毕业设计最终版2.doc

毕业设计(论文)题 目 名 称： 海上热采井固井热应力补偿器设计研究 题 目 类 型： 毕 业 设 计 学 生 姓 名： 应 浩 院 （系）： 石油工程学院 专 业 班 级： 油工10709班 指 导 教 师： 黄 志 强 辅 导 教 师： 郑 双 进 时 间： 2010年3月28日至2010年6月15日 目 录长江大学毕业设计任务书毕业设计开题报告长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定中文摘要英文摘要1 绪论11.1 热采井简介21.2 热采井固井技术研究现状41.3 热采井固井存在的难点92 热采井套管柱损坏机理分析研究102.1 温度对套管柱的影响102.2 热应力对套管柱的影响132.3 交变应力对套管柱的影响142.4 螺纹泄漏问题对套管柱的影响142.5 油井出砂对套管柱的影响152.6 残余应力对套管柱的影响153 热应力补偿器原理与结构设计173.1 设计依据173.2 工作原理173.3 热应力补偿器结构173.4 热应力补偿器技术特点及主要技术指标的确定233.5热应力补偿器的实验和使用情况244 认识与建议25参考文献27致谢28长江大学毕业设计任务书学院（系） 石油工程学院 专业 石油工程 班级 油工10709班 学生姓名 应浩 指导教师/职称 黄志强/教授 1.毕业设计题目 海上热采井固井热应力补偿器设计研究2.毕业设计起止时间：2010年3月29日2010年6月11日3.毕业设计所需资料及原始数据（1）现代完井工程第二版.万仁溥.石油工业出版社.2000年.（2）套管热应力补偿器在稠油热采井中的应用与研究.孙雪冬.中国石油和化工科技经纬,2005,11(3). （3）防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术.李子丰等.固体力学学报，2009,2(30) 4.毕业设计应完成的主要内容（1）海上热采井固井工艺技术调研；（2）海上热采井套管柱损害机理研究；（3）固井热应力补偿器结构与工作原理研究；5.毕业设计的目标及具体要求热采井固井热应力补偿器是一种能降低套管受热损坏的固井工具，目前在国内陆上油田稠油热采井中应用较多，但在海洋钻井中应用较少。通过本论文的研究，使学生了解海上热采井固井工艺技术，深刻理解海上热采井固井热应力补偿器的结构与工作原理，力争设计一种新型的海上热采井固井热应力补偿器。本论文要求学生应有较强的分析能力和机械设计能力。6.完成毕业设计所需的条件及机时数要求完井手册、论文等文献资料；上机200学时。任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学 生（签名） 长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称: 海上热采井固井热应力补偿器设计研究 院 （系）: 石油工程学院 专 业 班 级: 油工10709班 学 生 姓 名: 应 浩 指导教师姓名: 黄志强教授 辅 导 教 师: 郑双进 开题报告日期: 2010年4月13日 海上热采井固井热应力补偿器设计研究 学 生：应 浩 长江大学石油工程学院 指导教师: 黄志强 长江大学石油工程学院1 题目类型及来源题目类型：毕业设计题目来源：科研项目2 研究目的和意义目前世界稠油资源相当丰富,己探明有3000亿吨以上的储量,而可供开采的稀油资源仅剩下1700亿吨,稠油将是21世纪的重要能源之一.过去稠油开发主要集中在美洲大陆,有的国家己有上百年的开采历史.近20年来,亚洲的稠油开发业开始崛起.80年代初期,我国的稠油资源才开始开发,目前稠油年产量己达1300万吨,占全国原油产量的8%.尽管蒸汽吞吐和蒸汽驱工艺己被广泛用来开采稠油,但存在着许多有待解决的问题,其中热采井套管的损坏严重地制约着稠油开采的发展,影响着稠油的生产与开发.调查情况表明,以生产稠油为主的辽河油田套管损坏非常严重,调查5个稠油区块的3860口热采井中,发生套管损坏的有489口,占12.64%,有的主力区块套管损坏程度很严重,.如锦45区块总井数428口,套管损坏63口,套损率为14.72%.高3区块井数285口,套管损坏69口,占24.21%.杜84区块井数180口,套管损坏25口,占13.89%.齐40区块井数240口,套管损坏71口,占29.58%.欢127区块井数237口,套管损坏75口,占31.64%.通过统计分析发现,热采井套管损坏在封隔器附近至油层部位居多,占套损总井数的64.42%.