熱采防砂管柱穩(wěn)定性研究

劉毅

摘要：針對(duì)熱采防砂管柱注汽過(guò)程中易發(fā)生熱變形導(dǎo)致失效的問(wèn)題，建立了防砂管柱熱穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，并開(kāi)發(fā)了熱固耦合分析有限元程序，優(yōu)化了防砂管柱有限元建模方法，對(duì)其熱安全性進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定了防砂管的鉆孔尺寸和布孔密度，又選了 P110 鋼級(jí)的油管作為防砂管柱的基管。對(duì)充填不密實(shí)及井眼擴(kuò)徑段管柱徑向熱變形差異進(jìn)行了分析，模擬計(jì)算給出了不同長(zhǎng)度管柱在不同注汽溫度下補(bǔ)償距，確定了配備熱力補(bǔ)償器的工藝。

關(guān)鍵詞：熱采防砂管；有限元分析；布孔方式；布孔密度；補(bǔ)償距

1 引言

濱南廠稠油蒸汽吞吐井每年防砂在 69 口左右，其中 83.6%是由于防砂管損壞造成躺井，造成防砂有效期短僅 562 天，針對(duì)稠油吞吐過(guò)程中防砂管損壞的現(xiàn)狀，開(kāi)展了熱采防砂管熱穩(wěn)定性研究。稠油防砂井蒸汽吞吐過(guò)程中，井下防砂管柱承受交變熱載荷作用，易產(chǎn)生錯(cuò)斷、屈服、中心管彎曲等造成防砂失效。目前，防砂管柱熱穩(wěn)定性研究開(kāi)展較少，一方面，防砂篩管受力復(fù)雜，油層出砂、礫石充填等影響因素眾多，另一方面，篩管中心管外層包裹繞絲或?yàn)V網(wǎng)層，進(jìn)行整體有限元建模難度大，這也使得熱采防砂管柱損壞機(jī)理與控制技術(shù)仍需深入研究。

2 防砂管柱熱穩(wěn)定性耦合模型

防砂管柱熱穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)模型應(yīng)包括三部分：（1）反映熱應(yīng)力及熱變形的線彈性熱-固耦合模型；（2）防砂管材彈性模量、屈服強(qiáng)度溫度效應(yīng)模型；（3）鉆孔導(dǎo)致基管強(qiáng)度降低率模型。

其中，線彈性熱-固耦合模型可采用經(jīng)典熱變形理論；防砂管材彈性模量、屈服強(qiáng)度溫度效應(yīng)可參看天津鋼管廠等單位對(duì)不同鋼級(jí)管材材料參數(shù)的熱測(cè)試結(jié)果；鉆孔導(dǎo)致基管強(qiáng)度降低率模型可參考宋吉水等學(xué)者對(duì)套管射孔強(qiáng)度降低模型的研究成果。

3 有限元程序研發(fā)及建模方法研究

在對(duì)熱-固耦合方程弱化的基礎(chǔ)上，基于 FEPG 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了熱穩(wěn)定性分析有限元程序。在進(jìn)行防砂篩管熱穩(wěn)定性分析時(shí)以篩管中心管為重點(diǎn)研究對(duì)象，因?yàn)椋海?）對(duì)于繞絲篩管，當(dāng)溫度超過(guò)一定限度后，銷釘剪斷，中心管外繞絲層可自由彈性變形；（2）對(duì)于精密濾砂管，中心管外濾網(wǎng)層注汽時(shí)可在彈性范圍內(nèi)自由變形。

對(duì)于防砂管柱來(lái)說(shuō)，其軸向與徑向尺寸相差較大，容易導(dǎo)致網(wǎng)格單元長(zhǎng)寬高比例嚴(yán)重失調(diào)，為獲得較高精度進(jìn)行網(wǎng)格加密時(shí)，又容易出現(xiàn)整體網(wǎng)格數(shù)目龐大等導(dǎo)致求解困難。由于防砂管柱軸向熱變形具有線性迭加效應(yīng)，因此在建模時(shí)對(duì)防砂管柱軸向尺寸進(jìn)行了適當(dāng)縮短，在保證計(jì)算精度的同時(shí)可顯著提高運(yùn)算速度，同時(shí)防砂管柱整體結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，可僅取模型 1/4 建模分析。

4 篩管熱穩(wěn)定性分析及管柱參數(shù)優(yōu)化

（1） 布孔參數(shù)對(duì)篩管強(qiáng)度降低率影響

不妨以 31/2in 中心管為例分析打孔參數(shù)對(duì)篩管強(qiáng)度影響見(jiàn)圖 1， 可知：（1）布孔密度一定時(shí)，孔徑越大，基管強(qiáng)度降低率越顯著，且孔密越大時(shí)，孔徑差異對(duì)基管強(qiáng)度降低率影響越顯著，在不影響產(chǎn)液的前提下，應(yīng)盡量減小鉆孔孔徑；（2）孔密越大，基管強(qiáng)度降低率越顯著，以基管強(qiáng)度降低 5%為例，孔徑為 10mm 時(shí)，孔密應(yīng)小于 210個(gè)/m，孔徑為12mm時(shí)，孔密應(yīng)小于155個(gè)/m。

