稠油熱采井用防砂篩管溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究

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(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 西安 710077；2.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000)

稠油熱采井用防砂篩管溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究

潘志勇1，韓禮紅1，王建軍1，龍巖1，謝俊峰2，宋成立1，李孝軍1，王華2，楊鵬1

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 西安 710077；2.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000)

通過對稠油熱采井用防砂篩管試樣進(jìn)行溫度載荷試驗(yàn)和溫度循環(huán)試驗(yàn)，得出了試樣在高溫條件下的極限軸向壓縮載荷，了解了高溫及交變熱應(yīng)力對防砂篩管軸向熱伸長性能的影響規(guī)律，計(jì)算出了篩管的軸向熱膨脹系數(shù)。

防砂篩管；溫度載荷；溫度循環(huán)；交變熱應(yīng)力；熱膨脹系數(shù)；試驗(yàn)研究

0 引 言

目前，全球非常規(guī)油氣資源量是常規(guī)油氣資源量的4倍，非常規(guī)油氣資源的開發(fā)潛力巨大，重油、致密油、煤層氣正成為非常規(guī)油氣發(fā)展的重要領(lǐng)域。而我國稠油儲量豐富，隨著國內(nèi)油氣資源需求逐年快速增長，稠油開采得到重視并快速發(fā)展。國內(nèi)稠油主要采用注蒸汽進(jìn)行開采，但由于開采過程中存在高溫及溫度循環(huán)，產(chǎn)生的高溫蠕變及交變熱應(yīng)力載荷對管柱安全影響較大，我國的渤海油田、新疆油田、遼河油田稠油井管柱損壞嚴(yán)重，套管出現(xiàn)變形、縮徑、泄露、錯斷、滑脫、斷裂等失效[1-4]，防砂篩管出現(xiàn)開裂、破裂、彎曲、擠毀等失效[5]，嚴(yán)重影響了油井產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

針對套管失效，國外的C-FER公司和國內(nèi)的石油管工程技術(shù)研究院提出了基于應(yīng)變設(shè)計(jì)的方法，而對于稠油熱采井中的防砂篩管，由于其密封性幾乎無要求，針對其在高溫及交變熱應(yīng)力條件下的實(shí)驗(yàn)和研究較少，并且隨著稠油開采工況變得苛刻以及水平井長水平段篩管的大量使用，篩管的安全性和可靠性變得越來越重要，篩管的工況適用性試驗(yàn)急需針對性的試驗(yàn)方法，另外，為預(yù)防篩管失效，必須對防砂篩管在高溫及交變熱應(yīng)力載荷條件下的溫度效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 試樣簡介

試驗(yàn)篩管試樣分為金屬網(wǎng)布篩管(CMS篩管，見圖1)和復(fù)合篩管(見圖2)，兩種篩管所用基管規(guī)格均為Φ139.7mm×7.72mm 110H-3Cr，篩管試樣示意圖及主要尺寸見圖3，篩管類型、數(shù)量及編號見表1。

圖1 CMS篩管

圖2 復(fù)合篩管

圖3 篩管試樣主要尺寸

表1 篩管試樣編號

2 溫度載荷試驗(yàn)

溫度載荷試驗(yàn)的目的是測定防砂篩管在高溫條件下的軸向熱應(yīng)力載荷。將篩管下端固定在復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)底座上，篩管上端固定在復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)臺架上，在加熱過程中試驗(yàn)機(jī)活塞油缸可自由運(yùn)動，即試驗(yàn)機(jī)臺架和篩管上端處于自由狀態(tài)。篩管加熱到350℃后對篩管上端施加軸向壓縮載荷，使篩管恢復(fù)到原始長度或開始屈曲，通過該壓縮載荷大小間接得到篩管在軸向約束條件下加熱過程中的溫度載荷。

根據(jù)試樣軸向壓縮載荷和軸向伸長量建立對比曲線，如圖4所示。由圖4可見，CMS篩管試樣W1在軸向壓縮載荷超過1 820 kN后引伸計(jì)伸長量不再縮短而保持不變后增加。這是由于篩管試樣發(fā)生彎曲變形導(dǎo)致復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)的4個油缸受力不均發(fā)生側(cè)彎而使引伸計(jì)伸長量增加，繼續(xù)增大壓縮載荷，試樣W1發(fā)生屈曲。同理復(fù)合篩管試樣W2在軸向壓縮載荷超過1 720 kN后試樣開始彎曲，為避免復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)發(fā)生損壞，W2試樣兩端壓縮載荷超過1 820 kN后停止實(shí)驗(yàn)。

圖4 試樣在350℃條件下軸向伸長量與軸向壓縮載荷的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)上述分析，CMS篩管試樣W1和復(fù)合篩管試樣W2在350℃條件下的極限軸向壓縮載荷分別為1 820 kN和1 720 kN。

3 溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度循環(huán)試驗(yàn)的目的是研究高溫及交變熱應(yīng)力對防砂篩管軸向熱伸長的影響規(guī)律。篩管在加熱和冷卻過程中以及多輪次的溫度循環(huán)過程中，篩管的長度隨溫度發(fā)生改變。引伸計(jì)支架垂直于篩管軸線固定在篩管兩端，引伸計(jì)通過鋼纜連接在支架上，當(dāng)篩管長度發(fā)生變化時，引伸計(jì)同步反映篩管的伸長量或縮短量，引伸計(jì)在溫度循環(huán)過程中的數(shù)值變化即可反映溫度循環(huán)對篩管的影響。