套损形式为套管变形、套管错位、螺纹接头泄漏和脱扣.套管变形占套损总井数的46.42%.稠油开采将,成为这个世纪的主要能源来源,随着我国经济的发展,对石油的需求越来越多.而稀油油臧不能满足我们长期要求,稠油开采是以后开发的重点.解决稠油开采套管损坏问题迫在眉睫.随着稠油开采时间的延长,注汽轮次的增加,稠油热采井套管损坏率逐年增加,严重制约了稠油热采井的开发.根据套管损坏机理的研究和理论计算大量的实物实验,得出热采时产生的轴向热应力过大是套管损坏的主要原因之一,根据这一结论,研制开发了套管热应力补偿器,旨在减小套管在注汽吞吐过程中产生的恶性轴向应力,将热应力减小至套管屈服极限以内,以达到防止套臂损坏的目的.3 阅读的主要参考文献及资料名称1 孔令军,陈义发,牛明兰,张兆义,谢滔 河南油田稠油套管损坏原因分析与措施研究J.河南石油,2004,18（zl）:64662 王建民,李刚,李斌,周永辉 稠油热采井套管损坏机理及检修技术J.西部探矿工程.2010,22(10):96973 余雷,薄岷 辽河油田热采井套损防治新技术J.石油勘探与开发.2005,（1）：1161184李静,杨少春,马雷.稠油开发井套管损坏机理与强度设计问题分析J.石油矿场机械,2009,38(1)：9135陈延.稠油热采井套管保护技术研究J .特种油气藏, 2007,14(6):14206路利军,冯少波,张波.稠油热采井套管柱强度设计方法研究.石油天然气学报(江汉石油学院学报).2009,31(2):7147李子丰, 阳鑫军,王兆运等.防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术J. 固体力学学报, 2009,30(2):20268李子丰, 阳鑫军,王兆运等.防止热采井套管热破坏的预压固井技术J. 工程力学, 2008,25(6):56619崔孝秉,曹玲,张宏.注蒸汽热采井套管损坏机理研究J.石油大学学报(自然科学版),1997,21(3)：576410李连进,王惠斌. 用有限元法分析石油套管定径产生的残余应力J.石油矿场机械,2006 ,35 (1):2331 11杨秀娟,杨恒林.热采井套管三轴预应力设计分析J.石油矿场机械, 2004 ,33 (1) :15 12 Bruno M S.Subsidence-Induced Well FailureG.SPE20058,1992.13Cemocky E P,Scholibo F C.Approach to Casing Design for Service in Compacting ReservoirsG.SPE30522.199514Holiday G H.Calculation of Allowable Maximum Casing Temperature to Prevent Tension Failures in Thermal Wells.ASME Paper,199915 Kurt Leutwyler , Bigelow H L. Temperature Effects On Subsurface Equipment In Steam Injection SystemsJ . Journal of Pet roleum Technology ,1965 ,36 (14) :932101.16 Maruyama K, Inoue Y. An Experimental Study Of Casing Performance Under Thermal Recovery Conditions R . SPE18776 ,19894 国内外现状和发展趋势4.1 研究现状辽河油田研制了177.8 mm热应力补偿器,可在350和15 MPa压力条件下工作 500次以上,取得了较好的实际应用效果.辽河油田 177.8 mm 热应力补偿器如图2 所示.辽河石油勘探局工程技术研究院1、外压式软布热应力补偿器：本实用新型涉及一种稠油油田开采中防止井下套管损坏的外压式软布热应力补偿器,由中心管1、平键2、限位接头3、短节4、树脂布5、外管6、钢片7、滑套8、变扣接头9、接箍10组成.其中树脂布5由抗高温纤维纺织成的卷筒布,并浸泡耐高温树脂制作而成.由于采用外压式结构的高温密封树脂布作为高温高压密封元件,从而使热应力补偿器外径缩小,为热采井套管柱的顺利下井以及提高注水泥固井质量提供更为有利的施工条件.2、接触密封式热应力补偿器：本实用新型涉及一种接触密封式热应力补偿器,是由套管接箍,外管,密封圈有机塑料件密封套,预应力销钉和高温高压无机密封件组成,使用时连接在油层套管外,注汽时套管受应力作用,补偿器受压,销钉被剪断,使装置密封套向上部位置伸长,从而消除套管热应力的影响,克服了常规密封器由于受泥浆浸泡及压力影响,造成套管密封性差不能满足井下工况要求弊端,另外,该装置还能实现井下高温高压条件下的长期密封,并能满足各种稠油热采井应力补偿需要,尤其造用于小井眼及侧钻井热应力补偿,不影响固井质量,可提高使用寿命,因此可在热井广泛推广.