稠油热采井完井设计

1、稠油热采井完井设计稠油热采井完井设计 设计内容提纲设计内容提纲 稠油热采井套管损坏原因分析稠油热采井套管损坏原因分析 稠油热采井套管选择稠油热采井套管选择 稠油热采井套管设计计算内容稠油热采井套管设计计算内容 稠油热采井套管管柱设计稠油热采井套管管柱设计 稠油热采井套管固井技术稠油热采井套管固井技术 稠油热采井防砂技术稠油热采井防砂技术 辽河油田稠油及超稠油套管损坏状况辽河油田稠油及超稠油套管损坏状况 通过五个地区的稠油区块调查的通过五个地区的稠油区块调查的 38603860口热采井，发生套管损坏的有口热采井，发生套管损坏的有 489489口，占口，占12.64%12.64% 洼洼3838块到

2、目前为止套管损坏率巳达块到目前为止套管损坏率巳达 40%40% 特油公司有特油公司有n80n80套管井套管井299299口，已损口，已损 坏坏112112口，损坏率已达到口，损坏率已达到37%37%。 造成稠油热采井套管损坏的原因造成稠油热采井套管损坏的原因 热采井高温及温度剧烈变化是套管 损坏的主要原因 油井出砂也是套管损坏的重要原因 api圆螺纹接头和偏梯形螺纹接头 不适合热采井要求 水泥封固质量不好与水泥环空段套 管易变形 隔热管和隔热措施不利影响很大 套管柱全长温度曲线套管柱全长温度曲线 套管柱热胀应力分布曲线套管柱热胀应力分布曲线 套管柱热胀位移分布曲线套管柱热胀位移分布曲线 井筒剖

3、面热胀时的变形状态井筒剖面热胀时的变形状态 蒸蒸 汽吞吐轴向应力变化汽吞吐轴向应力变化 计算采用的井筒温度升高值计算采用的井筒温度升高值 试样安装示意图试样安装示意图 套管试样套管试样 a种：种：177.8177.89.19mm tp100h bcsg 29.19mm tp100h bcsg 2 根（试验编号为根（试验编号为11#11#，12#12#） b b种：种：177.8177.88.05mm n80 bcsg 28.05mm n80 bcsg 2根根 ( (试验编号为试验编号为2#2#，4#)4#)进口进口n80n80套管套管 拉伸试验结果拉伸试验结果 试验项目试验项目 抗拉强度抗拉强

4、度 （mpmpa a） 屈服强度屈服强度 （mpmpa a） 延伸率延伸率 （% %） tp100htp100h 958958 955955 961961 844844 855855 858858 23.423.4 2222 23.223.2 试验结果试验结果 （室温）（室温） n80n80 789789 800800 801801 742742 716716 751751 27.827.8 25.225.2 24.024.0 试验结果试验结果* （350350） tp100htp100h 811811 703703 19.019.0 注注* *：拉伸试样为：拉伸试样为 19.0519.055

5、0mm50mm 板状试样；板状试样； 注注*：为天津钢管公司提供；：为天津钢管公司提供； 冲击试验结果冲击试验结果 套管 试样规格 试验温度 纵向 tp100h 7.510552v 0 97.0 101.0 92.5 n80 510552v 0 84.0 82.0 84.5 硬度试验结果硬度试验结果 套管 硬度值（hrc） tp100h 30.0 30.0 29.8 n80 22.3 23.0 22.7 套管的变形分析套管的变形分析 从保持载荷恒定时的位移变化曲线从保持载荷恒定时的位移变化曲线 可以看出两种套管变形情况，尤其是可以看出两种套管变形情况，尤其是n80n80 套管的套管的2#2#试

