頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高強(qiáng)高韌套管設(shè)計(jì)及適用性研究

董曉明，張忠鏵，羅 蒙

(寶山鋼鐵股份有限公司研究院 上海 201900)

·試驗(yàn)研究·

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高強(qiáng)高韌套管設(shè)計(jì)及適用性研究

董曉明，張忠鏵，羅 蒙

(寶山鋼鐵股份有限公司研究院 上海 201900)

針對(duì)川渝地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)采特點(diǎn)及生產(chǎn)套管在下入、固井、壓裂等工藝下的服役條件，設(shè)計(jì)出寶鋼頁(yè)巖氣開(kāi)采用高強(qiáng)度高韌性套管及其氣密封螺紋接頭。對(duì)其強(qiáng)韌性、微觀組織和抗擠毀性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明材料韌性穩(wěn)定達(dá)到屈服強(qiáng)度10%以上，沖擊功的各向異性顯著降低，同時(shí)還模擬頁(yè)巖氣生產(chǎn)套管不同位置及不同施工階段所受到的復(fù)合載荷對(duì)套管的適用性進(jìn)行了研究，用于支撐川渝地區(qū)頁(yè)巖氣井生產(chǎn)套管的選用。

套管；頁(yè)巖氣；韌性；特殊螺紋接頭

0 引 言

近年來(lái)對(duì)頁(yè)巖氣、致密油氣等非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)的重視程度越來(lái)越高，美國(guó)、加拿大等國(guó)家重點(diǎn)勘探開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源，開(kāi)發(fā)技術(shù)已趨于成熟。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)尚處于起步階段, 但是開(kāi)發(fā)工藝和技術(shù)發(fā)展迅速[1,2]。目前國(guó)內(nèi)已形成涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、延長(zhǎng)四大產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)能超過(guò)60億立方米，年產(chǎn)量逐年增加。頁(yè)巖氣目前開(kāi)發(fā)多采用水平井多級(jí)分段射孔壓裂技術(shù)[3]，該工藝對(duì)套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗擠毀強(qiáng)度均提出了較高的要求。對(duì)頁(yè)巖氣鉆完井作業(yè)特點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，大斜度井、水平井在完井期間需要對(duì)20段左右的井段分別進(jìn)行射孔和儲(chǔ)層改造，且單段射孔段較長(zhǎng)(超過(guò)50 m)[3]，低韌性高強(qiáng)度套管在射孔過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂，長(zhǎng)期服役過(guò)程中在地層應(yīng)力的作用下裂紋易發(fā)生拓展，從而導(dǎo)致套管失效；另外，在川渝地區(qū)頁(yè)巖氣試油完井作業(yè)過(guò)程中多次出現(xiàn)生產(chǎn)套管變形損壞，原因之一是在下生產(chǎn)套管過(guò)程中，套管經(jīng)過(guò)狗腿大的井段時(shí)可能出現(xiàn)遇阻，采用“上提下拉”的套管下入方式導(dǎo)致套管發(fā)生損傷；在試油完井期間，多次起下井下工具對(duì)生產(chǎn)套管內(nèi)壁的磨損，導(dǎo)致套管抗擠毀強(qiáng)度降低[3]。這些損傷的套管在長(zhǎng)期服役過(guò)程中的地層應(yīng)力作用下易發(fā)生缺陷拓展，從而降低了套管實(shí)體力學(xué)性能。

為了解決頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)特殊的施工工藝出現(xiàn)的套損問(wèn)題，寶鋼開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度高韌性氣密封套管產(chǎn)品，本文以頁(yè)巖氣開(kāi)采的特殊工藝特點(diǎn)分析，分析對(duì)應(yīng)其開(kāi)采過(guò)程中，高強(qiáng)度高韌性氣密封套管的性能、接頭類型的選用解析，為油氣開(kāi)采公司選用合理套管提供技術(shù)支撐。

