碳酸鹽巖儲層完井鋁基耐酸易鉆油管性能評價

蘇 鵬，龍 武，王小紅，劉 豪，蔣焰罡，李子碩

(1.中石化西北油田分公司 工程技術研究院，烏魯木齊 830011；2.西南石油大學 新能源與材料學院，成都610500)

據油氣資源評價結果，截至 2015年底，中國碳酸鹽巖油藏累計探明石油地質儲量 29.34×108t[1]，縫洞型占近 2/3[2]。目前，針對碳酸鹽巖油藏，有裸眼完井及襯管支撐2種完井方式。裸眼完井工藝存在的主要問題是在鉆進破碎地層時易發生坍塌事故，在碳酸鹽巖油藏的坍塌率高[3-4]。順北井區部分井因泥巖裸露、破碎帶地層巖石強度低、生產壓差控制不當等原因，在鉆遇破碎帶時發生多次井壁坍塌，坍塌率高達31%。井壁坍塌導致順北5-1X、順北5-3等井4次被迫側鉆(鉆進)，鉆井周期超過450 d。順北蓬1井四開鉆至鷹山組8 350 m破碎帶，發生井壁坍塌事故，擴徑率49.39%。井壁坍塌率高，帶來的問題是坍塌治理費用高，例如SHB1CX井坍塌治理費高達￥518萬元，且修井難度大，需使用ZJ50/3150型鉆機修井。

采用碳鋼油管(襯管)支撐完井，可有效解決裸眼完井時的坍塌問題，但又帶來新的問題，即在后期側鉆[5]找剩余油時需將碳鋼油管鉆掉，由于碳鋼硬度高，鉆削速度低，導致鉆削費用高達100萬元/井，側鉆找剩余油難度大、成本高。為此，急需尋找一種強度滿足要求的易鉆削襯管代替鋼襯管。鋁合金具有比強度高、硬度低、擠壓成形性能好、價格低廉等優點，是最有潛力的易鉆襯管材料[6]。碳酸鹽巖儲層地質條件復雜、非均質性強，直接開采難度大，通常需要采用酸化壓裂對儲層進行改造，以達到增產增效的目的[7]。酸化壓裂時，鋁合金會迅速與酸化介質(高溫鹽酸)發生反應，導致鋁合金管腐蝕減薄而失效[8]。因此，解決鋁合金襯管在酸化介質中快速腐蝕的問題是鋁合金襯管應用于碳酸鹽巖儲層完井的關鍵。

本文介紹了一種鋁基耐酸易鉆完井支撐油管(以下簡稱6061T6鋁合金油管)，以擠壓成形性能較好的6061T6鋁合金作為基材，在管材內外表面涂覆耐酸涂層。建立并驗證了6061T6鋁合金油管強度與壁厚的數學模型，評價了該油管的在酸化壓裂工況下的耐蝕性、鉆磨性。為我國鋁合金支撐油管強度設計提供了理論依據，促進鋁合金油管在我國碳酸鹽巖油管完井作業中的推廣應用。

1 鋁基耐酸易鉆支撐油管結構

碳酸鹽巖油藏完井用支撐油管的工作介質通常為質量分數20%的鹽酸、高礦化度的地層水。儲層深度不同，流過支撐油管內部的鹽酸的溫度不同。當地層深度為6 500 m時，酸化用鹽酸到達支撐油管時的溫度約為100 ℃。為避免酸化壓裂時鋁合金管在高溫鹽酸中快速溶解[9]，設計了6061T6鋁合金油管，結構如圖1所示。該支撐油管內外表面的耐酸涂層由筆者所屬的團隊研發[6]。

圖1 鋁基耐酸易鉆支撐油管結構

2 鋁基耐酸易鉆支撐油管強度與壁厚數學模型

2.1 數學模型建立

根據中石化西北局某油田碳酸鹽巖油藏支撐油管使用工況，確定油管外徑為130 mm。參考ISO/TR 10400—2018[10]及孫永興等根據ISO/TR 10400—2018標準確定的鋼質油套管計算公式[11]，根據鋁合金的材料特性，對管壁公差因子[12]及應力應變強化因子的取值進行調整，得到鋁合金油管抗內壓強度計算式(1)、抗外擠強度計算式(2)。將GB/T4437.1-2015[13]中給定的6061T6鋁合金材料的抗拉強度260 MPa、屈服強度240 MPa，及按照GB/T228.1-2010[14]、GB/T228.2-2015[15]中規定的拉強度測試方法實際測試得到的6061T6鋁合金材料的抗拉強度350 MPa、屈服強度324 MPa分別代入式(1)、式(2)，計算6061T6鋁合金油管在室溫下的抗內壓強度、抗外擠強度，如表1所示。

