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據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球石油資源總量約9～13萬(wàn)億桶，常規(guī)原油只占大約30%，稠油、超稠油和瀝青資源則占石油總資源的70%以上，約6～9萬(wàn)億桶。僅遼河油田稠油年產(chǎn)量就達(dá)700萬(wàn)噸，占其總產(chǎn)量的60％以上。在當(dāng)前能源需求強(qiáng)勁、油價(jià)高企、常規(guī)原油產(chǎn)量日益下降的背景下，全球各石油生產(chǎn)國(guó)及石油公司已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向稠油開(kāi)發(fā)。
稠油開(kāi)采一般采取蒸汽吞吐，需要注入350℃高溫蒸汽，高溫造成井下管柱嚴(yán)重?fù)p壞。調(diào)查顯示，套管損壞達(dá)到30%以上，嚴(yán)重區(qū)塊超過(guò)60%，造成巨大損失，完井管柱保護(hù)成為稠油開(kāi)發(fā)必需解決的問(wèn)題。
造成熱采井套管損壞的四大因素
溫度 在稠油熱采過(guò)程中，井筒溫度可達(dá)到350℃。在高溫條件下，套管的性能將發(fā)生一定的變化；同時(shí)，套管將產(chǎn)生熱應(yīng)力。試驗(yàn)表明，至少有3個(gè)套管性能參數(shù)與熱采井溫度有關(guān)，即金屬線膨脹系數(shù)、鋼材彈性模量和套管規(guī)定最小屈服強(qiáng)度。這些性能的變化將直接影響到套管的強(qiáng)度。
理論及實(shí)踐證明：熱采井高溫及溫度劇烈變化是套管損壞的主要原因。
在持續(xù)高溫和軸向拉應(yīng)力作用下，套管產(chǎn)生疲勞裂紋和壓縮變形，造成套管損壞。松弛現(xiàn)象使套管接箍的密封性能受到影響。此外，隨著注汽周期增加，殘余應(yīng)力越來(lái)越大，而井況和套管性能越來(lái)越差。從調(diào)查可知，在前7輪注汽中，套管損壞占81.7%，前三輪注汽過(guò)程中套管損壞約占35.4%；當(dāng)?shù)谌芷谥?，N80套管殘余應(yīng)力將會(huì)達(dá)到屈服極限。
油井出砂 熱采井出砂是稠油油藏巖石結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的特征所決定的。同時(shí)，在蒸汽吞吐過(guò)程油井回采水率低，地下大量存水，不僅直接影響吞吐效果，還會(huì)造成泥巖膨脹流動(dòng)和油井大量出砂。油層壓力也很低，上覆地層壓力增加，會(huì)使套管受擠壓錯(cuò)位。
圓螺紋接頭不適合熱采井要求 經(jīng)多臂井徑儀測(cè)井證實(shí)，套管損壞多發(fā)生在螺紋連接部位，多數(shù)是圓螺紋連接的J-55套管。圓螺紋接頭抗高溫、密封極限都低。這種螺紋接頭的環(huán)向裝配應(yīng)力較大，有可能導(dǎo)致筒體屈服。
水泥封固質(zhì)量不好 在持續(xù)高溫下，水泥強(qiáng)度降低或有微環(huán)空隙，在油層部位水泥環(huán)強(qiáng)度因射孔更低，甚至將套管射裂，加上油井出砂地層虧空等，這些都是套管在外壓力作用下失穩(wěn)造成絲扣泄漏和套管損壞。失穩(wěn)破壞的臨界長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算在溫度200～250℃時(shí)約10m左右。當(dāng)溫度急劇變化時(shí)，內(nèi)壓力和軸向力也急劇變化，尤其在上部水泥空段更容易造成套管變形。
稠油完井防砂配套技術(shù)
預(yù)應(yīng)力完井技術(shù) 所謂預(yù)應(yīng)力完井是在固井注水泥前或注水泥后對(duì)井內(nèi)套管串施加一定的預(yù)拉力（稱為預(yù)應(yīng)力），減小或抵消注蒸汽受熱時(shí)熱應(yīng)力造成的套管伸長(zhǎng)，防止油井套管損壞。
為此，開(kāi)發(fā)了雙級(jí)預(yù)應(yīng)力地錨技術(shù)，形成了5″，5-1/2″，6-5/8″，7″，9-5/8″套管配套系列工具，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用自行互動(dòng)雙級(jí)錨爪，一級(jí)錨爪力量不足時(shí)，二級(jí)自動(dòng)張開(kāi)，徹底解決了各種井眼錨固問(wèn)題。預(yù)應(yīng)力完井成功率達(dá)到99％以上。實(shí)踐證明，預(yù)應(yīng)力完井能夠滿足稠油注蒸汽熱采的要求。