6、样在高温及载荷为试样在高温及载荷为24472447knkn的的 条件下，条件下，1515分种的压缩保载时其位移最分种的压缩保载时其位移最 大伸长了大伸长了0.660.66mmmm，而而tp100htp100h套管套管11#11#试样试样 在高温及载荷为在高温及载荷为35593559knkn的条件下，的条件下，1515分分 种的压缩保载时其位移最大 仅 伸 长种的压缩保载时其位移最大 仅 伸 长 0.380.38mmmm，可见可见tp100htp100h套管抗高温变形能套管抗高温变形能 力要远好于力要远好于n80n80套管。套管。 研 究 结 果 在载荷相同的条件下，在载荷相同的条件下，tp10

7、0htp100h套套 管拉伸、压缩位移量明显较管拉伸、压缩位移量明显较n80n80套管套管 小；位移量相同的条件下，小；位移量相同的条件下，tp100htp100h 套管能承受的载荷值明显高于套管能承受的载荷值明显高于n80n80套套 管，这说明两种套管抵抗热应力变管，这说明两种套管抵抗热应力变 形存在一定的差异，形存在一定的差异，tp100htp100h套管明套管明 显优于显优于n80n80套管。套管。 套管强度计算套管强度计算 大量现场实况调查及理论研究结果大量现场实况调查及理论研究结果 表明，注蒸汽热采井套管柱发生强度破表明，注蒸汽热采井套管柱发生强度破 坏的主要部位是在封隔器以下的油层

8、段坏的主要部位是在封隔器以下的油层段 及封隔器附近的井段。主要破坏形式为及封隔器附近的井段。主要破坏形式为 拉断。因此，计算注蒸汽热采井套管柱拉断。因此，计算注蒸汽热采井套管柱 的强度，只关注最大热载荷及其相应的的强度，只关注最大热载荷及其相应的 热应力是不够的，应该进一步关注吐液热应力是不够的，应该进一步关注吐液 降温之后的残余拉伸应力。因为这种残降温之后的残余拉伸应力。因为这种残 余拉伸应力才是和热采井套管主要破坏余拉伸应力才是和热采井套管主要破坏 形式直接相关的。形式直接相关的。 套管柱上主要的强度危险区套管柱上主要的强度危险区 （1）封隔器以下高温区的管段（含直管段）封隔器以下高温区的

9、管段（含直管段 和弯管段），这里的热胀轴向压力最大，和弯管段），这里的热胀轴向压力最大， 热胀弯矩也可能很大，同时还有固井时热胀弯矩也可能很大，同时还有固井时 留下的初始应力（含预拉应力及弯管段留下的初始应力（含预拉应力及弯管段 的弯曲应力）。的弯曲应力）。 （2 2）封隔器附近接箍邻区的管段，这里的）封隔器附近接箍邻区的管段，这里的 热胀轴向压力并非最大，但热胀引起的热胀轴向压力并非最大，但热胀引起的 局部围压能使管壁产生相当大的局部弯局部围压能使管壁产生相当大的局部弯 曲应力。曲应力。 稠油热采井套管设计强度条件稠油热采井套管设计强度条件 a高温区管段初始应力应该满足的强度高温区管段初始应

10、力应该满足的强度 条件条件 b高温区管段热应力（残余拉伸应力）高温区管段热应力（残余拉伸应力） 应该满足的强度条件应该满足的强度条件 c c封隔器附近管段热应力（残余拉伸应封隔器附近管段热应力（残余拉伸应 力）应该满足的强度条件力）应该满足的强度条件 套管柱设计套管柱设计 如果热采井设计使用的蒸汽温度过如果热采井设计使用的蒸汽温度过 高，又缺乏高强度的管材，这种情况下高，又缺乏高强度的管材，这种情况下 要满足套管柱强度设计的安全条件，可要满足套管柱强度设计的安全条件，可 能发生困难。解决这种困难的有效措施能发生困难。解决这种困难的有效措施 在于设法吸收部分热胀变形，降低套管在于设法吸收部分热胀

