適用于致密氣藏鉆完井的新型超級(jí)13Cr油鉆桿管材性能測(cè)試

曾德智 田 剛 施太和 侯 鐸 賈華明 盧 強(qiáng) 趙 鵬

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)(2.中國(guó)石油塔里木油田分公司 3.寶山鋼鐵股份有限公司)

適用于致密氣藏鉆完井的新型超級(jí)13Cr油鉆桿管材性能測(cè)試

曾德智1田 剛1施太和1侯 鐸1賈華明2盧 強(qiáng)2趙 鵬3

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)(2.中國(guó)石油塔里木油田分公司 3.寶山鋼鐵股份有限公司)

為滿足塔里木致密氣藏氮?dú)忏@完井需求，研制了一種新型高強(qiáng)度超級(jí)13Cr油鉆桿。采用MTS試驗(yàn)機(jī)對(duì)新型超級(jí)13Cr油鉆桿和S135鉆桿的強(qiáng)度性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試；采用示波沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)新型超級(jí)13Cr油鉆桿和S135鉆桿的沖擊性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試；采用高溫高壓釜對(duì)新型超級(jí)13Cr油鉆桿和S135鉆桿的耐CO2腐蝕性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明：新型超級(jí)13Cr油鉆桿具有良好力學(xué)性能和耐腐蝕性能，其屈服強(qiáng)度937 MPa、抗拉強(qiáng)度976 MPa、延伸率為21.5%、室溫沖擊功162.82 J。其拉伸性能與S135接近，沖擊性能明顯優(yōu)于S135；模擬工況下，新型超級(jí)13Cr油鉆桿氣相腐蝕速率0.003 6 mm/a、液相腐蝕速率0.039 4 mm/a。因此，新型超級(jí)13Cr油鉆桿既能滿足鉆井的需要又能滿足完井開采的要求，可為含CO2致密砂巖氣田氮?dú)忏@完井作業(yè)提供支持。

致密砂巖氣 新型超級(jí)13Cr油鉆桿 S135鉆桿 力學(xué)性能 腐蝕速率

致密砂巖氣是非常規(guī)天然氣的一種，是常規(guī)天然氣資源最重要的后備資源之一。據(jù)報(bào)道[1]，我國(guó)致密砂巖氣可采儲(chǔ)量約占全國(guó)天然氣可采儲(chǔ)量的1/3。2011年致密砂巖氣產(chǎn)量已占全國(guó)天然氣總產(chǎn)量的1/4，成為天然氣新的增產(chǎn)點(diǎn)[2-3]。我國(guó)致密砂巖氣是非常規(guī)天然氣發(fā)展的領(lǐng)頭羊，具備優(yōu)先加快發(fā)展的條件，但其勘探開發(fā)還處于探索階段，算不上規(guī)?；⒓s化發(fā)展[4-5]。致密砂巖氣層具有低滲透率(小于0.001 μm2)、低孔隙度(小于12%)等特點(diǎn)[6-7]，適合使用氣體欠平衡鉆井技術(shù)開發(fā)[8-10]，以便提高鉆速、保護(hù)儲(chǔ)層、發(fā)現(xiàn)常規(guī)鉆井遺漏的產(chǎn)層。

針對(duì)塔里木地區(qū)致密砂巖氣藏氮?dú)馇菲胶忏@井的需要，塔里木油田公司、西南石油大學(xué)和寶山鋼鐵股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了一種新型超級(jí)13Cr油鉆桿。該產(chǎn)品力學(xué)性能和耐CO2腐蝕性能良好，既能作鉆桿用于前期氮?dú)馇菲胶忏@井，也能作油管用于后期完井。該產(chǎn)品的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了含CO2致密砂巖氣田鉆采作業(yè)獲得高產(chǎn)的目標(biāo)。本文對(duì)比了新研制的超級(jí)13Cr油鉆桿和S135鉆桿的力學(xué)性能和耐CO2腐蝕性能，論證了新型超級(jí)13Cr油鉆桿的優(yōu)良性能，為致密砂巖氣的開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)所用材料為新型超級(jí)13Cr油鉆桿與S135鉆桿，其化學(xué)組成見表1。

拉伸、沖擊試樣均取自實(shí)物鉆桿接頭，如圖1，平行樣為3個(gè)。拉伸試樣為規(guī)定的圓棒試樣，實(shí)驗(yàn)部分直徑12.7 mm。拉伸實(shí)驗(yàn)參照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[12]在MTS 810型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，得到應(yīng)力-相對(duì)應(yīng)變曲線。沖擊試樣規(guī)格為55 mm×10 mm×10 mm，試樣開V型缺口且缺口在管材徑向方向。沖擊實(shí)驗(yàn)參照ISO 14556：2000《鋼夏比V型缺口沖擊試驗(yàn) 儀器化試驗(yàn)方法》[13]在ZBC2302-D型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，得到載荷-位移曲線。

