热采防砂管柱稳定性研究

刘毅

摘要：针对热采防砂管柱注汽过程中易发生热变形导致失效的问题，建立了防砂管柱热稳定性数学模型，并开发了热固耦合分析有限元程序，优化了防砂管柱有限元建模方法，对其热安全性进行了模拟分析。通过室内试验确定了防砂管的钻孔尺寸和布孔密度，又选了 P110 钢级的油管作为防砂管柱的基管。对充填不密实及井眼扩径段管柱径向热变形差异进行了分析，模拟计算给出了不同长度管柱在不同注汽温度下补偿距，确定了配备热力补偿器的工艺。

关键词：热采防砂管；有限元分析；布孔方式；布孔密度；补偿距

1 引言

滨南厂稠油蒸汽吞吐井每年防砂在 69 口左右，其中 83.6%是由于防砂管损坏造成躺井，造成防砂有效期短仅 562 天，针对稠油吞吐过程中防砂管损坏的现状，开展了热采防砂管热稳定性研究。稠油防砂井蒸汽吞吐过程中，井下防砂管柱承受交变热载荷作用，易产生错断、屈服、中心管弯曲等造成防砂失效。目前，防砂管柱热稳定性研究开展较少，一方面，防砂筛管受力复杂，油层出砂、砾石充填等影响因素众多，另一方面，筛管中心管外层包裹绕丝或滤网层，进行整体有限元建模难度大，这也使得热采防砂管柱损坏机理与控制技术仍需深入研究。

2 防砂管柱热稳定性耦合模型

防砂管柱热稳定性分析数学模型应包括三部分：（1）反映热应力及热变形的线弹性热-固耦合模型；（2）防砂管材弹性模量、屈服强度温度效应模型；（3）钻孔导致基管强度降低率模型。

其中，线弹性热-固耦合模型可采用经典热变形理论；防砂管材弹性模量、屈服强度温度效应可参看天津钢管厂等单位对不同钢级管材材料参数的热测试结果；钻孔导致基管强度降低率模型可参考宋吉水等学者对套管射孔强度降低模型的研究成果。

3 有限元程序研发及建模方法研究

在对热-固耦合方程弱化的基础上，基于 FEPG 系统开发了热稳定性分析有限元程序。在进行防砂筛管热稳定性分析时以筛管中心管为重点研究对象，因为：（1）对于绕丝筛管，当温度超过一定限度后，销钉剪断，中心管外绕丝层可自由弹性变形；（2）对于精密滤砂管，中心管外滤网层注汽时可在弹性范围内自由变形。

对于防砂管柱来说，其轴向与径向尺寸相差较大，容易导致网格单元长宽高比例严重失调，为获得较高精度进行网格加密时，又容易出现整体网格数目庞大等导致求解困难。由于防砂管柱轴向热变形具有线性迭加效应，因此在建模时对防砂管柱轴向尺寸进行了适当缩短，在保证计算精度的同时可显著提高运算速度，同时防砂管柱整体结构具有对称性，可仅取模型 1/4 建模分析。

4 筛管热稳定性分析及管柱参数优化

（1） 布孔参数对筛管强度降低率影响

不妨以 31/2in 中心管为例分析打孔参数对筛管强度影响见图 1， 可知：（1）布孔密度一定时，孔径越大，基管强度降低率越显著，且孔密越大时，孔径差异对基管强度降低率影响越显著，在不影响产液的前提下，应尽量减小钻孔孔径；（2）孔密越大，基管强度降低率越显著，以基管强度降低 5%为例，孔径为 10mm 时，孔密应小于 210个/m，孔径为12mm時，孔密应小于155个/m。

（2） 热采防砂管柱材质优选

假定油藏初始温度为 60℃，以 J55、N80、P110 管材为例，当筛管端部完全固定时处于最恶劣工况，不同钢级管柱的热应力/屈服强度（反映危险性）见图 2，可知：随注汽温度增加，防砂管柱热应力/ 屈服强度（即危险性）显著增加，对于 J55 钢级管柱来说，注汽温度达到265℃时失效破坏，N80及P110钢级管柱则可以保持较好稳定性。

另外，注汽后管材弹性模量降低会使得管柱变形能力增加，不利于管柱稳定。不妨以 P110 钢级管柱 20°C 时弹性模量为基准进行分析，N80 及 P110 钢级管柱弹性模量保留率见图 3，可知：N80 钢级管柱注汽后弹性模量显著降低，即热应力作用下其热变形显著大于 P110 钢级，不利于管柱稳定。综上，在进行防砂管柱管材优选时，应从热应力及热变形角度综合考虑，推荐选用 P110 钢级管材。

（1） 热补偿距优化

目前油田常用热力补偿器实质为一复杂的伸缩短节，本研究采用“虚拟热力补偿器”（即采用动态位移边界）的建模方法处理，计算得到 60°C～350°C 下不同长度防砂管柱的热力补偿距，见图 6。热力补偿器应安装在防砂管柱受力较集中的区域，推荐如下：（1）水平段A点位置；（2）井身轨迹中井眼扩大率大于120%处。

（3）充填工况下管柱热安全性

在不同的充填密实程度影响下，充填段相对于非充填段的等效应力变化率见图 4，可知：防砂管柱充填及非充填段等效应力差异小于5%，充填段等效应力明显小于非充填段，即充填施工可在一定程度上提高管柱热稳定性。

另外，由于充填效率的差异，防砂管柱往往存在一段未充填区或充填不密实的区域（包括裸眼井井眼扩大处），使得充填及未充填段防砂管柱径向膨胀率存在差异，见图 5，可知：随充填密实程度增加， 充填及未充填段交界处径向热膨胀率差异逐渐变大，热稳定性逐渐变差，尤其是对于裸眼井井眼扩径处，筛管外部无支撑，该处危险性最大。

5 现场应用

通过选择 P110 级油管作为基管，孔径选择为 12mm，孔密 146 个/m 制作了稠油吞吐井用防砂管，同时对防砂管柱进行了优化设计，在管柱中加装了热补偿器用以减缓管柱变形产生的伸缩。2012 年 2 月在单家寺油田现场应用了 2 口井，目前生产正常，防砂有效期达到了 821天（继续有效），累计产油9277.3吨。

6 结论

（1） 建立了防砂管柱热稳定性数学模型，基于 FEPG 开发了热固耦合分析有限元程序，优化了防砂管柱有限元建模方法。

（2） 布孔密度越大，基管强度降低率越显著，对于 31/2in 基管， 以强度降低5%为限，孔径10mm时，孔密应小于210个/m，孔径12mm时，孔密应小于155个/m。

（3） 从热应力和热变形角度综合考虑，优选 P110 钢级作为防砂管柱管材。

（4） 充填不密实及井眼扩径段管柱径向热变形差异显著，易发生破坏，应配备热力补偿器，另外，模拟计算给出了不同长度管柱在不同注汽温度下补偿距。

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