稠油热采井固井技术的研究进展

综述了热采井固井水泥浆体系和预应力固井工具的国内外研究最新进展。重点介绍了普通波特兰高温水泥、高铝水泥和特种磷酸盐水泥等耐高温水泥,以及高强低密度水泥、泡沫水泥等高性能低密度水泥浆;并介绍地锚、热应力补偿器这两个主要预应力固井工具的应用现状。     

海上稠油热采井防砂筛管设计新方法

海上稠油热采井主要采用裸眼优质筛管简易防砂和管外砾石充填防砂两种完井方式。然而在注蒸汽驱油过程中,蒸汽对筛管产生很大的热应力,该应力可能使筛管产生弯曲变形或者断裂,导致热采井防砂失败或者油井停产报废。因此,基于线弹性热－固耦合理论,利用大型商业有限元软件建立了热采井防砂筛管热应力耦合的瞬态分析模型。对不同工况下防砂筛管的稳定性进行了模拟。     

乌石17-2油田压裂井水泥环完整性评价

为了准确评价压裂井固井水泥环完整性,针对乌石17-2油田压裂井开展了交变载荷条件下的水泥环完整性失效评价实验,并基于交变压力疲劳累积损伤原理及失效准则分析了压裂井水泥环完整性失效原因,并得到了围压30MPa及交变载荷条件下水泥环完整性的失效规律。结果表明：①交变压力使水泥石内部组织受到损伤,其力学性能指标（如抗压强度等）随着交变压力循环次数的增加而降低;②套管-水泥石界面粘结强度较小,压裂加压过程中水泥环塑性累积导致卸压时套管与水泥环界面应变不一致,当界面拉应力超过界面粘结强度时,界面分离形成微环隙;③围压30MPa及交变载荷条件下水泥环完整性失效首先以微环隙为主,增大水泥石弹性及变形能力有助于保障其完整性。该结论可为乌石17-2油田压裂井水泥浆体系完善及压裂施工作业提供技术参考,有助于保证压裂井水泥环完整性。     

体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟

射孔完井作业中射孔会对水泥环完整性造成破坏,尤其是固井界面微环隙的产生,导致后续压裂过程中出现环空带压与环空窜流的问题。针对此问题,建立压裂过程中水泥环界面微环隙扩展三维模型,通过Cohesive单元损伤模型模拟固井界面在体积压裂过程中微环隙的扩展,对界面微环隙的扩展长度进行分析计算,研究不同参数对压裂过程中固井界面失封长度的影响。结果表明:适当降低水泥环弹性模量,提高水泥石与套管、地层的胶结强度有利于减小水泥环界面微环隙扩展长度,保证水泥环有效封固;研究结果能够对体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测。     

固井界面微环隙产生机制及计算方法

针对油气井生产过程中固井界面微环隙的产生和发展规律进行仿真试验研究,并对套管-水泥环界面的黏结力进行测量,基于以上研究建立固井界面微环隙的理论计算方法。结果表明:套管内压过大导致水泥环产生塑性变形,套管内压减小时固井界面将受拉,实测固井界面存在数量级为0.1 MPa的黏结力,当界面拉力足以克服界面黏结力时,固井界面将会脱离产生微环隙;套管内压值越大,压力卸载后产生微环隙的机率越大,且微环隙尺寸越大;相同胶结质量下固井一界面比二界面更容易产生微环隙;理论计算结果与仿真试验结果具有较好的一致性。     

固井界面接触热阻对井筒温度场预测的影响

固体界面不完整接触会产生接触热阻。为研究固井界面微环隙对井筒温度场预测的影响,本文设计并制作了空气条件下测试固体界面接触热阻的实验设备,验证了所推导的接触热阻理论计算方法,研究了忽略固井界面接触热阻对井筒温度场预测精度的影响。结果表明：303~573K空气条件下实验设备测试结果的相对误差不超过9.28%;接触热阻理论计算方法与表面间距和温度有相关性;固井界面微环隙增大（5×10-5m~1×10-3m）、注蒸汽时间增加（2d~40d）、地层温度升高（305K~400K）等情况下,预测井筒温度场时不考虑固井界面充填气体的微环隙接触热阻,将使计算的水泥环外壁温度有较小的偏低（约3K）,而水泥环内壁温度和地层内壁温度有较大的偏高（约14K）。考虑固井界面微环隙的接触热阻可以提高井筒温度场预测的精度。     

