南海高溫高壓含CO2氣井超級13CrS油管柱耐磨損性能測試

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(1.中海石油有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 四川 成都 610500)

0 引 言

近年來，隨著我國海洋石油發(fā)展不斷深入，石油鉆井開始向深井和超深井發(fā)展，同時遇到含CO2和H2S等酸性流體工況也越來越多。在深井或超深氣井開發(fā)中，油管屈曲變形后往往會與套管接觸發(fā)生往復(fù)式摩擦，使油管局部外管壁減薄，導(dǎo)致油管柱抗內(nèi)壓或抗外壓能力降低，造成油管柱剩余強度不足而失效，影響井筒完整性，危及油田安全生產(chǎn)，更可能造成環(huán)境安全問題[1-3]。因此，研究油管在服役過程中過程中偏磨問題，并對油管柱材料適用性進(jìn)行評價與優(yōu)選，對井筒完整性有著重要作用。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對材料適用性及優(yōu)選的研究較少，更多的是單方面對油管材料進(jìn)行磨損試驗，及對材料磨損機理的研究；XUAN和ANH[4]等人建立了油管沖蝕磨損理論，預(yù)測了油管磨損。TING J Y和KUI S W[5]研究了生產(chǎn)流體對抽油桿和N80油管磨損的影響；張福祥[6]研究了不同的接觸力、摩擦頻率條件下P110套管對超級13Cr油管的磨損性能，并發(fā)現(xiàn)超級13Cr油管與P110套管之間的磨損機理以黏著磨損為主，表面形貌為片狀剝落和犁溝共存。馬文海[7]等人研究了超級13Cr油管材料與P110和TP140兩種不同套管材料的磨損性能，發(fā)現(xiàn)TP140套管對超級13Cr油管磨損破壞程度比P110套管大很多；馬尚余[8]等人建立了油管磨損預(yù)測模型并進(jìn)行了驗證；林冠發(fā)等[9]研究了在兩相流中N80和P110兩種油套管鋼材料的腐蝕磨損性能，發(fā)現(xiàn)在硫酸溶液及兩相純水介質(zhì)中，P110鋼腐蝕及磨損速率均小于N80鋼；姚小飛和謝發(fā)勤[10]等人對TC4合金和P110油管鋼的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究與對比，發(fā)現(xiàn)TC4合金磨損率高于P110油管鋼；王毅飛和謝發(fā)勤等[11]對P110油管鋼表面分別制備Cu鍍層和Ni-P鍍層后的摩擦磨損性能進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)Cu鍍層和Ni-P鍍層均能改善和提高P110套管鋼耐磨性能且Ni-P鍍層耐磨性優(yōu)于Cu鍍層；江民濤[12]等人對磨損、磨損解決方法及耐磨材料進(jìn)行了綜述。這些文獻(xiàn)多是研究不同材質(zhì)油管在預(yù)定環(huán)境下的磨損行為及磨損機理，并沒有磨損的基礎(chǔ)上對不同材質(zhì)的油管進(jìn)行適用性對比評價及優(yōu)選。于是本文在對不同材質(zhì)油管的磨損試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比與分析的基礎(chǔ)上，對不同材質(zhì)油管進(jìn)行適用性評價并對其進(jìn)行材質(zhì)優(yōu)選。

1 試驗裝置及方法

磨損裝置為自主研發(fā)的磨損試驗機。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。磨損試片是由油管管體加工而成，尺寸為50 mm×40 mm，厚度為該油管管體的壁厚。磨損圓棒為厚壁套管加工而成，尺寸為直徑Φ16 mm、長80 mm。圓棒和磨損試片尺寸及磨損后的試樣外觀如圖2所示。

采用有限元方法，分別建立油管與套管實際接觸的有限元模型以及磨損試驗的接觸模型，進(jìn)行有限元分析。油管、套管材料的彈性模量均為209 GPa，泊松比均為0.3，采用三維8節(jié)點的solid185單元。油管與套管實際接觸的有限元模型中，油管外壁指定為目標(biāo)面，套管內(nèi)壁指定為接觸面，建立接觸對，對套管外壁施加固定約束，油管側(cè)面施加接觸外力F，然后進(jìn)行求解；磨損試驗的接觸模型中，對圓棒施加固定約束，對油管側(cè)面施加接觸外力F，然后進(jìn)行求解。由此得到油管側(cè)向力與接觸應(yīng)力的關(guān)系、磨損試驗接觸力與接觸應(yīng)力的關(guān)系，Φ88.9 mm×9.52 mm油管和Φ155.7 mm×17.44 mm套管的接觸對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