表1 新型超級(jí)13Cr鋼與S135鋼化學(xué)成分Table1 Chemicalcompositionofthenewsuper 13CrsteelandS135steel (w/%)材料CSiMnPSCrMoNi超級(jí)13Cr0.020.290.350.0150.00213.041.964.78S1350.370.240.960.0110.0071.140.320.08APISpec5D[11]要求---≤0.03≤0.03---

腐蝕實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器為西南石油大學(xué)自主研發(fā)的高溫高壓動(dòng)態(tài)釜，如圖2。最大工作壓力為70 MPa，最高工作溫度為200 ℃。釜體和釜蓋材質(zhì)為整體鍛造C276合金，沒有任何焊接點(diǎn)。所有與流體接觸的管路、閥均為C276合金。腐蝕片取自實(shí)物鉆桿，規(guī)格為30 mm×15 mm×2.8 mm，每種材料氣液相試片各3片，分別用240#、400#、600#、800#、1200#砂紙逐級(jí)打磨以消除機(jī)加工的刀痕。此后，將試樣清洗、石油醚除油、酒精除水、冷風(fēng)吹干后測(cè)量具體尺寸并稱量，放入干燥箱中備用。

實(shí)驗(yàn)總壓30 MPa，其中CO2壓力1.76 MPa，N2壓力28.24 MPa。實(shí)驗(yàn)溫度為90 ℃，模擬流速5 m/s，實(shí)驗(yàn)周期168 h。實(shí)驗(yàn)液體為ρ(Cl-)=100 000 mg/L的模擬地層水，用量1.8 L。試驗(yàn)結(jié)束后，用去膜液清洗試樣表面腐蝕產(chǎn)物，再用自來水沖洗并用濾紙吸干后置于無水酒精或丙酮中浸泡3～5 min，脫水后試樣經(jīng)冷風(fēng)吹干后，放置一定時(shí)間，用電子天平(精度1 mg)稱量，并通過失量計(jì)算腐蝕速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)

拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3和表2。新型超級(jí)13Cr屈服強(qiáng)度937 MPa，抗拉強(qiáng)度976 MPa，斷后延伸率21.5%。新型超級(jí)13Cr油鉆桿屈服強(qiáng)度比S135高3.5%，其抗拉強(qiáng)度比S135低3.4%，其延伸率比S135高4.6%。總的來說，新型超級(jí)13Cr強(qiáng)度性能與S135接近。

沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4和表3。表3中Wt為沖擊總功，是試樣斷裂所需的能量；Fm為沖擊過程最大力，是力-位移曲線上的最大值；Fgy為屈服力，是試樣塑性變形開始時(shí)對(duì)應(yīng)的力，Wm為最大力對(duì)應(yīng)的能量，可以近似認(rèn)為是起裂功[13]；Wa=Wt-Wm，近似認(rèn)為是裂紋擴(kuò)展功。

表2 兩種材料拉伸性能對(duì)比Table2 Tensilepropertiesofthetwomaterials材料屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa屈強(qiáng)比斷后延伸率/%實(shí)測(cè)均值實(shí)測(cè)均值實(shí)測(cè)均值實(shí)測(cè)均值超級(jí)13Cr9399329419379799719799760.960.960.960.9621.021.721.721.5S1359039208909051015102599510100.890.900.890.8920.8620.3720.4420.56APISpec5D要求827～1138>965--

ISO 14556：2000標(biāo)準(zhǔn)按示波沖擊力-位移曲線形狀將其分為A-F共6種類型。從圖4可見，兩種材料在沖擊過程中均沒有產(chǎn)生不穩(wěn)定擴(kuò)展，因此都屬于只產(chǎn)生穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的F型曲線，兩種鉆桿材料都有良好的韌性。新型超級(jí)13Cr沖擊功為162.82 J，與S135相比其沖擊功增加了61.2%。另外，與S135相比，新型超級(jí)13Cr沖擊開裂過程中的起裂功增加約27%，擴(kuò)展功增加約77%。新型超級(jí)13Cr鋼的沖擊韌性和抵抗裂紋快速擴(kuò)展能力大大提高。

新型超級(jí)13Cr雖然強(qiáng)度性能與S135鋼接近，但其沖擊性能明顯優(yōu)于S135材料。即，新型超級(jí)13Cr油鉆桿能夠滿足鉆井工況對(duì)力學(xué)性能的要求。

2.2CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)

腐蝕速率按GB/T 19292.4-2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 用于評(píng)估腐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)試樣的腐蝕速率的測(cè)定》[14]的規(guī)定計(jì)算，結(jié)果見表4。

表3 兩種材料的沖擊參數(shù)對(duì)比Table3 Impactpropertiesofthetwomaterials材料Wt/JFm/kNFgy/kNWm/JWa/J實(shí)測(cè)均值實(shí)測(cè)均值實(shí)測(cè)均值實(shí)測(cè)均值實(shí)測(cè)均值超級(jí)13Cr164.82161.63162.02162.8223.8924.7123.5524.0519.8220.8719.4720.0541.5140.7539.2240.49123.31120.88122.80122.33S135108.44104.3890.10100.9724.7324.1523.7324.2018.9719.3419.5219.2835.0030.0130.4031.8073.4474.3759.7069.17APISpec5D規(guī)定>54J----

