用于排水采氣的非API整體接頭小直徑油管性能評價

朱方輝，李瓊瑋，劉　偉，唐澤瑋，李明星，董曉煥

（1．低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018；2．中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018）①

用于排水采氣的非API整體接頭小直徑油管性能評價

朱方輝1，2，李瓊瑋1，2，劉偉1，2，唐澤瑋1，2，李明星1，2，董曉煥1，2

（1．低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018；2．中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018）①

為降低蘇里格氣田排水采氣工藝管柱成本，研發了一種基于中碳無縫鋼管的非API整體接頭小直徑油管，其接頭采用二次加熱、二次鐓鍛外加厚成型。該材質管柱未見用于油氣田井下管柱的先例，故對其油管本體及接頭的常規理化性能、耐腐蝕性能和實物管力學性能進行評價和分析。結果表明：熱鐓鍛加工后接頭處材料的屈服強度由382 MPa提高到527 MPa，硬度和沖擊性能滿足使用要求；實物管在30 MPa內壓條件下拉伸失效載荷為253．25 k N，遠大于蘇里格氣田平均管柱下深時的該油管自重，安全系數可達1．96，抗內壓強度大于62 MPa，管柱平均腐蝕速率與現用N80油管相當；非API整體接頭小直徑油管性能滿足蘇里格氣田下井和排水采氣工藝要求。

油管；整體接頭；排水采氣；性能評價

蘇里格氣田開發已進入中后期，出現大量低產低效氣井，井筒存在不同程度積液；速度管柱排水采氣工藝是保證此類氣井正常生產的主要手段之一［1］。目前，在用速度管柱主要是管徑為31．8、38．1 mm的國產CT70連續油管，現場應用效果良好，但管材成本較高。為進一步提高蘇里格氣田排水采氣工藝經濟性，研發了一種非API整體接頭小直徑油管，降低了速度管柱成本。

綜合考慮力學性能、排水采氣最小攜液流量要求和速度管柱下入時機和工藝，選擇規格為38 mm×4 mm的某牌號中碳無縫鋼管作為基體管材，設計無接箍整體連接型接頭。接頭加工工藝為管端中頻二次加熱，二次鐓鍛外加厚成型［2］。為滿足螺紋加工需求和連接強度要求，設計將原管端壁厚4 mm通過外加厚成型增至10 mm，鍛造比達2．5，大于API 5CT中1．5～2．0的鍛造比，給接頭加工成型時的質量控制增加了一定的難度［3-4］，同時未見該牌號中碳無縫鋼管用作油氣田井下管柱的先例。為評價采用此結構設計和加工工藝的非API小直徑油管在蘇里格氣田進行排水采氣工藝的可靠性和安全性，本文對其油管本體及接頭的常規理化性能、耐腐蝕性能和實物管力學性能進行了評價和分析，并對其后續加工工藝提出了建議。

1　試驗材料與方法

1．1 常規理化性能檢測

采用RB2002洛氏硬度計對管體與接頭進行硬度檢測，分別從外徑為38 mm、壁厚為4 mm的管體上和外徑為50 mm、壁厚為10 mm的接頭加厚端上截取環狀試樣進行測試；采用MEF4M金相顯微鏡對管體與接頭進行金相分析，在管體與接頭取樣環上截取金相試樣。

采用GMT5105萬能材料試驗機對管體和接頭試樣進行拉伸性能試驗，依據GB／T 228．1—2010加工試樣并完成試驗。管體由于壁厚較薄，不易截取棒狀試樣，采用管段試樣，接頭部分按照標準截取8．9 mm棒狀試樣，各取3組試樣。

采用PIT 302D沖擊試驗機對試樣進行夏比沖擊試驗（管體20℃、接頭0℃）；采用JSM6360LV掃描電子顯微鏡對試樣進行沖擊斷口觀察。管體部分壁厚較小，無法截取試樣，選擇規格為50 mm× 10 mm的某牌號無縫鋼管截取；接頭部分試樣則從接頭加厚端截取。在同根管子上各取3組平行試樣，并按照GB／T 229—2007標準要求加工成7．5 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口試樣。

1．2 實物管力學性能評價

采用SHT4106萬能材料試驗機、水壓爆破試驗系統、MTS810材料試驗機對實物管分別進行拉伸至失效、靜水壓及內壓至失效、內壓條件下拉伸至失效試驗（加載內壓30 MPa），試驗管樣規格分別為3．4、12、2 m（管樣長度均為接頭螺紋連接后長度），每個試驗取平行管樣2根。3項試驗均依據SY／T 6128—1995在室溫下進行，加壓介質為水。

