t a t i o n a la n a l y s i st h ev i b r a t i o ni n h e r e n tp r o p e r t ya n dd y n a m i cr e s p o n s eft h es c r e e n l i n e rs t r i n go nt h es t e a mi n j e c t i o np r o g r e s s ，a n dw ef o u n do u tw h e t h e rt h es t e a mi n j e c t i o n a f f e c t e ds c r e e nl i n e r a tl a s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es c r e e nl i n e rf a t i g u eb r e a k d o w n ，t h e p a p e rg a v ec o r r e s p o n d e n ts u g g e s t i o no np r o t e c t i o na n dc u r e dc o u n t e r m e a s u r e s ，s i xa d v a n c e d c o m p l e t i o n - w e l lp r o c e s s e sa n ds e v e r a li m p r o v e m e n tm e a s u r e s t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rw a s s h o w e dt oh a v eg r e a ti n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c et ot a k ep r e c a u t i o n sa g a i n s tt h es c r e e nl i n e r b r e a k a g ei nt h el i a o h eo i l - f i e l d k e y w o r d s ：h o r i z o n t a lw e l l s ，s c r e e nl i n e r , t h e r m a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者躲墨丝慨彬年，月闩 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名：j 殇鸦 7 同期： 日期： 比 ，r 年 年 一7 7 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 由于超稠油在油层中几乎没有流动能力，目前国内外大都采取蒸汽吞吐采油，其工 艺施工简单，收效快，不需要进行特别的试验研究，可以直接在生产井实施，因而受到 油田的普遍欢迎。 我国1 9 8 2 年第一批中深井蒸汽吞吐试验成功以来，稠油逐步成为陆上石油产量重 要组成部分。1 9 9 2 年稠油产量达到1 0 5 6 x 1 0 4t ，1 9 9 2 - 2 0 0 4 年连续多年保持在 1 0 0 0 1 3 0 0 x 1 0 4 t 。到2 0 0 4 年底，中国石油天然气股份公司已探明稠油地质储量达1 8 1 亿吨，其中动用地质储量1 1 9 5 亿吨，包括部分冷采产量，达到1 3 5 4 7 x 1 0 4 t ，占陆上原 油产量的1 0 9 。其中蒸汽吞吐产量1 1 6 2 6 x 1 0 4 t ，蒸汽驱产量8 7 3 x 1 0 4 t ，常规产量 1 0 4 8 x 1 0 4 t 。累积产油量超过1 6 亿吨，采出程度已达1 3 4 。目前蒸汽吞吐是我国稠 油油藏的主要开采方式，在1 6 1 0 4 口稠油生产井中，常规开采生产井1 1 6 8 口，平均单 井日产2 4 6 t d ；蒸汽吞吐生产井1 3 1 5 0 口，单井日产2 4 t d ；蒸汽驱生产井1 7 8 6 口， 单井日产1 3 4 t d l 。 