11、变形，降低套管 柱上高应力部位的应力值。为了解决这柱上高应力部位的应力值。为了解决这 一困难辽河油田研究成功了热应力补偿一困难辽河油田研究成功了热应力补偿 器。器。 热应力补偿器的作用热应力补偿器的作用 根据调查及理论研究成果，套管损坏根据调查及理论研究成果，套管损坏 的一大原因是套管受热后受压，冷却后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，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上构想在套管柱恰当位置装上12只允许套只允许套 管具有一定轴向伸缩变形量的热应力补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偿器，将套管内应

12、力值控制在屈服极限 范围之内。范围之内。 热应力补偿器的技术性能热应力补偿器的技术性能 a. 热应力补偿器作为完井套管柱的一部分，具有热应力补偿器作为完井套管柱的一部分，具有 与所选套管一致的强度性能；与所选套管一致的强度性能； b. 热应力补偿器的内径与配合使用的套管内径一热应力补偿器的内径与配合使用的套管内径一 致；外径与钻井井径相适应，保证有足够的固致；外径与钻井井径相适应，保证有足够的固 井所需的环空间隙，以确保固井质量；井所需的环空间隙，以确保固井质量； c. 具有良好的气密性，保证热注、热采和固井过具有良好的气密性，保证热注、热采和固井过 程中不发生泄漏；程中不发生泄漏； d. 具

13、有热化学稳定性和耐腐蚀性，以保证油井的具有热化学稳定性和耐腐蚀性，以保证油井的 使用寿命使用寿命。 辽河油田所用热应力补偿器结构示意图 热应力补偿器的主要技术热应力补偿器的主要技术 性能指标性能指标 抗拉强度抗拉强度 266吨吨 抗挤强度抗挤强度 26.9 mpampa 工作温度工作温度 350350 工作压力工作压力 20 20 mpampa 伸缩量伸缩量 150-500 150-500mmmm 最大外径最大外径 220 220mmmm 可在可在350350和和1515mpampa压力条件下工作压力条件下工作500500次以上次以上。 热采稠油井预应力完井热采稠油井预应力完井 为了减少套管上

14、的热应力，国内外广泛应为了减少套管上的热应力，国内外广泛应 用了套管提拉预应力技术。在套管提拉预应力用了套管提拉预应力技术。在套管提拉预应力 上有多种方法，辽河油田最开始搞的是双凝水上有多种方法，辽河油田最开始搞的是双凝水 泥提拉预应力技术和两次注水泥提拉应力技术。泥提拉预应力技术和两次注水泥提拉应力技术。 由于施工技术复杂，辽河油田先后研究成功了由于施工技术复杂，辽河油田先后研究成功了 多种地锚简化提拉预应力工作。现在广泛使用多种地锚简化提拉预应力工作。现在广泛使用 的是用辽河油田自己研制的的是用辽河油田自己研制的wa-型空心式套型空心式套 管地锚。采用该项技术有效地解决了提拉预应管地锚。采

15、用该项技术有效地解决了提拉预应 力工艺复杂的技术问题。力工艺复杂的技术问题。 热采稠油井固井技术热采稠油井固井技术 根据理论研究的结果及现场调 研资料，增加套管外水泥环高度， 有利于减少套管损坏，尤其对于热 采井油层顶界以上水泥环的高度与 保护套管有着直接关系。这就要求 热采井固井时把水泥浆返出地面。 水泥浆体系的选择水泥浆体系的选择 低密度水泥浆密度低密度水泥浆密度 &mpa30min 稠化时间稠化时间23小时小时 水泥石抗压强度水泥石抗压强度10mpa(72h) 水泥浆封固高度的选择与实施技术水泥浆封固高度的选择与实施技术 依据现场调研资料，增加套依据现场调研资料，增加套 管外水泥环的高度，有利于减管外水泥环的高度，有利于减 少套管损坏，尤其对于热采井少套管损坏，尤其对于热采井 油顶以上水泥环的高度与保护油顶以上水泥环的高度与保护 套管有着较直接的关系套管有着较直接的关系。 热采稠油井防砂技术热采稠油井防砂技术 辽河油田稠油油井一般都是在疏松辽河油田稠油油井一