地熱資源系列專用管設計及評價技術

王蕊，李東風，楊鵬，張益銘，莫子雄

1.中國石油天然氣集團有限公司石油管工程技術研究院 （陜西 西安 710077）

2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 （陜西 西安 710077）

地熱資源是一種可再生的新型環保清潔能源，其應用潛力巨大，持續加大地熱資源的開發與應用將會創造一種全新的能源利用形式，有效優化能源消費結構，對于治污減霾、改善環境將產生十分顯著的效果。近年來，隨著我國各地對能源、環境關注度的提高，地熱資源的開發與利用也成為低碳經濟視角下，實現化石能源與新能源并舉的一項關鍵舉措[1-4]。

近幾年，我國對地熱資源的研究主要集中在地熱井成井工藝、地熱資源管理、環境保護、地熱井失效處理技術及管材腐蝕、防垢控制等方面[5-11]。而針對地熱資源專用管材設計開發、評價的研究卻鮮見報道[12-13]。地熱井工況條件復雜，承受溫度、壓力與大量的腐蝕性介質等共同作用，管材長期處于高溫、高壓環境和腐蝕介質中，極易產生泄漏、腐蝕、變形、斷裂等失效形式[14-16]，導致后期維護、改造、修井費用增加，影響地熱井開發的經濟成本及使用壽命，甚至造成環境污染，限制了地熱資源的大力開發及有效利用。

通過分析地熱能源開發用管材現狀，結合高、中和低溫3種類型的地熱資源特點以及我國不同區塊不同地下水的化學成分，基于應變設計的理論、經濟型特殊螺紋接頭設計，開展地熱資源用系列專用管材設計，以滿足地熱用管材與地熱流體的相容性及工況適用性。同時，為確保地熱資源用管材的質量和性能，提出地熱資源系列專用管材性能評價技術。對于促進地熱資源的開發利用、延長生命周期具有非常重要的經濟、環境及社會意義。

1 地熱能源開發用管材現狀分析

1.1 腐蝕問題

地熱井用管材的腐蝕主要是地熱流體及土壤對其產生的腐蝕，以電化學腐蝕為主。一般地熱水礦化度較高，含離子種類較多，主要有氯離子、溶解氧、硫酸根離子、氫離子、硫化氫以及二氧化碳等，其中以氯離子的腐蝕性為最強，是引起碳鋼、不銹鋼及其它合金的均勻腐蝕、孔蝕和縫隙腐蝕的重要因素。另外，由于腐蝕性流體和金屬井管表面的相對運動引起沖擊腐蝕、沖刷腐蝕或磨蝕，當含砂量偏高時，磨損腐蝕速度也會增加。管柱在井下服役過程中，受到復合載荷的作用，這些載荷包括拉升、壓縮、內壓、外壓、扭轉、焊接殘余應力等。復合載荷和特定的腐蝕介質共同作用會使管柱產生應力腐蝕，從而引起金屬的破裂。因此，減少腐蝕失效、提升井管的使用壽命，是地熱資源開發及長期有效利用急需解決的關鍵問題[17-18]。目前常用的防腐方式是采用內防腐、非金屬管材、增加管材腐蝕裕量和耐蝕合金材料。

內防腐涂層、鍍層、內襯保護（如鎳磷鍍、SK-54防腐[19]、氮化處理、鈦納米涂料、不銹鋼內襯等），可對碳鋼材料進行保護。但由于碳鋼和防腐涂層（鍍層、內襯）的屈服應力不同，而且該方法大多對管體內表面光潔度要求高，操作工藝復雜，制造成本高，而且鍍層不均勻，尤其在使用過程中存在涂層結合力差、大面積脫落等問題，不能有效降低腐蝕問題。

非金屬管材（如PVC-U塑料管[20]和玻璃鋼管等），具有較強的耐腐蝕性，可有效避免腐蝕、結垢問題。但其不耐高溫、強度低，并存在承載、承壓、耐熱、老化、接頭處理等一系列技術問題，阻礙其在地熱井的大量使用。

