超高強度套管TP165V 開發(fā)及蠕變應(yīng)力分析

張 旭，李 蘇，王恩越，朱鉅鵬，安盛岳

（1. 天津鋼管制造有限公司，天津 300301；2. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司物資管理部，新疆 克拉瑪依 834000）

中原油田地質(zhì)條件特殊，大多數(shù)油井需穿過鹽膏層。而鹽膏層極易蠕動、融化、崩塌等對油套管作用高外擠力，從而導(dǎo)致普通套管被擠毀，造成油井報廢［1-7］。針對這一特殊地質(zhì)條件，2001年天津鋼管集團股份有限公司（現(xiàn)天津鋼管制造有限公司）聯(lián)合中原油田設(shè)計開發(fā)并生產(chǎn)了Φ152.4 mm×16.9 mm TP130TT BC 超厚壁高抗擠毀石油套管，抗擠毀強度≥167 MPa，解決了長期困擾中原油田的鹽膏層段套損問題［8-13］，每口井生產(chǎn)使用壽命延長4年以上。雖然解決了套損套變問題，由于套管剛性強、外徑大，下入困難，于2009年聯(lián)合設(shè)計開發(fā)了Φ141.62 mm×11.5 mm TP155V LC 抗擠套管［14］，提升了套管沖擊功等技術(shù)指標(biāo)，統(tǒng)一螺紋為長圓螺紋，方便不同鋼級套管間連接。產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計后獲得了更大的套管環(huán)空間隙，順利完成套管下井作業(yè)。同時，通過使用TP155V 超深復(fù)雜井專用套管，使管串重量下降1/3，用戶的綜合采購成本大大降低，保證了油田生產(chǎn)的安全順利進行。該型號套管解決了TP130TT 套管下入困難問題，并在一定程度上控制了套變，為了進一步提高套管的抗擠毀性能，2013年設(shè)計開發(fā)并生產(chǎn)了Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V LC 抗擠套管，保證了井眼的環(huán)空間隙，非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚壁設(shè)計提高了抗擠毀性能［15］，抗擠強度最小值由168 MPa 提高到182 MPa?，F(xiàn)介紹TP165V 套管的開發(fā)，并分析其蠕變應(yīng)力。

1 TP165V 套管的性能指標(biāo)設(shè)計

TP165V 鋼采用Cr-Mo 合金鋼，輔以微合金細化晶粒元素，充分利用固溶強化、相變強化、細晶強韌化、析出強化作用，提高套管的綜合強韌性。套管材料的性能指標(biāo)直接決定整管的使用性能，采用API 強度設(shè)計原則，進行強度標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，并配以高沖擊韌性指標(biāo)設(shè)計。TP165V 套管的強度設(shè)計指標(biāo)見表1。

表1 Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V LC抗擠套管強度設(shè)計指標(biāo)

2 TP165V 套管的制造工藝流程

（1） 煉鋼。采用鐵水加優(yōu)質(zhì)廢鋼作為電爐原料，經(jīng)過鋼包精煉爐（LF）精調(diào)合金成分，保證真空脫氣爐（VD）真空時間，采用保護澆鑄措施，獲得內(nèi)外部冶金質(zhì)量良好的鑄坯。工藝流程：制鐵→電爐冶煉→精煉→VD 真空處理→連鑄→管坯鋸切→檢驗。

（2） 軋管。根據(jù)鋼種特性，經(jīng)熱模擬分析研究獲得最佳熱塑性軋制區(qū)間，經(jīng)高溫加熱后，進行穿孔和軋制工序，定徑后獲得最終軋制幾何尺寸。工藝流程：管坯加熱→定心→穿孔→連軋→定徑→冷卻→鋸切→探傷→檢驗。

（3） 套管加工。依據(jù)連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線測試結(jié)果，確定最佳熱處理工藝制度，采用浸入式旋轉(zhuǎn)內(nèi)噴外淋冷卻方式，回火后獲得索氏體組織。工藝流程：檢驗→高溫爐→水冷→低溫爐→空冷爐→矯直→尺寸檢驗→超聲波檢驗→管端探傷→車絲→擰接→通徑→水壓→車絲→測長稱重→噴標(biāo)→烘干→入庫。

3 TP165V 套管實際生產(chǎn)質(zhì)量水平

3.1 套管強度控制情況

套管強度采用中高強度控制方法，最大限度的匹配高韌性指標(biāo)，保證套管柱可以承受較大的抗軸向拉壓載荷。TP165V 套管力學(xué)性能指標(biāo)如圖1 所示，其屈服強度實際水平不低于1140 MPa，主要分布在1150～1190 MPa；抗拉強度實際水平不低于1210 MPa，主要分布在1220～1270 MPa；橫向全尺寸沖擊功大于58 J，主要分布在62～74 J；縱向全尺寸沖擊實際水平大于70 J，主要分布在80～105 J；套管性能指標(biāo)具備正態(tài)分布特征，性能穩(wěn)定。

