連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的彎曲疲勞壽命研究*

鮮 寧 ， 姜 放 ， 榮 明 ， 張 平 ， 鄒先雄 ， 崔 磊

（1.中國(guó)石油集團(tuán)管力學(xué)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川分室，成都610041；2.中國(guó)石油工程建設(shè)公司西南分公司，成都610041；3.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司，成都610051）

0 前 言

連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)始于20世紀(jì)末期，如今該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、修井、測(cè)井、增產(chǎn)、氣舉排液、井下工具打撈等領(lǐng)域[1-4]。隨著連續(xù)油管技術(shù)的不斷發(fā)展，逐步推廣應(yīng)用到酸性氣田。當(dāng)碳鋼或低合金鋼連續(xù)油管在酸性環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，存在氫脆 （HE）、氫致開(kāi)裂（HIC）、硫化物應(yīng)力開(kāi)裂 （SSC）的風(fēng)險(xiǎn)，筆者針對(duì)連續(xù)油管前期的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：連續(xù)油管在H2S環(huán)境下浸泡后，H2S損傷會(huì)導(dǎo)致連續(xù)油管塑性降低[5-6]。每經(jīng)歷一次起下井作業(yè)，連續(xù)油管在導(dǎo)向拱和卷軸上都會(huì)遭遇6次彎—直和直—彎的塑性彎曲變形，連續(xù)油管在起下井過(guò)程中遭遇了低周疲勞。國(guó)外的文獻(xiàn)資料也顯示，連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的疲勞壽命較非酸性環(huán)境下疲勞壽命更短[7-14]。

當(dāng)連續(xù)油管用于酸性環(huán)境下時(shí)，H2S損傷和低周疲勞交叉作用會(huì)導(dǎo)致較為復(fù)雜的腐蝕疲勞。然而，連續(xù)油管的腐蝕疲勞行為不同于常規(guī)的腐蝕疲勞，常規(guī)的疲勞為彈性變形，而連續(xù)油管的疲勞為塑性變形。對(duì)于如何評(píng)價(jià)連續(xù)油管在酸性環(huán)境下作業(yè)的腐蝕疲勞，目前國(guó)際上還沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。針對(duì)連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的腐蝕疲勞問(wèn)題，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了一些試驗(yàn)研究[15-21]，其試驗(yàn)方法主要分為低周腐蝕疲勞試驗(yàn) （LCCF）和彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)兩類。低周腐蝕疲勞試驗(yàn)方法是：試驗(yàn)管段外壁接觸酸性試驗(yàn)溶液，通過(guò)可往返加載的液壓設(shè)備提供軸向載荷，將整管拉伸至試驗(yàn)要求的塑性變形量，然后卸載，而后不停地拉伸和卸載，從而實(shí)現(xiàn)腐蝕疲勞。彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)方法是：該試驗(yàn)方法由腐蝕浸泡試驗(yàn)和彎曲疲勞試驗(yàn)兩部分組成，先將試驗(yàn)管段在酸性環(huán)境下進(jìn)行腐蝕浸泡試驗(yàn)，然后取出試驗(yàn)管段在整管彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成彎曲疲勞試驗(yàn)。低周腐蝕疲勞試驗(yàn)方法采用軸向加載，與連續(xù)油管實(shí)際的受力特征存在差異，彎曲腐蝕疲勞方法僅進(jìn)行過(guò)一次浸泡周期，未能體現(xiàn)H2S損傷和塑性變形多次交叉作用的綜合后果。根據(jù)文獻(xiàn)資料，兩種試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果存在較大的差異。

本研究在現(xiàn)有彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，循環(huán)彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)?zāi)M了連續(xù)油管在酸性環(huán)境下進(jìn)行不同井次的作業(yè)后的彎曲疲勞壽命，新的試驗(yàn)方法與連續(xù)油管現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)更相似，可為連續(xù)油管在酸性氣田井下安全作業(yè)應(yīng)用提供幫助和參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試樣管段取自一卷CT80鋼級(jí)、規(guī)格為Φ38.1 mm×3.18 mm的連續(xù)油管管卷，每段長(zhǎng)1.54 m，該卷連續(xù)油管的金相組織如圖1所示，整管力學(xué)性能與硬度見(jiàn)表1。

