高強度頁巖氣井開采用CB140V套管的開發

2021-12-15 03:05:36劉廣華陳松林蘇鄭卿

鋼管 2021年2期

劉廣華，陳松林，蘇鄭卿

（江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇常州 213200）

隨著世界油氣工業的發展以及各國對能源的戰略需求增大，自美國頁巖氣革命以來，直井和水平井的壓裂工藝已成為開發頁巖氣的關鍵因素，而壓裂作為一種關鍵的增產技術手段在頁巖氣開發過程中已得到廣泛應用［1-3］。在壓裂過程中，頁巖氣井的生產套管出現了大量的變形損壞，嚴重影響生產。根據相關文獻分析［4-10］，套管損壞主要表現為套管管體受到的外界非均勻載荷超出套管能力極限，導致套管整體結構失穩，發生點變形，主要變形為剪切變形和擠壓變形。因此，在頁巖氣套管選型及套管生產過程中，提高壁厚和屈服強度均可以提高抗外壓擠毀強度，能有效地減少套管變形。

抗擠毀性能作為套管的主要實物性能指標，起著維持套管穩定性的重要作用。參考部分文獻資料，在鋼管規格確定的情況下，影響抗擠毀性能的主要參數是：外徑橢圓度、壁厚均勻性、屈服強度和殘余應力［11-16］。因此，在屈服強度達到鋼級要求的同時，控制好套管的幾何尺寸精度并降低殘余應力，可以生產出具有較高抗擠毀強度的套管。

以Φ139.7 mm×12.7 mm規格CB140V鋼級套管為例，從鋼管生產過程中的尺寸控制、性能控制等方面介紹了頁巖氣套管開發生產過程。根據API TR 5C3—2018《套管或油管的性能計算》，對于Φ139.7 mm×12.7 mm規格CB140V鋼級套管，其適用的抗擠毀強度Pyp計算公式為塑形擠毀壓力公式，見公式（1），該規格產品的理論抗擠毀強度可以達到159.5 MPa。CB140V鋼級套管性能指標要求見表1。

表1 CB140V鋼級套管性能指標要求

式中Yp——規定的最低屈服強度，MPa；

D——套管外徑，mm；

t——套管壁厚，mm。

1 主要技術指標

為了降低套管尺寸對抗擠毀強度和使用性能的影響，對套管尺寸公差進行了嚴格設計，Φ139.7 mm×12.7 mm規格套管幾何尺寸要求見表2。

表2 Φ139.7 mm×12.7 mm規格套管幾何尺寸要求

2 鋼種設計

首先需保證管體具有良好的屈服強度和抗拉強度，確保管體強度指標達到設計要求；其次在保證強度的前提下，盡可能提高管體韌性。參考國內合金結構鋼標準，并結合以往套管生產經驗，綜合考慮，選擇具有良好強韌性的CrMo合金鋼，并添加少量的細化晶粒元素Nb、V等合金元素。鉻能增加調質熱處理鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆，經回火熱處理后具有良好的綜合性能；鉬在調質鋼中不但能夠提高鋼的淬透性，還具有良好的熱強性，提高鋼的抗回火性或回火穩定性，使鋼材可以在較高的溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應力，提高塑性；釩在鋼中主要以碳化物的形式存在，其主要作用是細化鋼的組織和晶粒，但會降低鋼的強度和韌性，在結構鋼中常和錳、鉻、鉬以及鎢等元素聯合作用，在調質鋼中能提高鋼的強度和屈服比，降低過熱敏感性；鈮在鋼中也具有細化晶粒的作用，微量鈮可以在不影響鋼的塑性和韌性的情況下提高鋼的強度，提高鋼的沖擊韌性并降低其脆性轉變溫度。

Φ139.7 mm×12.7 mm規格套管化學成分設計目標見表3。

表3 Φ139.7 mm×12.7 mm規格套管化學成分（質量分數）設計目標 %

3 熱軋生產

3.1 工藝流程

EAF（高爐鐵水+廢鋼）→爐外精煉→真空脫氣→連鑄→連軋→緩冷→管坯檢驗→冷定心→管坯加熱→穿孔→軋管→再加熱→定（減）徑→冷卻→調質熱處理→熱矯直→壓力矯直→管端鋸切→目視檢驗→尺寸檢驗→超聲波探傷→管端磁粉→水壓測試→通徑→車絲→螺紋檢驗→管擰→噴標→涂油→包裝入庫。

