模拟石油套管在单井吞吐注蒸汽稠油热采井中复合受力的评价实验研究.pdf

2 0 1 0 年第5 期 天j 幸 ， 案 分 模拟石油套管在单井吞吐注蒸汽稠油热采井中 复合受力的评价实验研究 刘金海 严 峰 卢小庆 李恒政 1天津钢管集团股份有限公司， 天津 3 0 0 3 0 1 2中石油新疆油田公司， 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 [ 摘要】 在 A P I 系列中没有稠油热采井专用套管， 油田只能选用普通 A P I 套管。 但在使用中A P I 套管过早损坏， 导致油井 提前报废， 给油田造成较大的经济损失。通过在实验室进行模拟单井吞吐注蒸汽稠油热采井中油层石油套管柱的复合受力评 价试验 ， 证明其屈服强度明显下降既 A P I 系列的 N 8 0石油套管不适合用作单井吞吐注蒸汽稠油热采井的油层套管。 关键词吞吐注蒸汽稠 油热采井石油套管评价试验 1 前言 随着石油工业发展 的深入 ， 开采稠油 已成为各 大 油田稳产、 高产的主要措施之一， 但由于长期以来 ， 在 A P I 系列中没有稠油热采井专用套管 ， 国内、 外也没 有任何 厂家开发 出稠油热采井专用套管 ， 油 田只能选 用普通 A P I 套管 。 热采井 的钻 、 采工艺有其特殊性 ， 使 用 A P I 套管后， 由于套管的过早损坏导致油井的提前 报废率较高 ， 给油田造成较大的经济损失。 稠油是一种粘度高 、 流动性差的重质原油 。目前 ， 普遍采用的是单井吞吐注蒸汽的方法开采， 注蒸汽的 平均温度在 3 2 0℃左右， 有的高达 3 7 5 c IC 。在向稠油 热采井中注入蒸 汽的过程 中， 套管受热时由于受 到约 束而无法膨胀 ， 从而受到较大 的压应 力作用 ， 而在停 注采油的过程中，由于金属材料的松弛和蠕变作用， 套管又受到较大的拉应力作用。据有关资料统计， 稠 油热采井的套损率平均为 3 0 ％以上 ，局部区块达到 7 0 ％， 列油 田套管损坏率之首。 国内某油 田的某稠油 区块是一个新 开发 的稠油 区块。 该 区块的 Y 3 7 0 7 井的油层套管使用的是 A P I 系 列的 1 3 9 ． 7 0 m m 7 ． 7 2 m m N 8 0长圆扣套管。 油层套 管下深 1 0 4 5 m。该井在第一轮注汽三天 、 闷井三天 、 正常采油七天后 由于砂堵 进行检泵作业 时 ， 发现油层 套 管在 离井 口 7 2 ． 0 7 m的部位发生损坏 ， 后经套 洗从 井 内提取套管 ， 发现套管公端管体在离接箍接近的部 位发生断裂失效。该井 的最高注汽温度 3 6 2℃， 平 均 注汽温度 3 4 6℃， 最高注汽压力 1 5 _ 3 MP a 。为 了进一 步分析套管失效原 因 ，对 1 3 9 ． 7 0 ra m 7 ． 7 2 m m N 8 0 长 圆扣套管进行模 拟 国内某油 田的杨楼稠油 区块现 场注采工况的评价试验 。 2 试 验方法 2． 1试 验 项 目 2 ． 1 ． 1 上扣试 验及模拟 国 内某油 田的杨楼稠 油区块 现场注采工况的拉一 压应力循 环试验 。上扣试验主要 在上／ 卸扣试验机上进行， 模拟现场注采工况的拉一 压 应力循环试验主要在复合加载试验机上进行。 将陶瓷 加热带缠绕在已连接好的试样接头的外表面并对试 样进行 加热升温 ， 并在加热带外面包裹石棉布对试样 进行保温 。见 图 1 。 热电偶 一 1 热审．偶 一 2 热电偶 一 3 图 1 试 样 加 热及 测 温 不 恿 图 2 ． 1 ． 2 从天津钢管集团股份有限公司成品库中抽取 一 支成品套管， 与 Y 3 7 0 7 井油层套管规格、 钢级、 扣型 相同。 从该套管上截取试样 ， 并对试样进行化学成分 、 拉伸性能 、 冲击性能及高温拉伸性能进行检验。具体 套管材料力学性 能检验结果见表 1 、 表 2 及表 3 。 套管 材料屈服强度随温度变化曲线见 图 2 。 表 1 化学成分检验结果 ／ w t ％ C S i Mn P S Ni Cr Mo CU Al 0 ． 0 1 9 O ． 0 o 3 O ． 0 5 0 ． 0 7 0 ． 01 0． 