CN103670372B - 一种热采井套管柱应变判断系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热采井套管柱应变判断系统及其方法，属于钻井技术领域。该系统包括测量管材屈强比模块、判断屈强比模块、许用参数模块、计算套管柱应变参数模块和判断应变参数模块；测量管材屈强比模块，通过高低温力学性能试验设备测量得到热采井套管管材的屈强比；判断屈强比模块，当所述热采井套管管材的屈强比小于等于所述屈强比阈值时，通过所述高低温力学性能试验设备测量所述热采井套管管材的应变参数，通过加载试验设备测量所述热采井套管全尺寸的应变参数。本发明不仅满足强度设计指标要求，更要符合塑性变形、蠕变变形、应变强化、应力松弛等应变设计指标要求，以更加全面的管材实际行为能力来满足热采作业工况的需求，预防套管损坏。

Description

一种热采井套管柱应变判断系统及其方法

技术领域

本发明属于钻井技术领域，特别涉及一种热采井套管柱应变判断系统及其方法。

背景技术

目前，热采井套管柱设计方法采用的是强度设计方法，是以弹性力学理论为基础，确保管材不会发生屈服现象。这种方法主要考虑管材的强度指标(APIBul5C3套管、油管、钻杆和管线管性能公式与计算通报)，满足钻完井工程需求，并考虑热采过程中的热应力，满足高温条件下管材不会发生屈服现象，即考虑室温及高温屈服强度依据APISpec5CT标准进行选材。

而实际上，稠油热采套管的变形、缩颈、剪切、断裂等套损形式，充分说明了管材在服役中的确发生了塑性变形，而正是不同的塑性变形造成了管材永久变形，甚至断裂。在实际套损中，螺纹接头的脱扣现象充分说明，管体在此之前就已经发生了较为明显的永久变形，造成不可逆损伤。

现有技术存在的主要问题：

1)仅以强度方法设计管柱；

2)未考虑因温度变化而引起的应变强化、应力松弛、蠕变累计等变形；3)把接箍与管体等强度设计，在高温循环下造成脱扣。

在稠油热采井中因注采温度的循环变化，套管柱不仅会发生屈服现象，还会产生应变强化、应力松弛以及蠕变累计损伤等，造成不可逆损伤，出现低周应变疲劳损坏。因此，单纯以强度为主要指标来设计管柱、选用管材是不能满足油田现场作业需求的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种热采井套管柱应变判断系统及其方法，解决了现有技术中选定的热采井套管柱套损严重的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种热采井套管柱应变判断系统，包括测量管材屈强比模块、判断屈强比模块、许用参数模块、计算套管柱应变参数模块和判断应变参数模块；

其中，所述测量管材屈强比模块，通过高低温力学性能试验设备测量得到热采井套管管材的屈强比；

所述判断屈强比模块，当所述屈强比小于等于设定的屈强比阈值时，通过高低温力学性能试验设备测量热采井套管管材，得到热采井套管管材的应变参数，通过加载试验设备测量热采井套管，得到热采井套管全尺寸的应变参数；

所述许用参数模块用于，根据所述热采井套管管材的应变参数、所述热采井套管全尺寸的应变参数和热采井套管的安全系数，依次得到所述热采井套管管材的许用应变参数和所述热采井套管全尺寸的许用应变参数；

所述计算套管柱应变参数模块用于，根据所述热采井套管管材的屈强比，分别通过所述高低温力学性能试验设备和蠕变持久试验设备测量热采井套管的套管柱，得到套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，根据所述套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，计算得到套管柱的应变参数；

所述判断应变参数模块用于，当所述套管柱的应变参数均小于等于所述热采井套管管材的许用应变参数和所述热采井套管全尺寸的许用应变参数，所述套管柱为所选用的套管柱。

一种热采井套管柱应变判断方法，包括如下步骤：

步骤101：通过高低温力学性能试验设备测量得到热采井套管管材的屈强比；

步骤102：当所述屈强比小于等于设定的屈强比阈值时，通过高低温力学性能试验设备测量热采井套管管材，得到热采井套管管材的应变参数，通过加载试验设备测量热采井套管，得到热采井套管全尺寸的应变参数；

步骤103：根据所述热采井套管管材的应变参数、所述热采井套管全尺寸的应变参数和热采井套管的安全系数，依次得到所述热采井套管管材的许用应变参数和所述热采井套管全尺寸的许用应变参数；

步骤104：根据所述热采井套管管材的屈强比，分别通过所述高低温力学性能试验设备和蠕变持久试验设备测量热采井套管的套管柱，得到套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，根据所述套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，计算得到套管柱的应变参数；