表1 ?130 mm×20 mm 6061T6鋁合金油管理論計算強度

(1)

Pow=ky×σs×(2×(D/t)+1)/(D/t)2

(2)

n=0.169 3-1.774×σb×10-4

(3)

式中：Piw為抗內壓強度，MPa ；Pow為抗外擠強度，MPa ；σb為抗拉強度，MPa；σs為屈服強度，MPa；Ka為內壓強度系數，取Ka=2；Kwall為管壁公差因子，取Kwall=0.991[12]；n為應力應變強度硬化因子，按式(3)進行計算；D為油管外徑，mm；t為油管壁厚，mm；ky為系數，取ky=0.987。

2.2 數學模型驗證

1) 抗外擠強度測試。

采用36MN型雙動反向擠壓機，擠壓成形制備2根6061T6管材(?130 mm×20 mm×6000 mm)。在制備的6061T6管材上截取長度為2 000 mm的管段，在2端加工螺紋，安裝于SW CPTS-200型外壓擠毀試驗機上，進行外擠強度測試，直至管材被擠毀(如圖2所示)。外擠試驗的應力-時間曲線如圖3所示。由圖3可知，?130 mm×20 mm 6061T6鋁合金管在室溫下的抗外擠強度為106.2 MPa。

圖2 測試油管外擠強度的SW CPTS-200型試驗機

圖3 6061T6鋁合金油管外擠試驗的應力-時間曲線

2) 抗內壓強度測試。

從擠壓成形的2根6061T6管材(?130 mm×20 mm×6 000 mm)上截取長度為1 500 mm的管段，在2端加工螺紋，安裝于SW FSTF-200S型水壓增壓系統上，進行內壓強度測試，直至管材被壓裂(如圖4所示)。內壓試驗的應力-時間曲線如圖5所示。由圖5可知，?130 mm×20 mm 6061T6鋁合金管在室溫下的抗內壓強度為121.2 MPa。

圖5 6061T6鋁合金油管內壓試驗的應力-時間曲線

3) 實測強度與理論計算強度對比。

6061T6鋁合金油管實測強度與理論計算強度對比如圖6所示。從圖6可知，取GB/T 4437.1-2015給定的材料屈服強度值和抗拉強度值，計算得到的6061T6鋁合金油管的內壓強度值、外擠強度值都遠低于其試驗實測值，誤差分別為32.6%、38.2%；制作標準拉伸試樣，測試材料的屈服強度值和抗拉強度值，據此值計算6061T6鋁合金油管的內壓強度值、外擠強度值，這2個值都與其試驗實測值接近[16]，誤差分別為8.6%、0.2%。比較結果說明，基于標準拉伸試樣實測的材料屈服強度值和抗拉強度值建立6061T6鋁合金油管的強度與壁厚計算數學模型是合理的。

3 鋁基耐酸易鉆支撐油管耐酸蝕性能評價

分別采用失重法及交流阻抗法評價6061T6鋁合金油管的耐酸性能。根據順北油田酸化作用工況，確定酸化介質為100 ℃、質量分數20%的鹽酸。

3.1 失重法耐酸評價試驗結果

采用6061T6鋁合金油管材料制作1件試樣，尺寸為30 mm×10 mm×3 mm，在HH系列數顯恒溫油浴鍋內進行耐酸試驗。首先，將涂層厚度為1 mm的6061T6鋁合金油管材料試樣放入盛有250 mL、質量分數20%鹽酸溶液的燒杯中，然后再將燒杯放入HH系列數顯恒溫油浴鍋內加熱至100 ℃，開始計時。每4 h將試樣取出1次，用濾紙吸水，冷風吹干，稱重。試樣浸泡的總時間為12 h。表2為試樣的質量數據。由表2可知，試樣在100 ℃、質量分數20%的鹽酸溶液中浸泡，其質量隨浸泡時間增加而略微增加，質量增加速率為0.008%/h。試樣質量增加的主要原因是浸泡過程中表面涂層有微量吸水。圖7為浸泡前、后試樣的表面形貌。由圖7可知，6061T6鋁合金油管試樣在100 ℃、質量分數20%的鹽酸溶液中浸泡12 h，表面涂層無鼓泡、無破損、無孔洞、無開裂、無脫落現象，說明涂層耐酸性好，可以滿足酸化工況要求。

