南海高溫高壓含CO2氣井超級(jí)13CrS油管柱耐磨損性能測(cè)試

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(1.中海石油有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057；2.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 四川 成都 610500)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)海洋石油發(fā)展不斷深入，石油鉆井開始向深井和超深井發(fā)展，同時(shí)遇到含CO2和H2S等酸性流體工況也越來(lái)越多。在深井或超深氣井開發(fā)中，油管屈曲變形后往往會(huì)與套管接觸發(fā)生往復(fù)式摩擦，使油管局部外管壁減薄，導(dǎo)致油管柱抗內(nèi)壓或抗外壓能力降低，造成油管柱剩余強(qiáng)度不足而失效，影響井筒完整性，危及油田安全生產(chǎn)，更可能造成環(huán)境安全問題[1-3]。因此，研究油管在服役過程中過程中偏磨問題，并對(duì)油管柱材料適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)與優(yōu)選，對(duì)井筒完整性有著重要作用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)材料適用性及優(yōu)選的研究較少，更多的是單方面對(duì)油管材料進(jìn)行磨損試驗(yàn)，及對(duì)材料磨損機(jī)理的研究；XUAN和ANH[4]等人建立了油管沖蝕磨損理論，預(yù)測(cè)了油管磨損。TING J Y和KUI S W[5]研究了生產(chǎn)流體對(duì)抽油桿和N80油管磨損的影響；張福祥[6]研究了不同的接觸力、摩擦頻率條件下P110套管對(duì)超級(jí)13Cr油管的磨損性能，并發(fā)現(xiàn)超級(jí)13Cr油管與P110套管之間的磨損機(jī)理以黏著磨損為主，表面形貌為片狀剝落和犁溝共存。馬文海[7]等人研究了超級(jí)13Cr油管材料與P110和TP140兩種不同套管材料的磨損性能，發(fā)現(xiàn)TP140套管對(duì)超級(jí)13Cr油管磨損破壞程度比P110套管大很多；馬尚余[8]等人建立了油管磨損預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行了驗(yàn)證；林冠發(fā)等[9]研究了在兩相流中N80和P110兩種油套管鋼材料的腐蝕磨損性能，發(fā)現(xiàn)在硫酸溶液及兩相純水介質(zhì)中，P110鋼腐蝕及磨損速率均小于N80鋼；姚小飛和謝發(fā)勤[10]等人對(duì)TC4合金和P110油管鋼的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究與對(duì)比，發(fā)現(xiàn)TC4合金磨損率高于P110油管鋼；王毅飛和謝發(fā)勤等[11]對(duì)P110油管鋼表面分別制備Cu鍍層和Ni-P鍍層后的摩擦磨損性能進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Cu鍍層和Ni-P鍍層均能改善和提高P110套管鋼耐磨性能且Ni-P鍍層耐磨性優(yōu)于Cu鍍層；江民濤[12]等人對(duì)磨損、磨損解決方法及耐磨材料進(jìn)行了綜述。這些文獻(xiàn)多是研究不同材質(zhì)油管在預(yù)定環(huán)境下的磨損行為及磨損機(jī)理，并沒有磨損的基礎(chǔ)上對(duì)不同材質(zhì)的油管進(jìn)行適用性對(duì)比評(píng)價(jià)及優(yōu)選。于是本文在對(duì)不同材質(zhì)油管的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同材質(zhì)油管進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)并對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)優(yōu)選。

1 試驗(yàn)裝置及方法

磨損裝置為自主研發(fā)的磨損試驗(yàn)機(jī)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。磨損試片是由油管管體加工而成，尺寸為50 mm×40 mm，厚度為該油管管體的壁厚。磨損圓棒為厚壁套管加工而成，尺寸為直徑Φ16 mm、長(zhǎng)80 mm。圓棒和磨損試片尺寸及磨損后的試樣外觀如圖2所示。

采用有限元方法，分別建立油管與套管實(shí)際接觸的有限元模型以及磨損試驗(yàn)的接觸模型，進(jìn)行有限元分析。油管、套管材料的彈性模量均為209 GPa，泊松比均為0.3，采用三維8節(jié)點(diǎn)的solid185單元。油管與套管實(shí)際接觸的有限元模型中，油管外壁指定為目標(biāo)面，套管內(nèi)壁指定為接觸面，建立接觸對(duì)，對(duì)套管外壁施加固定約束，油管側(cè)面施加接觸外力F，然后進(jìn)行求解；磨損試驗(yàn)的接觸模型中，對(duì)圓棒施加固定約束，對(duì)油管側(cè)面施加接觸外力F，然后進(jìn)行求解。由此得到油管側(cè)向力與接觸應(yīng)力的關(guān)系、磨損試驗(yàn)接觸力與接觸應(yīng)力的關(guān)系，Φ88.9 mm×9.52 mm油管和Φ155.7 mm×17.44 mm套管的接觸對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

