適用于高含硫氣井Φ355.6 mm 高抗內(nèi)壓特殊螺紋套管的開發(fā)

劉家泳，徐興海，劉寶軍，呂傳濤，郭 強，陳玉鵬

（1. 天津鋼管制造有限公司，天津 300301；2. 四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610056；3. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618399）

川渝地區(qū)高磨區(qū)塊高含硫氣藏位于四川盆地中部，是迄今為止國內(nèi)單體規(guī)模最大的海相碳酸鹽巖整裝氣藏［1-2］，多為特殊超深超高壓復(fù)雜井，部分設(shè)計井深超過7000 m，要鉆穿多個特殊地層，鉆遇微裂縫或孔隙發(fā)育好的地層，容易發(fā)生井漏；鉆遇地質(zhì)發(fā)育破碎層，易發(fā)生垮塌，并且鉆井過程存在地層壓力高、介質(zhì)高腐蝕等不確定風(fēng)險，對套管的抗內(nèi)壓性能、抗腐蝕性能等提出了更高的要求。

該區(qū)塊燈二儲藏的井主要復(fù)雜情況為燈四段易發(fā)生井漏，燈三段易發(fā)生垮塌，要實現(xiàn)對目的層的專打，就需要對現(xiàn)有的井身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化［3-6］。按照SY/T 5724—2008《套管柱結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計》計算天然氣充滿井筒時技術(shù)套管最低抗內(nèi)壓強度要求為77.7 MPa，常規(guī)Φ339.72 mm 套管的抗內(nèi)壓性能無法滿足要求。

天津鋼管制造有限公司（簡稱天津鋼管）設(shè)計開發(fā)Φ355.6 mm×21.0 mm TP110S TP-G2 HP 套管，接頭抗內(nèi)壓性能達到78.4 MPa，滿足井況需求。

1 Φ355.6 mm×21 mm TP110S 套管開發(fā)

1.1 鋼種的選擇

川渝地區(qū)高含硫氣井的工況條件對套管的強度、沖擊韌性和抗硫化氫腐蝕性能都有很高的要求。Φ355.6 mm TP110S 套管的鋼種采用天津鋼管自主設(shè)計的27CrMo47Vs 鋼［7-8］。該鋼種在川渝地區(qū)已成熟應(yīng)用多年，Φ355.6 mm 厚壁套管化學(xué)成分見表1。厚壁套管熱處理時的淬透性是生產(chǎn)難點之一，為進一步提高材料的淬透性，添加了少量的合金元素B［9-10］。同時，為確保鋼的抗硫化氫腐蝕性能，必須嚴格控制S，P 含量，提高鋼的純凈度，減少夾雜物含量［11-12］。

表1 Φ355.6 mm×21 mm TP110S 厚壁套管化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

1.2 煉鋼工藝

采用電弧爐（EAF）→鋼包爐（LF）→真空脫氣（VD）→連鑄的冶煉工藝流程。為保證獲得性能良好的管坯，煉鋼過程要注意以下幾點：采用優(yōu)質(zhì)廢鋼和低硫鐵水，確保原料的純凈度；熔煉過程嚴格控制鋼水化學(xué)成分，保證電爐出鋼碳含量0.10%；盡量保證在電爐爐役的中前期生產(chǎn)，采用優(yōu)質(zhì)石灰和耐火材料；提高精煉爐初渣堿度，調(diào)整渣料配比，提高爐渣吸附夾雜物的能力［13］；嚴格按真空處理工藝控制，確保真空度≤0.50 Pa，真空時間≥12 min，控制氣體含量，防止硼加入后生成夾雜物；優(yōu)化連鑄工藝，嚴格控制澆注流速，給電爐、精煉留出足夠處理時間，確保生產(chǎn)出合格連鑄坯。

1.3 軋制工藝

大規(guī)格厚壁套管的軋制尺寸精度難控制，且易出現(xiàn)分層缺陷。為保證套管管體性能，要嚴格控制軋制工藝。

（1） 尺寸精度控制目標(biāo)。套管規(guī)格Φ355.6 mm×21.0 mm，外徑公差控制范圍（0～+1.0%）D，壁厚公差控制范圍（-8.0%～+16.5%）t；接箍料規(guī)格Φ397.0 mm×45.0 mm，外徑公差控制范圍（-0.2%～+0.85%）D，壁厚公差控制范圍（-8.0%～+18.0%）t。

