采Ｔ艺， ０ ２ ２ （ ） －０ － ２０ ， １ ：８１． ４
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１ ）热采井套管破坏主要是热应力造成的。 ２ ）现有的防止热采井套管破坏的固井方法和技 术措施不能从根本上解决热采井问题。 ３ ）预压固井可以使套管在整个热采过程中都处 于弹性状态 。
厂 Ｌ
套管的受热膨胀 ，从而产生了热应力。为此，只要在 水泥凝固之前，让套管有一定的预膨胀 ，水泥浆在套 管膨胀的条件下凝固，就会减少注汽过程中套管内的 热应力 。
热油管固定在套管内，在油管与套管的环形空间注满 氮气。蒸汽吞吐法是利用注汽设备从隔热油管内将饱 和蒸汽注人油层 ，从而加热油层 ，降低原油的粘度 ， 使地层压力升高，再炯井一定时间后 ，井 口放喷采 油。注蒸汽驱法是利用注汽设备从隔热油管内将饱和 蒸汽注人油层，驱动原油流向周围采油井。 在注蒸汽期间，井下高温使油井套管柱产生热应 力，从而发生塑性屈服 ，在不均匀的外压力和套管本 身不均匀等因素作用下，套管产生变形［１ Ｌ 。当停注 ｌ － ７ 开采时，井下温度下降，套管弹性应力降低，塑性变 形保留，从而产生轴向拉应力 ，常使套管脱扣。
院钻井工程专业，１９ 年 于石油大学 （ ９２ 北京）获博士 学位 ， ９２ １９ －９４ １９ 年为哈 尔滨工业大学力学博士后 ，现为燕山大学石油工程 研 究所所长，博士生导师。系本刊编委 。 联系电话 ０ ３ ） ９ １ ：（３５ ８ ７２ １ ０
１ 理论模型
热采井套管破坏的主要原因是水泥固结后限制了
为：
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如果固井 时的预压强为 ３ＭＰ ，固井过程 中套 ０ ａ 管的应力强度 １７ ａ 套管正常；当注汽温度达到 ７ＭＰ ， ３０ ６ ０时，套管 的应力强度为 ４３ ａ 材料 的屈服 Ｃ ６ＭＰ ， 强度为 ５９ ａ 套管正常；当温度降到原始温度 ６ １ＭＰ ， ５ ｏ时，套管的应力强度为 ２ １ ａ 材料 的屈服强度 Ｃ ４ＭＰ ，
万方数据
第３ ３卷第 １ 期
李子丰 ：热采 井预压 固井技 术
７
向应力 ；Ｅ为套管的初始切向应力。 ｒ ａ
２ 计算示例
设某井套管外径 ０１７ｍ＇， ． ８ ［ 内径 ０１９ｍ， ７ ａ ］ ． ４ 钢 ５ 级 Ｎ０ ８，下 深 １０ｍ；固井 期 间管外 液 体 密度 ５０ １０ｋ／ ３ ８０ｇｍ ，管内液体密度 １０ ｋ／ ３ １０ ｍ ；生产期间管 ｇ
３ ０ ． ６Ｔ
式中， ， ｐ 为套管的预内压； ． ６为套管的预内压产生 Ｙ 的轴向应力； ｒ Ｃ为套管的预内压产生的径向应力； ｙ ‘
为套管的预内压产生的切向应力。 生产过程中，如果套管与水泥环间产生裂隙，剩 余的应力为：
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２１ 常规固井 ．
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合，对采油影响不大。
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卢小庆，方华，张冬梅，等． 高强度热采井专用套管 Ｔ １０ Ｐ ０Ｈ
的开发 ［］． Ｊ 钢铁 ，２０ ， （０ ： －５ ０ １ ３ １） ２ ２． ６ ４
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４ 结
论
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高宝奎． 高温引起的套管附加载荷实用计算模型 ［］． Ｊ 石油钻
（） ２
１３ 预压在套管内产生的应力 ．
水泥凝固过程中，预压所产生的应力为：
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外液体密度 １４ｋ／ ３ ００ ｇｍ ，管内液体密度 ０ ；下端轴向 负荷为 ０ 地层温度梯度为 ００ ０／ ； ． Ｃ ｍ；蒸汽温度为 ３
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｜ 日
「
贾选红，刘玉． 辽河油 田稠油井套管损坏原 因分析与治理措施
［］． Ｊ 特种油气藏， ０３ １ （） －１ ２０ ， ２ ： ７． ０ ６ ９
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习 ｜ 「
周羽， 吴鸿麟， 应明． 热采水平井套管应力分析的摄动有限元方
法 ［］． Ｊ 清华大学学报 （ 自然科学版） ００ ４ （２ ： ，２０ ， １） １－ ０ ０
公式为 ：
５０
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正常
３ 施工程序
在注完水泥浆后 ，立即将预压管柱下人热采井 段，将封隔器安放在将来注汽封隔器的上方一点 ，向 热采层段套管加压到预定的压力并维持 ，使水泥浆在 预压下凝固。水泥终凝后 ，将预压管柱提出。
