碳酸鹽巖儲(chǔ)層完井鋁基耐酸易鉆油管性能評(píng)價(jià)

蘇 鵬，龍 武，王小紅，劉 豪，蔣焰罡，李子碩

(1.中石化西北油田分公司 工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011；2.西南石油大學(xué) 新能源與材料學(xué)院，成都610500)

據(jù)油氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，截至 2015年底，中國(guó)碳酸鹽巖油藏累計(jì)探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量 29.34×108t[1]，縫洞型占近 2/3[2]。目前，針對(duì)碳酸鹽巖油藏，有裸眼完井及襯管支撐2種完井方式。裸眼完井工藝存在的主要問題是在鉆進(jìn)破碎地層時(shí)易發(fā)生坍塌事故，在碳酸鹽巖油藏的坍塌率高[3-4]。順北井區(qū)部分井因泥巖裸露、破碎帶地層巖石強(qiáng)度低、生產(chǎn)壓差控制不當(dāng)?shù)仍颍阢@遇破碎帶時(shí)發(fā)生多次井壁坍塌，坍塌率高達(dá)31%。井壁坍塌導(dǎo)致順北5-1X、順北5-3等井4次被迫側(cè)鉆(鉆進(jìn))，鉆井周期超過450 d。順北蓬1井四開鉆至鷹山組8 350 m破碎帶，發(fā)生井壁坍塌事故，擴(kuò)徑率49.39%。井壁坍塌率高，帶來的問題是坍塌治理費(fèi)用高，例如SHB1CX井坍塌治理費(fèi)高達(dá)￥518萬元，且修井難度大，需使用ZJ50/3150型鉆機(jī)修井。

采用碳鋼油管(襯管)支撐完井，可有效解決裸眼完井時(shí)的坍塌問題，但又帶來新的問題，即在后期側(cè)鉆[5]找剩余油時(shí)需將碳鋼油管鉆掉，由于碳鋼硬度高，鉆削速度低，導(dǎo)致鉆削費(fèi)用高達(dá)100萬元/井，側(cè)鉆找剩余油難度大、成本高。為此，急需尋找一種強(qiáng)度滿足要求的易鉆削襯管代替鋼襯管。鋁合金具有比強(qiáng)度高、硬度低、擠壓成形性能好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是最有潛力的易鉆襯管材料[6]。碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)，直接開采難度大，通常需要采用酸化壓裂對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，以達(dá)到增產(chǎn)增效的目的[7]。酸化壓裂時(shí)，鋁合金會(huì)迅速與酸化介質(zhì)(高溫鹽酸)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致鋁合金管腐蝕減薄而失效[8]。因此，解決鋁合金襯管在酸化介質(zhì)中快速腐蝕的問題是鋁合金襯管應(yīng)用于碳酸鹽巖儲(chǔ)層完井的關(guān)鍵。

本文介紹了一種鋁基耐酸易鉆完井支撐油管(以下簡(jiǎn)稱6061T6鋁合金油管)，以擠壓成形性能較好的6061T6鋁合金作為基材，在管材內(nèi)外表面涂覆耐酸涂層。建立并驗(yàn)證了6061T6鋁合金油管強(qiáng)度與壁厚的數(shù)學(xué)模型，評(píng)價(jià)了該油管的在酸化壓裂工況下的耐蝕性、鉆磨性。為我國(guó)鋁合金支撐油管強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，促進(jìn)鋁合金油管在我國(guó)碳酸鹽巖油管完井作業(yè)中的推廣應(yīng)用。

1 鋁基耐酸易鉆支撐油管結(jié)構(gòu)