1：機座；2：帶旋轉(zhuǎn)計數(shù)器的電機；3：滑臺；4：加熱套；5：磨損試片；6：圓棒試樣；7：試驗介質(zhì)；8：定滑輪；9：加重托盤圖1 滑臺式磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 圓棒和磨損試片實物圖

圖3 接觸外力與接觸應(yīng)力的關(guān)系

油管側(cè)向力選取10 kN/m、15 kN/m、20 kN/m，結(jié)合磨損試片的尺寸，對應(yīng)磨損試驗機所施加的接觸力為12 N、18 N、24 N，即砝碼的重量。

磨損試片為油管材料加工而成，油管型號有：1)13Cr-L80、2)13CrS-110。磨損圓棒為L80-3Cr厚壁套管加工而成。試驗液體介質(zhì)主要有：完井液A、完井液B、完井液C以及清水等。

試驗時間18 h為1組試驗，每隔1 h對油管磨損試片和套管磨棒進(jìn)行稱重、測量一次，且在試驗前后均用丙酮清洗并烘干，然后再用電子天平(精度為0.1 mg)稱量以及電子游標(biāo)卡尺測量磨損深度。根據(jù)現(xiàn)場起下油管柱的實際情況，確定本磨損試驗的轉(zhuǎn)速為120 r/min。磨損試驗所加接觸力為10 kN/m、15 kN/m、20 kN/m。通過失重法來確定油管的磨損量。

2 不同油管材料磨損嚴(yán)重程度對比試驗

將油管與套管材料加工而成的試片與圓棒安裝固定在自制磨損試驗設(shè)備上，使兩種油管材料與套管材料在4種不同介質(zhì)中加載3種不同大小接觸力進(jìn)行對磨試驗。

2.1 不同側(cè)向力作用下油管與套管的磨損

選擇完井液A作為磨損試驗介質(zhì)，在不同接觸側(cè)向力(10 kN/m、15 kN/m、20 kN/m)作用下，對L80-3Cr套管圓棒與不同材料油管試片進(jìn)行磨損試驗，其累計磨損量情況如圖4所示。

圖4 不同側(cè)向力作用下油管與套管累計磨損量

從圖4可見，在10 kN/m側(cè)向力作用下磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計磨損量為98.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為108.2 mg，13Cr-110油管材料累計磨損量為33.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為39.7 mg；在15 kN/m側(cè)向力作用下磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計磨損量為132.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為140.0 mg，13Cr-110油管材料累計磨損量為45.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為51.0 mg；在20 kN/m側(cè)向力作用下磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計磨損量為166.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為176.0 mg，13Cr-110油管材料累計磨損量為54.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為68.0 mg。由此看出：1)在三種側(cè)向力作用下，兩種油管材料累計磨損量及套管累計磨損量增長趨勢基本一致，其增長速率在磨損前期隨時間不斷增大，磨損至一定程度時，其增長速率開始緩慢減小，最后保持穩(wěn)定。2)油管累計磨損量小于套管累計磨損量，且隨著側(cè)向力的增加，油管累計磨損量和套管累計磨損量隨之增加，側(cè)向力的增加會使磨損加劇。3)在三種不同側(cè)向力作用下，13Cr-110油管材料累計磨損量均為最小，對套管材料造成的磨損也最少，13Cr-110油管材料適用性較好。

