一种经济型稠油热采专用套管的研发

周 丹,黄 云,黄 英,李方应

(1.攀成伊红石油钢管有限责任公司,四川成都610303; 2.攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

一种经济型稠油热采专用套管的研发

周 丹1,黄 云2,黄 英2,李方应2

(1.攀成伊红石油钢管有限责任公司,四川成都610303; 2.攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

对一种经济型稠油热采井专用套管进行分析研究,其管柱设计采用应变设计准则,同时兼顾应力设计准则,在保证材料的性能条件下采用成本较低的Cr-Mn系钢种。通过与目前国内油田广泛采用的Cr-Mo钢种进行了常规力学性能、高温拉伸、热循环试验及热膨胀系数测定等对比试验以评估产品性能指标,结果显示基于应变的热采井设计新方法开发的经济型稠油热采井专用套管可满足油田开发使用需求且更为经济。

无缝钢管;稠油热采;油井管;经济型;高温性能

1 引言

目前随着石油工业发展的深入,开采稠油已成为各大油田稳产、高产的主要措施之一,但由于长期以来,在API系列中没有稠油热采井专用套管,国内外也只有小部分厂家开发出稠油热采井石油套管,大多油田只能选用普通API套管。使用普通API套管后,由于套管的过早损坏导致油井的提前报废较高,给油田造成较大的经济损失,因此开发稠油热采井石油套管成为必然性[1～3]。

国内现行的热采井套管设计标准大多数是遵循传统的基于应力的设计准则,即保证外载荷产生的套管应力或等效应力不高于套管材料的最低屈服应力,基于应力设计要求套管抗拉、抗挤和抗内压满足强度设计要求选择钢级及根据热载荷产生的热应力计算套管预应力。事实上稠油热采井用油套管在其服役环境中(20℃～375℃)会产生塑性应变,完全基于应力准则设计开发的热采井用套管完全没有考虑到此点。

以下对攀钢集团成都钢钒有限公司开发的一种经济型稠油热采井专用套管进行分析研究,其管柱设计采用应变设计准则,同时兼顾应力设计准则,在保证材料的性能条件下采用成本较低的Cr-Mn系钢种,满足了油田开发的经济性要求。冶炼上通过多元素联合稳定控制技术、夹杂物控制技术、有害元素及气体含量控制技术,使其能稳定控制铸坯质量。轧制上对加热温度优化,变形量的合理分配,变形工具选择和工艺润滑等方面进行了研究,减少轧制缺陷产生,提高了品种成材率。热处理上采用外喷淋+内轴流工艺,保证钢管性能稳定、均匀,同时也保证最终管材的外径尺寸和弯曲度满足要求。目前,该品种钢管已在胜利油田得到了大批量成功应用,产品各项指标均满足标准和技术协议要求。

2 基于应变的热采井设计新方法

热采井高温和蒸汽循环导致套管应力在拉伸和压缩上超过套管材料的屈服强度,传统设计原则(规定套管应力小于套管材料的屈服强度)有一定的局限。

国内现行的热采井套管设计标准大多数是遵循传统的基于许用应力的设计准则,即保证外载产生的套管应力或等效应力不高于套管材料的最低屈服应力。对于套管应力超过比例极限后的继续变形,应力和应变关系不成比例,应力的大小已不能反应材料的受力后状况,因此基于应力的设计准则具有局限性;而应变对于超过材料屈服后仍然能够反应材料受力后的状况,基于应变设计准则允许套管产生一定的塑性应变,所以对于材料服役后超过材料屈服强度的设计应采取以应变为基础的设计。

Alberta对热采井套管提出基于应变的设计新方法,设计载荷包括内外压、热载荷以及地层载荷(地层热载荷和地层剪切运动)。套管设计载荷分为三类:(1)力载荷:包括悬重、浮力、提升载荷和井眼弯曲载荷。(2)位移载荷:热载荷和地层载荷。(3)复合载荷:如内外压作用时,套管柱轴向被水泥和地层约束。根据载荷本身的特性,必须采用不同设计标准。例如,力载荷是基于应力设计方法,确保在套管设计有足够的安全系数,降低事故发生的概率;位移载荷应该采用基于应变设计方法。

3 化学成分设计

由于热采井套管设计理念的不同导致热采井钢管的成分也有所不同,国内目前稠油热采井用油套管主要采用Cr-Mo钢,其高昂的价格加重了各采油厂的生产成本。本文设计的钢种成分以应变设计为基础,采用中碳Cr-Mn钢,适当提高Mn含量,加入Ti微合金化元素,成品管材组织晶粒细小,各项性能检测指标良好,完全满足有关技术协议要求,且更为经济。设计化学成分具体见表1。

表1 经济型稠油热采井用套管设计成分(w%)

4 管材制备

首先采用高炉炼铁后经转炉冶炼、LF+ RH精炼、连铸后得到了化学成分均匀,低P、S含量,非金属夹杂物数量少且形态得到控制的稠油热采井用套管用钢坯,随后通过“环形炉加热→穿孔机穿孔→连轧机轧管→定径机定径→淬火+回火→矫直→探伤→精整”工艺制成了几何尺寸精度较高、力学性能优异的CS-80H～CS-110H经济型稠油热采专用套管。