碳酸鹽巖油藏完井用支撐油管的工作介質(zhì)通常為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽酸、高礦化度的地層水。儲(chǔ)層深度不同，流過支撐油管內(nèi)部的鹽酸的溫度不同。當(dāng)?shù)貙由疃葹? 500 m時(shí)，酸化用鹽酸到達(dá)支撐油管時(shí)的溫度約為100 ℃。為避免酸化壓裂時(shí)鋁合金管在高溫鹽酸中快速溶解[9]，設(shè)計(jì)了6061T6鋁合金油管，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該支撐油管內(nèi)外表面的耐酸涂層由筆者所屬的團(tuán)隊(duì)研發(fā)[6]。

圖1 鋁基耐酸易鉆支撐油管結(jié)構(gòu)

2 鋁基耐酸易鉆支撐油管強(qiáng)度與壁厚數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)中石化西北局某油田碳酸鹽巖油藏支撐油管使用工況，確定油管外徑為130 mm。參考ISO/TR 10400—2018[10]及孫永興等根據(jù)ISO/TR 10400—2018標(biāo)準(zhǔn)確定的鋼質(zhì)油套管計(jì)算公式[11]，根據(jù)鋁合金的材料特性，對(duì)管壁公差因子[12]及應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)化因子的取值進(jìn)行調(diào)整，得到鋁合金油管抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算式(1)、抗外擠強(qiáng)度計(jì)算式(2)。將GB/T4437.1-2015[13]中給定的6061T6鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度260 MPa、屈服強(qiáng)度240 MPa，及按照GB/T228.1-2010[14]、GB/T228.2-2015[15]中規(guī)定的拉強(qiáng)度測(cè)試方法實(shí)際測(cè)試得到的6061T6鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度350 MPa、屈服強(qiáng)度324 MPa分別代入式(1)、式(2)，計(jì)算6061T6鋁合金油管在室溫下的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度，如表1所示。

表1 ?130 mm×20 mm 6061T6鋁合金油管理論計(jì)算強(qiáng)度

(1)

Pow=ky×σs×(2×(D/t)+1)/(D/t)2

(2)

n=0.169 3-1.774×σb×10-4

(3)

式中：Piw為抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa ；Pow為抗外擠強(qiáng)度，MPa ；σb為抗拉強(qiáng)度，MPa；σs為屈服強(qiáng)度，MPa；Ka為內(nèi)壓強(qiáng)度系數(shù)，取Ka=2；Kwall為管壁公差因子，取Kwall=0.991[12]；n為應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度硬化因子，按式(3)進(jìn)行計(jì)算；D為油管外徑，mm；t為油管壁厚，mm；ky為系數(shù)，取ky=0.987。

2.2 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

1) 抗外擠強(qiáng)度測(cè)試。

采用36MN型雙動(dòng)反向擠壓機(jī)，擠壓成形制備2根6061T6管材(?130 mm×20 mm×6000 mm)。在制備的6061T6管材上截取長(zhǎng)度為2 000 mm的管段，在2端加工螺紋，安裝于SW CPTS-200型外壓擠毀試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行外擠強(qiáng)度測(cè)試，直至管材被擠毀(如圖2所示)。外擠試驗(yàn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖3所示。由圖3可知，?130 mm×20 mm 6061T6鋁合金管在室溫下的抗外擠強(qiáng)度為106.2 MPa。

圖2 測(cè)試油管外擠強(qiáng)度的SW CPTS-200型試驗(yàn)機(jī)

圖3 6061T6鋁合金油管外擠試驗(yàn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線

2) 抗內(nèi)壓強(qiáng)度測(cè)試。

從擠壓成形的2根6061T6管材(?130 mm×20 mm×6 000 mm)上截取長(zhǎng)度為1 500 mm的管段，在2端加工螺紋，安裝于SW FSTF-200S型水壓增壓系統(tǒng)上，進(jìn)行內(nèi)壓強(qiáng)度測(cè)試，直至管材被壓裂(如圖4所示)。內(nèi)壓試驗(yàn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖5所示。由圖5可知，?130 mm×20 mm 6061T6鋁合金管在室溫下的抗內(nèi)壓強(qiáng)度為121.2 MPa。

