随着石油、天然气等资源的不断减少，油气勘探、开发技术的不断进步，热采技术越来越多被应用于稠油油藏。不管是蒸汽驱井，还是蒸汽吞吐，其油气通道中的筛管、套管都要经受住持续高温、多循环、交变的热应力影响，尤其是随着吞吐轮次的增加、加热区含油饱和度的减小及地层压力的下降，采油效果会逐渐变差，产量也随之降低，随着热开采技术进行稠油开发已进入高轮次、后续开采阶段，将不得不通过提高加热，增加热采频率方法来提高产量。热采井用筛管是油气进入管柱的通道，也是阻止泥沙进入管柱的重要防护工具，筛管在高温热循环过程中的拉伸、压缩等抗屈服能力直接影响到了整个管柱的寿命。研究人员以宝钢供Φ139.7mm×7.72mm BG110H基管、中海油田服务公司生产的 CMS 和 CDS筛管为例，介绍了一种模拟稠油开采高温环境下，筛管在重复热循环下拉伸、压缩等受力状态的试验方法，用以指导热采井筛管的设计与制造。

 

稠油高温开采模拟实验

 

研究人员设计了一个稠油高温开采试验，通过采用热采井用筛管的热应力试验技术分析热采环境下筛管的受力状态，从而对热采油气井的管柱及筛管的设计、制造进行指导。试验假设在稠油热采作业温度环境条件下，对筛管管体和螺纹连接部分进行热应力试验分析，进而获得筛管的受力状况和损坏情况。实验设备采用美国应力公司 SES生产的复合加载试验机，该试验机最大 拉 伸 为 3,300Kips， 最 大 压 缩 为2,480Kips，最高加热温度可以达到350℃。筛管经过砾石充填后，在热采井中的轴向基本固定，在升温与降温时承受拉伸、压缩、弯曲、扭转、内压和外压等多重载荷的作用。在此过程中，将弯曲、扭转转化为拉伸、压缩的当量，忽略内外压作用，从而将整个受力过程简化成单一的轴向拉伸与压缩作用的过程，且在压缩作用中不发生失稳。试验对筛管样件采用感应加热、外裹保温材料保温的方式来模拟稠油热采过程中的作业环境温度，通过施加轴向载荷来模拟实际受力状况，记录轴向载荷和位移，最后取出筛管试样进行无损检测，特别是筛套与基管的焊缝部位和螺纹连接部分，获得筛管试样的质量状态。试验中希望获得在高温下筛管无伸缩时热应力的大小，但随着温度的升高，筛管伸长，需要通过控制位移不变，需要对筛管两端的堵头进行压缩，这种动态的变化对于机械的拉压用的油泵控制要求很高，常常精度达不到要求，通过逆向的方法，先将筛管达到额定的温度，筛管处于初始的自由伸缩状态，整个筛管的伸长处于屈服范围内，再通过压缩使筛管的长度处于原始状态，记录此时的压缩力值即为筛管在高温下热应力的大小。以上模拟试验必须满足两个条件：首先，整个热应力大小处于筛管的弹性变形内。试验中，整个筛管在热应力作用下，假设没有屈服即为在弹性变形内。其次，筛管的初始状态，即筛管位移、拉伸力与压缩力均已知。为了消除筛管管柱在设备精度、安装过程中摩擦阻力的影响因素，应将筛管管柱预先施加 10% 拉伸强度的压缩力，在最终压缩力与初始压缩力的差值，即为热应力。试验全程对加热温度、筛管位移，压缩/ 拉伸力进行记录。加热采用线圈感应加热，线圈缠绕长度不低于管柱全长的75%（1.8m/2.4m），取用三个温度监测点，分别在套管基管、接箍与筛管焊缝处，降温采用风冷至额定温度。

 

稠油高温开采模拟试验全过程

 

