一种热采井套管材料选用方法

摘要

本发明公开了一种热采井套管材料选用方法，所述套管材料选用方法包括：根据热采井井深确定套管材料的材料强度性能和均匀延伸率；根据井口的注汽温度确定套管材料的蠕变速率性能；根据热采井设计寿命确定套管材料的包申格效应性能；根据热采井设计寿命和井口的注汽温度确定套管的低周疲劳应变最小值；根据现有石油行业标准选取套管的几何尺寸和结构特征；根据套管的性能指标、几何尺寸和结构特征选取对应的套管。本发明通过井深、井口注汽温度、热采井设计寿命分别确定套管材料诸多性能指标，如此能够较为全面的评定套管的性能，使套管能满足蒸汽吞吐生产工况安全要求，能够有效避免套管发生由塑性变形引起的失效，从而保证了热采井的正常开采。

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气稠油开采领域，特别涉及一种热采井套管材料选用 方法。

背景技术

稠油是国内外主要的油气资源类型之一，国内以新疆、辽河、胜利油田为 主开采稠油。稠油开采最重要的技术就是蒸汽吞吐作业，而要实现蒸汽吞吐作 业需要用套管来保持井筒安全。套管是连接油层与地面的通道，热采井通过套 管来维持井眼的稳定，因此套管材料性能对于油井正常开采意义重大。

现有技术中的热采井套管材料选用方法是以屈服强度为主要指标，包括室 温及高温屈服强度。现有技术的选用方法是单纯的应力选用方法，以套管材料 弹性变形下的数据作为参考，来选取套管。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术中仅以屈服强度作为选用热采井套管材料的性能指标，不能准确 反应套管在实际作业中的状态，并且屈服强度反映的是套管在弹性变形下的性 能指标，而在热采井中，套管受温度循环产生的热应力使得套管发生的是塑性 变形，使得现有技术中选用的套管在实际应用中会出现应变强化、包申格效应、 蠕变松弛及低周应变疲劳等特征，导致套管材料发生由塑性变形引起的失效， 使得热采井不能正常开采，从而对稠油开发造成显著的经济损失，现有技术采 用的弹性变形指标不能解决实际中套管出现塑性变形的问题，因此现有技术对 套管的选用方法不满足实际热采井的使用需要。

发明内容

为了解决现有技术中对套管的选用方法不满足实际热采井的使用需要问 题，本发明实施例提供了一种热采井套管材料选用方法。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种热采井套管材料选用方法，所述套管材料选用方 法包括：

步骤1：根据热采井井深确定套管材料的材料强度性能指标和均匀延伸率性 能指标；

步骤2：根据热采井井口的注汽温度确定套管材料的蠕变速率性能指标；

步骤3：根据热采井设计寿命确定套管材料的包申格效应性能指标；

步骤4：根据热采井设计寿命和热采井井口的注汽温度确定套管材料的低周 疲劳应变最小值；

步骤5：根据现有石油行业标准选取套管的几何尺寸和结构特征；

步骤6：根据套管的性能指标和套管的几何尺寸、结构特征选取对应的套管 材料；

其中，所述套管的性能指标包括所述材料强度性能指标、所述均匀延伸率 性能指标、所述蠕变速率性能指标、所述低周疲劳应变最小值和所述包申格效 应性能指标。

作为优选，所述材料强度性能指标包括材料的弹性极限和抗拉极限。

进一步地，所述步骤1具体为：对井深300米以内的热采井，材料的弹性 极限选取430－530MPa，抗拉极限选取530－630MPa，均匀延伸率不低于4％。

作为优选，所述步骤1具体为：对井深300－800米的热采井，材料的弹性 极限选取530－630MPa，抗拉极限选取630－730MPa，均匀延伸率不低于6％。

进一步地，所述步骤1具体为：对井深800－1500米的热采井，材料的弹 性极限选取600－700MPa，抗拉极限选取700－800MPa，均匀延伸率不低于8％。

作为优选，所述步骤1具体为：对井深1500－3000米的热采井，材料的弹 性极限选取740－840MPa，抗拉极限选取840－940MPa，均匀延伸率不低于 10％。

进一步地，所述步骤2具体为：当井口注汽温度低于300℃时，材料的蠕变 速率本构方程对应的以应力为自变量的曲线不高于式（1）对应的曲线；当井口 注汽温度为300-373℃时，材料的蠕变速率本构方程对应的以应力为自变量的曲 线不高于式（2）对应的曲线，

$\stackrel{·}{ϵ}=7.40\times {10}^{-9}\times e^{\frac{\sigma }{91.80}}+1.95\times {10}^{-6}$   式（1），

$\stackrel{·}{ϵ}=5.20\times {10}^{-9}\times e^{\frac{\sigma }{91.80}}+8.5\times {10}^{-5}$式（2），