（2） 環(huán)形爐加熱。環(huán)形爐加熱的原則是確保鋼坯溫度內(nèi)外均勻，易于穿孔變形。坯料在爐時間不少于4.5 h。環(huán)形爐加熱制度見表2。

表2 Φ350 mm TP110S 管坯環(huán)形爐加熱制度 ℃

（3） 穿孔。厚壁套管容易出現(xiàn)分層缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是穿孔，控制好穿孔工藝就成功了一半。

減小圓坯長度，穿孔由雙倍尺投料更改為單倍尺投料，減少徑向旋轉(zhuǎn)的力矩，降低分層發(fā)生的幾率。

圓坯前端打定心孔，增加頂頭潤滑劑，確保穿孔毛管尺寸均勻，有利于減少分層的發(fā)生。

穿孔輥和導(dǎo)板表面質(zhì)量良好，調(diào)整好輥距和導(dǎo)距，頂前壓下率控制在7.2%～7.8%，橢圓度小于1.13，有利于減少分層的發(fā)生。

控制穿孔變形速度是確保厚壁套管不發(fā)生分層的關(guān)鍵。軋輥轉(zhuǎn)速控制在25～40 r/min，降低穿孔變形速率，避免穿孔過程中毛管內(nèi)外表面變形不同步、不均勻而發(fā)生撕裂。

（4） PQF 連軋。Φ355.6 mm 套管管體采用Φ350 mm 圓坯，在天津鋼管Φ460 mm PQF 機組軋制。接箍料采用Φ450 mm 圓坯，在Φ508 mm PQF 機組軋制，保證軋制比3.2 以上。

（5） 定徑?？刂平K軋溫度大于800 ℃。

1.4 熱處理工藝

采用細晶熱處理調(diào)質(zhì)工藝，熱處理制度：高溫爐加熱到900～920 ℃，保溫20～30 min 后水淬；低溫爐加熱到690～720 ℃，保溫60～80 min 后空冷。熱處理后得到強韌性匹配良好、抗腐蝕性能優(yōu)異的回火索氏體組織，晶粒度控制ASTM 7 級或更細，TP110S 套管材料理化性能要求見表3。

表3 TP110S 套管材料理化性能要求

1.5 套管抗內(nèi)壓強度校核

根據(jù)SY/T 5724—2008 標(biāo)準，氣井技術(shù)套管按下一次使用的最大鉆井液密度計算套管鞋處的最大內(nèi)壓力Pbs，見公式（1）：

式中 ρmax—— 下次鉆井最大鉆井液密度，g/cm3；

Hs—— 套管下深或套管鞋深度，m。

任意井深處套管最大內(nèi)壓力Pbh見公式（2）：

式中 ρg—— 天然氣相對密度，0.55 g/cm3；

h —— 計算點井深，m。

根據(jù)川渝地區(qū)高磨區(qū)塊燈二儲藏井況，下一開鉆井深度筇竹寺組底界約5000 m，地層壓力系數(shù)約為2.05，抗內(nèi)壓安全系數(shù)取1.05，計算天然氣充滿井筒時井口技術(shù)套管最低抗內(nèi)壓強度要求為77.7 MPa。

根據(jù)API TR 5C3—2018《套管、油管、鉆桿和管線管性能的計算和公式公告》標(biāo)準，見公式（3），特殊螺紋套管抗內(nèi)壓性能的提高途徑有兩個，一是提高套管的鋼級，二是提高套管的壁厚。目前川渝地區(qū)大部分都是高含硫氣井，套管的鋼級采用TP110S；為了確保下一開鉆井工具的順利通過，套管的通徑必須滿足要求，因此在套管鋼級和通徑確定的情況下，只能通過外加厚的方式來提高套管的抗內(nèi)壓性能。

式中 Pi—— 套管抗內(nèi)壓強度，MPa；

fymn—— 材料名義最小屈服強度，MPa；

kwall—— 套管壁厚公差因子；

t —— 套管名義壁厚，mm；

D —— 套管名義外徑，mm。

通過計算，Φ355.6 mm×21.0 mm 規(guī)格TP110S套管抗內(nèi)壓強度為78.4 MPa，滿足井況需求的最低抗內(nèi)壓強度77.7 MPa，Φ355.6 mm×21.0 mm 套管設(shè)計性能參數(shù)見表4。

表4 Φ355.6 mm×21.0 mm TP110S 套管設(shè)計性能參數(shù)

