C110鋼級(jí)套管的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和API規(guī)范的工藝控制要求（下）

李平全，董 仁

（1.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室有限公司，陜西 西安 710032；2.中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開(kāi)發(fā)部，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

4 C110鋼級(jí)套管SSC評(píng)價(jià)試驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 SSC評(píng)價(jià)試驗(yàn)的意義

C110鋼級(jí)的抗硫化氫特性雖比近些年才開(kāi)發(fā)的低酸性環(huán)境用C125鋼級(jí)好［20］，但C110鋼級(jí)開(kāi)發(fā)的初衷?xún)H限于高溫高壓低酸性深井使用，其應(yīng)用應(yīng)十分謹(jǐn)慎?，F(xiàn)在有不少制造廠能一直提供通過(guò)NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A法、A溶液、85%SMYS應(yīng)力條件評(píng)定試驗(yàn)的C110鋼級(jí)產(chǎn)品，對(duì)該產(chǎn)品的驗(yàn)收大多數(shù)用戶也按同樣的NACE標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序進(jìn)行。但是C110鋼級(jí)開(kāi)發(fā)目的始終都是供高溫高壓低酸性深井用，C110鋼級(jí)適用于硫化氫分壓0.07 bar（PH2S以bar為單位，1 bar=0.1 MPa）或較低分壓油氣井的低酸性（Mild Sour）井用［12］。

NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標(biāo)準(zhǔn)中的第10.1.2款［18］規(guī)定：對(duì)于由淬火+回火態(tài)Cr-Mo低合金鋼（AISI 41XX及其改型鋼）制成的材料硬度不大于30 HRC，規(guī)定最低屈服強(qiáng)度為690，720，760 MPa（100，105，110 kpsi），最高屈服強(qiáng)度與最低屈服強(qiáng)度的差值不超過(guò)100 MPa（15 kpsi）。具有NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A法最低SSC/SCC臨界應(yīng)力不低于85%SMYS的C100、C105、C110鋼級(jí)的較高強(qiáng)度酸性用套管，由于NACE試驗(yàn)方法和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果間沒(méi)有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，在技術(shù)上也沒(méi)有支持某一個(gè)最終限制條件的數(shù)據(jù)，因此在ISO 15156-2∶2009標(biāo)準(zhǔn)［21］中，上述HSSS鋼級(jí)套管主要供H2S分壓小于0.07 bar的井中作保護(hù)套管用，該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性附錄A條款A(yù).4.2指出，符合上述規(guī)定、實(shí)際屈服強(qiáng)度不大于896 MPa（130 kpsi）的抗SSC的C110鋼級(jí)油套管適合于低酸性區(qū)環(huán)境使用。

C110鋼級(jí)試樣在北海和墨西哥灣油田預(yù)定適用環(huán)境下的SSC試驗(yàn)如圖6所示，圖中點(diǎn)1（pH4.5-PH2S0.28 bar）、點(diǎn)2（pH4.2-PH2S0.1bar）分別是C110鋼級(jí)在24℃、施加拉應(yīng)力為90%AYS（實(shí)際屈服強(qiáng)度）試驗(yàn)條件下通過(guò)SSC評(píng)價(jià)的墨西哥灣油田和北海油田的兩個(gè)預(yù)定適用環(huán)境［22］，連接1、2兩點(diǎn)的直線可以表示C110鋼的SSC抗力，該鋼對(duì)位于這條直線上或這條直線西北方向的任何條件都具有SSC抗力［20］。C110鋼級(jí)在圖6所示的Ⅱ區(qū)（酸性過(guò)渡區(qū)）和Ⅲ區(qū)（全酸性區(qū)）的應(yīng)用應(yīng)謹(jǐn)慎，API規(guī)范在第5.1、7.14.1款［3］反復(fù)給出完全相同的警示，購(gòu)方宜參考NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于C90、T95和C110鋼級(jí)使用指南，特別關(guān)注C110鋼級(jí)在Ⅲ區(qū)（全酸性區(qū)）的應(yīng)用，C110鋼級(jí)不適合于Ⅲ區(qū)所有環(huán)境使用，尤其是在pH值低于3.5的環(huán)境。C110鋼級(jí)在Ⅲ區(qū)的預(yù)定環(huán)境應(yīng)用，應(yīng)模擬工況進(jìn)行SSC評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

圖6 C110鋼級(jí)試樣在北海和墨西哥灣油田預(yù)定適用環(huán)境下的SSC試驗(yàn)

