隔熱套管完井工藝設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

楊書港

中國(guó)石油遼河油田鉆采工藝研究院鉆井工程設(shè)計(jì)中心 （遼寧 盤錦 124010）

0 引言

根據(jù)遼河油田稠油熱采井多年開(kāi)發(fā)過(guò)程的套損分析， 熱流體對(duì)套管所產(chǎn)生的熱應(yīng)力是稠油熱采井套損的主要原因之一[1-2]。 所以，稠油熱采井在蒸汽吞吐過(guò)程中需要采用井筒隔熱措施[3]，一是為了防止溫度變化造成套管損壞或水泥環(huán)破壞； 二是可以降低井筒熱損耗，保證注入蒸汽的干度和熱焓，提高熱注效果。

國(guó)內(nèi)稠油熱采井隔熱工藝普遍采用封隔器+隔熱油管的隔熱方式， 這種方式在注汽時(shí)需要下入隔熱管柱，轉(zhuǎn)抽下泵時(shí)轉(zhuǎn)換普通油管生產(chǎn)，因此其生產(chǎn)過(guò)程中作業(yè)頻繁、配套入井工具多、生產(chǎn)成本高[4]。隨著鉆井油田的精細(xì)化開(kāi)發(fā), 部分非均質(zhì)性油藏需要采用分層汽驅(qū)工藝以提高各油層均勻動(dòng)用程度。目前所采用的偏心式分層汽驅(qū)工藝，其測(cè)試、投撈工作量巨大，為簡(jiǎn)化施工工藝，提高層間配汽的準(zhǔn)確性及可操作性，提出了隔熱套管完井工藝研究和試驗(yàn)。

根據(jù)隔熱套管應(yīng)用初步調(diào)研， 國(guó)內(nèi)目前只有河南油田在2008 年開(kāi)展過(guò)兩口Φ139.7 mm 隔熱套管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并取得了初步成功[5-6]，但并未進(jìn)行規(guī)模推廣。遼河油田通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外隔熱套管應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)稠油熱采井開(kāi)發(fā)需求，開(kāi)展了Φ177.8 mm 隔熱套管的工藝研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 隔熱套管工藝設(shè)計(jì)

1.1 隔熱系統(tǒng)

隔熱套管不同于普通套管， 其采用內(nèi)外雙層套管結(jié)構(gòu)， 雙層套管之間根據(jù)填充隔熱材料不同分為3 種隔熱系統(tǒng)： 常規(guī)真空隔熱系統(tǒng)、 高真空隔熱系統(tǒng)、氣凝膠+鋁箔隔熱系統(tǒng)。 其不同的隔熱原理，形成的視導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱等級(jí)、使用壽命以及價(jià)格有較大的差異（表1）。

隔熱套管不同于隔熱油管[7-9]，其入井后作為完井井筒永久埋入地下，不可取出。根據(jù)試驗(yàn)井完井要求、隔熱工藝、隔熱等級(jí)、套管壽命、市場(chǎng)估價(jià)等，綜合評(píng)價(jià)3 種隔熱系統(tǒng)的性能差異， 優(yōu)選高真空隔熱系統(tǒng)。

1.2 連接方式

根據(jù)連接方式不同， 隔熱套管內(nèi)外雙層套管又可分為：內(nèi)管連接和外管連接（圖1）。 工藝上兩種方式其焊環(huán)和接箍在內(nèi)外層間相互對(duì)調(diào)， 兩種方式各自有不同的優(yōu)缺點(diǎn)（表2）。根據(jù)試驗(yàn)井油藏深度、下套管要求以及對(duì)后期生產(chǎn)影響考慮[10]，宜選用內(nèi)管連接方式的隔熱套管。

表1 不同隔熱系統(tǒng)性能差異

圖1 內(nèi)、外管連接結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 保溫接箍

隔熱套管在接箍處由于內(nèi)、 外套管與接箍外徑尺寸的差異，隔熱系統(tǒng)出了局部漏失，其可能成為整個(gè)完井管柱的一個(gè)薄弱點(diǎn)， 為此需要專門研究接箍處的保溫措施。由于接箍作為套管的連接源，除了要承受套管柱重力， 還必須要承受套管鉗上扣時(shí)的機(jī)械力，所以研究設(shè)計(jì)了套管接箍真空保溫套筒。

