國產(chǎn)超高強(qiáng)度CT110連續(xù)管組織與性能

畢宗岳， 鮮林云， 汪海濤， 余 晗， 張曉峰

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

國產(chǎn)超高強(qiáng)度CT110連續(xù)管組織與性能

畢宗岳1,2， 鮮林云1,2， 汪海濤1,2， 余 晗1,2， 張曉峰1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了發(fā)揮CT110超高強(qiáng)度連續(xù)管在深井、超深井及大位移水平井增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)過程中的應(yīng)用以及在頁巖氣分段壓裂、鉆磨橋塞等作業(yè)中的優(yōu)勢，對國產(chǎn)CT110鋼級連續(xù)管的組織與性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，CT110連續(xù)管整體性能良好，強(qiáng)度、硬度等性能指標(biāo)均滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求，且強(qiáng)度和塑性匹配良好，綜合性能達(dá)到較好水平,同時(shí)國產(chǎn)CT110連續(xù)管主要性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于同規(guī)格進(jìn)口CT110連續(xù)管。

連續(xù)管；CT110；組織；性能；腐蝕；疲勞

Abstract:In order to play the application of ultra high strength CT110 coiled tubing in deep well,extra-deep well and extended reach horizontal well production and stable production,as well as the advantages in the shale gas staged fracturing, drilling and milling bridge plug.In this article,it analyzed the microstructure and properties of domestic CT110 grade coiled tubing.The results indicated that the overall performance of CT110 coiled tubing is good,the performance indexes such as strength,hardness can meet the requirements of API SPEC 5ST standard,and the strength and plasticity match well,the comprehensive performance reaches rater high level.And the main performance indexes of domestic CT110 coiled tubing reach or exceed those of the same specification imported CT110 coiled tubing.

Key words:coiled tubing;CT110;microstructure;performance;corrosion;fatigue

隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，深度超過5500m的油氣井?dāng)?shù)量日益增加[1]，其中，國內(nèi)陸克深9井的鉆井深度達(dá)8 038 m。對于Φ50.8 mm× 4.44 mm、密度為7 853 kg/m3的連續(xù)管而言，要滿足下入深度和負(fù)載的要求，管材屈服強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到700 MPa以上[2]?，F(xiàn)有鋼級的連續(xù)管已經(jīng)不能滿足深井、超深井的開發(fā)需求。此外，隨著頁巖氣的開發(fā)和利用力度的不斷加大[3]，大位移水平井的數(shù)量激增，且水平段的長度、水平段的壓裂段數(shù)和壓裂壓力不斷提高[4]，目前國內(nèi)最高壓裂壓力達(dá)80 MPa及以上，壓裂段數(shù)超過30段的水平井已經(jīng)很常見。作為水平井鉆井、測井、拖動(dòng)壓裂、鉆磨橋塞等作業(yè)的重要工具，連續(xù)管在水平井中的應(yīng)用優(yōu)勢和規(guī)模日益增加。但是，連續(xù)管如果沒有足夠的強(qiáng)度，在水平井中作業(yè)時(shí)容易產(chǎn)生屈曲而鎖死。另外，連續(xù)管在高壓作業(yè)過程中，由于井口段（導(dǎo)向拱上、卷筒上、注入頭下端到防噴器上端等部位）沒有外部平衡壓力，如果選用強(qiáng)度低的管材，會對施工過程造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

CT110級連續(xù)管屈服強(qiáng)度大于758 MPa、抗拉強(qiáng)度大于793 MPa[5-6]，該管材超高強(qiáng)度使其具有較高的承載能力、抗內(nèi)壓能力、抗擠潰能力和抗疲勞性能，是解決深井、超深井及大位移水平井增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要工具。

本研究對寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司研制開發(fā)的CT110連續(xù)管的組織與性能進(jìn)行了全面的研究分析，以便用戶合理選材、制定作業(yè)工藝、實(shí)現(xiàn)CT110連續(xù)管全面國產(chǎn)化應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為規(guī)格Φ50.8 mm×4.44 mm的國產(chǎn)CT110級連續(xù)管，該管材是采用高潔凈的低碳微合金鋼熱軋卷板經(jīng)過精密成型、焊接制管后，再經(jīng)過連續(xù)熱處理制成的連續(xù)鋼管，其化學(xué)成分見表1。

