頁巖氣開發用高強高韌套管設計及適用性研究

董曉明，張忠鏵，羅 蒙

(寶山鋼鐵股份有限公司研究院 上海 201900)

·試驗研究·

頁巖氣開發用高強高韌套管設計及適用性研究

董曉明，張忠鏵，羅 蒙

(寶山鋼鐵股份有限公司研究院 上海 201900)

針對川渝地區頁巖氣開采特點及生產套管在下入、固井、壓裂等工藝下的服役條件，設計出寶鋼頁巖氣開采用高強度高韌性套管及其氣密封螺紋接頭。對其強韌性、微觀組織和抗擠毀性能進行了測試，結果表明材料韌性穩定達到屈服強度10%以上，沖擊功的各向異性顯著降低，同時還模擬頁巖氣生產套管不同位置及不同施工階段所受到的復合載荷對套管的適用性進行了研究，用于支撐川渝地區頁巖氣井生產套管的選用。

套管；頁巖氣；韌性；特殊螺紋接頭

0 引 言

近年來對頁巖氣、致密油氣等非常規油氣資源開發的重視程度越來越高，美國、加拿大等國家重點勘探開發頁巖氣資源，開發技術已趨于成熟。國內頁巖氣的勘探開發尚處于起步階段, 但是開發工藝和技術發展迅速[1,2]。目前國內已形成涪陵、長寧、威遠、延長四大產區，產能超過60億立方米，年產量逐年增加。頁巖氣目前開發多采用水平井多級分段射孔壓裂技術[3]，該工藝對套管的抗內壓強度、抗擠毀強度均提出了較高的要求。對頁巖氣鉆完井作業特點分析發現，大斜度井、水平井在完井期間需要對20段左右的井段分別進行射孔和儲層改造，且單段射孔段較長(超過50 m)[3]，低韌性高強度套管在射孔過程中易發生開裂，長期服役過程中在地層應力的作用下裂紋易發生拓展，從而導致套管失效；另外，在川渝地區頁巖氣試油完井作業過程中多次出現生產套管變形損壞，原因之一是在下生產套管過程中，套管經過狗腿大的井段時可能出現遇阻，采用“上提下拉”的套管下入方式導致套管發生損傷；在試油完井期間，多次起下井下工具對生產套管內壁的磨損，導致套管抗擠毀強度降低[3]。這些損傷的套管在長期服役過程中的地層應力作用下易發生缺陷拓展，從而降低了套管實體力學性能。

為了解決頁巖氣開發特殊的施工工藝出現的套損問題，寶鋼開發了高強度高韌性氣密封套管產品，本文以頁巖氣開采的特殊工藝特點分析，分析對應其開采過程中，高強度高韌性氣密封套管的性能、接頭類型的選用解析，為油氣開采公司選用合理套管提供技術支撐。

1 頁巖氣開發用套管的設計

根據頁巖氣試油完井作業工藝的特點，歸納套管其服役工況如下：

1)下生產套管過程中，套管經過狗腿大的井段時可能出現遇阻，導致套管發生損傷。

2)多次井下工具的起下對生產套管內壁的磨損，導致套管抗內壓強度和抗擠毀強度降低。

3)套管自重、上提時井壁摩擦產生的強拉伸力帶來了關注密封完整性的問題；相對于垂直段套管來說，造斜段管柱的抗外擠、高內屈服強度(液態密封)、抗彎曲以及高抗扭與壓縮能力要求較高。