辽河石油勘探局钻采工艺研究院本实用新型的套管热应力补偿器是一种热采井中使用的装置,该装置连接在生产套管中,能够释放注蒸汽时生产套管所产生的热应力,减少套管损坏.该装置主要由上连接部分,下连接部分和波纹管密封部分等组成,工作中,波纹管密封元件能根据套管中热应力的变化,产生一定量的轴向伸缩.该套管热应力补偿器具有耐高温高压、密封性能好的优点,并且结构简单,制造容易,使用安全方便,是稠油油田热力开采中的一种较为理想的专用工具.4.2 发展趋势热应力补偿器只是局部释放热应力,其补偿距为200mm,只能满足300m套管轴向热胀唯一,并不能解决全井段套管轴向热胀位移.另外,由于射孔的要求,热应力补偿器下深和每口井所下热应力补偿器的数量是有限的,因此,研究新型的热应力补偿器在补偿距和下井深度上能得到提升,还能与其它措施相互配合,达到最好的效果.5 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路5.1 研究内容5.1.1 热采井套管损坏机理研究蒸汽吞吐形成的残余应力导致套管损坏稠油,特别是特稠油和超稠油在地下的粘度高,几乎不流动,必须采用热采,注蒸汽是最主要的热采方法,蒸汽的注入压力和温度视油层深度而定.浅地层稠油井所用蒸汽温度不高,通常在250左右,套管损坏率较低；深地层稠油井所用蒸汽温度高达350左右,套管损坏率很高.在注蒸汽开采过程中,注蒸汽、停注焖井、采油作业是交替进行的.在停注焖井周期的降温过程中,由于套管受到约束,不能自由收缩,在套管内又产生拉伸热应力,若拉应力超过材料的屈服强度,经过几次蒸汽吞吐作业后,在拉伸热应力作用下,接头螺纹会脱扣或断裂.油层出砂亏空导致套管损坏稠油层大多是粘土或原油胶结,油层极易出砂.在油井开采过程中,疏松砂岩的细粉砂粒流人井内,使得位于出砂层段的套管或衬管附近形成空洞和坑道.当上覆地层压实和地层压力下降时,周围岩石的应力平衡遭到破坏,空洞上已卸载岩石就可能坍塌,导致对套管的挤压而引起套损,这是引起常规稠油疏松砂岩油藏中套管损坏的主要原因之一.高温引起套管与水泥环滑脱导致套管损坏当油井底部承受高温时,由于套管和水泥环的线性膨胀系数不一致,在套管和水泥环之间产生了剪切应力,当井底的水泥环和套管之间的最大胶结剪切力无法提供足够的约束时,将会导致套管和水泥环之问脱开,产生的热应力作用在脱开部位的套管上,造成破坏.断层错位形成地应力导致套管损坏由于原始地层压力的降低和水的侵蚀,破坏了断层结构力的相对静止状态,造成断层蠕动和上、下断层发生滑动位移,对穿过断层的套管造成剪切,使得套管变形损坏.地层倾角导致套管损坏当岩层之间有泥页岩夹层时,注入的蒸汽或热水窜人泥页岩夹层,岩层沿层面或倾角较大的断层面滑移.根据库仑强度准则,随着上覆岩层地层倾角的增大,岩层附加在套管上的侧应力也相应增加,套管与岩层接触就会形成应力集中.计算塑性岩层套管损坏过程发现,对于139.7 mm(壁厚为10.54mm)的Pl10套管,屈服点为755.5 MPa,当地层倾角为时,套管处于弹性变化阶段；当地层倾角达到时,套管与岩层接触面最大应力可达到767MPa,超过了套管的屈服点,因此会导致套管缩径或剪切损坏.5.1.2 热采井热应力补偿器设计技术研究热应力补偿器采用耐高温、高压波纹管做密封件,波纹管密封原件的上下端分别焊接在上端环和下端环上,波纹管密封原件套装在中心管中部的抗拉力台阶上.为防止中心管和限位接头在下井时产生同向位移,在其间装一圆头平键,以保证它们之间在外力作用下只能产生一定范围的上下运动.热应力补偿器中的波纹管密封原件在油井中处于原始状态,当来自配合短节方向的力使外管向上产生位移时,波纹管即开始伸长,反之波纹管则被压缩.当产生热应力变化时,生产套管则会产生微量的伸缩,这是生产套管损坏的主要原因.完井时在油层上部的一定位置加装一个热应力补偿器,即可对生产套管的这种微量伸缩进行补偿,从而达到保护套管的目的.若将热应力补偿器接到水泥未返到地面的井口上,亦可起到保护井口的作用.热应力补偿器上端母扣和下端公扣与管柱连接在一起,固井时同时被水泥封固.5.2 关键问题稠油开采将成为这个世纪的主要能源来源,随着我国经济的发展,对石油的需求越来越多.