1 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用套管的設(shè)計(jì)

根據(jù)頁(yè)巖氣試油完井作業(yè)工藝的特點(diǎn)，歸納套管其服役工況如下：

1)下生產(chǎn)套管過(guò)程中，套管經(jīng)過(guò)狗腿大的井段時(shí)可能出現(xiàn)遇阻，導(dǎo)致套管發(fā)生損傷。

2)多次井下工具的起下對(duì)生產(chǎn)套管內(nèi)壁的磨損，導(dǎo)致套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗擠毀強(qiáng)度降低。

3)套管自重、上提時(shí)井壁摩擦產(chǎn)生的強(qiáng)拉伸力帶來(lái)了關(guān)注密封完整性的問(wèn)題；相對(duì)于垂直段套管來(lái)說(shuō)，造斜段管柱的抗外擠、高內(nèi)屈服強(qiáng)度(液態(tài)密封)、抗彎曲以及高抗扭與壓縮能力要求較高。

4)套管所在地層非均質(zhì)性強(qiáng)，天然裂縫發(fā)育或存在斷層，壓裂過(guò)程中儲(chǔ)層沿層離面或巖性界面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，使套管受到強(qiáng)剪切應(yīng)力，易發(fā)生擠毀失效。

5)多次大型體積壓裂導(dǎo)致溫度的頻繁變化以及多次地層改造導(dǎo)致的固井質(zhì)量降低也會(huì)導(dǎo)致套管變形損壞。

6)低韌性高強(qiáng)度套管在射孔過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂，長(zhǎng)期服役過(guò)程中在地層應(yīng)力的作用下裂紋易發(fā)生拓展，從而導(dǎo)致套管失效。

通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣用套管服役工況分析，認(rèn)為對(duì)套管性能要求為以下幾個(gè)方面：1)較高強(qiáng)度的套管可以保證較高的抗擠毀強(qiáng)度，抵御地層非均質(zhì)載荷的影響，考慮投資的經(jīng)濟(jì)性，推薦鋼級(jí)為110-125ksi；2)保證套管的高韌性，可以抑制損傷套管的脆性斷裂，并且提高射孔質(zhì)量，降低套管因?yàn)樯淇组_(kāi)裂所導(dǎo)致的擠毀風(fēng)險(xiǎn)；3)套管材料要具有較好的熱穩(wěn)定性，在多次壓裂過(guò)程中套管性能波動(dòng)小；4)套管螺紋接頭在具有一定的氣密封性能的同時(shí)還具有良好的抗拉和抗壓縮性能。

2 試驗(yàn)條件

2.1 化學(xué)成分

BG110V和BG125V采用CrMo低合金鋼，通過(guò)合理的強(qiáng)韌化元素配合以及雜質(zhì)元素控制使套管的強(qiáng)度和韌性同步提高，見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(max) %

2.2 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

1)煉鋼采用優(yōu)質(zhì)廢鋼+三脫鐵水(脫硅、脫磷、脫硫)作為鋼原料，采用電爐冶煉+LF精煉+VD(真空脫氣)的生產(chǎn)工藝，降低雜質(zhì)和殘余元素含量，保證鋼水較高的純凈度，另外加入Si-Ca絲，獲得良好的夾雜物球化效果，保證材料具有優(yōu)良的韌性指標(biāo)。

2)連鑄鋼水連鑄成外徑178 mm管坯，連鑄工藝采用優(yōu)化的結(jié)晶器電磁攪拌工藝和凝固末端電磁攪拌工藝，減輕管坯心部枝晶偏析，改善基體材料內(nèi)部的成分均勻性，改善沖擊功的各項(xiàng)異性。

3)根據(jù)BG125V套管材料的不同溫度下的高溫塑性和變形抗力，針對(duì)性地優(yōu)化了軋制工藝，保證套管較高的尺寸精度：不圓度≤0.4%，壁厚不均度≤12%，保證套管具有優(yōu)良的抗擠毀性能。

