服役速度管柱性能分析*

李鴻斌，畢宗岳，余 晗，張曉峰，汪海濤

(1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008)

服役速度管柱性能分析*

李鴻斌1，2，畢宗岳1，2，余 晗1，2，張曉峰1，2，汪海濤1，2

(1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008)

為更好了解氣井內服役后速度管柱的性能，起出了某氣井內服役3年的速度管柱，分別截取井口位置及井底位置管段，進行了外觀、壁厚、金相和力學性能等檢測。檢測結果表明：該井況下的速度管柱經過3年服役后，管體為均勻腐蝕，焊縫性能無劣化，管樣拉伸性能、壓扁、擴口、靜水壓試驗仍滿足API SPEC 5ST標準要求，管樣的疲勞性能也無明顯降低。表明在該井況環境下國產速度管柱經過3年服役后，管體性能仍能滿足繼續服役的要求。

焊管；連續油管；速度管柱；服役；疲勞；性能；腐蝕

由于我國區域內的氣井進入開采后期會出現井底壓力降低，產水量增加，產氣量減少，氣井攜液能力變差等現象，嚴重制約氣井后期生產[1-2]。速度管柱排水采氣技術，無需輔助排水措施且攜液能力強，為低壓、低滲透氣井排水采氣提供了一條新的技術途徑[3-4]。連續油管用作速度管柱，通過減小流體流動面積，增大流體流速，提高了氣井的排液能力，使氣井增產效果顯著。國外速度管柱排水采氣技術應用較早、技術成熟，每年實施達1 500井次以上，最大下入深度達到6 248.4m[5]。該技術在歐洲大陸及海上均有應用，可節約費用近65％。近年來，隨著寶雞石油鋼管有限責任公司實現國產化生產連續管產品，速度管柱排水采氣技術在長慶油氣田和四川氣田已經開展應用[6-14]，并取得了一定的應用經驗。

速度管柱懸掛深度達數千米以上，其受力狀況復雜，再加上高礦化度地層水和油氣中腐蝕性介質的作用，管柱在井下服役過程中可能發生坑蝕、穿孔、裂縫、變形及腐蝕減薄等損傷，導致氣井不能正常生產，甚至停產，從而造成經濟損失[15-16]。由于我國速度管柱排水采氣技術起步較晚，對于氣井內服役后的管柱性能未開展過實驗研究。本研究以某氣井內服役3年的速度管柱為研究對象，該服役管柱規格為φ38.1mm×3.18mm，鋼級為CT70，管柱全長約3 200多米。分別截取井口位置及井底位置管柱，對速度管柱樣管進行實驗室性能分析，以便了解服役后國產速度管柱性能的可靠性，為更好推廣和應用速度管柱排水采氣技術做基礎。

1 試驗方法

起出井內服役3年的速度管柱，分別截取于井口和井底處管樣各20m，按照相關檢測標準對所截取的管樣進行試樣制備及檢測分析。用ZIWCK1200型試驗機，按照ASTM A370—2009《鋼制品力學性能試驗的方法和定義》進行整管拉伸試驗，試樣規格φ38.1mm×3.18mm×450mm；按照API SPEC 5ST《連續油管規范》進行擴口和壓扁試驗，試樣規格φ38.1mm×3.18mm×101.6mm；按照API SPEC 5ST《連續油管規范》要求，進行靜水壓試驗，試樣規格為φ38.1mm×3.18mm×2 500mm；采用PX-7超聲波測厚儀對管樣進行壁厚檢測；按照GB/T 4340.1—2009，使用Leica DMI5000M金相顯微鏡及Durascan 70硬度計對管樣進行顯微組織及硬度分析；用PLW-100型疲勞試驗機進行低周疲勞試驗，試樣規格為φ 38.1mm×3.18mm×1 524mm，彎曲模半徑為1 219mm，管樣在內壓為34.47MPa下反復進行“彎曲-拉直-彎曲”循環疲勞試驗，并記錄疲勞循環次數，直到試樣出現裂紋或漏水，結束試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 外觀及壁厚