其中，为蠕变速率，σ为应力，σ对应的范围为[弹性极限/2，弹性极限]。

作为优选，所述步骤3具体为：当热采井设计寿命不高于6年时，包申格 效应指标不低于0.7；当热采井设计寿命大于6年时，包申格效应指标不低于 0.85。

进一步地，所述步骤4具体为：当热采井设计寿命不高于6年，对称拉压 循环加载次数按照30次试验，在井口注汽温度低于300℃时，材料的低周疲劳 应变最小值为2.5%；在井口注汽温度为300-373℃时，低周疲劳应变最小值为 3.5%。

作为优选，所述步骤4具体为：当热采井设计寿命高于6年，对称拉压循 环加载次数按照50次试验，在井口注汽温度低于300℃时，材料的低周疲劳应 变最小值为2.5%；在井口注汽温度为300-373℃时，低周疲劳应变最小值为3.5%。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的套管材料选用方法，通过热采井井深、井口的注汽温 度、热采井设计寿命分别确定套管材料的材料强度、均匀延伸率、蠕变速率、 包申格效应、以及低周疲劳应变最小值，如此能够较为全面的评定套管材料的 性能指标，相对于现有技术中参考弹性变形下的屈服强度指标，本发明选取多 个塑性变形下的性能指标，在热采井蒸汽吞吐生产环境下，塑性变形的性能指 标更能满足实际套管材料在生产工况上的安全要求，能够有效避免套管材料发 生由塑性变形引起的失效，从而能够保证套管材料在设计寿命内的使用安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的热采井套管材料选用方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种热采井套管材料选用方法，所述套 管材料选用方法包括：

步骤1：根据热采井井深确定套管材料的材料强度性能指标和均匀延伸率性 能指标；

步骤2：根据热采井井口的注汽温度确定套管材料的蠕变速率性能指标；

步骤3：根据热采井设计寿命确定套管材料的包申格效应性能指标；

步骤4：根据热采井设计寿命和热采井井口的注汽温度确定套管材料的低周 疲劳应变最小值；

步骤5：根据现有石油行业标准选取套管的几何尺寸和结构特征；

步骤6：根据套管的性能指标和套管的几何尺寸、结构特征选取对应的套管 材料；

其中，所述套管的性能指标包括所述材料强度性能指标、所述均匀延伸率 性能指标、所述蠕变速率性能指标、所述低周疲劳应变最小值和所述包申格效 应性能指标。

本发明实施例提供的套管材料选用方法，通过热采井井深、井口的注汽温 度、热采井设计寿命来分别确定套管材料的材料强度、蠕变速率、包申格效应、 以及低周疲劳应变最小值，如此能够较为全面的评定套管材料的性能指标，进 而按照现有石油行业标准选取套管的几何尺寸和结构特征，最后选取符合性能 指标要求和尺寸的套管材料。在实际热采井高温作业中，套管发生的都是塑性 变形，而现有技术只通过弹性变形下的屈服强度指标来选取套管材料是不能满 足实际使用需要的，现有技术中选取的套管易在高温中发生塑性变形引起失效， 并且若仅采取增加套管弹性极限来满足套管在热采井中应力强度，套管仍会发 生塑性变形，因为套管的高温工作环境会使套管的性能指标发生变化，引起套 管材料应变强化、高温软化、包申格效应、蠕变松弛及低周应变疲劳等特征的 出现，并导致套管失效，因此本发明采用通过套管塑性变形的性能指标来选取 套管材料，并且从套管多个方面来衡量套管能否符合热采井中生产安全工作使 用标准，可使套管能够满足实际的使用要求，从而能够有效避免套管材料发生 由塑性变形引起的失效，保证热采井的正常开采。

作为优选，所述材料强度性能指标包括材料的弹性极限和抗拉极限。

进一步地，所述步骤1具体为：对井深300米以内的热采井，材料的弹性 极限选取430－530MPa，抗拉极限选取530－630MPa，均匀延伸率不低于4％。

作为优选，所述步骤1具体为：对井深300－800米的热采井，材料的弹性 极限选取530－630MPa，抗拉极限选取630－730MPa，均匀延伸率不低于6％。

进一步地，所述步骤1具体为：对井深800－1500米的热采井，材料的弹 性极限选取600－700MPa，抗拉极限选取700－800MPa，均匀延伸率不低于8％。

作为优选，所述步骤1具体为：对井深1500－3000米的热采井，材料的弹 性极限选取740－840MPa，抗拉极限选取840－940MPa，均匀延伸率不低于 10％。

其中，套管材料的弹性极限和抗拉极限需要满足套管在实际中的材料强度 指标，但不能超出材料强度指标太多，因为材料强度越高，材料的塑性越低， 套管塑性太低会导致套管在使用中出现断裂失效的可能性增大，因此在满足套 管材料的弹性极限和抗拉极限选取范围的同时，也要满足套管均匀延伸率的性 能指标，从而确保材料的塑性符合使用要求。本发明综合考虑弹性极限、抗拉 极限和均匀延伸率的性能指标，在选取套管时既要满足材料强度上的要求，也 能满足材料塑性要求，则在套管实际使用中，可以避免或减少套管发生塑性变 形引起失效的可能性。