圖5 6061T6鋁合金油管內(nèi)壓試驗(yàn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線

3) 實(shí)測(cè)強(qiáng)度與理論計(jì)算強(qiáng)度對(duì)比。

6061T6鋁合金油管實(shí)測(cè)強(qiáng)度與理論計(jì)算強(qiáng)度對(duì)比如圖6所示。從圖6可知，取GB/T 4437.1-2015給定的材料屈服強(qiáng)度值和抗拉強(qiáng)度值，計(jì)算得到的6061T6鋁合金油管的內(nèi)壓強(qiáng)度值、外擠強(qiáng)度值都遠(yuǎn)低于其試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，誤差分別為32.6%、38.2%；制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，測(cè)試材料的屈服強(qiáng)度值和抗拉強(qiáng)度值，據(jù)此值計(jì)算6061T6鋁合金油管的內(nèi)壓強(qiáng)度值、外擠強(qiáng)度值，這2個(gè)值都與其試驗(yàn)實(shí)測(cè)值接近[16]，誤差分別為8.6%、0.2%。比較結(jié)果說明，基于標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣實(shí)測(cè)的材料屈服強(qiáng)度值和抗拉強(qiáng)度值建立6061T6鋁合金油管的強(qiáng)度與壁厚計(jì)算數(shù)學(xué)模型是合理的。

3 鋁基耐酸易鉆支撐油管耐酸蝕性能評(píng)價(jià)

分別采用失重法及交流阻抗法評(píng)價(jià)6061T6鋁合金油管的耐酸性能。根據(jù)順北油田酸化作用工況，確定酸化介質(zhì)為100 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽酸。

3.1 失重法耐酸評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果

采用6061T6鋁合金油管材料制作1件試樣，尺寸為30 mm×10 mm×3 mm，在HH系列數(shù)顯恒溫油浴鍋內(nèi)進(jìn)行耐酸試驗(yàn)。首先，將涂層厚度為1 mm的6061T6鋁合金油管材料試樣放入盛有250 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%鹽酸溶液的燒杯中，然后再將燒杯放入HH系列數(shù)顯恒溫油浴鍋內(nèi)加熱至100 ℃，開始計(jì)時(shí)。每4 h將試樣取出1次，用濾紙吸水，冷風(fēng)吹干，稱重。試樣浸泡的總時(shí)間為12 h。表2為試樣的質(zhì)量數(shù)據(jù)。由表2可知，試樣在100 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽酸溶液中浸泡，其質(zhì)量隨浸泡時(shí)間增加而略微增加，質(zhì)量增加速率為0.008%/h。試樣質(zhì)量增加的主要原因是浸泡過程中表面涂層有微量吸水。圖7為浸泡前、后試樣的表面形貌。由圖7可知，6061T6鋁合金油管試樣在100 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽酸溶液中浸泡12 h，表面涂層無鼓泡、無破損、無孔洞、無開裂、無脫落現(xiàn)象，說明涂層耐酸性好，可以滿足酸化工況要求。

圖7 試樣在100 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%鹽酸中浸泡12 h前、后表面形貌

3.2 交流阻抗法耐酸評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果

采用6061T6鋁合金油管材料制作1件具有耐酸涂層的試樣，另制作1件無涂層的試樣，其尺寸均為30 mm×10 mm×3 mm, 采用環(huán)氧樹脂密封并在試樣中下位置留出1 cm2的測(cè)試面。使用PG-STAT302型電化學(xué)工作站進(jìn)行耐酸試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽酸溶液，工作電極分別為具有耐酸涂層的試樣和無涂層試樣，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極。圖8為2件試樣的阻抗測(cè)試結(jié)果。由圖8a可知，無涂層試樣具有1個(gè)容抗弧，且在低頻區(qū)帶1個(gè)擴(kuò)散尾，表明材料已經(jīng)被腐蝕性鹽酸介質(zhì)侵入。在相同條件下，有耐酸涂層的試樣具有較大的容抗弧半徑，表明材料表面的涂層對(duì)鹽酸介質(zhì)具有較好的隔絕作用，可以避免材料被腐蝕。在圖8b中，無涂層試樣的低頻處阻抗值為105Ω·cm2以下，有耐酸涂層試樣的低頻處阻抗值為1010Ω·cm2。文獻(xiàn)[17]表明，涂層的交流阻抗值大于等于109Ω·cm2時(shí)，即可認(rèn)為涂層有效隔絕了材料和腐蝕環(huán)境的聯(lián)系，起到了很好的防腐蝕效果。

