過熱蒸汽注入井下工具及井口耐高溫材料的研究

趙樹杰

（中油遼河油田公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010）

現(xiàn)有SAGD注汽管柱（封隔器、伸縮管及隔熱管等）是否適合過熱蒸汽注入條件，目前還沒有相關(guān)的研究，這樣使得過熱蒸汽注入配套工藝技術(shù)在井下工具的設(shè)計(jì)、選材方面，缺少必要的科學(xué)理論依據(jù)。本文將對(duì)在石油工業(yè)中廣泛使用的工具及井口主要材料的高溫力學(xué)性能、高溫組織在試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)和微觀組織分析的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)價(jià)其服役可靠性。

“過熱蒸汽條件下材料性能評(píng)價(jià)”研究課題,共有4種研究材料,即注汽井口材料30Cr－Mo;隔熱油管材料N80;注汽工具材料38Cr－MoAlA、65Mn等。

1 過熱條件下注汽井口材料30CrMo鋼性能研究

1.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)材料用30CrMo鋼，其化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：

Cr/0.92、Mn/0.59、Si/0.23、Ni/0.017、Mo/0.167、P/0.025，符合30CrMo鋼的成分要求。

1.2 30CrMo鋼的組織特征

1.2.1 顯微組織

（1）制樣：將12個(gè)試樣分別加熱到300℃、400℃并保溫60分鐘后，淬火，保留高溫組織。與室溫的6個(gè)試樣，經(jīng)粗磨，細(xì)磨，拋光后腐刻，所用腐蝕劑均為2%的硝酸乙醇溶液，均腐蝕2-3秒，后于Leica金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

（2）組織觀察與分析

室溫與高溫的顯微組織見圖1.1、圖1.2所示。由圖可見，30CrMo鋼的基體組織為珠光體和鐵素體，在圖1.1a中部分組織呈半連續(xù)帶狀分布，按GB/T13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》中帶狀組織C系列評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定其帶狀組織為1級(jí)，對(duì)材料的塑性和韌性有較大的影響(各向異性)，鐵素體晶粒基體上有1-2條連續(xù)的和幾條分散的鐵素體-珠

圖1.1 30CrMo鋼顯微組織（200×）

圖1.2 30CrMo鋼掃描電鏡顯微組織（3000×）

光體帶。圖1.1b、c的晶粒度都比圖1.1a小，所以 300℃、400℃下的 30CrMo塑性、韌性比常溫時(shí)有較大提高，但300℃下晶粒碎化且出現(xiàn)了部分網(wǎng)狀鐵素體等組織缺陷，導(dǎo)致其強(qiáng)度、脆性升高，韌性降低；圖1.1c中晶粒最均勻。在掃描電鏡下可以明顯看出板條狀珠光體的片間距，高溫時(shí)和室溫下差別不大。

1.3 30CrMo鋼的性能研究

1.3.1 硬度

不同溫度下硬度值測(cè)量結(jié)果如表1.1所示，不同溫度下的硬度值比較結(jié)果如圖1.5所示。

可以看出30CrMo鋼的硬度值隨溫度變化不大，300℃和400℃分別比室溫升高0.8%和降低1.3%。

表1.1 不同溫度下硬度值(HV)

1.3.2 拉伸性能

沿30CrMo鋼管上縱向取樣，按GB 6397-86加工成常溫拉伸試樣，按GB4338-84加工成高溫拉伸試樣,試樣尺寸如圖1.6所示，在CMT 5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行恒應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為3mm/min。

300℃和400℃高溫情況下，屈服強(qiáng)度分別下降6.8%和5.3%；抗拉強(qiáng)度分別升高3.3%和下降5.5%，延伸率分別升高8%和37.8%，斷面收縮率分別升高7.3%和18.7%。在強(qiáng)度變化不大的情況下，塑性獲得了很大的提升。

圖1.6 、低溫拉伸圓形比例試樣及尺寸

1.3.3 疲勞強(qiáng)度

沿縱向取樣,加工成光滑疲勞試樣，如圖所示1.9所示

分別進(jìn)行室溫、400℃的拉壓對(duì)稱循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn),設(shè)定循環(huán)周期1×105為疲勞壽命,試驗(yàn)交變載荷的頻率為500周/min，應(yīng)力比R=-1；應(yīng)力幅值根據(jù)抗拉強(qiáng)度設(shè)定，如表1.9所示，采用插值法設(shè)定實(shí)驗(yàn)方案，結(jié)果如表1.9所示

圖1.9 30CrMo鋼疲勞試樣

表1.9 疲勞實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

疲勞強(qiáng)度具有很好的適應(yīng)性，可以在300-400℃環(huán)境下服役。

2 結(jié)論

SAGD過熱蒸汽注入井下工具及井口的研究及實(shí)驗(yàn)，可完善超稠油油藏的SAGD開采工藝，可以大大提高井底的干度和蒸汽攜帶的熱焓，能夠進(jìn)一步提高中深層超稠油開采效果。對(duì)遼河油田稠油油藏開發(fā)方式的轉(zhuǎn)變具有深遠(yuǎn)的意義，為SAGD開采超稠油油藏的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支持。隨著油井產(chǎn)量的增加必將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]王家宏.中國水平井技術(shù)應(yīng)用評(píng)價(jià)及實(shí)例分析[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002.

[2]萬仁溥.采油工程手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.8.