服役速度管柱性能分析*

李鴻斌，畢宗岳，余 晗，張曉峰，汪海濤

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

服役速度管柱性能分析*

李鴻斌1，2，畢宗岳1，2，余 晗1，2，張曉峰1，2，汪海濤1，2

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

為更好了解氣井內(nèi)服役后速度管柱的性能，起出了某氣井內(nèi)服役3年的速度管柱，分別截取井口位置及井底位置管段，進(jìn)行了外觀、壁厚、金相和力學(xué)性能等檢測。檢測結(jié)果表明：該井況下的速度管柱經(jīng)過3年服役后，管體為均勻腐蝕，焊縫性能無劣化，管樣拉伸性能、壓扁、擴(kuò)口、靜水壓試驗(yàn)仍滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求，管樣的疲勞性能也無明顯降低。表明在該井況環(huán)境下國產(chǎn)速度管柱經(jīng)過3年服役后，管體性能仍能滿足繼續(xù)服役的要求。

焊管；連續(xù)油管；速度管柱；服役；疲勞；性能；腐蝕

由于我國區(qū)域內(nèi)的氣井進(jìn)入開采后期會出現(xiàn)井底壓力降低，產(chǎn)水量增加，產(chǎn)氣量減少，氣井?dāng)y液能力變差等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約氣井后期生產(chǎn)[1-2]。速度管柱排水采氣技術(shù)，無需輔助排水措施且攜液能力強(qiáng)，為低壓、低滲透氣井排水采氣提供了一條新的技術(shù)途徑[3-4]。連續(xù)油管用作速度管柱，通過減小流體流動(dòng)面積，增大流體流速，提高了氣井的排液能力，使氣井增產(chǎn)效果顯著。國外速度管柱排水采氣技術(shù)應(yīng)用較早、技術(shù)成熟，每年實(shí)施達(dá)1 500井次以上，最大下入深度達(dá)到6 248.4m[5]。該技術(shù)在歐洲大陸及海上均有應(yīng)用，可節(jié)約費(fèi)用近65％。近年來，隨著寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)連續(xù)管產(chǎn)品，速度管柱排水采氣技術(shù)在長慶油氣田和四川氣田已經(jīng)開展應(yīng)用[6-14]，并取得了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

速度管柱懸掛深度達(dá)數(shù)千米以上，其受力狀況復(fù)雜，再加上高礦化度地層水和油氣中腐蝕性介質(zhì)的作用，管柱在井下服役過程中可能發(fā)生坑蝕、穿孔、裂縫、變形及腐蝕減薄等損傷，導(dǎo)致氣井不能正常生產(chǎn)，甚至停產(chǎn)，從而造成經(jīng)濟(jì)損失[15-16]。由于我國速度管柱排水采氣技術(shù)起步較晚，對于氣井內(nèi)服役后的管柱性能未開展過實(shí)驗(yàn)研究。本研究以某氣井內(nèi)服役3年的速度管柱為研究對象，該服役管柱規(guī)格為φ38.1mm×3.18mm，鋼級為CT70，管柱全長約3 200多米。分別截取井口位置及井底位置管柱，對速度管柱樣管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室性能分析，以便了解服役后國產(chǎn)速度管柱性能的可靠性，為更好推廣和應(yīng)用速度管柱排水采氣技術(shù)做基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

起出井內(nèi)服役3年的速度管柱，分別截取于井口和井底處管樣各20m，按照相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)對所截取的管樣進(jìn)行試樣制備及檢測分析。用ZIWCK1200型試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM A370—2009《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的方法和定義》進(jìn)行整管拉伸試驗(yàn)，試樣規(guī)格φ38.1mm×3.18mm×450mm；按照API SPEC 5ST《連續(xù)油管規(guī)范》進(jìn)行擴(kuò)口和壓扁試驗(yàn)，試樣規(guī)格φ38.1mm×3.18mm×101.6mm；按照API SPEC 5ST《連續(xù)油管規(guī)范》要求，進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，試樣規(guī)格為φ38.1mm×3.18mm×2 500mm；采用PX-7超聲波測厚儀對管樣進(jìn)行壁厚檢測；按照GB/T 4340.1—2009，使用Leica DMI5000M金相顯微鏡及Durascan 70硬度計(jì)對管樣進(jìn)行顯微組織及硬度分析；用PLW-100型疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，試樣規(guī)格為φ 38.1mm×3.18mm×1 524mm，彎曲模半徑為1 219mm，管樣在內(nèi)壓為34.47MPa下反復(fù)進(jìn)行“彎曲-拉直-彎曲”循環(huán)疲勞試驗(yàn)，并記錄疲勞循環(huán)次數(shù)，直到試樣出現(xiàn)裂紋或漏水，結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外觀及壁厚