4)套管所在地層非均質性強，天然裂縫發育或存在斷層，壓裂過程中儲層沿層離面或巖性界面發生錯動，使套管受到強剪切應力，易發生擠毀失效。

5)多次大型體積壓裂導致溫度的頻繁變化以及多次地層改造導致的固井質量降低也會導致套管變形損壞。

6)低韌性高強度套管在射孔過程中易發生開裂，長期服役過程中在地層應力的作用下裂紋易發生拓展，從而導致套管失效。

通過對頁巖氣用套管服役工況分析，認為對套管性能要求為以下幾個方面：1)較高強度的套管可以保證較高的抗擠毀強度，抵御地層非均質載荷的影響，考慮投資的經濟性，推薦鋼級為110-125ksi；2)保證套管的高韌性，可以抑制損傷套管的脆性斷裂，并且提高射孔質量，降低套管因為射孔開裂所導致的擠毀風險；3)套管材料要具有較好的熱穩定性，在多次壓裂過程中套管性能波動小；4)套管螺紋接頭在具有一定的氣密封性能的同時還具有良好的抗拉和抗壓縮性能。

2 試驗條件

2.1 化學成分

BG110V和BG125V采用CrMo低合金鋼，通過合理的強韌化元素配合以及雜質元素控制使套管的強度和韌性同步提高，見表1。

表1 化學成分質量分數(max) %

2.2 生產工藝設計

1)煉鋼采用優質廢鋼+三脫鐵水(脫硅、脫磷、脫硫)作為鋼原料，采用電爐冶煉+LF精煉+VD(真空脫氣)的生產工藝，降低雜質和殘余元素含量，保證鋼水較高的純凈度，另外加入Si-Ca絲，獲得良好的夾雜物球化效果，保證材料具有優良的韌性指標。

2)連鑄鋼水連鑄成外徑178 mm管坯，連鑄工藝采用優化的結晶器電磁攪拌工藝和凝固末端電磁攪拌工藝，減輕管坯心部枝晶偏析，改善基體材料內部的成分均勻性，改善沖擊功的各項異性。

3)根據BG125V套管材料的不同溫度下的高溫塑性和變形抗力，針對性地優化了軋制工藝，保證套管較高的尺寸精度：不圓度≤0.4%，壁厚不均度≤12%，保證套管具有優良的抗擠毀性能。

4)熱處理：采用淬火+回火熱處理工藝，馬氏體含量在95%以上，確保熱處理后的組織為均勻細小的回火索氏體組織，提高整管強度的穩定性。

5)螺紋加工：采用進口高精度數控專用螺紋機床加工BGT2/BG-PCT氣密封螺紋，依靠高螺紋加工精度和螺紋表面處理技術，提高套管接頭的抗粘扣性能，BGT2特殊接頭通過了ISO 13679 CAL Ⅳ試驗。

2.3 檢測方法

試樣經過機械磨拋為鏡面，采用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕。通過光學顯微鏡觀察金相組織，并采用電子探針、EVO MA25掃描電鏡和JEM 2100F透射電鏡對測試試樣進行微觀組織觀察和分析，另外，對斷口也進行表征。拉伸性能測試在MTS 810-15試驗機上進行，沖擊性能采用JBN-300B設備，根據ASTM A 370-2010標準測試材料的夏比V型缺口沖擊功，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試樣測試方向為橫向，試驗溫度為0℃。

3 性能分析

3.1 拉伸強度和沖擊韌性

BG125V高強度高韌性套管的力學性能如圖1和圖2所示。從圖1可以看出，管體調質熱處理后，BG125V的屈服強度波動范圍為880～980 MPa，力學性能波動較小，改善了套管整體力學性能的穩定性，保證了抗擠毀性能的均一性。BG125V全尺寸0℃橫向沖擊功均值首次達到141 J，波動范圍為120～165 J，韌性值達到125 ksi(1 ksi=6.89 MPa)鋼級套管10%名義屈服強度的要求(87 J)。高韌性可以改善套管在多輪次的高強度水力壓裂過程中由于管體缺欠出現的脆性斷裂問題，提高套管的極限抗內壓強度；同時改善了套管射孔的易開裂傾向，提高了射孔質量，防止出現套管在長期服役過程中由于射孔裂紋所導致的套管擠毀失效問題。

從表2可以看出，常規的125ksi鋼級套管的橫縱向沖擊功的比值約為0.8，這與調質態API系列套管橫縱向的比值處于同一水平。而BG125V橫縱向沖擊功的比值在0.93以上，說明BG125V的材料橫向和縱向上的沖擊功比較均一，沖擊韌性各向異性小。

