兩種管材在熱采工況下的力學行為試驗研究

賀占國+趙延理+王佳昌

摘 要：利用Instron 8862型高精度電子蠕變疲勞試驗機，對海上油田熱采井常用的兩種管材在熱采工況下的力學行為進行了測試，獲得了室溫和高溫350 ℃下的拉伸性能，研究了350 ℃下、不同載荷工況下的高溫蠕變行為，得到了蠕變本構方程，并分析了蒸汽吞吐溫度循環工況對管材力學行為的影響。結果表明，高溫下管材的屈服強度、均勻延伸率明顯降低，并表現出明顯的蠕變現象。

關鍵詞：稠油熱采 蒸汽吞吐 高溫力學行為試驗 高溫蠕變

中圖分類號：TE257 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0049-03

熱采開發是現階段高效開發稠油油藏的主要技術之一。渤海油田稠油儲量豐富，2008年起開始稠油熱采開發實踐，熱采井單井產能增加明顯。

不同于常規冷采井，熱采井套管由于在熱循環條件下承受復雜的交變應力易引起套管變形、斷裂。根據陸地油田的調研顯示[1]，五年以上生產周期的熱采井套損率達到30%。套損不但影響熱采井的生產壽命，而且易造成井口泄露等安全問題。

造成熱采井套管損壞失效的原因有很多，如，管材質量、固井質量不合格、螺紋泄露等。研究表明[2]，在持續的高溫下，材料將顯示出不同程度的蠕變現象，對于多次熱循環過程，金屬材料存在顯著的包申格效應，套管材料會顯示出循環硬化或者循環軟化。在每次熱循環過程中，套管管體材料均會產生塑性應變，當塑性應變超過管材的許用應變時，管材將發生損壞失效。

海洋稠油熱采起步較晚，大多數熱采井僅進行了一輪次的吞吐試驗，目前雖未出現套損情況。但是海上油田安全和環保要求高，套管損壞會嚴重影響熱采井的安全生產。因此，開展了海上油田常用的兩種熱采管材在熱采工況下的力學行為試驗研究，通過試驗詳細研究了熱采工況溫度循環下管材的拉伸變形行為、高溫蠕變行為和溫度循環變形行為等，獲得了熱采井套損預測和治理研究的基礎數據。

1 試驗設備、材料及試驗方案

試驗的主要設備為Instron 8862型高精度電子蠕變疲勞試驗機，選用試驗管材為TP00H和TP110H兩種熱采專用套管，制作成縱向圓棒試樣。

拉伸變形行為試驗在室溫20 ℃和350 ℃溫度下各進行一組試驗；高溫蠕變行為試驗在350 ℃溫度、不同應力下進行多組試驗，以擬合推導蠕變本構方程。（如圖1）

2 試驗結果和分析

2.1 拉伸變形行為試驗

在室溫、高溫350 ℃下比較套管材料的拉伸變形行為。試驗結果表明，相比于室溫下，高溫350 ℃套管拉伸應力-應變曲線出現明顯的變化，屈服平臺消失，取而代之為連續光滑的應變強化特征，如圖2、圖3所示。高溫350 ℃下，TP100H、TP110H的屈服強度、均勻延伸率明顯降低。熱采套管拉伸性能匯總如表1所示。

2.2 高溫蠕變行為試驗

熱采井蒸汽吞吐過程中，由于井口、地層的約束，在注汽-采油作業中，套管熱膨脹受到井口/地層的壓縮-拉伸載荷。同時，注汽-采油作業過程持續時間較長。因而，在高溫、載荷、時間多因素環境下服役的熱采套管會發生蠕變行為。在高溫350 ℃，載荷750 MPa、700 MPa、650 MPa、625 MPa、600 MPa下，通過Instron-8862高精度蠕變疲勞試驗機，研究TP100H和TP110H熱采套管的蠕變行為。試驗結果如圖4、圖5所示。可見，高溫350 ℃下，兩種管材表現出明顯的蠕變現象，蠕變過程具有初始蠕變加速、隨后進入穩態階段的特征。TP100H和TP110H套管的蠕變本構曲線如圖6、圖7所示。

2.3 溫度循環變形行為試驗

蒸汽吞吐工藝中，熱采井進行多輪次的注汽-采油作業循環，服役中的套管經受升溫-保溫-降溫的過程，承受溫度循環變形。

通過Instron-8862高精度電子蠕變疲勞試驗機，約束固定試樣兩端軸向位移，在升溫、降溫過程中采集軸向載荷的變化，研究高溫下熱采套管的溫度循環變形行為。

升溫過程中，由于軸向約束，熱采套管試樣承受壓縮載荷，并且隨溫度的升高不斷增大；達到350 ℃后保溫，承受的壓縮載荷不斷減小，表明發生應力松弛；隨后降溫過程中，壓縮載荷不斷減小，承受的載荷逐漸由壓縮方式轉變為拉伸應力。隨循環次數增加，材料壓縮載荷的峰值逐漸減小，拉伸載荷的峰值逐漸增加，表現出包申格效應，如圖8所示。

基于溫度循環過程中包申格效應，溫度循環使得拉伸峰值載荷有可能達到甚至超屈服強度，引起套管縮頸變形導致最終損壞失效。

3 結論

該文通過對海上油田常用兩種熱采套管進行了全面的力學試驗研究，得到了350 ℃下的管材屈服強度、均勻延伸率、蠕變本構方程，通過對試驗數據的分析，得出如下主要結論。

（1）室溫下，熱采套管TP100H/TP110H拉伸應力-應變曲線出現應力平臺；高溫350 ℃下，應力平臺消失，取而代之為連續光滑的應變強化；相比于室溫，高溫350 ℃下，拉伸性能如屈服強度、抗拉強度、均勻延伸率明顯降低。

（2）高溫350 ℃下，熱采套管TP100H/TP110H表現出蠕變現象，蠕變過程包括初始加速階段、隨后穩態階段。

（3）多輪次蒸汽吞吐溫度循環過程中，熱采套管受到的拉伸峰值應力不斷增加，表現出包申格效應；增加的拉伸峰值載荷有可能超過屈服強度，引起套管縮頸變形導致最終損壞失效。

參考文獻

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[2] 謝斌，張學魯，田志華，等.基于應變的熱采井套管柱設計及選材技術[C]//油氣井管柱與管材國際會議.西安：中國石油集團石油管工程技術研究院.2014.

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