高溫環(huán)境下鈦合金篩管力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

李冰 周波 汪海閣 查永進(jìn) 張富成 何柳

(中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司)

李冰,周波,汪海閣,等.高溫環(huán)境下鈦合金篩管力學(xué)性能試驗(yàn)研究.石油機(jī)械,2022,50(11):81-89.

0 引言

隨著我國(guó)油氣勘探開發(fā)向深層、復(fù)雜地層的不斷深入,深井超深井等復(fù)雜油氣井在鉆井和開發(fā)過(guò)程中容易出現(xiàn)井筒完整性失效,其中篩管失效廣泛存在于深層高溫井中,是油氣生產(chǎn)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1-5]。在深層高溫井、稠油熱采開發(fā)模式下篩管服役工況極為苛刻,隨著水平井長(zhǎng)水平段篩管的大量使用,篩管的完整性和防砂失效問(wèn)題日益突出:一方面常規(guī)碳鋼材料在高溫下產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力載荷,使篩管發(fā)生彎曲變形或斷裂,導(dǎo)致油井停產(chǎn)或報(bào)廢;另一方面篩管孔眼處在高溫下發(fā)生明顯變形,造成防砂失效,進(jìn)而引發(fā)產(chǎn)量降低、井筒砂堵、管線及地面設(shè)備沖蝕損壞、停井停產(chǎn)等系列問(wèn)題[6-10]。近年川渝高溫超深井實(shí)踐證明,單純地改變外徑、壁厚、鋼級(jí)仍不能完全避免失效情況的發(fā)生,開展熱采井篩管的力學(xué)性能研究及其在高溫及交變熱應(yīng)力載荷條件下的熱穩(wěn)定性研究具有重要意義。鈦合金作為一種新型井下篩管部件材料,成為稠油熱采井、超深層高溫井篩管材質(zhì)發(fā)展的重要方向。相對(duì)于傳統(tǒng)碳鋼,鈦合金材料具有熱應(yīng)力低、變形小等性能特征[11-12],對(duì)于提升篩管完整性和油氣井的防砂有效性具有顯著優(yōu)勢(shì)。

20世紀(jì)50年代,美國(guó)成功研制出第一種實(shí)用的鈦合金材料(Ti-6Al-4V合金),之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞鈦合金材質(zhì)、熱強(qiáng)度、抗蝕性及導(dǎo)熱彈性等開展了大量的研究[13-18]。目前,鈦合金材料在航空、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域已有廣泛的研究和應(yīng)用,但在油氣井工程領(lǐng)域,鈦合金管材(尤其是鈦合金篩管)的研究與應(yīng)用仍處于起步階段。陳培亮等[19]采用Gleeble 1500熱模擬機(jī)分析了Ti-Al-X合金的熱變形行為,研究表明,鈦合金材質(zhì)隨著變形溫度和應(yīng)變速率的增加,變形抗力顯著降低,在應(yīng)變速率約為0.001 s-1和溫度高于1 000℃的變形條件下,合金表現(xiàn)出流變失穩(wěn);劉強(qiáng)等[20]通過(guò)理論分析、有限元模擬,結(jié)合實(shí)物試驗(yàn)研究了鈦合金油套管抗擠毀性能;趙國(guó)仙等[21]分析了鈦合金管材在不同苛刻腐蝕環(huán)境中的抗腐蝕性能,鈦合金表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金管材研究以理論分析、數(shù)值模擬為主,主要為微觀材質(zhì)或局部耐腐蝕測(cè)試等,關(guān)于在高溫環(huán)境中的鈦合金管體整體力學(xué)特性及鈦合金篩管工程適用性評(píng)價(jià)未見報(bào)道。筆者圍繞鈦合金管材在油氣井工程中的應(yīng)用,基于油氣井管溫度循環(huán)和溫度載荷等試驗(yàn)裝置等,開展高溫下管材拉伸性能及沖擊特性研究、循環(huán)溫度下管材應(yīng)變規(guī)律研究、溫度載荷變化特征研究和溫度對(duì)篩管非均勻擠毀載荷影響規(guī)律研究,評(píng)價(jià)鈦合金篩管在高溫環(huán)境中的力學(xué)特性及工程適用性,以期為復(fù)雜超深層油氣井、稠油熱采井篩管選型提供新方向。

1 研究試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本文針對(duì)?177.8 mm×9.19 mm(外徑×壁厚)鈦合金割縫篩管開展常規(guī)理化性能、應(yīng)變規(guī)律、溫度載荷變化評(píng)價(jià)及非均勻擠毀等試驗(yàn)。采用激光割縫工藝在篩管的鈦合金套管上制備平行縫,縫長(zhǎng)為45 mm,縫寬為0.4 mm,每周50條縫,縫平行排布。在篩管兩端各留出140 mm空白區(qū)域。篩管尺寸及參數(shù)如表1所示。篩管實(shí)物圖和示意圖分別如圖1和圖2所示。