套管地錨工作原理：該地錨接在套管柱的最下端，直接與套管相連。套管下到井底后，開(kāi)泵循環(huán)，鉆井液在循環(huán)孔返出。正常固井、碰壓。膠塞碰壓后，坐到地錨上部膠塞座上，然后再緩慢憋壓，當(dāng)壓力到15～20MPa時(shí)，剪斷剪銷，地錨膠塞座下移，推動(dòng)中心管和連桿組，打開(kāi)雙級(jí)錨爪，使雙級(jí)錨爪與井壁錨定，在憋壓狀態(tài)下，井口提拉預(yù)應(yīng)力到設(shè)計(jì)噸位或長(zhǎng)度，套管在預(yù)應(yīng)力的方式下候凝，完成套管預(yù)應(yīng)力施工。
套損熱應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù) 在稠油熱采過(guò)程中，由于套管自重、抗拉強(qiáng)度及受到浮力等因素，上部套管受到預(yù)應(yīng)力大，下部施加預(yù)應(yīng)力小。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)套管損壞絕大部分集中在熱采封隔器至油層頂部井段，占總數(shù)的64.42%。雖然套管損壞原因是多方面的，但最主要的是受軸向變化的熱應(yīng)力所致，因此研制出了一種不影響預(yù)應(yīng)力完井，且能有效緩解局部井段套管柱熱應(yīng)力變化的緩釋裝置，將熱應(yīng)力緩解至套管能承受的應(yīng)力范圍，以減少套管損壞十分必要。熱應(yīng)力補(bǔ)償器是解決套管局部井段損壞的有效工具，是預(yù)應(yīng)力完井技術(shù)的有益補(bǔ)充。
熱應(yīng)力補(bǔ)償裝置（如圖2）是用耐高溫高壓波紋管作密封件，在波紋管密封原件的上下端分別焊裝在上端環(huán)和下端環(huán)上，波紋管密封原件套裝在中心管中部的抗拉力臺(tái)階上。熱應(yīng)力補(bǔ)償裝置中之波紋管密封原件在油井中處于原始狀態(tài)，當(dāng)來(lái)自配合短節(jié)方向的力使外管向上產(chǎn)生運(yùn)移時(shí)，波紋管即開(kāi)始伸長(zhǎng)，反之波紋管則被壓縮。而產(chǎn)生熱應(yīng)力變化時(shí)，生產(chǎn)套管則會(huì)產(chǎn)生微量的伸縮，這是使生產(chǎn)套管損壞的主要原因。完井時(shí)在油層上部的一定位置加裝一個(gè)熱應(yīng)力補(bǔ)償裝置，即可對(duì)生產(chǎn)套管的這種微量伸縮進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到減少或保護(hù)套管不被損壞的目的。若把熱應(yīng)力補(bǔ)償裝置接到水泥沒(méi)有返到地面的井口上，亦可起到保護(hù)井口的作用。應(yīng)力補(bǔ)償器上端母扣和下端公扣與管柱連接在一起，固井時(shí)同被水泥封固。
稠油防砂完井配套技術(shù) 稠油熱采需要蒸汽吞吐，在注氣過(guò)程中，出砂嚴(yán)重，導(dǎo)致油層掏空，加速了套管損壞，因此熱采井完井中必須解決油井出砂與防砂問(wèn)題。為此，研制了系列防砂篩管及其配套完井工具。
防砂篩管。研制的防砂篩管主要有：割縫篩管（如圖3）、繞絲篩管（如圖4）、金屬纖維篩管（如圖5），根據(jù)不同防砂需要進(jìn)行合理選擇。
割縫篩管強(qiáng)度高、下井不易損壞、施工簡(jiǎn)單、成本低，但篩縫容易被沖蝕、腐蝕、容易堵塞、適用于地層砂均勻地層；金屬網(wǎng)纖維篩管及繞絲篩管防砂效果好、過(guò)流面積大、整體強(qiáng)度高、防砂參數(shù)在地面控制后下井不變化、現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單，但其外徑較大，柔性較差。
完井配套工具。研制的完井配套工具主要有：懸掛封隔器（如圖6）、柔性接頭（如圖7）等。懸掛封隔器用于懸掛篩管完井，對(duì)于稠油熱采井，需滿足高溫、密封等方面的要求。柔性接頭主要用于中短半徑水平井／側(cè)鉆水平井，保證完井管柱順利下到預(yù)定位置。
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及發(fā)展前景
自2000年以來(lái)，在各類稠油油藏中進(jìn)行完井技術(shù)服務(wù)共1973井次（見(jiàn)表1），創(chuàng)產(chǎn)值9718萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)2500余萬(wàn)元。
稠油完井防砂配套技術(shù)有效降低了套管損壞情況，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)延長(zhǎng)稠油熱采井壽命及長(zhǎng)期生產(chǎn)具有重大意義。隨著常規(guī)油藏可采儲(chǔ)量日趨減少，委內(nèi)瑞拉、哈薩克斯坦、蘇丹等國(guó)外油田以及國(guó)內(nèi)吉林、大慶、吐哈等油田大量稠油陸續(xù)投入開(kāi)發(fā)，將為該技術(shù)帶來(lái)廣闊的應(yīng)用前景。
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