溫度對(duì)110級(jí)油/套管材料性能和管柱設(shè)計(jì)的影響

劉文紅，梁明華，潘志勇，林 凱

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著深井超深井的開發(fā)，井下溫度通常會(huì)隨著井深的增加而升高，油/套管服役溫度在不斷升高，使用溫度達(dá)到150～240 ℃。對(duì)于鋼材而言，這一溫度并不屬于高溫范圍，但對(duì)于油氣鉆探與開采而言已經(jīng)屬于高溫超高溫范圍，高溫超高溫對(duì)油/套管柱長期完整性提出更高要求。弄清楚油/套管強(qiáng)度隨溫度變化的情況，也是油氣井管柱完整性一直關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。

在進(jìn)行油/套管柱設(shè)計(jì)與校核時(shí)，溫度對(duì)管柱的影響不僅從溫度產(chǎn)生的附加載荷上考慮[1-3]，也開始從溫度對(duì)油/套管材料性能本身影響考慮，但對(duì)油/套管材料性能影響多限于稠油熱采井中低鋼級(jí)套管(P110鋼級(jí)以下)的研究[4-5]。也有從建立的熱內(nèi)能表達(dá)式上理論分析了熔點(diǎn)溫度對(duì)套管材料性能的影響，并沒有真正獲得套管材料性能隨溫度變化的規(guī)律[6]。API標(biāo)準(zhǔn)油/套管大多由低合金鋼材料制成，一般服役溫度在80～130 ℃，過去基本不考慮溫度對(duì)其性能的影響。研究表明[1-2]，油/套管材料隨著溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等性能會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于API標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)外油公司技術(shù)規(guī)范均沒有對(duì)不同鋼級(jí)油/套管的具體成分/鋼種要求，各種產(chǎn)品不同鋼級(jí)的具體鋼種成分由生產(chǎn)廠自行確定，或者由生產(chǎn)廠與用戶協(xié)商選用，所以不同制造商的材料性能變化各異。需要針對(duì)具體的情況進(jìn)行專門的試驗(yàn)研究以確定不同油/套管材料隨溫度變化的規(guī)律。

本文選取3個(gè)生產(chǎn)廠家的Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管和2個(gè)廠家的Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管和接箍材料進(jìn)行室溫到250 ℃的材料性能試驗(yàn)研究，以考察井下溫度條件下油/套管材料的真實(shí)性能，重點(diǎn)考察高溫(>150 ℃)對(duì)管材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響以及高溫(>150 ℃)對(duì)其三軸應(yīng)力的影響，從而為深井超深井管柱設(shè)計(jì)、油管和套管選用及其質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 材料性能試驗(yàn)

1.1 樣品選取

試驗(yàn)所用材料分別取自3個(gè)不同生產(chǎn)廠家的Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管和2個(gè)不同廠家的Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管和接箍。

化學(xué)成分是影響套管材料最終組織和性能的重要因素。用ARL 4460直讀光譜儀進(jìn)行的3個(gè)廠家的Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管和2個(gè)廠家的Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管和接箍化學(xué)成分結(jié)果分別見表1和表2。

表1 Φ114.3 mm×12.7mm S13Cr110油管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管和接箍化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

研究金屬材料高溫強(qiáng)度和變形的試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)包括加載系統(tǒng)、加熱和溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量和記錄3個(gè)系統(tǒng)。本次高溫條件下的材料性能試驗(yàn)在CMT5105電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)最大加載能力100 kN，對(duì)試件采用高溫試驗(yàn)環(huán)境箱加熱，最高溫度800 ℃。

試驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行[7-8]，在不同廠家的油/套管材料上選取拉伸試樣，測(cè)定試樣在20 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃5個(gè)溫度下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率。依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原理[9]，本次試驗(yàn)每個(gè)溫度采用3個(gè)試樣進(jìn)行上述性能的測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管材料高溫性能試驗(yàn)

在Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管管體上分別截取拉伸試樣，縱向拉伸試樣標(biāo)距內(nèi)直徑和標(biāo)距分別為6.25 mm和65 mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370-14、ASTM E21-09依次在20 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃條件下進(jìn)行油管材料拉伸性能試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)溫度下獲取3個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同廠家Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管管體材料在不同溫度條件下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率對(duì)比分別見圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1 不同廠家S13Cr110油管管體材料抗拉強(qiáng)度-溫度關(guān)系

從圖1可以看出，不同廠家Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管管體材料抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而下降，溫度升高到150 ℃和200 ℃，3個(gè)廠家的S13Cr110管材抗拉強(qiáng)度下降均超過10 %。

