頁(yè)巖氣套管制造工藝分析與質(zhì)量控制技術(shù)研究

閆凱，陳禹含，沈沉，馮繼剛，巨翔，李楠

（1．中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077；2．中國(guó)石油西南油氣田物資分公司，四川 成都610083；3．北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

頁(yè)巖氣作為非常規(guī)天然氣，逐漸成為我國(guó)天然氣領(lǐng)域增產(chǎn)最快的能源。研究數(shù)據(jù)表明，目前我國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量約為31.6×1012m3，約占全球頁(yè)巖氣資源量的1/7，擁有巨大的開發(fā)潛力。自2014年我國(guó)開始頁(yè)巖氣商業(yè)開發(fā)以來(lái)，隨著技術(shù)的逐步成熟，基本已經(jīng)形成了適合我國(guó)國(guó)情的頁(yè)巖氣開發(fā)理論體系。在我國(guó)低碳環(huán)保發(fā)展理念和雙碳政策的推動(dòng)下，頁(yè)巖氣作為清潔能源具有良好的開發(fā)前景。套管是頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重要裝備，其質(zhì)量性能直接影響著頁(yè)巖氣井井筒完整性，是頁(yè)巖氣安全高效開發(fā)的重要保障。根據(jù)頁(yè)巖氣套管的使用工況，研究分析影響其本質(zhì)質(zhì)量的熱加工工藝，對(duì)制造階段和檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)質(zhì)量控制，從而提升頁(yè)巖氣套管的質(zhì)量性能水平。

1 頁(yè)巖氣開發(fā)情況

美國(guó)作為頁(yè)巖氣開發(fā)最早的國(guó)家，技術(shù)手段最完善。水力壓裂技術(shù)的突破帶來(lái)了美國(guó)的頁(yè)巖氣革命，使其2020的年產(chǎn)量達(dá)到了驚人的7362×108m3，約占全球產(chǎn)量的90%。我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)起步較晚，從2007年至今，我國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)展經(jīng)歷了合作借鑒、自主探索、工業(yè)化開發(fā)3個(gè)階段，年產(chǎn)量從0達(dá)到了2020年的200×108m3。雖然與美國(guó)相比還有很大的差距，但是作為第二個(gè)掌握頁(yè)巖氣開發(fā)核心技術(shù)的國(guó)家，我國(guó)的頁(yè)巖氣開發(fā)具有良好的發(fā)展前景。由于地質(zhì)條件和開發(fā)條件特點(diǎn)，頁(yè)巖氣開發(fā)具有明顯的區(qū)域限制。表1為中美頁(yè)巖氣開發(fā)條件的對(duì)比。不管從地質(zhì)條件還是經(jīng)濟(jì)成本方面考慮，我國(guó)的頁(yè)巖氣開發(fā)條件明顯處于劣勢(shì)。

表1 中美頁(yè)巖氣開發(fā)條件對(duì)比

正是由于頁(yè)巖氣開發(fā)條件差，地質(zhì)狀況復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)工況惡劣，對(duì)頁(yè)巖氣套管的質(zhì)量性能要求也越來(lái)越高。

2 頁(yè)巖氣套管性能分析

由于特殊的地質(zhì)條件及頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)特點(diǎn)，頁(yè)巖氣套管失效形式主要有電化學(xué)腐蝕失效、密封失效及套管變形失效等，其中因壓裂施工過(guò)程導(dǎo)致套管變形損壞是目前套損率高的主要原因。因此保證頁(yè)巖氣井井筒安全的要求體現(xiàn)在套管性能中，主要集中于理化性能、抗腐蝕和抗擠毀等特殊性能上。目前，各生產(chǎn)廠家對(duì)頁(yè)巖氣套管常規(guī)力學(xué)性能和化學(xué)成分的控制基本可以做到保質(zhì)保量，提升其抗腐蝕性能、抗擠毀性能等特殊性能是制造廠和用戶的關(guān)注重點(diǎn)。下面對(duì)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣套管的特殊性能特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

