SEW高抗擠套管開發(fā)

王 軍， 畢宗岳， 張 峰， 李周波， 韋 奉，李遠征，唐 俊，王 濤

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西寶雞721008）

0 前言

套管損壞一直困擾著油氣的正常開采。造成套管非正常損壞的原因很多，其中因套管不能承受外壓載荷造成的損壞是套管損壞的主要原因之一[1-4]。油氣井地層出砂會造成套管徑向非均勻外擠壓力，加上地層上覆壓力的聯(lián)合作用，套管將發(fā)生擠毀和錯斷，因此各油田在深井、超深井或需要隔離巖鹽層、軟泥層等復雜地層的油氣井中，均考慮采用高抗擠套管[5-7]。

一直以來，套管生產廠家和油田用戶在防治套管擠毀失效方面開展了大量的工作。研究表明：D/t、外徑偏差及不圓度、壁厚偏差及不均度、材料強度、殘余應力、軸向應力等對套管的抗擠毀強度具有顯著影響[8-15]。就井身設計而言，當工程上對套管柱的鋼級和規(guī)格確定以后，如何根據(jù)企業(yè)自身的設備和技術條件，制訂出合理的生產工藝是開發(fā)高抗擠套管的重點工作，即如何通過減小套管殘余應力、提高材料屈服強度及屈強比、控制外徑正偏差及不圓度、壁厚負偏差及不均度等措施來提高套管的抗擠性能。

在分析套管抗擠強度影響因素的基礎上，通過對這些因素進行有效控制，開發(fā)了SEW高抗擠套管。這類高抗擠套管比同規(guī)格同鋼級API套管的抗擠毀強度高出20%～60%，且相比無縫高抗擠套管具有抗擠強度高及成材率高的優(yōu)勢。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

較高的屈服強度及屈強比有利于提高套管的抗外壓擠毀性能，比如寶鋼開發(fā)的BG110TT[9]，屈服強度917～933 MPa，屈強比為0.91；天津鋼管開發(fā)的TP110TT[16]，屈服強度940～959 MPa，屈強比為0.92。SEW高抗擠套管采用高頻電阻焊接，因此在成分設計時應首先考慮材料的焊接性能；其次，SEW高抗擠套管通過熱張力減徑、整管熱處理、熱矯直等工序改善組織，提升強度及沖擊性能，消除殘余應力，因此，還應考慮材料的熱加工及熱處理性能；最后，還應考慮卷板的采購費用及套管加工費用。

C元素有利于提高鋼的淬透性及強度，但C含量過高有損鋼的塑性、韌性及焊接性能；Si固溶于鐵素體以提高鋼的屈服強度，但同時要損失鋼的塑性和韌性；Mn能顯著提高鋼的淬透性，但Mn使鋼的過熱敏感性和回火脆性增大；V具有細化鋼的組織和晶粒的作用，并可降低鋼的過熱敏感性，提高鋼的強度和韌性，增加鋼的回火穩(wěn)定性；Cr是擴大淬透性及強碳化物形成元素。在淬火+高溫回火的調質鋼中，Cr不僅可以通過析出碳化物提高鋼的強度，延緩套管失穩(wěn)擠毀過程，而且可以通過在金屬表面形成Cr氧化膜（其Cr含量是基體含量的5～7倍）提高鋼的SSCC抗力，但Cr含量過高時會析出粗大的M23C6碳化物，喪失其有利效果；Ni元素可提高鋼的強度及抗腐蝕能力而不顯著降低其韌性，并可改善鋼的焊接性能。SEW石油套管化學成分設計見表1。

表1 SEW高抗擠套管的化學成分設計 %

以5℃/s的速度將試樣加熱到950℃后，保溫10 min， 然后分別以0.5℃/s， 1℃/s， 3℃/s， 5℃/s，10℃/s，20℃/s，30℃/s和50℃/s的冷卻速率將試樣冷卻至室溫，得到的靜態(tài)連續(xù)冷卻相變曲線（CCT）如圖1所示，試驗鋼在不同冷卻速度下的顯微組織形貌如圖2所示。從圖1可以看出，試驗鋼的Ac1和Ac3溫度分別為761℃和828℃，Ms溫度為378℃，冷速大于50℃/s可以得到完全的淬火馬氏體組織。一般淬火溫度較Ac3溫度高30～50℃以上，因此SEW高抗擠套管淬火溫度選擇（900±10）℃， 淬火冷速＞50℃/s。

