基于應變設計的變強度套管研究

蘇金洋，花志斌，薛自建

基于應變設計的變強度套管研究

蘇金洋，花志斌，薛自建

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，河北青縣062658）①

針對現(xiàn)有熱采井用套管套損率高的現(xiàn)狀，對熱采井工況及套管的受力情況進行分析，提出了基于應變的變強度套管設計思路，通過對材料化學成分的分析及熱處理工藝的研究，試制出了變強度套管。套管適用性評價結(jié)果表明：變強度套管具有連接強度高、密封性能好、高溫性能好的特點，滿足了熱采井工況對套管的性能要求。

變強度；套管；基于應變設計；熱處理

變強度套管的研究開發(fā)是根據(jù)油田熱采井的生產(chǎn)需求而進行，據(jù)有關資料統(tǒng)計，稠油熱采井套損率平均為20%～30%，局部區(qū)塊達70%，位于油田套管損壞之首［1-2］。我國的稠油資源較為豐富，主要分布在新疆、遼河、勝利及河南油田，僅新疆油田在紅

003及風城區(qū)已探明可開采儲量逾4億t。隨著稠油熱采技術(shù)的進步，稠油的大規(guī)模開采已提到日程上。因此，開發(fā)適用于稠油熱采井專用套管是適應生產(chǎn)需求、提高熱采效率、減少套損事故、降低經(jīng)濟損失的有效方法。

1　熱采井井況及套管使用現(xiàn)狀

稠油是一種黏度高、流動性差的重質(zhì)原油，常溫下黏度很大，其黏度對溫度非常敏感，隨著溫度的上升黏度急劇下降。因此，稠油開采大部分采用加熱的方法，國內(nèi)最常用的是單井注蒸汽法，注入蒸汽的平均溫度約320℃。在向稠油熱采井注入蒸汽的過程中，套管受熱時由于受到約束而無法膨脹，從而受到較大的壓應力作用，停注采油時由于溫度下降的過程中金屬材料的松弛和蠕變作用，套管又受到較大的拉應力作用。套管周期性承受如此高的拉-壓應力作用，會造成套管變形、斷裂或螺紋連接滑脫，從而造成套損事故。

目前，稠油熱采井主要使用普通API C-Mn系的N80Q、P110鋼級套管，這類套管在熱采作業(yè)過程中存在的問題主要表現(xiàn)為2個方面：常規(guī)的API螺紋氣密封性能較差，在注氣保壓過程中容易發(fā)生泄露，壓力損失較大，“悶井”效果差；常規(guī)的C-Mn鋼受高溫及溫差影響較大，強度、韌性均有一定程度下降，特別是在周期作業(yè)過程中，這種現(xiàn)象更為明顯，因此不是理想的熱采井用套管材料。

2　基于應變的套管設計思路

國內(nèi)外對稠油熱采套管的研究認為，在注入蒸汽的循環(huán)過程中，套管的損壞主要是因為受軸向熱脹應力過高引起［1］。因此，稠油熱采井普遍選用N80Q、P110等高鋼級套管以解決套管服役時所受應力過高的問題。通過數(shù)據(jù)模擬和試驗相結(jié)合的方法得出，在同一熱循環(huán)載荷下殘余應力隨套管鋼級的增加而增大，也就是說高強度的套管同低強度的套管相比，其屈服強度在熱循環(huán)過程中會受到更大的影響。因此，材料設計時在考慮強度的同時，還需具有高溫強度高、應力松弛穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、均勻延伸率高等特點，同時套管材料本身具有殘余應力低、抗擠毀性能高等特點。現(xiàn)場套管失效約80%發(fā)生在螺紋連接處［3］，因此變強度套管的端部強度要高于套管的中部強度。

對于常規(guī)的API套管，API螺紋不具備密封能力，螺紋脂的密封極限為300℃，在大于300℃的井況下，只有采用金屬對金屬的密封才能夠起到效果。因此，套管螺紋連接采用具有密封性能的特殊螺紋接頭。

3　材料要求及設計

我國稠油熱采井井深大多處于600 m以內(nèi)，鋼級為90 ksi的套管可滿足井況要求。根據(jù)稠油熱采井況對套管性能的要求，初步選用高溫性能好、熱膨脹系數(shù)低的Cr-Mo鋼，通過適當?shù)臒崽幚砉に噷崿F(xiàn)變強度套管的力學性能。