4.2 SSC抗力評(píng)定的環(huán)境條件

NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A溶液是對(duì)材料直至Ⅲ區(qū)的全酸性區(qū)環(huán)境SSC抗力評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境，但由于試驗(yàn)中在位pH值的漂移，這種溶液不能評(píng)定材料在Ⅲ區(qū)在位pH值低于3.5時(shí)SSC特性；因此NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A法A溶液SSC評(píng)定試驗(yàn)可作為材料特性的一種評(píng)定方法，但不適用于材料SSC抗力在該環(huán)境的合格評(píng)定。有試驗(yàn)研究對(duì)通過(guò)NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A溶液SSC試驗(yàn)的酸性環(huán)境用X65、T95鋼級(jí)兩種材料在濃度50 g/L NaCl+4 g/L CH3COONa的蒸餾水或去離子水水溶液環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格在位pH條件的試驗(yàn)，用PH2S為1 bar的H2S氣體加以飽和并持續(xù)鼓泡。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，試驗(yàn)中持續(xù)監(jiān)控pH值嚴(yán)格等于3.0或3.5，如試驗(yàn)條件要求pH=3.0時(shí)，一旦pH值升高至3.1以上就加入HCl調(diào)整至3.0。兩種鋼級(jí)均通過(guò)pH3.5-PH2S1 bar條件的試驗(yàn)，但在pH3.0-PH2S1 bar條件時(shí)，試驗(yàn)都沒(méi)有通過(guò)［23］，可見(jiàn)在位pH值對(duì)材料SSC抗力的影響，尤其是較高鋼級(jí)抗酸性鋼在Ⅲ區(qū)低pH值區(qū)域的應(yīng)用值得注意。

4.2.1 NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A溶液

NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A溶液是由0.1 MPa H2S飽和的，含NaCl（50 g/L）和醋酸（5.0 g/L）組分的酸性水溶液；是對(duì)材料直至Ⅲ區(qū)（全酸性區(qū)）環(huán)境抗SSC特性評(píng)定用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)環(huán)境。

按程序配制的酸性水溶液最初pH值約為2.7；試驗(yàn)時(shí)，由于腐蝕反應(yīng)，溶液的pH值升高；當(dāng)鐵硫化物析出時(shí)溶液的pH值約穩(wěn)定在3.6，差不多有1個(gè)pH單位的漂移。因此NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A溶液環(huán)境可以繪制在圖6所示的PH2S-pH圖上，它不是單一的點(diǎn)，而是起點(diǎn)在pH2.7，終點(diǎn)在pH3.6的一條線段。

4.2.2 適用性環(huán)境條件

適用性（fit-for-purpose）環(huán)境條件［22］代表預(yù)定井中實(shí)際最差工況的在位pH值和硫化氫分壓PH2S。

該條件是對(duì)材料在預(yù)定適用環(huán)境SSC抗力是否合格、可否使用的SSC適用性評(píng)定環(huán)境條件。這種預(yù)定適用環(huán)境是指PH2S-pH圖上的一個(gè)特定點(diǎn)（如圖6中C110鋼級(jí)適用環(huán)境1、2點(diǎn)）。

適用性環(huán)境條件采用CH3COONa代替A溶液中的醋酸，將NaCl（50 g/L）和CH3COONa（4 g/L）溶入蒸餾水或去離子水中，并采用大氣壓力下混合的H2S/CO2（或H2S/N2混合氣）加以飽和，溶液飽和后通過(guò)持續(xù)鼓泡保持PH2S。如PH2S=0.1 bar，即通過(guò)注入1 bar的10%H2S/90%CO2混合氣體獲得。試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)控溶液的pH值，以強(qiáng)酸（HCl）、醋酸鈉（根據(jù)溶液濃度）或強(qiáng)堿（NaOH）調(diào)整并保持至pH規(guī)定值。對(duì)于特定目的，試驗(yàn)溶液可配不同濃度的氯化物，但通常與NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A溶液的氯化鈉濃度（50 g/L）相同。經(jīng)CH3COONa緩沖的溶液，消除了NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A法溶液試驗(yàn)時(shí)由于腐蝕反應(yīng)，溶液pH值升高的缺點(diǎn)。試驗(yàn)仍采用NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A法拉伸試樣，拉應(yīng)力除可按API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定施加，也可按試件材料的90%AYS施加，pH值模擬現(xiàn)場(chǎng)在位值，試驗(yàn)過(guò)程中pH值穩(wěn)定在較小偏差范圍內(nèi)，在位pH值與高的施加應(yīng)力配合適于預(yù)定使用環(huán)境SSC抗力合格評(píng)定試驗(yàn)用。這種環(huán)境比NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A溶液緩和，但又比較接近油氣田實(shí)際環(huán)境（通常大多井內(nèi)環(huán)境在位pH值高于3.5，H2S分壓小于1 bar），尤其適合于C110高鋼級(jí)套管材料的評(píng)定。這種試驗(yàn)環(huán)境在國(guó)外油氣田得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