表1 割縫篩管尺寸及參數(shù)Table 1 Dimensions and parameters of slotted screen pipe

圖1 割縫篩管實(shí)物圖Fig.1 Photo of slotted screen pipes

圖2 割縫篩管示意圖Fig.2 Schematic diagram of slotted screen pipe

1.2 常規(guī)理化性能試驗(yàn)

1.2.1 鈦合金材料金相分析

鈦合金的性能與它的微觀組織形貌有密不可分的聯(lián)系,為觀察鈦合金材料的顯微組織狀態(tài),使用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡對(duì)鈦合金篩管橫向金相組織進(jìn)行分析。按照基體組織分類,鈦合金分為以下3類:α合金、β合金和α+β合金[22]。α鈦合金是α相固溶體組成的單相合金,組織穩(wěn)定,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強(qiáng),但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,室溫強(qiáng)度不高;β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強(qiáng)度,淬火、時(shí)效后,合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化,但熱穩(wěn)定性較差,不宜在高溫下使用[23];α+β鈦合金是雙相合金,具有良好的綜合性能,組織穩(wěn)定性好,有良好的韌性、塑性和高溫變形性能,能較好地進(jìn)行熱壓力加工,能通過(guò)淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化[24]。根據(jù)各類鈦合金特點(diǎn),油氣井鈦合金管柱材質(zhì)以α+β鈦合金為主。

使用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡對(duì)鈦合金篩管橫向金相組織進(jìn)行分析,顯微組織照片如圖3所示。從圖3可見,所顯示篩管橫向?yàn)棣?β的雙相組織,組織中非金屬夾雜相含量較少。

圖3 鈦合金材料橫向組織照片F(xiàn)ig.3 Photo of transverse microstructure of titanium alloy material

1.2.2 鈦合金材料硬度試驗(yàn)

鈦合金材料硬度低于碳鋼,這里硬度測(cè)試試驗(yàn)中測(cè)量鈦合金材料的布氏硬度。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[25],取橫截面硬度環(huán)試樣對(duì)鈦合金材料室溫硬度性能進(jìn)行評(píng)價(jià),試驗(yàn)中選用直徑10 mm的硬質(zhì)合金球,在29.4 kN的試驗(yàn)載荷作用下,保持10～15 s。

鈦合金試樣橫截面硬度測(cè)試結(jié)果見表2。從表2可知,鈦合金試樣橫截面硬度平均值為264 HB。

表2 鈦合金試樣橫截面硬度Table 2 Cross-section hardness of titanium alloy sample

1.2.3 鈦合金管材拉伸、沖擊性能試驗(yàn)

為了解鈦合金材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性,參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[26-27]開展鈦合金管材拉伸、沖擊性能試驗(yàn)。取尺寸為300.0 mm×12.5 mm×9.19 mm(長(zhǎng)×寬×高)的片狀室溫拉伸試樣(試樣1)、190.0 mm×10.0 mm×9.2 mm的片狀高溫拉伸試樣(試樣2)及尺寸為55.0 mm×10.0 mm×7.5 mm夏比V形缺口沖擊試樣(試樣3)對(duì)在室溫及高溫(50、100、150、200、250、300、350℃)下鈦合金材料的拉伸性能及沖擊性能進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

1.3 循環(huán)溫度作用下鈦合金篩管應(yīng)變?cè)囼?yàn)

為了研究循環(huán)溫度作用下鈦合金割縫篩管的應(yīng)變規(guī)律,開展溫度循環(huán)試驗(yàn),找出多輪次加熱和冷卻過(guò)程中篩管軸向長(zhǎng)度的變化規(guī)律。參考ISO 13679—2002標(biāo)準(zhǔn),對(duì)篩管進(jìn)行加熱,在不同溫度點(diǎn)保溫后記錄伸長(zhǎng)量,重復(fù)加熱及降溫,以此來(lái)評(píng)價(jià)高溫和交變熱應(yīng)力對(duì)篩管軸向熱伸長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。采用加熱爐對(duì)全長(zhǎng)1.7 m的鈦合金篩管進(jìn)行加熱。鈦合金篩管溫度循環(huán)試驗(yàn)流程如表3所示。

圖4 溫度循環(huán)試驗(yàn)裝置Fig.4 Temperature circulation test device

表3 溫度循環(huán)試驗(yàn)流程Table 3 Procedure of temperature circulation test

1.4 鈦合金篩管溫度載荷試驗(yàn)

