頁巖氣井用高性能SEW Q125套管研制*

畢宗岳，李遠(yuǎn)征，何石磊，苑清英，李周波，唐家睿，高盟召

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

隨著2011—2012年N201-H1、Y202-H2等第一批高產(chǎn)水平井的發(fā)現(xiàn)以及威遠(yuǎn)、長寧、涪陵頁巖氣田的快速建產(chǎn)，2015年我國基本實(shí)現(xiàn)了頁巖氣規(guī)模生產(chǎn)［1］。但是，在四川盆地長寧-威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)，部分頁巖氣井井筒完整性較差，尤其是套管損壞導(dǎo)致壓裂過程中不能順利下入橋塞等問題，導(dǎo)致單井產(chǎn)量難以提高［2］。套管損壞的影響因素較多，其中之一就是套管經(jīng)過狗腿度大的井段時(shí)可能遇阻，采用“上提下放”或旋轉(zhuǎn)下套管的方式會(huì)導(dǎo)致套管發(fā)生損傷；另一原因是試油完井期間，多次起下井工具對(duì)生產(chǎn)套管內(nèi)壁的磨損，導(dǎo)致套管抗擠強(qiáng)度降低［3-4］。目前，我國高鋼級(jí)頁巖氣井用生產(chǎn)套管以無縫鋼管為主，提高其抗擠強(qiáng)度的手段主要集中在增加套管壁厚和提升強(qiáng)度兩個(gè)方面［5-7］。隨著HFW（高頻電阻焊）制管技術(shù)和無損探傷檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，以HFW工藝生產(chǎn)的非API系列高性能套管產(chǎn)品也越來越受到油田用戶認(rèn)可［8-11］。竇茂科等［12］的研究結(jié)果表明，采用“高頻電阻焊接+熱張力減徑”工藝生產(chǎn)石油套管可明顯改善焊縫性能，焊縫性能與母材性能基本一致，壓扁試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)高于API標(biāo)準(zhǔn)要求。本研究設(shè)計(jì)優(yōu)化了Cr-Mo-V系卷板的化學(xué)成分，采用“高頻電阻焊+熱張力減徑+全管體調(diào)質(zhì)熱處理”工藝試制出Φ139.7 mm×12.7 mm套管產(chǎn)品，其性能滿足API Spec 5CT—2018《套管和油管》、Q/SY 07004—2016《頁巖氣井用生產(chǎn)套管選用及評(píng)價(jià)》要求，為非常規(guī)油氣資源的開采提供技術(shù)支撐。

1 材料設(shè)計(jì)

針對(duì)Q125鋼級(jí)石油套管材料高韌性等要求，在化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)，一方面考慮新工藝下套管管坯的成型焊接質(zhì)量，另一方面也考慮淬透性，確保全管體調(diào)質(zhì)后管材的性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。C含量過高會(huì)顯著影響焊縫質(zhì)量，產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在焊縫剛剛離開擠壓輥約束后出現(xiàn)開裂，故而w（C）設(shè)計(jì)在0.18%～0.22%；Mn也能提高鋼的淬透性，其溶于鐵素體中可降低鋼的脆性，1.0%～1.5%的w（Mn）可改善鋼的沖擊韌性；Cr、Mo能夠提高鋼的淬透性并形成細(xì)小穩(wěn)定的合金碳化物，Mo還能提高材料的回火穩(wěn)定性并細(xì)化焊縫晶粒；添加Ni是為了保證焊縫金屬在較高抗拉強(qiáng)度下獲得較好的韌性；添加的Nb、V和Ti除了細(xì)化晶粒外也能提高高溫回火性能；S、P易使管坯塑性、韌性及冷彎變形能力大幅降低，對(duì)焊接不利，應(yīng)盡可能降S、P保持在低含量，保證鋼質(zhì)純凈。試驗(yàn)套管的化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 Φ139.7 mm×12.7 mm Q125鋼級(jí)試驗(yàn)套管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）設(shè)計(jì) %

2 試制生產(chǎn)

（1）采用高爐+轉(zhuǎn)爐冶煉、RH精煉爐精煉、VD真空精煉爐處理后，降低雜質(zhì)和殘余元素含量，保證鋼水較高的純凈度；連鑄后，采用熱機(jī)械控制工藝軋制成高尺寸精度卷板，卷板壁厚公差為-0.08～+0.12 mm。