表1 CT110級連續(xù)管的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

對CT110連續(xù)管試樣打磨、拋光后采用4%硝酸酒精腐蝕，并用Lepera溶液進(jìn)行著色腐蝕[7]，再采用Olympus GX71型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織分析；采用ZIWCK1200拉伸試驗(yàn)機(jī)依據(jù)ASTM 370標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整管拉伸試驗(yàn)；按照API SPEC 5ST[6]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)口和壓扁試驗(yàn)；采用PLW-100型彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)對長度為1 524 mm的連續(xù)油管進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，彎曲模半徑為1 828 mm，鋼管內(nèi)壓為34.47 MPa。依據(jù)API RP 5C5標(biāo)準(zhǔn)在CPT-1外壓擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)對CT110連續(xù)管進(jìn)行了純外壓擠毀試驗(yàn)。

依據(jù)NACE TM0284—2003[7]對CT110連續(xù)管焊縫和母材試樣在A溶液（飽和硫化氫的0.5%醋酸+5%NaCl水溶液）中進(jìn)行了抗氫致開裂（HIC）試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間 96 h，溶液溫度 25℃。依據(jù)NACE TM0177—2005標(biāo)準(zhǔn)[8]，采用單軸拉伸法對縱向試樣在A溶液中進(jìn)行硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)（SSCC），加載應(yīng)力為CT110連續(xù)管屈服強(qiáng)度的72%，浸泡時(shí)間720 h，溶液溫度為24℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖1為CT110連續(xù)管HFW焊縫、熱影響區(qū)和母材的金相組織形貌。圖2為Lepera溶液著色腐蝕后的母材組織形貌，在圖2中可觀察到彌散分布的M/A組元[9]。由圖1可知，CT110連續(xù)管組織以細(xì)晶形鐵素體和粒狀貝氏體為主，組織均勻，且HFW焊縫、熱影響區(qū)、母材組織基本一致。經(jīng)檢測，焊縫、熱影響區(qū)和母材晶粒度均為13級，帶狀組織小于1.5級，夾雜物小于1.0級。

圖1 CT110連續(xù)管微觀組織形貌

圖2 Lepera溶液著色腐蝕后的母材組織形貌

2.2 管材強(qiáng)度

表2為CT110連續(xù)管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果。由表2可以知道，CT110連續(xù)管平均屈服強(qiáng)度為790 MPa，平均抗拉強(qiáng)度825 MPa，同時(shí)具有較高的延伸率。各項(xiàng)性能均滿足 API SPEC 5ST《連續(xù)油管規(guī)范》要求，表明該管材具有良好的承重和提拉性能。與CT90相比，CT110連續(xù)管在相同條件下下入深度可提高22.2%。

表2 CT110級連續(xù)管的拉伸性能

為了檢測整盤CT110連續(xù)管，在102.7 MPa內(nèi)壓條件下進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，保壓15 min，無泄露，無壓降（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓降不超過0.34 MPa），靜水壓試驗(yàn)曲線如圖3所示。試驗(yàn)后對管柱外徑檢測結(jié)果表明，外徑尺寸未發(fā)生變化，即管柱未變形，表明CT110連續(xù)管HFW（高頻感應(yīng)焊）焊縫強(qiáng)度和穩(wěn)定性良好，具備承受較高內(nèi)壓的能力。

圖3 CT110連續(xù)管靜水壓試驗(yàn)曲線

2.3 硬度

表3為CT110連續(xù)管HFW焊縫、熱影響區(qū)和母材的截面硬度分布，由表3可知，焊縫、熱影響區(qū)、 母材硬度控制合理， 硬度值小于301HV0.5，且波動(dòng)較小，表明該管材組織均勻、性能一致。