步骤105：当所述套管柱的应变参数均小于等于所述热采井套管管材的许用应变参数和所述热采井套管全尺寸的许用应变参数，所述套管柱为所选用的套管柱。

进一步地，所述热采井套管管材的应变参数为热采井套管的材料均匀延伸率，所述热采井套管全尺寸的应变参数为热采井套管的全尺寸均匀延伸率。

进一步地，所述热采井套管管材的许用应变参数为热采井套管的材料许用应变值。

进一步地，所述热采井套管全尺寸的许用应变参数为热采井套管的全尺寸许用应变值。

进一步地，所述套管柱的应变参数为套管柱的工作应变值。

进一步地，所述屈强比阈值为0.85。

进一步地，所述得到热采井套管管材的许用应变参数方法如式(1)所示：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_m\]=\frac{{\mathrm{\δ}}_m}{S_s}---\left(1\right)$

其中,[ε_m]为热采井套管的材料许用应变值；δ_m为热采井套管的材料均匀延伸率；S_s为应变安全系数。

进一步地，所述得到热采井套管全尺寸的许用应变参数方法如式(2)所示：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_f\]=\frac{{\mathrm{\δ}}_f}{S_s}---\left(2\right)$

其中,为热采井套管的全尺寸许用应变值；δ_f为热采井套管的全尺寸均匀延伸率；S_s为应变安全系数。

进一步地，所述计算套管柱的应变参数的方法如式(3)所示：

ε_Σ＝ε_z+ε_c(3)

其中,ε_Σ为套管柱的工作应变值，ε_z为套管柱的拉伸变形量，ε_c为套管柱的蠕变变形量。

本发明提供的热采井套管柱应变判断系统及其方法，通过对热采井套管管材的曲强比的测量和判断，特别是对套管柱的应变参数、热采井套管管材的许用应变参数和热采井套管全尺寸的许用应变参数进行对比，选定合适的热采井套管，这样，不仅满足强度设计指标要求，更要符合塑性变形、蠕变变形、应变强化、应力松弛等应变设计指标要求，以更加全面的管材实际行为能力来满足热采作业工况的需求，预防套管损坏。

附图说明

图1为本发明实施例提供的热采井套管柱应变判断方法流程步骤图。

图2为本发明实施例提供的Φ177.8×8.05N80套管柱工作应变情况图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种热采井套管柱应变判断系统，包括测量管材屈强比模块、判断屈强比模块、许用参数模块、计算套管柱应变参数模块和判断应变参数模块；

其中，测量管材屈强比模块，通过高低温力学性能试验设备测量得到热采井套管管材的屈强比；

判断屈强比模块，当屈强比小于等于设定的屈强比阈值时，通过高低温力学性能试验设备测量热采井套管管材，得到热采井套管管材的应变参数，通过加载试验设备测量热采井套管，得到热采井套管全尺寸的应变参数；

许用参数模块用于，根据热采井套管管材的应变参数、热采井套管全尺寸的应变参数和热采井套管的安全系数，依次得到热采井套管管材的许用应变参数和热采井套管全尺寸的许用应变参数；

计算套管柱应变参数模块，根据热采井套管管材的屈强比，分别通过高低温力学性能试验设备和蠕变持久试验设备测量热采井套管的套管柱，得到套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，根据套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，计算得到套管柱的应变参数；

所述判断应变参数模块用于，当套管柱的应变参数均小于等于热采井套管管材的许用应变参数和热采井套管全尺寸的许用应变参数，套管柱为所选用的套管柱。

一种热采井套管柱应变判断方法，包括如下步骤：

步骤101：通过高低温力学性能试验设备测量得到热采井套管管材的屈强比；

步骤102：当屈强比小于等于设定的屈强比阈值时，通过高低温力学性能试验设备测量热采井套管管材，得到热采井套管管材的应变参数，通过加载试验设备测量热采井套管，得到热采井套管全尺寸的应变参数；

步骤103：根据热采井套管管材的应变参数、热采井套管全尺寸的应变参数和热采井套管的安全系数，依次得到热采井套管管材的许用应变参数和热采井套管全尺寸的许用应变参数；

步骤104：根据热采井套管管材的屈强比，分别通过高低温力学性能试验设备和蠕变持久试验设备测量热采井套管的套管柱，得到套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，根据套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，计算得到套管柱的应变参数；

