一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法技术

本发明专利技术公开了一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法，基于套管氧腐蚀失重、高温软化、蠕变松弛服役工况特征，首先确定井下套管材料的氧腐蚀失重效应，建立基于氧腐蚀损伤的强度预测模型；然后确定高温环境对套管材料的软化效应，建立基于强度折减的预测模型；再确定高温长时服役过程套管材料的蠕变松弛效应，建立基于蠕变损伤的强度预测模型；最后，通过线性叠加方式，综合考虑氧腐蚀失重、高温环境软化及蠕变松弛效应三因素的影响，对火烧油层驱油注气井套管材料强度进行预测。本发明专利技术从材料服役行为角度为工程火驱井套损问题的解决提供了思路，是室内模拟研究与现场工程需求的有机结合。

A prediction method of casing material strength loss in oil displacement and gas injection wells

The invention discloses a method for predicting the strength loss of casing materials for oil and gas injection wells in a burning oil reservoir. Based on the characteristics of service conditions of casing oxygen corrosion loss, high temperature softening and creep relaxation, the weight loss effect of oxygen corrosion of downhole casing materials is firstly determined, and the strength prediction model based on oxygen corrosion damage is established; then the softening effect of high temperature environment on casing materials is determined, and the strength prediction model based on strength is established The prediction model of degree reduction; the creep relaxation effect of casing material in long-term service at high temperature is determined, and the strength prediction model based on creep damage is established; finally, the strength of casing material for oil and gas injection well in fire oil displacement is predicted by linear superposition method, considering the influence of three factors, i.e. weight loss of oxygen corrosion, softening of high temperature environment and creep relaxation effect. The invention provides an idea for solving the casing damage problem of fire drive wells from the perspective of material service behavior, and is an organic combination of indoor simulation research and field engineering requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法
本专利技术属于油气开采工程应用
，具体涉及一种火烧油层驱油注气井工况下套管材料强度损失预测方法。
技术介绍
稠油、超稠油是我国油气资源开发的主要对象之一，2007年以来，中石油新疆、吐哈油田及中海油环渤海湾地区累计发现数个整装区块，可开采稠油储量逾20亿吨，是我国未来油气增产的主要方向之一。火驱采油技术经过几十年的研究和发展，已成为行之有效的强化采油方法，国外在现场形成一定的生产规模，而国内正处于现场大规模先导试验阶段，主要集中在辽河、新疆及胜利油田。稠油火驱井套管服役情况调研表明：注气井套管损坏(简称套损)问题严重，以辽河油田杜66区块为例，截止2015年，火驱92井组中共有43口注气井在转驱后发现28口井出现了新增套损，占比65％。大量套损问题严重影响了火驱采油区块的深入开发，现有的套管柱强度设计方法已不能满足火驱工况对套管安全服役的技术性能需求。火驱工况涉及富氧介质、持续的高温环境及复杂载荷作用，储层点火及火线扩展的时间在135～140天，氧腐蚀失重、高温环境软化、蠕变松弛效应三种因素综合作用，引起套管承载能力持续弱化，井下管柱的抗压、抗挤、抗弯曲及抗剪切等管柱服役性能急剧下降，导致井筒完整性下降甚至丧失，缩短了井组的服役寿命。热采井套管柱设计与选材，我国从开始初期即采纳美国APISpec5CT标准。该方法属于强度设计方法，以材料室温屈服强度为主要设计参数，近期引入高温强度折减系数的影响，但仍未考虑服役套管的氧腐蚀失重效应、高温环境软化作用、长时高温蠕变效应，导致火烧油层驱油注气井大量套管损坏问题发生。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法。针对稠油火驱注气井套管损坏失效问题，考虑服役过程中套管材料表现出的氧腐蚀失重、高温环境软化、蠕变松弛效应特征，建立基于氧腐蚀、高温软化及蠕变松弛三因素数学预测模型，形成材料强度损失预测方法，为火烧油层驱油注气井套管柱设计及选材评价提供技术支撑，为我国稠油资源安全、高效、经济开发提供技术支撑。本专利技术采用以下技术方案：一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法，火烧油层驱油注气井中富氧、400～800℃高温、复杂载荷工况下，服役套管材料表现出氧腐蚀失重、高温强度软化、蠕变松弛行为特征，首先确定井下套管材料的氧腐蚀失重效应，建立基于氧腐蚀损伤的强度预测模型；然后确定高温环境对套管材料的软化效应，建立基于强度损伤的预测模型；再确定高温长时服役过程套管材料的蠕变松弛效应，建立基于蠕变损伤的强度预测模型；最后，通过线性叠加方式，综合考虑氧腐蚀失重、高温环境软化及蠕变松弛效应三因素的影响，建立火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测模型，预测套管材料的强度损失。具体的，富氧介质环境下套管材料的强度σs1为：σs1＝588.39-3.029t+0.02065t2氧腐蚀失重因素引起的套管材料强度损失Δσ1为：Δσ1＝σ0-σs1其中，σ0为原始状态套管材料的强度；t为服役时间。具体的，高温环境下套管材料的强度σs2为：σs2＝559.52+0.5478T-9.615×10-4T2高温软化因素引起的套管材料强度损失Δσ2为：Δσ2＝σ0-σs2其中，T为服役温度，σ0为原始状态套管材料的强度。具体的，长时服役过程套管材料的强度σs3为：σs3＝872.06-2.6794t-0.01335t2蠕变松弛因素引起的套管材料强度损失Δσ3为：Δσ3＝σ0-σs3其中，σ0为原始状态套管材料的强度，t为服役时间。具体的，火烧油层驱油注气井套管材料的强度损失预测模型如下：Δσ＝Δσ1+Δσ2+Δσ3其中，Δσ为火驱注气井工况下套管材料的强度损失，Δσ1为氧腐蚀失重效应引起的强度损失，Δσ2为高温环境软化效应引起的强度损失，Δσ3为长时服役过程蠕变松弛效应引起的强度损失。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法，基于传统强度设计方法，结合火驱注气井工况特征，考虑服役过程中套管材料表现出的氧腐蚀失重、高温软化、蠕变松弛效应三种因素，提出基于损伤的强度预测方法，为火烧油层注气井套管柱设计方法的建立奠定坚实基础。考虑火烧油层注气井服役过程中多因素共同作用失效机制，为工程设计从单一失效机理角度向多因素耦合作用机制转变奠定基础。进一步的，针对火驱注气井套管服役工况特征：富氧介质、400～800℃持久高温、复杂载荷，首先考虑富氧介质引起的氧腐蚀失重效应，建立材料强度与服役时间的关系曲线，形成基于氧腐蚀损伤的强度损失预测模型，为火驱注气井套管强度损失预测奠定基础。进一步的，考虑高温环境引起的软化作用，建立材料强度与服役温度的关系曲线，形成基于高温损伤的强度损失预测模型，为火驱注气井套管强度损失预测奠定基础。进一步的，考虑长时服役过程蠕变松弛效应，建立材料强度与服役时间的关系曲线，形成基于蠕变损伤的强度损失预测模型，为火驱注气井套管强度损失预测奠定基础综上所述，本专利技术从火烧油层注气井套管服役工况入手，结合服役行为特征，包括氧腐蚀失重、高温环境软化及蠕变松弛效应，通过试验模拟套管材料服役历程、数值拟合强度与时间/温度关系曲线、线性叠加三因素强度损失，建立了套管材料强度损失预测方法。从材料服役行为角度为工程上火烧油层注气井套损问题的解决提供了思路，是室内模拟研究与现场工程需求的有机结合。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为富氧介质环境下0Cr材质N80套管材料屈服强度与时间关系曲线；图2为氧腐蚀失重因素下套管材料屈服强度与时间关系曲线拟合；图3为高温软化因素下0Cr材质N80套管材料屈服强度-温度关系拟合曲线；图4为高温600℃+400MPa工况下0Cr(P110)套管材料蠕变松弛效应特征；图5为0Cr材质P110套管(a)室温拉伸与(b)96h蠕变后拉伸曲线比较；图6为高温/拉伸/长时服役工况下0Cr材质P110套管材料屈服强度与服役时间关系拟合曲线。具体实施方式本专利技术一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法，首先确定井下套管材料的氧腐蚀失重效应，建立基于氧损伤的强度预测模型；其次确定套管材料的高温软化作用，建立基于高温损伤的强度预测模型；再者确定蠕变松弛效应，建立基于蠕变损伤的强度预测模型；最后，通过线性叠加，形成基于氧腐蚀失重、高温软化、蠕变松弛耦合作用的套管材料强度损失预测模型。S1、建立基于氧腐蚀失重的套管材料强度预测模型；火烧油层驱油过程中，井下套管材料氧腐蚀失重，造成强度降低，如下图1所示。(1)高温450℃下，0Cr材料(N80套管)屈服强度(σs)与火烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法，其特征在于，火烧油层驱油注气井中富氧、400～800℃高温、复杂载荷工况下，服役套管材料表现出氧腐蚀失重、高温强度软化、蠕变松弛行为特征，首先确定井下套管材料的氧腐蚀失重效应，建立基于氧腐蚀损伤的强度预测模型；然后确定高温环境对套管材料的软化效应，建立基于强度损伤的预测模型；再确定高温长时服役过程套管材料的蠕变松弛效应，建立基于蠕变损伤的强度预测模型；最后，通过线性叠加方式，综合考虑氧腐蚀失重、高温环境软化及蠕变松弛效应三因素的影响，建立火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测模型，预测套管材料的强度损失。/n