注蒸汽热力采油是稠油开采行之有效的方法。国际上( 特别是在加拿大a l b e r t a 油田) ， 利用水平井配合注蒸汽热采浅层高粘稠油，已取得了非常显著的开采效果。最新文献【2 巧1 显示，到1 9 9 5 年底，美国完成稠油油藏水平井占总水平井井数的1 0 ，加拿大完成稠油 水平井占总水平井井数的3 1 。美国的稠油水平井平均产量是垂直井的3 7 倍，加拿大稠 油油藏水平井平均产量是垂直井的5 6 倍。美国所有稠油水平井开采项目在经济上都是成 功的，而加拿大有9 2 的稠油水平井开采项目是成功的。由于采用了水平井稠油热采技 术，美国的原油可采储量年平均增加约9 ，加拿大的原油可采储量年平均增加约1 0 。 国内，在克拉玛依油田，辽河油田，胜利油田等进行了利用水平井开采稠油油藏的试验， 也取得了一定的开发成绩。与直井开采方式相比，水平井蒸汽吞吐产油注汽比相对提 高了近3 0 7 。目前，国外的水平井大部分用割缝筛管完井【6 l 。近年来我国也开始了这方 面的井下试验工作，如塔里木油田有几口水平井就是用引进的割缝筛管完井的。另外， 我国各油田均有一定数量的报废油井，而侧钻井技术可使这些死井变活( 重新出油) ，侧 钻井的完井也适宜用割缝筛管。据调查，截止至1 j 2 0 0 7 年上半年辽河油田完成3 8 7 口水平 井，筛管完井占9 3 8 ，其中割缝筛管占筛管完井8 8 9 。 第一章绪论 水平井热采稠油技术都源于国外，首先由国外提出、研发和商业应用的，特别是美 国和加拿大。近年来，国外稠油开采技术的进展主要有：蒸汽辅助重力泄油技术、稠油 出砂冷采技术、稠油气体溶剂超临界萃取冷采技术、重力辅助火烧油层技术、电磁波 热采技术等。如美国加利福尼亚州k e r nr i v e r 油田和印度尼西亚d u f f 油田大型蒸汽驱 项目，采收率高达5 5 7 0 ，油汽比均超过o 2 5 ，开采效果好、经济效益高【7 卅。美国、 加拿大在稠油开发和开采方面，包括蒸汽驱热能管、油藏监测等都处于国际领先水平。 但是这些技术一直被国外石油公司所垄断，对国内用户提供“黑匣子式的服务，核心 技术及工艺严格保密。 水平井热采稠油技术是今年来发展比较快的稠油开采技术，由于其投资效率高、增 产稳产效果明显，表现出很大的优势。对热采水平井管柱受力及可靠性分析面前国内还 处在起步阶段，虽然可以借鉴直接热采相关成果及实例，但是水平井具有其本身特点决 定了其受力的独特性和特殊性，需要给予高度关注。 从油层的地质状况来看，我国的许多油藏地区也非常适宜开发水平井。我国已将水 平井技术列入重点科技攻关计划之中，并取得了多项研究成果。但是，采油防砂一直是 困扰我国许多油田的技术难题，特别是在疏松砂岩油臧开采过程中常见的问题之一。油 层出砂不严重时的直接危害是形成砂堵影响油井产量，同时，也会磨损抽油泵和抽油杆， 增加清砂作业的工作量；油层出砂严重时会堵塞油井，使油井停产，也可能会使地层亏 空，井壁坍塌，导致井下筛管或套管挤毁事故的发生。我国的油田很多属高砂油臧，所 以过滤防砂是石油开采中一个非常重要的环节，对原油的稳定开采起着重要作用。 水平井注蒸汽热力采油，使筛管在下入和井下的服役条件变得极为恶劣，将大大缩 短筛管的使用寿命。筛管内过热的蒸汽使地层及其筛管温度升高，对筛管产生相当大的 热应力，此热应力可能使筛管产生弯曲变形或断裂，导致油井停产或油井报废。 辽河油田开展了大规模的水平井开发稠油技术推广，由于稠油热采工艺的实施，造 成部分油井投产后，在较短的时间内就出现了筛管的损坏，使水平井无法正常生产，甚 至造成油井报废，对生产造成严重影响，投资无法收回。 1 2 国内外研究现状及进展 1 2 1 筛管的发展现状 在石油的钻采作业中，筛管是一种重要的器材，常用于先期完井或采油防砂。是安 装于油井、水井、地热井等无缝或焊接钢制井管最下端，用以将所开采的液体与地层中 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 的砂石分离的一种特殊管型。由于其涉入地层的基本结构特点，接触的砂石粒度不同， 开采液体粘稠度的差异，所需筛管的孔缝规格及形状也各有所异。