新海27块水平井套损防控研究

2012-12-27 09:38赵滨海
河北能源职业技术学院学报 2012年3期
关键词:新海二次开发温度场

赵滨海

(中油辽河油田公司金马油田公司,辽宁盘锦 124010)

新海27块水平井套损防控研究

赵滨海

(中油辽河油田公司金马油田公司,辽宁盘锦 124010)

基于新海27块注蒸汽开采水平井受力状况,根据热力学、渗流力学、固体力学相关理论建立热—流—固耦合方程,计算、分析、研究水平井蒸汽吞吐过程中井眼附近渗流场、应力场和温度场动态变化规律,分析套管温度、地质构造等因素对套管应力的影响,得出热采水平井的套损防控建议。

套损机理;新海27块;水平井;热采

前言

新海27块油藏2004年以来利用水平井技术开展老油田二次开发工作,取得了显著的开发效果,打开了老油田二次开发的新局面。该块二次开发过程中水平井采取蒸汽吞吐的方式开采,随着吞吐周期的增加,多次的高温、高压循环作用逐渐增加套管的应力疲劳程度,应力疲劳是套损的重要诱因之一。为了保证水平井正常生产,确保新海27块二次开发效果的延续,需要开展注蒸汽后套管应力损害分析,指导热采水平井套损防控工作。

1.热应力对套损影响

套损是油田开发过程中普遍遇到的一大技术难题,对于热力采油的油田而言,由于还要考虑高温蒸汽对套管和地层的影响,所以研究起来更为复杂。由于蒸汽或热水等携带热能流体的注入,势必引起储层温度场的变化,改变了油藏流体的粘度、密度等参数,进而引起流体流动状态的改变;同时,温度的改变在岩体及套管内产生的热应力也使套管的受力状态朝更不利的方向发展。因此,油藏的热采开发过程是一个典型的热—流—固耦合过程,根据热—固耦合理论、渗流—应力耦合理论建立热—流—固耦合方程,采用Comsol Multiphysics有限元计算软件对井筒热力问题、水平井段储层粘度及温度变化情况、套管受到的热应力情况等进行数值模拟和结果分析。

1.1 热—流—固耦合方程

该方程有位移边界、应力边界、渗流场的孔隙压力边界和流速边界、温度场的各边界等条件的约束。

1.2 注汽过程中套管应力分析

根据新海27块二次开发先期试验井海平1井井身结构和地层资料,建立弯曲段计算模型,利用热—流—固耦合方程开展注汽井套管应力计算分析。

1.2.1 套管在实际条件下的应力分析

采用海平1井的实际地层状况和注采参数,计算出地层最大 Mises应力出现在最底部,数值为46MPa左右,远小于套管屈服强度550MPa,因此套管处于安全状态;而套管产生的应力为218MPa~495MPa,其中,进入弯管段拐点附近应力值最大,达到495MPa左右,但仍小于套管屈服强度,因此套管处于安全状态。

1.2.2 套管温度变化对应力场影响

为研究套管温度对应力场的影响,在实际井底温度的基础上,分别计算温度高于及低于实际井底温度50℃情况下的应力分布(见表1)。结果表明注入蒸汽后,套管温度迅速升高,在套管壁上产生了较大的热应力,温度越高,套管的应力越大。

表1 改变温度套管应力计算结果汇总表

1.2.3 地质构造对套管应力影响

考虑到地质构造对套管损坏非常重要,研究地层有倾角、断层两种情况下套管应力的变化情况。

(1)当地层中含有断层时,注入蒸汽后,在断层底部地层产生应力集中,最大Mises应力约60MPa,接近地层破裂极限;同时在相应部位套管产生应力集中,最大值达到750MPa,可能导致套损发生。

(2)当地层有倾角时,注入蒸汽后,地层z向位移分布不均匀,在倾角的底部,位移较大,达到1.4cm,同时此处产生应力集中,最大地应力为57MPa,套管最大应力达547MPa,可能导致套损发生。

由此可见,当地层含有倾角和断层时,在倾角底部、断层的底部等薄弱地方,地层都会出现不均匀的变形,并且使得套管在相应部位产生很强的应力集中,一旦注入蒸汽后,在高温与不均匀地应力耦合作用下,套管将产生更大的应力,增加了套管损坏的风险。

2.残余拉伸应力对套损的影响

蒸汽吞吐井随着吞吐轮次的增加,套管温度多次升降,反复承受压缩应力和拉伸应力的作用,残余拉伸应力逐渐累积,套管发生损坏的危险逐渐增大。

残余拉伸应力损坏套管机理可用图1表示。图中A点表示注蒸汽前套管既无压缩应力又无拉伸应力的状态;B点表示套管的屈服点,此时对应的温度升高值为△Ty,如果温度升高值小于△Ty,则当套管冷却时,套管应力将恢复到A点,一旦温度升高值超过△Ty,即应力超过屈服强度,则套管应力与温度升高的关系曲线呈现BC线,此时超过屈服点的热膨胀应力通过套管的永久变形而消失掉了。在冷却过程中,套管表现为弹性特征,在应力—温升曲线上表现为CD线,且CD线平行于AB线。当套管温度下降到△Tt=△Tmax-△Ty时,应力值降低到A点此时应力中和点对应的套管温度将比原始温度高△Tt,这是套管损坏的根源。一旦这种拉伸应力超过了套管的强度,套管就会发生损坏。