4.3 應(yīng)用實(shí)例

C110鋼級(jí)套管已應(yīng)用于水深1 371.6 m（4 500 ft）的墨西哥灣油氣田開(kāi)發(fā)［12］。該油氣田儲(chǔ)層壓力70 MPa（10 kpsi），地層溫度51.7～57.2℃（125～135℉），飽和壓力19.3～26.9 MPa（2 800～3 900 psi），CO2含量（體積分?jǐn)?shù)）1.0%，采用注水維持壓力。儲(chǔ)層酸化模擬顯示：儲(chǔ)層酸化可出現(xiàn)H2S產(chǎn)出物，其中一口井的最大含量為0.06%，而另一口井的含量可達(dá)到0.13%。

C110鋼級(jí)材料按美國(guó)BP公司酸性用套管規(guī)定要求進(jìn)行抗SSC評(píng)定。BP公司材料指南規(guī)定試驗(yàn)按NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A法，修正的試驗(yàn)溶液采用總壓力1 bar H2S/CO2混合氣加以飽和，混合氣中的H2S分壓按井內(nèi)氣相中的H2S分壓，試驗(yàn)溶液的pH值調(diào)整為儲(chǔ)層采出液有關(guān)的水相在位pH值，施加應(yīng)力為材料的90%AYS條件進(jìn)行。

井內(nèi)氣相的H2S分壓是基于飽和壓力計(jì)算，H2S分壓0.025～0.035 MPa（0.25~0.35 bar）；該兩儲(chǔ)層的采出液水相pH值為3.66～3.78。試驗(yàn)條件選擇考慮了兩井中氣相H2S分壓的變化，H2S分壓的建立不隨時(shí)間的變化而變化。適用環(huán)境條件和試驗(yàn)條件見(jiàn)表5。

試驗(yàn)溶液為去離子水溶入5%NaCl和0.4 g/L CH3COONa（對(duì)于H2S分壓0.027 5 bar或0.175 bar的試驗(yàn)）或5%NaCl和0.4 g/L水溶液（對(duì)于H2S分壓0.35 bar的試驗(yàn)），并用HCl調(diào)整至起始pH值3.7。試驗(yàn)分別用2.75%、17.50%、35.0%H2S與 CO2（余量）在大氣壓力下的混合氣體中進(jìn)行。試驗(yàn)期間加CH3COONa以保持pH值接近起始值。

供這個(gè)油田用的C110鋼級(jí)套管所有爐批都在80%SMYS應(yīng)力條件下通過(guò)NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A法、A溶液的實(shí)驗(yàn)室SSC評(píng)定試驗(yàn)。模擬工況條件的適用環(huán)境SSC評(píng)定試驗(yàn)采用Φ193.7 mm×12.7 mm和Φ244.5 mm×13.84 mm的C110鋼級(jí)套管?？v向試樣的取樣位置在鋼管壁厚中部。每一批、每一試驗(yàn)條件取2個(gè)試樣。經(jīng)720 h（30 d）的試驗(yàn)，除1個(gè)爐批（轉(zhuǎn)換硬度值為27.7~28.8 HRC）在H2S分壓0.35 bar下的試驗(yàn)接近400 h后失效外，其余5個(gè)爐批在H2S分壓0.027 5，0.175 0，0.350 0 bar下都通過(guò)BP公司修正程序試驗(yàn)，符合NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的要求；因此考慮將C110鋼級(jí)套管作為抗H2S開(kāi)裂材料供油氣田完井用。

圖7、圖8和表6、表7是該油田應(yīng)用C110鋼級(jí)套管的有代表性油氣井管柱設(shè)計(jì)及參數(shù)實(shí)例［12］。例1（圖7和表6）的中間套管1和回接生產(chǎn)襯管分別采用 Φ335.60 mm×17.00 mm（Φ14.000 in×0.700 in）和 Φ273.05 mm×20.96 mm（Φ10.750 in×0.825 in）規(guī)格的C110鋼級(jí)套管；例2（圖8和表7）的回接生產(chǎn)套管采用的是Φ193.68 mm×15.88 mm（Φ7.625 in×0.625 in）規(guī)格的C110鋼級(jí)套管。

表5 適用環(huán)境條件和試驗(yàn)條件

5 結(jié) 論

（1）C110鋼級(jí)酸性用鋼為AISI 41XX及其改型鋼，普遍采用超低P、超低S細(xì)晶化鋼，采用鋼包精煉工藝、真空脫氣、成分均勻化、減少夾雜物工藝和夾雜物變態(tài)鈣處理技術(shù)，以及減少連鑄坯偏析、改善鑄坯質(zhì)量的工藝措施，使該鋼具有良好、均勻的化學(xué)特性。精確的爐溫控制和高效力、冷卻