a Nyquist圖 b Bode圖圖8 6061T6鋁合金油管材料試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽酸溶液中阻抗測(cè)試結(jié)果

4 鋁基耐酸易鉆支撐油管鉆磨性能評(píng)價(jià)

鋁基耐酸易鉆支撐油管的鉆磨速度直接影響鉆磨工期及費(fèi)用，是影響鋁基耐酸易鉆支撐油管大規(guī)模應(yīng)用的1個(gè)重要因素。在配有ASBR測(cè)試系統(tǒng)的鉆磨實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，采用外徑106 mm的磨鞋，在鉆壓為10 kN、轉(zhuǎn)速為300 r/min的條件下鉆削6061T6鋁合金油管(?98 mm×12 mm)30 min，測(cè)試其鉆磨速度。作為對(duì)比，在相同的條件下測(cè)試P110鋼油管(?90 mm×6.5 mm)的鉆磨速度。鉆磨后的油管端面如圖9所示。測(cè)試結(jié)果如表3所示。因鋼質(zhì)油管與鋁合金油管幾何尺寸略有不同，因此，采用單位時(shí)間鉆磨的油管體積來比較其鉆磨速度。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算得到6061T6油管、P110油管的鉆屑體積分別為1.51×10-3m3/h(0.466 m/h)、0.43×10-3m3/h(0.254 m/h)，即，6061T6鋁合金油管的鉆磨速度是P110油管鉆磨速度的3.5倍,與理論計(jì)算結(jié)果基本一致[18]。

表3 兩種材質(zhì)油管的鉆磨速度

A 6061T6鋁合金油管 b P110鋼級(jí)油管圖9 鉆磨后的油管端面

5 結(jié)論

1) 針對(duì)碳酸鹽巖油藏酸化壓裂工況，設(shè)計(jì)了以6061T6鋁合金為基礎(chǔ)的內(nèi)外表面均涂覆耐酸涂層的耐酸易鉆支撐油管。失重法測(cè)試結(jié)果表明，該油管表面的涂層在100 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽酸溶液中浸泡12 h，表面無破損、無開裂，質(zhì)量增加速率為0.008%/h。交流阻抗法的試驗(yàn)結(jié)果表明，耐酸涂層的低頻阻抗值是1010Ω·cm2，可對(duì)內(nèi)部的6061T6鋁合金起到良好的保護(hù)作用。

2) 修正了ISO/TR 10400—2018中鋼質(zhì)油管強(qiáng)度計(jì)算方法中的管壁形狀因子及系數(shù)ky。建立了基于標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣測(cè)試的6061T6鋁合金材料屈服強(qiáng)度值、抗拉強(qiáng)度值的鋁基耐酸支撐油管內(nèi)壓強(qiáng)度和外擠強(qiáng)度與壁厚的數(shù)學(xué)模型，該模型計(jì)算得到的6061T6鋁合金支撐油管內(nèi)壓強(qiáng)度和外擠強(qiáng)度與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，誤差值分別為8.6%、0.2%。

3) 設(shè)計(jì)的以6061T6鋁合金為基礎(chǔ)的耐酸易鉆支撐油管，在鉆壓為10 kN、轉(zhuǎn)速為300 r/min的情況下，其鉆磨速度是P110油管鉆磨速度的3.5倍。