而稀油油藏不能满足我们长期要求,稠油开采是以后开发的重点,解决稠油开采套管损坏问题迫在眉睫.尽管蒸汽吞吐和蒸汽驱工艺己被广泛用来开采稠油,但存在着许多有待解决的问题,其中固井过程中热采井套管的损坏严重地制约着稠油开采的发展,影响着稠油的生产与开发,而套管损坏是影响稠油井开发效益的主要原因之一,所以,我们要面对的关键问题就是如何解决热采井固井施工时套管受损严重的情况.5.3 解决思路基于热采井固井施工特点,对热采井套管注进行受力分析,结合石油天然气行业规范标准建立热采井套管柱设计与校核模型.根据调查及理论研究成果及实物实验,套管 损坏的一大原因是套管受热后受压,冷却后受拉导致丝扣破坏或套管变形.为此,构想在套管柱恰当位置装置上1-2只允许套管具有一定轴向伸缩变形量的热应力补偿器,将套管内应力值控制在屈服极限范围之内.6 完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决的办法1、通过互联网、图书馆、报刊等途径获得最新、可靠、全面的资料信息；2、指导老师提供的相关资料和方法；3、学校机房、个人电脑.7 工作的主要阶段、进度与时间安排3月28日4月12日 收集资料为开题报告做好准备,完成开题报告； 4月13日4月17日 完成外文翻译； 4月18日4月28日 完成开题报告,准备写毕业论文； 4月29日5月25日 撰写毕业论文；5月26日6月12日 整理毕业论文,准备答辩6月13日6月18日 论文答辩. 8 指导老师审查长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定海上热采井固井热应力补偿器设计研究学 生：应 浩 石油工程学院指导老师：黄志强 石油工程学院摘要随着石油天然气勘探的不断深入和钻井工程技术的发展,我国稠油开发规模越来越大,但由于稠油热采高温的影响,热采井套管柱损坏现象时有发生,严重影响了热采井开采寿命。论文根据套管损坏机理的研究和理论计算及大量的实物实验,得出热采时产生的轴向应力是套管损坏的主要原因之一,根据这一结论,研制开发了套管热应力补偿器,旨在减少套管在注气吞吐过程中产生的恶性轴向应力,将热应力减少至屈服极限以内,以达到防止套管损坏的目的。关键词热应力补偿器；稠油热采；套管磨损；影响因素The design and study on thermal stress compensator of offshore thermal recovery wellsStudent：Ying Hao,Petroleum EngineeringSupervisor：Huang ZhiQiang,Petroleum EngineeringAbstract With the progressing of Petroleum and gas engineering and drilling engineering,the scale of thickened oil is increasing rapidly.However,due to the high temperature in the process of thermal recovery,the damages to thermal recovery well casing happen occasionally,which have a rather bad effect on thermal recovery equipment.In the paper,a conclusion that the thermal process when the axial stress is one of the main reasons the casing damage can be reached ,based on the mechanism of the casing damage and theoretical calculation and a lot of physical experiment,according to this conclusion,developed the casing thermal stress compensator,aimed at reducing the casing in steam injector and cyclic stream in the process of malignant axial stress,which will restrict the thermal stress within the limits of yield limit,in order to achieve the purpose of preventing the casing damage.Keywords Thermal stress compensator,Heavy oil thermal recovery,Casing wear,Affecting factors 绪论1 绪论目前世界稠油资源相当丰富，己探明有3000亿吨以上的储量，而可供开采的稀油资源仅剩下1700亿吨，稠油将是21世纪的重要能源之一。