1．3 腐蝕性能評價

采用Cortest高溫高壓腐蝕測試系統對管體、接頭與N80管材試樣進行腐蝕失重對比評價。試樣規格為30 mm×15 mm×3 mm，每個試驗對象取3個平行試樣。試驗條件為：總壓25 MPa，溫度80℃，CO2含量1%，試驗周期168 h，試驗介質為模擬蘇里格氣田地層采出液，水質組成如表1所示。

表1　試驗介質水質組成　mg／L

試驗結束后，試樣經去離子水清洗、無水乙醇除水、烘干和FR-300MKⅡ電子天平（精度1 mg）稱重，計算材料的平均腐蝕速率；用JSM6360LV型掃描電鏡觀察試樣表面的腐蝕形貌，用能譜分析腐蝕產物組成。

2　試驗及分析

2．1 熱鐓鍛對金屬組織的影響

管體和接頭的非金屬夾雜物的類型和形態未發生變化。在二次加熱和二次鐓鍛成型過程中，接頭處材料為鍛后空冷，其晶粒度有一定程度的提升，晶粒細小有助于提高接頭的機械性能。但從金相組織看，熱鐓鍛后出現少量網狀鐵素體和魏氏組織鐵素體，如表2、圖1所示。

表2　熱鐓鍛前后金相檢測結果

圖1　管體與接頭的金相組織

魏氏組織和網狀鐵素體是鋼的過熱缺陷組織，它使鋼的沖擊韌性和塑性顯著降低［5］，應降低加熱溫度，控制冷卻速度，防止或消除魏氏組織。晶粒的細化和組織的改變也提高了材料的硬度，測試結果表明，接頭處較管體其硬度由14 HRC提高至21 HRC，滿足含硫環境下≤22 HRC的使用要求［6］。

2．2 接頭處材料性能對管柱連接強度的影響

通過熱鐓鍛加工，接頭處材料的屈服強度和抗拉強度顯著提高，屈服強度從382 MPa提高到527 MPa，抗拉強度從578 MPa提高到761 MPa，如表3，該指標接近N80油管指標。伸長率從44．3%降到24．0%，說明熱鐓鍛加工后材料的塑性下降。

接頭處的屈服強度大幅提高，較大提升了管柱的連接強度。根據SY／T 6328—1997中關于油管連接強度的計算公式［7］，得出最小連接強度（滑扣載荷）225．16 k N，高于未熱處理鐓鍛加厚的最小連接強度93．53 KN。從蘇里格氣田平均井深來看，完全滿足油管下深要求，管柱連接強度大于該下深時的自重114．90 k N，安全系數可達1．96。

表3　管體與接頭拉伸試驗結果

2．3 熱鐓鍛對沖擊韌性的影響

從前述研究可知，通過熱鐓鍛加工，接頭處屈服強度達到527 MPa，與N80油管相當（552 MPa）。接頭處的CVN吸收能要求可參照SY／T 6194—2003標準中對N80 1類鋼材的要求，縱向沖擊全尺寸試樣的CVN吸收能為公式YS min（0．002 36 t＋0．025 18）的計算數值（25．71 J）與27 J中的較大者［7］。本試驗為3／4 CVN沖擊試樣，其遞減系數為0．8，所以按照27 J計算，試驗結果達21．6 J，符合沖擊韌性要求［8］。

V型缺口夏比沖擊試驗結果如表4。

表4　V型缺口夏比沖擊試驗結果

從表4可以看出，熱鐓鍛后，接頭的CVN吸收能降低，說明韌性有所損失，但滿足標準中要求，不影響使用。

圖2為沖擊試樣斷口宏觀形貌。觀察沖擊試樣斷口宏觀形貌，斷口有明顯的剪切唇，為韌性斷裂，接頭區斷口剪切唇明顯小于管體區，說明韌性有一定的下降［9-10］。

圖2　沖擊試樣斷口宏觀形貌

2．4 實物管應用性能分析

采取端部熱鐓鍛加工后，接頭連接強度相較于管體強度大幅提高，在拉伸至失效試驗中，斷裂失效位置均在管體，失效載荷平均為265．7 k N，如圖3、表5所示。一般認為是薄弱環節的接頭未發生滑脫，說明其拉伸失效機理為斷裂［11］。

圖3　拉伸失效后試樣斷裂位置及形貌

表5　拉伸失效載荷數據

內壓條件下拉伸失效試驗表明，參考蘇里格氣田井況條件，加載30 MPa內壓，小直徑油管拉伸失效載荷平均為253．25 k N，斷裂位置仍為管體，如表6。

表6　內壓條件下拉伸至失效試驗結果

該結果略低于未加載時的失效載荷，但仍遠大于滿足氣井下深時的該管柱自重114．90 k N，符合實際使用要求。

靜水壓及內壓失效試驗表明：在水介質中，小直徑油管在內壓強度60 MPa情況下未發生泄露，失效壓力達120 MPa，抗內壓強度滿足蘇里格氣井正常生產要求，試驗結果如表7。