圖1 TP165V 套管力學(xué)性能指標(biāo)

3.2 套管組織狀態(tài)

TP165V 套管組織為典型的回火索氏體組織，晶粒度為9.0 級，如圖2～3 所示，該組織狀態(tài)說明合金體系合理，熱處理工藝制度得當(dāng)，保證了套管具有優(yōu)異的使用性能。

圖2 TP165V 套管的金相組織

圖3 TP165V 套管的晶粒度

3.3 套管抗擠毀性能

以Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V 套管為例，套管設(shè)計保證值為182 MPa，套管實際抗擠毀性能超過200 MPa，如圖4～5 所示，經(jīng)過持續(xù)不間斷的加載，套管實際擠毀值達到201 MPa，超出保證值10%，破壞性擠毀試驗證明了套管具有高抗擠毀能力。

圖4 TP165V 套管擠毀試驗加載曲線

圖5 TP165V 套管樣管擠毀形貌

考慮鹽膏層具有蠕變特征，尤其是在固井過程中或結(jié)束后一段時間鹽膏層帶來的較強的外擠載荷，設(shè)計分段施加外壓試驗，以驗證套管在高外壓試驗環(huán)境中是否具有足夠的穩(wěn)定性。TP165V 套管分段加載試驗曲線和試驗后樣管形貌如圖6～7 所示，分兩階段進行保載，保載時間分別為30 min，保載過程中載荷穩(wěn)定，由于試驗最大載荷為190 MPa，未達到套管擠毀數(shù)值，樣管未發(fā)生擠毀，其幾何尺寸穩(wěn)定不發(fā)生變化，可保證工具串在套管內(nèi)的順利通過。

圖6 TP165V 套管分段加載試驗曲線

4 TP165V 套管受力三維有限元模型

4.1 模型建立假設(shè)

采用有限元仿真手段，按照實際真實服役套管尺寸建立套管-水泥環(huán)-地層三維模型，如圖8 所示，模型中各個組成部分的幾何尺寸見表2，套管規(guī)格為Φ143.32 mm×12.35 mm，井眼為216 mm，根據(jù)圣維南原理，地層的長度、寬度、高度分別取5000 mm。

圖8 TP165V 套管三維有限元模型

表2 TP165V 套管三維有限元模型各部分幾何尺寸

4.2 地層本構(gòu)方程

研究表明，鹽膏層蠕變分為3 個階段，即瞬態(tài)蠕變期（A）、穩(wěn)態(tài)蠕變期（B）和加速蠕變期（C），如圖9 所示。對于鹽膏層這類塑形材料，蠕變主要表現(xiàn)為前兩個階段，且穩(wěn)態(tài)蠕變期持續(xù)時間較長。因此固井后套管主要受穩(wěn)態(tài)蠕變的影響。

圖9 鹽膏層蠕變3 階段示意

鹽膏層在地下空間是連續(xù)體，從鹽膏層本身的材料屬性上講可按各向同性考慮。因此，分析方法可采用二維平面應(yīng)變模型，為了更好地展現(xiàn)空間效果，采用三維模型。

由于鹽膏層蠕變一般以晶格的位錯滑移為主，鹽膏層在位錯蠕變模式控制下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與差應(yīng)力的冪相關(guān)的方程［16］：

Δσ —— 差應(yīng)力，Δσ=σ1-σ3；

A0exp（-Q/RT）—— 鹽膏層的黏性參數(shù)；

Q —— 激活能；

n —— 流變參數(shù)；

R —— 氣體常數(shù)；

T —— 溫度。

試驗研究表明［16］，在不同的差應(yīng)力條件下，將差應(yīng)力與穩(wěn)態(tài)蠕變速率進行數(shù)據(jù)擬合［16］，二者呈現(xiàn)線性關(guān)系或冪函數(shù)關(guān)系（圖10），n 值越高，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變速率越高，結(jié)合圖10 的擬合結(jié)果，n 值設(shè)定為2更合適。穩(wěn)態(tài)條件下，蠕變速率與時間無關(guān)，該選型相關(guān)參數(shù)設(shè)定為0。A 值取1.00×10-19。

