中原油田鹽層段用T P 155 V鋼級特殊規(guī)格石油套管的開發(fā)

曹青山，李恒政，盧小慶，王 正，扈 立，韓林志

（1.中石化中原油田分公司供應(yīng)處，河南濮陽457001；2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301；3.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都610500）

1 引言

中原油田處于東濮凹陷地質(zhì)構(gòu)造帶上，該地區(qū)各油氣層的頂部往往覆蓋著鹽、膏、泥等重復(fù)交替的復(fù)雜鹽層。鹽層覆蓋面積大、斷層多，厚薄和傾角多變，地層極易蠕動、溶化、坍塌，從而對套管造成極大的擠壓力[1]。特殊的地質(zhì)構(gòu)造造成中原油田套管損壞嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計[2]，從1979年到2003年11月底，中原油田累計套損井1465口，占生產(chǎn)總井?dāng)?shù)的31.31%，其中鹽層段套損井?dāng)?shù)占套損總井?dāng)?shù)的74.46%，造成了極大損失。

為解決鹽層段套損難題，中原油田做了大量工作，采取提高鹽層段固井質(zhì)量[3]及使用壁厚套管封堵鹽層[4]等措施，逐步緩解了鹽層段套管大量失效的問題。但厚壁套管封堵鹽層的設(shè)計，因其套管壁厚、剛度大，且接箍外徑大，套管外環(huán)空間小，下套管過程中遇卡嚴(yán)重，嚴(yán)重影響油田的鉆井作業(yè)。針對這種情況，對套管進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了TP155V特殊規(guī)格的石油套管，保證滿足抗擠毀能力同時，解決下套管過程中遇卡的問題。

2 中原油田鹽層套管使用情況

中原油田38個區(qū)塊的地應(yīng)力研究結(jié)果表明[5]，有40%的區(qū)塊相當(dāng)?shù)貞?yīng)力大于90 MPa，部分區(qū)塊的相當(dāng)?shù)貞?yīng)力為119.76 MPa，如果考慮到非均勻載荷，鹽層蠕動及鉆井工程設(shè)計安全系數(shù)和使用壽命，中原油田許多區(qū)塊鹽層段套管的許用抗擠毀強(qiáng)度需要達(dá)到162.0 MPa，為滿足抗擠毀性能要求，前期曾設(shè)計了?152.40×16.90 mm TP130TT超厚壁套管，其抗擠毀強(qiáng)度為167.0 MPa，雖然抗擠毀性能滿足要求，但套管壁厚，剛度大，接箍外徑（7 in）過大，導(dǎo)致該套管在使用過程中遇卡嚴(yán)重，影響油田施工。綜合各方面情況，對套管進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了?141.62×11.50 mm TP155V特殊規(guī)格的石油套管。

3 T P 155 V鋼級特殊規(guī)格石油套管設(shè)計

早在20世紀(jì)30年代，美國石油學(xué)會便開始研究套管的抗擠問題，采用理論分析和實驗修正的方法，研究出一整套有關(guān)套管使用性能的計算公式，并形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)API給出的套管抗擠毀公式[6]，不同的擠毀公式中，套管的抗擠毀強(qiáng)度都與材質(zhì)的屈服強(qiáng)度成正比，即屈服強(qiáng)度高，套管的抗擠毀性能高，API的公式只考慮了套管的屈服強(qiáng)度、外徑與壁厚比，而沒考慮其他因素的影響，如套管橢圓度，壁厚不均度、殘余應(yīng)力等。至今，已經(jīng)從不同的角度，系統(tǒng)研究影響套管抗擠毀強(qiáng)度的因素，研究表明[7-10]，控制套管的橢圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力等，可以有效的提高套管的抗擠毀性能。采油工具的尺寸要求套管的內(nèi)徑不小于118.60 mm，鉆頭的尺寸限制套管的外徑，不能僅靠提高套管的壁厚來滿足抗擠毀性能要求，綜合考慮各方面因素進(jìn)行套管設(shè)計。