表7　靜水壓及內壓至失效試驗數據

以上3項試驗表明：非API整體接頭小直徑油管的結構設計和加工工藝合理，實際力學性能滿足蘇里格氣田排水采氣工藝的要求。

2．5 蘇里格氣田環境下耐蝕性能

模擬蘇里格環境80℃時3種試樣的平均腐蝕速率試驗結果如表8所示。腐蝕環境下，非API整體接頭小直徑油管的管體和接頭部分腐蝕速率與N80油管相當；熱鐓鍛加工對某牌號無縫鋼的耐蝕性影響不大，接頭處腐蝕速率略大于管體，相差0．007 2 mm／a，表明非API整體接頭小直徑油管耐蝕性滿足蘇里格氣田使用要求。

表8　模擬蘇里格氣田環境80℃時3種試樣的平均腐蝕速率

80℃時3種試樣腐蝕產物微觀形貌如圖4所示。表面腐蝕產物能譜分析發現，3種材質表面產物均為CaCO3及Fe的氧化物，成分含量基本相同。管體與N80表面腐蝕產物形貌一致，較為致密，接頭部分表面腐蝕產物及沉積垢相對稀疏。

圖4　80℃時3種試樣腐蝕產物微觀形貌

熱鐓鍛加工后接頭處組織較管體整體更均勻，晶粒更細小，其腐蝕速率相對于管體一般略有降低［1213］，但本試驗結果與此相反。分析認為，由于熱處理后出現少量網狀鐵素體及魏氏組織的影響，引起局部區域組織粗大、不均勻，但因數量較少，對腐蝕速率未產生較大影響；但其對腐蝕產物膜形貌和不同腐蝕環境下腐蝕速率的影響，有待進一步研究。

3　結論

1） 選用某牌號中碳無縫鋼管為基管的非API整體接頭小直徑油管，其接頭的結構設計和成型工藝合理，整體性能滿足蘇里格氣田下井和排水采氣工藝要求。管柱拉伸強度遠大于蘇里格氣田平均井深時的油管自重，安全系數可達1．96，抗內壓強度大于62MPa，管柱平均腐蝕速率與N80油管相當。

2） 采用二次加熱、二次熱鐓鍛成型工藝，可滿足該材質管材鍛造比為2．5的外加厚成型，其熱鐓鍛加厚部分的材料屈服強度提高了138%，硬度提高至21HRC，韌性有所下降，但仍滿足標準和使用要求。

3） 下一步需優化熱鐓鍛成型工藝參數，降低加熱溫度，控制冷卻速度，防止或消除魏氏鐵素體等不良金屬組織。

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Properties Evaluation on NonAPI Type Small Diameter Tubing with Integral Joint for Drainage Gas Technology

ZHUFanghui1，2，LI Qiongwei1，2，LIUWei1，2，TANG Zewei1，2，LI Mingxing1，2，DONGXiaohuan1，2
（1．National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil and Gas Fields，Xi’an 710018，China；2．Oil&Gas Technology Research Institute，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China）

In order to reduce the cost of velocity string for Sulige Gasfield drainage gas technology，a nonAPI type small diameter tubing with integral joint which based on mediumcarbon seamless steel pipe was developed．The tubing joint was processed by medium frequency heating twice and externalupset formation by upsetting twice．The pipe of this material for oil＆gas field downhole string has no precedent．The general physicochemical properties and the corrosion resistance property of the pipe body and joints and tubing mechanical properties were evaluated and analyzed．The results show that the yield strength of joint material is increased from 382 MPa to 527 MPa after hot upsetting，the hardness and impact properties satisfied the request for utilization．In the approximate fullscale test results，tensile failure load in the condition of 30 MPa internal pressure is 253．25 k N，far greater than the dead load of the pipe string in average depth of Sulige gaswell，the safety coefficient up to 1．96；internal pressure strength more than 62 MPa；the average corrosion rate close to the N80 tubing．Each properties of nonAPI type small diameter tubing with integral joint satisfied the requirements of tubing depth and drainage gas technology in Sulige Gasfield．

tubing；integral joint；drainage gas；properties evaluation

TE931．2

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．012

1001-3482（2015）09-0050-05

①2015-03-23

中石油股份公司重大科技項目“長慶油田油氣當量上產5000萬噸關鍵技術”（2011E－1306）

朱方輝（1982），男，陜西武功人，工程師，碩士，主要從事油氣田腐蝕防護及材料加工工作，Email：zfh＿cq＠petrochina．com．cn。