过去稠油开发主要集中在美洲大陆，有的国家己有上百年的开采历史。近20年来，亚洲的稠油开发业开始崛起.80年代初期，我国的稠油资源才开始开发，目前稠油年产量己达1300万吨，占全国原油产量的8%。尽管蒸汽吞吐和蒸汽驱工艺己被广泛用来开采稠油，但存在着许多有待解决的问题，其中热采井套管的损坏严重地制约着稠油开采的发展，影响着稠油的生产与开发。调查情况表明，以生产稠油为主的辽河油田套管损坏非常严重，调查5个稠油区块的3860口热采井中，发生套管损坏的有489口，占12.64%，有的主力区块套管损坏程度很严重，如锦45区块总井数428口，套管损坏63口，套损率为14.72%。高3区块井数285口，套管损坏69口，占24.21%。杜84区块井数180口，套管损坏25口，占13.89%。齐40区块井数240口，套管损坏71口，占29.58%。欢127区块井数237口，套管损坏75口，占31.64%。通过统计分析发现，热采井套管损坏在封隔器附近至油层部位居多，占套损总井数的64.42%。套损形式为套管变形、套管错位、螺纹接头泄漏和脱扣。套管变形占套损总井数的46.42%。稠油开采将成为这个世纪的主要能源来源，随着我国经济的发展，对石油的需求越来越多。而稀油油臧不能满足我们长期要求，稠油开采是以后开发的重点。解决稠油开采套管损坏问题迫在眉睫。随着稠油开采时间的延长，注汽轮次的增加，稠油热采井套管损坏率逐年增加，严重制约了稠油热采井的开发。根据套管损坏机理的研究和理论计算大量的实物实验，得出热采时产生的轴向热应力过大是套管损坏的主要原因之一，根据这一结论，研制开发了套管热应力补偿器，旨在减小套管在注汽吞吐过程中产生的恶性轴向应力，将热应力减小至套管屈服极限以内，以达到防止套臂损坏的目的。1.1 热采井简介几乎所有的热力采油工艺都是用降低原油粘度的方法来达到减小油藏流动阻力的目的。当今使用的热力采油工艺从加热方法来分可分为两类:一类是把热流体注入油层，另一类是热量在油层中产生。同时也试验过将产生的热量和注入的热量联合在一起的工艺。同时热力采油工艺也可以分为热驱和热力增产两类。所谓热驱，是将流体连续注入井口井驱替原油，从其它井产油。热力增产只是加热生产井附近的油层。热力增产也可以和热驱结合起来，在这种情况下，天然的和外加的驱动力两者兼有。 图1-1 热采方法分类图在热力采油中最常用的就是蒸汽吞吐和蒸汽驱，所以此处对注蒸汽采油过程进行简述。蒸汽吞吐方法也称循环注蒸汽或油井激励，是周期性地向油层中注入蒸汽，将大量热量带入油层的一种稠油增产措施。注入的热量使原油粘度降低，从而提高地层和油井中原油的流动能力，起到增产作用。图1-2为蒸汽吞吐过程示意图，图1-3为蒸汽吞吐周期情况示意图。从图中可知，蒸汽吞吐过程包括以下三个方面:(1)注汽阶段此阶段将高温蒸汽快速注入到油层中，注入量一般在千吨当量水以上，注入时间一般是几天到十几天。 图1-2 蒸汽吞吐过程示意图(2)焖井阶段注汽完成后立即关井，使蒸汽携带的热量在油层中有效地进行交换，从而加热油层。关井时间不宜太长或太短，一般在2-5天左右为宜。(3)采油阶段此阶段一般又包括自喷和抽油两个阶段。自喷阶段一般维持几天，主要产出油井周围的冷凝水和加热的原油，因高温高压注蒸汽使得井底附近压力较高，为自喷提供了能量。当井底流压与地层压力接近且小于自喷流压时，即转入抽油阶段，该阶段持续几个月到一年以上不等，这是原油产出的主要时期。当抽油阶段的产量接近经济极限产量时，即开始下一个吞吐周期。由于第一周期的预热和解堵作用，第二周期的峰值产量往往要高于第一周期的峰值产量，但从第三周期开始，峰值产量将逐渐下降，直至若干周期后没有经济效益，此时完成蒸汽吞吐过程。 图1-3 蒸汽吞吐周期示意图1.2 热采井固井技术研究现状1.2.1 热采井固井过程简析从热采井井筒结构可以看出，为了顺利钻达目标深度，完成一口可以正常生产的油井，工程中采用的方法和步骤是：钻孔下套管用水泥封固套管。一口井往往需要三至四个以上这样的重复过程。对于油层套管来说，由于井深一般在1000m以上，在下套管的过程中，必然是形成一根长达1000m以上的套管柱，重量可以达到几百吨。