圖1 BG125V屈服強度分布圖

圖2 BG125V橫向沖擊功分布圖

編號夏比沖擊功0℃橫向全尺寸/J夏比沖擊功0℃縱向全尺寸/J橫向和縱向沖擊功比值BG125891210．81881180．81941230．80BG125V1421520．931451550．941461510．97

3.2 高溫力學性能

圖3為BG125V套管在不同溫度下的強度變化曲線，結果表明BG125V套管材料的屈服強度從室溫至180℃時的衰減比例為10.9%，抗拉強度衰減比例較小，為5.3%。在水力壓裂過程中管柱的溫度波動范圍為30℃～120℃，從圖3數據可以看出，在此區間內套管屈服強度的衰減比例為5%，具有較好的穩定性。

圖3 不同溫度下力學性能

3.3 抗擠毀性能

139.7 mm×12.7 mm規格BG125V套管實際抗擠毀強度平均值達到176 MPa，見表3，超出該規格API標準要求24%，可有效的改善頁巖氣開發所采用的多級分段壓裂工藝下的套損問題，目前在長寧威遠區塊實現了大批量應用。

表3 BG125V抗擠毀性能檢測結果

3.4 微觀組織分析

鋼中析出物如碳化物和氮化物等第二相質點均為脆性相，在提高材料強度的同時會增加材料的脆性，其影響韌性的程度與第二相質點的大小、形狀和分布有關。按史密斯解理裂紋成核模型，晶界上碳化物厚度或直徑增加，解理裂紋既易于形成又易于擴展，故使脆性增加。第二相粒子尺寸越大，數量越多，對韌性的損害越大[4]。因此要提高材料的韌性，細化析出相尺寸并使其彌散分布是有效方法之一。

目前國內外鋼管廠家采用的管坯主要為連鑄管坯，但是由于連鑄管坯心部的鋼液在凝固過程中選擇性結晶形成化學成分呈不均勻分布的枝晶偏析組織，管坯中的粗大枝晶在軋制時沿變形方向被拉長，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶和富化帶彼此交替堆疊[5]，形成了如圖4(a)中的偏析帶組織。部分粗大的碳化物在晶界聚集長大，使晶界脆化，降低了韌性，這是高強度套管韌性尤其是橫向沖擊韌性難以提高的主要原因之一。

針對以上問題，對BG125V套管生產所用的管坯連鑄工藝進行了優化，通過優化結晶器電磁攪拌工藝和凝固末端電磁攪拌工藝，減輕管坯心部枝晶偏析；管體在軋制后進行重新加熱，采用張力減徑工藝細化晶粒、改善成分均勻性。根據以上工藝設計，寶鋼開發的BG125V套管內壁金相組織成分偏析明顯改善，如圖4(c)所示，可以有效的提高套管的沖擊韌性，同時也提高了套管材料沖擊性能的各項異性，解釋了表2中橫縱向沖擊韌性比值的差異問題。

圖4 常規高強度套管和BG125V套管金相組織

3.5 接頭實體性能

頁巖氣開采過程中，生產套管管體及接頭在入井、固井、射孔、壓裂過程中承受不同物理載荷作用，表4列舉了頁巖氣生產套管接頭承受物理載荷的重點關注。可以看出頁巖氣生產套管不同位置及不同施工階段對內壓、外擠、拉伸、壓縮、彎曲、溫度交替等的不同要求。