3.2 冶煉控制

為了降低鋼中氣體含量對鋼韌性的影響，在管坯冶煉過程中采取了真空脫氣處理，其中w（O）≤30×10-6，w（N）≤80×10-6，w（H）≤2×10-6。另外，為了降低非金屬夾雜物對鋼材強度和沖擊韌性的影響，冶煉過程中采取了鈣處理，改善鋼中夾雜物形狀，從而進一步保證鋼管熱處理后的綜合性能。

3.3 熱軋控制

（1）為了保證熱軋穿孔過程中毛管壁厚均勻性，在生產條件有限的情況下，對管坯提前進行兩端冷定心，一方面提高穿孔過程的咬入條件，另一方面保證咬入過程對中性，從而提高穿孔毛管的壁厚均勻性。

（2）芯棒作為軋制過程的主要變形工具，是影響荒管壁厚精度的主要工具；因此，對芯棒直度和橢圓度提出了更高的要求，芯棒直度≤1 mm/m，橢圓度≤0.3 mm。在軋制生產之前，對芯棒直度和橢圓度進行逐支檢驗和壓力矯直，并剔除最終無法滿足要求的芯棒，保留直度和橢圓度最好的8支芯棒投入生產使用。

（3）為了改善定（減）徑過程鋼管橢圓度，在微張力定（減）徑孔型設計過程中，充分發揮14機架微張力定（減）徑機的設備特點，控制單架最大減徑率不超過3%，總減徑量不超過15%，橢圓度系數不超過1.03%，同時增加成品機架個數，使用兩架規圓機架將鋼管充分規圓，以減小橢圓度。

3.4 熱處理控制

熱處理不但是影響鋼管力學性能的主要工序，也是影響高強度、高韌性套管直度的重要工序，為了在熱處理過程中控制這兩個重要控制指標，一方面從熱處理工藝方面著手對CB140V的熱處理工藝進行充分研究，通過延長回火保溫時間，按照常規回火時間的1.5倍設計，經過多次熱處理小試樣工藝試驗和重復性試驗驗證，最終確定一組較為合理的淬火＋回火熱處理工藝進行車間生產應用。另一方面，生產之前對熱處理設備進行檢查和維修，保證熱處理熱電偶測溫準確可靠、水淬設備托輪中心線一致、矯直輥角度一致、矯直輥輥面與管體包絡緊密貼合。同時矯直過程增加了鋼管的殘余應力，為了降低其影響，對矯直溫度也進行了嚴格控制。熱處理工藝及矯直溫度見表4。

表4 Φ139.7 mm×12.7 mm規格CB140V鋼級套管熱處理工藝及矯直溫度

4 性能試驗及分析

4.1 幾何尺寸檢驗

抽檢10支套管的幾何尺寸和直度，具體檢測結果見表5。從統計結果來看，外徑、壁厚、橢圓度、壁厚不均度完全達到設計目標；鋼管經過熱旋轉矯直，鋼管直度也能夠滿足設計目標要求。目標對比結果見表6。

表5 Φ139.7 mm×12.7 mm規格CB140V鋼級套管幾何尺寸統計

表6 Φ139.7 mm×12.7 mm規格CB140V鋼級套管尺寸結果對比

4.2 室溫力學性能

Φ139.7 mm×12.7 mm規格CB140V鋼級套管的力學性能數據見表7。常溫拉伸性能、0℃沖擊性能，均達到了設計要求。

表7 Φ139.7 mm×12.7 mm規格CB140V鋼級套管的力學性能

金相組織為晶粒細小的回火索氏體，晶粒度達到10級，Φ139.7 mm×12.7 mm規格CB140V鋼級套管金相組織如圖1所示。另外取一支試樣委托第三方實驗室進行抗擠毀強度試驗，受到試驗設備安全條件限制，試驗壓力已經達到了表1中抗擠毀數值目標，抗擠毀強度已經達到了172.9 MPa，該委托第三方實驗室進行抗擠毀強度試驗的鋼管仍未出現擠毀變形跡象，試驗順利通過。