碳酸盐岩储层完井铝基耐酸易钻油管性能评价

苏 鹏，龙 武，王小红，刘 豪，蒋焰罡，李子硕

(1.中石化西北油田分公司 工程技术研究院，乌鲁木齐 830011；2.西南石油大学 新能源与材料学院，成都610500)

据油气资源评价结果，截至 2015年底，中国碳酸盐岩油藏累计探明石油地质储量 29.34×108t[1]，缝洞型占近 2/3[2]。目前，针对碳酸盐岩油藏，有裸眼完井及衬管支撑2种完井方式。裸眼完井工艺存在的主要问题是在钻进破碎地层时易发生坍塌事故，在碳酸盐岩油藏的坍塌率高[3-4]。顺北井区部分井因泥岩裸露、破碎带地层岩石强度低、生产压差控制不当等原因，在钻遇破碎带时发生多次井壁坍塌，坍塌率高达31%。井壁坍塌导致顺北5-1X、顺北5-3等井4次被迫侧钻(钻进)，钻井周期超过450 d。顺北蓬1井四开钻至鹰山组8 350 m破碎带，发生井壁坍塌事故，扩径率49.39%。井壁坍塌率高，带来的问题是坍塌治理费用高，例如SHB1CX井坍塌治理费高达￥518万元，且修井难度大，需使用ZJ50/3150型钻机修井。

采用碳钢油管(衬管)支撑完井，可有效解决裸眼完井时的坍塌问题，但又带来新的问题，即在后期侧钻[5]找剩余油时需将碳钢油管钻掉，由于碳钢硬度高，钻削速度低，导致钻削费用高达100万元/井，侧钻找剩余油难度大、成本高。为此，急需寻找一种强度满足要求的易钻削衬管代替钢衬管。铝合金具有比强度高、硬度低、挤压成形性能好、价格低廉等优点，是最有潜力的易钻衬管材料[6]。碳酸盐岩储层地质条件复杂、非均质性强，直接开采难度大，通常需要采用酸化压裂对储层进行改造，以达到增产增效的目的[7]。酸化压裂时，铝合金会迅速与酸化介质(高温盐酸)发生反应，导致铝合金管腐蚀减薄而失效[8]。因此，解决铝合金衬管在酸化介质中快速腐蚀的问题是铝合金衬管应用于碳酸盐岩储层完井的关键。

本文介绍了一种铝基耐酸易钻完井支撑油管(以下简称6061T6铝合金油管)，以挤压成形性能较好的6061T6铝合金作为基材，在管材内外表面涂覆耐酸涂层。建立并验证了6061T6铝合金油管强度与壁厚的数学模型，评价了该油管的在酸化压裂工况下的耐蚀性、钻磨性。为我国铝合金支撑油管强度设计提供了理论依据，促进铝合金油管在我国碳酸盐岩油管完井作业中的推广应用。

1 铝基耐酸易钻支撑油管结构

碳酸盐岩油藏完井用支撑油管的工作介质通常为质量分数20%的盐酸、高矿化度的地层水。储层深度不同，流过支撑油管内部的盐酸的温度不同。当地层深度为6 500 m时，酸化用盐酸到达支撑油管时的温度约为100 ℃。为避免酸化压裂时铝合金管在高温盐酸中快速溶解[9]，设计了6061T6铝合金油管，结构如图1所示。该支撑油管内外表面的耐酸涂层由笔者所属的团队研发[6]。

图1 铝基耐酸易钻支撑油管结构

2 铝基耐酸易钻支撑油管强度与壁厚数学模型

2.1 数学模型建立

根据中石化西北局某油田碳酸盐岩油藏支撑油管使用工况，确定油管外径为130 mm。参考ISO/TR 10400—2018[10]及孙永兴等根据ISO/TR 10400—2018标准确定的钢质油套管计算公式[11]，根据铝合金的材料特性，对管壁公差因子[12]及应力应变强化因子的取值进行调整，得到铝合金油管抗内压强度计算式(1)、抗外挤强度计算式(2)。将GB/T4437.1-2015[13]中给定的6061T6铝合金材料的抗拉强度260 MPa、屈服强度240 MPa，及按照GB/T228.1-2010[14]、GB/T228.2-2015[15]中规定的拉强度测试方法实际测试得到的6061T6铝合金材料的抗拉强度350 MPa、屈服强度324 MPa分别代入式(1)、式(2)，计算6061T6铝合金油管在室温下的抗内压强度、抗外挤强度，如表1所示。