表2 不用連接方式優(yōu)缺點(diǎn)分析

真空保溫套筒需要在套管接箍連接完畢后，套在接箍外側(cè)， 通過(guò)小法蘭盤與頂絲錨定在接箍外壁（圖2），從而形成真正的隔熱管柱。

1.4 預(yù)應(yīng)力工藝設(shè)計(jì)

隔熱套管在加工時(shí)， 通過(guò)內(nèi)部加熱對(duì)內(nèi)管提前施加一定的預(yù)應(yīng)力。 根據(jù)加熱溫度和時(shí)間來(lái)控制內(nèi)管伸長(zhǎng)量，確保內(nèi)管的熱伸長(zhǎng)量符合要求，保證焊縫在抽空時(shí)的受力合理及產(chǎn)品長(zhǎng)期高溫工作時(shí)的可靠性。

圖2 接箍與真空保溫套筒示意圖

考慮套管力學(xué)性能及焊接工藝要求， 隔熱套管內(nèi)外管初步選用L80 套管。 由于采用隔熱套管注汽，外管溫度一般在60~80 ℃，故可以不考慮外管的熱應(yīng)力。

1）內(nèi)管在工作溫度假設(shè)260 ℃時(shí)，不考慮預(yù)應(yīng)力，內(nèi)管線膨脹系數(shù)：

式中：αt2為線膨脹系數(shù)，1/℃；t2為溫度，℃。

2）溫度升至260 ℃時(shí)，每米熱伸長(zhǎng)量為：

式中：L2為伸長(zhǎng)量，mm；ΔT2為溫度變化量，℃。

3）內(nèi)管在工作溫度260 ℃時(shí)，不考慮預(yù)應(yīng)力，內(nèi)管所受熱應(yīng)力為：

式中：ε2為熱應(yīng)力，Pa；E2為彈性模數(shù)，260 ℃時(shí)取值1.9×1011Pa。

4）在工廠加工隔熱套管時(shí)，對(duì)內(nèi)管施加了預(yù)應(yīng)力（伸長(zhǎng)量為1.88 mm/m ）：

式中：ε1為熱應(yīng)力，Pa；E1為彈性模數(shù)；αt1為常溫下線膨脹系數(shù)，1/℃； ΔT1為預(yù)應(yīng)力條下溫度變化量，℃；室溫取值2.0×1011Pa。

5）故隔熱套管在工作溫度260 ℃時(shí)，內(nèi)管實(shí)際所受的熱應(yīng)力為：

同樣， 不同溫度下預(yù)應(yīng)力及熱應(yīng)力的計(jì)算值詳見(jiàn)表3。

表3 不同溫度下預(yù)應(yīng)力及熱應(yīng)力計(jì)算值

由于隔熱套管內(nèi)管在加工過(guò)程中施加了預(yù)應(yīng)力， 內(nèi)管在實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)所受熱應(yīng)力最大為454 MPa，L80 管材350 ℃時(shí)最小屈服強(qiáng)度值為469 MPa，可滿足強(qiáng)度要求。

2 隔熱套管完井設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完井管柱，一開(kāi)井段選用外徑Φ273.05 mm、鋼級(jí)J55 表層套管；二開(kāi)井段選用Φ177.8 mm 內(nèi)管連接、高真空隔熱套管下至油層以上5～10 m，油層部位采用Φ139.7 mm、鋼級(jí)110H、壁厚9.17 mm 套管柱。

由于生產(chǎn)管柱采用Φ177.8 mm+Φ139.7 mm 復(fù)合管柱， 考慮固井時(shí)環(huán)空返速會(huì)因管串外徑差異出現(xiàn)一定差值。 根據(jù)環(huán)空返速計(jì)算公式，進(jìn)行計(jì)算：

式中：V返為環(huán)空返速，L/s；Q泵為排量，L/s；D外為井徑，mm；d內(nèi)為管柱外徑，mm。

如果井眼為Φ241.3 mm，固井注水泥排量按照2 m3/min，則上、下井段環(huán)空返速值分別為1.596 L/s和1.097 L/s，差值較大。 為保證頂替效率，提高固井質(zhì)量，考慮二開(kāi)井段采用復(fù)合井眼（圖3），上部隔熱套管井段采用Φ241.3 mm 鉆頭鉆進(jìn)，下部油層套管井段選用Φ215.9 mm 鉆頭鉆進(jìn)，計(jì)算上、下井段環(huán)空返速值為1.596 L/s 和1.567 L/s，二者幾乎接近。

