弹性套管保护套设计及应用方法

章娅菲，窦益华，祁珊珊

(西安石油大学机械工程学院, 陕西 西安 710065)

石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，是保证钻井和完井后整个油井正常运行的生命线。然而，水泥环缺陷、偏心或胶结不好均会影响套管的承载能力。对于强度较低、流变性较大的泥岩、盐岩地层，泥岩吸水软化后，地层的非均布载荷更易影响到套管安全[1-2]。在页岩地层尤其是水平井压裂过程中，套管变形也是最棘手的问题之一[3]。大庆、中原、江汉、胜利、华北、塔里木等油田都发生过套管挤毁事件，造成了巨大的经济损失。

在钻井工程中，套管与井眼之间一般都有特定的匹配关系，理想状态下水泥环的厚度为常数，但实际上随着井下温度与压力的变化，套管、水泥石环、井眼之间的匹配关系经常发生变化，偏离设计工况[4]。当井下压力降低时，水泥石环与套管壁变形不协调，形成微环隙，造成气窜通道[5]。当井下温度降低时，水泥石环与套管体积收缩量不一致，也会形成微环隙，造成气窜通道[6]。自从固井注水泥作业实施以来，气窜就一直是困扰固井作业的一大难题。据估计，大约有25%的井在完井过程中存在气窜。一旦发生气窜，即使花费大量的人力物力，也很难修复到原有的层间封固状态。

为有效解决套管因地应力改变而导致的变形问题，并改善套管与水泥石环间的气窜风险，作者利用具有超弹体积形变能力的纳米流控能量吸收/转换系统[7-8]，设计了一种弹性套管保护套，研究了所包覆的纳米流控能量吸收/转换系统配方的选取方法。该套管保护套紧密包裹在套管外侧，具有能够根据所处工作环境的温度、压力变化调节自身形状和体积的特性。这种自适应调节功能一方面能够有效提高套管抗内挤与抗外压的能力；另一方面，也能够密封套管与水泥石环之间的微缝隙，减小气窜风险，提高套管与水泥石环之间的匹配关系。

本文从纳米流控能量吸收/转换系统工作原理、弹性套管保护套设计思路及应用方法几方面来介绍这种新型弹性套管保护套的设计及应用方案。

1 纳米流控能量吸收/转换系统工作原理

纳米流控能量吸收/转换系统由憎水性纳米多孔介质与非浸润的液体混合封装后组成。在一个完整的压力升高然后降低的循环周期内，典型的纳米流控能量吸收/转换系统的压力-体积特性曲线如图1所示。

在加压初期，压力较低，由于表面张力的作用，液体被挡在纳米多孔介质孔道的孔口，无法进入到纳米孔内部，如图1所示第一阶段。此时纳米流控能量吸收/转换系统的压力-体积特性基本呈线性，系统形变量为纳米多孔介质与液体的混合液的弹性形变的总和。当外界所施加压力达到液体克服液固表面张力的临界压力(即上压力阀值Pin)时，液体开始进入到纳米多孔介质孔道内部，如图1所示第二阶段。随着压力的继续增大，液体源源不断地流入多孔材料的孔道中去，而系统压力变化十分微小，对应图1所示第三阶段，此时的压力-体积特性曲线则呈现一个压力平台，称为进孔平台。当多孔介质孔道被填满后，进一步增大压力，系统的压力-体积特性曲线又急剧上升，与第一阶段液体未进孔时相同。

图1 纳米流控系统压力-体积特性曲线示意图

若减小外界压力，当减小到一定值后，由于系统中选用的纳米多孔介质为憎水性材料，液体会在液固两相间斥力的推动下流出纳米孔道，此时系统的压力-体积特性如图1中压力-体积特性曲线的出孔平台所示。

2 弹性套管保护套结构设计

本文基于纳米流控能量吸收/转换系统独特的压力-体积变化特性，设计了一种弹性套管保护套，其结构如图2所示。由于纳米流控能量吸收/转换系统为悬浮液，因此需要先将其包覆起来并选择力学性能优良的骨架进行支撑才可使用。所设计的套管保护套由包覆层和超弹结构层组成。包覆层采用耐介质耐高温材料(如丁晴橡胶)制作，起到对内部结构的初级保护作用。超弹结构层由主体骨架封装纳米流控能量吸收/转换系统构成。图2中右侧给出了几种骨架结构。以空心小体积堆聚而成的骨架结构主要具有支撑及包覆两方面功能。这种空心骨架结构不仅能将纳米流控能量吸收/转换系统封装其中，保证套管保护套以固定的形态呈现，且封装了液体以后的骨架结构，其力学性能优于同等排布方式下未填充液体的空心骨架结构[9]。另外，每个小体积之内的包覆空间相互独立，服役过程中，一个小体积失效破裂并不影响其整体功能。

图2 弹性套管保护套结构示意图

3 弹性套管保护套工作原理

钻井施工过程中，提前将该保护套包覆在套管外围，将保护套与套管同时下入井眼中，然后再浇筑水泥石环。水泥石环浇筑以后，由于水泥的自重堆积挤压作用，保护套与套管壁面及水泥石环之间将紧密贴合。

主体骨架保证套管保护套具有一定的施工强度，能够随套管完整下入井眼而不被破坏。所设计的独立封装骨架结构增加了该套管保护套的安全使用寿命。当某一独立小体积破损或失效后，弹性层的其余部位会迅速做出反应，各个封装小体积内的液体感应到压力变化，自发流入或流出多孔介质孔道，重新调整自身形态，以使压力均匀分散至各个部位，提高套管在高温高压下的使用寿命。