3.1材料化學成分

研究表明，溫度對金屬材料線膨脹系數(shù)、鋼材彈性模量等性能參數(shù)都有很大的影響。隨溫度升高，鋼材彈性模量呈直線減小，線膨脹系數(shù)則先升高，到達一定溫度后降低。同時根據(jù)行業(yè)標準和有關文獻，熱采井套管熱應力及預應力均與熱采套管本身的線膨脹系數(shù)和彈性模量有直接關系。Cr、Mo元素均具有增加鋼材高溫時的強度、增加淬透并提高回火穩(wěn)定性的功能。基于此，選用Cr-Mo系低合金高強度鋼提高鋼材的高溫強度，確保套管在350℃高溫環(huán)境下的強度穩(wěn)定性能。經(jīng)理論設計和多次試驗確定90 ksi鋼級套管的化學成分，如表1所示。

表1　90 ksi鋼級套管的化學成分　wB／%

3.2材料力學性能

變強度套管的力學性能主要包括接箍力學性能、管體中部力學性能、管體端部力學性能。套管受力時理想的狀態(tài)是管體中部發(fā)生彈塑性變形，管體接頭部位僅發(fā)生彈性變形，即將應力釋放在管體中部。為實現(xiàn)以上要求，設計的90 ksi鋼級套管的力學性能如表2所示。

表2　90 ksi鋼級套管的力學性能

4　材料熱處理方法及工藝

為實現(xiàn)變強度套管的性能，需要對套管進行2次熱處理：第1次熱處理使材料整體性能達到預期的目的；第2次熱處理實現(xiàn)材料的強度錯配，即端部性能優(yōu)于中部性能。第2次熱處理工藝方案有2種選擇：一種是通過對套管端部進行調(diào)質(zhì)處理來提高套管端部的力學性能；另一種是通過對套管中部回火來降低套管中部的力學性能。由于端部調(diào)質(zhì)時容易造成過渡區(qū)的性能不穩(wěn)定，因此選用第2種方案進行二次熱處理。

經(jīng)理論研究和試驗驗證方法確定的二次熱處理方法為：管子從縱向輥道上進入箱式中頻加熱爐，到達預定位置后停止加熱，達到預定溫度后保溫50 s，達到預定保溫時間后管子繼續(xù)前進到下一位置進行加熱保溫，直至完成全部管體預定位置的二次熱處理。二次熱處理工藝為：中頻爐設置溫度：690℃；保溫時間：50 s；冷卻方式：空冷。

經(jīng)二次熱處理后材料的力學性能如表3所示。

表3　二次熱處理后套管的力學性能

由表3可以看出，二次熱處理后套管的力學性能達到了設計要求。

5　特殊螺紋及密封形式

油套管特殊螺紋的設計盡管種類繁多，形狀各異，但其基本形式大體相同，主要都是為了提高管柱的連接強度和密封性能。一般來講，多數(shù)特殊螺紋的油套管接頭都是由連接螺紋、抗轉(zhuǎn)矩臺肩和密封面3個部分構(gòu)成。

螺紋連接強度和密封性是油套管的2個主要技術(shù)指標，其性能與螺紋接頭結(jié)構(gòu)、螺紋輪廓有關。圓螺紋只能承受相當于管體強度的60%～80%的拉伸負載［3］，偏梯螺紋接頭的連接強度可達管體強度的80%以上，因此特殊螺紋接頭的螺紋型式選用偏梯螺紋。但偏梯螺紋接頭在較高內(nèi)壓下密封性能很差，需要提高偏梯螺紋的密封性能。

為提高螺紋接頭的密封性能，設計了一種球面對錐面密封的密封結(jié)構(gòu)。在外螺紋接頭上加工球形密封面，在內(nèi)螺紋相應部位加工錐形密封面，連接時由光滑的金屬表面彈性過盈配合來實現(xiàn)密封，達到提高密封性能的要求。

為便于控制接頭上緊位置，在螺紋接頭結(jié)構(gòu)中設計了負角度抗轉(zhuǎn)矩臺肩，該轉(zhuǎn)矩臺肩也是接頭的輔助密封結(jié)構(gòu)。接頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　特殊螺紋接頭