表4 頁巖氣管柱不同位置在不同施工過程中的主要物理載荷

為適應頁巖氣開采開發，寶鋼開發出適用于不同工況的BGT2及BG-PCT生產套管接頭產品。BGT2是一種高氣密封性能套管接頭，具備復合載荷下的氣密封完整性，通過ISO13679 CAL Ⅳ(100%壓縮效率，95%VME，如圖5中藍色橢圓圖以內參數)的實體評估，適用于垂深3 000 m以上，或氣密封密封性能要求高于60 MPa的復雜頁巖氣井。同時寶鋼開發了一種依靠螺紋及臺肩對頂的經濟型氣密封生產套管BG-PCT，能承受85%VME內，60%壓縮效率的載荷性能(如圖5中黑色區域內參數)，適用于垂深3 000 m以下，氣密封性能要求在60 MPa以下的頁巖氣井開采。按照頁巖氣下入、射孔及壓裂工藝條件，在試驗室內模擬了Φ139.7 mm×12.7 mm BG125V BG-PCT的物理載荷試驗，試驗結果見表5，可見BG-PCT能滿足在常見施工及作業工藝。

說明T：管體拉伸強度，C：管體壓縮強度，IP：管體內屈服強度，EP：管體壓潰強度。圖5 針對頁巖氣不同特殊螺紋生產套管接頭復合載荷能力

試樣編號靜水壓循環模擬試驗條件額定值試驗結果123490MPa，穩壓5min，20次循環靜水壓至失效137．2MPa28275psi未爆破拉伸至失效4370kN4640kN堵頭斷裂342t拉伸條件下水壓至失效105．3MPa115．2MPa堵頭爆裂90MPa水壓(內)條件下拉伸至失效3560kN3656kN管體斷裂

4 結 論

1)寶鋼全新設計開發的BG125V高強度高韌性套管橫向韌性指標穩定達到屈服強度的10%，材料的沖擊韌性各向異性顯著降低，具備了優良的強韌性、高溫力學性能以及抗擠毀性能，能夠更好的滿足頁巖氣開采開發用套管力學性能及安全使用的要求。

2)寶鋼開發的BGT2高氣密封特殊螺紋套管適用于垂深3 000 m以上，且氣密封性能要求高于60 MPa的嚴苛條件下的頁巖氣井開發，BG-PCT經濟型氣密封特殊螺紋套管可以應用于垂深3 500 m以下，且氣密封性能要求低于60 MPa的常規頁巖氣井的開發。

[1] 張 抗, 譚云冬. 世界頁巖氣資源潛力和開采現狀及中國頁巖氣發展前景[J].當代石油石化, 2009, 17(3):9-12.[2] 張金川, 金之鈞, 袁明生. 頁巖氣成藏機理和分布[J].天然氣工業, 2004, 24(7):15-18.

[3] 戴 強. 頁巖氣井完井改造期間生產套管損壞原因初探[J].鉆采工藝, 2015, 38(3):22-25.

[4] 朱明原，魯澤凡，黃 飛，等. 第二相粒子對V-Ti 微合金油井管鋼力學性能的影響[J].金屬熱處理，2011,36(21):70-73.

[5] 劉云旭. 低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除[J].金屬熱處理，2000, 7(12):35-41.

Design and Applicability Research of High Strength and Toughness Casing for Shale Gas Service

DONG Xiaoming, ZHANG Zhonghua, LUO Meng

(BaosteelResearchInstitute,BaoshanIronandSteelCo.Ltd.,Shanghai201900,China)

Based on the shale gas exploitation characteristics and the working conditions of production casing during tripping, cementing and fracturing process in Sichuan-Chongqing area, the high strength and toughness casing and premium connection are designed. The mechanical properties, microstructure and collapse resistent property are tested, finding that the transverse Charpy impact value of BG125V casing at 0℃ surpasses the value of 10% yield strength, and the toughness anisotropy decreases obviously. Furthermore, the applicability of casing is researched by simulating the combined loads on casing at different well positions and in different construction stages, supporting the selection of production casing for shale gas service in Sichuan-Chongqing region.

casing； shale gas； toughness； premium connection

董曉明，男，1980年生，工程師，2006年畢業于上海大學，主要從事高等級油井管產品開發。E-mail:dongxiaoming@baosteel.com

TE931

A

2096-0077(2017)01-0047-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.011

2016-12-08 編輯：馬小芳)