為了研究溫度與鈦合金材料軸向載荷之間的關(guān)系,開展鈦合金篩管溫度載荷試驗(yàn),測(cè)定篩管在高溫條件下的軸向熱應(yīng)力載荷。試驗(yàn)流程如表4所示。將篩管兩端固定至試驗(yàn)機(jī)上,使用溫度載荷試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖5)中試驗(yàn)裝置逐漸加熱至150、250、350℃并保溫,對(duì)試驗(yàn)機(jī)兩端載荷進(jìn)行記錄。溫度載荷試驗(yàn)中,加熱帶總長(zhǎng)為1 m,篩管總長(zhǎng)度為1.7 m。試驗(yàn)過(guò)程中,在篩管兩端施加軸向壓縮力125 kN,以確保篩管與試驗(yàn)機(jī)完全接觸。

表4 溫度載荷試驗(yàn)流程Table 4 Process of temperature load test

圖5 溫度載荷試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Temperature load test system

1.5 溫度對(duì)鈦合金篩管非均勻擠毀影響試驗(yàn)

為了研究溫度對(duì)鈦合金篩管非均勻擠毀的影響,使用非均勻擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鈦合金割縫篩管在室溫、高溫(350℃)下進(jìn)行擠毀試驗(yàn),檢測(cè)鈦合金篩管抗擠毀性能。試驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 非均勻擠毀試驗(yàn)機(jī)Fig.6 Uneven collapse test machine

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[26-27],試驗(yàn)過(guò)程中,上、下壓頭位移均為20 mm,總位移為40 mm。高溫?cái)D毀試驗(yàn)中篩管經(jīng)加熱帶加熱至350℃,后被非均勻擠毀。加熱裝置如圖7所示。

圖7 加熱裝置Fig.7 Heating device

2 結(jié)果與分析

2.1 鈦合金管材的拉伸性能及沖擊性能對(duì)溫度敏感性分析

對(duì)在室溫及高溫(50、100、150、200、250、300及350℃)下鈦合金材料的拉伸性能及沖擊性能進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖8～圖11所示。從圖8和圖9可知,鈦合金試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度升高而降低,在350℃時(shí)鈦合金試樣仍具有較優(yōu)力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度為700 MPa,屈服強(qiáng)度為552 MPa。

圖8 抗拉強(qiáng)度-溫度曲線Fig.8 Tensile strength-temperature curve

圖9 屈服強(qiáng)度-溫度曲線Fig.9 Yield strength-temperature curve

由圖10可知,鈦合金篩管的延伸率整體較為穩(wěn)定,變化情況受試樣尺寸影響較大。

圖10 延伸率-溫度曲線Fig.10 Elongation-temperature curve

從圖11可知,隨溫度升高,鈦合金篩管的沖擊性能也增強(qiáng),當(dāng)溫度超過(guò)250℃時(shí),沖擊功增長(zhǎng)緩慢,因此設(shè)定沖擊試驗(yàn)最高溫度為300℃。

圖11 沖擊功-溫度曲線Fig.11 Impact energy-temperature curve

350℃時(shí)J55級(jí)別碳鋼篩管材料的屈服強(qiáng)度衰退率為26.71%,N80和P110級(jí)屈服強(qiáng)度衰退率為7.9%,而研究中所用的鈦合金篩管屈服強(qiáng)度降低28.7%。鈦合金350℃力學(xué)性能衰退率與J55級(jí)鋼相近,高于同級(jí)別的P110級(jí)鋼。

2.2 循環(huán)溫度作用下鈦合金篩管應(yīng)變規(guī)律

7個(gè)輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)篩管軸向伸長(zhǎng)量-溫度曲線如圖12～圖18所示。200 m碳鋼篩管軸向伸長(zhǎng)量-溫度曲線如圖19所示。

圖12 第1輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.12 The 1st round of temperature circulation test

圖13 第2輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.13 The 2nd round of temperature circulation test

圖14 第3輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.14 The 3rd round of temperature circulation test

圖15 第4輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.15 The 4th round of temperature circulation test

圖16 第5輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.16 The 5th round of temperature circulation test

圖18 第7輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.18 The 7th round of temperature circulation test

圖19 200 m碳鋼篩管溫度與軸向伸長(zhǎng)曲線Fig.19 Temperature and axial elongation curve of 200 m carbon steel screen pipe

圖17 第6輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.17 The 6th round of temperature circulation test