（2）將按表1設(shè)計(jì)優(yōu)化成分的工業(yè)卷板經(jīng)過縱剪、無損檢測(cè)、銑邊、成型、HFW焊接后制成Φ193.7 mm毛坯管，焊后及時(shí)進(jìn)行焊縫內(nèi)外毛刺修整，使焊道光滑且與管體內(nèi)、外表面齊平。

（3）采用中頻感應(yīng)加熱方式將Φ193.7 mm毛坯管快速加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3以上進(jìn)行熱張力減徑。熱張力減徑管坯的規(guī)格為Φ139.7 mm×12.7 mm，采用熱鋸的方式進(jìn)行定尺。

（4）采用淬火+回火熱處理工藝對(duì)熱張力減徑管坯進(jìn)行全管體熱處理。淬火溫度控制在（900±20）℃，回火溫度控制在580～640℃，可得到均勻細(xì)小的回火索氏體組織。

（5）采用進(jìn)口高精度數(shù)控專用螺紋機(jī)床加工氣密封特殊螺紋接頭。

3 性能分析

3.1 幾何尺寸

Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格試制套管的幾何尺寸測(cè)量結(jié)果可以看出，試制套管的壁厚測(cè)量值為12.47～12.96 mm，壁厚波動(dòng)范圍≤0.5 mm，其壁厚不均度≤5%；試制套管的外徑測(cè)量值為140.26～140.9 mm，外徑波動(dòng)范圍≤0.65 mm，其橢圓度≤0.5%。由此可見，試制套管的壁厚、外徑的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍相對(duì)較小，表明該套管具有較高的幾何尺寸精度。

3.2 常規(guī)力學(xué)性能

在熱處理后試制套管上取樣，并加工成標(biāo)距尺寸50.8 mm×25.4 mm板狀拉伸試樣，按照ASTM A 370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；沖擊試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×10 mm，按照ASTM E 23—2018《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行0℃下的沖擊試驗(yàn)；硬度檢測(cè)按照ASTM E 18—2019《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試制套管的力學(xué)性能和硬度檢測(cè)結(jié)果見表2，可以看出，該試制套管的拉伸性能、夏比沖擊功、洛氏硬度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 Φ139.7 mm×12.7 mm Q125鋼級(jí)試制套管的力學(xué)性能和硬度檢測(cè)結(jié)果

3.3 壓扁試驗(yàn)

按照GB/T 246—2007《金屬材料 管 壓扁試驗(yàn)方法》和API Spec 5CT—2018進(jìn)行壓扁試驗(yàn)；試樣管環(huán)長度為80 mm，每次取2個(gè)試樣分別用作90°和0°壓扁試驗(yàn)。試制套管壓扁后形貌如圖1所示，可以看出，壓扁貼合時(shí)試樣未產(chǎn)生裂紋，這主要是因?yàn)楹腹芙?jīng)過熱張力減徑后，組織完全奧氏體化，消除了殘余應(yīng)力，緊接著的連續(xù)多道次形變使得焊縫區(qū)域組織細(xì)化，提高了焊縫熔合度。

圖1 試制套管壓扁后形貌

3.4 顯微組織

在管坯上取金相試樣研磨、拋光后用4%硝酸酒精浸蝕，在Olympus-PMG3型光學(xué)顯微鏡上觀察測(cè)試試樣的微觀組織形貌。試制套管經(jīng)全管體調(diào)質(zhì)后的顯微組織形貌如圖2所示，可以看出，HFW焊接母管經(jīng)熱張力減徑工藝過程中的高溫機(jī)械形變和全管體調(diào)質(zhì)處理后，試制套管焊縫區(qū)域的母材、熱影響區(qū)和焊縫中心組織為回火索氏體組織。在光學(xué)顯微鏡下觀察，焊縫區(qū)域與母材區(qū)域之間的顯微組織差異不明顯且晶粒細(xì)小，對(duì)保證其強(qiáng)韌性有利。