2 TP-G2 HP 特殊螺紋接頭的設(shè)計

2.1 接頭設(shè)計原則

特殊螺紋接頭的密封機理是互相配合的金屬密封面由于尺寸過盈會在接觸面上產(chǎn)生較高的接觸壓力，封閉了管體內(nèi)的氣體分子的泄漏通道，因此實現(xiàn)了接頭的氣密封［14-16］，特殊螺紋接頭的金屬-金屬密封如圖1 所示。

圖1 TP-G2 HP 特殊螺紋接頭的金屬-金屬密封示意

當(dāng)密封面實現(xiàn)過盈配合，接觸壓力較高時，密封面之間沒有泄漏通道，不會發(fā)生氣體泄漏。當(dāng)接觸的密封面之間存在通道間隙，不論局部接觸壓力多高，氣體總會通過通道間隙泄漏，如果氣體發(fā)生泄漏時通過的路徑較長，泄漏的阻力就會增加，該關(guān)系可用公式（4）表示：

式中 R —— 氣體泄漏通過間隙時產(chǎn)生的阻力，N；

Ps—— 密封面接觸壓力，MPa；

L —— 泄漏路徑的最小長度，mm。

∫PsdL 相當(dāng)于沿泄漏路徑累積的接觸壓力，稱為等效接觸壓力，用公式（5）表示：

式中 Pec—— 等效接觸壓力，MPa。

如果用Pc表示氣體臨界泄漏壓力，不發(fā)生泄漏的密封設(shè)計應(yīng)滿足公式（6）：

式中 K —— 密封安全系數(shù)。

基于上述分析，在設(shè)計一種高抗內(nèi)壓氣密封接頭時，應(yīng)保證密封面接觸壓力高，并且接觸面積要寬。但是接觸壓力增高，密封面產(chǎn)生黏扣的可能性也會增加，因此合理的密封面結(jié)構(gòu)和密封過盈設(shè)計是非常重要的。

TP-G2 HP 是天津鋼管第三代特殊螺紋代表產(chǎn)品，三段式密封設(shè)計，接頭抗拉伸和抗壓縮能力均達到管體的100%，承受復(fù)合載荷時仍具有優(yōu)異的氣密封能力。

2.2 TP-G2 HP 特殊螺紋設(shè)計特點

（1） 優(yōu)化的密封結(jié)構(gòu)，主密封面后置，降低非正常接觸損傷幾率，如圖2 所示。采用錐對錐密封形式。

圖2 TP-G2 HP 齒型示意

（2） 密封面前端設(shè)計輔助密封面，在承受內(nèi)壓及壓縮載荷時產(chǎn)生接觸，起到加強密封的作用。

（3） 密封面鼻端厚度增加，提高接頭的抗過扭和抗壓縮能力。

（4） 螺紋 錐 度1 ∶16，螺距5 牙/in（1 in=25.4 mm），采用負角度勾型齒，在原有勾型齒的基礎(chǔ)上對齒型、齒高進行了優(yōu)化，TP-G2 HP 齒型如圖2所示。接箍螺紋齒高增高，螺紋嚙合時齒頂和齒底之間有合理的間隙，降低了發(fā)生黏扣的幾率。擰接后，螺紋脂在接頭中堆積，會增加接箍外表面環(huán)向張應(yīng)力，還會降低密封面接觸壓力，螺紋之間的合理間隙，可以消除螺紋脂堆積的不利影響。

（5） 設(shè)計合理的齒側(cè)間隙，提高接頭的抗壓縮能力。接頭在承受壓縮載荷時，如果齒側(cè)間隙過大，壓縮載荷會集中到扭矩臺肩部分，合理的齒側(cè)間隙設(shè)計可以使得螺紋導(dǎo)入側(cè)在受壓縮時與扭矩臺肩共同承擔(dān)壓縮載荷。

（6） 承載側(cè)負角度設(shè)計，螺紋擰接后，接頭在承受拉伸和彎曲載荷時，承載側(cè)的分力能顯著降低內(nèi)外端徑向分離的趨勢，提高螺紋的連接性能和抗彎曲能力。在拉伸載荷作用下，負角度承載側(cè)會有“越拉越緊”的效果，如圖3 所示。

圖3 負角度承載側(cè)在拉伸載荷作用下示意

（7） 齒頂齒底平行于管體軸線，對扣更輕松。

（8） 負角度扭矩臺肩設(shè)計，與負角度承載側(cè)形成楔形效應(yīng)，增加密封結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，更適用于超深井、水平井等復(fù)雜井況。負角度扭矩臺肩提供準確的擰接定位，防止密封面因過量的擰接產(chǎn)生超預(yù)期的過盈，在扭矩-圈數(shù)擰接圖形上會產(chǎn)生扭矩劇增的拐點，帶有扭矩臺肩的特殊螺紋標(biāo)準扭矩-圈數(shù)關(guān)系如圖4 所示。

