海上稠油井熱應力補償器熱熔材料優選

黃鵬 劉書杰 謝仁軍 黃浩 鄭雙進

摘 ?????要：熱應力補償器是解決海上稠油井套管損壞的重要技術途徑。針對熱熔式應力補償器，熱熔材料性能好壞是決定其安全性和可靠性的關鍵。基于海上稠油井固井工況與熱采條件，針對幾種鉛錫合金材料開展了熔點測試、線膨脹系數測試和抗壓強度測試，優選出了滿足海上稠油井熱應力補償器需要的熱熔材料，對于研制熱應力補償器具有一定的指導意義。

關 ?鍵 ?詞：熱應力補償器;熔點測試;線膨脹系數測試 ; 抗壓強度測試

中圖分類號：TE935 ??????文獻標識碼： ????????文章編號：1671-0460（2019）04-0708-04

Abstract： Thermal stress compensator is an important way to solve casing damage in offshore heavy oil wells. In view of the hot melt stress compensator， the performance of the hot melt material is the key to its safety and reliability. Based on the cementing conditions and thermal recovery conditions of the heavy oil well， the melting point test， the linear expansion coefficient test and the compressive strength test of several kinds of lead tin alloy materials were carried out. The hot-melt materials meeting the needs of the thermal stress compensator in offshore heavy oil well were selected. The paper is of certain guiding significance for the development of thermal stress compensator.

Key words： Thermal stress compensator; Melting point test; Test of coefficient of linear expansion; Compressive strength test

隨著海上油田開發規模的不斷擴大，稠油熱采井越來越多，熱應力補償器已成為解決海上稠油井套管損壞的重要技術途徑[1]。補償器是石油天然氣建設中結構較為特殊的組成部分，補償器能夠吸收由于管道形變而產生的應力，因此，對長輸管道的安全運行起著重要的作用[2]。熱應力補償器能否對熱應力進行補償，關鍵取決于解鎖結構的安全性和可靠性，針對熱熔式應力補償器，其熱熔材料是決定其安全性和可靠性的關鍵[3，4]。因此，優選或開發合適的熱熔材料是研制熱應力補償器的重要技術環節。渤海油田海上稠油井一般為水平井，垂深1 500～2 000 m，油層段自然溫度45～60 ℃，熱采時一般注入多元熱流體，注入后井底溫度80～200 ℃。基于海上稠油井固井工況與熱采條件，確定熱應力補償器熱熔材料的性能要求：熔點范圍為80～200 ℃，體積壓縮性系數≤1%，抗壓強度≥20 MPa。結合上述性能要求，針對幾種鉛錫合金材料開展了熔點測試、線膨脹系數測試和抗壓強度測試，優選出了滿足海上稠油井熱應力補償器需要的熱熔材料，對于研制熱應力補償器具有一定的指導意義。

1 ?熱熔式應力補償器解鎖結構

熱熔式應力補償器解鎖結構如圖1所示。注入蒸汽或多元熱流體后井筒溫度升高，當熱熔材料環的溫度達到其熔點后，熱熔材料熔化喪失對環鍵的支撐力，軸向熱應力作用在環鍵的斜邊上致使其向內收縮，內筒和外筒在軸向熱應力的作用下產生相對滑動，從而實現熱應力補償[5]。從解鎖原理可以看出，熱熔材料的熔點與抗壓強度十分關鍵，直接關系著解鎖結構的安全性和可靠性。

1-外筒;2-環鍵;3-內筒;4-熱熔材料環;5-通孔

2 ?熱熔材料優選實驗

2.1 ?熔點實驗

本實驗采用瑞士梅特勒-托利多熱分析超越系列的DSC3—差示掃描量熱儀進行測試，設備如圖2所示。試樣規格：粉末樣品。差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC），一種熱分析法，它是在程序升溫的條件下，測量試樣與參比物之間的能量差隨溫度變化的一種分析方法。在差示掃描量熱中，為使試樣和參比物的溫差保持為零在單位時間所必需施加的熱量與溫度的關系曲線為DSC曲線。曲線的縱軸為單位時間所加熱量，橫軸為溫度或時間。曲線的面積正比于熱焓的變化。

基于海上稠油井的溫度條件，選取了四種鉛錫合金測試其熔點。四種鉛錫合金的DSC曲線如圖3-6所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）分別對應于標注熔點為1#100 ℃、2#120 ℃、3#150 ℃和4#180 ℃的合金DSC曲線。實驗儀器的測試溫度范圍為30～200 ℃，加溫速度為10 ℃/min。