圖3 復(fù)合井眼井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 完井及固井設(shè)計(jì)

由于完井管柱采用隔熱套管+熱采套管的復(fù)合管柱，與常規(guī)熱采套管完井有以下特殊之處：①上部隔熱套管采用Φ177.8 mm 接箍絲扣連接，下部熱采套管Φ139.7 mm 接箍絲扣連接， 故中間需加一個(gè)Φ177.8 mm×Φ139.7 mm 變扣短節(jié)；②由于隔熱套管在車間已施加了一定的預(yù)應(yīng)力，為安全起見(jiàn)，不推薦完井管柱加地錨進(jìn)行二次預(yù)應(yīng)力完井； ③隔熱套管內(nèi)管為Φ139.7 mm 套管與下部套管尺寸一致，故采用Φ139.7 mm 浮鞋、浮箍、膠塞及注水泥頭等配套工具； ④隔熱套管接箍與本體內(nèi)通徑差別大（158 mm 接箍?jī)?nèi)通徑，121 mm 隔熱套管內(nèi)通徑），且存在焊口、膠塞尾翼易損，需采用特制加長(zhǎng)固井膠塞，以保證固井順利； ⑤采用熱采固井水泥返至地面以滿足熱采需求，由于真空不能傳播聲波，因此油層段以上不做固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2.3 射孔工藝設(shè)計(jì)

油層段Φ139.7 mm 套管，其內(nèi)徑約111 mm。按照常規(guī)射孔槍與套管間隙合理距離為10 mm[8-9]，故選用89 復(fù)合射孔槍， 孔密每米16 孔、60°相位角螺旋布孔，孔徑12 mm。

2.4 注汽工藝設(shè)計(jì)

由于采用了隔熱套管完井， 注汽時(shí)不用考慮下入隔熱油管， 因此簡(jiǎn)化了工藝流程， 提高了注汽效率。 根據(jù)工藝要求，設(shè)計(jì)注汽參數(shù)為：注汽壓力8.6 MPa、注汽溫度（井口）300 ℃、日注汽量1 000 m3/d、井底干度≥50% 。

3 現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)

2018 年6 月，隔熱套管完井工藝在遼河油田錦州采油廠進(jìn)行了Q12-71-K453、Q12-73-K457 兩口井的試驗(yàn)，兩口井嚴(yán)格執(zhí)行了工藝設(shè)計(jì)方案，鉆井、完井、固井、注采均順利實(shí)施，投產(chǎn)一次成功，隔熱套管試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)詳見(jiàn)表4。

表4 隔熱套管試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)表

目前兩口井注汽量與鄰井相比基本相當(dāng)， 通過(guò)與鄰近6 口普通汽驅(qū)井的注汽干度進(jìn)行對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)應(yīng)用的Φ177.8 mm 隔熱套管完井技術(shù)與普通汽驅(qū)井熱損失相差不大，能夠滿足注汽要求。

4 結(jié)論

1）根據(jù)隔熱效果、綜合成本及后期影響等綜合因素，考慮優(yōu)選應(yīng)用內(nèi)管連接、高真空隔熱套管，接箍處外套隔熱接箍。 隔熱套管完井設(shè)計(jì)采用復(fù)合管柱完井，在井身結(jié)構(gòu)、套管附件、固井工藝等方面進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）首次采用Φ177.8 mm 隔熱套管完井及注采工藝，兩口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功，可為國(guó)內(nèi)稠油熱采完井提供新的借鑒和嘗試。

3）隔熱套管完井可以簡(jiǎn)化施工工藝、降低后期作業(yè)成本；同時(shí)其自身具有隔熱功能，可以有效降低套損，提高井筒壽命。

4）由于目前油田采用的熱采套管焊接工藝要求較高，建議開(kāi)展更高鋼級(jí)的隔熱套管應(yīng)用試驗(yàn)，并進(jìn)行隔熱套管強(qiáng)度研究與分析。