真空預(yù)應(yīng)力隔熱油管試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法探討

徐子彬

注汽熱采是我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)稠油開采最廣泛適用的采油工藝方法。稠油注蒸汽開采時(shí)，普遍采用隔熱油管以減少井筒熱損失，提高注入到油層的蒸汽干度,保護(hù)套管及套管外的水泥環(huán)免受損壞。在我國(guó)由于大多數(shù)稠油井注汽壓力和溫度較高，必須采用隔熱油管,而且對(duì)隔熱油管的性能要求亦較高。隔熱油管作為具有隔熱性能的油管產(chǎn)品，主要適用于熱載體溫度不超過350℃的工況，用于油田“蒸汽驅(qū)”、蒸汽“吞吐”和“注采一體化”稠油熱采作業(yè)。它由內(nèi)管、外管、隔熱材料、接箍等組成。通過高溫測(cè)試，與普通油管同樣條件下，1000 m井深的井底干度達(dá)到40%～50%。因此應(yīng)用隔熱油管可大幅度提高井底干度，減少井筒熱損失，提高蒸汽的熱利用率。同時(shí)可滿足不同井深和水平井的稠油、深層稠油和特（超）稠油井熱采等作業(yè)的需要。此外，還可以防止油井套管和水泥環(huán)因高溫而變形損壞，提高套管使用壽命[1]。

一、真空隔熱油管規(guī)格及分類

隨著油田開采進(jìn)入后期，地質(zhì)開采條件的復(fù)雜化，對(duì)隔熱油管的隔熱性能和機(jī)械性能的要求越來越高。預(yù)應(yīng)力真空隔熱油管是一種新型隔熱油管，采用預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)，保證其在高溫下有可靠的機(jī)械性能，同時(shí)應(yīng)用抽真空、熱反射、熱對(duì)流阻斷三大隔熱技術(shù)，大大提高了隔熱油管的隔熱性能。真空預(yù)應(yīng)力隔熱油管按其內(nèi)管內(nèi)壁為350℃時(shí)的視導(dǎo)熱系數(shù)分為五個(gè)等級(jí)[2]（見表1）。

表1 隔熱性能等級(jí)分類表

預(yù)應(yīng)力隔熱油管的結(jié)構(gòu)見圖1，其主要尺寸見表2。

圖1 預(yù)應(yīng)力隔熱油管結(jié)構(gòu)示意圖

表2 隔熱油管規(guī)格

二、隔熱油管機(jī)械損壞形式

隔熱油管在下井作業(yè)過程中，主要有如下幾種機(jī)械損壞形式：

（一）焊縫開裂

焊縫開裂在隔熱油管機(jī)械損壞中占有較大比例，這是因?yàn)楹缚p承受巨大應(yīng)力及應(yīng)力變化。只有正確選擇內(nèi)外管焊接方案、管材的焊接性能、焊接工藝參數(shù)和良好的焊工技術(shù)素質(zhì)等對(duì)保證焊接質(zhì)量影響很大，否則，極易產(chǎn)生焊接缺陷。

（二）管柱聯(lián)接螺紋粘扣和斷裂

隔熱油管兩端聯(lián)接螺紋位于焊縫熱影響區(qū)，材料抗拉強(qiáng)度降低，與接箍擰緊后，徑向接觸應(yīng)力增大。過扭矩和材料抗拉強(qiáng)度下降容易造成螺紋斷裂。螺紋表面接觸應(yīng)力過大容易引起粘扣。

（三）接箍破裂和變形

作業(yè)過程中，接箍表面易被大鉗咬傷而形成大量缺口，引起應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3以上，隨著外力增加，缺口根部應(yīng)力可超過材料的斷裂強(qiáng)度，導(dǎo)致接箍的脆性斷裂。

（四）管體破裂或爆裂

管體破裂多是管材金屬存在組織缺陷（帶狀偏析、晶粒粗大）引起。管體爆裂多是氫所致，即環(huán)空含氫混合氣體爆炸引起。

三、試驗(yàn)方案

根據(jù)預(yù)應(yīng)力隔熱油管的隔熱原理和S Y/T 5324-2013《預(yù)應(yīng)力隔熱油管》的相關(guān)要求[4]，結(jié)合河南油田采油二廠稠油開采的實(shí)際情況，試驗(yàn)方案分為廠內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩個(gè)部分。

按S Y/T 5324-2013《預(yù)應(yīng)力隔熱油管》標(biāo)準(zhǔn)要求，隔熱油管在產(chǎn)品出廠前，要做相關(guān)內(nèi)容的試驗(yàn)（見表3）。

表3 隔熱油管廠內(nèi)試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)表3中列舉的檢驗(yàn)項(xiàng)目，制定了如下廠內(nèi)試驗(yàn)方案：

（一）機(jī)械性能試驗(yàn)

1.高溫機(jī)械性能試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)做管材高溫機(jī)械性能的廠家較少，對(duì)試件要求較高。隔熱油管管坯作為一種特殊的油管管坯，一般正規(guī)有資質(zhì)的大型鋼廠在出廠前都做過管材高溫機(jī)械性能試驗(yàn)，河南南陽油田機(jī)械公司選用鞍鋼A G 80 H耐熱熱采油井管，可委托鞍鋼公司檢驗(yàn)其高溫強(qiáng)度。

2.常溫抗拉載荷試驗(yàn)

委托有資質(zhì)的油建公司試驗(yàn)檢驗(yàn)中心對(duì)焊接試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果以檢測(cè)報(bào)告為準(zhǔn)。