表3 CT110級連續(xù)管的硬度

2.4 塑性

圖4為CT110級連續(xù)管拉伸曲線。由圖4可知，CT110連續(xù)管均勻延伸率為8%，表明管材能滿足作業(yè)過程中大應(yīng)變塑性變形的需求。整管拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，CT110連續(xù)管的平均延伸率為21%，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的17.5%。同時(shí)，依據(jù)API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)分別對CT110連續(xù)管進(jìn)行了擴(kuò)口試驗(yàn)和壓扁試驗(yàn)。擴(kuò)口試驗(yàn)采用60°錐頭，擴(kuò)口率為21%，母材及焊縫均未出現(xiàn)裂紋。對樣管進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，將HFW焊縫分別處于0點(diǎn)和9點(diǎn)位置壓至兩板間距離為44.13 mm（API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為0.85 D），所有試樣焊縫、母材均未出現(xiàn)可見裂紋，檢測結(jié)果表明，CT110連續(xù)管具有良好的塑性。

圖4 CT110連續(xù)管拉伸曲線

2.5 抗外壓擠毀性能

圖5 CT110連續(xù)管擠毀試驗(yàn)失效試樣照片及試驗(yàn)曲線

圖5所示為擠毀試驗(yàn)曲線和擠毀后的CT110連續(xù)管試樣形貌。對規(guī)格為Φ50.8 mm×4.44 mm的CT110連續(xù)管在CPT-1外壓擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了擠毀試驗(yàn)。試樣有效長度為1.2 m，壓力介質(zhì)為水，壓力加載速度低于35 MPa/min，試驗(yàn)依據(jù) API RP 5C5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。由圖 5可知，CT110級連續(xù)管的擠毀強(qiáng)度為146.9 MPa，較標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值115 MPa提高了27.7%，表明CT110連續(xù)管抗外壓擠毀性能優(yōu)異。

2.6 抗內(nèi)壓爆破性能

圖6為Φ50.8 mm×4.44 mm的CT110連續(xù)管爆破試驗(yàn)曲線和爆破后實(shí)物形貌。試驗(yàn)結(jié)果表明，CT110級連續(xù)管的爆破壓力為170.6 MPa，較標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值138.6 MPa提高23.3%，表明CT110連續(xù)管抗內(nèi)壓爆破性能優(yōu)異。

圖6 CT110連續(xù)管爆破試驗(yàn)失效試樣照片及試驗(yàn)曲線

2.7 低周疲勞性能

研究表明，連續(xù)管疲勞壽命與其規(guī)格、強(qiáng)度等級、作業(yè)壓力等有關(guān)。在直徑相同的條件下，壁厚越厚，強(qiáng)度越高。 直徑越小，作業(yè)壓力越低，疲勞壽命越高，作業(yè)次數(shù)也越多；反之，疲勞壽命低，作業(yè)次數(shù)也少[10]。對規(guī)格為Φ50.8 mm× 4.44 mm的CT110連續(xù)管在內(nèi)壓為34.47 MPa、彎曲半徑為1 828 mm（此彎曲半徑為該規(guī)格連續(xù)管作業(yè)車卷筒最小內(nèi)徑，也是連續(xù)管作業(yè)過程中承受的最小彎曲半徑）條件下進(jìn)行實(shí)物彎曲疲勞試驗(yàn)。結(jié)果表明，CT110平均疲勞壽命為139次，相比相同規(guī)格、相同壓力、相同彎曲半徑下的CT90連續(xù)管，疲勞壽命提高了54.4%。

2.8 抗腐蝕性能

按照NACE 0248《管道和壓力容器用鋼抗氫致開裂能力的評定》和NACE0177《H2S環(huán)境中抗特殊形式的環(huán)境開裂材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣并開展試驗(yàn)。結(jié)果表明，CT110連續(xù)管焊縫和母材試樣在飽和硫化氫+0.5%醋酸+5% NaCl混合溶液中浸泡96 h后，試樣的縱向、橫向表面及截面均無裂紋產(chǎn)生，即裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）和裂紋敏感率（CSR）均為0，表明CT110連續(xù)管對HIC不敏感。抗SSCC試驗(yàn)中，焊縫和母材試樣的加載應(yīng)力分別為材料名義屈服強(qiáng)度的72%，試驗(yàn)后連續(xù)管試樣未出現(xiàn)斷裂，表面均未出現(xiàn)可見裂紋，如圖7所示。從圖7可以看出，CT110連續(xù)管具有良好的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕能力。