增大管材腐蝕裕量設計。即增加管壁厚度，需要根據管材預期的壽命和介質對材料的腐蝕速率，確定其腐蝕裕量。這種設計除了需要開展管材性能影響因素分析，正確評估腐蝕裕量大小以外，并不能解決局部腐蝕問題，而且還會進一步增加地熱資源開發的經濟成本。

耐蝕合金材料（如不銹鋼、鈦合金、鎳基合金等）具有很好的耐蝕性，但在地熱資源開發的使用方面還存在一些問題（例如成本較高），而且在高氯離子含量條件下，不銹鋼的耐腐蝕性并不比碳鋼強。

針對耐蝕合金的腐蝕問題，國內外學者Klapper[21]、Mundhenk[22-23]、蔡培培[24]、吳坤湖[25]等開展了大量的研究工作，包括非合金鋼、中碳鋼、不銹鋼和鎳基合金、鈦合金等的腐蝕特性以及腐蝕、結垢相互作用規律，對耐蝕合金的選用提供了有價值的參考信息。因此，設計一種基于不同地熱工況的耐蝕合金體系，進而開發出低成本、高耐蝕性的地熱資源開發專用系列管材，是減少管材腐蝕失效問題的一種有效技術手段。

1.2 溫度的影響

地熱井深度一般1 000～4 000 m，最常見的地熱分類方法按溫度分為：高溫、中溫和低溫3類。以蒸氣形式存在，溫度高于150℃，屬高溫地熱；以水和蒸氣的混合物等形式存在，溫度處于90℃～150℃，屬中溫地熱；以溫水、溫熱水、熱水等形式存在，溫度處于25℃～90℃，屬低溫地熱[26]。地熱井溫度越高，對金屬的腐蝕作用越強。在管材設計方面[27]，傳統的管材設計以彈性力學理論為基礎，采用強度設計方法確保管材在服役過程中不發生屈服現象，設計過程中主要考慮管材的強度指標，滿足鉆完井工程需求。而在傳統熱采井套管柱設計過程中同時考慮熱應力作用，確保管材高溫條件下不出現屈服現象。

1.3 管柱尺寸結構及密封泄漏問題

復雜苛刻的工況環境一方面對管柱的材料、結構密封性能提出了高要求，另一方面對管柱經濟適用性也提出了高要求，需要開發具有經濟合理的適用結構。現階段地熱井管材大多使用API標準螺紋，API螺紋接頭抗扭強度普遍低于管體，在使用時受到拉伸載荷作用時，密封接觸壓力會顯著降低，從而失去密封作用[28]。當螺紋連接處泄漏后，熱水或熱蒸氣進入地層被泥巖夾層吸收，結果泥巖層吸水膨脹造成非均勻外擠載荷增大，地層運動使得套管受到剪切作用，引發套管管體錯斷[29]。為此，在考慮經濟成本的前提下，需設計地熱管專用經濟型密封螺紋，同時進行規格和幾何尺寸的改進，進一步提高管柱的結構和密封完整性。

2 地熱資源系列專用管材設計

針對開發中出現的腐蝕、變形及接頭泄漏等問題，圍繞防腐、抗變形和經濟型螺紋接頭設計3方面，開展地熱資源系列專用管材的設計。

2.1 防腐蝕性能設計

地熱資源用管材進行防腐處理是十分必要的。它在提高工作時效的同時，還可延長管柱的使用壽命，減少更換管柱的作業次數，降低作業成本。

腐蝕、結垢問題是地熱井系列專用管材開發的最關鍵問題，目前采用的內防腐設計、非金屬材料選擇、選用耐蝕合金和增加管材腐蝕裕量等防腐方式各有優點，但均不能達到理想的低成本防腐效果。在油井管柱合金體系的基礎上，依據高、中和低溫3類地熱井資源工況條件，通過研究合金成分與特定地熱環境腐蝕速率之間的關系，建立系列耐蝕地熱資源專用管材合金體系。同時分析溫度及應力狀態對管材腐蝕速率的影響程度，建立溫度、應力狀態及合金成分與腐蝕速率之間的關系，進而對管材合金成分進行優化設計，形成針對不同類型的地熱資源采用低成本系列專用管材，滿足地熱資源開發的需求。地熱資源系列專用管材防腐性能設計如圖1所示。