3.常溫抗內(nèi)壓、抗外擠試驗(yàn)

機(jī)械公司現(xiàn)有一臺(tái)水壓機(jī)，可做油管的抗內(nèi)壓和抗外擠試驗(yàn)。

（二）隔熱性能檢測(cè)

機(jī)械公司現(xiàn)有一臺(tái)GDC-15型隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀。該測(cè)試儀采用了進(jìn)口日本導(dǎo)電表，具有操作簡(jiǎn)便、調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良，實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定控制，徹底杜絕測(cè)試過程中加熱溫度過高和長(zhǎng)時(shí)間不能穩(wěn)定的缺陷。該測(cè)試儀可一次測(cè)試15根隔熱油管，測(cè)試時(shí)間為85分鐘，測(cè)試效率高。衡量隔熱性能最重要的參數(shù)視導(dǎo)熱系數(shù)可通過該儀器進(jìn)行檢測(cè)。

（三）焊縫檢測(cè)

隨機(jī)抽取3根隔熱油管委托有檢測(cè)資質(zhì)的技術(shù)監(jiān)測(cè)中心壓力容器檢驗(yàn)所進(jìn)行X射線探傷，焊縫檢測(cè)以檢測(cè)報(bào)告為準(zhǔn)。

（四）螺紋檢測(cè)

將加工的試件送至中石化油（套）管質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果以檢測(cè)報(bào)告為準(zhǔn)。

（五）通徑檢驗(yàn)

四、機(jī)械性能試驗(yàn)

（一）內(nèi)外管材高溫機(jī)械性能試驗(yàn)

內(nèi)外管材高溫機(jī)械性能試驗(yàn)委托鞍鋼進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果分別見圖2、表4、表5。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)鋼具有一定的耐熱性能，400℃試驗(yàn)溫度下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到80 k s i鋼級(jí)水平。

圖2 真空隔熱油管原材料高溫檢驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

表4 真空隔熱油管原材料高溫檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表5 真空隔熱油管原材料高溫檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表

（二）常溫抗拉載荷試驗(yàn)

將加工好的焊接試樣送至油建公司試驗(yàn)檢驗(yàn)中心做常溫拉伸載荷試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度為725-730Mpa，滿足 N 80-1油管抗拉強(qiáng)度（≥689.5Mpa）的要求。（見附錄 1）

（三）常溫抗內(nèi)壓和抗外擠試驗(yàn)

五、其他檢測(cè)與檢驗(yàn)

（一）視導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)

經(jīng)G D C-15型隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試，每一根隔熱油管的視導(dǎo)熱系數(shù)均在0.002-0.02之間，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的隔熱等級(jí)（D級(jí)或E級(jí)）。

（二）焊縫檢驗(yàn)

隨機(jī)抽取的3根隔熱油管對(duì)管兩端及抽氣孔焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)，經(jīng)技術(shù)監(jiān)測(cè)中心壓力容器檢驗(yàn)所檢驗(yàn)合格（見附錄2）。

（三）螺紋檢測(cè)

將加工好的偏梯形螺紋短節(jié)和接箍送至中石化油（套）管質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，檢驗(yàn)結(jié)論為合格（見附錄3）。

（四）通徑檢驗(yàn)

對(duì)加工好的隔熱油管用通徑規(guī)進(jìn)行通徑檢驗(yàn)，通徑規(guī)均可自由通過。

六、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

為了檢測(cè)隔熱油管的實(shí)際使用效果，試驗(yàn)井?dāng)?shù)2口井：

1.楊2305（新投）：下井時(shí)間2013年 11月19日預(yù)應(yīng)力隔熱油管85根，12月15日第一輪注汽，至目前共注汽3輪，注汽溫度342°C—359°C，注汽壓力19Mpa，累計(jì)注汽量1981噸，累計(jì)生產(chǎn)時(shí)間143天，產(chǎn)液1512.5噸，產(chǎn)油378.8噸，下井時(shí)間共190天。

對(duì)下井的預(yù)應(yīng)力隔熱油管進(jìn)行了返廠檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目見表6。

七、結(jié) 論

1.機(jī)械性能和隔熱性能是否適應(yīng)油田高溫的環(huán)境，以及是否滿足生產(chǎn)指標(biāo)，必須通過試驗(yàn)進(jìn)行鑒定或驗(yàn)證，有時(shí)還需通過試驗(yàn)來暴露產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和工藝中存在的問題，通過故障分析確定主要的故障模式和發(fā)生的原因從而便于采取改進(jìn)措施是一種有效的提高產(chǎn)品質(zhì)量的方法。

表6 下井試驗(yàn)隔熱油管取出后檢驗(yàn)結(jié)果

2.應(yīng)用該檢測(cè)工藝對(duì)隔熱油管的機(jī)械性能和隔熱性能進(jìn)行檢驗(yàn)，能有效保證真空隔熱油管的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，預(yù)應(yīng)力隔熱油管檢測(cè)方法可靠有效，能夠滿足生產(chǎn)需要，為減少井筒熱損失，提高注汽效果，提供了技術(shù)保障。

［1］張銳.稠油熱采技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999.

［2］API SPEC 5CT-2011套管和油管規(guī)范［S］.2011.

［3］API SPEC 5B-2008套管油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)［S］.2008.

［4］SY/T 5324-2013預(yù)應(yīng)力隔熱油管［S］.2013.