國產(chǎn)速度管柱在某井內(nèi)經(jīng)過3年服役，井口和井底處管柱內(nèi)、外表面腐蝕形貌如圖1所示。井口管樣表面雖有銹跡，但銹層較淺，屬于管體表面一層浮銹，管體外壁光滑，無明顯腐蝕產(chǎn)物、無劃傷、凹坑、點(diǎn)蝕現(xiàn)象；刨開井口管樣觀察管體內(nèi)壁，內(nèi)壁光滑，無明顯腐蝕產(chǎn)物，管體焊縫處腐蝕狀況與管體無明顯差異，焊縫處無溝腐蝕及選擇性腐蝕。井底管樣內(nèi)、外表面腐蝕的情況較井口管樣嚴(yán)重；管壁外表面有一層腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕較輕微，無點(diǎn)蝕現(xiàn)象，屬于均勻腐蝕，管壁無劃傷、凹坑現(xiàn)象；刨開井底管樣觀察管體內(nèi)壁，有銹跡生成，較管體外壁腐蝕更輕微，為均勻腐蝕，管體焊縫處腐蝕狀況與管體無明顯差異，焊縫處無溝腐蝕及選擇性腐蝕。

用機(jī)械法清洗管樣，采用PX-7超聲波測厚儀檢測管樣壁厚，壁厚測量位置如圖2所示，測量結(jié)果見表1。由表1可知，管體實(shí)際壁厚均大于管體規(guī)定壁厚且滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 井口和井底管樣內(nèi)、外表面宏觀形貌

由于無法得知原始壁厚，所以只能按照理論推斷其管柱腐蝕速率。假設(shè)管子原始壁厚為最大壁厚公差上限，即3.48mm，而實(shí)測壁厚最小值為3.220mm，此盤速度管柱在井下服役時(shí)間為3年，估算得到的管柱最大腐蝕速率為(3.48-3.22)÷3≈0.087mm/a。

圖2 壁厚測量位置示意圖

表1 管樣壁厚測量結(jié)果

2.2 顯微組織及硬度

管樣焊縫及母材顯微組織如圖3所示,可見管材組織為多邊形鐵素體和細(xì)小的珠光體組成，母材晶粒度為12級，焊縫晶粒度為10.5級，帶狀組織為1.5級。該盤速度管柱經(jīng)過3年服役，管材焊縫及母材組織未發(fā)生變化，無異常組織、無組織退化現(xiàn)象。硬度檢測結(jié)果見表2，可以看出，管樣母材、焊縫及熱影響區(qū)的維氏硬度均小于248 HV10，滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 管樣焊縫及母材組織形貌

表2 硬度檢測結(jié)果 HV10

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 整管拉伸試驗(yàn)

整管拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表可見，井口管樣的縱向屈服強(qiáng)度Rt0.5均值為488MPa，抗拉強(qiáng)度Rm均值為603MPa，伸長率A均值為31％；井底管樣的縱向屈服強(qiáng)度均值為492MPa，抗拉強(qiáng)度均值為583MPa，伸長率均值為33％。

由檢測結(jié)果可知，服役3年后的速度管柱拉伸性能仍滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求，可見在該井況條件下，該速度管柱腐蝕較輕，未有因腐蝕缺陷而造成的強(qiáng)度明顯減弱。井口管樣及井底管樣的屈服強(qiáng)度低于出廠檢測值，是由于速度管柱在運(yùn)輸過程中卷曲在卷筒上，以及速度管柱在單次下入井內(nèi)的過程中要經(jīng)過3次彎曲和變值的變化，使管柱受到的塑性變型，由于包申格效應(yīng)等原因使得服役管柱屈服強(qiáng)度有所降低。

表3 整管縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 擴(kuò)口、壓扁試驗(yàn)

擴(kuò)口試驗(yàn)采用60°錐頭，擴(kuò)口率為25％，管口母材及焊縫均未出現(xiàn)裂紋；管樣壓扁試驗(yàn)，分別壓至板間距離為32.1mm和2倍壁厚距離時(shí)，焊縫及母材均未出現(xiàn)任何裂紋，管樣擴(kuò)口及壓扁試驗(yàn)均滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求。由檢測結(jié)果可知，服役3年后的速度管柱仍具有良好的塑性，且焊縫質(zhì)量較好。

2.3.3 靜水壓及爆破試驗(yàn)