进一步地，所述步骤2具体为：当井口注汽温度低于300℃时，材料的蠕变 速率本构方程对应的以应力为自变量的曲线不高于式（1）对应的曲线；当井口 注汽温度为300-373℃时，材料的蠕变速率本构方程对应的以应力为自变量的曲 线不高于式（2）对应的曲线，

$\stackrel{·}{ϵ}=7.40\times {10}^{-9}\times e^{\frac{\sigma }{91.80}}+1.95\times {10}^{-6}$   式（1），

$\stackrel{·}{ϵ}=5.20\times {10}^{-9}\times e^{\frac{\sigma }{91.80}}+8.5\times {10}^{-5}$   式（2），

其中，为蠕变速率，σ为应力，σ对应的范围为[弹性极限/2，弹性极限]， 对应力范围进行限定，是由于此应力范围所对应的蠕变速率的值较为清楚、准 确的反映实际套管的使用情况。此外在选取蠕变速率范围时，参照蠕变速率本 构方程对应的以应力为自变量的曲线不高于式中对应的曲线，可使套管在实际 使用中蠕变变形量小，确保套管不超过均匀延伸率范围，从而保证套管在使用 寿命内变形而不会发生断裂。

作为优选，所述步骤3具体为：当热采井设计寿命不高于6年时，包申格 效应指标不低于0.7；当热采井设计寿命大于6年时，包申格效应指标不低于 0.85。

其中，规定包申格效应指标为循环软化条件下，材料10次拉压循环加载后 弹性极限与单次拉伸试验弹性极限的比值，或者循环硬化条件下，材料单次拉 伸试验弹性极限与10次拉压循环加载后拉伸试验弹性极限的比值，则包申格效 应指标取值范围为0-1。在规定范围内，包申格效应指标的值越大，套管在热循 环应力作用下的材料强度变化量越小，即材料性能越稳定，因此限定包申格效 应最小值可保证套管强度的稳定性。

进一步地，所述步骤4具体为：当热采井设计寿命不高于6年，对称拉压 循环加载次数按照30次试验，在井口注汽温度低于300℃时，材料的低周疲劳 应变最小值为2.5%；在井口注汽温度为300-373℃时，低周疲劳应变最小值为 3.5%。

作为优选，所述步骤4具体为：当热采井设计寿命高于6年，对称拉压循 环加载次数按照50次试验，在井口注汽温度低于300℃时，材料的低周疲劳应 变最小值为2.5%；在井口注汽温度为300-373℃时，低周疲劳应变最小值为3.5%。

其中，由本领域技术人员可知，热采井每年注蒸汽为3-5次，因此在对称拉 压循环试验中按照注蒸汽轮次最大值计算，即小于或等于6年按30次进行试验， 大于6年按50次进行试验，如此可模拟套管在使用寿命内的受力全过程，得到 的实验结果更加准确。选取低周疲劳应变最小值时，按照在不同寿命和不同温 度下对材料的低周疲劳应变最小值进行限定，即对套管在循环拉压载荷作用下 发生的塑性变形量，即应变，进行限定，能够避免在实际工作中套管因应变过 大而发生断裂的情况发生。

实施例二

新疆油田风城区热采井套管的选用

工况：

1）井深260米；

2）井口注汽温度260－300℃；

3）设计寿命6年；

4）每年注汽3－4轮次。

对应的套管材料性能指标选取：

1）弹性极限450MPa，抗拉极限560MPa，均匀延伸率4.5%；

2）蠕变速率边界方程：$\stackrel{·}{ϵ}=7.40\times {10}^{-9}\times e^{\frac{\sigma }{91.80}}+1.95\times {10}^{-6}$

3）包申格效应指标：0.75；

4）低周疲劳应变门槛值：2.5%。

应用效果：2011年下井试验5口井，目前已经进入第4轮注汽，管柱服役 状态良好，没有因塑性变形发生套管断裂的情形出现，套管性能指标满足实际 的使用要求。

实施例三

新疆油田红003区热采井套管的选用

工况：

1）井深560－600米；

2）井口注汽温度310－340℃；

3）设计寿命10年；

4）每年注汽3－4轮次。

对应的套管材料性能指标选取：

1）弹性极限560MPa，抗拉极限660MPa，均匀延伸率6.5%；

2）蠕变速率边界方程：$\stackrel{·}{ϵ}=5.20\times {10}^{-9}\times e^{\frac{\sigma }{91.80}}+8.5\times {10}^{-5}$

3）包申格效应指标：0.90；

4）低周疲劳应变门槛值：3.5%。

应用效果：2012年下井试验3口井，目前已经进入第2轮注汽，管柱服役 状态良好，没有因塑性变形发生套管断裂的情形出现，套管性能指标满足实际 的使用要求。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。