圖4 帶有扭矩臺肩的特殊螺紋標(biāo)準扭矩-圈數(shù)關(guān)系

3 試驗驗證和有限元模擬分析

3.1 套管性能試驗

（1） 理化性能試驗。

對套管取樣進行拉伸、沖擊、硬度及金相檢驗，實測理化性能見表5。

表5 Φ355.6 mm×21 mm TP110S 套管實測理化性能

熱處理后得到性能優(yōu)異的回火索氏體組織，晶粒度達到ASTM 8.5 級，熱處理后組織+晶粒度如圖5 所示。

圖5 Φ355.6 mm×21 mm TP110S 套管熱處理后組織+晶粒度

（2） 抗硫化氫腐蝕試驗。

按照NACE TM 0177—2005《H2S 環(huán)境中金屬抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的室內(nèi)試驗》標(biāo)準要求，采用A 法A 溶液，進行80%材料最小名義屈服強度的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕評價試驗，試驗結(jié)束對試樣進行觀察，試樣表面沒有裂紋發(fā)生，證明Φ355.6 mm×21.0 mm TP110S 套管的抗硫化氫腐蝕性能完全符合標(biāo)準要求，試驗結(jié)束后試樣表面狀態(tài)如圖6 所示。

圖6 抗硫化氫腐蝕試驗結(jié)束后試樣表面狀態(tài)

3.2 接頭有限元模擬分析

利用有限元模擬驗證接頭設(shè)計的合理性和可靠性，有限元模擬分析根據(jù)最新版API RP 5C5：2017《套管和油管連接件的測試程序》中油套管接頭全尺寸評價試驗標(biāo)準CAL IV 的試驗要求進行。

（1） 結(jié)構(gòu)模型。

將TP-G2 HP 接頭模型簡化為二維軸對稱模型，忽略螺紋的螺旋升角，有限元模型基本尺寸見表6。

表6 Φ355.6 mm×21 mm TP110S TP-G2HP 特殊螺紋套管有限元模型基本尺寸

為保證大規(guī)格厚壁特殊螺紋接頭的密封性能，密封過盈量應(yīng)大于常規(guī)規(guī)格的密封過盈量，取0.8 mm。

根據(jù)API RP 5C5：2017 第6.3.1 節(jié)要求，最小無支撐短節(jié)長度要求見公式（7）：

式中 Lpj—— 最小無支撐短節(jié)長度，mm。

根據(jù)公式（5）確定有限元模型總長度為630 mm（從接箍中面至管端）。以接箍外徑的中點位置為坐標(biāo)原點，TP-G2 HP 特殊螺紋接頭有限元分析二維結(jié)構(gòu)模型如圖7 所示。

圖7 TP-G2 HP 特殊螺紋接頭有限元分析二維結(jié)構(gòu)模型

（2） 材料模型。

有限元分析采用彈塑性材料模型，數(shù)據(jù)基于TP110S 鋼級套管的實測拉伸性能，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表7。假設(shè)材料特性是各向同性，材料彈性模量206800 MPa，泊松比0.3。接箍鋼級同管體一致，接箍材料性能數(shù)據(jù)使用管體的實測性能數(shù)據(jù)。

表7 Φ355.6 mm×21 mm TP110S 套管實測應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

（3） 有限元網(wǎng)格。

有限元分析結(jié)果與網(wǎng)格密度密切相關(guān)，選擇合理的網(wǎng)格尺寸至關(guān)重要。模型網(wǎng)格基本尺寸為1 mm，螺紋、密封面、扭矩臺肩部位需進行網(wǎng)格細化，基本尺寸為0.1 mm。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖8 所示。

圖8 TP110S 套管有限元模型網(wǎng)格劃分

單元類型選擇CAX4R 軸對稱線性縮減積分單元，此單元類型能夠在保證計算精度的同時大幅提高計算效率。

（4） 載荷的計算。

根據(jù)API RP 5C5—2017 標(biāo)準CAL Ⅳ試驗要求，接頭承受的載荷類型包含拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓及彎曲。A 系試驗載荷包絡(luò)線如圖9 所示。

