一種經(jīng)濟(jì)型稠油熱采專用套管的研發(fā)

周 丹,黃 云,黃 英,李方應(yīng)

(1.攀成伊紅石油鋼管有限責(zé)任公司,四川成都610303; 2.攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

一種經(jīng)濟(jì)型稠油熱采專用套管的研發(fā)

周 丹1,黃 云2,黃 英2,李方應(yīng)2

(1.攀成伊紅石油鋼管有限責(zé)任公司,四川成都610303; 2.攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

對(duì)一種經(jīng)濟(jì)型稠油熱采井專用套管進(jìn)行分析研究,其管柱設(shè)計(jì)采用應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則,同時(shí)兼顧應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,在保證材料的性能條件下采用成本較低的Cr-Mn系鋼種。通過與目前國(guó)內(nèi)油田廣泛采用的Cr-Mo鋼種進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)性能、高溫拉伸、熱循環(huán)試驗(yàn)及熱膨脹系數(shù)測(cè)定等對(duì)比試驗(yàn)以評(píng)估產(chǎn)品性能指標(biāo),結(jié)果顯示基于應(yīng)變的熱采井設(shè)計(jì)新方法開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型稠油熱采井專用套管可滿足油田開發(fā)使用需求且更為經(jīng)濟(jì)。

無縫鋼管;稠油熱采;油井管;經(jīng)濟(jì)型;高溫性能

1 引言

目前隨著石油工業(yè)發(fā)展的深入,開采稠油已成為各大油田穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的主要措施之一,但由于長(zhǎng)期以來,在API系列中沒有稠油熱采井專用套管,國(guó)內(nèi)外也只有小部分廠家開發(fā)出稠油熱采井石油套管,大多油田只能選用普通API套管。使用普通API套管后,由于套管的過早損壞導(dǎo)致油井的提前報(bào)廢較高,給油田造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,因此開發(fā)稠油熱采井石油套管成為必然性[1～3]。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的熱采井套管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)是遵循傳統(tǒng)的基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,即保證外載荷產(chǎn)生的套管應(yīng)力或等效應(yīng)力不高于套管材料的最低屈服應(yīng)力,基于應(yīng)力設(shè)計(jì)要求套管抗拉、抗擠和抗內(nèi)壓滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求選擇鋼級(jí)及根據(jù)熱載荷產(chǎn)生的熱應(yīng)力計(jì)算套管預(yù)應(yīng)力。事實(shí)上稠油熱采井用油套管在其服役環(huán)境中(20℃～375℃)會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變,完全基于應(yīng)力準(zhǔn)則設(shè)計(jì)開發(fā)的熱采井用套管完全沒有考慮到此點(diǎn)。

以下對(duì)攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司開發(fā)的一種經(jīng)濟(jì)型稠油熱采井專用套管進(jìn)行分析研究,其管柱設(shè)計(jì)采用應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則,同時(shí)兼顧應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,在保證材料的性能條件下采用成本較低的Cr-Mn系鋼種,滿足了油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性要求。冶煉上通過多元素聯(lián)合穩(wěn)定控制技術(shù)、夾雜物控制技術(shù)、有害元素及氣體含量控制技術(shù),使其能穩(wěn)定控制鑄坯質(zhì)量。軋制上對(duì)加熱溫度優(yōu)化,變形量的合理分配,變形工具選擇和工藝潤(rùn)滑等方面進(jìn)行了研究,減少軋制缺陷產(chǎn)生,提高了品種成材率。熱處理上采用外噴淋+內(nèi)軸流工藝,保證鋼管性能穩(wěn)定、均勻,同時(shí)也保證最終管材的外徑尺寸和彎曲度滿足要求。目前,該品種鋼管已在勝利油田得到了大批量成功應(yīng)用,產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議要求。

2 基于應(yīng)變的熱采井設(shè)計(jì)新方法

熱采井高溫和蒸汽循環(huán)導(dǎo)致套管應(yīng)力在拉伸和壓縮上超過套管材料的屈服強(qiáng)度,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則(規(guī)定套管應(yīng)力小于套管材料的屈服強(qiáng)度)有一定的局限。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的熱采井套管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)是遵循傳統(tǒng)的基于許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,即保證外載產(chǎn)生的套管應(yīng)力或等效應(yīng)力不高于套管材料的最低屈服應(yīng)力。對(duì)于套管應(yīng)力超過比例極限后的繼續(xù)變形,應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系不成比例,應(yīng)力的大小已不能反應(yīng)材料的受力后狀況,因此基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則具有局限性;而應(yīng)變對(duì)于超過材料屈服后仍然能夠反應(yīng)材料受力后的狀況,基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則允許套管產(chǎn)生一定的塑性應(yīng)變,所以對(duì)于材料服役后超過材料屈服強(qiáng)度的設(shè)計(jì)應(yīng)采取以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的設(shè)計(jì)。