热交变压力下水泥环界面微间隙产生机理研究

目前中国四川地区页岩气开发均采用大排量分段压裂工艺技术,压裂改造过程中套管内温度以及压力的变化可能会导致油气井水泥环界面微间隙的产生。为此利用ABAQUS软件建立了热力耦合下的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型。基于前人实验的基础上,对温压耦合下的固井界面力学响应进行了模拟;同时分析了交变压力下微间隙的产生对组合体温度场分布的影响。研究结果表明:1微间隙的产生改变了组合体温度变化的连续性,后续施工过程中,套管温度基本接近注液温度;2井筒内的温度变化、套管内压作用下的水泥环塑性变形以及泄压后的井筒内压是导致微间隙产生的主要原因;3不同注液温度下,微间隙尺寸随着水泥环弹性模量的增大而增大。上述研究成果为压裂施工作业中油气井发生气窜以及环空带压的产生机理提供了理论依据。     

热采井筒应力的数值模拟分析

将注汽热采井井筒温度场传输到井筒应力模型中 ,用有限元软件ANSYS进行了计算。计算结果表明 ,使用常温套管弹性模量对套管极限温度载荷进行计算 ,所得极限温度比实际极限温度要低 ,因此能提高设计结果的安全性。增大水泥高温热膨胀系数有利于保护套管和水泥环。     

热采井筒应力的数值模拟分析

将注汽热采井井筒温度场传输到井筒应力模型中,用有限元软件ANSYS进行了计算。计算结果表明,使用常温套管弹性模量对套管极限温度载荷进行计算,所得极限温度比实际极限温度要低,因此能提高设计结果的安全性。增大水泥高温热膨胀系数有利于保护套管和水泥环。     

套管-水泥环-地层耦合系统热应力理论解

根据弹性力学和热力学理论,推导了套管-水泥环-地层耦合系统的热应力和热位移理论计算公式,分析了系统热应力和热位移径向分布规律,以及套管温升、弹性模量、热膨胀系数、壁厚、水泥环与地层弹性模量和泊松比等参数对套管热应力和热位移的影响.结果表明:随着离套管中心径向距离的增加,径向热位移和热应力先增大后减小,最大值分别位于地层和套管外壁,而套管上Von Mises应力值迅速下降,最大值位于套管内壁;随着套管温升和套管、水泥环、地层弹性模量与热膨胀系数的增加,套管内壁Von Mises应力和外壁径向压力增大,其中套管参数变化对计算结果影响更明显.在进行稠油热采井套管抗挤毁强度计算时,应考虑热膨胀在套管外壁产生的径向压应力的影响.     

稠油注蒸汽热采过程中射孔段套管热应力仿真模拟

我国稠油资源约占总石油资源的30%。稠油油藏以蒸汽吞吐开采为主,一个蒸汽吞吐循环周期包括蒸汽注入阶段、焖井阶段和采油阶段。其中,造成稠油热采井套管损坏的主要原因之一是热采井高温及温度剧烈变化,利用ABAQUS有限元软件建立了三维井筒模型,分析了蒸汽注入阶段、闷井阶段的热传导过程及射孔段套管的热应力分布,其中射孔部位是稠油热采过程中较易破坏的地方,经过几个吞吐周期后套管上会积累较高的残余应力而使套管发生塑性破坏。     

注蒸汽吞吐井井筒应力的数值计算方法

将注蒸汽吞吐井井筒温度场的计算结果引入井筒应力分析模型中,利用有限元分析软件ANSYS计算了不同约束条件下的井筒应力。计算结果表明,最大热应力都发生在套管内壁,且超过了N80套管的热弹性屈服极限;最大热膨胀都发生在温度变化过渡区,当套管周围掏空时,其热应变达到了2%,远远超过材料弹性极限应变值(0 3%),这是导致热采井套管变形损坏的主要原因。     

基于应变的热采井套管设计方法

提出基于应变的热采井套管设计方法,确定基于应变的设计准则,通过建立三维弹塑性有限元模型,模拟分析热采井多轮次生产过程中应力和应变变化规律,并以胜利油田A井为例进行实例设计。结果表明,该设计方法密切结合热采井"注-焖-采"生产过程,可考虑多轮次循环温度载荷对套管的损伤程度,通过计算多轮次生产条件下套管上的累积塑性应变,依据热采井生产轮次要求及应变准则,科学灵活地设计套管,可以为热采井套管柱设计提供新思路。     

常规套管井筒隔热技术研究

目前各国稠油主要采用注蒸汽的热采方式,即向地下油层内注入高温高压蒸汽。注汽过程中的能量损失,特别是井筒中的能量损失,直接影响热采效果。采用一定技术手段保证井筒隔热效果,对保持稠油热采效率起重要作用。提出了注汽施工中存在的一些问题。为了解决这些问题,提出油管接箍隔热扶正技术、井下热胀补偿器隔热保护技术、长效汽驱用热采封隔技术和二次封固技术相结合的改进技术,以提高隔热油管井筒隔热性能和使用寿命,保证稠油热采效果。并通过试验验证了该方法的可行性。     