近年来，随着我国石 油工业的高速发展，沙漠地区油井钻采技术的成熟，油田中后期开发力度的加大，海上 采油规模化的崛起和地热井、深层水井的蓬勃发展，筛管的需求量不断增加。筛管已经 在地矿业的地下液体钻采上得到了广泛的应用。随着市场需求的增大，加上筛管孔缝切 割的高难度和孔缝几何尺寸、形状精度要求的提高，都给这看似简单的筛管和筛管加工 设下了技术难关，提高了“经济”身价，从而也引起了相关行业的极大关注。 国外机械防砂工艺技术研究起步较早【1 州引，2 0 世纪3 0 年代就开始采用砾石充填法 防砂，此法目前在国内外防砂方面仍占主要地位，约占防砂作业的8 0 以上。其中绕丝 筛管砾石充填法经过完善和发展，已经成为一项较成熟的技术。进入2 0 世纪9 0 年代以 来，在旧的防砂工艺不断完善的基础上，积极研究开发防砂新工艺、新方法，特别是在 机械防砂方面，取得了飞速的发展。尤其是割缝筛管防砂是近几年提出的新工艺，这一 工艺刚一出现便取得了较大的进展，如大港、胜利、辽河等油田都迅速将割缝筛管下井 实验，取得了可喜的效果。目前国内外防砂技术主要以机械防砂为主，常见的机械防砂 方法有筛管防砂和砾石充填防砂。 由于稠油油藏普遍胶结疏松，加之热采注汽对地层骨架的破坏，稠油的粘滞、拖拽 等作用，造成稠油区块普遍出砂。在解决稠油井出砂问题方面，经过研究攻关。起初， 使用较多的筛管是绕丝筛管l l6 1 。这种筛管的制造方法是：在均匀分布于圆周的筛杆上或 开孔的金属衬管上缠绕某种截面的钢丝并焊牢，留出一定的缝隙作为筛孔。这种制造方 法在我国已被较多的厂家所采用，如胜利油田就是从国外引进了绕丝筛管生产线，满足 了不同用户的需求。但是，这种筛管在下井时存在一些问题，尤其在强压通过大斜度井 和水平井的弯段时，不可避免地要与井壁或套管发生碰撞、挤压和摩擦，容易出现“乱 丝 现象，造成筛管损坏或缝隙变形，致使完井质量和防砂效果降低或失效。针对绕丝 筛管的这一弊端，管、缝同体的割缝筛管便应运而生，割缝筛管的性能优越且价格低廉， 一出现便受到油田用户的高度重视。因为水平井可使采油产量大幅度提高，所以水平井 技术近些年来在国外得到了迅速地发展，钻井数目以惊人的速度增长。从油层的地质状 况来看，我国的许多地区也非常适宜水平井开发。“八五期间，我国已将水平井技术 列人重点科技攻关计划之中，目前已取得了多项研究成果。据报道，国外的水平井大部 分用割缝筛管完井。近年来我国也开始了这方面的井下试验工作，如塔里木油田有几口 3 第一章绪论 水平井就是用引进的割缝筛管完井的。另外，我国各油田均有一定数量的报废油井，而 侧钻井技术可使这些死井变活( 重新出油) ，侧钻井的完井也适宜用割缝筛管。采油防砂 一直是困扰我国许多油田的技术难题，用割缝筛管防砂是近几年提出来的新工艺，这一 工作在我国已取得了很大的进展。 为了满足油田的需要，更好的做到防砂工作，很多科研人员提出各式各样的防砂技 术，设计出不同的防砂工具。到目前为止，市场上已经有很多机械防砂工具。例如，辽 河油田目前用的弹性筛管、t b s 筛管、激光割缝筛管、金属棉防砂管、烧结滤网筛管、 烧结网式筛管、螺旋筛管、v 缝白洁防砂筛管、多层复合防砂管、陶瓷防砂管、复合缝 腔割缝筛管、可膨胀筛管等等。除此之外，还有像高温化学固砂，高温人工井壁防砂等 化学防砂技术系列，以及为填补地层亏空而开发的地层深部防砂技术系列【1 7 19 1 。 1 2 2 筛管损坏理论研究概况 导致热采井筛管状况变差，甚至损坏的原因是多方面的。根据国内外油f f j 开发近些 年的经验分析可知，引起筛管损坏的因素可大致分为地质因素、工程因素和腐蚀三大类。 对于具体的一个油田或一1 3 油、水井的筛管损坏，其中某类因素很可能起主导作用【2 0 2 6 1 ， 其它为次要因素，而更多则是这些因素综合作用的结果。 ( 1 ) 地质因素 1 ) 泥岩遇水膨胀 泥岩性质较不稳定，在高温高压下能产生蠕变，在有水侵入时易膨胀。中原油田部 分区块采用异常高压注水，导致泥岩、页岩地层进水，引起泥岩地层膨胀蠕变、滑坡及 断层复活，使得筛管承受非均匀的围岩蠕变外压而破坏。