表1 ø130 mm×20 mm 6061T6铝合金油管理论计算强度

(1)

Pow=ky×σs×(2×(D/t)+1)/(D/t)2

(2)

n=0.169 3-1.774×σb×10-4

(3)

式中：Piw为抗内压强度，MPa ；Pow为抗外挤强度，MPa ；σb为抗拉强度，MPa；σs为屈服强度，MPa；Ka为内压强度系数，取Ka=2；Kwall为管壁公差因子，取Kwall=0.991[12]；n为应力应变强度硬化因子，按式(3)进行计算；D为油管外径，mm；t为油管壁厚，mm；ky为系数，取ky=0.987。

2.2 数学模型验证

1) 抗外挤强度测试。

采用36MN型双动反向挤压机，挤压成形制备2根6061T6管材(ø130 mm×20 mm×6000 mm)。在制备的6061T6管材上截取长度为2 000 mm的管段，在2端加工螺纹，安装于SW CPTS-200型外压挤毁试验机上，进行外挤强度测试，直至管材被挤毁(如图2所示)。外挤试验的应力-时间曲线如图3所示。由图3可知，ø130 mm×20 mm 6061T6铝合金管在室温下的抗外挤强度为106.2 MPa。

图2 测试油管外挤强度的SW CPTS-200型试验机

图3 6061T6铝合金油管外挤试验的应力-时间曲线

2) 抗内压强度测试。

从挤压成形的2根6061T6管材(ø130 mm×20 mm×6 000 mm)上截取长度为1 500 mm的管段，在2端加工螺纹，安装于SW FSTF-200S型水压增压系统上，进行内压强度测试，直至管材被压裂(如图4所示)。内压试验的应力-时间曲线如图5所示。由图5可知，ø130 mm×20 mm 6061T6铝合金管在室温下的抗内压强度为121.2 MPa。

图5 6061T6铝合金油管内压试验的应力-时间曲线

3) 实测强度与理论计算强度对比。

6061T6铝合金油管实测强度与理论计算强度对比如图6所示。从图6可知，取GB/T 4437.1-2015给定的材料屈服强度值和抗拉强度值，计算得到的6061T6铝合金油管的内压强度值、外挤强度值都远低于其试验实测值，误差分别为32.6%、38.2%；制作标准拉伸试样，测试材料的屈服强度值和抗拉强度值，据此值计算6061T6铝合金油管的内压强度值、外挤强度值，这2个值都与其试验实测值接近[16]，误差分别为8.6%、0.2%。比较结果说明，基于标准拉伸试样实测的材料屈服强度值和抗拉强度值建立6061T6铝合金油管的强度与壁厚计算数学模型是合理的。

3 铝基耐酸易钻支撑油管耐酸蚀性能评价

分别采用失重法及交流阻抗法评价6061T6铝合金油管的耐酸性能。根据顺北油田酸化作用工况，确定酸化介质为100 ℃、质量分数20%的盐酸。

3.1 失重法耐酸评价试验结果

采用6061T6铝合金油管材料制作1件试样，尺寸为30 mm×10 mm×3 mm，在HH系列数显恒温油浴锅内进行耐酸试验。首先，将涂层厚度为1 mm的6061T6铝合金油管材料试样放入盛有250 mL、质量分数20%盐酸溶液的烧杯中，然后再将烧杯放入HH系列数显恒温油浴锅内加热至100 ℃，开始计时。每4 h将试样取出1次，用滤纸吸水，冷风吹干，称重。试样浸泡的总时间为12 h。表2为试样的质量数据。由表2可知，试样在100 ℃、质量分数20%的盐酸溶液中浸泡，其质量随浸泡时间增加而略微增加，质量增加速率为0.008%/h。试样质量增加的主要原因是浸泡过程中表面涂层有微量吸水。图7为浸泡前、后试样的表面形貌。由图7可知，6061T6铝合金油管试样在100 ℃、质量分数20%的盐酸溶液中浸泡12 h，表面涂层无鼓泡、无破损、无孔洞、无开裂、无脱落现象，说明涂层耐酸性好，可以满足酸化工况要求。