由圖12～圖18可知,7個(gè)輪次溫度循環(huán)試驗(yàn)中溫度升高至350℃時(shí),篩管伸長(zhǎng)量分別為2.47、2.90、2.95、2.73、2.71、2.90和2.88 mm,平均伸長(zhǎng)量2.79 mm,此時(shí)鈦合金篩管軸向伸長(zhǎng)率為0.187%。對(duì)于碳鋼篩管,溫度為120、250和350℃時(shí),碳鋼篩管軸向伸長(zhǎng)率分別為0.13%、0.30%、0.43%,350℃時(shí),200 m長(zhǎng)的碳鋼篩管軸向伸長(zhǎng)量可達(dá)865 mm[28],如圖19所示。而此時(shí)鈦合金篩管伸長(zhǎng)量為374 mm。

2.3 鈦合金篩管溫度-載荷變化規(guī)律

在鈦合金篩管溫度-荷變化試驗(yàn)中,逐漸加熱至150、250和350℃并分別保溫,記錄試驗(yàn)機(jī)兩端載荷,溫度-載荷曲線如圖20所示。由圖20可知,溫度-載荷試驗(yàn)中,將鈦合金篩管加熱至150、250和350℃時(shí)分別保溫,軸向壓縮載荷相應(yīng)增加145.3、238.5和351.7 kN。碳鋼篩管中常用的CMS篩管和復(fù)合篩管加熱至350℃時(shí),每米軸向載荷分別增加905和957 kN[29],如圖21所示。該結(jié)果約為研究所用鈦合金篩管的2.6和2.7倍。

圖20 鈦合金篩管溫度-軸向載荷曲線Fig.20 Temperature-axial load curve of titanium alloy screen pipe

圖21 碳鋼篩管軸向壓縮載荷-軸向伸長(zhǎng)量曲線Fig.21 Axial compression load-axial elongation curve of carbon steel screen pipe

2.4 溫度對(duì)鈦合金篩管非均勻擠毀影響

室溫、高溫(350℃)下非均勻擠毀試驗(yàn)用篩管實(shí)物如圖22和圖23所示。室溫、高溫(350℃)下非均勻擠毀后篩管實(shí)物照片如圖24、圖25所示。室溫、高溫(350℃)下非均勻擠毀試驗(yàn)中上、下壓頭載荷-位移曲線如圖26和圖27所示。從圖24和圖26可見,當(dāng)室溫非均勻擠毀試驗(yàn)中上、下壓頭位移為19.6 mm時(shí),篩管發(fā)生斷裂,此時(shí)上、下壓頭載荷分別為442和463 kN,擠毀后篩管發(fā)生了較大的塑性變形,并且從割縫處沿篩管周向發(fā)生了斷裂。從圖25和圖27可知,當(dāng)350℃非均勻擠毀試驗(yàn)中上、下壓頭位移為17.2 mm時(shí),篩管發(fā)生斷裂,此時(shí)上、下壓頭載荷分別為283和304 kN,鈦合金篩管非均勻擠毀載荷值相對(duì)常溫降低36%,試驗(yàn)結(jié)束后篩管不僅發(fā)生了較大的回彈,且其割縫處還發(fā)生了較大范圍的斷裂。

圖22 室溫非均勻擠毀試驗(yàn)用篩管Fig.22 Screen pipe for uneven collapse test at room temperature

圖23 350℃非均勻擠毀試驗(yàn)用篩管Fig.23 Screen pipe for uneven collapse test at 350℃

圖24 室溫非均勻擠毀后的篩管Fig.24 Screen pipe after uneven collapse at room temperature

圖25 350℃非均勻擠毀后的篩管Fig.25 Screen pipe after uneven collapse at 350℃

圖26 室溫非均勻擠毀試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.26 Load-displacement curve of uneven collapse test at room temperature

圖27 350℃非均勻擠毀試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.27 Load-displacement curve of uneven collapse test at 350℃

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)勘探開發(fā)領(lǐng)域中油氣井鈦合金管柱材質(zhì)選擇以α+β鈦合金為主,雙相組織α+β鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能,組織穩(wěn)定性好,且韌性、塑性和高溫變形性能良好,能較好地對(duì)其進(jìn)行熱壓力加工,能通過(guò)淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化。

(2)鈦合金與普通碳鋼相比具有較小的熱應(yīng)變,350℃循環(huán)溫度下,鈦合金篩管最大軸向伸長(zhǎng)率為0.187%,為同規(guī)格碳鋼篩管伸長(zhǎng)率的43.2%;鈦合金篩管軸向壓縮載荷是常規(guī)碳鋼篩管的37%,鈦合金篩管的應(yīng)用有利于提升篩管防砂能力。

(3)鈦合金篩管在350℃溫度下的屈服強(qiáng)度相比在常溫下降低28.7%,衰退率與J55鋼相近;350℃時(shí)鈦合金篩管非均勻擠毀載荷值相對(duì)常溫降低36%。在對(duì)鈦合金篩管材質(zhì)選擇優(yōu)化時(shí),應(yīng)注重溫度對(duì)其管材強(qiáng)度性能的影響。