鉆井用大直徑高強(qiáng)度連續(xù)管性能分析*

汪海濤，張 鵬，羅 源，鮮林云，李小龍，劉玉棟

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008）

0 引 言

連續(xù)管鉆井技術(shù)起源于20 世紀(jì)90 年代，隨著連續(xù)管鉆井裝備、 井下工具以及鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管的不斷創(chuàng)新與持續(xù)發(fā)展，以及連續(xù)管鉆井技術(shù)與欠平衡鉆井、 控壓鉆井、 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等技術(shù)的結(jié)合，使得連續(xù)管鉆井技術(shù)的水平和應(yīng)用領(lǐng)域得到大幅度的提升與擴(kuò)展[1-8]，目前已成為鉆井技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 與傳統(tǒng)的鉆桿鉆井技術(shù)相比，采用高強(qiáng)度連續(xù)管鉆井作業(yè)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①井場(chǎng)施工面積小，適合地面條件受限制的地區(qū)或海上平臺(tái)作業(yè)； ②鉆井時(shí)連續(xù)管不需接單根，縮短起下鉆時(shí)間和作業(yè)周期； ③連續(xù)管直徑小，在老井重鉆 （加深鉆井或側(cè)鉆井） 中可實(shí)現(xiàn)過(guò)油管作業(yè)，無(wú)需取出老井中現(xiàn)有裝備，從而達(dá)到邊鉆邊采的目的； ④可實(shí)現(xiàn)不停泵連續(xù)循環(huán)和帶壓作業(yè)，提高起下鉆速度和作業(yè)安全性； ⑤適合欠平衡、 小井眼及定向井鉆井，作業(yè)成本低[9-10]。 由于連續(xù)管鉆井技術(shù)特點(diǎn)鮮明，目前在國(guó)外已發(fā)展近十年，技術(shù)較成熟； 國(guó)內(nèi)采用連續(xù)管進(jìn)行側(cè)鉆井等作業(yè)，是老區(qū)塊挖潛剩余油最主要的鉆井方式。

連續(xù)管作為連續(xù)管鉆井技術(shù)整套作業(yè)的核心裝備，一直倍受各油田的關(guān)注，其性能直接決定鉆井作業(yè)的效率與安全性[11-13]。 針對(duì)連續(xù)管鉆井作業(yè)時(shí)所承受的壓力、 扭矩、 載荷以及其他作業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)了具有管徑大、 強(qiáng)度高、 抗壓高、 抗扭轉(zhuǎn)變形能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)的鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管。 與普通連續(xù)管相比，憑借其優(yōu)勢(shì)可在高壓條件下有效提高其鉆速，鉆入深度更深，更加安全可靠。適合欠平衡壓力鉆井、 套管內(nèi)側(cè)鉆水平井、 深井和超深井鉆井等作業(yè)。

本研究針對(duì)研制開發(fā)的Φ73mm×4.8 mm 和Φ88.9mm×4.8 mm 鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管，對(duì)其組織性能進(jìn)行研究分析，以便用戶合理選材，制定作業(yè)工藝，實(shí)現(xiàn)鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管的推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管較常規(guī)作業(yè)連續(xù)管管徑大，選用 90 ksi 鋼級(jí)，規(guī)格為 Φ73×4.8 mm 和Φ88.9×4.8 mm 兩種連續(xù)管進(jìn)行性能研究。 其管材均采用高潔凈的低碳微合金熱軋卷板，經(jīng)過(guò)精密成型、 焊接制管后，再經(jīng)過(guò)連續(xù)熱處理制成連續(xù)管，原料化學(xué)成分見表1。

表1 鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì) Φ73 mm×4.8 mm 和 Φ88.9 mm×4.8 mm兩種規(guī)格的鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管分別進(jìn)行力學(xué)性能、 微觀組織性能、 塑性性能、 管柱抗壓性能、 疲勞壽命性能的對(duì)比分析，具體研究方案見表2。