试验主要分为在线试验与离线的检验两部分程序。在线试验包括接头上卸扣试验、热循环试验；离线检验包括试验完成后对接头形貌，筛管焊缝探伤检验等。试验流程如下：筛管基管上卸扣试验（参照 ISO13679）；堵头焊接( 用于拉伸与压缩试验连接试验设备与管柱的部分 )；试验系统（检测控制系统、加载系统、加热保温系统）调试；筛管试样准备，缠加热线圈，温度监测点，加热段长度为 1.8m（含筛套和接箍）；安装测试系统，温度、载荷与位移监测传感器；筛管样件就位，预施加轴向载荷以消除轴向装配间隙，记录初始压缩力与位移；加热至额定温度，保持轴向载荷为零（试样自由伸长）；保温 0.5 小时，测伸长量；保持设定温度，将试样压缩至设定位置，记录压缩力；保持试样轴向伸长为零，降温至60±10℃，保温 1 小时；保持试样轴向伸长为零，加热至设定温度，保温 1小时；保持试样轴向伸长为零，降温至60±10℃，保温 1 小时；重复 K-L 循环一次；冷却至室温；最后离线检验。加工完成后的试验样件，主要由施加拉伸与压缩的堵头、筛管部分、接箍和基管组成，试验中筛套与基管的焊缝、接箍及套管是整个热应力试验的重点考察对象，因而在样件安装后，在以上三个位置各有温度监测传感器，筛管外包裹保温石棉，石棉外缠绕感应加热线圈，温度传感器焊接在管柱上，实时监测样件的温度。

 

CDS 与 CMS 筛管热应力试验

 

CDS 筛管热应力试验主要考察筛管 在 高 温 350 ℃（662 ℉） 下 热 应 力的 大 小， 试 验 过 程 中 首 先 将 CDS 筛管 压 缩 -50Kips， 记 录 此 时 筛 管 的初 始 位 移， 加 热 至 350±5 ℃， 保 温30min，再压缩至加热前初始位置或筛管屈服，记录压缩力与最终位移值。CDS 筛 管 在 保 温 350 ℃ 30min 后，压缩力到 330kips（实际加载压缩力280kips），未达到初始长度状态筛管发生屈服。CMS 筛管热应力试验主要 考 察 筛 管 在 300 ℃（572 ℉） 下 热应力的大小，试验过程中首先将 CMS筛管压缩 -50Kips，记录此时筛管的初 始 位 移， 加 热 至 300±5 ℃， 保 温30min，再压缩至 -300kips，记录压缩力与最终位移值，冷却至常温，再循环加热、压缩，反复进行加热、冷却后，筛管未发生任何屈服失效。试验记录了 CDS 与 CMS 筛管在热应力试验过程中位移、压缩力等参数的变化。其中，“初始压缩力”是指加热之前，用于消除安装误差与设备精度误差的，施加给筛管的压缩力；“初始位移”是指加热之前，施加“初始压缩力”后筛管的位移值；“加热后位移”是指加热至“加热温度”后筛管的位移值；“加热伸长矢量”是指“加热温度”下，“加热后位移”减去“初始位移”的矢量；“最终压缩力”是指在“加热温度”下施加的最大压缩力；“压缩力矢量”是指在“加热温度”下，“最终压缩力”减去“初始压缩力”的矢量；“最终位移”是指在“加热温度”下，施加“最终压缩力”，筛管压缩到的最终位移值；“恢复位移矢量”，是指在“加热温度”下，施加“最终压缩力”，筛管离“初始压缩力”时的“初始位移”的位移矢量；“压缩效率”是指“压缩力矢量”比较中“基管 / 接头抗拉强度”的比例。

 

可以看出，CDS 筛管在高温 350℃保温 30min 后，伸长了 8.56mm，再压缩至管体拉伸强度 51.2% 时，筛管发生了失稳；CMS 筛管在 300 ℃保温30min 后，伸长了 6.6mm 以上，压缩至拉伸强度 45.7% 时，循环 5 次加热，未发生失效。Φ139.7mm CDS 筛管在加热至 350℃保温 30min 后，筛管伸长了 8.56mm，再压缩至管体拉伸强度 51.2% 时，筛管发生了失稳；CMS筛管在 300 ℃保温 30min 后，伸长了6.6mm 以上，压缩至拉伸强度 45.7%时，循环 5 次加热，未发生失效。CDS与 CMS 筛管经历加热循环试验后，接头、基管焊缝均未发现缺陷，经过探伤检验，所有 CDS（筛套失效）与 CMS筛管在加热至额定温度，筛套与筛管基管之间的焊缝以及筛管基管未发现缺陷，质量合格。

 

对试验完成后的 CDS/CMS 筛管的接头卸开，并参照 API SPEC 5B 检验，所有参数均符合要求，对参数检验完成后的接箍与管体螺纹剖开进行检验，未发生任何缺陷。实验过程中采用先加热，后压缩的方法能保证热应力试验中加热伸长、压缩位移的精确值，了解热采过程中筛管的受力过程，采用预施加压缩力的方法，减少试验安装误差，系统精度误差带来的影响.