從以上4種鉛錫合金的DSC曲線可以看出，所測試鉛錫合金在標注熔點附近均有一個較大的吸熱峰，表明合金在該處發生了熔融反應。

觀察DSC曲線峰寬比較窄，可知測試合金在熔融之前無顯著軟化期，即達到熔點前仍能保持穩定的機械強度。根據圖3-6中DSC曲線得到四種鉛錫合金的熔點測試結果，如表1所示。

2.2 ?線膨脹系數測試實驗

為了評估熱敏材料在井下溫度場的膨脹變化，本課題對其材料進行線膨脹系數測試。實驗設備為湖南湘潭湘儀儀器有限公司的PCY型高溫臥式膨脹儀，如圖7所示。

試樣規格：φ6×50 mm（合金試樣）、φ11 mm×50 mm（塑料棒試樣）。鉛錫合金試樣如圖15所示，其中φ6 mm×50 mm為線膨脹系數試樣，φ10 mm×15 mm為抗壓強度測試試樣。塑料棒試樣如圖16所示，其中φ11 mm×50 mm為線膨脹系數試樣，φ11 mm×15 mm為抗壓強度測試試樣。

四種鉛錫合金的線膨脹系數測試曲線如圖8-11所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）分別對應于標注熔點為1#100 ℃、2#120 ℃、3#150 ℃和4#180 ℃的線膨脹系數測試曲線。

圖8-11中，紫色曲線為線膨脹系數曲線，綠色曲線為膨脹百分率曲線，橙色曲線為膨脹值曲線。由于起始溫度需與室溫相適應調節，不作為參考，待趨于平衡后才能獲得有效值，因此主要觀察起始溫度峰后的平穩段。四種鉛錫合金線膨脹系數測試結果如表2所示。

線膨脹系數測試結果表明，四種鉛焊合金在所測試溫度范圍內，線膨脹系數均在10～20×10-6/℃范圍內，能夠滿足體積壓縮性系數≤1%的要求。另外，查詢機械設計手冊可知，45#鋼于溫度20～200 ℃時，線膨脹系數為12.3×10-6/℃。所測試的四種鉛錫合金線膨脹系數略高于45#鋼，但在其數量級范圍內，因此其膨脹性不會引起熱應力補償器體積的明顯變化。

2.3 ?抗壓強度測試實驗

為了評估熱敏材料在井下軸向壓力作用下的強度，本課題對其材料進行單軸抗壓強度測試。實驗設備為協強儀器制造（上海）有限公司的CTM2500微機控制電子萬能材料試驗機，如圖12所示。試樣規格：φ10 mm×15 mm。對四種塑料棒材和五種鉛錫合金進行了抗壓強度測試。

針對4種鉛錫合金開展了抗壓強度測試，測試試樣尺寸為φ9.9 mm×15 mm，加載速度為3 mm/min。本文所計算的壓縮強度是按加載最大負荷計算的，但因在最大負荷到達之前材料已經發生顯著變形，根據金屬材料特性，選取在發生顯著形變前的下屈服極限作為其屈服強度，其屈服強度測試結果如表3所示。

從表3可以看出：4#試樣屈服強度低于20MPa，不滿足熱熔材料強度要求。1#、2#和3#試樣屈服強度均大于40MPa，滿足熱熔材料強度要求。

3 ?結 論

（1）基于熔點測試實驗，選取的四種鉛錫合金熔點均在100～200 ℃范圍內，且熔融之前無顯著軟化期，符合熱熔式應力補償器功能可靠性要求。

（2）基于線膨脹性系數測試實驗，四種鉛錫合金的線膨脹系數在測試溫度范圍均在10～20×10-6/℃范圍內，其膨脹性不影響熱熔式應力補償器解鎖機構的正常工作。

（3）基于抗壓強度測試實驗，4#試樣屈服強度較低，不符合強度要求;1#和3#試樣材料壓縮性能接近，屈服強度超過40 MPa，符合強度要求;2#試樣屈服強度高達84.4 MPa，遠高于其他幾種合金，可重點考察選取。

參考文獻：

[1]孫迎春，賈耀惠.熱應力補償器在超稠油開發中的應用[J].特種油氣藏， 2002， 9（6）：51-53.

[2] 孫亞丹， 馬貴陽. 長輸管道∏形補償器的應力場分析[J]. 當代化工， 2017， 46（7）：1440-1443.

[3]聶俊，葉文勇，章東哲，等.一種熱敏式環鍵解鎖式熱應力補償器：CN，206016696U[P].2017.

[4]趙勇.新型熱熔式套管熱力補償器的研制與現場應用[J].鉆采工藝， 2016， 39（1）：83-85.

[5]王通，孫永濤，鄒劍，等.海上多元熱流體高效注入管柱關鍵工具研究[J].石油鉆探技術，2015， 43（6）：93-97.