圖2 不同廠家S13Cr110油管管體材料屈服強(qiáng)度-溫度關(guān)系

從圖2可以看出，不同廠家Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管管體材料屈服強(qiáng)度隨溫度升高而下降，溫度升高到150 ℃時(shí)，3個(gè)廠家的S13Cr110管材屈服強(qiáng)度下降在7%～9%。當(dāng)超過200 ℃，3個(gè)廠家的S13Cr110管材屈服強(qiáng)度下降均超過10%。

圖3 不同廠家S13Cr110油管管體材料斷后伸長率-溫度關(guān)系

從圖3和圖4可以看出，隨溫度升高，不同廠家S13Cr110油管材料斷后伸長率和斷面收縮率基本保持不變。

圖4 不同廠家S13Cr110油管管體材料斷面收縮率-溫度關(guān)系

從圖5可以看出，不同廠家Φ114.3 mm×12.7 mm S13Cr110油管材料的高溫機(jī)械性能各不相同。隨著溫度的升高，不同廠家S13Cr110油管材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降程度不同。S13Cr110油管材料的屈服強(qiáng)度相比于抗拉強(qiáng)度對(duì)溫度更為敏感，下降也更明顯。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，屈服強(qiáng)度下降的幅度要高出抗拉強(qiáng)度8%～10%。

圖5 不同廠家S13Cr110油管管體材料抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度和溫度關(guān)系

2.2 Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管材料高溫拉伸性能試驗(yàn)分析

在Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管管體和接箍上分別截取拉伸試樣，縱向拉伸試樣標(biāo)距內(nèi)直徑和標(biāo)距分別為6.25 mm和65 mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370-14、ASTM E21-09依次在20 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃條件下進(jìn)行套管材料拉伸性能試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)溫度下獲取3個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同廠家Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管管體和接箍材料在不同溫度條件下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率對(duì)比分別見圖6、圖7、圖8和圖9。

從圖6可以看出，不同廠家Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管管體和接箍材料抗拉強(qiáng)度隨溫度升高抗拉強(qiáng)度下降，溫度升高到150 ℃和200 ℃，2個(gè)廠家的C110管材抗拉強(qiáng)度下降均超過10%。

圖6 不同廠家C110套管管體和接箍材料抗拉強(qiáng)度-溫度關(guān)系

圖7 不同廠家C110套管管體和接箍材料屈服強(qiáng)度-溫度關(guān)系

從圖7可以看出，不同廠家Φ200.03 mm×10.92 mm C110套管管體和接箍材料屈服強(qiáng)度隨溫度升高而下降，溫度升高到150 ℃時(shí)，2個(gè)廠家的C110套管管體和接箍材料屈服強(qiáng)度下降在7%～9%。當(dāng)超過150 ℃，2個(gè)廠家的C110套管管體和接箍材料屈服強(qiáng)度下降均超過10%。

圖8 不同廠家C110套管管體和接箍材料斷后伸長率-溫度關(guān)系

圖9 不同廠家C110套管管體和接箍材料斷面收縮率-溫度關(guān)系

從圖8和圖9可以看出，隨溫度升高，不同廠家C110套管管體和接箍材料斷后伸長率和斷面收縮率基本保持不變。

從圖10和表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：不同廠家生產(chǎn)的C110套管材料的高溫機(jī)械性能各不相同。同一廠家生產(chǎn)的C110套管的管體和接箍間的高溫機(jī)械性能下降也不相同。隨著溫度升高，機(jī)械性能下降程度不同。套管材料的拉伸性能隨著溫度的增高而降低，與抗拉強(qiáng)度和延伸率相比，屈服強(qiáng)度對(duì)溫度更敏感。套管管體和接箍材料隨溫度升高屈服強(qiáng)度下降，溫度升高到200 ℃時(shí)，廠家A的套管管體材料屈服強(qiáng)度下降了13.65%，廠家A的接箍材料屈服強(qiáng)度下降了14.35%；廠家B的套管管體材料屈服強(qiáng)度下降了12%，廠家B接箍材料屈服強(qiáng)度下降了13.53%。C110套管的屈服強(qiáng)度相比于抗拉強(qiáng)度對(duì)溫度更為敏感，下降也更明顯，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，屈服強(qiáng)度下降的幅度要高出抗拉強(qiáng)度8%～10%。

圖10 不同廠家C110套管管體和接箍材料斷面收縮率-溫度關(guān)系

表3 C110套管管體和接箍材料高溫拉伸性能相對(duì)室溫拉伸性能下降表

總之，隨溫度升高，C110套管管體和接箍材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)，其斷后伸長率和斷面收縮率基本保持不變。

2.3 高溫對(duì)S13Cr110和C110油/套管材料屈服強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果影響分析