4)熱處理：采用淬火+回火熱處理工藝，馬氏體含量在95%以上，確保熱處理后的組織為均勻細(xì)小的回火索氏體組織，提高整管強(qiáng)度的穩(wěn)定性。

5)螺紋加工：采用進(jìn)口高精度數(shù)控專用螺紋機(jī)床加工BGT2/BG-PCT氣密封螺紋，依靠高螺紋加工精度和螺紋表面處理技術(shù)，提高套管接頭的抗粘扣性能，BGT2特殊接頭通過(guò)了ISO 13679 CAL Ⅳ試驗(yàn)。

2.3 檢測(cè)方法

試樣經(jīng)過(guò)機(jī)械磨拋為鏡面，采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察金相組織，并采用電子探針、EVO MA25掃描電鏡和JEM 2100F透射電鏡對(duì)測(cè)試試樣進(jìn)行微觀組織觀察和分析，另外，對(duì)斷口也進(jìn)行表征。拉伸性能測(cè)試在MTS 810-15試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊性能采用JBN-300B設(shè)備，根據(jù)ASTM A 370-2010標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料的夏比V型缺口沖擊功，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試樣測(cè)試方向?yàn)闄M向，試驗(yàn)溫度為0℃。

3 性能分析

3.1 拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性

BG125V高強(qiáng)度高韌性套管的力學(xué)性能如圖1和圖2所示。從圖1可以看出，管體調(diào)質(zhì)熱處理后，BG125V的屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍為880～980 MPa，力學(xué)性能波動(dòng)較小，改善了套管整體力學(xué)性能的穩(wěn)定性，保證了抗擠毀性能的均一性。BG125V全尺寸0℃橫向沖擊功均值首次達(dá)到141 J，波動(dòng)范圍為120～165 J，韌性值達(dá)到125 ksi(1 ksi=6.89 MPa)鋼級(jí)套管10%名義屈服強(qiáng)度的要求(87 J)。高韌性可以改善套管在多輪次的高強(qiáng)度水力壓裂過(guò)程中由于管體缺欠出現(xiàn)的脆性斷裂問(wèn)題，提高套管的極限抗內(nèi)壓強(qiáng)度；同時(shí)改善了套管射孔的易開(kāi)裂傾向，提高了射孔質(zhì)量，防止出現(xiàn)套管在長(zhǎng)期服役過(guò)程中由于射孔裂紋所導(dǎo)致的套管擠毀失效問(wèn)題。

從表2可以看出，常規(guī)的125ksi鋼級(jí)套管的橫縱向沖擊功的比值約為0.8，這與調(diào)質(zhì)態(tài)API系列套管橫縱向的比值處于同一水平。而B(niǎo)G125V橫縱向沖擊功的比值在0.93以上，說(shuō)明BG125V的材料橫向和縱向上的沖擊功比較均一，沖擊韌性各向異性小。

圖1 BG125V屈服強(qiáng)度分布圖

圖2 BG125V橫向沖擊功分布圖

編號(hào)夏比沖擊功0℃橫向全尺寸/J夏比沖擊功0℃縱向全尺寸/J橫向和縱向沖擊功比值BG125891210．81881180．81941230．80BG125V1421520．931451550．941461510．97

3.2 高溫力學(xué)性能

圖3為BG125V套管在不同溫度下的強(qiáng)度變化曲線，結(jié)果表明BG125V套管材料的屈服強(qiáng)度從室溫至180℃時(shí)的衰減比例為10.9%，抗拉強(qiáng)度衰減比例較小，為5.3%。在水力壓裂過(guò)程中管柱的溫度波動(dòng)范圍為30℃～120℃，從圖3數(shù)據(jù)可以看出，在此區(qū)間內(nèi)套管屈服強(qiáng)度的衰減比例為5%，具有較好的穩(wěn)定性。