步骤105：当套管柱的应变参数均小于等于热采井套管管材的许用应变参数和热采井套管全尺寸的许用应变参数，所述套管柱为所选用的套管柱。

实施例1：

步骤201：根据钻完井工况，按照强度设计相关标准要求，选择套管进行套管柱设计，满足钻完井作业要求；

在本发明实施例中，应力设计即常说的强度设计，可依照相关标准进行，如行业标准《SY/T5724-2008套管柱结构与强度设计》和《钻井手册(甲方)》所述设计方法，主要是为了满足钻完井下套管要求，使套管满足钻完井作业载荷需求；套管柱应变设计是本发明的重点，应变设计的前提是套管柱必须首先满足应力设计要求，符合应变设计要求的套管柱主要是为了满足热采井生产过程中作业载荷需要。

步骤202：通过高低温力学性能试验设备(试验力≥30kN)测量得到热采井套管管材的屈强比；

步骤203：当热采井套管管材的屈强比大于屈强比阈值时，通过高低温力学性能试验设备(试验力≥30kN)测量热采井套管的材料均匀延伸率，通过MOHR复合加载试验机测量热采井套管的全尺寸均匀延伸率；

其中，在本发明实施例中，屈强比阈值为0.85，确定选用的热采井套管管材的屈强比小于等于0.85。

步骤204：根据热采井套管的材料均匀延伸率、热采井套管的全尺寸均匀延伸率和热采井套管的安全系数，依次得到热采井套管的材料许用应变值[ε_m]和热采井套管的全尺寸许用应变值

其中，得到热采井套管的材料许用应变值的方法如式(1)所示：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_m\]=\frac{{\mathrm{\δ}}_m}{S_s}---\left(1\right)$

其中,[ε_m]为热采井套管的材料许用应变值；δ_m为热采井套管的材料；S_s为应变安全系数。

在本发明实施例中，热采井套管的安全系数1.2-1.5，根据式(1)，其得到热采井套管的材料许用应变值[ε_m]为5.3％-6.7％。

得到热采井套管的全尺寸许用应变值的方法如式(2)所示：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_f\]=\frac{{\mathrm{\δ}}_f}{S_s}---\left(2\right)$

其中,为热采井套管的全尺寸许用应变值；δ_f为热采井套管的全尺寸均匀延伸率；S_s为应变安全系数。

在本发明实施例中，热采井套管的安全系数1.2-1.5，根据式(2)，其得到热采井套管的全尺寸许用应变值为4.7％-5.8％。

步骤205：根据上述屈强比，通过高低温力学性能试验设备(试验力≥30kN)测量得到套管柱的拉伸变形量，通过蠕变持久试验机(试验力≥30kN)测量得到套管柱的蠕变变形量，结合热采井作业环境工况，通过数值分析方法计算套管柱工作应变值ε_z；

其中，计算套管柱工作应变值的方法如式(3)所示：

ε_Σ＝ε_z+ε_c(3)

其中,ε_Σ为热采井套管柱的工作应变值；ε_z为套管柱的拉伸变形量；ε_c为套管柱的蠕变变形量。

在本发明实施例中，热采井套管的安全系数1.2-1.5，根据式(3)，其得到套管柱的工作应变值为4.01％。

步骤206：当套管柱的工作应变值小于等于热采井套管材料许用均匀延伸率和热采井套管全尺寸许用均匀延伸率，该套管柱为所选用的套管柱；

在本发明实施例中，具体判断条件如式(4)所示：

其中，ε_Σ为套管柱的应变参数；[ε_m]为热采井套管管材的许用应变参数；为热采井套管全尺寸的许用应变参数。

2009年初起，本发明设计的Φ177.8×8.05N80H热采井套管柱在新疆油田稠油蒸汽热采井8口井首先使用，目前已经过6个轮次以上的注采作业，套管柱依然良好。

新疆油田某稠油区块注蒸汽热采井的井深600m，注汽温度270℃，注汽压力7MPa注汽焖井时间15天，生产时间100天。目前使用的API套管柱采用强度设计，在注汽3～5轮次后出现套管损坏现象，套损形式主要有错断、缩径、泄漏等，如Φ177.8×8.05N80套管柱在服役4年后套管工作应变超过8％，易出现缩径或断裂事故。

采用本发明设计的Φ177.8×8.05N80H热采套管柱，服役8年后套管工作应变仅为4.2％(参见图2)，即有效延长了套管柱服役寿命，又减低了套损发生。

本发明实施例提供的热采井套管柱应变判断系统及其方法，通过对热采井套管管材的曲强比的测量和判断，特别是对套管柱的应变参数、热采井套管管材的许用应变参数和热采井套管全尺寸的许用应变参数进行对比，选定合适的热采井套管，这样，不仅满足强度设计指标要求，更要符合塑性变形、蠕变变形、应变强化、应力松弛等应变设计指标要求，以更加全面的管材实际行为能力来满足热采作业工况的需求，预防套管损坏。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种热采井套管柱应变判断系统，特征在于，包括测量管材屈强比模块、判断屈强比模块、许用参数模块、计算套管柱应变参数模块和判断应变参数模块；