水泥浆胶凝期间套管柱受力和形变规律

套管柱注水泥结束后 ,由于水化热的作用使水泥浆在胶凝过程中产生升温现象 ,并随之失重。温度、压力的共同作用会使套管柱发生很大的形变。随着水泥的固化 ,这种形变也会被固结在水泥封固段内 ,影响其使用性能。在调研大量资料的基础上 ,利用数值计算方法得到了水泥胶凝过程中温度变化的动态数据。对某油田实测数据进行了统计分析 ,得出了水泥浆失重时的压力计算公式。根据有限元理论 ,推导出套管段长度与温度、压力、水泥及套管表面剪切应力之间的关系式。在此基础上 ,计算得到了水泥浆胶凝过程中套管的动态变化。     

基于分步有限元法的多级压裂过程中套管应力敏感性分析

目前中国四川地区页岩气开发大多采用大排量分段压裂工艺技术,部分页岩气井在施工过程中出现套管变形的现象,导致后续施工改造无法顺利进行,严重影响了页岩气井的正常生产。因此准确了解压裂过程中套管应力的变化规律具有重要意义。区别于传统模型,基于分步有限元方法,考虑了钻井、完井、压裂整个施工过程,构建了页岩各向异性下套管-水泥环-地层组合体有限元分析模型,模拟多级压裂过程中组合体应力以及温度场随时间的变化特征。分析了两种模型下注液温度、套管内压、地应力变化、地层孔隙压力变化、水泥环弹性模量以及地层弹性模量等因素对套管受力状态的影响。研究结果表明:(1)压裂过程中,采用传统模型会低估套管应力的增大程度;(2)大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致套管应力明显升高;(3)地应力分均匀性以及孔隙压力的增大会导致套管应力有所增加;(4)页岩各向异性对套管应力的影响较小,其中地层性质的下降会导致套管损坏的几率增加。因此在今后的页岩气压裂改造过程中,有必要采用分步有限元模型,综合考虑这些影响因素,合理优化相关的压裂作业参数,从而确保后续压裂完井作业的正常进行。     

基于材料杨氏模量实测的电厂主蒸汽管应力分析

通过实验与理论分析、数值计算相结合的方法进行电厂主蒸汽管热应力应变分析.首先用高温应变片精确测量锅炉主蒸汽管道直管段的热应变,并根据结构应力的解析解,得到管道结构材料杨氏模量与温度的关系.在此基础上,利用有限元分析技术,更全面准确地分析管系在不同工作状态下的热应力、应变情况.该方法应用于某电厂主蒸汽管应力分析,效果较好.对电站的安全监测有一定实用价值.该方法也可推广至其他领域进行高温管系的力学分析.     

射孔参数对热采井套管抗热应力能力影响分析

热力采油使得套管承受较高水平的热应力,增加套管损坏风险,从而降低套管使用寿命。针对射孔参数对热采井射孔套管抗热应力能力的影响规律研究较少。利用有限元软件建立三维套管模型,结合基于应变的设计方法评价热采井射孔套管的抗热应力能力。结果表明,在安全内外压作用下,射孔排包含射孔数目较多且射孔直径较小的射孔参数可增强射孔套管的抗热应力能力;多轮次蒸汽吞吐过程对套管受热变形具有累加效应,保证强度安全前提下选择使得射孔排包含射孔数目较多的射孔参数组合可使得套管满足热应力安全性。研究结果从射孔参数对套管抗热应力能力的影响角度出发,为热采井实际射孔参数方案优选提供了参考。     

热采环境泥岩层应力演化规律及破坏机理研究

深入认识热采环境下泥岩层的应力演化规律及破坏机理,有助于科学有效地解决稠油藏注汽过程中的盖层破裂问题及隔夹层遮挡问题。首先,从理论上定量研究了热采油藏泥岩层的传热、增压机制,分析了变温、变压条件下泥岩层不同的应力演化规律及破坏模式;然后,针对一加拿大热采项目的盖层破坏事件,开展了泥岩盖层热水应力全耦合数值模拟研究,揭示了热采环境下泥岩层的破坏机理及关键影响因素。结果表明,热采环境中泥岩层应力演化主要受热增压影响;孔隙压力远高于注汽压力,峰值位于孔隙水最大热压力系数所对应的温度附近;孔隙压力峰值附近岩层可能发生拉伸破坏和剪切破坏。热采油藏合理注汽方案的制定必须充分考虑泥岩层的热水应力耦合效应。     

钻井过程中井壁热应力数值模拟

井壁热应力对于井壁稳定性、水力压裂、水泥环胶结强度、热采套管的损害等都有影响。文中根据热弹性力学理论,将地层假设成均匀连续弹性介质,推导建立了井壁热应力的数学模型,并结合井内流体流动和静止过程中井壁温度场的变化,采用数值计算方法得出了井壁热应力的瞬态分布,包括井壁热应力随井深、径向距以及时间的变化。文中的理论模型和计算结果对于研究由于热应力引起的现场问题都具有指导意义。