1：機(jī)座；2：帶旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的電機(jī)；3：滑臺(tái)；4：加熱套；5：磨損試片；6：圓棒試樣；7：試驗(yàn)介質(zhì)；8：定滑輪；9：加重托盤圖1 滑臺(tái)式磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 圓棒和磨損試片實(shí)物圖

圖3 接觸外力與接觸應(yīng)力的關(guān)系

油管側(cè)向力選取10 kN/m、15 kN/m、20 kN/m，結(jié)合磨損試片的尺寸，對(duì)應(yīng)磨損試驗(yàn)機(jī)所施加的接觸力為12 N、18 N、24 N，即砝碼的重量。

磨損試片為油管材料加工而成，油管型號(hào)有：1)13Cr-L80、2)13CrS-110。磨損圓棒為L(zhǎng)80-3Cr厚壁套管加工而成。試驗(yàn)液體介質(zhì)主要有：完井液A、完井液B、完井液C以及清水等。

試驗(yàn)時(shí)間18 h為1組試驗(yàn)，每隔1 h對(duì)油管磨損試片和套管磨棒進(jìn)行稱重、測(cè)量一次，且在試驗(yàn)前后均用丙酮清洗并烘干，然后再用電子天平(精度為0.1 mg)稱量以及電子游標(biāo)卡尺測(cè)量磨損深度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)起下油管柱的實(shí)際情況，確定本磨損試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速為120 r/min。磨損試驗(yàn)所加接觸力為10 kN/m、15 kN/m、20 kN/m。通過失重法來(lái)確定油管的磨損量。

2 不同油管材料磨損嚴(yán)重程度對(duì)比試驗(yàn)

將油管與套管材料加工而成的試片與圓棒安裝固定在自制磨損試驗(yàn)設(shè)備上，使兩種油管材料與套管材料在4種不同介質(zhì)中加載3種不同大小接觸力進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)。

2.1 不同側(cè)向力作用下油管與套管的磨損

選擇完井液A作為磨損試驗(yàn)介質(zhì)，在不同接觸側(cè)向力(10 kN/m、15 kN/m、20 kN/m)作用下，對(duì)L80-3Cr套管圓棒與不同材料油管試片進(jìn)行磨損試驗(yàn)，其累計(jì)磨損量情況如圖4所示。

圖4 不同側(cè)向力作用下油管與套管累計(jì)磨損量

從圖4可見，在10 kN/m側(cè)向力作用下磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計(jì)磨損量為98.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為108.2 mg，13Cr-110油管材料累計(jì)磨損量為33.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為39.7 mg；在15 kN/m側(cè)向力作用下磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計(jì)磨損量為132.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為140.0 mg，13Cr-110油管材料累計(jì)磨損量為45.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為51.0 mg；在20 kN/m側(cè)向力作用下磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計(jì)磨損量為166.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為176.0 mg，13Cr-110油管材料累計(jì)磨損量為54.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為68.0 mg。由此看出：1)在三種側(cè)向力作用下，兩種油管材料累計(jì)磨損量及套管累計(jì)磨損量增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，其增長(zhǎng)速率在磨損前期隨時(shí)間不斷增大，磨損至一定程度時(shí)，其增長(zhǎng)速率開始緩慢減小，最后保持穩(wěn)定。2)油管累計(jì)磨損量小于套管累計(jì)磨損量，且隨著側(cè)向力的增加，油管累計(jì)磨損量和套管累計(jì)磨損量隨之增加，側(cè)向力的增加會(huì)使磨損加劇。3)在三種不同側(cè)向力作用下，13Cr-110油管材料累計(jì)磨損量均為最小，對(duì)套管材料造成的磨損也最少，13Cr-110油管材料適用性較好。

2.2 不同介質(zhì)中油管與套管的磨損

在接觸力10 kN/m作用下，L80-3Cr套管圓棒與兩種不同材料油管試片在4種不同介質(zhì)中進(jìn)行磨損接觸試驗(yàn)，其累計(jì)磨損量情況如圖5所示。