1 7 0 ． O 2l 表 2 拉伸性能检验结果 表 3 冲击韧性检验结果 模拟石油套管在单井吞吐注蒸汽稠油热采井中复合受力 的评价实验研究 虎 ～ 醴 吐 ∞ 哩 温 度 ／ 图 2 N 8 0 、 T P1 1 0 H套管材料屈服强度随温度变化 曲线 2 ． 2上 扣 试 验 按 A P I R P 5 C 1 推荐的最佳扭矩 f 4 7 0 0 N ． m 1 控 制上 扣 。 上扣试验执行一 次上扣 ， 并记 录最终上 扣扭矩 、 上 扣 圈数等参数 。 2 ． 3 模 拟现场注采工况的拉 一压应 力循环试验 2 ． 3 ． 1 模拟现场 注采工 况的拉一 压应力 循环试验主要 对试样施 加轴向拉应力 和轴 向压应力 的循环应力 ， 每 施 加一次 拉应力 、 一次压应 力作为 一个循环 ， 其 中拉 应力在室温下进行 ， 压应力在用户温度下进行 。 2 ． 3 - 2 用户温度按油 田实际的最高注汽温度 3 6 2 c 【 进行 。应力水 平按最低 3 5 0 MP a 开 始进行 第 1 次循 环 ， 以后 每增加 一次循 环 ， 应力 增加 5 0 M P a ， 直至试 样失效 断裂 、 滑脱 或 出现严重变形则终 止试 验。试 验 时 的最 大 应 力 为 N 8 0套 管 的最 小 屈 服 强 度 5 5 2 MP a 。 3 试验 过程及 结果 3 ． 1 上 扣 试 验 上扣试验过程及 结果见表 4 。 表 4上扣试 验过 程及结果 3 ． 2 模拟现 场注采工况的拉 一压应力循环试验 3 ． 2 ． 1 试样 上扣后 ， 首先 焊接 夹持堵 头 ， 其次 缠绕 电 阻丝加热带及安装热电偶 ， 最后将试样安装在复合加 载试验机上。 其中试样有效长度为 1 ． 7 m， 电阻丝加热 带缠绕长度为 1 ． 1 m，位移传感器标距长度为 1 ． 2 m 试 样安装示 意 图见 图 1 。 图 3为试样 安装 在试 验 机上 的实物照片 。 图 3试 样 安 装 在 试 验 机 上 的 实 物 照 片 3 ． 2 ． 2 试样在经过第一次拉一 压循环后 ，在进行第二 次拉一 压循环 开始时 ， 当压缩 力加到 2 4 1 k N 7 6 M P a 时 ， 由于试样发生较大的塑性变形 ， 无法对试样进行 进一步加载 ， 只得 终止试验 。详细试验 过程及结果见 表 5 ， 试验前后试样 的几何尺寸变化见表 6 及表 7 。 试 验后试样失效 的形貌见 图 4 。 表 5 模拟现场注采工况的拉 一压应力循环试验过程及结果 横截面 试验前 试 验后 △D A C B D 平均值 AC B D 平均值 1 5 4- 3 O 1 5 4．7 0 1 5 4．5 O 1 4 0．5 O l 5 4 ． 4 5 1 5 4 ． 6 5 1 5 4 ． 6 o 1 4 0 35 l 5 5．0 o 1 5 4．9 O 1 5 4．7 O 1 4 2．7 0 1 5 4 ． 4 0 1 5 5 ． o 0 1 5 4 ． 9 0 1 4 4 ． o o 1 5 4 ． 7 O O I 2 5 1 5 4 ． 9 5 O ． 3 O 1 5 4 ． 8 0 O ． 2 O 1 4 3 l 3 5 3 ． o o 5 1 4 0 ． 5 0 1 4 0． 1 0 1 4 0 ． 3 0 1 43 ． 8 0 1 4 4 ． 4 0 1 4 4 ． 1 O 3 ． 8 O 注 横截 面 1 、 2 、 3为接箍 ， 4 、 5为靠近接箍两端 的管体 ； △D指 的是 试验后接箍 和管体外径的胀大量 。 3 ． 2 ． 3 试验进行到第七步时 ，当压缩力加至 2 4 1 k N 时 ， 试样 出现 明显 的塑 性变形 ， 终止试验 。失效形貌 试样的两个公端管体分别出现了外凸竹节形变形。 其 中 ， 上 端 工厂端 出现一 个离 接箍 端面 9 0 m m较大 的竹节 ， 竹节 的最 大高度为 3 0 m m。下端 试验端 出 ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞0 l 9 8 7 6 5 4 3 21 ∞ ∞ 加加 4 4 4 O 2 M 1 2 3 4 2 0 1 0 年第5 期 久舜坛 分 现弯曲变形 ， 并形成两个外凸竹节， 离接箍端面的距 和 1 5 ra m 形貌详见图 4 。 