2205DSS連續(xù)油管的適用性研究

高潤(rùn)秋，段建良，董 健，張雅麗，董明路，韓 森

(信達(dá)科創(chuàng)(唐山)石油設(shè)備有限公司 河北 唐山 063000)

0 引 言

為了提高油田井下作業(yè)施工的施工質(zhì)量和采油效率，連續(xù)油管以其顯著優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于井下作業(yè)中[1]。其傳統(tǒng)上以低碳合金鋼作為制管原材，相較于同類碳素鋼，它的金屬?gòu)?qiáng)度較高、塑韌性能較好，并具有優(yōu)良的焊接性以及冷熱壓力加工性，并且在復(fù)雜的井下環(huán)境工作中，相較于同類碳素鋼具有較好的耐蝕性能。但在實(shí)際應(yīng)用的過程中，連續(xù)油管承受擠壓、扭折、反復(fù)纏繞等復(fù)雜載荷及強(qiáng)酸和高壓的井下環(huán)境，因而連續(xù)油管的材料不僅應(yīng)具有較好的強(qiáng)度和韌性，還應(yīng)具有較好的耐腐蝕性能[2]。本文以2205雙相不銹鋼(簡(jiǎn)稱2205DSS)為原材料制造連續(xù)油管，與CT鋼管的力學(xué)性能、顯微組織、疲勞性能及抗蝕能力進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，分析研究2205DSS材料的連續(xù)油管在油氣井中的適用性。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)樣品制備

1.1 原材料化學(xué)分析

在CT80級(jí)、CT90級(jí)、CT100級(jí)、CT110級(jí)和2205DSS原材上取100 mm×50 mm×3.95 mm的試驗(yàn)樣品，利用試驗(yàn)設(shè)備Labspark1000直讀光譜儀，對(duì)試驗(yàn)用連續(xù)油管原材料鋼帶樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可見，連續(xù)油管原材料鋼帶樣品的化學(xué)成分符合API Spec 5ST-2010 R2015《Specification for Coiled Tubing》和ASTM A789/A789M-18《Standard Specication for Seamless and Welded Ferritic/Austenitic Stainless-Steel Tubing for General Service》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 試驗(yàn)管原材化學(xué)分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 連續(xù)油管熱處理生產(chǎn)工藝

采用低變形、高精度、不需填充金屬及焊接熱影響區(qū)小的激光焊接設(shè)備，制備CT80級(jí)、CT90級(jí)、CT100級(jí)、CT110 級(jí)和2205DSS材料的外徑為 50.8 mm、壁厚為4.0 mm的連續(xù)油管[3]。

為了滿足使用要求，對(duì)CT80級(jí)、CT90級(jí)、CT100級(jí)、CT110連續(xù)油管進(jìn)行正火及回火熱處理，其中CT80級(jí)回火溫度為600 ℃，CT90級(jí)、CT100級(jí)、CT110管回火溫度為550 ℃。對(duì)2205連續(xù)油管采用固溶退火的熱處理工藝。熱處理工藝如圖1所示。

圖1 熱處理生產(chǎn)工藝圖

2 試驗(yàn)項(xiàng)目及對(duì)比

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 拉伸試驗(yàn)對(duì)比

在CT80級(jí)、CT90、CT100、CT110級(jí)和2205DSS連續(xù)油管上各取一個(gè)長(zhǎng)度為450 mm的拉伸試驗(yàn)樣品，用JB/WAW-600D萬能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)API Spec 5ST-2010 R2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可見，2205DSS強(qiáng)度介于CT80級(jí)與CT110級(jí)之間，2205DSS材料的伸長(zhǎng)率值較高，因而其材料具有較好的塑性。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 壓扁試驗(yàn)對(duì)比

