一种火烧油层驱油注气井套管柱服役安全评价方法与流程

本发明属于油气开采工程技术领域，具体涉及一种火烧油层驱油注气井套管柱服役安全评价方法。

背景技术：

稠油、超稠油是我国油气资源开发的主要对象之一，主要分布在新疆、辽河、吐哈、胜利、环渤海湾等地区，2007年以来，中石油新疆、吐哈油田及中海油环渤海湾地区累计发现数个整装区块，可开采稠油储量逾20亿吨，是我国未来油气增产的主要方向之一。火驱采油技术是重要的稠油开采工艺，采收率高、适用范围广等，既适合一次采油、二次采油和三次采油，也适合开发后期高含水油藏，因而，火驱采油技术是实现油田上产、增产的重要的二次开采工艺。调研表明：注气井套管损坏(简称套损)问题严重，以辽河油田杜66区块为例，截止2015年，火驱92井组中共有43口注气井在转驱后发现28口井出现了新增套损，占比65％。

火烧油层注气井套管本身的服役性能和承受的工况载荷具有动态特征。一方面，火驱工况涉及富氧介质、持续高温环境及复杂载荷作用，氧腐蚀失重、蠕变损伤、相变诱发材质突变等因素引起套管本身的服役性能持续弱化。另一方面，火烧油层温度场引起的热应力随火线的推进不断变化，同时地层上覆岩层压力及水平主应力，井下套管处于热-力耦合场，承受复杂的工况载荷。目前火驱注气井套管柱设计缺少下井前的服役安全性评价，从失效控制与完整性管理的角度缺少安全性评价环节，导致火驱井大量套损失效问题的发生。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种火烧油层驱油注气井套管柱服役安全评价方法，针对稠油火驱注气井套损失效问题，一方面，考虑氧腐蚀、蠕变损伤、金属相变三类主要因素引起套管材料强度损失，另一方面，考虑火烧油层热-力耦合场复杂工况载荷，形成套管柱服役安全性评价方法，为火烧油层驱油注气井套管柱安全服役及失效预防奠定坚实的基础。

本发明采用以下技术方案：

一种火烧油层驱油注气井套管柱服役安全评价方法，首先确定火驱注气井套管柱的工况极限载荷，包括套管管柱受力载荷和地应力载荷，套管管柱受力载荷包括有效外挤、有效内压、轴向载荷及热应力载荷；地应力载荷包括垂向地应力、水平地应力及岩石强度；然后基于腐蚀/蠕变损伤预测套管材料强度损失，计算服役套管剩余强度，根据套管柱工况极限载荷、服役套管的承载能力建立套管柱服役安全评价，确定套管柱工况极限载荷、服役套管承载能力和套管管柱安全风险。

具体的，井下套管柱有效外挤载荷具体为：

pce＝gw1h(h≤hlost)

pce＝gw1h+gs(h-hlost)(h＞hlost)

其中，pce为井深h处的有效外挤压力；gw1为计算外挤压力时的管外液柱当量压力梯度；gs为盐水柱当量压力梯度；hlost为漏失液面的深度。

具体的，不考虑气柱重量时的有效内压力计算如下：

pbe＝pbh-gwh

其中，ps为井口压力；pbe为任意深度处套管的有效内压力；

直井的有效轴向力计算如下：

其中，ten为第n段套管柱轴向力；δli为管柱井深；qei为第i段套管有效重量；

具体的，火烧油层燃烧形成的温度场中的轴向热应力具体为：

σt＝α·e·δt

其中，σt为热应力；α为线膨胀系数；e为弹性系数；δt为温度变化值。

具体的，上覆岩层压力为：

其中，σv为垂向地应力；h为地层埋藏深度；σ(h)为地层密度随地层深度变化的函数；g为重力加速度；

具体的，最大/最小水平主应力为：

其中，ρma为密度、为孔隙度、ρf为流体密度、pv为孔压、β/ψ为构造应力常数、μs为泊松比。

具体的，火烧油层燃烧形成的温度场中的轴向热应力具体为：

σt＝α·e·δt

其中，σt为热应力；α为线膨胀系数；e为弹性系数；δt为温度变化值。

具体的，以井眼为中心，建立套管-水泥环-地层有限元模型，仿真模拟火烧油层工艺过程中井筒的应力场分布特征，计算套管承受的极限工况载荷。

进一步的，套管承受的极限工况载荷具体为：

计算模型：以地层井眼为长方体中心，沿轴向取45m高，边长取100m的长方体作为计算模型，取整个模型的1/4作为计算模型，井眼由内向外依次为套管-水泥环-地层，水泥环以外是地层；