對篩管試樣加熱，在不同溫度點(diǎn)保溫后記錄引伸計(jì)伸長量。重復(fù)加熱及降溫過程，以此來評價高溫及交變熱應(yīng)力對防砂篩管軸向熱伸長的影響。CMS篩管試樣Y1、Y2和復(fù)合篩管試樣Y3、Y4溫度循環(huán)試驗(yàn)步驟見表2。

為便于溫度循環(huán)試驗(yàn)中各輪次伸長量的對比分析，以溫度點(diǎn)為橫坐標(biāo)，各溫度點(diǎn)試樣伸長量為縱坐標(biāo)，Y1、Y2、Y3和Y4試樣溫度循環(huán)試驗(yàn)各輪次伸長量對比圖分別如圖5、圖6、圖7和圖8所示。

表2 溫度循環(huán)試驗(yàn)步驟

注：步驟2～11為一個輪次，總共進(jìn)行7個輪次并記錄每一個溫度點(diǎn)引伸計(jì)伸長量。

圖5 Y1各輪次伸長量對比圖

圖6 Y2各輪次伸長量對比圖

圖7 Y3各輪次伸長量對比圖

圖8 Y4各輪次伸長量對比圖

通過對比可見，7個輪次的溫度循環(huán)過程中各溫度點(diǎn)篩管的軸向熱伸長量基本相同，微小差異可能是設(shè)備、儀器及人員因素的影響造成，在工程上可忽略不計(jì)。所以，高溫及交變熱應(yīng)力對防砂篩管的軸向熱伸長性能幾乎無影響。

根據(jù)公式(1)計(jì)算篩管的熱膨脹系數(shù)γ：

(1)

式中：γ為篩管的熱膨脹系數(shù)，mm/℃；δavg為Y1、Y2、Y3、Y4篩管試樣從室溫升到350℃時伸長量的平均值，δavg=(δY1+δY2+δY3+δY4)/4=5.755mm；δY1為Y1篩管試樣從室溫升到350℃時的伸長量，δY1= 5.61 mm；δY2為Y2篩管試樣從室溫升到350℃時的伸長量，δY2=6.34 mm；δY3為Y3篩管試樣從室溫升到350℃時的伸長量，δY3= 5.46 mm；δY4為Y4篩管試樣從室溫升到350℃時的伸長量，δY4= 5.61 mm；L為篩管試樣長，L=1 900 mm；T為篩管試樣從室溫(20℃)升到350℃時的溫度差，T= 330℃。

計(jì)算得篩管的軸向熱膨脹系數(shù)γ=9.18×10-6mm/℃，即當(dāng)溫度升高或降低1℃時，1 mm單位長度的篩管試樣將伸長或縮短9.18×10-6mm。

4 結(jié) 論

1)CMS篩管試樣在350℃條件下極限軸向壓縮載荷為1 820 kN，復(fù)合篩管試樣在350℃條件下極限軸向壓縮載荷為1 720 kN。

2)高溫及交變熱應(yīng)力對兩種防砂篩管的軸向熱伸長性能幾乎無影響。

3)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得篩管的軸向熱膨脹系數(shù)為9.18×10-6mm/℃。

4)根據(jù)溫度載荷試驗(yàn)和溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可合理配置篩管柱中的熱應(yīng)力補(bǔ)償器數(shù)量，避免篩管在溫度載荷作用下失效。

[1] 潘志勇，陳 鵬，王建軍，等．某井偏梯形螺紋接頭脫扣原因分析[J]．金屬熱處理，2012，37(4)：124-127.

[2] 潘志勇，燕 鑄，劉文紅，等．兩起套管脫扣失效的典型案例分析[J]．鉆采工藝，2012，35(5)：83-86.

[3] 潘志勇，梁明華，朱麗霞，等．長圓螺紋套管接頭滑脫原因分析[J]．理化檢驗(yàn)-物理分冊，2013，49(5)：320-326.

[4] 潘志勇，宋生印，劉文紅，等．某井圓螺紋套管接頭滑脫事故分析[J]．石油礦場機(jī)械，2011，40(12)：20-24.

[5] 潘志勇，楊成新，林 凱，等．篩管保護(hù)套破裂原因分析[C]．2016油氣井管柱與管材國際會議.

ExperimentalStudyonTemperatureEffectofSandScreenUsedinHeavyOilThermalRecoveryWell

PANZhiyong1,HANLihong1,WANGJianjun1,LONGYan1,XIEJunfeng2,SONGChengli1,LIXiaojun1,WANGHua2,YANGPeng1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China; 2.PetroChinaTarimOilfieldCompany,Korla,Xinjiang841000,China)

The temperature load test and temperature cycle test were conducted on the sand screen sample used in the heavy oil thermal recovery well. The maximum axial compressive load of sample at high temperature was gotten. The sand screen’s axial thermal extension regularity influenced by the high temperature and the alternating thermal stress was acquired. The sand screen’s axial coefficient of thermal expansion was obtained from the test data.

sand control screen; temperature load; temperature cycle; alternating thermal stress; coefficient of thermal expansion; experimental study

潘志勇，男，1976年生，高級工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)并獲碩士學(xué)位，主要從事管柱力學(xué)計(jì)算、特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)開發(fā)、油套管工況適用性評價等方面的研究工作以及石油管材與裝備的失效分析和預(yù)防。E-mail：panzy@cnpc.com.cn

TE358+.1

A

2096-0077(2017)05-0040-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.010

2016-03-20編輯姜 婷)