在CT80級(jí)、CT90級(jí)、CT100級(jí)、CT110級(jí)和2205連續(xù)油管上各取一個(gè)長(zhǎng)度為150 mm的壓扁試樣，用JB/WAW-600D萬能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)API Spec 5ST-2010 R2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)連續(xù)油管樣品進(jìn)行壓扁試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為：將所有的壓扁試樣焊縫置于0°和90°的位置，壓扁至樣品的兩平板間距離為40 mm后，所有的試驗(yàn)樣品內(nèi)外表面均未出現(xiàn)裂縫或斷裂。

2.1.3 擴(kuò)口試驗(yàn)對(duì)比

在CT80級(jí)、CT90級(jí)、CT100級(jí)、CT110級(jí)和2205連續(xù)油管上各取一段長(zhǎng)度約為101.6 mm的樣品，清除樣品的內(nèi)毛刺，用JB/WAW-600D萬能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)API Spec 5ST-2010 R2015標(biāo)準(zhǔn)用錐角為60°的芯棒對(duì)各鋼級(jí)的連續(xù)油管樣品進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)，內(nèi)徑擴(kuò)口率達(dá)到25%。擴(kuò)口試驗(yàn)的結(jié)果為：所有試驗(yàn)樣品的內(nèi)外表面均未出現(xiàn)裂縫或斷裂。

2.1.4 顯微硬度試驗(yàn)對(duì)比

依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，用MVD-401TS顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn)。其測(cè)試位置如圖2所示，在焊縫、熱影響區(qū)、距焊縫0°、90°及180°母材共計(jì)測(cè)試15個(gè)位置的硬度值。

CT80級(jí)、CT90級(jí)、CT100級(jí)、CT110級(jí)和2205DSS連續(xù)油管管體橫截面硬度試驗(yàn)結(jié)果為：2205DSS材料的各部位的硬度值符合連續(xù)油管要求[3]，硬度試驗(yàn)值見表3。

圖2 全壁厚硬度試驗(yàn)壓痕位置

表3 試驗(yàn)管硬度對(duì)比數(shù)據(jù)

2.1.5 疲勞試驗(yàn)對(duì)比

在CT80級(jí)、CT90級(jí)、CT100級(jí)、CT110級(jí)和2205DSS連續(xù)油管上各取一段長(zhǎng)度為1.5 m的原管試樣，利用疲勞機(jī)對(duì)試驗(yàn)管段進(jìn)行帶壓彎曲疲勞試驗(yàn)，樣品在試驗(yàn)機(jī)上的形貌如圖3所示。

由于2205DSS材料的強(qiáng)度比低碳合金鋼材料的強(qiáng)度高，因而2205DSS材料的連續(xù)油管具有較高的疲勞壽命[4]。

將各試驗(yàn)連續(xù)油管樣品加壓至35 MPa后，在各樣品相對(duì)焊縫0°、90°和180°的位置進(jìn)行帶壓彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可見，2205DSS材料的連續(xù)油管具有較高的疲勞壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

圖3 疲勞試驗(yàn)機(jī)上的樣品形貌

2.1.6 腐蝕性能試驗(yàn)對(duì)比

油氣田生產(chǎn)過程中腐蝕通常分為常規(guī)電化學(xué)腐蝕、流體力學(xué)化學(xué)腐蝕和固體力學(xué)化學(xué)腐蝕三大類，模擬油氣田工況[5]，在試驗(yàn)溫度90 ℃條件下，各取長(zhǎng)度為50 mm試驗(yàn)樣品，對(duì)其進(jìn)行高溫高壓電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5可見，CT80和CT90級(jí)連續(xù)油管的抗腐蝕性較好，而CT100和CT110級(jí)連續(xù)油管的抗腐蝕性能較差，2205DSS連續(xù)油管腐蝕速率明顯低于低碳合金管，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。

2.2 焊縫區(qū)域組織結(jié)構(gòu)

