适用于页岩气分段压裂工况的高强度套管研究

吴亮亮，周家祥，张 旭，吴永超，安盛岳

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

我国页岩气储层较深，开发技术难度较大。页岩气的开发主要采用水平井，井垂深根据具体地质条件不同（通常为2 500～4 000 m，水平段在2 000 m 左右），通常分20 级左右压裂，单段长度70 m左右。在水平井多级体积压裂过程中，发现油层套管套损严重［1-4］。压裂施工过程中，井口压力通常在90 MPa 以下，井底压力在110 MPa 以下，井眼摩阻10～20 MPa，每段压裂时间预计3 h，压裂液用量在2 000 m3左右，支撑剂用量100～120 t。此类工况条件有可能会引起生产套管疲劳失效［5］。因此在高压力、大排量、长周期、循环压力的复杂服役工况下，研究分析套管的抗内压、抗疲劳性能及抗挤毁性能，对页岩气井分段压裂的工艺制定、过程优化、降低套损具有很重要的指导意义［6-9］。

1 试验方案

试验选取套管钢级为TP110T，规格为Φ139.70 mm×12.34 mm，钢种选择Cr-Mo 系低合金钢。TP110T 套管性能要求见表1。

表1 TP110T 套管性能要求

（1）循环水压试验。测量样管试验前后的尺寸，进行对比分析。样管长度3 m，循环水压试验压力90 MPa，循环27 次，保压时间5 min。

（2）抗挤毁试验。在同一根管体上取长度为2.5 m 的样管，测量其尺寸，并进行压溃试验，评价其抗挤毁能力。

（3）残余应力。根据ISO/TR 10400—2007《石油和天然气工业 套管、油管、钻杆和作为套管或油管使用的管线管的性能用公式和计算》，用开槽法计算残余应力σ：

式中 E ——弹性模量，取2.069×105MPa；

t ——壁厚平均值，mm；

μ ——泊松比，取0.30；

CG前，CG后——开槽前、后CG 外径，mm。

在压溃试样的一端截取长度为350 mm 样管，测量样管尺寸，沿纵向锯开，计算得到残余应力为117.68 MPa。样管残余应力测量及开槽如图1 所示。

图1 TP110T 套管残余应力测量及开槽示意

（4）力学性能。在样管上取纵向拉伸试样2组、横向冲击试样1 组、纵向冲击试样1 组及一象限硬度、金相组织、晶粒度、夹杂物试样。

2 试验结果

TP110T 套管样管27 次循环水压试验结果如图2 所示，循环27 次未出现异常。压溃试验曲线如图3 所示；试样开槽前后的尺寸见表2；常规力学试验结果见表3。金相组织分析显示：试样的B 类细系夹杂物为1.5 级，D 类细系和Ds 类夹杂物为0.5 级，其余为0，组织为回火索氏体+少量回火贝氏体，晶粒度为8.5 级。试样显微组织如图4 所示。

图2 TP110T 套管样管27 次循环水压试验结果

图3 TP110T 套管压溃试验曲线

表2 TP110T 套管试样开槽前后的尺寸 mm

表3 TP110T 套管常规力学试验结果

图4 TP110T 套管试样的显微组织

3 试验结果讨论与分析

3.1 抗挤毁试验结果分析

TP110T 规格Φ139.70 mm×12.34 mm 套管抗挤毁能力的名义值≥131.0 MPa，试验值≥172.73 MPa，API 标准要求值122 MPa；名义值高出API标准要求值7.38%，试验值高出API 标准要求值41.58%，试验值比名义值高31.85%。

根据API TR 5C3—2008《套管、管道和用作套管或管道的线管的等式和计算技术报告》中抗挤毁强度的计算方法，样管属于屈服挤毁，其挤毁压力P 为：

式中 f ——规定的最小屈服强度，MPa。

外径变化不大时，增加壁厚，径壁比下降，管体抗挤毁能力有较大程度地提高。可以看出在保证通径的前提下，增大壁厚是高抗挤毁套管提高抗挤毁能力最直接有效的方式。油田使用时，套管抗挤毁性能提高，增加了井身结构的安全系数，为井身设计优化、选材范围的拓宽、套变套损率的降低，都有很大的作用。

对于实际生产的钢管，除壁厚外，影响其抗挤毁强度的其他因素还很多，例如壁厚不均度、椭圆度、残余应力等。此次试验套管的管体壁厚比名义壁厚增加了4.21%，壁厚不均度为7%，椭圆度为0.32%，残余应力为117.68 MPa，尺寸公差控制较好，残余应力较低，管体的抗挤毁能力比API 同等钢级高41.58%，而且受设备能力限制，样管未挤毁，所以管体实际的抗挤毁能力还会更高。

3.2 循环水压试验结果分析

此次样管循环水压试验是在较为严苛的条件下进行的：①试验压力为90 MPa，达到管体内压屈服压力的76.7%，比工况压力高出5 MPa；②试验样管在最薄处刻槽，深度为3%t；③试验循环总次数为27 次。样管在经过27 次循环水压试验后，管体并未发生破裂、变形、结构失效等现象。

选取同钢种材料进行疲劳试验，试样类型为圆形截面试样，试样外部直径（夹持端）D1=14 mm，测试直径d=10 mm。材料疲劳试验结果见表4。

表4 材料疲劳试验结果

从表4 可以看出，疲劳试验的加载应力为90%YS，振动次数达到100 万次时，试样未发生断裂；加载应力不超过100%YS 时，振动次数可达63 万次；加载应力为100%YS 时，振动次数依然达到48 000 次后才发生断裂。试验样管选用Cr-Mo 系列合金钢，严格控制夹杂物含量、形态、分布，通过调质处理，晶粒得到细化，强韧性匹配较好，也增加了抗疲劳性能。

对于页岩气井体积压裂开采工艺来说，水平段一般不超过40 段，水压循环的次数也不超过40次，考虑到实际施工过程中压裂压力的峰值会过冲超过额定压力上限，一般不超过10%，因此目前页岩气分段压裂的工况条件下，TP110T 管体材料在低频率、低次数循环应力的服役条件下，远远未达到疲劳极限。

4 结语

（1）增加壁厚，径壁比相应减小，管体抗挤毁能力有较大程度地提高，TP110T 套管比API 同钢级和规格套管的抗挤毁能力有较大程度地提高。

（2）TP110T 油套管采用Cr-Mo 系低合金钢，通过严格控制夹杂物，调质得到晶粒细小的回火索氏体组织，提高了材料的抗疲劳性能。

（3）在页岩气分段压裂的工况条件下，TP110T管体材料在低频率、低次数循环应力的服役条件下，不会产生疲劳、裂纹、失效等套管损坏现象。