圖1 試驗鋼靜態(tài)連續(xù)冷卻相變曲線

圖2 試驗鋼在不同冷卻速度下的顯微組織形貌

1.2 試驗方法

通過 “HFW+熱張力減徑+整管熱處理”開發(fā)出SEW高抗擠套管，并進行力學性能及抗腐蝕性能評價。SEW高抗擠套管熱張力減徑及熱處理工藝見表2。

表2 SEW高抗擠套管熱張力減徑及熱處理工藝參數(shù)

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

不同熱處理工藝SEW高抗擠套管焊縫區(qū)顯微組織如圖3所示。

從圖3可以看出，采用熱張力減徑+調質處理，焊縫流線基本消除，母材帶狀組織也得到很大程度的消除，兩者均為回火索氏體組織。

圖3 不同熱處理工藝焊縫區(qū)顯微組織

2.2 尺寸精度及殘余應力

高的尺寸精度有利于提高套管的抗擠性能。因此，首先應控制卷板的壁厚偏差，其次應控制HFW焊接過程中內外毛刺高度＜0.13 mm，并嚴格控制鋼管熱張力減徑過程中的外徑偏差為-0.25%D～+0.30%D， 壁厚偏差為-2%t～+3.5%t。 表3是SEW高抗擠套管和無縫高抗擠套管的尺寸測量結果。從表3可以看出，SEW高抗擠套管的尺寸精度要高于無縫高抗擠套管。這是由于SEW高抗擠套管采用微合金化控軋鋼板冷彎成型工藝，優(yōu)于無縫高抗擠管坯穿孔及軋制過程中的尺寸精度控制。在擠毀試樣上切取350 mm的樣管，利用環(huán)樣法進行殘余應力測試，并按公式（1）計算套管的殘余應力。

表3 SEW高抗擠套管與無縫高抗擠油套管的尺寸測量及殘余應力計算結果

式中：D1-切割前試樣平均外徑；

D2-切割后試樣平均外徑；

E-彈性模量， E=206.9×109N/m2（30×106psi）；

t-實測平均壁厚；

v-泊松比，v=0.28。

計算結果顯示，采用熱張力減徑+調質處理生產的SEW高抗擠套管殘余應力＜93 MPa，較無縫高抗擠套管低45%（無縫高抗擠套管殘余應力＜135 MPa）。這是因為SEW高抗擠套管采用熱張力減徑、高溫回火及450℃溫度以上的矯直，這些工藝將制管過程中產生的殘余應力控制在了100 MPa以內。

2.3 力學性能測試

對SEW高抗擠套管進行拉伸及沖擊性能測試，結果見表4。從表4可以看出，隨回火溫度升高，套管強度降低，延伸率及沖擊功升高。1#～2#套管及 3#～4#套管的性能分別滿足 API SPEC 5CT[17]對N80及P110套管的標準要求。屈服強度對套管抗擠強度具有顯著影響。因此，分別選取2#和4#工藝生產的套管作為80鋼級和110鋼級SEW高抗擠套管。

表4 SEW高抗擠套管的拉伸和沖擊性能測試結果

對采用熱張力減徑+調質處理的φ139.7 mm×9.17 mm規(guī)格SEW高抗擠套管進行全尺寸外壓擠毀試驗，試驗方法參照API RP 5C5[18]標準，并與同規(guī)格無縫高抗擠套管進行對比，結果見表5。擠毀試驗表明，80鋼級及110鋼級SEW高抗擠套管的抗外壓擠毀強度較API TR 5C3[19]及Q/SY 1394-2011[20]中HC2標準值分別高出50%及20%以上，較無縫高抗擠套管高出10%以上。這是由于SEW高抗擠套管的尺寸精度高，殘余應力小，表現(xiàn)出優(yōu)于無縫高抗擠套管的抗外壓擠毀性能。

表5 SEW高抗擠套管和無縫高抗擠套管外壓擠毀試驗結果對比

2.4 抗腐蝕性能評價

分別取母材軸向和沿焊縫試樣進行HIC性能評價，取樣位置如圖4所示。試樣腐蝕形貌如圖5所示，腐蝕結果見表6。裂紋敏感率、裂紋長度率及裂紋厚度率分別按式（2）～式（4）計算。