對井口及井底管樣進(jìn)行了靜水壓試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)。靜水壓試驗(yàn)是根據(jù)API SPEC 5ST《連續(xù)油管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)壓力為61.1MPa，保壓時(shí)間為15min。在靜水壓試驗(yàn)過程中壓力降未超過1.4MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。靜水壓試驗(yàn)后對管樣進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4和表4，管樣水壓爆破斷口形貌如圖5所示。

由表4可以看出，井口與井底管樣的屈服壓力、最大壓力和爆破壓力值相當(dāng)，且屈服壓力和最大壓力均大于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值。服役后管柱承壓能力較高，表明管體為均勻腐蝕，沒有因點(diǎn)蝕或坑蝕造的壁厚減??；爆破斷口均位于管體母材，說明服役后管柱的焊縫性能沒有因腐蝕而造成劣化。

圖4 管樣水壓爆破試驗(yàn)壓力曲線

表4 管樣水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖5 管樣水壓爆破斷口形貌

2.3.4 疲勞性能

管樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表可見，井口管樣平均疲勞次數(shù)明顯高于井底管樣疲勞次數(shù)，且井底管樣失效位置為管體母材。由此可見，管柱經(jīng)服役后，井底實(shí)際的工況環(huán)境對速度管柱疲勞性能影響顯著，在井底溫度、壓力、腐蝕環(huán)境的共同作用下使得井底處管樣疲勞性能有所降低。但對比同規(guī)格、同鋼級未經(jīng)服役管柱的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，該盤速度管柱疲勞性能無明顯降低，按照井底管樣疲勞次數(shù)平均值115次進(jìn)行估算，該盤速度管柱仍能滿足再次下井的要求。

表5 管樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果與討論

本次起出速度管柱的氣井，井內(nèi)為氯化鈣水型，Cl-含量為8567mg/L，總壓力為6MPa，CO2分壓為0.1MPa，井內(nèi)不含有H2S氣體。國產(chǎn)速度管柱在該井況下經(jīng)過3年服役，通過對井口和井底處樣管分析，可以看出：管體內(nèi)、外表面基本光滑，無明顯的點(diǎn)蝕孔或坑，屬于均勻腐蝕；管材焊縫及母材組織未發(fā)生變化，無異常組織、無組織退化現(xiàn)象；管體拉伸、壓扁、擴(kuò)口及靜水壓試驗(yàn)均滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求且管柱疲勞性能無明顯降低。綜合以上檢測結(jié)果，該盤速度管柱經(jīng)過3年服役后整體性能無明顯降低，仍能滿足再次下井服役的要求；說明國產(chǎn)速度管柱在該井況下服役性能可靠，為國產(chǎn)速度管柱在該區(qū)域大規(guī)模推廣、應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為我國其他氣田推廣、應(yīng)用國產(chǎn)速度管柱提供一定的數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié) 論

(1)井口及井底管樣的內(nèi)、外表面形貌，無明顯的點(diǎn)蝕孔或坑，管體為均勻腐蝕，管體焊縫處無溝腐蝕及選擇性腐蝕。

(2)井口及井底管樣的拉伸、壓扁、擴(kuò)口性能滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)管材焊縫及母材金相組織無異常，硬度檢測滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)井口及井底管樣靜水壓試驗(yàn)滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求，水壓爆破壓力大于114MPa。

(5)井口管樣的疲勞次數(shù)均值為163次，井底管樣的疲勞次數(shù)均值為115次，管柱疲勞性能無明顯降低。

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Performance Analysis on Service Velocity String

LI Hongbin1,2，BI Zongyue1,2，YU Han1,2，ZHANG Xiaofeng1,2，WANG Haitao1,2
(1.National Petroleum and Gas Tubular Goods Engineering Technology Research Center，Baoji 721008，Shaanxi，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi，China)

In order to better understand the velocity string performance in the gas well after service,the velocity string in a gas well served for 3 years was pulled out.It sampled from wellhead position and bottom location respectively to carry out performance tests,including appearance,wall thickness,metallographic,mechanical test,etc.The results showed that the velocity string after 3 year service,the pipe body was uniform corrosion,the weld properties were without deterioration.The tensile performance,flattening,expanding and hydrostatic test of sample pipe can still satisfy the requirements of API SPEC 5ST standard,and the fatigue performance did not decrease obviously.It indicated that under this well condition the velocity string after 3 years of service,the performance of pipe body can still meet the requirements of continuous service.

welded pipe；coiled tubing(CT);velocity string;service;fatigue;performance;corrosion

TE931.2

B

1001-3938(2015)03-0052-05

連續(xù)管制造檢測技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化研究(2011CZB-001)。

李鴻斌(1984—)，男，工程師，主要從事連續(xù)管新產(chǎn)品研發(fā)等工作。

2014-09-03

羅 剛