Alberta對(duì)熱采井套管提出基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)新方法,設(shè)計(jì)載荷包括內(nèi)外壓、熱載荷以及地層載荷(地層熱載荷和地層剪切運(yùn)動(dòng))。套管設(shè)計(jì)載荷分為三類:(1)力載荷:包括懸重、浮力、提升載荷和井眼彎曲載荷。(2)位移載荷:熱載荷和地層載荷。(3)復(fù)合載荷:如內(nèi)外壓作用時(shí),套管柱軸向被水泥和地層約束。根據(jù)載荷本身的特性,必須采用不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。例如,力載荷是基于應(yīng)力設(shè)計(jì)方法,確保在套管設(shè)計(jì)有足夠的安全系數(shù),降低事故發(fā)生的概率;位移載荷應(yīng)該采用基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法。

3 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

由于熱采井套管設(shè)計(jì)理念的不同導(dǎo)致熱采井鋼管的成分也有所不同,國(guó)內(nèi)目前稠油熱采井用油套管主要采用Cr-Mo鋼,其高昂的價(jià)格加重了各采油廠的生產(chǎn)成本。本文設(shè)計(jì)的鋼種成分以應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)為基礎(chǔ),采用中碳Cr-Mn鋼,適當(dāng)提高M(jìn)n含量,加入Ti微合金化元素,成品管材組織晶粒細(xì)小,各項(xiàng)性能檢測(cè)指標(biāo)良好,完全滿足有關(guān)技術(shù)協(xié)議要求,且更為經(jīng)濟(jì)。設(shè)計(jì)化學(xué)成分具體見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)型稠油熱采井用套管設(shè)計(jì)成分(w%)

4 管材制備

首先采用高爐煉鐵后經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉、LF+ RH精煉、連鑄后得到了化學(xué)成分均勻,低P、S含量,非金屬夾雜物數(shù)量少且形態(tài)得到控制的稠油熱采井用套管用鋼坯,隨后通過“環(huán)形爐加熱→穿孔機(jī)穿孔→連軋機(jī)軋管→定徑機(jī)定徑→淬火+回火→矯直→探傷→精整”工藝制成了幾何尺寸精度較高、力學(xué)性能優(yōu)異的CS-80H～CS-110H經(jīng)濟(jì)型稠油熱采專用套管。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 晶粒度和非金屬夾雜物

在管坯上取樣做高倍評(píng)級(jí),其結(jié)果見表2所示,可見管坯非金屬夾雜物評(píng)級(jí)及晶粒度均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 晶粒度和非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

從非金屬夾雜物評(píng)級(jí)情況看,采用潔凈鋼冶煉技術(shù)后鋼中非金屬夾雜物得到有效控制,其按GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)結(jié)果遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求,各類夾雜物總和≤4.0,鋼質(zhì)純凈度高;另晶粒度達(dá)到9級(jí),金相組織為均勻的回火索氏體,如圖1、圖2所示。

圖1 CS-110H管體晶粒度

圖2 CS-110H管體金相組織500×

5.2 鋼管幾何尺寸

以177.8mm×9.19mm規(guī)格為例,攀成鋼340MPM連軋管廠生產(chǎn)的CS-110H熱采井用套管管坯幾何尺寸精度較高,滿足技術(shù)要求。

表3 177.8×9.19 CS-110H光管外徑測(cè)量情況

表4 177.8×9.19 CS-110 H光管壁厚測(cè)量情況

5.3 常規(guī)力學(xué)性能

經(jīng)濟(jì)型熱采井用套管的常溫力學(xué)性能、沖擊韌性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,且數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍窄,性能較均勻,見圖3～6所示。

圖3 屈服強(qiáng)度(MPa)

圖4 抗張強(qiáng)度(MPa)

圖5 延伸率(%)

圖6 沖擊功(J)

5.4 熱采井設(shè)計(jì)新方法套管性能評(píng)估

將研制開發(fā)的Cr-Mn鋼種與目前國(guó)內(nèi)油田廣泛采用的Cr-Mo鋼種進(jìn)行了高溫拉伸、熱循環(huán)試驗(yàn)及熱膨脹系數(shù)測(cè)定等對(duì)比試驗(yàn)。

5.4.1 高溫拉伸試驗(yàn)

在350℃高溫下,110鋼級(jí)Cr-Mn、Cr-Mo鋼的屈服強(qiáng)度分別下降為室溫的84%、85%,抗拉強(qiáng)度下降為室溫的93%、92%,試驗(yàn)結(jié)果見圖7～8。兩個(gè)鋼種的高溫拉伸性能基本一致,均滿足稠油熱采套管設(shè)計(jì)要求。