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如果常规固井，不施加预压强，固井过程中套管 的应力强度 １４ ａ 套管正常。生产过程中，井底 １ＭＰ ， 温度为 ６ ０ 时，套管的应力强度为 １５ ａ 材料的 ５ Ｃ ５ ， ＭＰ 屈服强度为 ５８ ａ＇ 套管正常；当注汽温度达到 ６ＭＰ［ ， １ ］ ３０ ６ ０时，套管 的应力强度为 ６８ ａ 材料 的屈服 Ｃ ６ＭＰ ， 强度为 ５９ ａ 套管会发生屈服破坏。这就是热采 １ＭＰ ， 井套管破坏的主要原因。
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２２ 预压固井 ．
１４ 注汽和采油作业过程中套管的应力 ．
设套管 的温度 为 Ｔ ，如果 ａ
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ｐｄｄ 套管与水泥环紧密接触 ，则套管 中总应力 ， ？ ｏ ｄ一ｄ 且 ２ Ｉ ’
摘 要 ：计算表明，注蒸汽稠油井如果用常规方法固井，在通常的注汽温度下，套管都 因热应力而产生屈服 变 形。 目 前现场常用的防止套管热破坏方法不能从根本上解决 问题。提 出了热采井预压 固井技术，即在注水泥结束后 ， 向油层套管施加压力，使套管膨胀。计算 实例表 明，采用预压 固井技 术后 ，热来 井在整个生产周期 内，套 管不但正
第 ３ 卷第 １ ３ 期 ２０ 年 １ ０５ 月
石 油 钻 探 技 术 Ｐ ＴＲ Ｅ Ｅ ＯＬ ＵＭ Ｄ Ｉ Ｌ ＮＧ Ｔ Ｃ Ｒ Ｌ Ｉ Ｅ ＨＮＩ ＱＵＥ Ｓ
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月教授专家专栏 卜
热采井预压 固井技术
李子丰
（ 燕山大学石油工程研究所 ， 河北秦皇岛 ０ ６０ ） ６０４
３ ）套管内壁为计算点。
１２ 常规固井过程中套管内的应力 ．
常规固井时，套管内的应力为［ １ ９ １
。 ‘
现 提拉预应 套 有的 力、 管伸缩短节和 热 全预 应力
（） １
等固井技术和措施 ，应用效果不理想 ，不能从根本上
解决热采井套管变形的问题［ 。为此，笔者研究开发 ［ ８ １ 了一种安全、便于实施的防止热采井套管破坏的固井 方法— 预压固井技术 ，在理论上可实现在整个开采 过程中，套管一直处于弹性状态 ，不发生塑性变形 ， 从而可以解决套管热破坏问题 。该技术的实施程序是 在注水泥完毕后 ，通过管柱从井 口向井 内下人封隔 器，在将来的注汽封隔器上方坐封，通过管柱内液体 向油层套管施加压力 ，套管膨胀 ，水泥凝固，水泥终
常，而且还有较大的安全系 数。给出了热采过程中，套管内应力的计算模型。
关键词 ：注蒸汽；套管损坏；套管应力；固井；数学模型 中图分类号 ：Ｔ ２６ 文献标识码 ：Ａ Ｅ５ 文章编号：１０－８０ ０５ ０－０６ ３ ０１ ９ （ ０ ） ００－ ０ ２ １ ０
注蒸汽是开采稠油油藏时应用最广泛、效益较高 的方法之一。辽河油田和胜利油田的许多稠油井采用 了这种生产方式。注蒸汽采油可分为注蒸汽驱和蒸汽 吞吐两种，均将隔热油管下至近油层，用封隔器把隔
压强必须恰当。
表 １ 预压强与套管的受力和状态
预压强／ ａ ＭＰ 注汽条件 下
原 始 地 温下
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应力强度／ ａ ＭＰ
内ｈ
状态 屈服
应力强度／ ａ ＭＰ
１ ５ ５ １０ ８ ２ ９ ０ ２ １ ４
状态
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式中，。为套管的轴 向应力；Ｕ为套管的径 向应力 ； ： ｒ 。 ， 为套管的切向应力；Ｅ为当前温度下套管钢材的弹
ｌ了 ．
Ｓ ｉ Ｒ Ａｉ ａｇｎ ， ｅｉ ｉｏ ｉ ｉｒ ｐｎｅ ｍｔ ｈ Ｊ ｌｓ ａ Ｎ Ｔｌ ＳＭｃ ｓｓ ｃ ｏｓｏ ， ｎ ｎ Ｓ ａ ｂ ． ｒ ｅｍ ｅ ｓ ｆ
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１１ 基本假设 ．
油井在热采过程中，套管内的应力和套管材料的 力学性能都是随温度而变化的。套管的屈服强度、弹 性模量、线胀系数和泊松比都是温度的函数。因而精 确计算热应力是比较复杂的，为此做如下假设 ： １ ）某一温度下的热应力是当前温度下的线胀系 数 、弹性模量和温度增量的线性函数； ２ ）凝固后的水泥环的内径不变 ；
为５８ ａ 套管正常；整个生产周期内， ６ＭＰ ， 套管不但
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ＥＴ Ｑ６ ａ ）｝ （ １Ｔ Ｙ － ＋ － ， ｕ ２３ 预压强与套管的应力 ．
（） ４
正常，而且还有比较大的安全系数 。
ＥＴ Ｑ６ ａ ）ｒ １ ＋ （Ｔ Ｙ － － ， ｕ
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凝后取出封隔器 。
式中，Ｆ 为该点套管的轴向拉力 ；ｄ 为套管的外径 ； ： 。