2.2 抗變形性能設計

地熱資源用管材設計是否滿足長期地熱環境服役的要求，是影響地熱資源生命周期長短的關鍵。在地熱資源用管選材設計過程中采用基于應變設計理論。其設計依據是設計應變小于許用應變。許用應變取決于材料的塑性變形能力和屈強比，用均勻延伸率來表征，防止材料局部頸縮變形、應力集中。基于應變的地熱資源用管材設計方法要求，許用應變必須滿足設計應變的要求。可見，應變設計方法采用應變參量作為主控參數，充分發揮材料的均勻變形能力，對材料性能的利用擴展到最大抗拉強度階段，充分發揮材料均勻塑性變形能力，確保高溫作用下管柱的使用性能滿足地熱資源工況要求。

圖1 地熱資源系列專用管材防腐性能設計

2.3 經濟型螺紋接頭設計

密封結構設計是確保地熱井安全可靠運行的關鍵。密封結構失效將導致非常嚴重的黏扣、滑脫、泄漏質量事故，極大影響螺紋接頭的使用性能，縮短使用壽命。因此，在研究分析油井管產品API螺紋接頭、特殊螺紋接頭及密封結構的基礎上，設計開發一種經濟型地熱井用螺紋密封接頭。應用數值分析方法優化螺紋接頭結構參數，通過全尺寸實物性能評價方法對接頭性能進行適用性評價，驗證經濟型密封接頭在地熱工況條件下的密封結構性能，確保在節省經濟成本的前提下，提升管柱結構的密封性能。

3 地熱資源專用管性能評價體系

為檢驗和提升地熱資源用管材的質量，需要建立地熱資源系列專用管性能評價體系，對其開展適用性評價。大量檢驗、失效、現場使用結果表明，在外觀尺寸檢驗、無損探傷和材質理化分析等常規檢驗項目均符合相應標準要求時，管材的使用性能卻表現出較大差異（如抗黏扣性能、密封性、極限載荷性能等），說明常規檢測不能滿足對管材質量的全面反映與控制要求。為了準確評估地熱資源系列專用管的質量性能，地熱資源系列專用管性能評價體系應在常規檢驗項目基礎上，增加全尺寸適用性評價試驗，實現對管材材料性能、腐蝕性能、接頭黏扣趨勢、密封性、疲勞性能及結構完整性等整體性能指標的檢測。

為了盡可能模擬地熱資源用管材的工況適用性，應開展管材環境行為及力學行為2方面適用性能評價研究。①管材對環境的適用性，主要進行管材化學成分、組織、材料的高低溫力學性能及材料在特定工況條件下的腐蝕性能研究；②管材對力學行為的適用性，主要開展全尺寸實物性能研究。首先通過進行上/卸扣試驗、復合載荷試驗，檢驗接頭的抗黏扣、抗扭轉性能，以及在軸向載荷、內外壓力、彎曲等多種載荷復合應力作用下的密封性能和結構完整性；其次通過全尺寸彎曲疲勞、腐蝕疲勞試驗，可以檢驗管體和接頭的抗疲勞性能及在腐蝕環境下的疲勞壽命。地熱資源系列專用管性能評價流程如圖2所示。

圖2 地熱資源系列專用管性能評價流程

4 結論

1）為了有效控制和減少地熱資源用管柱的失效事故，延長管柱的使用壽命，分析地熱資源用管材的使用現狀和失效因素，提出建立高、中和低溫3種類型地熱資源系列專用耐蝕合金體系，實現低成本管材防腐控制。

2）在基于應變管柱設計理論的基礎上，開發高溫抗大變形管柱設計方法，降低變形等管柱結構失效事故。提出開發經濟型特殊螺紋接頭，實現管柱低成本高密封性能，預防泄漏等失效問題。

3）在管材設計基礎上，提出建立地熱資源系列管材全尺寸評價技術，開展管材適用性評價，確保地熱資源系列專用管材的質量性能。