圖10 TP165V 套管差應(yīng)力與穩(wěn)態(tài)蠕變速率關(guān)系

5 計算結(jié)果分析

5.1 均勻及非均勻地應(yīng)力分析

套管固井后，套管-水泥環(huán)-地層形成一個完整的井筒，井眼在地應(yīng)力的作用下呈現(xiàn)三軸應(yīng)力狀態(tài)，最大水平地應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力在水平方向構(gòu)成兩向應(yīng)力狀態(tài)，顯然兩向應(yīng)力是不相等的，在均勻地應(yīng)力的作用下，套管各向受力均勻，但是在非均勻地應(yīng)力作用下，套管受到的等效應(yīng)力將呈現(xiàn)增加的趨勢，當(dāng)?shù)刃?yīng)力達到套管可承受的最大的應(yīng)力狀態(tài)時，套管將會被破壞。地應(yīng)力設(shè)置為最大水平地應(yīng)力為56 MPa，最小水平地應(yīng)力為一系列變量，即46 MPa、50 MPa、53 MPa、56 MPa、59 MPa、62 MPa、66 MPa［17］，如圖11 分析結(jié)果顯示，隨著兩向應(yīng)力差的逐漸增加，套管承受的等效應(yīng)力逐漸增加，呈現(xiàn)V 字形分布（圖12）。與此同時也發(fā)現(xiàn)，即使在非均勻地應(yīng)力狀態(tài)，在較大地應(yīng)力差的情況下，套管受到的最大地應(yīng)力不超過套管的屈服強度，即表明套管服役是安全的。在此情況下，一定有使套管遭到破壞的因素存在。

圖11 TP165V 套管彈性受力分析

圖12 TP165V 套管彈性應(yīng)力與應(yīng)力差關(guān)系

5.2 兩向應(yīng)力反轉(zhuǎn)的作用

5.1 節(jié)設(shè)定了最小水平主應(yīng)力為一系列變量，考慮到兩向應(yīng)力方向反轉(zhuǎn)對套管受力狀態(tài)的影響，系列值出現(xiàn)59 MPa、62 MPa、66 MPa 三個數(shù)值，即當(dāng)最小水平主應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力時，兩向水平主應(yīng)力方向?qū)φ{(diào)。將前者假設(shè)為系列1，同理將后者假設(shè)為系列2。

如圖13 所示，0°方向?qū)?yīng)最小水平主應(yīng)力方向，90°方向?qū)?yīng)最大水平主應(yīng)力方向，系列1 中套管內(nèi)表面最大等效應(yīng)力隨著角度增加逐漸降低，最大等效應(yīng)力在最小水平主應(yīng)力方向。如圖14 所示，0°方向?qū)?yīng)最大水平主應(yīng)力方向，90°方向?qū)?yīng)最小水平主應(yīng)力方向，系列2 中套管內(nèi)表面最大等效應(yīng)力隨著角度增加逐漸增加，最大等效應(yīng)力在最小水平主應(yīng)力方向。系列1 和系列2 所呈現(xiàn)的等效應(yīng)力與角度的變化趨勢正好相反，但最大等效應(yīng)力所在方向都是最小水平主應(yīng)力方向，值得注意的是對于套管來講，最大等效應(yīng)力的受力方向是呈現(xiàn)90°方向?qū)φ{(diào)的。

圖13 TP165V 套管系列1 應(yīng)力狀態(tài)

圖14 TP165V 套管系列2 應(yīng)力狀態(tài)

5.3 蠕變應(yīng)力的影響

Φ143.32 mm×12.35 mm 套管按照API TR 5C3《套管、油管、鉆桿和管線管性能的計算和公式公告》對擠毀形式的劃分，140 鋼級以下屬于屈服擠毀，而140 鋼級以上屬于塑性擠毀，二者的差別在于后者的計算值可能超過套管承受的壓力值，進而引起套管屈服。套管固井后，在兩向應(yīng)力作用下，可按照線彈性力學(xué)理論推導(dǎo)出套管受到的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，進而按照第四強度理論計算等效應(yīng)力，顯然在外壓作用下，等效應(yīng)力是與壁厚相關(guān)的，5.1 節(jié)有限元計算的結(jié)果已經(jīng)證明了這點。又由于套管串較長，可忽略軸向上應(yīng)變，按照平面應(yīng)變考慮，且材料本構(gòu)模型考慮到了彈性和塑形段，因此可采用等效應(yīng)力方法評判。

