海上稠油井热应力补偿器热熔材料优选

黄鹏 刘书杰 谢仁军 黄浩 郑双进

摘      要：热应力补偿器是解决海上稠油井套管损坏的重要技术途径。针对热熔式应力补偿器，热熔材料性能好坏是决定其安全性和可靠性的关键。基于海上稠油井固井工况与热采条件，针对几种铅锡合金材料开展了熔点测试、线膨胀系数测试和抗压强度测试，优选出了满足海上稠油井热应力补偿器需要的热熔材料，对于研制热应力补偿器具有一定的指导意义。

关  键  词：热应力补偿器;熔点测试;线膨胀系数测试 ; 抗压强度测试

中图分类号：TE935       文献标识码：         文章编号：1671-0460（2019）04-0708-04

Abstract： Thermal stress compensator is an important way to solve casing damage in offshore heavy oil wells. In view of the hot melt stress compensator， the performance of the hot melt material is the key to its safety and reliability. Based on the cementing conditions and thermal recovery conditions of the heavy oil well， the melting point test， the linear expansion coefficient test and the compressive strength test of several kinds of lead tin alloy materials were carried out. The hot-melt materials meeting the needs of the thermal stress compensator in offshore heavy oil well were selected. The paper is of certain guiding significance for the development of thermal stress compensator.

Key words： Thermal stress compensator; Melting point test; Test of coefficient of linear expansion; Compressive strength test

随着海上油田开发规模的不断扩大，稠油热采井越来越多，热应力补偿器已成为解决海上稠油井套管损坏的重要技术途径[1]。补偿器是石油天然气建设中结构较为特殊的组成部分，补偿器能够吸收由于管道形变而产生的应力，因此，对长输管道的安全运行起着重要的作用[2]。热应力补偿器能否对热应力进行补偿，关键取决于解锁结构的安全性和可靠性，针对热熔式应力补偿器，其热熔材料是决定其安全性和可靠性的关键[3，4]。因此，优选或开发合适的热熔材料是研制热应力补偿器的重要技术环节。渤海油田海上稠油井一般为水平井，垂深1 500～2 000 m，油层段自然温度45～60 ℃，热采时一般注入多元热流体，注入后井底温度80～200 ℃。基于海上稠油井固井工况与热采条件，确定热应力补偿器热熔材料的性能要求：熔点范围为80～200 ℃，体积压缩性系数≤1%，抗压强度≥20 MPa。结合上述性能要求，针对几种铅锡合金材料开展了熔点测试、线膨胀系数测试和抗压强度测试，优选出了满足海上稠油井热应力补偿器需要的热熔材料，对于研制热应力补偿器具有一定的指导意义。

1  热熔式应力补偿器解锁结构

热熔式应力补偿器解锁结构如图1所示。注入蒸汽或多元热流体后井筒温度升高，当热熔材料环的温度达到其熔点后，热熔材料熔化丧失对环键的支撑力，轴向热应力作用在环键的斜边上致使其向内收缩，内筒和外筒在轴向热应力的作用下产生相对滑动，从而实现热应力补偿[5]。从解锁原理可以看出，热熔材料的熔点与抗压强度十分关键，直接关系着解锁结构的安全性和可靠性。

1-外筒;2-环键;3-内筒;4-热熔材料环;5-通孔

2  热熔材料优选实验

2.1  熔点实验

本实验采用瑞士梅特勒-托利多热分析超越系列的DSC3—差示扫描量热仪进行测试，设备如图2所示。试样规格：粉末样品。差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC），一种热分析法，它是在程序升温的条件下，测量试样与参比物之间的能量差随温度变化的一种分析方法。在差示扫描量热中，为使试样和参比物的温差保持为零在单位时间所必需施加的热量与温度的关系曲线为DSC曲线。曲线的纵轴为单位时间所加热量，横轴为温度或时间。曲线的面积正比于热焓的变化。

基于海上稠油井的温度条件，选取了四种铅锡合金测试其熔点。四种铅锡合金的DSC曲线如图3-6所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）分別对应于标注熔点为1#100 ℃、2#120 ℃、3#150 ℃和4#180 ℃的合金DSC曲线。实验仪器的测试温度范围为30～200 ℃，加温速度为10 ℃/min。