其中，所述测量管材屈强比模块，通过高低温力学性能试验设备测量得到热采井套管管材的屈强比；

所述判断屈强比模块，当所述屈强比小于等于设定的屈强比阈值时，通过高低温力学性能试验设备测量热采井套管管材，得到热采井套管管材的应变参数，通过加载试验设备测量热采井套管，得到热采井套管全尺寸的应变参数，其中，所述热采井套管管材的应变参数为热采井套管的材料均匀延伸率，所述热采井套管全尺寸的应变参数为热采井套管的全尺寸均匀延伸率；

所述许用参数模块用于，根据所述热采井套管管材的应变参数、所述热采井套管全尺寸的应变参数和热采井套管的安全系数，依次得到所述热采井套管管材的许用应变参数和所述热采井套管全尺寸的许用应变参数，其中，所述热采井套管管材的许用应变参数为热采井套管的材料许用应变值，所述热采井套管全尺寸的许用应变参数为热采井套管的全尺寸许用应变值；

所述计算套管柱应变参数模块用于，根据所述热采井套管管材的屈强比，分别通过所述高低温力学性能试验设备和蠕变持久试验设备测量热采井套管的套管柱，得到套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，根据所述套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，计算得到套管柱的应变参数，其中，所述套管柱的应变参数为套管柱的工作应变值，计算套管柱的工作应变值方法如式(1)所示：

ε_Σ＝ε_z+ε_c(1)

其中，ε_Σ为套管柱的工作应变值，ε_z为套管柱的工作拉伸应变值，ε_c为套管柱的工作蠕变值；

所述判断应变参数模块用于，当所述套管柱的应变参数均小于等于所述热采井套管管材的许用应变参数和所述热采井套管全尺寸的许用应变参数，所述套管柱为所选用的套管柱。

2.一种热采井套管柱应变判断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101：通过高低温力学性能试验设备测量得到热采井套管管材的屈强比；

步骤102：当所述屈强比小于等于设定的屈强比阈值时，通过高低温力学性能试验设备测量热采井套管管材，得到热采井套管管材的应变参数，通过加载试验设备测量热采井套管，得到热采井套管全尺寸的应变参数，其中，所述热采井套管管材的应变参数为热采井套管的材料均匀延伸率，所述热采井套管全尺寸的应变参数为热采井套管的全尺寸均匀延伸率；

步骤103：根据所述热采井套管管材的应变参数、所述热采井套管全尺寸的应变参数和热采井套管的安全系数，依次得到所述热采井套管管材的许用应变参数和所述热采井套管全尺寸的许用应变参数，其中，所述热采井套管管材的许用应变参数为热采井套管的材料许用应变值，所述热采井套管全尺寸的许用应变参数为热采井套管的全尺寸许用应变值；

步骤104：根据所述热采井套管管材的屈强比，分别通过所述高低温力学性能试验设备和蠕变持久试验设备测量热采井套管的套管柱，得到套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，根据所述套管柱的拉伸变形量和蠕变变形量，计算得到套管柱的应变参数，其中，所述套管柱的应变参数为套管柱的工作应变值，计算套管柱的工作应变值方法如式(1)所示：

ε_Σ＝ε_z+ε_c(1)

其中，ε_Σ为套管柱的工作应变值，ε_z为套管柱的工作拉伸应变值，ε_c为套管柱的工作蠕变值；

步骤105：当所述套管柱的应变参数均小于等于所述热采井套管管材的许用应变参数和所述热采井套管全尺寸的许用应变参数，所述套管柱为所选用的套管柱。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述屈强比阈值为0.85。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤103中，得到热采井套管管材的许用应变参数方法如式(2)所示：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_m\]=\frac{{\mathrm{\δ}}_m}{S_s}---\left(2\right)$

其中，[ε_m]为热采井套管的材料许用应变值；δ_m为热采井套管的材料均匀延伸率；S_s为应变安全系数。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤103中，得到热采井套管全尺寸的许用应变参数方法如式(3)所示：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_f\]=\frac{{\mathrm{\δ}}_f}{S_s}---\left(3\right)$

其中，为热采井套管的全尺寸许用应变值；δ_f为热采井套管的全尺寸均匀延伸率；S_s为应变安全系数。