2.2.1 焊縫區(qū)域宏觀形貌

用4%的硝酸酒精溶液和40%氫氧化鈉電解腐蝕CT碳鋼和2205DSS連續(xù)油管樣品的焊縫區(qū)域，腐蝕處理后焊縫區(qū)域的宏觀形貌如圖4所示。從圖4(a)可見，CT碳鋼連續(xù)油管存在較寬的熱影響區(qū)。連續(xù)油管的熱影響區(qū)中的晶粒粗大，容易導(dǎo)致連續(xù)油管發(fā)生脆性斷裂，并且纏結(jié)的位錯(cuò)容易發(fā)生再結(jié)晶，從而影響熱影響區(qū)這材料的性能[6]。從圖4(b)可見，2205DSS連續(xù)油管樣品存在面積較小的熱影響區(qū)，焊縫的寬度小于低碳合金鋼連續(xù)油管的焊縫寬度，根據(jù)硬度試驗(yàn)結(jié)果，焊縫與其他區(qū)域硬度沒有明顯差別。

圖4 焊縫區(qū)域宏觀形貌

2.2.2 金相組織

用YJ-2000光學(xué)金相顯微鏡對(duì)CT碳鋼和2205DSS連續(xù)油管樣品的焊縫、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行金相試驗(yàn)，金相組織試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5可見，CT碳鋼主要為鐵素體和珠光體組織，且CT90級(jí)、CT100級(jí)和CT110級(jí)熱影響區(qū)主要為針狀鐵素體、多邊形鐵素體、板條馬氏體和粒狀貝氏體等多種相的復(fù)合組織。而2205DSS連續(xù)油管材料的雙相平衡的微觀結(jié)構(gòu)是由鐵素體和奧氏體兩相共同組成，因此它具有單相奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的兩種特征[7]。

圖5 金相顯微組織圖

3 綜合分析

2205DSS連續(xù)油管的壓扁和擴(kuò)口試驗(yàn)后，其內(nèi)外表面均未出現(xiàn)裂紋或斷裂，因而2205DSS連續(xù)油管材料具有較好的韌性。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，2205DSS連續(xù)油管強(qiáng)度在CT80連續(xù)油管強(qiáng)度和CT110連續(xù)油管強(qiáng)度之間。2205DSS連續(xù)油管材料的硬度在CT80連續(xù)油管材料的硬度和CT110連續(xù)油管材料的硬度之間。這說明2205DSS連續(xù)油管的材料具有較高的強(qiáng)度。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，2205DSS連續(xù)油管的疲勞壽命大于碳鋼連續(xù)油管的疲勞壽命。

模擬油田工況的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，2205DSS連續(xù)油管具有更為優(yōu)異的抗腐蝕性能。

焊縫區(qū)域的組織和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析結(jié)果表明，2205DSS連續(xù)油管不存在低碳合金鋼熱處理后所存在的較為明顯的熱影響區(qū)域，這也就避免了熱影響區(qū)對(duì)管性能的影響。2205DSS連續(xù)油管材料的金相組織為分布均勻的鐵素體和奧氏體，因而其材料具有較好的力學(xué)性能和耐蝕性能。

由圖1可見，對(duì)于連續(xù)油管的生產(chǎn)和熱處理，2205DSS連續(xù)油管需要消耗較多的能源，因而具有較高生產(chǎn)制造成本，所以對(duì)于2205DSS連續(xù)油管在井下作業(yè)中的應(yīng)用，需分析油田環(huán)境、施工區(qū)域工況和經(jīng)濟(jì)成本。

4 結(jié) 論

1) 2205DSS連續(xù)油管具有較好的強(qiáng)度和韌性、較高的疲勞壽命和較好的耐腐蝕性能，適用于油氣開采作業(yè)。

2) 2205DSS連續(xù)油管具有較高生產(chǎn)制造成本，所以對(duì)于2205DSS連續(xù)油管在井下作業(yè)中的應(yīng)用，需分析油田環(huán)境、施工區(qū)域工況和經(jīng)濟(jì)成本。