基于应变的油砂SAGD井储层段管柱设计优化及应用

胡伟杰,廖建华,林志强,李斌,李福明

(1.中国海洋石油国际有限公司，北京 100027；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

加拿大油砂资源极为丰富，主要分布在阿萨巴斯卡、冷湖和匹斯河3个区域，总资源量约4 000亿t，其中约240亿t分布在埋深75 m内，可以采用矿采方式开发；其余的3 760亿t埋深较深，需要采用就地开发方式开发。油砂就地开发方式包括蒸汽辅助重力泄油(steam assisted gravity drainage，SAGD)开发和蒸汽吞吐开发两种。自2000年开始，SAGD技术逐渐成为目前加拿大油砂经济开发的主要方式。该技术通过钻2口平行距离约5 m、地下相距约1 km深度的水平井，将蒸汽从上方的井不断注入，从而对油砂层进行加热、软化，油砂依靠重力流入下方的井中并被抽出。加拿大某区块油田采用双水平井的井对形式开发，油砂SAGD开发技术排在世界前列，已经实现了在产区块开发的持续优化，但在开发过程中仍然有一些技术难题需要解决[1-3]，例如在油砂SAGD水平井注蒸汽生产过程中，高温蒸汽、地层出砂沉降等原因导致作用在储层段管柱上的应力有可能在首次施加时就已经超出管柱屈服强度，产生永久塑性变形。有的地区储层段管柱损坏机率甚至超过30%，管柱不能继续服役，修井难度大、费用高，成为影响油砂高效开发的重要因素。本文结合加拿大油砂SAGD水平井注蒸汽生产过程，提出油砂SAGD井储层段管柱设计优化方法，并基于应变的设计方法进行了室内模拟试验，确定了管柱最大的应变位置。通过研究该优化方法对储层段管柱设计的影响，并且在加拿大的某油砂SAGD井进行了成果应用，为进一步优化油砂钻完井储层段管柱设计提供了指导。

1 储层段管柱受力载荷分析

一般情况下，加拿大典型的油砂SAGD水平井需要在水平裸眼段下入绕丝筛管。但有时由于油藏物性不好，需要下筛管和盲管的交替组合。作业设计要求在完井过程中储层段管柱处于弹性状态，即确保储层段管柱有一定的安全系数。同时要考虑后续的热载荷对管柱产生的塑性应变，因此设计时应确保管柱服役过程中产生的塑性应变不超过规定的塑性应变。在第一个热循环加热过程中，管柱极有可能产生压缩屈服现象，如果筛管等管柱材料设计不当，将在后续的热循环中引起塑性应变累积。当累积塑性应变超过管柱材料临界失效应变，储层段管柱将产生损坏甚至不能继续服役[4-6]。

油砂SAGD水平井高温及温度剧烈变化是储层段管柱损坏的主要原因。在注汽加热阶段管柱承受压缩应力值非常高，但是采油冷却过程，由于温度快速降低，管柱承受拉伸应力。累积损伤设计准则可以考虑油砂多轮次注、采生产过程中管柱发生的塑性应变累积，这些应变包括机械应变、热应变和高温蠕变等。一旦管柱材料产生的累计塑性应变值超过管材的极限值，则管柱将不能继续使用，在设计过程中规定管柱累积塑性应变应小于临界失效应变。N次循环后累积塑性应变为式(1)：

式中：εpi为第i次循环后的塑性应变增量；εpcum为管柱材料累积塑性应变。

理论研究表明，随着注汽次数的增加，累积塑性应变逐渐增加，可按照加拿大油砂相关标准要求优选管柱钢级和材质，并对SAGD井储层段管柱寿命进行评估。生产过程允许管柱发生适当的塑性变形，只要不超过管柱临界塑性应变，管柱可继续服役。采用基于应变的累积损伤准则对储层段管柱进行设计及寿命评估完全符合油砂SAGD水平井实际生产工况。

2 室内试验对比

首先，基于储层段管柱中不同材质的筛管和盲管组合进行室内试验。实验材料的选取主要考虑：不同的厂家、不同的完井设计方式、不同的扣型变化、管柱钢级变化等。

其次，模拟井下管柱外在载荷作用下，经过多轮次加热和冷却循环，观察绕丝筛管损坏情况以及何时会损坏。通过如图1所示的模拟实验，按照加拿大相关油砂标准的要求，并对管柱的累积塑性应变进行计算，确定管柱最大的应变位置，优选出绕丝筛管材质和盲管的长度等最优管柱组合。

图1 绕丝筛管受力的室内模拟试验

3 现场应用

基于应变的SAGD井管柱设计方法，已经成功在该油田3个油砂项目的13口油砂开发井中应用实施，效果良好。以某作业井为例，该井在井深560～705 m之间有一段长约145 m的劣质储层，其储层段管柱设计包括两根盲管，然后是4根绕丝筛管，10根盲管(约140 m)穿过劣质储层，其余井段采用绕丝筛管。作业前首先在各种工况下进行管柱受力分析，优选管柱组合方式，计算累积塑性应变，避免采用室内试验测试中失效的组合方式。

储层段管柱顺利下入后，可通过后期监测管柱的失效情况，如图2所示观察该井油砂储层物性变化，并且如图3所示在油田现场下入管柱进行监测。13口油砂井截至目前无绕丝筛管的完整性失效现象，这充分表明了基于应变设计方法具有独特的优越性。该方法密切结合油砂SAGD井生产过程，可根据注蒸汽轮次要求科学、灵活地设计储层段管柱组合。克服了传统设计方法不能考虑多轮次生产过程中循环温度载荷对管柱性能影响的不足。

图2 该井油砂储层物性变化

图3 作业现场下入管柱

4 结论与认识

(1)油砂SAGD井储层段管柱设计，必须要考虑累积塑性应变问题。本文提出的油砂SAGD井储层段管柱设计优化方法，为油砂SAGD井储层段管柱设计提供了新思路，具有较好的推广应用价值。

(2)现场应用表明，油砂SAGD井储层段管柱设计优化方法能有效指导现场施工作业，延长了管柱使用寿命，保证作业安全和降低单井成本。