表2 鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管相關(guān)性能研究方案

2 管柱性能分析

2.1 力學(xué)性能

規(guī)格為 Φ73 mm×4.8 mm （1#、 2#試樣） 和Φ88.9 mm×4.8 mm （3#、 4#試樣） 兩種鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管整管拉伸性能對(duì)比結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，Φ73 mm×4.8 mm 連續(xù)管平均抗拉強(qiáng)度為 749 MPa，平均屈服強(qiáng)度為 659 MPa，同時(shí)具有較高的延伸率 （延伸率平均為35%）。 規(guī)格Φ88.9 mm×4.8 mm 連續(xù)管平均抗拉強(qiáng)度為709 MPa，平均屈服強(qiáng)度為 634 MPa，同時(shí)具有較高的延伸率 （延伸率平均為24.05%）。 兩種規(guī)格連續(xù)管的承重和抗拉性能均滿足API SPEC 5ST 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 兩種規(guī)格的鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管整管拉伸性能對(duì)比

2.2 塑性性能

為了掌握管材塑性性能，依據(jù)API SPEC 5ST 標(biāo)準(zhǔn)要求，分別對(duì)規(guī)格為 Φ73 mm×4.8 mm和Φ88.9 mm×4.8 mm 兩種鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)和壓扁。

2.2.1 擴(kuò)口試驗(yàn)

擴(kuò)口試驗(yàn)是將管柱加工成101.6 mm 長(zhǎng)度的試樣，采用錐度為60°的頂芯，垂直于試樣截面端進(jìn)行擴(kuò)口。 API SPEC 5ST 標(biāo)準(zhǔn)要求擴(kuò)口后不出現(xiàn)裂紋的最小內(nèi)徑IDf（見公式 （1）），該公式適用于CT90 及以下的鋼級(jí)。

式中： IDf——要求擴(kuò)口后鋼管的最小檢測(cè)量?jī)?nèi)徑；

ID——計(jì)算內(nèi)徑。

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)兩種規(guī)格連續(xù)管采用25%的擴(kuò)口率進(jìn)行試驗(yàn)，兩種管材的母材及焊縫均未出現(xiàn)裂紋，滿足API SPEC 5ST 標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 壓扁試驗(yàn)

壓扁試驗(yàn)是將HFW 焊縫分別處于0 點(diǎn)和9 點(diǎn)位置，按照公式 （2） 將管柱壓至兩板間距離T，在達(dá)到規(guī)定板間距離之前，焊縫和母材的任何方向外表面不應(yīng)出現(xiàn)超過(guò)3.2 mm 的裂紋或裂縫。

式中： D——鋼管規(guī)定外徑，mm；

t——鋼管規(guī)定壁厚，mm。

由公式 （2） 可知，Φ73 mm×4.8 mm 壓至兩板間距離為 59.09 mm，Φ88.9 mm×4.8 mm 壓至兩板間距離為66.70 mm。 試驗(yàn)結(jié)果表明，在達(dá)到規(guī)定板間距離之前，兩種規(guī)格的連續(xù)管焊縫與母材均未出現(xiàn)裂紋，滿足API SPEC 5ST 標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 微觀組織分析

兩種規(guī)格高強(qiáng)度連續(xù)管均采用相同原料進(jìn)行制管，管材金相分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管材組織以細(xì)晶形鐵素體和粒狀貝氏體為主，組織均勻 （如圖2 所示）； 管材帶狀組織僅有0.5 級(jí)，晶粒度等級(jí)為12 級(jí)，晶粒較細(xì)，硬度控制在 219～238 HV1.0，晶粒度及硬度均滿足API SPEC 5ST 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 連續(xù)管微觀組織形貌

2.4 管材腐蝕性能

按照NACE 0248 《管道和壓力容器用鋼抗氫致開裂能力的評(píng)定》 和NACE 0177 《H2S 環(huán)境中抗特殊形式的環(huán)境開裂材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣并開展試驗(yàn)。 結(jié)果表明，鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管焊縫和母材試樣在飽和H2S+0.5%醋酸+5%NaCl 混合溶液中浸泡96 h 后, 試樣的縱向、 橫向表面及截面均無(wú)裂紋產(chǎn)生，即裂紋長(zhǎng)度率CLR、 裂紋厚度率CTR 和裂紋敏感率CSR 均為0，表明鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管對(duì)HIC 不敏感，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 和圖4 所示。 在抗SSCC試驗(yàn)中，焊縫和母材均以圖5 的形式加載應(yīng)力，應(yīng)力值為材料名義屈服強(qiáng)度的72%，試驗(yàn)后兩種連續(xù)管試樣均未出現(xiàn)斷裂，表面均未出現(xiàn)可見裂紋，如圖6 所示，表明鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管具有一定的抗H2S 應(yīng)力腐蝕能力。