5 试验结果与分析

5.1 晶粒度和非金属夹杂物

在管坯上取样做高倍评级,其结果见表2所示,可见管坯非金属夹杂物评级及晶粒度均满足设计要求。

表2 晶粒度和非金属夹杂物评级

从非金属夹杂物评级情况看,采用洁净钢冶炼技术后钢中非金属夹杂物得到有效控制,其按GB/T 10561—2005标准评级结果远低于设计要求,各类夹杂物总和≤4.0,钢质纯净度高;另晶粒度达到9级,金相组织为均匀的回火索氏体,如图1、图2所示。

图1 CS-110H管体晶粒度

图2 CS-110H管体金相组织500×

5.2 钢管几何尺寸

以177.8mm×9.19mm规格为例,攀成钢340MPM连轧管厂生产的CS-110H热采井用套管管坯几何尺寸精度较高,满足技术要求。

表3 177.8×9.19 CS-110H光管外径测量情况

表4 177.8×9.19 CS-110 H光管壁厚测量情况

5.3 常规力学性能

经济型热采井用套管的常温力学性能、冲击韧性均达到设计要求,且数据波动范围窄,性能较均匀,见图3～6所示。

图3 屈服强度(MPa)

图4 抗张强度(MPa)

图5 延伸率(%)

图6 冲击功(J)

5.4 热采井设计新方法套管性能评估

将研制开发的Cr-Mn钢种与目前国内油田广泛采用的Cr-Mo钢种进行了高温拉伸、热循环试验及热膨胀系数测定等对比试验。

5.4.1 高温拉伸试验

在350℃高温下,110钢级Cr-Mn、Cr-Mo钢的屈服强度分别下降为室温的84%、85%,抗拉强度下降为室温的93%、92%,试验结果见图7～8。两个钢种的高温拉伸性能基本一致,均满足稠油热采套管设计要求。

图7 高温下Cr-Mn、Cr-Mo钢屈服强度对比

图8 高温下Cr-Mn、Cr-Mo钢抗拉强度对比

5.4.2 屈强比、延伸率

在室温、200℃、300℃、350℃及375℃高温下,分别测定Cr-Mn及Cr-Mo钢种的屈强比、延伸率,试验结果见表5。由表5可以看出两个钢种屈强比十分接近,尤其是在高温阶段,但Cr-Mn系材料延伸率明显好于Cr-Mo系。

表5 Cr-Mn及Cr-Mo钢种的屈强比、延伸率对比

(1)热膨胀系数

在室温、200℃、300℃、350℃、375℃高温下,Cr-Mn及Cr-Mo钢种的热膨胀系数见表6。热膨胀系数越大,其热稳定性能越差,分析可知,攀成钢公司开发的Cr-Mn系材料热稳定性优于Cr-Mo系。

表6 Cr-Mn及Cr-Mo钢种的热膨胀系数对比

(2)热循环试验

为评价热采井套管材料热循环下温度—应力性能,采用GJB 6213—2008金属材料热机械疲劳试验方法对Cr-Mn、Cr-Mo钢种进行了热循环试验,循环温度为350℃,循环次数为30次。同种状态下的机械循环曲线,一个循环所包括的面积越大,其延展性越好,稳定性越佳。由图9、图10可见,Cr-Mn钢种热循环下温度—应力性能与Cr-Mo相近。

图9 Cr-Mn钢种热循环试验

图10 Cr-Mo钢种热循环试验

6 结论

(1)攀成钢公司自主研发的经济型稠油热采井用套管采用中碳Cr-Mn钢,采用微合金化处理,成品管材组织晶粒细小,各项性能检测指标良好,完全满足有关技术协议要求。

(2)通过与目前国内油田广泛采用的Cr-Mo钢种进行了常规力学性能、高温拉伸、热循环试验及热膨胀系数测定等对比试验以评估产品性能指标,结果显示基于应变的热采井设计新方法开发的经济型稠油热采井专用套管可满足了油田开发使用需求且更为经济。

(3)油田批量使用的结果表明:基于应变的热采井设计新方法开发的经济型稠油热采井专用套管使用性能优良,满足油田稠油热采井特殊工况使用要求,具有极大的社会经济效益和推广应用价值。

[1] 于连冬.世界稠油资源的分布及其开采技术的现状与展望[J].特种油气藏,2001:25—30.

[2] 杨立强.TP100 H套管在超稠油热采井中的应用[J].特种油气藏,2002,9(6):48—50.

[3] 卢小庆,方华,等.高强度热采井专用套管TP100H的开发[J].钢铁,2010,36(10):30—32.

R&D of an Economic Casing for Heavy Oil Thermal Recovery Well

ZHOU Dan1,HUANG Yun2,HUANG Ying2,LI Fang-ying2

(1.Pancheng Yihong Pipe Co.,Ltd;Chengdu 610300,Sichuan,China; 2.Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.,Chengdu 610300,Sichuan,China)

In this paper,an economic casing for heavy oil thermal recovery well is analyzed and studied.The string design using strain criterion,both stress design criterion,in ensuring the performance of the material under the condition of the lower cost of Cr-Mn steel.Through the current widely used in domestic oilfields with Cr-Mo steel grade for the conventional mechanical properties,high temperature tensile,thermal cycling test and determination of thermal expansion coefficient of contrast test in the evaluation of product performance index,the results show that thermal recovery wells design method based on strain development of economy of heavy oil thermal recovery wells special casing can meet the demand of the oilfield development use and more economic.

seamless steel pipe;the heavy oil thermal recovery;OCTG;economical;The high temperature performance

1001—5108(2016)03—0029—06

TG141

A

周丹,工程师,主要从事钢管销售及技术服务工作。