苏联格罗兹内石油学院在室内 所作的泥岩膨胀和筛管损坏关系的试验表明，当泥岩含水1 0 以上时，泥岩拥有较高的 塑性，几乎将全部上覆岩压转移到筛管，使其变形损坏。 2 ) 盐层对筛管的损坏 盐岩层在地层温度和上覆地层压力作用下，不仅由于盐岩密度小于岩石密度，而且 盐岩或含盐泥岩遇水膨胀，向低压的井筒方向蠕动，致使筛管损坏。另外，盐层溶解使 得井眼扩大或盐层坍塌，从而导致筛管受力状态不均，引起筛管损坏。一般认为井壁坍 塌主要是钻井液对盐层的冲刷和溶解作用造成，主要形成不规则井眼或大肚子井眼，使 固井水泥不能充满环空或第二界面胶结不好，从而使地层水或注入水侵入盐层，浸泡溶 蚀后形成空洞。 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 3 ) 断层运移 美国密西西比南帕斯2 7 断块油田。全油田近2 5 0 口生产井钻遇4 条主要断层，至l j l 9 7 1 年底已有5 4 口钻遇断层井筛管损坏，其中2 l 口井己报废。该油田筛管损坏的特点是，在 钻遇断层部分固井的井损坏的机率达至1 j 5 6 ( 6 6 1 5 1 井损坏3 7 1 2 1 ) 1 3 1 】。研究其原因主要为， 随着油田不断开采，原始地层压力的降低以及压裂、酸化、高压增注，引起地层内部结 构的变化，注入水或压裂液侵入断层，顺断层运动，起润滑作用，加上地应力的作用， 破坏了断层的相对静止状态，使上下盘产生滑移，从而对筛管产生剪切破坏。 ( 2 ) 工程技术因素 1 ) 筛管强度计算及井身结构设计不合理 a 、早期的筛管柱设计是采用单轴应力设计，随后采用双轴应力设计，然而随着钻 井技术的发展和勘探开发的需要，钻井深度越来越深，地质条件越来越复杂，油井工作 条件越来越恶劣，单轴应力设计和双轴应力设计己不能满足钻井和油气井开发的要求， 常常造成油气井筛管的先期损坏。 b 、目前国内外流行的筛管抗挤强度都是以有效外挤压力均匀分布在筛管圆周上的 假设为前提条件的，即有效外挤压力按静压力分布规律计算。实际上，由于地质构造十 分复杂，大多数油井筛管的损坏是由非均匀载荷引起的。例如，砂岩蠕变而引起的非均 匀地应力，筛管偏心、砂岩窜槽造成的筛管受非均匀外挤压力作用等。研究表明，筛管 柱受均布外挤压力作用时的抗挤强度要比受非均布外挤压力作用时的抗挤强度大得多。 c 、由于井眼轨迹不规则，筛管在下入过程中遇阻，现场需要上下往复活动筛管或 旋转筛管，有利于管柱下入，从而引起筛管管柱受到过大压缩载荷、拉伸载荷、扭转载 荷和弯曲载荷，这些都会导致筛管破坏。 d 、对于注汽开发油田，建井时没有考虑到油f f l 中后期注汽丌发时筛管强度、井深 结构、尺寸的要求，只按静水柱压力或泥浆柱压力对筛管进行抗挤强度计算。没有认识 到高压注水开发到中后期，泥岩吸水蠕变、滑移产生的横向层问位移侧压力、纵向地层 位移产生的拉伸力及纵横向位移产生的弯曲应力对筛管的影响。 3 ) 筛管质量不合格 主要表现在管壁厚薄不均或壁厚达不到要求，管体和接箍有裂纹，管子存在不圆度， 造成筛管使用寿命不长。另外，由于螺纹加工精度不高，造成丝扣不密封，筛管内外气 体与液体由于压力不同互相串通，长期作用后，扩大了丝扣的孔隙，导致筛管损坏。 5 第一章绪论 4 ) 稠油井热采时引起筛管损坏 热采井筛管损坏主要是由高温引起的，但国内外在研究热采井筛管损坏问题时，很 少有考虑高温对筛管强度的影响。2 0 0 1 年，中国石油天然气集团公司管材研究所研究表 明，高温对筛管屈服强度具有明显的降低作用【3 2 】。热采井注蒸汽的平均温度般在3 2 0 左右，有的超过3 5 0 ，超过了筛管允许最大温度值2 0 4 - 2 2 0 。筛管因高温屈服 强度降低约18 ，弹性模量降低约3 8 ，抗拉强度降低7 ，使筛管基本处于屈服状态。 又热采井普遍采用全封固井，水泥返到地面，而水泥的线膨胀系数和筛管的线膨胀系数 及弹性模量不同，必然束缚筛管的膨胀和收缩，在筛管柱内产生内应力( 即热应力) ，因 此在持续高温和热应力作用下，筛管将会产生泄漏、脱扣、疲劳裂纹及压缩变形。 ( 3 ) 腐蚀 筛管腐蚀是筛管损坏的一种主要诱因，一旦筛管腐蚀穿孔则会多点破漏，并会加速 筛管的疲劳进而过早变形和损坏。