圖7 CT110連續(xù)管SSCC試驗(yàn)后的試樣

3 國內(nèi)外產(chǎn)品性能對比

在同等試驗(yàn)條件下，國產(chǎn)CT110連續(xù)管與國外同類產(chǎn)品進(jìn)行了性能檢測對標(biāo)分析，結(jié)果表明，兩者的強(qiáng)度、抗疲勞性能、抗擠毀性能基本相當(dāng)。但國產(chǎn)連續(xù)管在硬度控制、焊縫組織均勻性、抗硫化氫腐蝕等性能方面具有明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

（1）國產(chǎn)CT110連續(xù)管組織以超細(xì)晶粒的“鐵素體+貝氏體”為主；母材、焊縫和HAZ的組織性能基本一致。CT110連續(xù)管整體性能良好，強(qiáng)度、硬度等性能指標(biāo)均滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求，且強(qiáng)度和塑性匹配良好，綜合性能達(dá)到較好水平。

（2）國產(chǎn)CT110鋼級Φ50.8 mm×4.44 mm連續(xù)管具有較高的抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗擠毀強(qiáng)度。其中，擠毀強(qiáng)度達(dá)146.9 MPa，爆破壓力高達(dá)170.6 MPa。疲勞壽命達(dá)到139次，比同規(guī)格CT90連續(xù)管疲勞壽命提高54.4%。

（3）國產(chǎn)CT110對HIC性能不敏感；在試樣加載72%σs應(yīng)力下，SSC試驗(yàn)沒有發(fā)生斷裂，表明其具有一定的抗硫化氫腐蝕性能。

（4）對比檢測結(jié)果表明，國產(chǎn)CT110連續(xù)管主要性能達(dá)到或優(yōu)于同規(guī)格進(jìn)口CT110連續(xù)管。

[1]張士彬，楊高.塔里木油田連續(xù)油管技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（16）:100-101.

[2]ZHENG A S，LARSEN H A.High-pressure coiled-tubing-string design[C].SPE 54480.Texas，USA:Society of Petreleum Engineers，1999:1-8.

[3]鄒才能，董大忠，王玉滿，等.中國頁巖氣特征、挑戰(zhàn)及前景（二）[J].石油勘探與開發(fā)，2016（2）：166-178.

[4]來國榮，安崇清，范琳沛.水平井連續(xù)油管鉆磨橋塞技術(shù)分析及應(yīng)用[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2016（1）:54-57.

[5]畢宗岳，付宏強(qiáng).高強(qiáng)度連續(xù)管[J].焊管，2007，30（6）:74-77.

[6]API SPEC 5ST:Specification for Coiled Tubing（the 8th E-di-tion）[S].

[7]NACE TM0284—2003.Standard Test Method Evaluation of PipelineandPressureVesselSteelsforResistancetoHIC[S].

[8]NACE TM0177—2005.Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments[S].

[9]李鶴林，郭生武，馮耀榮，等.高強(qiáng)度微合金管線鋼顯微組織分析與鑒別圖譜[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.

[10]畢宗岳，張曉峰，張萬鵬，等.連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)與疲勞壽命試驗(yàn)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，2012（2）:79-82.

Microstructure and Mechanical Properties of Domestic Ultra-high Strength CT110 Grade Coiled Tubing

BI Zongyue1,2,XIAN Linyun1,2,WANG Haitao1,2,YU Han1,2,ZHANG Xiaofeng1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE933.8

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.006

2016-04-29

修改稿

2017-02-08

編輯：汪翰云

畢宗岳（1962—），男，陜西寶雞人，教授級高級工程師，目前主要從事管材開發(fā)及焊接技術(shù)研究工作。