將蠕變鹽膏層的本構(gòu)方程加入到地層模型當(dāng)中，套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)以及加載狀態(tài)如上節(jié)分析結(jié)果顯示，在均勻地應(yīng)力條件下，套管受到的等效應(yīng)力與5.1 節(jié)分析結(jié)果相同，但是在非均勻地應(yīng)力作用下，套管受到的等效應(yīng)力隨著非均勻地應(yīng)力的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。如圖15～16 所示，隨著兩向應(yīng)力差的增加，套管受到的最大等效應(yīng)力逐漸增加，呈現(xiàn)V 字形分布，當(dāng)兩向應(yīng)力差達到10 MPa 時，套管承受的等效應(yīng)力達到1068 MPa，在此應(yīng)力條件下，普通API 套管無法滿足使用要求，需要選取可承受更高應(yīng)力水平的套管，140 鋼級套管可承受的最大等效應(yīng)力為965 MPa，155 鋼級套管可承受的最大等效應(yīng)力為1068 MPa，顯然155 鋼級套管可有限滿足使用要求，要想達到工況要求，并且有一定的安全余量，需要更高鋼級的套管，TP165V 套管的最小屈服強度為1137 MPa，即使在兩向地應(yīng)力差較大的條件下，也能夠滿足該地層條件下的選材使用。

圖15 TP165V 套管蠕變應(yīng)力受力分析

圖16 TP165V 套管蠕變應(yīng)力與應(yīng)力差關(guān)系

5.4 鹽膏層溶解的影響

在鉆井過程中，由于泥漿性能等方面的作用，造成井眼周圍的鹽膏層溶解（模型如圖17 所示），導(dǎo)致固井質(zhì)量不好，如果溶解區(qū)域達到一定空間尺度后，對套管的抗外擠性能造成不利影響。在此工況條件下，建立套管-水泥環(huán)-地層模型，研究在兩向應(yīng)力的作用下，鹽膏層溶解區(qū)域套管的受力狀態(tài)。

圖17 TP165V 套管-水泥環(huán)-地層單位模型（帶孔洞）

如圖18 所示，當(dāng)出現(xiàn)局部鹽膏層溶解后，在孔洞與套管相交位置，套管受到的應(yīng)力最大。當(dāng)加入蠕變模型后，如圖19 所示，在兩向地應(yīng)力的作用下，套管受到的應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，即在初始階段套管受到的應(yīng)力逐漸增加，由于鹽層蠕變的作用，在兩向應(yīng)力作用下，將會產(chǎn)生位移，孔洞呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，那么套管受到的應(yīng)力將逐漸降低，當(dāng)孔洞閉合后，該區(qū)域套管受到的應(yīng)力將與套管其他區(qū)域一致?？梢?，有限大小的鹽膏層溶解對套管影響較小。

圖18 TP165V 套管受到的蠕變應(yīng)力分析

圖19 TP165V 套管受到的蠕變應(yīng)力與時間的關(guān)系

6 結(jié)語

（1） 設(shè)計開發(fā)一種新型超高強度套管Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V LC，與Φ141.62 mm×11.50 mm TP155V 套管相比，通徑保持不變，抗擠毀性能提高8%；橫向沖擊值不低于55 J，縱向沖擊不低于70 J，具有回火索氏體組織，套管抗擠毀性能保證值為182 MPa。

（2） Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V LC 套管極限抗擠毀強度超過200 MPa，超出保證值10%；以中原油田產(chǎn)層最大地應(yīng)力約為50 MPa 為例，套管實際抗擠毀強度達到最大地層壓力4 倍；套管經(jīng)過182 MPa 和190 MPa 兩階段外壓保載30 min，套管幾何尺寸不發(fā)生變化。

（3） 在非均勻地應(yīng)力作用下，套管內(nèi)表面受到的彈性應(yīng)力隨著地應(yīng)力差異增加逐漸增加，呈現(xiàn)V 字型分布，但最大彈性應(yīng)力不超過套管屈服強度，表明套管服役安全；套管內(nèi)表面受到的蠕變應(yīng)力隨著地應(yīng)力差異增加逐漸增加，呈現(xiàn)V 字形分布，地應(yīng)力差異越大，蠕變應(yīng)力與彈性應(yīng)力差異越大，當(dāng)兩向水平應(yīng)力差達到10 MPa 時，蠕變應(yīng)力與彈性應(yīng)力相差551 MPa，前者是后者的1.96 倍。

（4） 當(dāng)鹽膏層被溶解產(chǎn)生孔洞時，套管內(nèi)表面受到的應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，即在初始階段套管受到的應(yīng)力逐漸增加，由于鹽膏層蠕變的作用，在兩向應(yīng)力作用下，孔洞呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，套管受到的應(yīng)力將逐漸降低，當(dāng)孔洞閉合后，該區(qū)域套管受到的應(yīng)力將與套管其他區(qū)域一致。