热采井用套管材料高温拉伸性能试验研究

李光辉，王海博，赵洪山，孙连坡，姬丙寅

（1.西安三维应力工程技术有限公司，陕西 西安 710065；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257017；3.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

稠油开采是目前国内油田主要的项目之一。稠油由于黏度大、流动性差等原因，在开采时多采用特殊工艺，如蒸汽吞吐（Cyclic Steam Stimulation）、蒸汽驱（Steam Drive）、SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）等［1-2］，苛刻的服役条件对油井用套管提出了更高要求。传统API系列中没有稠油热采井专用管，近些年各大生产厂家根据热采实际工况，开发出了一些专用套管［3-10］，要求其具有较好的热稳定性，即高温下强度的衰减也能够满足实际开采需求。笔者对某生产厂研发的110H钢级套管材料在不同温度下的拉伸性能进行了试验研究，对不同温度下材料的屈服强度、抗拉强度及弹性模量的变化进行分析，并通过曲线拟合得出强度变化规律，以用于指导热采井套管的设计及选用。

1 试验条件

选用Φ244.48 mm×11.99 mm规格110H钢级套管，在套管上分别截取化学成分检测试样和材料拉伸试样。化学成分检测采用ARL 3460 Advantage直读光谱仪，110H钢级套管材料的化学成分（质量分数）检验结果见表1。鉴于目前国内稠油开采时最高温度可达350℃，因此高温系列拉伸试验温度选用相关标准中推荐的温度点（分别为180，240，290，325，350 ℃）［11］，另外增加室温拉伸试验，用于不同高温条件下材料强度的定量对比。高温和室温拉伸试验分别按照GB/T 228—2010《金属材料拉伸试验》中的方法进行，拉伸试样尺寸如图1所示。试样两端采用螺纹连接，安装到试验机上后加热炉开始升温，至试验温度后保温30 min，然后开始加载，直至试样被拉断，试验机记录拉伸应力-应变曲线及屈服强度、抗拉强度等。

表1 110H钢级套管材料的化学成分（质量分数）检验结果 %

图1 拉伸试样尺寸

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

按照上述试验条件进行试验，每个温度下各有两个平行试样，110H钢级套管材料的试验结果见表2（结果为平行试样平均值），在不同温度下的应力-应变曲线如图2所示（各温度下只选一个试样的曲线）。从试验结果可以看出：随着温度的升高，材料屈服强度和抗拉强度都减小，与抗拉强度相比，屈服强度随温度下降的更快，即对温度更加敏感；350℃时屈服强度折减系数为0.82，抗拉强度折减系数为0.87，满足GB/T 34907—2017《稠油蒸汽热采井套管技术条件与适用性评价方法》中“350～400℃温度范围，屈服强度、抗拉强度较室温降低幅度不大于20%”的要求。

表2 110H钢级套管材料的系列温度拉伸试验结果

图2 110H钢级套管材料在不同温度下的应力-应变曲线

2.2 强度变化曲线拟合

将不同温度下110H钢级套管材料的屈服强度和抗拉强度值绘制在一起，可直观地看出强度变化趋势，具体如图3所示。对屈服强度和抗拉强度变化曲线进行拟合，得出屈服强度拟合公式（1）和抗拉强度拟合公式（2）：

其中，屈服强度的拟合优度R2=0.997 6；抗拉强度的拟合优度R2=0.994 6。

图3 110H钢级套管材料的强度变化趋势及其拟合曲线

2.3 弹性模量

根据GB/T 22315—2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》及不同温度下应力-应变曲线，获得该材料在不同温度下的弹性模量，具体见表3（数值为平行试样平均值）。对应力-应变曲线的弹性段进行直线拟合，获得的斜率即为对应曲线的弹性模量。将各个温度下弹性模量绘制在一起，并对曲线进行拟合，获得该套管材料弹性模量随温度变化的表达式（3）：

表3 110H钢级套管材料不同温度下的弹性模量

由公式（3）可计算出该套管材料弹性模量的拟合优度R2=0.969 3。计算各个温度下弹性模量折减系数，其中350℃下弹性模量折减系数为0.77。110H钢级套管材料的弹性模量变化趋势及其拟合曲线如图4所示。

图4 110H钢级套管材料的弹性模量变化趋势及其拟合曲线

3 结 论

（1）随着温度升高，110H钢级套管材料的屈服强度和抗拉强度降低，屈服强度对温度更敏感，折减系数较抗拉强度高；350℃屈服强度折减系数为0.82，抗拉强度的为0.87，满足相关标准要求；

（2）随着温度升高，材料弹性模量降低，350℃弹性模量折减系数为0.77；

（3）屈服强度、抗拉强度和弹性模量试验结果的拟合曲线拟合优度R2分别为0.997 6、0.994 6、0.969 3，可信度较高，可在套管设计及选材时参考使用。