圖1 連續(xù)油管的金相組織

表1 連續(xù)油管的力學(xué)性能和硬度

文獻(xiàn)[17-18]結(jié)果表明，在酸性環(huán)境腐蝕后，管體出現(xiàn)的HIC對(duì)彎曲腐蝕疲勞壽命的影響頗大。因此，試驗(yàn)管卷預(yù)先取樣并根據(jù)NACE TM 0284進(jìn)行了HIC試驗(yàn)評(píng)價(jià)，未發(fā)生HIC氫致開(kāi)裂 （CSR=0、CLR=0、CTR=0）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方案模擬連續(xù)油管在酸性環(huán)境起下不同井次下的彎曲腐蝕疲勞變化情況，分別模擬1次起下井、2次起下井、3次起下井和4次起下井作業(yè)。

模擬1次起下井：H2S腐蝕環(huán)境浸泡1個(gè)試驗(yàn)周期，然后取出進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。

模擬2次起下井：H2S腐蝕環(huán)境浸泡1個(gè)試驗(yàn)周期+6次預(yù)彎曲 （以下簡(jiǎn)稱 “1次起下井循環(huán)”），然后在H2S腐蝕環(huán)境浸泡1個(gè)試驗(yàn)周期，取出后進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。

模擬N次起下井：經(jīng)歷N-1次起下井循環(huán)，然后在H2S腐蝕環(huán)境浸泡1個(gè)試驗(yàn)周期，取出進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。

腐蝕試驗(yàn)與彎曲疲勞試驗(yàn)之間，連續(xù)油管試驗(yàn)管段低溫保存，盡可能降低管體中氫溢出對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

考慮到連續(xù)油管作業(yè)之間有時(shí)存在時(shí)間間隔，為了對(duì)比氫溢出后對(duì)彎曲疲勞壽命的影響，增加一組試驗(yàn)。模擬1次起下井 （放置24 h）：H2S腐蝕環(huán)境浸泡1個(gè)試驗(yàn)周期，取出放置在大氣環(huán)境中24 h，然后再進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)條件

1.3.1 H2S環(huán)境下的腐蝕浸泡試驗(yàn)

腐蝕浸泡試驗(yàn)溶液采用NACE TM 0177 A溶液（5.0%NaCl+0.5%HAC）， pH 值 2.6～2.8， 通入飽和H2S，試驗(yàn)溫度 （24±3）℃。

1.3.2 彎曲疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)壓力為34.5 MPa（5 000 psi）；彎模半徑為1 219.2 mm （48 in）；焊縫位置在壓縮面；試驗(yàn)溫度為室溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 空氣環(huán)境下的彎曲疲勞壽命

為了對(duì)比連續(xù)油管在酸性環(huán)境和非酸性環(huán)境下的彎曲疲勞壽命，以連續(xù)油管在空氣環(huán)境下的彎曲疲勞壽命作為非酸性環(huán)境下的彎曲疲勞壽命基準(zhǔn)，試驗(yàn)管卷在空氣環(huán)境下的彎曲疲勞壽命見(jiàn)表2。

表2 空氣環(huán)境下的彎曲疲勞壽命

2.2 模擬起下不同井次后的彎曲疲勞壽命

連續(xù)油管在模擬酸性環(huán)境起下不同井次下的彎曲腐蝕疲勞壽命情況見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)：經(jīng)起下井1次，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的彎曲疲勞壽命分別為95次和92次；經(jīng)起下井2次，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的剩余彎曲疲勞壽命分別為74次和97次，其總的彎曲疲勞壽命分別為80次和103次；經(jīng)起下井3次，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的剩余彎曲疲勞壽命分別為79次和88次，其總的彎曲疲勞壽命分別為91次和100次；經(jīng)起下井4次，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的剩余彎曲疲勞壽命分別為61次和67次，其總的彎曲疲勞壽命分別為79次和85次。經(jīng)起下井1次并在大氣環(huán)境中放置24 h，試驗(yàn)管段的彎曲疲勞壽命為157次。通過(guò)24 h的氫自然溢出，彎曲疲勞壽命明顯回升。與空氣環(huán)境下的彎曲疲勞壽命 （228次）相比，連續(xù)油管在H2S環(huán)境腐蝕后，彎曲疲勞壽命大幅降低，這是因?yàn)镠2S促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的氫滲入管體，導(dǎo)致 H2S環(huán)境腐蝕后連續(xù)油管的塑性下降。