國產速度管柱在某井內經過3年服役，井口和井底處管柱內、外表面腐蝕形貌如圖1所示。井口管樣表面雖有銹跡，但銹層較淺，屬于管體表面一層浮銹，管體外壁光滑，無明顯腐蝕產物、無劃傷、凹坑、點蝕現象；刨開井口管樣觀察管體內壁，內壁光滑，無明顯腐蝕產物，管體焊縫處腐蝕狀況與管體無明顯差異，焊縫處無溝腐蝕及選擇性腐蝕。井底管樣內、外表面腐蝕的情況較井口管樣嚴重；管壁外表面有一層腐蝕產物覆蓋，腐蝕較輕微，無點蝕現象，屬于均勻腐蝕，管壁無劃傷、凹坑現象；刨開井底管樣觀察管體內壁，有銹跡生成，較管體外壁腐蝕更輕微，為均勻腐蝕，管體焊縫處腐蝕狀況與管體無明顯差異，焊縫處無溝腐蝕及選擇性腐蝕。

用機械法清洗管樣，采用PX-7超聲波測厚儀檢測管樣壁厚，壁厚測量位置如圖2所示，測量結果見表1。由表1可知，管體實際壁厚均大于管體規定壁厚且滿足API SPEC 5ST標準要求。

圖1 井口和井底管樣內、外表面宏觀形貌

由于無法得知原始壁厚，所以只能按照理論推斷其管柱腐蝕速率。假設管子原始壁厚為最大壁厚公差上限，即3.48mm，而實測壁厚最小值為3.220mm，此盤速度管柱在井下服役時間為3年，估算得到的管柱最大腐蝕速率為(3.48-3.22)÷3≈0.087mm/a。

圖2 壁厚測量位置示意圖

表1 管樣壁厚測量結果

2.2 顯微組織及硬度

管樣焊縫及母材顯微組織如圖3所示,可見管材組織為多邊形鐵素體和細小的珠光體組成，母材晶粒度為12級，焊縫晶粒度為10.5級，帶狀組織為1.5級。該盤速度管柱經過3年服役，管材焊縫及母材組織未發生變化，無異常組織、無組織退化現象。硬度檢測結果見表2，可以看出，管樣母材、焊縫及熱影響區的維氏硬度均小于248 HV10，滿足API SPEC 5ST標準要求。

圖3 管樣焊縫及母材組織形貌

表2 硬度檢測結果 HV10

2.3 力學性能

2.3.1 整管拉伸試驗

整管拉伸試驗結果見表3。由表可見，井口管樣的縱向屈服強度Rt0.5均值為488MPa，抗拉強度Rm均值為603MPa，伸長率A均值為31％；井底管樣的縱向屈服強度均值為492MPa，抗拉強度均值為583MPa，伸長率均值為33％。

由檢測結果可知，服役3年后的速度管柱拉伸性能仍滿足API SPEC 5ST標準要求，可見在該井況條件下，該速度管柱腐蝕較輕，未有因腐蝕缺陷而造成的強度明顯減弱。井口管樣及井底管樣的屈服強度低于出廠檢測值，是由于速度管柱在運輸過程中卷曲在卷筒上，以及速度管柱在單次下入井內的過程中要經過3次彎曲和變值的變化，使管柱受到的塑性變型，由于包申格效應等原因使得服役管柱屈服強度有所降低。

表3 整管縱向拉伸試驗結果

2.3.2 擴口、壓扁試驗

擴口試驗采用60°錐頭，擴口率為25％，管口母材及焊縫均未出現裂紋；管樣壓扁試驗，分別壓至板間距離為32.1mm和2倍壁厚距離時，焊縫及母材均未出現任何裂紋，管樣擴口及壓扁試驗均滿足API SPEC 5ST標準要求。由檢測結果可知，服役3年后的速度管柱仍具有良好的塑性，且焊縫質量較好。

2.3.3 靜水壓及爆破試驗

對井口及井底管樣進行了靜水壓試驗和爆破試驗。靜水壓試驗是根據API SPEC 5ST《連續油管規范》標準，試驗壓力為61.1MPa，保壓時間為15min。在靜水壓試驗過程中壓力降未超過1.4MPa，滿足標準要求。靜水壓試驗后對管樣進行水壓爆破試驗，試驗結果見圖4和表4，管樣水壓爆破斷口形貌如圖5所示。