而且，套管的状态是管内充满钻井液泥浆，管底和管外充满水泥浆，这样的条件形成了套管柱特殊的静态受力情况。显然，油层套管柱的上部和下部受力情况是不同的，整根套管柱受到泥浆、套管柱总体向下的重力和水泥浆向上的浮力作用，对于图中的AA断面，必然受到较大的拉力，而图中的B-B断面，则会受到较大的压力。这种受力情况构成了固井结束时套管柱的初始受力状态。 图1-4 固井过程套管柱状态示意图1.2.2 预应力固井技术目前国内各油田在稠油开发中, 普遍采用热蒸汽吞吐技术, 即先向井内稠油层注入高温高压(一般300350、1015MPa) 蒸汽。保温保压一定的时间(通常称为“ 闷井” ）使稠油变稀后再进行开采。由于高温蒸汽的作用， 套管将产生膨胀伸长，从而产生巨大的压应力，容易引起套管变形、错断、井口上移甚至造成油井的报废。因此。油田普遍采用预应力固井来解决上述问题。预应力固井技术, 是在固井注水泥前或注水泥后对井内套管串施加一定的预拉力(称为预应力) ：减小或抵消注蒸汽受热时热应力造成的套管伸长，防止油井的损坏。同时，增加固井水泥对套管的封固长度甚至返出地面对全井套管进行封固。实践证明， 预应力固井能够满足稠油注蒸汽热采的要求。预应力固井技术一直在不断发展中。国内对套管柱施加预应力的技术方法大致经历了四个阶段：注水泥施工过程中提高碰压压力，给套管施加预应力，并一直保持到水泥浆完全胶结，使套管保持预应力。采用两凝水泥浆，当下部速凝水泥浆凝固后，使用提升设备提拉套管，给套管施加预应力并保持到上部水泥浆凝固。使用二次地锚预应力固井方法。即先将作为地锚的一段套管用钻杆送到井底注水泥固住。再起出钻杆下套管，通过释放打捞矛打开地锚。用提升系统对套管提拉预应力，然后固井注水泥。并保持到水泥浆凝固或及时固定井口。采用一次地锚预应力固井方法。即将地锚接在油层套管下部下入井内，然后进行常规注水泥作业，固井碰压到达设计压力后憋压，在内压力作用下锚爪吃入地层，然后用提升设备提拉整个套管串。并保持到水泥浆凝固或及时固定井口。 目前国内所使用的预应力地锚主要有KFYDM-1100B型及DM-型两种，这些地锚在现场均得到了大规模的推广应用。 KFYDM-1100B 型预应力固井地锚工作原理：KFYDM-1100B 型预应力固井地锚工作原理采用液压工作。在地锚下井过程中, 复位弹簧的上顶力通过活塞、中心杆和连杆控制锚爪, 使其收紧于地锚主体, 如图1-5所示。套管下至预定深度后开泵循环, 来自地锚上部套管中的泥浆通过旋流孔进入井眼环空并上返至井口建立循环。由于旋流孔的节流作用, 在套管内外产生一定的压差, 此压差作用于活塞顶面并克服弹簧的上顶力而推动其下行, 从而带动中心杆、连杆下行并控制地锚爪使其张开, 爪尖支撑于井壁。泥浆排量越大压差越大, 液压下推力越大, 锚爪的外撑力也越大。此时上提套管使地锚上行, 锚爪便可“吃入”井壁而实现锚固。若地层较硬时, 爪尖将卡于井壁的台阶而锚固。当地层较软时, 随地锚的上行锚爪将逐渐张开至极限位置“吃入”井壁深部, 呈平面承托而锚固,地锚达到图1-6所示状态。停泵并下放地锚, 锚爪将恢复至收紧状态。由于弹簧的作用, 锚爪将不会自然张开, 达到可复位的要求。 图1-5地锚初始状态 图1-6地锚极限张开状态1 地锚主体；2 锚爪销子；3 地锚爪；4 中间接箍；5 旋流管;6 上接箍; 7 活塞; 8 弹簧; 9 中心杆; 10 弹簧座; 11 连杆座;12 连杆1.2.3 预膨胀固井技术热力采油是开采稠油的最广泛、效益较高的方法实践表明，注蒸汽稠油井如果用常规方法固井，那么在通常的注汽温度下，套管都因热应力而产生屈服变形为了防止热采井套管热破坏而提出了预膨胀固井技术，即在注水泥结束但没有凝固时，将油层套管预热和向油层套管施加内压强，使套管膨胀；水泥在套管膨胀的条件下凝固计算表明，采用预膨胀固井技术后，热采井在整个生产周期内，套管不但不屈服，而且还有较大的安全系数室内实验证明，注汽后，采用预膨胀固井的套管的塑性变形量远小于常规固井的套管的塑性变形量此项技术可能成为延长热采井套管使用寿命的重要手段注蒸汽是开采稠油油藏时应用最广泛、效益较高的方法之一辽河油田和胜利油田的许多稠油井采用了这种生产方式注蒸汽采油可分为注蒸汽驱和蒸汽吞吐两种，均将隔热油管下至近油层，用封隔器把隔热油管固定在套管内，在油管与套管的环形空间注满氮气蒸汽吞吐法是利用注汽设备从隔热油管内将饱和蒸汽注入油层，从而加热油层，降低原油的粘度，使地层压强升高，再焖井一定时间后，井口放喷采油注蒸汽驱法是利用注汽设备从隔热油管内将饱和蒸汽注入油层，驱动原油流向周围采油井，在注蒸汽期间，井下高温使油井套管柱产生热应力，从而发生塑性屈服，在不均匀的外压强和套管本身不均匀等因素作用下，套管产生变形当停注开采时，井下温度下降，套管弹性应力降低，塑性变形保留，从而产生轴向拉应力，常使套管脱扣现有的提拉预应力、套管伸缩短节和全预热应力等固井技术和措施 ，应用效果不理想，不能从根本上解决热采井套管变形的问题为此，出现了防止热采井套管破坏的固井方法 半预热固井和预压固井技术，在理论上可实现在整个开采过程中，套管一直处于弹性状态，不发生塑性变形，可以解决套管热破坏问题半预热固井技术的实施程序是在注水泥完毕后，从井口向井内油层段下入加热器，将油层段套管加热到预定的温度，使其有一定的预膨胀，水泥在套管膨胀的条件下凝固；水泥终凝后取出加热器预压固井技术的实施程序是在注水泥完毕后，通过管柱从井口向井内下入封隔器，在将来的注汽封隔器上方坐封，通过管柱内液体向油层套管施加压强，套管膨胀，水泥凝固，水泥终凝后取出封隔器。1.2.4 预压固井技术热采井套管破坏主要是热应力造成的。现有的防止热采井套管破坏的固井方法和技术措施不能从根本上解决热采井问题。 预压固井可以在轴向施加预拉应力、在周向施加预拉应力或提供部分自由膨胀间隙，减小生产过程中的应力强度，使套管在整个热采过程中都处于弹性状态。预压固井技术原理：如果常规固井，不施加预压强，固井过程中套管的应力强度为114MPa，套管正常。如果套管与水泥环始终胶结，生产过程中，井底温度为65时，套管的应力强度为119MPa，材料的屈服强度为568MPa，套管正常；当注汽温度达到360时，套管的应力强度为683MPa，材料的屈服强度为519MPa，套管会发生屈服破坏。如果套管与水泥环不胶结，生产过程中，井底温度为65时，套管的应力强度为153MPa，材料的屈服强度为568 MPa13，套管正常；当注汽温度达到360时，套管的应力强度为683MPa，材料的屈服强度为519MPa，套管会发生屈服破坏。这就是热采井套管破坏的主要原因。如果固井时的预压强为40 MPa，固井过程中套管的应力强度271MPa，套管正常；如果套管与水泥环始终胶结，当注汽温度达到360时，套管的应力强度为497MPa，材料的屈服强度为519MPa，套管正常；当温度降到原始温度65时，套管的应力强度为236MPa，材料的屈服强度为568MPa，套管正常；如果套管与水泥环不胶结，当注汽温度达到360时，套管的应力强度为497MPa，材料的屈服强度为519MPa，套管正常；当温度降到原始温度65时，套管的应力强度为192MPa，材料的屈服强度为568MPa，套管正常；整个生产周期内，套管不但正常，而且还有一定的安全系数。1.2.5 半预热固井技术在热力采油井中,注入蒸汽加热油层套管,油层套管受热产生压应力,当压应力达到套管钢材的屈服极限后,套管开始变形。计算表明,如果用常规方法固井,在通常的注汽温度下,套管都因热应力而产生屈服变形。目前现场采用的防止热破坏方法在理论上没有得到论证。热采井半预热固井技术是在注水泥完毕后,通过井口向油层套管内下入加热器,加热油层套管到预定的温度,使水泥在加热条件下凝固,水泥终凝后取出加热器。该技术可使套管在整个开采过程中一直处于弹性状态,不发生塑性变形,从而解决了套管热破坏问题。半预热固井技术原理：如果常规固井,井底温度为65 ,套管的应力强度为155 MPa , 材料的屈服强度11 为568 MPa ,套管正常;当注汽温度达到360 时,套管的应力强度为668 MPa , 材料的屈服强度为519 MPa , 套管屈服;这就是热采井套管破坏的主要原因。如果固井时的预热温度为220 ,套管的应力强度为155 MPa , 材料的屈服强度为569 MPa , 套管正常;当注汽温度达到360 时,套管的应力强度为317 MPa , 材料的屈服强度为519 MPa , 套管正常;当温度降到原始温度65 时,套管的应力强度为439 MPa , 材料的屈服强度为568 MPa , 套管正常;整个生产周期内,套管不但正常,而且还有比较大的安全系数。 1.3 热采井固井存在的难点稠油开采将成为这个世纪的主要能源来源，随着我国经济的发展，对石油的需求越来越多。而稀油油藏不能满足我们长期要求，稠油开采是以后开发的重点，解决稠油开采套管损坏问题迫在眉睫。尽管蒸汽吞吐和蒸汽驱工艺己被广泛用来开采稠油，但存在着许多有待解决的问题，其中固井过程中热采井套管的损坏严重地制约着稠油开采的发展，影响着稠油的生产与开发，而套管损坏是影响稠油井开发效益的主要原因之一。2 热采井套管柱损坏机理分析研究分析了稠油井套管损坏特征和损坏机理，主要包括：1.高温引起的套管柱强度变化2.蒸汽吞吐形成的残余应力3.