圖9 A 系試驗載荷包絡(luò)線

根據(jù)實際使用工況，Φ355.6 mm×21.0 mm TP110S 套管在井口承受拉伸加內(nèi)壓載荷復(fù)合載荷，符合第一象限的載荷點條件，試驗載荷的計算根據(jù)套管實測外徑、壁厚及實測材料屈服強度，根據(jù)天津鋼管TP110S 鋼級拉伸試驗規(guī)定，將總伸長率為0.7%處的應(yīng)力作為材料屈服強度，套管實測材料屈服強度為800 MPa，接箍的屈服強度設(shè)定為與管體一致。

（5） 載荷的施加方式。

有限元模型為軸對稱模型，且只包含半個接箍，在接箍中間部位施加對稱邊界條件，只對節(jié)點的軸向位移進行限制。分析結(jié)果與載荷的施加位置及方式密切相關(guān)，根據(jù)套管實際受力情況，拉伸和壓縮載荷施加在管體的端部。內(nèi)壓載荷施加在套管內(nèi)表面、接箍內(nèi)表面和扭矩臺肩至主密封面前端，以模擬復(fù)合力試驗中在外端臺肩上刻槽的情形，更直接的考驗密封面的密封能力。載荷施加方式如圖10 所示。

圖10 TP110S 套管有限元模擬載荷施加方式

（6） 接觸屬性。

在模擬螺紋接頭的過盈配合時，通常采用的方法為定義接觸對，通過預(yù)置一定穿透量，即過盈量（這里取外螺紋端和內(nèi)螺紋端尖點徑向過盈量0.8 mm），來模擬外螺紋端和內(nèi)螺紋端的過盈配合，并在第一個載荷步逐漸消除穿透。接觸的公式統(tǒng)一為有限滑動，點對面的離散方法。接觸的法向?qū)傩詾椤坝步佑|”，即接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力大小不受限制，當(dāng)接觸壓力變?yōu)? 或負值時，兩個接觸面分離，并且去掉相應(yīng)節(jié)點上的接觸約束。切向?qū)傩詾闊o摩擦類型，提高模型的收斂性。

（7） 有限元模擬結(jié)果。

結(jié)合實際工況，Φ355.6 mm×21.0 mm TP110S TP-G2 HP 特殊螺紋套管用于井口，接頭主要承受拉伸載荷和內(nèi)壓，第一象限載荷點與實際工況相符合，第一象限各載荷點密封面接觸壓力如圖11 所示。

圖11 TP110S 套管有限元模擬第一象限各載荷點密封面接觸壓力

以第一象限載荷點14a95 為例，接頭承受拉伸+內(nèi)壓的復(fù)合載荷，有限元模擬后應(yīng)力狀態(tài)如圖12 所示。

圖12 TP110S 套管有限元模擬載荷點14a95 應(yīng)力云圖

從計算結(jié)果中可以看出，在拉伸+內(nèi)壓的復(fù)合載荷作用下，密封面仍能保持較高的接觸壓力，應(yīng)力應(yīng)變分布合理，保證了接頭的結(jié)構(gòu)完整性和密封性能。

3.3 接頭單軸抗內(nèi)壓試驗

因試驗設(shè)備能力限制，無法進行拉伸+內(nèi)壓的復(fù)合力試驗，只進行單軸抗內(nèi)壓試驗，試驗照片如圖13 所示。參照載荷點15a95，試驗壓力為91 MPa，保壓時間60 min，試驗結(jié)果未發(fā)生泄漏，單軸抗內(nèi)壓試驗曲線如圖14 所示。

圖13 TP110S 套管有限元模擬載荷點15a95 單軸抗內(nèi)壓試驗示意

圖14 TP110S 套管有限元模擬單軸抗內(nèi)壓試驗曲線

Φ355.6 mm×21.0 mm TP110S TP-G2 HP 特殊螺紋套管已累計供貨近1000 t，應(yīng)用于川渝地區(qū)，完全滿足油田高抗內(nèi)壓的工況需求。

4 結(jié)論

（1） 通過合理的煉鋼、軋制和熱處理工藝控制，獲得綜合性能良好的Φ355.6 mm×21.0 mm、TP110S 套管，套管的理化性能和抗腐蝕性能符合標(biāo)準要求。

（2） 利用有限元模擬分析和抗內(nèi)壓試驗驗證了Φ355.6 mm×21.0 mm 規(guī)格TP-G2 HP 特殊螺紋接頭在承受復(fù)合載荷和高內(nèi)壓時仍能保持結(jié)構(gòu)完整性和優(yōu)異的密封性能，說明TP-G2 HP 特殊螺紋接頭的螺紋齒形和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足油田高抗內(nèi)壓的工況需求。