表3 模擬入井后的彎曲疲勞壽命

圖2 1次起下井后與空氣環(huán)境下的疲勞壽命對(duì)比

1次起下井和1次起下井后放置24 h的連續(xù)油管疲勞壽命與空氣環(huán)境下疲勞壽命的百分比關(guān)系如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，經(jīng)起下井1次后，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的彎曲疲勞壽命分別是空氣環(huán)境下彎曲疲勞壽命的41.7%和40.4%，經(jīng)1次起下井后，在空氣環(huán)境中放置24 h然后再開(kāi)展彎曲疲勞試驗(yàn)，其彎曲疲勞壽命為空氣環(huán)境下彎曲疲勞壽命的68.9%，與未在空氣環(huán)境中放置24 h的試樣相比，疲勞壽命有明顯的回升，這說(shuō)明氫損傷部分可逆。連續(xù)油管在酸性腐蝕環(huán)境浸泡腐蝕后取出放置在空氣環(huán)境中，原本浸入管體的氫部分溢出，管體中的氫含量降低，塑性適當(dāng)恢復(fù)，其疲勞壽命也對(duì)應(yīng)回升。但是，與空氣環(huán)境下的疲勞壽命相比，在經(jīng)歷H2S腐蝕環(huán)境浸泡后，即使在大氣中放置24 h，疲勞壽命仍然有明顯的下降，這說(shuō)明H2S對(duì)連續(xù)油管仍造成了永久性的損傷。

不同起下井次后連續(xù)油管的疲勞壽命與空氣環(huán)境下疲勞壽命的百分比關(guān)系如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，經(jīng)起下井1次后，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的彎曲疲勞壽命分別是空氣環(huán)境下彎曲疲勞壽命的41.7%和40.4%；經(jīng)起下井2次后，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的彎曲疲勞總次數(shù)分別是空氣環(huán)境下彎曲疲勞壽命的35.1%和45.2%；經(jīng)起下井3次后，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的彎曲疲勞總次數(shù)分別是空氣環(huán)境下彎曲疲勞壽命的39.9%和43.9%；經(jīng)起下井4次后，兩個(gè)平行試驗(yàn)管段的彎曲疲勞總次數(shù)分別是空氣環(huán)境下彎曲疲勞壽命的34.6%和37.3%。模擬不同起下井次后的彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：連續(xù)油管試驗(yàn)管段在H2S環(huán)境浸泡次數(shù)對(duì)彎曲疲勞總數(shù)影響較小，彎曲疲勞總次數(shù)與大氣環(huán)境中彎曲疲勞壽命的比值介于34.6%至45.2%之間，其平均值大約為39.7%。連續(xù)油管在模擬起下不同井次后，盡管剩余疲勞壽命隨起下次數(shù)的增加而逐漸減少，但對(duì)總的疲勞壽命并未隨起下井次的增加而明顯下降，而是趨于一致。試驗(yàn)結(jié)果表明：起下井次數(shù)對(duì)連續(xù)油管總的彎曲疲勞壽命影響較小，總的彎曲疲勞壽命取決于是否經(jīng)歷了H2S腐蝕環(huán)境。

圖3 不同起下井次后與空氣環(huán)境下的疲勞壽命對(duì)比

3 結(jié) 論

（1）連續(xù)油管在酸性環(huán)境浸泡后，彎曲疲勞壽命顯著下降，約為大氣環(huán)境下彎曲疲勞壽命的34.6%～45.2%，其平均值大約為39.7%。

（2）連續(xù)油管在酸性環(huán)境浸泡后，在大氣環(huán)境中放置24 h，由于氫原子從管體中溢出，塑性回升，彎曲疲勞壽命回升到大約為大氣環(huán)境下彎曲疲勞壽命的68.9%。

（3）對(duì)于未發(fā)生HIC的連續(xù)油管，酸性環(huán)境浸泡次數(shù)對(duì)總的彎曲疲勞壽命影響較小，總的彎曲疲勞壽命取決于是否經(jīng)歷了H2S腐蝕環(huán)境。