圖5 不同介質(zhì)中油管與套管累計(jì)磨損量

從圖5可見，側(cè)向力10 kN/m作用下，在完井液A介質(zhì)環(huán)境中磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計(jì)磨損量為98.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為108.2 mg，13Cr-110油管材料累計(jì)磨損量為33.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為39.7 mg；在完井液B介質(zhì)環(huán)境中磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計(jì)磨損量為111.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為120.2 mg，13Cr-110油管材料累計(jì)磨損量為46.3 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為59.8 mg；在完井液C介質(zhì)環(huán)境中磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計(jì)磨損量為830.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為975.0 mg，13Cr-110油管材料累計(jì)磨損量為155.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為243.0 mg；在清水介質(zhì)環(huán)境中磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計(jì)磨損量為973.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為1106.0 mg，13Cr-110油管材料累計(jì)磨損量為297.0 mg，對(duì)套管材料造成累計(jì)磨損量為344.5 mg。由此可以看出，1)在相同側(cè)向力作用下，不同介質(zhì)環(huán)境中，兩種油管材料累計(jì)磨損量與套管累計(jì)磨損量增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，其增長(zhǎng)速率在磨損前期隨時(shí)間不斷增大，磨損至一定程度時(shí)，其增長(zhǎng)速率開始緩慢減小，最后保持穩(wěn)定。2)完井液A與完井液B中油管與套管累計(jì)磨損量較小，約為清水中材料累計(jì)磨損量的9%～16%；完井液C中材料磨損量比清水略小，約為清水中材料累計(jì)磨損量的58%～85%，完井液A與完井液B在保護(hù)材料防磨方面性能比完井液C與清水更為優(yōu)秀。3)在四種介質(zhì)環(huán)境中，油管累計(jì)磨損量都小于套管累計(jì)磨損量，13Cr-L80油管的累計(jì)磨損量及對(duì)套管造成的磨損在四種種介質(zhì)環(huán)境中均大于13CrS-110油管材料，因而13CrS-110油管材料耐磨性能優(yōu)于13Cr-L80油管材料。

3 不同油管材料磨損情況討論分析

在不同介質(zhì)環(huán)境中，不同側(cè)向力作用下13Cr-L80油管與13CrS-110油管材料磨損情況如圖6所示。

圖6 13Cr-L80油管及13CrS-110油管磨損情況

從圖6可見，13Cr-L80油管材料在10 kN/m側(cè)向力作用下，完井液A介質(zhì)環(huán)境中試驗(yàn)后累計(jì)磨損量最小為98.0 mg，在清水介質(zhì)環(huán)境中累計(jì)磨損量增大為973.0 mg，并隨著側(cè)向力的增加，在清水介質(zhì)環(huán)境中累計(jì)磨損量達(dá)到最大，增加到1921.0 mg；13CrS-110油管材料在10 kN/m側(cè)向力作用下，完井液A介質(zhì)環(huán)境中試驗(yàn)后累計(jì)磨損量最小為33.0 mg，在清水介質(zhì)環(huán)境中累計(jì)磨損量增大為297.0 mg，并隨著側(cè)向力的增加，在清水介質(zhì)環(huán)境中累計(jì)磨損量達(dá)到最大，增加到730.0 mg。由此可以看出，1)隨著側(cè)向力的增加油管材料累計(jì)磨損量也隨之增加。側(cè)向力15 KN/m作用下油管累計(jì)磨損量約為10 kN/m的1.30～1.43倍，20 KN/m作用下油管累計(jì)磨損量約為15 kN/m的1.22～1.47倍，累計(jì)磨損量與側(cè)向力接近正比關(guān)系。2)在完井液環(huán)境中，油管材料累計(jì)磨損量比在清水中小，在完井液A中最小，約為清水的1/10，完井液A在四種介質(zhì)中防磨效果最好。3)在相同側(cè)向力作用下，13CrS-110油管材料在四種介質(zhì)中的累計(jì)磨損量均小于13Cr-L80油管材料，耐磨性能好，適用性更高。

4 結(jié) 論

1)油管累計(jì)磨損量隨著側(cè)向力增加而增大，且呈現(xiàn)出正比關(guān)系。

2)油管材料累計(jì)磨損量隨增加速率在磨損初期不斷增大，但隨著磨損時(shí)間增加，油管材料累計(jì)磨損量增加速率逐漸減小，趨勢(shì)變緩后趨于穩(wěn)定。

3)存在完井液的介質(zhì)環(huán)境中，油管材料磨損量均小于清水介質(zhì)中油管材料磨損量，完井液能夠有效減小材料磨損，其中完井液A與完井液B防磨效果接近，完井液C略小于清水，完井液A防磨效果最好。

4)基于不同材料的磨損試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)材料中，13CrS-110油管材料在四種介質(zhì)中的累計(jì)磨損量均小于13Cr-L80油管材料，對(duì)套管造成的磨損也最小，耐磨性能好，適用性更高，可以有效防止油管磨損帶來(lái)的危害。