3.1 套管幾何參數(shù)設(shè)計

管體外徑：D=141.62 mm；管體壁厚：t=11.50 mm；內(nèi)徑：d=118.62 mm。

接箍外徑：W=153.67 mm；套管橢圓度：≤0.5%壁厚不均度：≤12%。

管體彎曲度不大于鋼管全廠0.15%。

3.2 套管性能參數(shù)設(shè)計

屈服強(qiáng)度 Rt0.7：1068～1275 MPa，抗拉強(qiáng)度：≥1138 MPa，延伸率：≥13%；

沖擊功（CVN）：0℃縱向全尺寸≥80 J；

抗擠毀強(qiáng)度：≥168 MPa。

新設(shè)計的套管相比原來使用的TP130TT鋼級套管，套管壁厚減少5.40 mm，降低了管柱的剛度；接箍外徑減少24.13 mm，大大增加了套管外環(huán)的空間，解決了下套管過程中遇卡的問題，且上下管柱之間可以直接連接，無需轉(zhuǎn)換，提高了效率。通過提高套管的屈服強(qiáng)度，控制幾何尺寸的精度，通過工藝控制減少套管的殘余應(yīng)力等，確保了套管達(dá)到超高的抗擠毀性能。

4 套管實際性能控制

4.1 套管性能指標(biāo)

經(jīng)過檢驗，TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管的各項材料性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，其屈服強(qiáng)度、沖擊韌性如圖1、圖2所示。

圖1 T P 155 V鋼級特殊規(guī)格套管的屈服強(qiáng)度

圖2 T P 155 V鋼級特殊規(guī)格套管的沖擊功

由圖2可以看出，TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管材料性能的控制，不僅屈服強(qiáng)度保證達(dá)到155 ksi（1068 MPa），同時縱向全尺寸0℃韌性沖擊都大于90 J，確保了材質(zhì)的高強(qiáng)度高韌性。一般情況下，管材的強(qiáng)度越高，其沖擊韌性就越低，TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管通過合理的成分設(shè)計，添加含量較高的Cr、Mo、Mn等元素來提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，添加V等微合金元素提高其沖擊韌性；通過冶煉及真空處理技術(shù)使得O、N、H氣體及S、P等有害元素降到很低的水平；并通過Ca處理改變鋼種夾雜物的大小和形狀，使由于夾雜物引起沖擊韌性降低的影響因素降到最低；通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，使其?qiáng)度和韌性實現(xiàn)良好匹配，保證超高強(qiáng)度的同時，使其還具有良好的韌性。

4.2 套管幾何尺寸

為滿足工程設(shè)計的需要，保證TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管高強(qiáng)高韌的材質(zhì)性能的同時，必須嚴(yán)格控制其幾何尺寸精度。隨機(jī)抽取8支管材，測量并統(tǒng)計其軋制幾何尺寸精度，如表1所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看到，TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管的軋制精度達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

文獻(xiàn)表明[11]，套管的橢圓度控制在小于0.5%，壁厚不均度控制在小于10%都可以明顯提高其抗擠毀性能；表1中的數(shù)據(jù)表明，TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管實際幾何尺寸精度控制在很高的水平，有利于保證其良好的抗擠毀性能。

表1 T P 155 V鋼級特殊規(guī)格石油套管的軋制幾何尺寸

4.3 套管殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力對套管抗擠毀性能的研究表明[12]，只要殘余應(yīng)力存在，都對套管的抗擠毀性能有不利影響，而且殘余應(yīng)力的影響明顯高于橢圓度和壁厚不均度對套管抗擠毀性能的影響程度。套管生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的環(huán)節(jié)主要有兩處：一是軋制、減定徑及矯直過程中由于不均勻變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；二是在熱處理過程中，特別是淬火過程中的不均勻相變引起的殘余應(yīng)力；通過優(yōu)化控制軋制及熱處理工藝，減少不均勻變形及不均勻相變，控制殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，通過回火處理盡可能消除前期產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時提高回火后的熱矯直溫度等，減少回火后殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。隨機(jī)取樣，利用開縫法對TP155V鋼級特殊規(guī)格石油的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，測量方法按（1）式計算[13-14]，結(jié)果見表 2。

表2 T P 155 V鋼級特殊規(guī)格石油套管殘余應(yīng)力

式中：D0為開縫前的外徑平均值 {=（D01+D02+D03）/3}，mm；Df為開縫后的外徑平均值 {=（Df1+Df2+Df3）/3}，mm；V 為泊松系數(shù) 0.30；E 為彈性模量，MPa，取E=20.6×104 MPa；t為平均壁厚；σr為殘余應(yīng)力。

由表2中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管的殘余應(yīng)力控制在較低的水平范圍內(nèi)，這也是保證其抗擠毀性能的關(guān)鍵之一。