它是由原油天然气中含有的硫、c 0 2 和h 2 s ，及地层 水和注入水中含有的各种腐蚀性物质与筛管q b f e 或f e 2 + 发生反应引起的。腐蚀条件包括 一定的温度、压力、f e 2 + 浓度及地层水中存在还原菌等，大多与硫酸盐还原菌的作用有 关。筛管腐蚀的后果是严重的。在大庆油田，筛管被浅层水腐蚀的井占筛管损坏井5 以上；在长庆油田马岭地区筛管被浅层水腐蚀的情况更为严重；在中原油田已有1 0 0 多口 井筛管腐蚀穿孔，3 0 多口井报废。 针对筛管损坏理论研究方面文献不多，主要有以下几位研究者。一是中国石油大学 王路超以胜利油田应用的筛管为例，总结出了筛管破坏的一般原因，并通过a n s y s 软件 对筛管在约束两端同时受均匀内压和均匀外压的情况下受力分析【2 7 】。二是胜利油田有限 公司孤岛采油厂的陆先亮在评述现有防砂工艺的基础上，研究开发出一种新型复合缝腔 割缝防砂筛管。并利用a n s y s 软件，计算了各种工况下的强度值，为建立割缝筛管强度 标准提供了依据。结合油田现场使用情况，对重要失效形式抗挤压失效形式进行了 分析、预测，提出了一种判断井下割缝筛管失效的方法f 2 8 】。三是西南石油大学的庄保堂 采用有限元方法，通过大型有限元程序，建立了其抗击强度的有限元计算模型。根据弹 塑性理论，对割缝防砂进行分析，得出其抗挤强度【2 9 1 。四是天津城市建设学院杨晓东采 用有限元法建立割缝筛管的三维有限元力学模型，以c a t i a 为软件平台，对钢级为n 8 0 的石油割缝筛管进行有限元数值计算分析3 0 1 。此外，还有一些专家学者对于筛管损坏问 题进行了一定的研究f 3 h 5 1 。 6 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 1 2 3 水平井完井技术发展现状 目前水平井完井方法可以分为裸眼完井、筛孔割缝衬管完井、筛孔割缝衬管带管 外封隔器完井和衬管固井射孔完井等四种完井方法。由于钻水平井的造斜率不同，这 四种完井方法并不完全适用于各类水平井。短半径水平井由于造斜率曲率半径小，只能 采用裸眼或筛孔割缝衬管完井方法。长半径、中半径水平井为完井提供了灵活性，可 以采用以上任一种完井方法【3 6 ，3 7 1 。 ( 1 ) 裸眼完井 从世界水平井发展的历史看，在最早的第一批水平井中，第一批完井是采用裸眼完 井，一般适用于致密岩层。这种方法简便经济，油气层裸露面积大，油气流入井内阻力 小，油气层不受注水泥和射孔的损害，使用裸眼封隔器可以进行增产作业。缺点是油气 压力不同时会发生窜流，可能会造成井眼堵塞，甚至造成部分的或全部井段的报废。修 井和生产测井困难。这种方法只适用于硬地层。产层厚度大、均质较好、不需要进行增 产措施的井。 ( 2 ) 筛孔割缝衬管完井 许多长半径、中半径及短半径水平井采用筛孔或割缝衬管完井。割缝衬管可分为三 种类型，第一种是沿衬管轴线铣出不同宽度和长度的割缝，第二种是在管体上钻不同直 径的孔，第三种是预制砾石充填衬管。 钻：i l i 匐j 缝衬管完井适用于天然裂缝性碳酸岩或硬质砂岩储层；单一厚储层或不要 求层段分隔的储层；井壁不稳定，有可能发生井眼坍塌的储层；岩性较为疏松的中、粗 砂粒储层。衬管完井的益处在于能提供足够的流通而积，储层不受水泥浆的污染，可防 止井眼坍塌，成本相对较低。国外水平井应用割缝衬管完井非常普遍，它既起到裸眼完 井的作用，又防止了裸眼井壁坍塌堵塞井简的作用，同时在一定程度上起到防砂的作用。 衬管完井的技术关键是如何有效地解除钻井过程中的油层污染，解除钻井滤液对地层油 流通道及衬管的堵塞。目前最常用的方法是通过替浆和酸洗，彻底清洗裸眼井壁，然后 再补充完井保护液。 ( 3 ) 割缝衬管带管外封隔器完井 带管外封隔器的钻孔割缝衬管完井技术是将管外封隔器技术与钻：i l i n 缝衬管完 井及井眼清洗技术结合在一起。该技术可用于造斜段需要卡封水层或气层，而对于水平 段油层非均质严重或水平段穿越多个层系的，可利用套管外封隔器进行多层卡封，实现 7 第一章绪论 合采或分采。对于这类油藏，开发出了带多级套管外封隔器的钻孔割缝衬管完井及井 眼清洗技术，实现一次管柱完成卡封水层或气层、替浆、酸洗等作业。 