過熱蒸汽注入井下工具及井口耐高溫材料的研究

趙樹杰

（中油遼河油田公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010）

現有SAGD注汽管柱（封隔器、伸縮管及隔熱管等）是否適合過熱蒸汽注入條件，目前還沒有相關的研究，這樣使得過熱蒸汽注入配套工藝技術在井下工具的設計、選材方面，缺少必要的科學理論依據。本文將對在石油工業中廣泛使用的工具及井口主要材料的高溫力學性能、高溫組織在試驗、統計和微觀組織分析的基礎上，綜合評價其服役可靠性。

“過熱蒸汽條件下材料性能評價”研究課題,共有4種研究材料,即注汽井口材料30Cr－Mo;隔熱油管材料N80;注汽工具材料38Cr－MoAlA、65Mn等。

1 過熱條件下注汽井口材料30CrMo鋼性能研究

1.1 化學成分

試驗材料用30CrMo鋼，其化學成分分析結果(質量分數)為：

Cr/0.92、Mn/0.59、Si/0.23、Ni/0.017、Mo/0.167、P/0.025，符合30CrMo鋼的成分要求。

1.2 30CrMo鋼的組織特征

1.2.1 顯微組織

（1）制樣：將12個試樣分別加熱到300℃、400℃并保溫60分鐘后，淬火，保留高溫組織。與室溫的6個試樣，經粗磨，細磨，拋光后腐刻，所用腐蝕劑均為2%的硝酸乙醇溶液，均腐蝕2-3秒，后于Leica金相顯微鏡進行組織觀察。

（2）組織觀察與分析

室溫與高溫的顯微組織見圖1.1、圖1.2所示。由圖可見，30CrMo鋼的基體組織為珠光體和鐵素體，在圖1.1a中部分組織呈半連續帶狀分布，按GB/T13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》中帶狀組織C系列評級標準，確定其帶狀組織為1級，對材料的塑性和韌性有較大的影響(各向異性)，鐵素體晶粒基體上有1-2條連續的和幾條分散的鐵素體-珠

圖1.1 30CrMo鋼顯微組織（200×）

圖1.2 30CrMo鋼掃描電鏡顯微組織（3000×）

光體帶。圖1.1b、c的晶粒度都比圖1.1a小，所以 300℃、400℃下的 30CrMo塑性、韌性比常溫時有較大提高，但300℃下晶粒碎化且出現了部分網狀鐵素體等組織缺陷，導致其強度、脆性升高，韌性降低；圖1.1c中晶粒最均勻。在掃描電鏡下可以明顯看出板條狀珠光體的片間距，高溫時和室溫下差別不大。

1.3 30CrMo鋼的性能研究

1.3.1 硬度

不同溫度下硬度值測量結果如表1.1所示，不同溫度下的硬度值比較結果如圖1.5所示。

可以看出30CrMo鋼的硬度值隨溫度變化不大，300℃和400℃分別比室溫升高0.8%和降低1.3%。

表1.1 不同溫度下硬度值(HV)

1.3.2 拉伸性能

沿30CrMo鋼管上縱向取樣，按GB 6397-86加工成常溫拉伸試樣，按GB4338-84加工成高溫拉伸試樣,試樣尺寸如圖1.6所示，在CMT 5105微機控制電子萬能試驗機上進行恒應變速率拉伸實驗，拉伸速率為3mm/min。

300℃和400℃高溫情況下，屈服強度分別下降6.8%和5.3%；抗拉強度分別升高3.3%和下降5.5%，延伸率分別升高8%和37.8%，斷面收縮率分別升高7.3%和18.7%。在強度變化不大的情況下，塑性獲得了很大的提升。

圖1.6 、低溫拉伸圓形比例試樣及尺寸

1.3.3 疲勞強度

沿縱向取樣,加工成光滑疲勞試樣，如圖所示1.9所示

分別進行室溫、400℃的拉壓對稱循環疲勞實驗,設定循環周期1×105為疲勞壽命,試驗交變載荷的頻率為500周/min，應力比R=-1；應力幅值根據抗拉強度設定，如表1.9所示，采用插值法設定實驗方案，結果如表1.9所示

圖1.9 30CrMo鋼疲勞試樣

表1.9 疲勞實驗方案及結果

疲勞強度具有很好的適應性，可以在300-400℃環境下服役。

2 結論

SAGD過熱蒸汽注入井下工具及井口的研究及實驗，可完善超稠油油藏的SAGD開采工藝，可以大大提高井底的干度和蒸汽攜帶的熱焓，能夠進一步提高中深層超稠油開采效果。對遼河油田稠油油藏開發方式的轉變具有深遠的意義，為SAGD開采超稠油油藏的產業化應用提供技術支持。隨著油井產量的增加必將產生顯著的經濟效益和社會效益。

[1]王家宏.中國水平井技術應用評價及實例分析[M].北京：石油工業出版社，2002.

[2]萬仁溥.采油工程手冊[M].北京：石油工業出版社，2000.8.