圖3 母材抗氫致開裂 （HIC） 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 焊縫抗氫致開裂 （HIC） 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)應(yīng)力加載形式

圖6 硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.5 管材抗壓性能

2.5.1 靜水壓試驗(yàn)

根據(jù)API SPEC 5 ST 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)兩種鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，要求在一定靜水壓條件下，保壓15 min，無(wú)泄漏，無(wú)壓降 （標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓降不超過(guò) 0.34 MPa）。 Φ73 mm×4.8 mm連續(xù)管壓力值為 60.8 MPa，Φ88.9 mm×4.8 mm連續(xù)管壓力值為49.9 MPa。 靜水壓試驗(yàn)曲線如圖7 所示，表明兩種規(guī)格連續(xù)管HFW (高頻感應(yīng)焊) 焊縫強(qiáng)度和穩(wěn)定性良好，具備承受較高內(nèi)壓的能力。

圖7 兩種規(guī)格鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管靜水壓試驗(yàn)曲線

2.5.2 抗擠毀試驗(yàn)

對(duì)規(guī)格為Φ73 mm×4.8 mm 鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管在CPT-1 外壓擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了擠毀試驗(yàn)。 試樣有效長(zhǎng)度為2.2 m，壓力介質(zhì)為水，壓力加載速度低于 35 MPa/min，試驗(yàn)依據(jù) A PI SPEC 5C5 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。 Φ73 mm×4.8 mm 連續(xù)管擠毀強(qiáng)度為88.9 MPa，較標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值75.9 MPa 提高了17.1%，表明鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管抗外壓性能優(yōu)異，擠毀試驗(yàn)曲線如圖8 所示。

圖8 試樣擠毀試驗(yàn)曲線

2.6 承載能力及抗扭轉(zhuǎn)能力

連續(xù)管鉆井作業(yè)時(shí)，除了承受管體自重外還要攜帶鉆井工具，管柱屈服載荷越高，相應(yīng)的剩余載荷越大； 管柱扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度越大，鉆井時(shí)抗扭轉(zhuǎn)變形能力越強(qiáng)，作業(yè)安全性更高[14-15]。 表3為兩種規(guī)格鉆井用高強(qiáng)度連續(xù)管的承載、 抗扭轉(zhuǎn)等指標(biāo)的理論計(jì)算結(jié)果。

表3 兩種規(guī)格連續(xù)管的承載、 抗扭轉(zhuǎn)性能

3 結(jié) 論

（1） Φ73 mm×4.8 mm 和 Φ88.9 mm×4.8 mm兩種規(guī)格連續(xù)管力學(xué)性能優(yōu)良，強(qiáng)度滿足API SPEC 5ST 標(biāo)準(zhǔn)要求，管材都具有良好的承重和抗拉能力。

（2） 兩種規(guī)格連續(xù)管延伸率高，壓扁、 擴(kuò)口試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，表明管材具有良好的塑性。

（3） 兩種規(guī)格連續(xù)管組織以細(xì)晶形鐵素體和粒狀貝氏體組織為主，組織均勻且晶粒較細(xì)，硬度低，帶狀組織少。

（4） 兩種規(guī)格連續(xù)管對(duì)HIC 性能不敏感，在試樣加載72%σs應(yīng)力下，SSC 試驗(yàn)沒有發(fā)生斷裂，表明具有一定的抗腐蝕性能。

（5） 兩種規(guī)格連續(xù)管在一定壓力條件下保壓 15 min，無(wú)泄漏，無(wú)壓降； Φ73 mm×4.8 mm連續(xù)管抗擠毀能力高于標(biāo)準(zhǔn)要求17.1%，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗壓能力。