离分别为 5 5 m m和 1 3 5 m m，外凸高度分别为 3 r n m 表 7 试验前后试 样壁厚的变化 ／ mm 图 4 失效后试样的形貌 在复合力载荷架上 4 试验结果的分析 与讨论 4 ． 1 从模 拟稠油 热采井 现场注采 工况 的拉一 压循环 试验结果看， 该套管在接近油田现场注汽温度的工况 条件下， 在第一轮施加最大 1 1 2 2 k N 对应 3 5 2 M P a 应力 轴向压缩载荷， 在保载的过程中试样出现了轴 向位移 位移量接近 2 ． 6 m m ， 后将试样降至室温后， 又施加 了最 大 1 1 1 8 k N 对 应 3 5 1 M P a 的轴 向拉 伸 载荷并保载 6 0 m i n ， 在 此过程 中， 从试 验 曲线看试 样 没有 明显的变形 。 在第二轮升温至接近油田现场注汽 温度并保温 6 0 m i n 后 ， 对试样施加轴向压缩载荷， 当 载荷 加到 2 4 1 k N 对应 7 6 M P a 应力 时试样 发生 明 显的屈服变形。降温后观察发现， 试样的两个公端管 体分别出现 了外 凸竹节形变形 。其中 ， 上端 工厂端 出现一个离接箍端面 9 0 m m较大 的竹 节 ，竹节的最 大高度为 3 O m m。下端 试验端 出现弯曲变形 ， 并形 成两个外凸竹节 ，离 接箍端 面的距 离分别 为 5 5 mm 和 1 3 5 mm， 外 凸高度分别为 3 m m和 l 5 m m。试验前 后按本报告的图 2标示的位置测量套管试样接箍和 管体的尺寸，发现接箍的外径胀大的很小 小于 0 _ 3 m m ， 而两公端靠近螺纹消失点 1 0 m m处的管体外径 却发生 了明显 的胀 大 超过 3 mm ， 同时这两个 部位 的壁厚也有所增加。 该套管在将其加热至接近油田现 场注汽温度 3 6 2℃ 并保温 1 h的条件下 ， 施加 3 5 0 M P a 的拉一 压应力循环 ，一轮循环后套管就发生明显 失效。 4 ． 2 采用同样的实验方法和步骤。 我们对天津钢管公 司开发的稠油热采井专用套管 T P 1 1 0 H进行了模拟 评价试验． 试样 经过 5 个拉一 压应力循环后 ， 在 3 7 5 o C 温度下仍能承受 7 0 0 M P a的轴向应力。试验结束后 T P 1 1 0 H套管和 N 8 0 套管的螺纹变形情况见图5和图 6 。从图中可 以看 出 N 8 0公螺纹发生 了明显 的变形而 T P 1 1 0 H套管基本没有 。 图 5 T P 1 1 0 H试样试验后剖开截面的照片 图 6 N 8 0试验后剖开截面的照片 4 3由于该套管为普通 A P I N 8 0 套管，在 A P I 标准 中对 N 8 0 套管只作了常温拉伸性能的要求 ， 而在高温 情况下套 管的拉伸性能未作任何规定 。 对制管材料的 合金成分含量也未作任何要求和规定， 所以套管生产 使用外部参照进行 曲面抱紧机构的逆 向工程 使用外部参照进行 曲面抱紧机构 的逆 向工程 曹丙起 曹珥 天津天铁 集团天铁 轧二制钢有限公 司， 天津 3 0 0 4 0 0 [ 摘 要 ] 介绍 了使用外部参照进行 曲面抱 紧机构逆向工程的设计理念 ， 着重阐述了利用 P r o ／ E软件 进行逆向工程的操 作 步骤 ，包括 数据采集 、 使用跟踪草绘 、 插人 图片与实际 比例拟合 、 创建模型等程序 。 并用运动仿真 的方式选择相关的分析类型 ， 对完整的曲面抱紧机构验证其结果的可靠性。同时还分析了逆向工程的优势和存在的问题。 关键词抱 紧机 构逆 向工程软件技 术体 系 模 型 1 引言 随着 电子计算 机的发展 ， 现代机械设计 方法也 日 趋多样化 ，利用先进 的 C A B ,C A E工具对机 械系统开 展研究 已成为一种趋 势 ， 而逆 向工程 就是 一种非常高 效 的产 品设计思路和制造方法 。 本文从逆 向工程 的一 方面进行 阐述 ， 最终实现 目标机构与零件的测绘 。 2 所谓逆 向工程 逆 向工 程 R e v e r s e E n g i n e e r ， 简 称 R E 也 称反 求 工程 、 反 向工程等 ， 其思想最初来 自从油泥模型到产 品实物的设计过程。 