高温热应力引起套管与水泥环滑脱4.油层出砂亏空和断层错位形成地应力5.断层错位形成地应力导致套管损坏6.地层倾角导致套管损坏2.1 温度对套管柱的影响套管温度和套管应力都可以通过公式计算得出，这些过高应力有可能使套管失效。当套管受热时，热膨胀引起套管伸长;当套管冷却时，就会引起套管收缩。如果注蒸汽井套管返至地面并全封固，管柱就不能自由伸长，故而在受热过程中套管形成了压缩应力，冷却过程中形成了拉伸应力。如果套管内的应力未超过套管屈服强度，冷却时套管可回复到它的初始应力状态。但如果超过了屈服强度，塑性流动可使套管永久变形。这种情况的存在是山于塑性变形是一个不可逆过程，套管材料内部的结构已经改变。套管断裂通常发生在接头处:断裂是由于拉伸的结果。当蒸汽吞吐时，一旦受压缩超过套管的屈服应力就会发生塑性变形。当套管冷却到地层温度时，冷缩力引起拉力增加。如果达到拉伸屈服极限，套管就会断裂。第 17 页 共 28 页热采井套管柱损坏机理分析研究套管钢材的性质随着温度的改变而改变，Gates和Holmes已提出了有关套管和油管的这种特性。在注蒸汽井中考虑这些因素，就可以判断套管在高温下是否发生塑性变形，如果发生了塑性变形，就会引起套管的失效，即使在第一个周期中不失效，也会留下残余应力，使得套管在以后的注汽周期中失效。如图2-1和图2-2所示，套管钢材的屈服强度和抗拉强度随温度变化而变化。温度升至150时，屈服强度和抗拉强度稍微有点降低，到260时，屈服强度和抗拉强度又有所增加，随后再随温度增加而下降，其中P110钢级的套管抗拉强度下降得最快。 图2-1 套管屈服强度与温度的关系 图2-2 套管抗拉强度与温度的关系温度对套管力学性能的影响1温度对套管屈服强度的影响规律根据中国石油天然气集团公司管材研究所的试验数据、天津钢管有限责任公司提供的数据，回归出3种套管屈服强度降低系数随温度变化的关系如下： (2-1) (2-2) (2-3)式中，K套管强度降低系数；t温度，。2. 温度对套管弹性模量的影响规律 现行行业标准给出了N80和Pll0套管弹性模量与温度的关系数据，同时根据天津钢管有限责任公司提供的TP90H套管的数据回归出套管弹性模量随温度的变化关系式如下： (2-4) (2-5) (2-6)式中 E弹性模量，MPa。3.温度对套管线膨胀系数的影响规律 目前这方面的研究较少，只有两份文献有所介绍，Kazush Maruyam等人给出套管线膨胀系数，Joao C R等人也给出了数据而人们常用的是。 (2-7) (2-8)式中套管线膨胀系数，。2.2 热应力对套管柱的影响 温度的变化将导致材料的膨胀或收缩，但当外部的约束或内部的变形协调要求而使膨胀或收缩受到限制时，结构中将产生附加的应力，这种因温度变化引起的应力就称为热应力。对于套管来说，水泥环及其外部的地层就是外约束，由于温度升高在套管中产生的热应力大小及其状态受水泥环约束和温度状况及地层性质多方面因素的影响。对于稠油蒸汽吞吐油井，下入套管开始处于自由状态，因而不存在热应力。固井完成后，水泥环与地层近似同温，因而完井套管内也不存在热应力。从注入蒸汽开始，由于套管壁温大幅度升高，套管必然有伸长和膨胀的趋势，但是，封固于地层中的套管相当于两段固定约束的构件，因而，必然产生很大的热应力。许多材料的特性是随着温度变化的，但在小温差条件下材料特性变化很小，一般不考虑。对于稠油蒸汽吞吐采油井套管来说，整根套管柱在注蒸汽过程中温升最高部位升温幅度将达到200以上，因而在研究套管强度问题时必须考虑材料特性的变化。 热应力大是造成套管损坏的主要原因，热采井注蒸汽的平均温度在320左右，有的超过350 ，超过API N80套管允许的最大温度值204220 。注汽压力一般在12 MPa以上，有的高达17 MPa，N80套管因高温屈服强度降低约18，弹性模量降低约38，抗拉强度降低7，以及蒸汽吞吐套管存在残余应力，使套管处于屈服状态。套管在持续高温和轴向拉应力作用下产生疲劳裂纹和压缩变形，造成套损。松弛现象使套管接箍的密封性能受到影响。目前普遍应用的圆螺纹和偏梯形螺纹接头，其耐温极限都在300以下，在高温轴向载荷作用下，接箍与套管螺纹的径向变形超过允许公差，加上上扣不紧都会造成泄漏和脱扣。残余应力也有较大影响，随着注汽周期增加，残余应力越大，井况和套管性能也越来越差。从调查可知，在前7轮注汽中，套管损坏占81.7 ，其中前3轮注汽过程中套管损坏占35.4；当第3周期之后，N80套管残余应力将会达到屈服极限。理论研究结果表明，稠油热采井套管在油层段上热应力达到760 MPa以上，超过N80套管的强度极限值。这与国内外的室内实验结果相吻合