圖3 不同溫度下力學(xué)性能

3.3 抗擠毀性能

139.7 mm×12.7 mm規(guī)格BG125V套管實(shí)際抗擠毀強(qiáng)度平均值達(dá)到176 MPa，見(jiàn)表3，超出該規(guī)格API標(biāo)準(zhǔn)要求24%，可有效的改善頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)所采用的多級(jí)分段壓裂工藝下的套損問(wèn)題，目前在長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)區(qū)塊實(shí)現(xiàn)了大批量應(yīng)用。

表3 BG125V抗擠毀性能檢測(cè)結(jié)果

3.4 微觀組織分析

鋼中析出物如碳化物和氮化物等第二相質(zhì)點(diǎn)均為脆性相，在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)增加材料的脆性，其影響韌性的程度與第二相質(zhì)點(diǎn)的大小、形狀和分布有關(guān)。按史密斯解理裂紋成核模型，晶界上碳化物厚度或直徑增加，解理裂紋既易于形成又易于擴(kuò)展，故使脆性增加。第二相粒子尺寸越大，數(shù)量越多，對(duì)韌性的損害越大[4]。因此要提高材料的韌性，細(xì)化析出相尺寸并使其彌散分布是有效方法之一。

目前國(guó)內(nèi)外鋼管廠家采用的管坯主要為連鑄管坯，但是由于連鑄管坯心部的鋼液在凝固過(guò)程中選擇性結(jié)晶形成化學(xué)成分呈不均勻分布的枝晶偏析組織，管坯中的粗大枝晶在軋制時(shí)沿變形方向被拉長(zhǎng)，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶和富化帶彼此交替堆疊[5]，形成了如圖4(a)中的偏析帶組織。部分粗大的碳化物在晶界聚集長(zhǎng)大，使晶界脆化，降低了韌性，這是高強(qiáng)度套管韌性尤其是橫向沖擊韌性難以提高的主要原因之一。

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)BG125V套管生產(chǎn)所用的管坯連鑄工藝進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶器電磁攪拌工藝和凝固末端電磁攪拌工藝，減輕管坯心部枝晶偏析；管體在軋制后進(jìn)行重新加熱，采用張力減徑工藝細(xì)化晶粒、改善成分均勻性。根據(jù)以上工藝設(shè)計(jì)，寶鋼開(kāi)發(fā)的BG125V套管內(nèi)壁金相組織成分偏析明顯改善，如圖4(c)所示，可以有效的提高套管的沖擊韌性，同時(shí)也提高了套管材料沖擊性能的各項(xiàng)異性，解釋了表2中橫縱向沖擊韌性比值的差異問(wèn)題。

圖4 常規(guī)高強(qiáng)度套管和BG125V套管金相組織

3.5 接頭實(shí)體性能

頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中，生產(chǎn)套管管體及接頭在入井、固井、射孔、壓裂過(guò)程中承受不同物理載荷作用，表4列舉了頁(yè)巖氣生產(chǎn)套管接頭承受物理載荷的重點(diǎn)關(guān)注。可以看出頁(yè)巖氣生產(chǎn)套管不同位置及不同施工階段對(duì)內(nèi)壓、外擠、拉伸、壓縮、彎曲、溫度交替等的不同要求。