作为消化吸收先进技术的一种手 段 ， 从 2 0 世 纪 9 0年代 初 ， 逆 向_T程技 术开始 引起 各 国工业 界和学术界 的高度重 视 ， 特别是随着现代计 算 机技术 及测 试技 术 的发 展 ，利用 C A D ／ C A E ／ C A M技 术 、 先进 制造技术 来实现 产品实 物的逆 向工程 ， 已成 为逆 向技术应用 的主要 内容 。 逆 向工程 与传统 的产 品 正向设计 方法不 同， 它根据 已存在 的产品或零件 的工 程设计模型，在此基础上对 已有产品进行剖析和改 进 ， 是对 已有 产品的再设计 。逆 向工 程的主要任务是 将原 始物理模 型转化 为工程设 计概 念或 产 品数 字化 模 型 一方面为提高工程设计及 加工分析 的质量和效 率提供充足的信息，另一方面为充分利用 C A D ／ C A E ／ C A M技 术对 已有 的产 品进行再设计服务 。 3逆 向工程软件的选择 逆 向工 程 中 C A D模 型重 建的核心是 通过 对测 量数据 的处 理 ， 提取模型所需 的表征零件形状 特征的 数据 。 基于特征 的模型重建 的研究主要集 中在特征识 别 ， 包括边界曲线和曲面， 研究对象主要是规则特征。 逆 向工程软件是 实现反求设计 的主要操作 工具 之一。 行业 内常见的专用逆向工程软件有很多，如 I m a g e w a r e 、 P a r a ff o m、 G e o m a g i c 等 ，此外还有 很多集成 了逆 向功能模块 的大型 C A X软件 ， 如 V I C公 司 的 P r o ／ E N G I N E E R、 西门子公司的 U G S等 ， 本次设计含盖流程 较多 ， 单一逆向软件无法胜任 ， 而软件间的数据转换 势 必会 对 模 型驱 动参 数 的 可 操作 性 造 成 影 响 ， P r o ／ E N G I N E E R是当今最为普及的 3 D C A X设计系统 ， 它 集零件设计 、 产品装配、 模具开发 、 N C加工 、 钣金设 计 、 铸造件设计、 造型设计 、 逆向工程、 自动测量、 机构 设计、 仿真、 C A E分析 、 产品数据库管理、 协同设计开 厂家 采用普 通 c 、 Mn 钢 就可 以生产 出合格 的 N 8 0套 管 。这样 的套管 的热 稳定性肯定 较差 见图 1 ， 其 在 高温情况下发生失效 也是在所难免 的 ， 除非选 用热稳 定性能好的 C 卜Mo 钢作为制管材料。 5 结论与建议 5 ． 1 采用 普通 C Mn 钢 制造 的 N 8 0套管 热稳定性 较 差 ， 在 注蒸 汽的环境温 度下 3 6 2℃ 套管 材料 的屈 服 强度下降明显。 5 ． 2 在注蒸汽的环境温度下，普通 N 8 0套管受轴向 拉 、 压循 环应力 的作用 时 ， 在低 于套管材 料屈 服强度 时就发生套 管失效 。由此 可见 ， 普通 N 8 0套管不适合 注蒸 汽稠油热采井 中使用 。 5 ． 3 针对稠油热 采井 的实 际注采工 况 ，应有 针对性 地设计 开发热稳定性能好 、 抗拉压变形 能力强的专用 套管。目前， 国内的天津钢管集团股份有限公司等大 的套管制造 厂均 已开发 出此 类套管 并在油 田批量 使 用 ， 效果非常 明显 。 收稿2 0 1 0 0 6 2 5 责编崔建华 参考文献 [ 1 ] A me r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e A P I S P E C ．5 C T 2 0 0 1 ， 2 5 - 2 7 [ 2 ] A me r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e A P I S P E C．S T D 5 B 1 9 9 6 ， 1 8 [ 3 ] 张锐等． 稠油热采技术[ M] ． 北京 石油工业出版社 ， 1 9 9 9， 1 - 5 ． 作者 简介 刘金海 ，高级 工程师 ， 1 9 8 7年 于北京钢铁 学院热能 工程系毕 业 ， 现在天津钢管集 团股份有 限公司 ， 从事金属热能和机加工工作 。