2.2 不同介質(zhì)中油管與套管的磨損

在接觸力10 kN/m作用下，L80-3Cr套管圓棒與兩種不同材料油管試片在4種不同介質(zhì)中進(jìn)行磨損接觸試驗，其累計磨損量情況如圖5所示。

圖5 不同介質(zhì)中油管與套管累計磨損量

從圖5可見，側(cè)向力10 kN/m作用下，在完井液A介質(zhì)環(huán)境中磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計磨損量為98.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為108.2 mg，13Cr-110油管材料累計磨損量為33.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為39.7 mg；在完井液B介質(zhì)環(huán)境中磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計磨損量為111.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為120.2 mg，13Cr-110油管材料累計磨損量為46.3 mg，對套管材料造成累計磨損量為59.8 mg；在完井液C介質(zhì)環(huán)境中磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計磨損量為830.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為975.0 mg，13Cr-110油管材料累計磨損量為155.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為243.0 mg；在清水介質(zhì)環(huán)境中磨損18 h后，13Cr-L80油管材料累計磨損量為973.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為1106.0 mg，13Cr-110油管材料累計磨損量為297.0 mg，對套管材料造成累計磨損量為344.5 mg。由此可以看出，1)在相同側(cè)向力作用下，不同介質(zhì)環(huán)境中，兩種油管材料累計磨損量與套管累計磨損量增長趨勢基本一致，其增長速率在磨損前期隨時間不斷增大，磨損至一定程度時，其增長速率開始緩慢減小，最后保持穩(wěn)定。2)完井液A與完井液B中油管與套管累計磨損量較小，約為清水中材料累計磨損量的9%～16%；完井液C中材料磨損量比清水略小，約為清水中材料累計磨損量的58%～85%，完井液A與完井液B在保護(hù)材料防磨方面性能比完井液C與清水更為優(yōu)秀。3)在四種介質(zhì)環(huán)境中，油管累計磨損量都小于套管累計磨損量，13Cr-L80油管的累計磨損量及對套管造成的磨損在四種種介質(zhì)環(huán)境中均大于13CrS-110油管材料，因而13CrS-110油管材料耐磨性能優(yōu)于13Cr-L80油管材料。

3 不同油管材料磨損情況討論分析

在不同介質(zhì)環(huán)境中，不同側(cè)向力作用下13Cr-L80油管與13CrS-110油管材料磨損情況如圖6所示。

圖6 13Cr-L80油管及13CrS-110油管磨損情況

從圖6可見，13Cr-L80油管材料在10 kN/m側(cè)向力作用下，完井液A介質(zhì)環(huán)境中試驗后累計磨損量最小為98.0 mg，在清水介質(zhì)環(huán)境中累計磨損量增大為973.0 mg，并隨著側(cè)向力的增加，在清水介質(zhì)環(huán)境中累計磨損量達(dá)到最大，增加到1921.0 mg；13CrS-110油管材料在10 kN/m側(cè)向力作用下，完井液A介質(zhì)環(huán)境中試驗后累計磨損量最小為33.0 mg，在清水介質(zhì)環(huán)境中累計磨損量增大為297.0 mg，并隨著側(cè)向力的增加，在清水介質(zhì)環(huán)境中累計磨損量達(dá)到最大，增加到730.0 mg。由此可以看出，1)隨著側(cè)向力的增加油管材料累計磨損量也隨之增加。側(cè)向力15 KN/m作用下油管累計磨損量約為10 kN/m的1.30～1.43倍，20 KN/m作用下油管累計磨損量約為15 kN/m的1.22～1.47倍，累計磨損量與側(cè)向力接近正比關(guān)系。2)在完井液環(huán)境中，油管材料累計磨損量比在清水中小，在完井液A中最小，約為清水的1/10，完井液A在四種介質(zhì)中防磨效果最好。3)在相同側(cè)向力作用下，13CrS-110油管材料在四種介質(zhì)中的累計磨損量均小于13Cr-L80油管材料，耐磨性能好，適用性更高。

4 結(jié) 論

1)油管累計磨損量隨著側(cè)向力增加而增大，且呈現(xiàn)出正比關(guān)系。

2)油管材料累計磨損量隨增加速率在磨損初期不斷增大，但隨著磨損時間增加，油管材料累計磨損量增加速率逐漸減小，趨勢變緩后趨于穩(wěn)定。

3)存在完井液的介質(zhì)環(huán)境中，油管材料磨損量均小于清水介質(zhì)中油管材料磨損量，完井液能夠有效減小材料磨損，其中完井液A與完井液B防磨效果接近，完井液C略小于清水，完井液A防磨效果最好。

4)基于不同材料的磨損試驗，兩種試驗材料中，13CrS-110油管材料在四種介質(zhì)中的累計磨損量均小于13Cr-L80油管材料，對套管造成的磨損也最小，耐磨性能好，適用性更高，可以有效防止油管磨損帶來的危害。