速度控制均勻的淬火系統(tǒng)的采用，對(duì)于管體、接箍全壁厚范圍內(nèi)，直至鋼與硫化氫接觸的內(nèi)壁表面獲得均勻、細(xì)小的全馬氏體+回火顯微組織是非常重要的。C110鋼級(jí)管體、接箍全壁厚范圍內(nèi)均勻、細(xì)小的全馬氏體顯微組織，以及盡可能高的回火溫度，是獲得良好SSC抗力的必要條件。冶金學(xué)和鋼管制造技術(shù)的進(jìn)步，使C110鋼級(jí)抗酸性高強(qiáng)度鋼的開(kāi)發(fā)獲得成功。

圖7 應(yīng)用C110鋼級(jí)套管的代表性油氣井管柱設(shè)計(jì)實(shí)例1

圖8 應(yīng)用C110鋼級(jí)套管的代表性油氣井管柱設(shè)計(jì)實(shí)例2

表6 管柱設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)例1

表7 管柱設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)例2

（2）C110鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，必須與產(chǎn)品規(guī)格、熱處理爐的溫度控制、淬火系統(tǒng)的冷卻效力相配合，使產(chǎn)品從里至外全壁厚完全淬透獲得全馬氏體組織。淬透性試驗(yàn)（淬火橫截面硬度試驗(yàn)）是證明鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)和淬火加熱爐以及所采用淬火系統(tǒng)效力相匹配、獲得可接受的最低淬透性的定量評(píng)定。淬火橫截面硬度試驗(yàn)是更適合于材料生產(chǎn)的接受/拒收準(zhǔn)則。

（3）C110鋼級(jí)拉伸屈服強(qiáng)度的控制“窗口”僅70 MPa（10 kpsi），是使鋼的SSC抗力最大化的措施，應(yīng)控制屈服強(qiáng)度在“窗口”的中下限?？裳a(bǔ)充統(tǒng)計(jì)拉伸試驗(yàn)控制要求。硬度檢測(cè)是直接評(píng)定每一批每一根鋼管、壁厚每一位置（OD、MW、ID）屈服強(qiáng)度分布均勻性的一種經(jīng)濟(jì)方法。

（4）硬度檢測(cè)不僅在套管生產(chǎn)工藝控制方面起重要作用，在SSC評(píng)定試驗(yàn)中的作用也不可替代。全壁厚硬度試驗(yàn)、表面硬度控制檢驗(yàn)是SSC評(píng)定試驗(yàn)試樣抽取的重要準(zhǔn)則，是加快篩除SSC試驗(yàn)不能通過(guò)的產(chǎn)品，捕獲每批必選鋼管的有效方法。根據(jù)硬度檢測(cè)結(jié)果，可對(duì)SSC試驗(yàn)是否能通過(guò)進(jìn)行預(yù)判，有助于對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)判。雖然NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003和 API規(guī)范規(guī)定C110鋼級(jí)的最終回火硬度須控制在不超過(guò)30 HRC，但實(shí)際上要具有好的SSC抗力必須具有相對(duì)低的硬度值。

（5）C110鋼級(jí)SSC評(píng)定試驗(yàn)按API規(guī)范和NACE TM 0177—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用A、D法進(jìn)行。SSC評(píng)定試驗(yàn)是產(chǎn)品質(zhì)量控制的方法，是評(píng)定在規(guī)定環(huán)境條件下材料特性的方法，而不是評(píng)定材料在任何特定酸性環(huán)境應(yīng)用是否合格的方法。適用環(huán)境SSC試驗(yàn)評(píng)定適于材料在預(yù)定使用環(huán)境SSC抗力是否合格、可否使用的評(píng)定。通過(guò)NACE TM 0177—2005標(biāo)準(zhǔn)A法A溶液 SSC評(píng)定試驗(yàn)的C110鋼級(jí)，不一定能通過(guò)預(yù)定適用環(huán)境SSC試驗(yàn)評(píng)定。

（6）開(kāi)發(fā)C110鋼級(jí)套管的目的是供高溫高壓低酸性深井用。目前，C110鋼級(jí)套管已在北海和墨西哥灣某些高溫高壓低酸性深井中應(yīng)用。但C110鋼級(jí)套管不適合于在NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅲ區(qū)即全酸性區(qū)環(huán)境下使用。C110鋼級(jí)套管在預(yù)定酸性環(huán)境的應(yīng)用，應(yīng)通過(guò)模擬適用環(huán)境SSC評(píng)定試驗(yàn)確定。

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（續(xù) 完）