隨著石油、天然氣等資源的不斷減少，油氣勘探、開發技術的不斷進步，熱采技術越來越多被應用于稠油油藏。不管是蒸汽驅井，還是蒸汽吞吐，其油氣通道中的篩管、套管都要經受住持續高溫、多循環、交變的熱應力影響，尤其是隨著吞吐輪次的增加、加熱區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，產量也隨之降低，隨著熱開采技術進行稠油開發已進入高輪次、后續開采階段，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的 CMS 和 CDS篩管為例，介紹了一種模擬稠油開采高溫環境下，篩管在重復熱循環下拉伸、壓縮等受力狀態的試驗方法，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境下篩管的受力狀態，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溫度環境條件下，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、內壓和外壓等多重載荷的作用。在此過程中，將彎曲、扭轉轉化為拉伸、壓縮的當量，忽略內外壓作用，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生失穩。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環境溫度，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，獲得篩管試樣的質量狀態。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，整個篩管的伸長處于屈服范圍內，再通過壓縮使篩管的長度處于原始狀態，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。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。其次，篩管的初始狀態，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（檢測控制系統、加載系統、加熱保溫系統）調試；篩管試樣準備，纏加熱線圈，溫度監測點，加熱段長度為 1.8m（含篩套和接箍）；安裝測試系統，溫度、載荷與位移監測傳感器；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篩管發生屈服。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，再循環加熱、壓縮，反復進行加熱、冷卻后，篩管未發生任何屈服失效。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，篩管發生了失穩；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 5 次加熱，未發生失效。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，篩管發生了失穩；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 5 次加熱，未發生失效。CDS與 CMS 篩管經歷加熱循環試驗后，接頭、基管焊縫均未發現缺陷，經過探傷檢驗，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現缺陷，質量合格。

 

對試驗完成后的 CDS/CMS 篩管的接頭卸開，并參照 API SPEC 5B 檢驗，所有參數均符合要求，對參數檢驗完成后的接箍與管體螺紋剖開進行檢驗，未發生任何缺陷。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，系統精度誤差帶來的影響.