圖4 SEW高抗擠套管HIC性能評價試驗取樣位置示意圖

式中：a-裂紋長度，mm；

b-裂紋厚度，mm；

W-試樣寬度，mm；

T-試樣厚度，mm。

SY/T 6857.1-2012標準[22]認為，當試樣的CSR≤2%，CTR≤5%，CLR≤15%時，該材料對HIC不敏感。試驗結果表明，SEW高抗擠套管的母材和焊縫區(qū)均不存在HIC裂紋，即SEW高抗擠套管對HIC不敏感。

圖5 SEW高抗擠套管HIC腐蝕形貌

表6 SEW高抗擠套管HIC腐蝕試驗結果

焊接套管在含硫化物環(huán)境中服役時處于電化學腐蝕和拉伸應力的聯(lián)合作用下，往往會發(fā)生延遲脆性斷裂現(xiàn)象，這類破壞稱之為鋼的硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）。SEW高抗擠套管的SSCC評價試驗取樣位置如圖6所示。采用四點彎曲加載方式，腐蝕溶液為NACE TM 0177中規(guī)定的A溶液 （即H2S飽和5%NaCl+0.5%CH3COOH）。 腐蝕溶液初始pH值約為3.0，試驗結束時，pH值≤4.5。試驗時間規(guī)定為720 h，溶液溫度保持在（24±3） ℃。 試驗均在規(guī)定初始應力（80%σs）下進行，腐蝕形貌如圖7所示，腐蝕結果見表7。

圖6 SEW高抗擠套管SSCC評價試驗取樣位置示意圖

試驗結果表明，SEW高抗擠套管在80%σs應力水平下的抗SSCC性能良好。

2.5 討論

HFW焊接主要是利用高頻電流的集膚效應、鄰近效應和熱傳導作用快速加熱管坯邊緣，然后通過擠壓輥的擠壓作用進行壓力焊接。該過程具有加熱速度快、熱輸入量大、峰值溫度高、保溫時間短等特點，從而導致在焊縫區(qū)不同位置的組織和性能存在顯著差異。根據(jù)HFW焊接工藝的特點，HFW焊縫區(qū)可以劃分為焊縫、熱影響區(qū)和正火區(qū)3個區(qū)域，如圖8所示。

圖7 SEW高抗擠套管SSCC腐蝕形貌

表7 SEW高抗擠套管SSCC試驗結果

圖8 HFW管坯顯微組織

從圖8可以看出，焊縫主要以細長的魏氏體組織為主，并含有少量的馬氏體組織，魏氏體組織將會顯著惡化焊縫區(qū)的韌性和塑性，而馬氏體組織具有較大的淬硬傾向和焊接冷裂紋敏感性，因此需要焊后熱處理進行改善和消除；熱影響區(qū)主要為粗大的貝氏體組織；正火區(qū)主要為細小的貝氏體組織；母材組織由多邊形鐵素體和珠光體組成，且具有明顯的帶狀組織特征。SEW高抗擠套管采用熱張力減徑、整管熱處理及熱矯直工序，消除了焊縫和母材的成分、組織差異，得到鐵素體基體上彌散分布細小碳化物的回火索氏體組織 （見圖3），且套管具有較低的殘余應力，使得套管在具有高強度、高韌性的同時具有較好的抗腐蝕性能。

綜上所述，SEW高抗擠套管采用低碳微合金化控軋鋼板，內在質量好，尺寸精度高。卷板經FFX冷彎成型及HFW焊接，塑性變形量很小，因此保證了管坯良好的尺寸精度及力學性能。采用熱張力減徑工藝，并對焊管進行淬火+高溫回火熱處理，不僅消除了焊縫和母材的成分、組織差異，而且降低了套管的殘余應力，提高了套管的抗外壓擠毀性能，并較好地解決了焊縫溝槽腐蝕及H2S腐蝕開裂問題。

3 結論

（1）SEW高抗擠套管的尺寸精度高，焊縫沖擊韌性好，抗擠強度超過同鋼級無縫高抗擠套管10%以上。

（2）SEW高抗擠套管具有良好的抗HIC性能和抗SSCC性能。

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