表4 頁(yè)巖氣管柱不同位置在不同施工過(guò)程中的主要物理載荷

為適應(yīng)頁(yè)巖氣開(kāi)采開(kāi)發(fā)，寶鋼開(kāi)發(fā)出適用于不同工況的BGT2及BG-PCT生產(chǎn)套管接頭產(chǎn)品。BGT2是一種高氣密封性能套管接頭，具備復(fù)合載荷下的氣密封完整性，通過(guò)ISO13679 CAL Ⅳ(100%壓縮效率，95%VME，如圖5中藍(lán)色橢圓圖以內(nèi)參數(shù))的實(shí)體評(píng)估，適用于垂深3 000 m以上，或氣密封密封性能要求高于60 MPa的復(fù)雜頁(yè)巖氣井。同時(shí)寶鋼開(kāi)發(fā)了一種依靠螺紋及臺(tái)肩對(duì)頂?shù)慕?jīng)濟(jì)型氣密封生產(chǎn)套管BG-PCT，能承受85%VME內(nèi)，60%壓縮效率的載荷性能(如圖5中黑色區(qū)域內(nèi)參數(shù))，適用于垂深3 000 m以下，氣密封性能要求在60 MPa以下的頁(yè)巖氣井開(kāi)采。按照頁(yè)巖氣下入、射孔及壓裂工藝條件，在試驗(yàn)室內(nèi)模擬了Φ139.7 mm×12.7 mm BG125V BG-PCT的物理載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，可見(jiàn)BG-PCT能滿足在常見(jiàn)施工及作業(yè)工藝。

說(shuō)明T：管體拉伸強(qiáng)度，C：管體壓縮強(qiáng)度，IP：管體內(nèi)屈服強(qiáng)度，EP：管體壓潰強(qiáng)度。圖5 針對(duì)頁(yè)巖氣不同特殊螺紋生產(chǎn)套管接頭復(fù)合載荷能力

試樣編號(hào)靜水壓循環(huán)模擬試驗(yàn)條件額定值試驗(yàn)結(jié)果123490MPa，穩(wěn)壓5min，20次循環(huán)靜水壓至失效137．2MPa28275psi未爆破拉伸至失效4370kN4640kN堵頭斷裂342t拉伸條件下水壓至失效105．3MPa115．2MPa堵頭爆裂90MPa水壓(內(nèi))條件下拉伸至失效3560kN3656kN管體斷裂

4 結(jié) 論

1)寶鋼全新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的BG125V高強(qiáng)度高韌性套管橫向韌性指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到屈服強(qiáng)度的10%，材料的沖擊韌性各向異性顯著降低，具備了優(yōu)良的強(qiáng)韌性、高溫力學(xué)性能以及抗擠毀性能，能夠更好的滿足頁(yè)巖氣開(kāi)采開(kāi)發(fā)用套管力學(xué)性能及安全使用的要求。

2)寶鋼開(kāi)發(fā)的BGT2高氣密封特殊螺紋套管適用于垂深3 000 m以上，且氣密封性能要求高于60 MPa的嚴(yán)苛條件下的頁(yè)巖氣井開(kāi)發(fā)，BG-PCT經(jīng)濟(jì)型氣密封特殊螺紋套管可以應(yīng)用于垂深3 500 m以下，且氣密封性能要求低于60 MPa的常規(guī)頁(yè)巖氣井的開(kāi)發(fā)。

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Design and Applicability Research of High Strength and Toughness Casing for Shale Gas Service

DONG Xiaoming, ZHANG Zhonghua, LUO Meng

(BaosteelResearchInstitute,BaoshanIronandSteelCo.Ltd.,Shanghai201900,China)

Based on the shale gas exploitation characteristics and the working conditions of production casing during tripping, cementing and fracturing process in Sichuan-Chongqing area, the high strength and toughness casing and premium connection are designed. The mechanical properties, microstructure and collapse resistent property are tested, finding that the transverse Charpy impact value of BG125V casing at 0℃ surpasses the value of 10% yield strength, and the toughness anisotropy decreases obviously. Furthermore, the applicability of casing is researched by simulating the combined loads on casing at different well positions and in different construction stages, supporting the selection of production casing for shale gas service in Sichuan-Chongqing region.

casing； shale gas； toughness； premium connection

董曉明，男，1980年生，工程師，2006年畢業(yè)于上海大學(xué)，主要從事高等級(jí)油井管產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。E-mail:dongxiaoming@baosteel.com

TE931

A

2096-0077(2017)01-0047-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.011

2016-12-08 編輯：馬小芳)