通过调整骨架内所包覆的纳米流控能量吸收/转换系统中纳米多孔介质与液体的配方，可以保证套管保护套受压时的工作区间在图1所示的进孔平台期内。当外层水泥石环产生形变挤压套管保护套时，所包覆的液体流入多孔介质孔道中，通过自身形状改变平衡外界压力，套管保护套对内侧套管、外围水泥石环的压力均可维持在液体进入纳米多孔介质的上压力阀值附近。

当环境温度发生变化时，不同材料热胀冷缩程度不同将会引发水泥石环与套管间压力的变化。所包覆的纳米流控能量吸收/转换系统可对温度与压力的波动做出实时响应，通过液体流入/流出纳米孔道，改变自身体积变化，使得套管保护套对外压力稳定在一个较小范围内，减小套管所受压力变化。另外，当水泥石环与套管间间隙由于温度变化或其他原因增大后，水泥石环与套管间压力减小，套管保护套内的液体流出多孔介质孔道，通过自身体积的增量来弥补缝隙，保证密封套管与水泥石环间的间隙，降低气窜风险。

4 弹性套管保护套应用方法

弹性套管保护套应用方法主要包括纳米流控能量吸收/转换系统配方的选取方案及所采用纳米多孔介质最可孔径的确定方法。

针对不同深度与不同地质环境段的套管保护套，纳米流控能量吸收/转换系统(纳米多孔介质与液体的混合液)配方可根据其具体工作环境分别选取，个性设计。纳米流控能量吸收/转换系统中的纳米多孔介质既可以为孔径相同的同种材料，也可以为孔径不同的多种纳米多孔介质；可将不同孔径的纳米多孔介质与液体的混合液封装于不同单元体中，也可将不同孔径的纳米多孔介质与液体混合后封装于同一单元体内，获得两个或多个不同压力下的工作区间，用以平衡同一位置出现的不同等级的压力值。

首先，为保证套管保护套的可重复使用性，纳米流控能量吸收/转换系统中的纳米多孔介质必须为憎水性纳米多孔材料，液体为非浸润性液体。如此才能保证液体被压入多孔介质孔道后，能够在外压撤离的情况下自发流出纳米孔道。

所设计的套管保护套的主要工作性能参数为上压力阀值Pin。套管保护套的压力阀值Pin取决于骨架内所包覆的纳米流控能量吸收/转换系统的配方，而对于一个纳米流控能量吸收/转换系统，Pin主要与所选用的液固两相间的浸润性及纳米多孔介质孔径相关。在保证了液固两相相互不浸润的前提下，通过调节纳米多孔介质的孔道大小来获得具有不同工作特性的套管保护套是一种非常简便的方法。当选定纳米多孔介质与液体后，需根据工作条件，计算出纳米多孔介质的孔径，以保证其工作性能。

设已知施工条件，先根据管柱力学分析计算出套管所受径向外载。根据套管所受径向外载，结合初步选定的纳米流控能量吸收/转换系统中纳米多孔介质及液体的物性，估算出应该选择的纳米多孔材料的最可孔径D，从而确定纳米流控能量吸收/转换系统的配方。具体推导及计算过程如下。

杨氏方程[10]：

(1)

(2)

式中：γla为气液界面张力；α为液固相界面接触角。液体及纳米多孔介质初步选定后，γla和α可查。

d=D-2h

(3)

式中：h为计算液固两相相互浸润时纳米微孔的孔径修正参数，h=0.14 nm[11]。

将式(2)、(3)代入式(1)可得：

(4)

根据施工条件，通过管柱力学分析计算出套管所受径向外载，从而估算出套管保护套的预期工作区间起始压力值P，也即上压力阀值Pin。

P=Kσr=Pin

(5)

式中：K为套管抗外挤设计安全系数，其数值在设计中根据具体应用工况选取，结合以往管柱力学计算经验，建议K取1.5～2.0；σr为套管外载的径向分量，可根据施工条件，通过管柱力学分析计算获得。

综合式(4)、(5)可得D：

(6)

5 弹性套管保护套应用算例

设某井在1 000～1 100m深度套管外载的径向分量σr为100MPa左右。初步选择采用ZSM-5型沸石与甘油组成纳米流控能量吸收/转换系统。对于ZSM-5型沸石-甘油系统，30℃时，其γla为0.062 8N/m[12]，α约为96.73°[8]，h取0.14nm[11]，K取1.7。将以上参数代入式(6)，可得所需要的ZSM-5型沸石的最可孔径D为0.453nm。计算所得的最可孔径正好与最初选取的纳米多孔介质ZSM-5型沸石的孔径相符，因此可以采用该配方获得所需性能的套管保护套。若经过计算后发现对于所选择的纳米多孔介质，无法获得计算结果得到的孔径值，则需要重新选择纳米多孔介质与功能流体的配方，直到计算得到的孔径值能够与所选材料吻合。

6 结束语

本文介绍了纳米流控能量吸收/转换系统的压力-体积变化特性，基于该特性提出了一种弹性套管保护套的设计方案，分析了所设计套管保护套在压力与温度变化时的工作特性，并给出了该种套管保护套所包覆的纳米流控能量吸收/转换系统配方的选取方法。该弹性套管保护套紧密贴合在套管外围，可起到保护套管、密闭套管与水泥石环间缝隙的作用。当套管出现鼓胀或者水泥石环因地层压力变大挤压套管时，能够起到减压作用，提高套管使用寿命；当水泥石环与套管间因温度压力变化出现缝隙时，本装置通过调节自身形状来填补缝隙，减小气窜风险。