图7 试样在100 ℃、质量分数20%盐酸中浸泡12 h前、后表面形貌

3.2 交流阻抗法耐酸评价试验结果

采用6061T6铝合金油管材料制作1件具有耐酸涂层的试样，另制作1件无涂层的试样，其尺寸均为30 mm×10 mm×3 mm, 采用环氧树脂密封并在试样中下位置留出1 cm2的测试面。使用PG-STAT302型电化学工作站进行耐酸试验。试验介质为质量分数20%的盐酸溶液，工作电极分别为具有耐酸涂层的试样和无涂层试样，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。图8为2件试样的阻抗测试结果。由图8a可知，无涂层试样具有1个容抗弧，且在低频区带1个扩散尾，表明材料已经被腐蚀性盐酸介质侵入。在相同条件下，有耐酸涂层的试样具有较大的容抗弧半径，表明材料表面的涂层对盐酸介质具有较好的隔绝作用，可以避免材料被腐蚀。在图8b中，无涂层试样的低频处阻抗值为105Ω·cm2以下，有耐酸涂层试样的低频处阻抗值为1010Ω·cm2。文献[17]表明，涂层的交流阻抗值大于等于109Ω·cm2时，即可认为涂层有效隔绝了材料和腐蚀环境的联系，起到了很好的防腐蚀效果。

a Nyquist图 b Bode图图8 6061T6铝合金油管材料试样在质量分数20%的盐酸溶液中阻抗测试结果

4 铝基耐酸易钻支撑油管钻磨性能评价

铝基耐酸易钻支撑油管的钻磨速度直接影响钻磨工期及费用，是影响铝基耐酸易钻支撑油管大规模应用的1个重要因素。在配有ASBR测试系统的钻磨实验台架上，采用外径106 mm的磨鞋，在钻压为10 kN、转速为300 r/min的条件下钻削6061T6铝合金油管(ø98 mm×12 mm)30 min，测试其钻磨速度。作为对比，在相同的条件下测试P110钢油管(ø90 mm×6.5 mm)的钻磨速度。钻磨后的油管端面如图9所示。测试结果如表3所示。因钢质油管与铝合金油管几何尺寸略有不同，因此，采用单位时间钻磨的油管体积来比较其钻磨速度。由试验数据换算得到6061T6油管、P110油管的钻屑体积分别为1.51×10-3m3/h(0.466 m/h)、0.43×10-3m3/h(0.254 m/h)，即，6061T6铝合金油管的钻磨速度是P110油管钻磨速度的3.5倍,与理论计算结果基本一致[18]。

表3 两种材质油管的钻磨速度

A 6061T6铝合金油管 b P110钢级油管图9 钻磨后的油管端面

5 结论

1) 针对碳酸盐岩油藏酸化压裂工况，设计了以6061T6铝合金为基础的内外表面均涂覆耐酸涂层的耐酸易钻支撑油管。失重法测试结果表明，该油管表面的涂层在100 ℃、质量分数20%的盐酸溶液中浸泡12 h，表面无破损、无开裂，质量增加速率为0.008%/h。交流阻抗法的试验结果表明，耐酸涂层的低频阻抗值是1010Ω·cm2，可对内部的6061T6铝合金起到良好的保护作用。

2) 修正了ISO/TR 10400—2018中钢质油管强度计算方法中的管壁形状因子及系数ky。建立了基于标准拉伸试样测试的6061T6铝合金材料屈服强度值、抗拉强度值的铝基耐酸支撑油管内压强度和外挤强度与壁厚的数学模型，该模型计算得到的6061T6铝合金支撑油管内压强度和外挤强度与实测结果相比，误差值分别为8.6%、0.2%。

3) 设计的以6061T6铝合金为基础的耐酸易钻支撑油管，在钻压为10 kN、转速为300 r/min的情况下，其钻磨速度是P110油管钻磨速度的3.5倍。