在本試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，溫度升高，不同油/套管材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度將會(huì)下降，不同油/套管材料對(duì)溫度的敏感程度不同，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對(duì)溫度的敏感程度不同，S13Cr110和C110油/套管材料屈服強(qiáng)度在150 ℃時(shí)下降幅度在7%～9%之間，250 ℃時(shí)下降幅度在13%～15%之間。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常需要對(duì)油/套管的強(qiáng)度做定量的分析。WellCat User Manual提出對(duì)于碳鋼油管從70 ℉(21 ℃)其屈服強(qiáng)度下降率為0.03%/℉(n℉=[(n-32)×]℃)。Payne and Hurst也曾對(duì)雙相鋼和13Cr做過相關(guān)的研究，并且提出13Cr隨著溫度升高屈服強(qiáng)度的下降率為0.05%/℉，對(duì)于雙相鋼其下降率為0.1%/℉。對(duì)于不同廠家的油/套管，其產(chǎn)品特性仍具有特殊性，基于此，依據(jù)試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究S13Cr110油管和C110套管材料的高溫性能衰減規(guī)律。

WellCat User Manual和 Payne, M. L. and Hurst, D. M.等給出油/套管材料折減系數(shù)并不符合目前使用的油/套管材料高溫性能的實(shí)際情況，其研究中涉及的油/套管主要是碳鋼油管和合金鋼油管，對(duì)比了國外給出的結(jié)論和S13Cr110油管、C110套管屈服強(qiáng)度隨溫度變化的差異，如圖11、圖12所示。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用0.05%/℉的下降率對(duì)于國內(nèi)管材會(huì)造成設(shè)計(jì)保守，但如果采用0.03%/℉的下降率，設(shè)計(jì)結(jié)果則是危險(xiǎn)的。

為了量化不同溫度下油/套管材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化，定義油/套管材料強(qiáng)度折減系數(shù)κt為：

式中，σt為不同溫度時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)值；σT為20 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)值。

采用數(shù)據(jù)擬合的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到屈服強(qiáng)度與溫度的試驗(yàn)關(guān)系式：

κtC110=(-0.0258t3+10.2t2-428t)×10-6+ 0.00965

顯然，下降率取0.03%/℉或者0.05%/℉都是不合適的。為便于工程應(yīng)用，需要尋找到一個(gè)更為合適的下降率，通過選取幾種管材下降率的上界0.072%/ ℃作為設(shè)計(jì)參考的下降率，在本文試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建議在250 ℃以內(nèi)將0.072%/ ℃作為深井超深井溫度效應(yīng)影響的設(shè)計(jì)值。

圖11 S13Cr110管材溫度效應(yīng)影響分析

圖12 C110管材溫度效應(yīng)影響分析

3 材料高溫性能對(duì)管柱設(shè)計(jì)的影響

3.1 溫度對(duì)強(qiáng)度計(jì)算公式的影響

在溫度較高時(shí)，隨著屈服強(qiáng)度的下降，油/套管的承載能力必然改變，如果仍以額定強(qiáng)度設(shè)計(jì)，安全系數(shù)將會(huì)降低。

另外目前力學(xué)中有關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變及變形分析，必然涉及σb、σt等參數(shù)，而高溫下這些參數(shù)也發(fā)生變化，如果高溫下仍然按照常溫下的參數(shù)計(jì)算將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。

3.2 管柱設(shè)計(jì)中溫度效應(yīng)的考慮

對(duì)于深井超深井或者地溫梯度異常的油氣井，管柱強(qiáng)度校核應(yīng)考慮溫度對(duì)管材實(shí)際強(qiáng)度的降低作用。高溫時(shí)油/套管實(shí)際承載能力可由下式來修正：

Ft=(1-κt)F

式中，F(xiàn)t為油/套管高溫時(shí)的實(shí)際強(qiáng)度， MPa；F為套管室溫時(shí)的強(qiáng)度， MPa；κt為強(qiáng)度折減系數(shù)，定義同前。

3.3 考慮溫度效應(yīng)時(shí)的Von Mises三軸應(yīng)力曲線分析

目前在油/套管柱設(shè)計(jì)中國內(nèi)外普遍采用VonMises(VME) 計(jì)算公式和承載能力圖。以下根據(jù)其公式中與材料屈服強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行分析，從而得出管材在高溫條件下屈服強(qiáng)度對(duì)管體強(qiáng)度的影響。

在三軸應(yīng)力狀態(tài)下，VME公式為：

(1)

式中，σA為軸向應(yīng)力；σr為徑向應(yīng)力；σH為環(huán)向應(yīng)力。

對(duì)于套管內(nèi)表面，此處的三軸應(yīng)力最大。(1)式中

σr=-Pi

(2)

(3)

(4)