由于管外封隔器同割缝衬管一道使用在裸眼井中，很难预测其密封效果，只能起到 一下作用：可在石灰岩裂缝地层中实现层段的隔离；可隔绝水层和气层；可达到部分准 确的生产测井；可完成部分选择性的增产作业。 ( 4 ) 固井射孔完井 固井射孔完井是目前国内最为广泛和最主要使用的一种完井方式。包括套管固井射 孔完井和尾管固井射孔完井。套管射孔完井有利于避开夹层水、底水、气顶，可实施水 平段分段射孔、试油、注采和进行选择性增产措施。目前胜利油f f l 热采水平井以及先期 防砂的水平井多采用此类完井方法，一般全井采用0 1 7 7 8m m 套管，热采水平井采用提 拉预应力固井，水泥返至井口。尾管固井射孔完井有利于提高固井质量和保护油气层， 在钻水平段过程中采用与油气层相配伍的钻井液，采用近平衡钻井或欠平衡钻井技术， 最大限度地降低对油层的污染，保持油井产能。另外，这种技术可以降低钻井和完井成 木，提高经济效益。目前，采用此类完井方法的水平井占多数，多采用0 2 4 4 5m m 套管 挂接1 3 9 7n u n 尾管完井。 一般水平井推荐采用负压射孔，对于地层疏松、胶结差的油藏采用近平衡压力射孔， 高压地层和地层压力情况不明的情况卜采用正压射孔。 水平井射孔传送方式采用油管传送射孔枪，液压引爆。可以实现油管内憋压射孔， 也可以在射孔枪上部接一筛管，全井憋压射孔，射孔后可不动管柱测压或生产。水平井 射孔按布孔方式分为定向和不定向两种。 要保证最佳的射孔效果，就要研究和筛选适合油气层及流体特性的优质射孔。射孔 液性能应满足与油层岩石和流体配伍，防止射孔过程中和射孔后对油层的进一步伤去， 同时又能满足射孔施工工艺要求，并且成本低，配制方便。日前常用的射孔液是无固相 水基射孔液，基液选用处理过的本地区油田污水或卤水，加入粘土稳定剂、破乳剂、防 腐剂等添加剂地层漏失严重的还要加入屏蔽暂堵剂。 1 3 研究目的和意义 辽河油田开展了大规模的水平井开发稠油技术推广，由于水平井井眼轨迹的复杂 性，造成筛管无法下入或者损坏，水平井无法正常生产。另外，注蒸汽热力采油，使井 下筛管的服役条件变得极为恶劣，将大大缩短筛管的使用寿命。筛管内过热的蒸汽使地 8 中国石油大学( 华东) 硕+ 学位论文 层及其筛管温度升高，对筛管产生相当大的热应力，此热应力可能使筛管产生弯曲变形 或断裂，导致油井停产或油井报废。对于超稠油油藏水平井筛管损坏机理、成因及对策 还未开展系统的配套研究，为此通过全角变化率对筛管在下入过程中的受力影响，水平 井井眼特征对筛管在下入过程中的受力影响，超稠油水平井蒸汽吞吐情况下，温度对筛 管受力影响，数值计算以及数据分析处理、注汽过程振动对筛管影响分析以及减少筛管 损坏防治措施与保护对策进行研究，为解决水平井筛管损坏提供有力技术支持。开展注 汽热采筛管的损坏机理研究，找出造成注汽井筛管损坏的主要原因，制定和实施有效的 防治措施，尽可能减轻注汽热采对油层筛管的损坏作用，延长稠油井的寿命，对提高稠 油热采效益具有重要意义。 1 4 课题的研究内容 筛管完井作为提高热采水平井产能的一项重要完井技术，考虑到热采注汽温度高、 筛管在高温时力学性能参数等发生改变、地层情况复杂性和筛管强度刚度降低等问题， 拟从以下几个方面进行研究，为筛管完井提供可靠的技术支持和科学指导。 ( 1 ) 全角变化率及井眼特征对筛管的影响 理论分析全角变化率及井眼特征在筛管下入过程中的受力情况，根据实际水平井井 斜数据和筛管结构，计算出筛管在下入过程中的摩擦阻力和轴向力，分析全角变化率及 井眼特征对筛管在下入过程中的影响。 ( 2 ) 在超稠油水平井蒸汽吞吐情况下，温度对筛管受力影响、数值计算以及数据处 理分析 利用有限元分析方法分析筛管在蒸汽吞吐周期过程中的温度场和热应力。 ( 3 ) 注汽过程振动对筛管的影响 通过对筛管的振动固有特性与动力响应计算研究，分析了注汽振动对筛管的影响。 ( 4 ) 提出减少筛管损坏防治措施与保护对策 鉴于目前辽河油田使用筛管的现状，在完井工艺方面提出改善措施。 9 第二章井眼特征及全角变化率对筛管在下入过程中的影响 第二章井眼特征及全角变化率对筛管在下入过程中的影响 石油钻井工程中，对井眼轨道设计和实际井眼轨迹控制的重视程度越来越高。