（2） 熱采防砂管柱材質(zhì)優(yōu)選

假定油藏初始溫度為 60℃，以 J55、N80、P110 管材為例，當(dāng)篩管端部完全固定時(shí)處于最惡劣工況，不同鋼級(jí)管柱的熱應(yīng)力/屈服強(qiáng)度（反映危險(xiǎn)性）見(jiàn)圖 2，可知：隨注汽溫度增加，防砂管柱熱應(yīng)力/ 屈服強(qiáng)度（即危險(xiǎn)性）顯著增加，對(duì)于 J55 鋼級(jí)管柱來(lái)說(shuō)，注汽溫度達(dá)到265℃時(shí)失效破壞，N80及P110鋼級(jí)管柱則可以保持較好穩(wěn)定性。

另外，注汽后管材彈性模量降低會(huì)使得管柱變形能力增加，不利于管柱穩(wěn)定。不妨以 P110 鋼級(jí)管柱 20°C 時(shí)彈性模量為基準(zhǔn)進(jìn)行分析，N80 及 P110 鋼級(jí)管柱彈性模量保留率見(jiàn)圖 3，可知：N80 鋼級(jí)管柱注汽后彈性模量顯著降低，即熱應(yīng)力作用下其熱變形顯著大于 P110 鋼級(jí)，不利于管柱穩(wěn)定。綜上，在進(jìn)行防砂管柱管材優(yōu)選時(shí)，應(yīng)從熱應(yīng)力及熱變形角度綜合考慮，推薦選用 P110 鋼級(jí)管材。

（1） 熱補(bǔ)償距優(yōu)化

目前油田常用熱力補(bǔ)償器實(shí)質(zhì)為一復(fù)雜的伸縮短節(jié)，本研究采用“虛擬熱力補(bǔ)償器”（即采用動(dòng)態(tài)位移邊界）的建模方法處理，計(jì)算得到 60°C～350°C 下不同長(zhǎng)度防砂管柱的熱力補(bǔ)償距，見(jiàn)圖 6。熱力補(bǔ)償器應(yīng)安裝在防砂管柱受力較集中的區(qū)域，推薦如下：（1）水平段A點(diǎn)位置；（2）井身軌跡中井眼擴(kuò)大率大于120%處。

（3）充填工況下管柱熱安全性

在不同的充填密實(shí)程度影響下，充填段相對(duì)于非充填段的等效應(yīng)力變化率見(jiàn)圖 4，可知：防砂管柱充填及非充填段等效應(yīng)力差異小于5%，充填段等效應(yīng)力明顯小于非充填段，即充填施工可在一定程度上提高管柱熱穩(wěn)定性。

另外，由于充填效率的差異，防砂管柱往往存在一段未充填區(qū)或充填不密實(shí)的區(qū)域（包括裸眼井井眼擴(kuò)大處），使得充填及未充填段防砂管柱徑向膨脹率存在差異，見(jiàn)圖 5，可知：隨充填密實(shí)程度增加， 充填及未充填段交界處徑向熱膨脹率差異逐漸變大，熱穩(wěn)定性逐漸變差，尤其是對(duì)于裸眼井井眼擴(kuò)徑處，篩管外部無(wú)支撐，該處危險(xiǎn)性最大。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)選擇 P110 級(jí)油管作為基管，孔徑選擇為 12mm，孔密 146 個(gè)/m 制作了稠油吞吐井用防砂管，同時(shí)對(duì)防砂管柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在管柱中加裝了熱補(bǔ)償器用以減緩管柱變形產(chǎn)生的伸縮。2012 年 2 月在單家寺油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了 2 口井，目前生產(chǎn)正常，防砂有效期達(dá)到了 821天（繼續(xù)有效），累計(jì)產(chǎn)油9277.3噸。

6 結(jié)論

（1） 建立了防砂管柱熱穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，基于 FEPG 開(kāi)發(fā)了熱固耦合分析有限元程序，優(yōu)化了防砂管柱有限元建模方法。

（2） 布孔密度越大，基管強(qiáng)度降低率越顯著，對(duì)于 31/2in 基管， 以強(qiáng)度降低5%為限，孔徑10mm時(shí)，孔密應(yīng)小于210個(gè)/m，孔徑12mm時(shí)，孔密應(yīng)小于155個(gè)/m。

（3） 從熱應(yīng)力和熱變形角度綜合考慮，優(yōu)選 P110 鋼級(jí)作為防砂管柱管材。

（4） 充填不密實(shí)及井眼擴(kuò)徑段管柱徑向熱變形差異顯著，易發(fā)生破壞，應(yīng)配備熱力補(bǔ)償器，另外，模擬計(jì)算給出了不同長(zhǎng)度管柱在不同注汽溫度下補(bǔ)償距。

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