上述各式中，Pi表示內(nèi)壓力，Pe表示外壓力，T為軸向載荷，D表示套管外徑，d表示套管內(nèi)徑。

世界各國普遍采用的一個(gè)原則是，以管柱所受的三軸應(yīng)力不超過實(shí)際管體材料的屈服強(qiáng)度的95%作為極限值，即：

σVME=95%×Ys

(5)

式中，Ys為材料的屈服強(qiáng)度，取試驗(yàn)值的平均值。各油田的單井設(shè)計(jì)是以此為基準(zhǔn)來考慮安全系數(shù)。

根據(jù)API 5C3公式，計(jì)算套管所受的三項(xiàng)單軸應(yīng)力公式為：

管體軸向屈服強(qiáng)度為：

(6)

抗外擠屈服強(qiáng)度為：

(7)

內(nèi)屈服壓力為：

(8)

其中公式(8)中的系數(shù)0.875是考慮管體最小壁厚小于公稱壁厚的12.5%。

在這里值得注意的是，在API 5C3公式中除管體本身幾何尺寸D、t值外，都與管體材料的屈服強(qiáng)度Ys直接相關(guān)。通常，各式中Ys都是按照常溫(20 ℃)條件下材料的屈服強(qiáng)度，當(dāng)Ys隨著井內(nèi)溫度的升高而降低時(shí)，API 5C3個(gè)公式中單項(xiàng)載荷值T/Pe/Pi也隨之降低。

本文特別關(guān)注了C110和S13Cr110兩種油/套管材料在常溫、150 ℃和250 ℃下油/套管設(shè)計(jì)的安全區(qū)域的變化，圖13和圖14所示分別為試驗(yàn)溫度下管體的Von Mises塑性應(yīng)力橢圓(為書寫方便，此處以VME250 ℃，VME20 ℃表示250 ℃和室溫下的米賽斯應(yīng)力σVME)，其中C110管材的VME250 ℃=86.5%，VME20 ℃=644.1 MPa；S13Cr110管材的VME250 ℃=85.8%，VME20 ℃=706.8 MPa。

隨著溫度升高，管材的屈服強(qiáng)度降低，油/套管的承載能力也逐漸降低，在250 ℃時(shí)4種管材的米賽斯三軸應(yīng)力僅為常溫下屈服強(qiáng)度的81%左右，設(shè)計(jì)安全區(qū)域明顯縮小，所以在考慮溫度影響的情況下，原有的安全區(qū)域就不一定安全了，這將極大影響到油/套管柱的使用壽命，從而進(jìn)一步影響油氣井的壽命。

圖13 C110管材設(shè)計(jì)安全區(qū)域的變化情況

圖14 S13Cr110管材設(shè)計(jì)安全區(qū)域的變化情況

另一方面，油/套管柱是單根油/套管通過專用螺紋連接而成，可以看作一種受力復(fù)雜的柱狀壓力容器。油/套管柱螺紋連接處是油/套管柱的薄弱環(huán)節(jié)，管體和接箍下井后隨著井下溫度的升高，管體和接箍的彈性模量不相同而引起螺紋的變化及直徑方面的變化，這也會(huì)造成螺紋連接強(qiáng)度及密封性能的下降。在這種條件下，螺紋連接處的密封性能和連接強(qiáng)度能否達(dá)到管體水平，將直接影響油/套管柱的承載能力，進(jìn)而決定油氣井的安全可靠性和使用壽命。

4 主要結(jié)論

對(duì)深井超深井使用的不同生產(chǎn)廠家的S13Cr110和C110油/套管材料在20 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，以及不同溫度時(shí)由于管材屈服強(qiáng)度的變化對(duì)油/套管柱設(shè)計(jì)的影響，可以得到如下認(rèn)識(shí)：

1)不同鋼級(jí)的油/套管材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨著溫度升高而降低，其斷后伸長率和斷面收縮率變化不大。隨著溫度升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降程度不同，屈服強(qiáng)度對(duì)溫度更敏感，屈服強(qiáng)度下降的幅度通常要高出抗拉強(qiáng)度8%～10%。

2)對(duì)不同生產(chǎn)廠家的S13Cr110和C110油/套管材料的拉伸性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與國內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行了對(duì)比分析，定義了油/套管材料強(qiáng)度折減系數(shù)并進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合回歸，得到了S13Cr110和C110油/套管材料強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度的多項(xiàng)式擬合關(guān)系，通過數(shù)據(jù)對(duì)比和參考對(duì)比，選取幾種管材下降率的上界0.072 %/ ℃作為設(shè)計(jì)參考的下降率。在本文試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建議在250 ℃以內(nèi)將0.072 %/ ℃作為深井超深井溫度效應(yīng)影響的設(shè)計(jì)值。