特别 是最近几年中，石油钻井中水平井的钻井数量大幅度提高，水平井已成为今后石油钻井 主要的钻井类型。直井要控制井眼轨迹，尽量把井打直是件很不容易实现的事。现在要 普及定向井、水平井，可以想象到对这类井的井眼轨迹控制就比直井井眼轨迹控制更难。 井眼轨迹特征主要由井斜角、方位角、井深这三个主要测量参数和井斜变化率、方位变 化率、全角( 狗腿角) 、全角变化率( 狗腿严重度或井眼曲率) 、水平位移、垂深等六个计 算参数来描述和衡量的，特别是井斜角、方位角、全角变化率( 狗腿严重度或井眼曲率) 水平位移是最重要的控制参数，石油钻井对全角变化率( 狗腿严重度或井眼曲率) 的控制 看的第一重要。要防止在钻井中形成狗腿，即在不长的井段中井眼轨迹突然增斜又突然 降斜，形如狗的腿一般，这样弯曲的井眼会使起下钻作业遇阻、遇卡；下筛管柱困难； 发生筛管疲劳破坏等事故，并严重影响井的质量和采油生产。 2 1 井眼特征及全角变化率的描述 在石油工程中，井眼轨迹通常指三维空间中的一系列测点，这些点用几何计算方法 连接起来，形成的一连续曲线即是井眼轨迹【3 8 】。按照不同的划分标准，井眼轨迹可分为 如下几类【3 9 】： ( 1 ) 按照井斜角可区分为直井、定向井和水平井； ( 2 ) 按照设计井眼轨迹上是否有方位角变化可分为二维轨迹和三维轨迹； ( 3 ) 对于水平井，通常按照造斜率大小分为五种类型，即长曲率半径( 3 0 0 米) 水平 井，中曲率半径( 9 0 一3 0 0 米) 水平井，中短曲率半径( 1 2 9 0 米) 水平井，短曲率半径( 6 1 2 米) 水平井和径向( 2 米) 水平井。 2 1 1 井眼特征的描述 井眼特征就是对井眼轨迹的基本参数。因为实际井眼轨迹是一条空间曲线，所以可 以用空间直角坐标系来描述。一般选取直角笛卡尔坐标系o n e d 。原点d 选在井口处； 轴指向正北；单位矢量为f ；e 轴指向正东，单位矢量为j ；d 轴垂直向下，单位矢量 为k ：如图2 1 所示。 在石油工程中，井眼轨迹基本参数是通过下入井眼内的侧斜仪器测出的，它测出的 是一系列离散井( ，) 点所对应得井斜角( 0 【) 和方位角( 矽) ，通过它们可以确定出其它参 1 0 中国彳i 油大学( 华东) 硕士学位论文 数，所以将它们称为基本参数。 ( 1 ) 井深( ，) 井眼轨道上任意一点到井口的井眼长度称为井深，它是一条曲线的长度，所以也称 之为斜深。对于实钻井眼轨道来讲，测点处的井深称为测量深度，它通常以钻柱长度或 测量电缆的长度来测量的。 ( 2 ) 井斜角( q ) 井眼轨道曲线上任意一点井眼的方向线与铅垂线的夹角称为该点处的井斜角。 ( 3 ) 方位角( 矽) 以正北方向为始边，顺时针旋转至井眼轨道方向线在水平面上的投影所转过的角 度，称为该点处的井斜方位角。 井斜角与方位角是相互依存的，只要井斜角不为零，就存在着什么方向的问题。井 斜包括井斜角和井斜方位角两方面的含义。 e 图2 - 1 井眼轨迹不意图 f i g 2 - 1 s k e t c hm a po f w e l l b o r et r a c k ( 4 ) 坐标参数 用于描述井眼轨道上点的空间位置的参数，称为坐标参数。它是根据测斜资料的基 本参数计算出来的。主要用北坐标( d ，东坐标( d ，垂直深度( d ) 来表示。 ( 5 ) 挠曲参数 描述井眼轨道的弯曲程度和扭曲程度的参数，称为挠曲参数。挠曲参数是根据测 得的基本参数推算出来的，它包括：弯曲角、扭转角、井眼曲率、井斜变化率和方位变 化率等。关于弯曲角的描述详见下节。 1 ) 井斜变化率( 疋) 第二章井眼特征及全角变化率对筛管在下入过程中的影响 井斜变化率是指井斜角随井深变化的程度，它是井斜角对井深的一阶导数。 k 。= 鲁 2 ) 方位变化率( 艺) 方位变化率是指方位角随井深变化的程度，它是方位角对井深的一阶导数，即： k = 鲁 3 ) 井眼曲率( k ) 井眼曲率的几何意义是井眼轨道偏离直线的程度，也是井眼切线矢量对于弧长的 旋转速度。