水平井防套管损坏研究

【摘 要】 基于X油田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。

【关键词】 套损机理 水平井 热采

X油田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，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XX块开发效果的延续，需要开展注蒸汽后套管应力分析，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，对于热力采油油田而言，要考虑高温蒸汽对套管和地层的影响，研究起来更为复杂。由于蒸汽或热水等热流体的注入，势必引起储层温度场的变化，导致油藏流体粘度、密度等参数的变化，进而引起流体流动状态的改变.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，采用有限元计算软件对井筒热力问题、水平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分析。

根据X油田二次开发先期试验井XX井井身结构和地层资料，建立弯曲段计算模型，利用上述方法开展水平井注汽套管应力分析。

1.1 套管在实际条件下的应力分析

采用X油田的实际地层参数和注采参数，计算出地层最大应力出现在最底部，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218～495MPa，其中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 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，分别计算温度高于和低于实际井底温度50℃情况下的应力分布。结果表明温度越高，套管的应力越大。随着蒸汽的注入，套管温度迅速升高，在套管壁上产生较大的热应力。

1.3 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。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

对XX井运用井筒-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。

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。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，在井身结构允许条件下，将悬挂器位置调整到直井段内，以减小套管柱弯曲段上端局部应力，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。建议采用抗拉压循环性能较好的套管，减少周期注汽产生的残余拉伸应力损伤套管。

参考文献：

[1]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.

[2]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.

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