6　驗證與評價

為驗證該套管對稠油熱采井的適用性，依據(jù)ISO13679對90 ksi鋼級稠油熱采套管的適用性進行了模擬工況實物評價。評價項目包括：抗粘扣試驗、拉伸強度試驗、抗內(nèi)壓試驗、抗外擠試驗及氣密封試驗［4］。

6.1抗粘扣試驗

室溫環(huán)境下，對套管試樣進行上卸扣試驗。對套管進行3次上扣、2次卸扣，其中前2次上扣按照設計最大轉(zhuǎn)矩，第3次上扣按照設計最佳轉(zhuǎn)矩，試驗結(jié)果表明，試樣經(jīng)過3次上扣、2次卸扣，均未發(fā)生粘扣，其形貌如圖2所示。

圖2　第2次卸扣后內(nèi)、外螺紋形貌

6.2拉伸強度試驗

對套管柱試樣進行拉伸至失效試驗，目的是評價套管與接箍之間螺紋連接強度。試驗結(jié)果表明：拉伸斷裂發(fā)生在管體的中間位置，并且斷口位置有頸縮現(xiàn)象（如圖3所示），表明螺紋的連接強度高于管體的抗拉強度，套管管體首先發(fā)生塑性變形。

圖3　拉伸至失效后的套管整體形貌

6.3抗內(nèi)壓試驗

為測試90 ksi稠油熱采套管抗內(nèi)壓能力，進行了管體內(nèi)壓爆破實物試驗。試驗表明90 ksi稠油熱采套管抗內(nèi)壓極限為94.6 MPa，爆破開裂出現(xiàn)在管體上。內(nèi)壓爆破后的試樣如圖4所示。

圖4　內(nèi)壓爆破后形貌

6.4抗外擠試驗

為測試90 ksi稠油熱采套管的抗外擠強度，對套管管體進行外壓至失效試驗。結(jié)果表明：90 ksi稠油熱采套管外壓至失效的最大壓力為57.6 MPa （8 362 psi），試樣的抗擠毀強度滿足設計要求。擠毀變形后試樣形貌如圖5所示。

圖5　外壓至失效后形貌

6.5氣密封試驗

為驗證螺紋接頭在高壓氣體環(huán)境下的密封能力，對螺紋接頭進行了內(nèi)壓氣密封和循環(huán)載荷試驗，氣密封試驗后的螺紋接頭如圖6所示。試驗結(jié)果表明：螺紋接頭未發(fā)生泄漏，其密封性能完好。

圖6　螺紋接頭氣密封試樣

7　結(jié)論

1）熱采井用套管通過二次熱處理的方式，實現(xiàn)了管體、管端由低到高的強度錯配，有助于增強螺紋接頭的強度。

2）熱采井用套管螺紋根據(jù)熱采工藝特點設計，依靠金屬表面的彈性過盈實現(xiàn)密封，同時-15°轉(zhuǎn)矩臺肩也起到輔助密封的作用。

3）熱采井用套管適用性評價試驗結(jié)果表明，熱采套管的結(jié)構(gòu)完整性良好，螺紋連接性能滿足密封完整性要求。

［1］李靜，林成焰，楊少春，等.稠油開發(fā)井套管損壞機理與強度設計問題分析［J］.石油礦場機械，2009，38（1）：9-13.

［2］賈江鴻.熱采井套損機理及套管強度優(yōu)化設計［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2011（9）：121-125.

［4］婁奇，杜偉，李東風，等.110鋼級抗擠抗硫套管性能試驗研究［J］.石油礦場機械，2013，42（5）：65-68.

Research on The Strain based Design Casing of Variable Strength

SU Jinyang，HUA Zhibin，XUE Zijian

（CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co．，Ltd．，Qingxian 062658，China ）

In view of the existing thermal wells casing of high rate of casing damage，based on thermal wells working condition and the casing stress analysis，the strain-based design ideas for variable strength casing is point out.Through the design of material chemical composition and the research of heat treatment process，variable strength casing is produced.The casing applicability evaluation results show that variable strength casing with high connection strength，good sealed performance，good high temperature performance，to meet the performance requirements for casing thermal recovery well conditions.

variable strength；casing；strain-based design；heat treatment

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.016

1001-3482（2015）10-0064-04