从以上4种铅锡合金的DSC曲线可以看出，所测试铅锡合金在标注熔点附近均有一个较大的吸热峰，表明合金在该处发生了熔融反应。

观察DSC曲线峰宽比较窄，可知测试合金在熔融之前无显著软化期，即达到熔点前仍能保持稳定的机械强度。根据图3-6中DSC曲线得到四种铅锡合金的熔点测试结果，如表1所示。

2.2  线膨胀系数测试实验

为了评估热敏材料在井下温度场的膨胀变化，本课题对其材料进行线膨胀系数测试。实验设备为湖南湘潭湘仪仪器有限公司的PCY型高温卧式膨胀仪，如图7所示。

试样规格：φ6×50 mm（合金试样）、φ11 mm×50 mm（塑料棒试样）。铅锡合金试样如图15所示，其中φ6 mm×50 mm为线膨胀系数试样，φ10 mm×15 mm为抗压强度测试试样。塑料棒试样如图16所示，其中φ11 mm×50 mm为线膨胀系数试样，φ11 mm×15 mm为抗压强度测试试样。

四种铅锡合金的线膨胀系数测试曲线如图8-11所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）分别对应于标注熔点为1#100 ℃、2#120 ℃、3#150 ℃和4#180 ℃的线膨胀系数测试曲线。

图8-11中，紫色曲线为线膨胀系数曲线，绿色曲线为膨胀百分率曲线，橙色曲线为膨胀值曲线。由于起始温度需与室温相适应调节，不作为参考，待趋于平衡后才能获得有效值，因此主要观察起始温度峰后的平稳段。四种铅锡合金线膨胀系数测试结果如表2所示。

线膨胀系数测试结果表明，四种铅焊合金在所测试温度范围内，线膨胀系数均在10～20×10-6/℃范围内，能够满足体积压缩性系数≤1%的要求。另外，查询机械设计手册可知，45#钢于温度20～200 ℃时，线膨胀系数为12.3×10-6/℃。所测试的四种铅锡合金线膨胀系数略高于45#钢，但在其数量级范围内，因此其膨胀性不会引起热应力补偿器体积的明显变化。

2.3  抗压强度测试实验

为了评估热敏材料在井下轴向压力作用下的强度，本课题对其材料进行单轴抗压强度测试。实验设备为协强仪器制造（上海）有限公司的CTM2500微机控制电子万能材料试验机，如图12所示。试样规格：φ10 mm×15 mm。对四种塑料棒材和五种铅锡合金进行了抗压强度测试。

针对4种铅锡合金开展了抗压强度测试，测试试样尺寸为φ9.9 mm×15 mm，加载速度为3 mm/min。本文所计算的压缩强度是按加载最大负荷计算的，但因在最大负荷到达之前材料已经发生显著变形，根据金属材料特性，选取在发生显著形变前的下屈服极限作为其屈服强度，其屈服强度测试结果如表3所示。

从表3可以看出：4#试样屈服强度低于20MPa，不满足热熔材料强度要求。1#、2#和3#试样屈服强度均大于40MPa，满足热熔材料强度要求。

3  结 论

（1）基于熔点测试实验，选取的四种铅锡合金熔点均在100～200 ℃范围内，且熔融之前无显著软化期，符合热熔式应力补偿器功能可靠性要求。

（2）基于线膨胀性系数测试实验，四种铅锡合金的线膨胀系数在测试温度范围均在10～20×10-6/℃范围内，其膨胀性不影响热熔式应力补偿器解锁机构的正常工作。

（3）基于抗压强度测试实验，4#试样屈服强度较低，不符合强度要求;1#和3#试样材料压缩性能接近，屈服强度超过40 MPa，符合强度要求;2#试样屈服强度高达84.4 MPa，远高于其他几种合金，可重点考察选取。

参考文献：

[1]孙迎春，贾耀惠.热应力补偿器在超稠油开发中的应用[J].特种油气藏， 2002， 9（6）：51-53.

[2] 孙亚丹， 马贵阳. 长输管道∏形补偿器的应力场分析[J]. 当代化工， 2017， 46（7）：1440-1443.

[3]聂俊，叶文勇，章东哲，等.一种熱敏式环键解锁式热应力补偿器：CN，206016696U[P].2017.

[4]赵勇.新型热熔式套管热力补偿器的研制与现场应用[J].钻采工艺， 2016， 39（1）：83-85.

[5]王通，孙永涛，邹剑，等.海上多元热流体高效注入管柱关键工具研究[J].石油钻探技术，2015， 43（6）：93-97.