图1 蒸汽吞吐井残余应力损坏套管机理示意图

在海平1井基本数据的基础上,运用井筒—地层温度场理论首先计算出井筒—地层温度场,得到井下套管温度随时间变化的关系,根据该关系采用拉伸应力、压缩应力计算方法可以计算第一吞吐周期残余应力,再利用拉伸—压缩单向累计效应理论计算出每个周期的残余拉伸应力。计算结果如图2所示。

图2 套管轴向应力随时间变化图

可以看出,在同一轮注汽过程中,随着蒸汽的注入,套管承受的压缩应力迅速增加,第一轮注汽末期压缩应力达到-502.8MPa,第一周期生产结束后残余拉伸应力为19.3MPa;随着注汽周期的增加,套管残余拉伸应力依次增加,第三轮注汽前套管中的残余拉伸应力为80.7MPa;第四轮注汽前套管中的残余拉伸应130.2MPa,第四轮采油阶段结束后,套管中的残余拉伸应力为183.1MPa。注汽轮次越多,套管的残余拉伸应力累积越大,套管危险程度越大。在按照目前条件计算,8个轮次后,套管可能发生损坏。

3.主要结论及防控建议

(1)水平井注入蒸汽后,弯曲井段套管热受力最为明显,套管最大应力出现在弯曲段的上端。建议在水平井套管柱弯曲段的上端选用高强度套管或者厚壁套管,在井深结构允许条件下,将悬挂器位置调整到直井段内,以减小套管柱弯曲段的上端的局部应力,延长套管柱使用寿命。

(2)当地层含有倾角、断层的时候,在倾角底部、断层底部等薄弱地方,一旦注入蒸汽后,套管将产生更大的应力,大大增加了套管损坏的风险。建议遇到特殊地质构造时,要提高相应层段的固井质量,以防止地应力、套管热应力作用耦合造成套损。

(3)注汽轮次越多,套管的残余应力累积越大,套管危险程度越大。建议采用材料抗拉压循环性能较好的套管(TP90H),减少周期注汽产生的残余拉伸应力损伤套管。

[1]张万才,马振生,等.热采井套管损坏机理及防治技术[J].油气地质与采收率,2005,12(2):74 ~76.

[2]陈勇,练章华,等.考虑地应力耦合的热采井套管损坏分析[J].钻采工艺,2007,30(5):13 ~16.

[3]李海庆,赵国相,等.套管损坏原因及套损修复技术分析[J].石油矿场机械,2005,34(3):96 ~98.

[4]刘杰.辽河油田油水井套管损坏机理及修复措施[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2005,2:50 ~52.

[5]代丽,徐守余.油水井套管损坏的地质因素综合研究[J].地质灾害与环境保护,2005,16(3):331~334.

[6]胡常忠.稠油开采技术[M].北京:石油工业出版社,1998:110~114.

Xinhai 27 Block Horizontal Well Casing Damage Prevention and Control Research

ZHAO Bin-hai
(Development Company of Jinma Oilfield,Liaohe Oilfield,Petrochina,Panjin 124010,Liaoning)

Based on the Xinhai27 Block of horizontal well steam injection mining stress condition,according to the thermodynamic,fluid mechanics,solid mechanics theories to build hot fluid-solid coupling equation to calculate,analyze and research the dynamic variation of the seepage field,stress field and temperature field near the well bore in the horizontal well steam soak process,analyze the effects of casing,temperature,geology structure and other factors on casing stress,and then the thermal recovery horizontal well casing damage prevention suggestions are concluded.

casing damage mechanism;Xinhai27 Block;horizontal well;thermal recovery

TE345 < class="emphasis_bold">文献标识码:A

A

1671-3974(2012)03-0058-03

2012-04-01

赵滨海(1975-),男,大学,辽河油田金马公司生产技术科副科长,工程师,从事采油生产技术管理工作。

猜你喜欢
新海二次开发温度场
江苏新海发电有限公司
铝合金加筋板焊接温度场和残余应力数值模拟
生产实习课教案
浅谈基于Revit平台的二次开发
浅谈Mastercam后处理器的二次开发
基于纹影法的温度场分布测量方法
MJS工法与冻结法结合加固区温度场研究
西门子Easy Screen对倒棱机床界面二次开发
新海丰集装箱运输有限公司船期表
新海归