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隨著石油、天然氣等資源的不斷減少，油氣勘探、開發(fā)技術的不斷進步，熱采技術越來越多被應用于稠油油藏。不管是蒸汽驅(qū)井，還是蒸汽吞吐，其油氣通道中的篩管、套管都要經(jīng)受住持續(xù)高溫、多循環(huán)、交變的熱應力影響，尤其是隨著吞吐輪次的增加、加熱區(qū)含油飽和度的減小及地層壓力的下降，采油效果會逐漸變差，產(chǎn)量也隨之降低，隨著熱開采技術進行稠油開發(fā)已進入高輪次、后續(xù)開采階段，將不得不通過提高加熱，增加熱采頻率方法來提高產(chǎn)量。熱采井用篩管是油氣進入管柱的通道，也是阻止泥沙進入管柱的重要防護工具，篩管在高溫熱循環(huán)過程中的拉伸、壓縮等抗屈服能力直接影響到了整個管柱的壽命。研究人員以寶鋼供Φ139.7mm×7.72mm BG110H基管、中海油田服務公司生產(chǎn)的 CMS 和 CDS篩管為例，介紹了一種模擬稠油開采高溫環(huán)境下，篩管在重復熱循環(huán)下拉伸、壓縮等受力狀態(tài)的試驗方法，用以指導熱采井篩管的設計與制造。

 

稠油高溫開采模擬實驗

 

研究人員設計了一個稠油高溫開采試驗，通過采用熱采井用篩管的熱應力試驗技術分析熱采環(huán)境下篩管的受力狀態(tài)，從而對熱采油氣井的管柱及篩管的設計、制造進行指導。試驗假設在稠油熱采作業(yè)溫度環(huán)境條件下，對篩管管體和螺紋連接部分進行熱應力試驗分析，進而獲得篩管的受力狀況和損壞情況。實驗設備采用美國應力公司 SES生產(chǎn)的復合加載試驗機，該試驗機最大 拉 伸 為 3,300Kips， 最 大 壓 縮 為2,480Kips，最高加熱溫度可以達到350℃。篩管經(jīng)過礫石充填后，在熱采井中的軸向基本固定，在升溫與降溫時承受拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、內(nèi)壓和外壓等多重載荷的作用。在此過程中，將彎曲、扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為拉伸、壓縮的當量，忽略內(nèi)外壓作用，從而將整個受力過程簡化成單一的軸向拉伸與壓縮作用的過程，且在壓縮作用中不發(fā)生失穩(wěn)。試驗對篩管樣件采用感應加熱、外裹保溫材料保溫的方式來模擬稠油熱采過程中的作業(yè)環(huán)境溫度，通過施加軸向載荷來模擬實際受力狀況，記錄軸向載荷和位移，最后取出篩管試樣進行無損檢測，特別是篩套與基管的焊縫部位和螺紋連接部分，獲得篩管試樣的質(zhì)量狀態(tài)。試驗中希望獲得在高溫下篩管無伸縮時熱應力的大小，但隨著溫度的升高，篩管伸長，需要通過控制位移不變，需要對篩管兩端的堵頭進行壓縮，這種動態(tài)的變化對于機械的拉壓用的油泵控制要求很高，常常精度達不到要求，通過逆向的方法，先將篩管達到額定的溫度，篩管處于初始的自由伸縮狀態(tài)，整個篩管的伸長處于屈服范圍內(nèi)，再通過壓縮使篩管的長度處于原始狀態(tài)，記錄此時的壓縮力值即為篩管在高溫下熱應力的大小。以上模擬試驗必須滿足兩個條件：首先，整個熱應力大小處于篩管的彈性變形內(nèi)。試驗中，整個篩管在熱應力作用下，假設沒有屈服即為在彈性變形內(nèi)。其次，篩管的初始狀態(tài)，即篩管位移、拉伸力與壓縮力均已知。為了消除篩管管柱在設備精度、安裝過程中摩擦阻力的影響因素，應將篩管管柱預先施加 10% 拉伸強度的壓縮力，在最終壓縮力與初始壓縮力的差值，即為熱應力。試驗全程對加熱溫度、篩管位移，壓縮/ 拉伸力進行記錄。加熱采用線圈感應加熱，線圈纏繞長度不低于管柱全長的75%（1.8m/2.4m），取用三個溫度監(jiān)測點，分別在套管基管、接箍與篩管焊縫處，降溫采用風冷至額定溫度。

 

稠油高溫開采模擬試驗全過程

 