表4 兩種材料在氣、液兩相中腐蝕速率Table4 Corrosionrateofthetwomaterialsingasandliquidphase材料相態(tài)失量/g腐蝕速率/(mm·a-1)實(shí)測(cè)均值實(shí)測(cè)均值超級(jí)13Cr氣相0.00060.00070.00060.00060.00320.00400.00340.0036液相0.00630.00640.00780.00680.03630.03680.04510.0394S135氣相0.03290.03360.04480.03710.19120.19440.25980.2151液相0.26840.44850.39480.37061.56292.60772.28402.1515

從腐蝕結(jié)果來看，超級(jí)13Cr耐CO2腐蝕性能大大優(yōu)于S135，兩種材料在本實(shí)驗(yàn)條件下的腐蝕速率存在數(shù)量級(jí)差異。新型超級(jí)13Cr在氣相中沒有明顯局部腐蝕且腐蝕速率很小，為0.003 6 mm/a。由于液相礦化度很高，在液相中試片出現(xiàn)局部腐蝕，腐蝕速率較大，為0.039 4 mm/a。因此，在塔里木該區(qū)塊的致密砂巖氣開發(fā)過程中，應(yīng)預(yù)防井筒積液產(chǎn)生的腐蝕。

3 結(jié) 論

(1) 新型超級(jí)13Cr油鉆桿的屈服強(qiáng)度為937 MPa，抗拉強(qiáng)度為976 MPa，斷裂延伸率為21.5%，沖擊功為162.82 J?？梢姡卵邪l(fā)的超級(jí)13Cr鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能。與S135鉆桿相比，新開發(fā)的超級(jí)13Cr油鉆桿強(qiáng)度性能與之接近。但是新型超級(jí)13Cr沖擊韌性明顯優(yōu)于S135鉆桿。

(2) 新型超級(jí)13Cr油鉆桿耐CO2腐蝕性能大大優(yōu)于S135鉆桿，在本實(shí)驗(yàn)條件下，氣相腐蝕速率為0.003 6 mm/a，液相腐蝕速率為0.039 4 mm/a。液相腐蝕速率較大，應(yīng)預(yù)防開采過程中井筒積液腐蝕。

(3) 新型超級(jí)13Cr油鉆桿既能滿足鉆井的需要，又能滿足完井開采的要求，可為含CO2致密砂巖氣田氮?dú)忏@完井作業(yè)提供支持。

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Performancetestofanewsuper13Croildrillpipeusedfortightgasreservoirdrillingandcomplication

ZengDezhi1,TianGang1,ShiTaihe1,HouDuo1,JiaHuaming2,LuQiang2,ZhaoPeng3

(1.StateKeyLaboratoryofOil&GasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,Sichuan,China; 2.EngineeringDepartmentofPetroChinaTarimOilfieldCompany,Korla841000,Xinjiang,China; 3.BaoshanIron&SteelCo.,Ltd,Shanghai201900,China)

A new high strength super 13Cr oil drill pipe was developed for tight gas reservoir exploitation in Tarim oilfield. This paper studies the tensile property and impact property of S135 dirll pipe and new super 13Cr oil drill pipe by a material tensile testing machine and a instrumented impact testing machine respectively. Their corrosion resistance to CO2is also studied through high temperature and high pressure autoclave test. The results show that the ultimate strength of the new super 13Cr steel reaches 976 MPa, with the yielding strength 937 MPa and elongation 19.0%. Its impact energy reaches 162.82 J. Compared with S135 steel, the new super 13Cr steel has similar strength property and better impact property. Under the test condition, the corrosion rate of the super 13Cr steel is 0.003 6 mm/a in gas phase and 0.039 4 mm/a in liquid phase. Therefore, the new super 13Cr oil drill pipe can meet the requirement of drilling and well complication. The new oil drill pipe could provide support for tight gas reservoir nitrogen drilling and well complication.

tight gas reservoir, new super 13Cr oil drill pipe, S135 drill pipe, mechanical property, corrosion rate

TE982

：ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.012

2013-09-04；編輯：馮學(xué)軍

曾德智(1980-)，男，四川宜賓人，2007年6月畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，博士，副研究員，現(xiàn)為西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院教師，從事石油管力學(xué)與環(huán)境行為等方面的研究工作。電話：028-83032901。地址：(610500)四川省成都市新都區(qū)新都大道8號(hào)。E-mail：zengdezhi1980@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金“腐蝕與脈動(dòng)沖擊載荷共同作用下超高強(qiáng)度鉆具疲勞損傷行為與控制機(jī)制研究”(51374177)和國(guó)家自然科學(xué)基金“基于材料非線性隨動(dòng)強(qiáng)化的雙金屬?gòu)?fù)合管成型機(jī)理及其強(qiáng)度特性研究”(51004084)。