圖2 Q125試制套管經(jīng)全管體調(diào)質(zhì)后的顯微組織形貌

按ASTM E 45—2018《鋼中夾雜物含量評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，對(duì)試制套管的夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)。發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)鋼中B類（細(xì)系）夾雜物最大評(píng)級(jí)為1.0級(jí)，D類（細(xì)系）夾雜物最大評(píng)級(jí)為1.0級(jí)，D類（粗系）為0.5級(jí)，各類夾雜物總和≤4.0級(jí)，說明鋼質(zhì)純凈度高。按ASTM E 112—2013《平均晶粒度測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》對(duì)試制套管的晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)，晶粒度均在9.0級(jí)以上。試制套管的夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果和晶粒度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 抗擠毀性能

Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)SEW套管的壓潰強(qiáng)度最大值為177.1 MPa，壓潰強(qiáng)度最小值為168.5 MPa，實(shí)際抗擠毀強(qiáng)度平均值達(dá)到172.8 MPa，超出該規(guī)格API TR 5C3—2018《套管或油管的性能計(jì)算》要求142.5 MPa的21.3%，可有效地改善頁巖氣開發(fā)所采用的多級(jí)分段壓裂工藝下的套損問題。

3.6 抗內(nèi)壓性能

Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)SEW套管的實(shí)際內(nèi)壓強(qiáng)度達(dá)到225 MPa時(shí)，試樣未發(fā)生失效，遠(yuǎn)高于該規(guī)格Q/SY 07004—2016標(biāo)準(zhǔn)要求（內(nèi)屈服壓力最小值為141.0 MPa），可滿足頁巖氣開發(fā)所采用的多級(jí)分段壓裂工藝下的要求。試制套管的內(nèi)壓試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 Q125試制套管的內(nèi)壓試驗(yàn)曲線

3.7 接頭實(shí)物性能

頁巖氣開采過程中，生產(chǎn)套管管體及接頭在入井、固井、射孔、壓裂過程中承受不同載荷作用，為適應(yīng)頁巖氣井水平段、造斜段和垂直段生產(chǎn)套管的服役工況，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司開發(fā)出適用于不同工況的BJC-Ⅰ和BJC-Ⅱ型特殊螺紋接頭。BJC-Ⅰ型特殊螺紋接頭產(chǎn)品具有大角度導(dǎo)向面螺紋、球面/錐面金屬密封、直角臺(tái)肩等特點(diǎn)，其拉伸效率達(dá)100%，壓縮效率大于60%，適用于3 500 m以淺、氣密封性能要求在60 MPa以下的頁巖氣井開采。BJC-Ⅱ型特殊螺紋接頭是一種高氣密封特殊螺紋接頭，其密封形式為錐面/錐面的金屬/金屬密封，通過API TR 5C5—2017《套管和油管接頭評(píng)價(jià)程序推薦作法》CALⅣ級(jí)（100%拉伸/壓縮效率），95%VME（Mises等效應(yīng)力）的實(shí)體評(píng)估，可適用于3 500 m以深、氣密封性能要求高于60 MPa的復(fù)雜頁巖氣井。按照川渝地區(qū)頁巖氣開采工藝條件，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬了Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)SEW BJC-Ⅱ型特殊螺紋套管的復(fù)合載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，BJC-Ⅱ型特殊螺紋接頭能夠滿足嚴(yán)苛條件下的頁巖氣井開發(fā)。

表3 Φ139.7 mm×12.7 mm Q125鋼級(jí)BJC-Ⅱ型特殊螺紋套管復(fù)合載荷性能

4 結(jié) 論

（1）采用Cr-Mo-V系化學(xué)成分和“高頻電阻焊+熱張力減徑+全管體調(diào)質(zhì)熱處理”生產(chǎn)工藝，開發(fā)出的Q125鋼級(jí)SEW套管的幾何尺寸精度高，橢圓度≤0.5%，壁厚不均度≤5%；管材的強(qiáng)韌性匹配好，屈服強(qiáng)度≥862 MPa，抗拉強(qiáng)度≥931 MPa，0℃下焊縫沖擊功≥60 J，滿足API Spec 5CT—2018和Q/SY 07004—2016標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）開發(fā)的Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)SEW套管具有優(yōu)良的抗內(nèi)壓和抗擠毀性能，能夠更好地滿足頁巖氣開采用套管安全服役要求。

（3）BJC-Ⅱ型特殊螺紋套管適用于3 500 m以深、氣密封性能要求高于60 MPa的復(fù)雜頁巖氣井；BJC-Ⅰ型特殊螺紋套管適用于3 500 m以淺、氣密封性能要求在60 MPa以下的常規(guī)頁巖氣井。