井眼曲率计算公式： 川a i m o 剐la i 矧d 2 1 2 全角变化率的描述 一般说来，实际井壁总是弯曲的，井壁弯曲程度用狗腿严重度表示，管柱在井壁弯 曲处要随之弯曲，狗腿度越大，筛管柱弯曲得越严重，并且加速筛管柱与井壁之间的磨 损。因此，狗腿度对筛管柱在下入过程中的磨损不容忽视，必须严格控制钻井质量，减 小狗腿度。 上述所谈到狗腿度就是弯曲角，也称之为全角。定义是对于井眼轨道来讲，在经验 轨道前进的方向上，任意两个切线矢量之间所夹的角度，用希腊字母表示。目前常用 四种公式来计算全角，一般都用美国人l u b i n s k i 狗腿角计算公式： c o s f l = c o s o r lc o s 2 2 + s i n a ls i n a 2c o s a f o( 2 - 1 ) 式中，口。、口：为相邻两测点上、下测点的井斜角值；缈为相邻两测点上、下测点的井 斜方位角的变化值。 全角变化率就是单位长度井段内全角的变化量，用英文字母孱表示。它反映了井 眼轨迹曲线的曲率，即井眼轨迹曲线弯曲的程度。 全角变化率计算公式： 风= 者 。脚】( 2 - 2 ) 式中，为相邻l 。、：之间井眼轨道的弯曲角，( 。) ；l 、l ：为相邻两测段上，下测段 的井眼轨迹长度，( mo 1 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 2 1 3 井眼轨迹数据处理方法 ( 1 ) 最小二乘法曲线拟合 设计完毕的水平井井身轨迹通常包括以下主要数据，测深、井斜角、方位角、垂深、 南北位移、东西位移、水平位移、造斜率。在井身轨迹数据拟合中，采用测深，井斜角， 方位角三个变量。其中把井斜角，方位角看作是测深的三次样条函数。 设以水平井井段( ，。，乙) 上有一组如下实测数据 井深l ( m ) ：l o0 ，。，。+ l ，厶 井斜角口( 。) ：口o ，口1 ，口。，口。+ l ，口。 方位角矿( 。) ：c p o ，仍，+ i ，纯 其中，o ，l ，。 ，川 ，。 通常实测数据口。，仍( f = 0 , 1 ，刀) 本身含有测试误差。因此，为了更有效的表现井 斜角函数和方位角函数的变化规律，需要对测点数据进行拟合处理。考虑到与三次样条 函数相匹配，选取三次多项式作为拟合函数，采用最d - 乘法的数据拟合方式【删。 本拟合方法中，要拟合第f 个测点数据，选取该点前后相邻的7 个测点数据 u m ，口m ，仍+ 。) ( 七= - 3 ，- 2 ，3 ) ，建立相应的最小二乘法方程。 对于井斜角函数，给定实测数据( ，m ，口m ) ，( 后= - 3 ，- 2 ，3 ) ，设其自变量7 l + 。与因变 量口m 的函数关系为口m = f ( 1 肿；，a l ，a 2 ，a 3 ) 。其中( a 0a l ，a 2 , a 3 ) 为待定参数。当 f ( 1 m ) s p a n o ，z ， ，六 时，即 ， f ( 1 j + t ) = a o 厶( ，+ t ) + a l z ( ，。t ) + a 2 六( ，+ t ) + 口3 六( ，+ 女)( 2 3 ) 关于参数a 。，q ，a ：，a 。的线性方程组，用矩阵表示为： ( 厶 ( 石 ( 厶 ( 六 、 a a ( 厶 ( 石 ( 六 ( 六 f z 1 ( 厶 ( z ( 厶 ( 六 t t t ( 厶 ( z ( 厶 ( j 、 、 、e 位， ，z ( 口，厶 ( 口，六 ( 2 4 ) 在i i 麦d , - 乘逼近中，取厶( ，m ) = 0 。”。根据内积定义，引入相应带权内积记号： 1 3 第二章井眼特征及全角变化率对筛管在下入过程中的影响 将上式代入公式( 2 2 ) ，得： 1，m ，乙 七= 一3 3 七= 一3 3 k = - 3 3 七= 一3 3 ，f + 。，乙疋。e 七= 一3 3 k = 一3 3 七= 一3 3 k = - - 3 3 ，乙，iz t , 4 + 。 k = 一3 3 k = - 3 3 k = - 3 3 量= 一3 3 ，i，0 ，i k = - 3k = 一3t = 一3k = 一3 。 七= 一3 3 k = 一3 l l h k o c l - k ，2