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韩礼红 工程材料研究院油气钻采输送全国重点实验室副主任、正高级工程师

  韩礼红,博士,正高级工程师,博士生导师。工程材料研究院油气钻采输送全国重点实验室副主任,陕西省“三秦学者”创新团队负责人。韩礼红长期从事油气井筒完整性控制技术研究,承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家油气专项及省部级项目20余项;获省部级科技奖励30余项;授权专利60余件,发表论文120余篇,其中SCI/EI收录50余篇;制修订国际ISO、国家及石油行业标准10余项。

  油气开发离不开井筒,套管是井筒完整性的关键屏障之一。我国每年消耗套管约160万吨,价值逾200亿元,套损防治对国民经济影响较大。

  套管损坏包括变形、腐蚀、泄漏、磨损等,这些都会给井筒服役寿命带来不利影响。因此,研究适用的套管设计方法,开发高性能产品,开展管材适用性评价及下井后监测检测和评估技术,形成规范的应用技术,确保套管服役安全,一直是油气井工程建设的重点环节之一。

  近百年来,国内外油气井工程中,套管设计基本遵循美国石油学会的强度设计方法,针对井下温度、地层载荷、流体压力、腐蚀性介质等变化持续完善,基本可以满足常规油气井需求,但针对复杂环境尚需结合井下复杂载荷进一步完善。

  近年来,油气井工程有两类套管损坏比较突出。

  第一类套管损坏主要发生在稠油蒸汽吞吐热采井,生产中的大温差变化会诱发材料热塑性变形。这一现象在国内外普遍存在,数十年无法根治,其根源就在于上述强度设计方法不允许套管发生塑性变形,所以它并不适合此类井。预防此类套管变形,必须为材料的热塑性变形寻找容身之处。对此,工程材料研究院和新疆油田联合启动攻关,提出一个新思路,通过套管的拉压循环均匀变形来消耗热效应,从而建立了基于应变的热采井套管设计新方法,并提出详细的材料参数体系。该项技术在新疆油田完成了现场试验,历经12年服役,注汽吞吐35轮次,迄今服役安全。该成果已形成我国首项拥有完全自主产权的国家标准,为此类套损预防提供了宝贵经验,有大力推广价值。

  第二类套管损坏是页岩气井套管大量变形,这在国内普遍存在。它会造成油田无法顺利压裂、工时拖延、频繁测井等工程损耗。这类损伤与地层运移活动有直接关系,包括裂缝与断层活动、页岩层滑移、地层膨胀等,而当前的套管设计仍然局限于强度设计范畴,没有考虑地层位移影响。从现场多次测井数据看,在多级压裂中套管变形是持续加大的,和地层缓慢运动是一致的,这属于位移控制,传统的强度设计方法是无解的,必须为地层运移提供合适的容身之处。据此,我们团队提出全井筒协调变形新思路,对水泥环进行改性增塑,让它空心化。当地层运移发生时,其直接接触的水泥环会局部破碎,从而容纳地层位移,保护套管。该项技术在西南页岩气开发中已经实施了14口井,目前已完成压裂10口井,只有1口井因为地层位移过大而发生丢段,整体应用效果良好,在复杂压裂工程领域具有广阔的应用前景。

  近年,中国石油曾开展了一次系统的套损普查。结果表明,约90%套损都是套管变形所致,其来源除蒸汽吞吐外,更多的因素包括泥岩吸水膨胀、岩层界面滑移、盐膏层蠕变、地层出砂掏空、储层下陷等。对此,可以借鉴页岩气井套管变形预防技术来预防。

  在相关的研究平台建设方面,工程材料研究院建立了较为完善的套管模拟试验平台,可进行复杂加载、介质腐蚀、流体冲刷等模拟试验,开发了全井筒模拟试验装备。但在井筒与地层交互作用模拟方面仍然欠缺,需要建设大型工程试验井模拟平台,实现全井筒全工况全寿命模拟评价,为工程建设提供支撑数据。此外,套损井修复方面,包括整形、贴补、取换套、侧钻等技术与工艺尚需持续提升,包括对高钢级套管及水平井的适用性,耐高温密封材料、深井取换套技术、高耐磨笔尖工具材料等都是该领域的热点问题。

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