試驗主要分為在線試驗與離線的檢驗兩部分程序。在線試驗包括接頭上卸扣試驗、熱循環(huán)試驗；離線檢驗包括試驗完成后對接頭形貌，篩管焊縫探傷檢驗等。試驗流程如下：篩管基管上卸扣試驗（參照 ISO13679）；堵頭焊接( 用于拉伸與壓縮試驗連接試驗設備與管柱的部分 )；試驗系統(tǒng)（檢測控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、加熱保溫系統(tǒng)）調(diào)試；篩管試樣準備，纏加熱線圈，溫度監(jiān)測點，加熱段長度為 1.8m（含篩套和接箍）；安裝測試系統(tǒng)，溫度、載荷與位移監(jiān)測傳感器；篩管樣件就位，預施加軸向載荷以消除軸向裝配間隙，記錄初始壓縮力與位移；加熱至額定溫度，保持軸向載荷為零（試樣自由伸長）；保溫 0.5 小時，測伸長量；保持設定溫度，將試樣壓縮至設定位置，記錄壓縮力；保持試樣軸向伸長為零，降溫至60±10℃，保溫 1 小時；保持試樣軸向伸長為零，加熱至設定溫度，保溫 1小時；保持試樣軸向伸長為零，降溫至60±10℃，保溫 1 小時；重復 K-L 循環(huán)一次；冷卻至室溫；最后離線檢驗。加工完成后的試驗樣件，主要由施加拉伸與壓縮的堵頭、篩管部分、接箍和基管組成，試驗中篩套與基管的焊縫、接箍及套管是整個熱應力試驗的重點考察對象，因而在樣件安裝后，在以上三個位置各有溫度監(jiān)測傳感器，篩管外包裹保溫石棉，石棉外纏繞感應加熱線圈，溫度傳感器焊接在管柱上，實時監(jiān)測樣件的溫度。

 

CDS 與 CMS 篩管熱應力試驗

 

CDS 篩管熱應力試驗主要考察篩管 在 高 溫 350 ℃（662 ℉） 下 熱 應 力的 大 小， 試 驗 過 程 中 首 先 將 CDS 篩管 壓 縮 -50Kips， 記 錄 此 時 篩 管 的初 始 位 移， 加 熱 至 350±5 ℃， 保 溫30min，再壓縮至加熱前初始位置或篩管屈服，記錄壓縮力與最終位移值。CDS 篩 管 在 保 溫 350 ℃ 30min 后，壓縮力到 330kips（實際加載壓縮力280kips），未達到初始長度狀態(tài)篩管發(fā)生屈服。CMS 篩管熱應力試驗主要 考 察 篩 管 在 300 ℃（572 ℉） 下 熱應力的大小，試驗過程中首先將 CMS篩管壓縮 -50Kips，記錄此時篩管的初 始 位 移， 加 熱 至 300±5 ℃， 保 溫30min，再壓縮至 -300kips，記錄壓縮力與最終位移值，冷卻至常溫，再循環(huán)加熱、壓縮，反復進行加熱、冷卻后，篩管未發(fā)生任何屈服失效。試驗記錄了 CDS 與 CMS 篩管在熱應力試驗過程中位移、壓縮力等參數(shù)的變化。其中，“初始壓縮力”是指加熱之前，用于消除安裝誤差與設備精度誤差的，施加給篩管的壓縮力；“初始位移”是指加熱之前，施加“初始壓縮力”后篩管的位移值；“加熱后位移”是指加熱至“加熱溫度”后篩管的位移值；“加熱伸長矢量”是指“加熱溫度”下，“加熱后位移”減去“初始位移”的矢量；“最終壓縮力”是指在“加熱溫度”下施加的最大壓縮力；“壓縮力矢量”是指在“加熱溫度”下，“最終壓縮力”減去“初始壓縮力”的矢量；“最終位移”是指在“加熱溫度”下，施加“最終壓縮力”，篩管壓縮到的最終位移值；“恢復位移矢量”，是指在“加熱溫度”下，施加“最終壓縮力”，篩管離“初始壓縮力”時的“初始位移”的位移矢量；“壓縮效率”是指“壓縮力矢量”比較中“基管 / 接頭抗拉強度”的比例。

 

可以看出，CDS 篩管在高溫 350℃保溫 30min 后，伸長了 8.56mm，再壓縮至管體拉伸強度 51.2% 時，篩管發(fā)生了失穩(wěn)；CMS 篩管在 300 ℃保溫30min 后，伸長了 6.6mm 以上，壓縮至拉伸強度 45.7% 時，循環(huán) 5 次加熱，未發(fā)生失效。Φ139.7mm CDS 篩管在加熱至 350℃保溫 30min 后，篩管伸長了 8.56mm，再壓縮至管體拉伸強度 51.2% 時，篩管發(fā)生了失穩(wěn)；CMS篩管在 300 ℃保溫 30min 后，伸長了6.6mm 以上，壓縮至拉伸強度 45.7%時，循環(huán) 5 次加熱，未發(fā)生失效。CDS與 CMS 篩管經(jīng)歷加熱循環(huán)試驗后，接頭、基管焊縫均未發(fā)現(xiàn)缺陷，經(jīng)過探傷檢驗，所有 CDS（篩套失效）與 CMS篩管在加熱至額定溫度，篩套與篩管基管之間的焊縫以及篩管基管未發(fā)現(xiàn)缺陷，質(zhì)量合格。

 

對試驗完成后的 CDS/CMS 篩管的接頭卸開，并參照 API SPEC 5B 檢驗，所有參數(shù)均符合要求，對參數(shù)檢驗完成后的接箍與管體螺紋剖開進行檢驗，未發(fā)生任何缺陷。實驗過程中采用先加熱，后壓縮的方法能保證熱應力試驗中加熱伸長、壓縮位移的精確值，了解熱采過程中篩管的受力過程，采用預施加壓縮力的方法，減少試驗安裝誤差，系統(tǒng)精度誤差帶來的影響.