由表4可以看出，井口與井底管樣的屈服壓力、最大壓力和爆破壓力值相當，且屈服壓力和最大壓力均大于標準計算值。服役后管柱承壓能力較高，表明管體為均勻腐蝕，沒有因點蝕或坑蝕造的壁厚減薄；爆破斷口均位于管體母材，說明服役后管柱的焊縫性能沒有因腐蝕而造成劣化。

圖4 管樣水壓爆破試驗壓力曲線

表4 管樣水壓爆破試驗結果

圖5 管樣水壓爆破斷口形貌

2.3.4 疲勞性能

管樣疲勞試驗結果見表5。由表可見，井口管樣平均疲勞次數明顯高于井底管樣疲勞次數，且井底管樣失效位置為管體母材。由此可見，管柱經服役后，井底實際的工況環境對速度管柱疲勞性能影響顯著，在井底溫度、壓力、腐蝕環境的共同作用下使得井底處管樣疲勞性能有所降低。但對比同規格、同鋼級未經服役管柱的疲勞試驗結果，該盤速度管柱疲勞性能無明顯降低，按照井底管樣疲勞次數平均值115次進行估算，該盤速度管柱仍能滿足再次下井的要求。

表5 管樣疲勞試驗結果

3 結果與討論

本次起出速度管柱的氣井，井內為氯化鈣水型，Cl-含量為8567mg/L，總壓力為6MPa，CO2分壓為0.1MPa，井內不含有H2S氣體。國產速度管柱在該井況下經過3年服役，通過對井口和井底處樣管分析，可以看出：管體內、外表面基本光滑，無明顯的點蝕孔或坑，屬于均勻腐蝕；管材焊縫及母材組織未發生變化，無異常組織、無組織退化現象；管體拉伸、壓扁、擴口及靜水壓試驗均滿足API SPEC 5ST標準要求且管柱疲勞性能無明顯降低。綜合以上檢測結果，該盤速度管柱經過3年服役后整體性能無明顯降低，仍能滿足再次下井服役的要求；說明國產速度管柱在該井況下服役性能可靠，為國產速度管柱在該區域大規模推廣、應用提供數據基礎，也為我國其他氣田推廣、應用國產速度管柱提供一定的數據參考。

4 結 論

(1)井口及井底管樣的內、外表面形貌，無明顯的點蝕孔或坑，管體為均勻腐蝕，管體焊縫處無溝腐蝕及選擇性腐蝕。

(2)井口及井底管樣的拉伸、壓扁、擴口性能滿足API SPEC 5ST標準要求。

(3)管材焊縫及母材金相組織無異常，硬度檢測滿足API SPEC 5ST標準要求。

(4)井口及井底管樣靜水壓試驗滿足API SPEC 5ST標準要求，水壓爆破壓力大于114MPa。

(5)井口管樣的疲勞次數均值為163次，井底管樣的疲勞次數均值為115次，管柱疲勞性能無明顯降低。

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Performance Analysis on Service Velocity String

LI Hongbin1,2，BI Zongyue1,2，YU Han1,2，ZHANG Xiaofeng1,2，WANG Haitao1,2
(1.National Petroleum and Gas Tubular Goods Engineering Technology Research Center，Baoji 721008，Shaanxi，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi，China)

In order to better understand the velocity string performance in the gas well after service,the velocity string in a gas well served for 3 years was pulled out.It sampled from wellhead position and bottom location respectively to carry out performance tests,including appearance,wall thickness,metallographic,mechanical test,etc.The results showed that the velocity string after 3 year service,the pipe body was uniform corrosion,the weld properties were without deterioration.The tensile performance,flattening,expanding and hydrostatic test of sample pipe can still satisfy the requirements of API SPEC 5ST standard,and the fatigue performance did not decrease obviously.It indicated that under this well condition the velocity string after 3 years of service,the performance of pipe body can still meet the requirements of continuous service.

welded pipe；coiled tubing(CT);velocity string;service;fatigue;performance;corrosion

TE931.2

B

1001-3938(2015)03-0052-05

連續管制造檢測技術及產業化研究(2011CZB-001)。

李鴻斌(1984—)，男，工程師，主要從事連續管新產品研發等工作。

2014-09-03

羅 剛