4.4 套管抗擠毀性能

生產(chǎn)過程中隨機(jī)抽取樣管做抗擠毀性能試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 T P 155 V鋼級特殊規(guī)格石油套管抗擠毀試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示當(dāng)外壓達(dá)到25402 psi（175.18 MPa）時，試驗樣管發(fā)生擠毀變形，為中原油田鹽層段設(shè)計的TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管抗擠毀性能完全達(dá)到設(shè)計指標(biāo)168 MPa，具有超高抗擠毀性能。

5 油田使用情況

2009年 8月 6日，?141.62×11.50 mm TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管在中原油田文269-20井正式下井使用，用來封堵該井2482～2579 m處的高壓鹽層，整個下井、試壓、固井施工過程順利，該油田各區(qū)塊鹽層段套管開始陸續(xù)采用TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管，據(jù)統(tǒng)計，截至2012年底，累計采購該套管1488.6 t，在約130口以上的鹽層井中使用，使用效果良好，解決了鹽層段套管失效嚴(yán)重的技術(shù)難題，及超厚壁套管下井遇卡、固井效果差的施工難題；同時也減少了管柱的連接轉(zhuǎn)換，減輕了管串的重量，因而節(jié)約了鉆井施工成本。

6 結(jié)論

天津鋼管公司開發(fā)的中原油田鹽層段用TP155V鋼級特殊規(guī)格石油套管具有以下特點：

（1）套管具有超高的強(qiáng)度與韌性，幾何尺寸精度高，殘余應(yīng)力低，抗擠毀能力超過了168.0 MPa，完全滿足中原油田鹽層段套管抗擠毀性能的要求。

（2）相比前期鹽層段使用的套管，研制的TP155V套管外徑小，壁厚薄，從而減少管柱的剛度及管串的重量，增加了套管外環(huán)的間隙；解決了下套管過程遇卡的難題，同時可以提高鹽層段固井的質(zhì)量。

（3）特殊的套管設(shè)計，使鹽層上下套管之間不需要轉(zhuǎn)換，可以直接使用，節(jié)約了鉆井施工成本，便于現(xiàn)場推廣使用。

[1]王德良.中原油田套管損壞原因分析及預(yù)防[J].石油鉆探技術(shù)，2003，31（2）：36-38.

[2]賈宗華，楊進(jìn)京.T P 130 T T套管封鹽膏層技術(shù)應(yīng)用[J].國外石油工程，2004，20（5）:37-39.

[3]王木樂，宋勝利.中原油田套管損壞原因及防治措施[J].石油機(jī)械，2004，32（特刊）:26-28.

[4]宋勝利，王海濤.中原油田鹽巖蠕變規(guī)律研究及套管損壞預(yù)防措施[J].石油學(xué)報，2005，26（2）:119-121.

[5]宋明.T P 130 T T高抗擠毀套管的研制與應(yīng)用[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報，2002，24（2）:88-105.

[6]ISO TC67，ISO/DIS 10400，Petroleum and Natural Gas Industries-Formulas and Calculations for Casing，Tubing，Drill Pipeand Line Pipe Properties[S].

[7]王建軍，林凱.幾何尺寸影響下得高鋼級套管擠毀變形探討[J].石油機(jī)械，2010，38（3）:72-74.

[8]韓建增，張先普.殘余應(yīng)力對套管抗擠強(qiáng)度影響的有限元分析[J].鉆采工藝，2006，35（5）:1-4.

[9]Huang X，Mihsein M，Kibble K，et al. Collapse strength analysisof casing design using nite element method [J]. International Journalof Pressure Vessels and Piping，2000（77）：359-367.

[10]郝俊芳，龔偉安.套管強(qiáng)度技術(shù)與設(shè)計[M].北京：石油工業(yè)出版社，1987:1-15.

[11]婁琦，張廣路.套管抗擠毀強(qiáng)度主要影響因素試驗研究[J].石油礦場機(jī)械，2012，41（6）:38-42.

[12]楊勇，張毅.國產(chǎn)高抗擠套管殘余應(yīng)力的研究[R].中石油西安管材研究所研究報告，1997.

[13]張毅，宋箭平，陳建初.抗擠毀套管的試驗研究（上）——殘余應(yīng)力、平均壁厚、屈服強(qiáng)度對臨近抗擠強(qiáng)度的影響[J].鋼管，2002，31（1）:13-16.

[14]張毅，宋箭平，陳建初.抗擠毀套管的試驗研究（下）——殘余應(yīng)力、平均壁厚、屈服強(qiáng)度對臨近抗擠強(qiáng)度的影響[J].鋼管，2002，31（2）:13-16.