圖7 高溫下Cr-Mn、Cr-Mo鋼屈服強(qiáng)度對(duì)比

圖8 高溫下Cr-Mn、Cr-Mo鋼抗拉強(qiáng)度對(duì)比

5.4.2 屈強(qiáng)比、延伸率

在室溫、200℃、300℃、350℃及375℃高溫下,分別測(cè)定Cr-Mn及Cr-Mo鋼種的屈強(qiáng)比、延伸率,試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可以看出兩個(gè)鋼種屈強(qiáng)比十分接近,尤其是在高溫階段,但Cr-Mn系材料延伸率明顯好于Cr-Mo系。

表5 Cr-Mn及Cr-Mo鋼種的屈強(qiáng)比、延伸率對(duì)比

(1)熱膨脹系數(shù)

在室溫、200℃、300℃、350℃、375℃高溫下,Cr-Mn及Cr-Mo鋼種的熱膨脹系數(shù)見表6。熱膨脹系數(shù)越大,其熱穩(wěn)定性能越差,分析可知,攀成鋼公司開發(fā)的Cr-Mn系材料熱穩(wěn)定性優(yōu)于Cr-Mo系。

表6 Cr-Mn及Cr-Mo鋼種的熱膨脹系數(shù)對(duì)比

(2)熱循環(huán)試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)熱采井套管材料熱循環(huán)下溫度—應(yīng)力性能,采用GJB 6213—2008金屬材料熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)方法對(duì)Cr-Mn、Cr-Mo鋼種進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn),循環(huán)溫度為350℃,循環(huán)次數(shù)為30次。同種狀態(tài)下的機(jī)械循環(huán)曲線,一個(gè)循環(huán)所包括的面積越大,其延展性越好,穩(wěn)定性越佳。由圖9、圖10可見,Cr-Mn鋼種熱循環(huán)下溫度—應(yīng)力性能與Cr-Mo相近。

圖9 Cr-Mn鋼種熱循環(huán)試驗(yàn)

圖10 Cr-Mo鋼種熱循環(huán)試驗(yàn)

6 結(jié)論

(1)攀成鋼公司自主研發(fā)的經(jīng)濟(jì)型稠油熱采井用套管采用中碳Cr-Mn鋼,采用微合金化處理,成品管材組織晶粒細(xì)小,各項(xiàng)性能檢測(cè)指標(biāo)良好,完全滿足有關(guān)技術(shù)協(xié)議要求。

(2)通過與目前國(guó)內(nèi)油田廣泛采用的Cr-Mo鋼種進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)性能、高溫拉伸、熱循環(huán)試驗(yàn)及熱膨脹系數(shù)測(cè)定等對(duì)比試驗(yàn)以評(píng)估產(chǎn)品性能指標(biāo),結(jié)果顯示基于應(yīng)變的熱采井設(shè)計(jì)新方法開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型稠油熱采井專用套管可滿足了油田開發(fā)使用需求且更為經(jīng)濟(jì)。

(3)油田批量使用的結(jié)果表明:基于應(yīng)變的熱采井設(shè)計(jì)新方法開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型稠油熱采井專用套管使用性能優(yōu)良,滿足油田稠油熱采井特殊工況使用要求,具有極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 于連冬.世界稠油資源的分布及其開采技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].特種油氣藏,2001:25—30.

[2] 楊立強(qiáng).TP100 H套管在超稠油熱采井中的應(yīng)用[J].特種油氣藏,2002,9(6):48—50.

[3] 盧小慶,方華,等.高強(qiáng)度熱采井專用套管TP100H的開發(fā)[J].鋼鐵,2010,36(10):30—32.

R&D of an Economic Casing for Heavy Oil Thermal Recovery Well

ZHOU Dan1,HUANG Yun2,HUANG Ying2,LI Fang-ying2

(1.Pancheng Yihong Pipe Co.,Ltd;Chengdu 610300,Sichuan,China; 2.Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.,Chengdu 610300,Sichuan,China)

In this paper,an economic casing for heavy oil thermal recovery well is analyzed and studied.The string design using strain criterion,both stress design criterion,in ensuring the performance of the material under the condition of the lower cost of Cr-Mn steel.Through the current widely used in domestic oilfields with Cr-Mo steel grade for the conventional mechanical properties,high temperature tensile,thermal cycling test and determination of thermal expansion coefficient of contrast test in the evaluation of product performance index,the results show that thermal recovery wells design method based on strain development of economy of heavy oil thermal recovery wells special casing can meet the demand of the oilfield development use and more economic.

seamless steel pipe;the heavy oil thermal recovery;OCTG;economical;The high temperature performance

1001—5108(2016)03—0029—06

TG141

A

周丹,工程師,主要從事鋼管銷售及技術(shù)服務(wù)工作。