边界条件：套管内壁的温度取自前节温度场计算结果，只计算管体均匀温度区引起的套管壁的热应力；

单元类型：采用轴对称四边形热固体单元，离散后模型有93663个节点，48828个单元；

计算过程：首先进行温度场计算，然后进行由温度场到结构的热分析，得到管柱、水泥环与地层的热应力场，计算100～800℃范围套管-水泥环-地层应力场分布。

具体的，计算服役套管剩余强度σsi如下：

σsi＝σo-σ1-σ2

其中，σo为初始强度；σ1为基于氧腐蚀失重效应强度损失；σ2为基于蠕变效应强度损失。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种非常规开发方式即火烧油层驱油注气井套管柱服役安全评价方法，从套管强度损失预测、工况极限载荷两方面提出套管服役安全评价方法，填补了火驱井套管柱设计存在的空白环节，为油田现场火驱采油大规模先导试验的成功开展奠定坚实的基础。

进一步的，火驱工艺注气井套管柱工况载荷包括：套管柱载荷(有效外压、有效内压、有效轴向载荷及温度引起的热应力)、地应力载荷，分析方法是基于第四屈服准则(mises屈服准则)，采用数值计算，通过建立套管-水泥环-地层系统构成的井筒有限元模型，分析套管承受载荷的应力场分布，确定套管柱承受的极限工况载荷。采用数值模拟方法、建立有限元模型，能够最大限度的模拟井下套管柱服役工况，为研究火驱井套管受力载荷奠定基础。数值模拟、有限元数值模型投入成本低、具有常规研究方法所不具备经济优势。

进一步的，定量计算套管承受的极限工况载荷，目的是确定服役工况下套管承受的最大载荷，为采用基于强度准则的安全评判提供依据，现有的室内试验平台尚不具备模拟井下套管柱服役工况的条件，因而不能获得套管柱承受的极限工况载荷。有限元数值计算是目前模拟井下复杂工况、分析套管柱受力载荷可行、有效研究手段。

综上所述，本发明从火烧油层驱油注气井工况特征出发，提出套管服役安全性评价新方法，解决火驱井普遍存在的套损失效问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为套管-水泥环-地层系统井筒的有限元模型；

图2为火驱工况下套管承受载荷的应力分布云图，其中，(a)为服役温度400℃，(b)为服役温度600℃；

图3为火驱工况下套管极限工况载荷-温度关系曲线；

图4为氧腐蚀失重效应下套管材料强度损失-时间关系曲线；

图5为长时服役蠕变效应下套管材料强度损失-时间关系曲线；

图6为氧腐蚀失重效应/蠕变效应下长时服役套管材料强度-时间关系曲线。

具体实施方式

本发明一种火烧油层驱油注气井套管柱服役安全评价方法，首先确定火驱注气井套管柱的工况极限载荷，包括套管管柱受力载荷(有效外挤、有效内压、轴向载荷及温度引起的热应力载荷)、地应力载荷(垂向地应力、水平地应力及岩石强度)。其次，基于腐蚀/蠕变损伤预测套管材料强度损失，计算服役套管剩余强度。从套管柱工况极限载荷、服役套管的承载能力两方面，建立套管柱服役安全评价方法。包括以下步骤：

s1、确定火驱注气井套管柱的工况极限载荷

运用相关经典力学模型，建立套管轴向悬重、地应力载荷及热应力载荷的解析表达式等，包括以下步骤：

s101、有效外挤载荷

井下套管柱有效外挤载荷表示为：

pce＝gw1h(h≤hlost)

pce＝gw1h+gs(h-hlost)(h＞hlost)