【技术特征摘要】
1.一种火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法，其特征在于，火烧油层驱油注气井中富氧、400～800℃高温、复杂载荷工况下，服役套管材料表现出氧腐蚀失重、高温强度软化、蠕变松弛行为特征，首先确定井下套管材料的氧腐蚀失重效应，建立基于氧腐蚀损伤的强度预测模型；然后确定高温环境对套管材料的软化效应，建立基于强度损伤的预测模型；再确定高温长时服役过程套管材料的蠕变松弛效应，建立基于蠕变损伤的强度预测模型；最后，通过线性叠加方式，综合考虑氧腐蚀失重、高温环境软化及蠕变松弛效应三因素的影响，建立火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测模型，预测套管材料的强度损失。


2.根据权利要求1所述的火烧油层驱油注气井套管材料强度损失预测方法，其特征在于，富氧介质环境下套管材料的强度σs1为：
σs1＝588.39-3.029t+0.02065t2
氧腐蚀失重因素引起的套管材料强度损失Δσ1为：
Δσ1＝σ0-σs1
其中，σ0为原始状态套管材料的强度；t为服役时间。


3.根据权利要求1所述的火烧油层驱油注气井套管材料强...

【专利技术属性】
技术研发人员：王航，杨尚谕，罗恩勇，冯春，吴非，韩礼红，朱丽娟，路彩虹，蒋龙，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11