圖7 試樣在100 ℃、質量分數20%鹽酸中浸泡12 h前、后表面形貌

3.2 交流阻抗法耐酸評價試驗結果

采用6061T6鋁合金油管材料制作1件具有耐酸涂層的試樣，另制作1件無涂層的試樣，其尺寸均為30 mm×10 mm×3 mm, 采用環氧樹脂密封并在試樣中下位置留出1 cm2的測試面。使用PG-STAT302型電化學工作站進行耐酸試驗。試驗介質為質量分數20%的鹽酸溶液，工作電極分別為具有耐酸涂層的試樣和無涂層試樣，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極。圖8為2件試樣的阻抗測試結果。由圖8a可知，無涂層試樣具有1個容抗弧，且在低頻區帶1個擴散尾，表明材料已經被腐蝕性鹽酸介質侵入。在相同條件下，有耐酸涂層的試樣具有較大的容抗弧半徑，表明材料表面的涂層對鹽酸介質具有較好的隔絕作用，可以避免材料被腐蝕。在圖8b中，無涂層試樣的低頻處阻抗值為105Ω·cm2以下，有耐酸涂層試樣的低頻處阻抗值為1010Ω·cm2。文獻[17]表明，涂層的交流阻抗值大于等于109Ω·cm2時，即可認為涂層有效隔絕了材料和腐蝕環境的聯系，起到了很好的防腐蝕效果。

a Nyquist圖 b Bode圖圖8 6061T6鋁合金油管材料試樣在質量分數20%的鹽酸溶液中阻抗測試結果

4 鋁基耐酸易鉆支撐油管鉆磨性能評價

鋁基耐酸易鉆支撐油管的鉆磨速度直接影響鉆磨工期及費用，是影響鋁基耐酸易鉆支撐油管大規模應用的1個重要因素。在配有ASBR測試系統的鉆磨實驗臺架上，采用外徑106 mm的磨鞋，在鉆壓為10 kN、轉速為300 r/min的條件下鉆削6061T6鋁合金油管(?98 mm×12 mm)30 min，測試其鉆磨速度。作為對比，在相同的條件下測試P110鋼油管(?90 mm×6.5 mm)的鉆磨速度。鉆磨后的油管端面如圖9所示。測試結果如表3所示。因鋼質油管與鋁合金油管幾何尺寸略有不同，因此，采用單位時間鉆磨的油管體積來比較其鉆磨速度。由試驗數據換算得到6061T6油管、P110油管的鉆屑體積分別為1.51×10-3m3/h(0.466 m/h)、0.43×10-3m3/h(0.254 m/h)，即，6061T6鋁合金油管的鉆磨速度是P110油管鉆磨速度的3.5倍,與理論計算結果基本一致[18]。

表3 兩種材質油管的鉆磨速度

A 6061T6鋁合金油管 b P110鋼級油管圖9 鉆磨后的油管端面

5 結論

1) 針對碳酸鹽巖油藏酸化壓裂工況，設計了以6061T6鋁合金為基礎的內外表面均涂覆耐酸涂層的耐酸易鉆支撐油管。失重法測試結果表明，該油管表面的涂層在100 ℃、質量分數20%的鹽酸溶液中浸泡12 h，表面無破損、無開裂，質量增加速率為0.008%/h。交流阻抗法的試驗結果表明，耐酸涂層的低頻阻抗值是1010Ω·cm2，可對內部的6061T6鋁合金起到良好的保護作用。

2) 修正了ISO/TR 10400—2018中鋼質油管強度計算方法中的管壁形狀因子及系數ky。建立了基于標準拉伸試樣測試的6061T6鋁合金材料屈服強度值、抗拉強度值的鋁基耐酸支撐油管內壓強度和外擠強度與壁厚的數學模型，該模型計算得到的6061T6鋁合金支撐油管內壓強度和外擠強度與實測結果相比，誤差值分別為8.6%、0.2%。

3) 設計的以6061T6鋁合金為基礎的耐酸易鉆支撐油管，在鉆壓為10 kN、轉速為300 r/min的情況下，其鉆磨速度是P110油管鉆磨速度的3.5倍。