其中：pce：井深h处的有效外挤压力，mp/m；gw1：计算外挤压力时的管外液柱当量压力梯度，mpa/m；gs：盐水柱当量压力梯度，mpa/m；hlost：漏失液面的深度，m。

s102、有效内压载荷

在不考虑气柱重量时的有效内压力计算公式：

pbe＝pbh-gwh

式中，ps：井口压力，mpa；pbe：任意深度处套管的有效内压力，mpa。

s103、有效轴向载荷：

直井的有效轴向力：

其中，ten为第n段套管柱轴向力；δli为管柱井深；qei为第i段套管有效重量。

s104、热应力载荷：

火烧油层燃烧形成的温度场中的轴向热应力具体为：

σt＝α·e·δt

其中，σt为热应力；α为线膨胀系数；e为弹性系数；δt为温度变化值。

s2、计算地应力载荷包括上覆岩层压力、最大/最小水平主应力；

s201、上覆岩层压力为：

式中σv为垂向地应力，mpa；h为地层埋藏深度，m；σ(h)为地层密度随地层深度变化的函数；g为重力加速度，m/s²；

s202、最大/最小水平主应力为：

其中，ρma为密度、为孔隙度、ρf为流体密度、pv为孔压、β/ψ为构造应力常数、μs为泊松比。

s3、计算套管承受的极限工况载荷

以井眼为中心，建立套管-水泥环-地层有限元模型，仿真模拟火烧油层工艺过程中井筒的应力场分布特征，建立有限元模型如图1所示，计算套管承受的极限工况载荷。

计算模型：以地层井眼为长方体中心，沿轴向取45m高，边长取100m的长方体作为计算模型。基于对称性考虑，取整个模型1/4作为计算模型，如下图1。井眼由内向外依次为套管-水泥环-地层。套管外径177.8mm，壁厚8.05mm，水泥环厚度30.1mm，水泥环以外是地层。

边界条件：套管内壁的温度取自前节温度场计算结果，本模型暂不考虑隔热管接头区温度升高引起的套管热应力变化，而只计算管体均匀温度区引起的套管壁的热应力。

单元类型：采用轴对称四边形热固体单元，编号：采用solid95单元。离散以后模型共有93663个节点，48828个单元。

计算过程：首先进行温度场计算，其次进行由温度场到结构的热分析，得到管柱、水泥环与地层的热应力场，计算100℃～800℃范围套管-水泥环-地层应力场分布。

其中，400℃、600℃下套管承受载荷的应力场分布如下图2所示。读取最大等效应力数值，建立套管材料极限工况载荷-服役温度关系曲线如下图3所示。

s4、基于腐蚀/蠕变损伤套管材料强度损失预测模型，计算服役套管剩余强度如下：

σsi＝σo-σ1-σ2

其中：σsi为剩余强度，mpa；σo为初始强度，mpa；σ1为基于氧腐蚀失重效应强度损失，mpa；σ2为基于蠕变效应强度损失，mpa。

氧腐蚀失重效应、蠕变效应下，0cr-n80材质套管材料强度损失-时间关系如下图4、5所示。可见，600℃、空气环境下，长时服役氧腐蚀失重引起的强度损失约130mpa。600℃/400mpa工况下，长时服役蠕变效应引起的强度损失约160mpa。

套管柱服役安全评价方法：

(1)确定套管柱工况极限载荷；

(2)确定服役套管承载能力；

(3)依据基于强度准则的安全服役判据，即套管承载能力＞工况极限载荷；满足强度准则服役管柱安全，否则管柱存在安全风险。

本发明针对火烧油层驱油注气井普遍存在的套损失效问题，提出套管柱服役安全性评价新方法，补充、完善套管柱的失效控制与完整性管理技术，预期对火驱注气井套损问题的预防、治理奠定坚实的技术支撑。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图6，综合考虑长时服役过程，氧腐蚀失重效应、蠕变效应因素，建立套管材料强度损失-时间关系曲线，依据套管承受的极限工况载荷、套管材料强度损失，评价套管的服役安全性。

依据极限工况载荷-温度关系，600℃下套管承受载荷687mpa；

依据套管强度损失-时间关系，600℃下套管剩余强度329.4mpa；

因此，空气环境、高温600℃、载荷400mpa下，火驱井套管柱选用n80套管已不满足强度需求，服役套管存在安全风险。

本发明专利针对稠油火烧油层驱油注气井普遍存在的套损问题，从服役套管材料的氧腐蚀失重、蠕变损伤、金属相变三类主要因素入手，围绕套管柱的完整性，开展高温材料服役行为规律、管柱强度演变规律与预测、极限工况完整性研究。模拟火驱作业工况下套管服役历程和损伤状态，通过系统试验与宏微观观察，建立基于损伤和相变的套管材料弹塑性本构模型。通过井下管柱受力分析，考虑热-力耦合场与温度和时间关系，建立套管柱服役能力预测模型。依据服役工况特征，提出套管柱全寿命服役安全准则与评价方法。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。