表2 不同鋼級(jí)套管抗腐蝕性能對(duì)比

2.1 抗腐蝕性能

抗腐蝕頁(yè)巖氣套管通常采用95S、95SS、110S、110SS鋼級(jí)套管，具有較好的抗腐蝕性能。由于熱處理工藝及合金元素成分不同，SS鋼級(jí)套管更容易通過(guò)高加載強(qiáng)度下的抗腐蝕測(cè)試，具有更強(qiáng)的抗腐蝕性能。目前，頁(yè)巖氣開發(fā)中，越來(lái)越多的使用抗腐蝕性能套管，因腐蝕失效造成頁(yè)巖氣套管損壞的套損率逐漸降低。

2.2 抗擠毀性能

頁(yè)巖氣開發(fā)中，通常在井筒彎曲段采用140鋼級(jí)套管，具有較高的抗擠毀性能，水平段一般采用125鋼級(jí)套管，具有一定的抗擠毀性能。表3為頁(yè)巖氣用同一規(guī)格不同鋼級(jí)抗擠毀套管的性能對(duì)比，比較可得鋼級(jí)越高，套管的抗擠毀強(qiáng)度越大。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，根據(jù)目前頁(yè)巖氣井用套管類型可知，套管的設(shè)計(jì)強(qiáng)度完全有能力承受頁(yè)巖氣儲(chǔ)層內(nèi)的地應(yīng)力環(huán)境而不發(fā)生擠毀破壞。由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，套管在壓裂施工過(guò)程中所承受的是多種載荷同時(shí)作用，復(fù)合載荷可能造成套管局部塑性屈服，最終導(dǎo)致套管損壞。所以，應(yīng)從套管本身著手，做到性能穩(wěn)定可靠。

表3 不同鋼級(jí)套管抗擠毀性能對(duì)比

3 制造工藝分析與質(zhì)量控制

頁(yè)巖氣套管的生產(chǎn)制造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，圖1為頁(yè)巖氣套管主要制造工藝流程圖。影響頁(yè)巖氣套管性能的因素很多，主要有合金元素成分、熱處理工藝、幾何尺寸等。下面從套管的生產(chǎn)制造及檢驗(yàn)環(huán)節(jié)分析套管的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

圖1 頁(yè)巖氣套管主要生產(chǎn)工藝流程圖

3.1 制造工藝分析

3.1.1 煉鋼

研究表明Mo、Cr元素是抗腐蝕最重要的元素，Mn能提高鋼的強(qiáng)度，V能提高鋼的韌性?？垢g套管應(yīng)在降低P、S元素的同時(shí)，適當(dāng)增加Mo、Cr元素。抗擠毀套管應(yīng)降低P、S元素的同時(shí)，控制C、Mn元素，適當(dāng)增加V元素，以提高套管的強(qiáng)度及韌性。

3.1.2 軋制

連軋工序決定了套管的壁厚，定徑工序決定了套管的外徑、橢圓度。研究表明套管壁厚、壁厚不均勻性、外徑橢圓度等是套管抗擠毀性能的重要影響因素。以壁厚舉例，以139.70×12.70mm規(guī)格，140鋼級(jí)為例，D/t≤11.84，控制壁厚范圍為(-10%~+15%) t，適用API 5C3 屈服強(qiáng)度擠毀壓力公式（1），計(jì)算同一規(guī)格鋼級(jí)套管不同壁厚的抗擠毀強(qiáng)度，圖2為不同壁厚抗擠毀強(qiáng)度折線圖。由圖可以看出，同一規(guī)格鋼級(jí)套管，壁厚越大，抗擠毀強(qiáng)度越大。

圖2 不同壁厚套管抗擠毀強(qiáng)度對(duì)比

式中： D —外徑，mm；

t —壁厚，mm；

PYp—最小屈服強(qiáng)度擠毀壓力，MPa；

fymn—材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

3.1.3 熱處理

目前，頁(yè)巖氣用套管基本都采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝。熱處理過(guò)程中，淬火可以提高套管強(qiáng)度，高溫回火可以增強(qiáng)套管韌性及抗腐蝕性，回火及高溫矯直可以消除殘余熱應(yīng)力。不同的溫度對(duì)套管強(qiáng)度、韌性及殘余熱應(yīng)力的影響是巨大的，嚴(yán)格控制溫度是熱處理的關(guān)鍵。圖3為140V鋼級(jí)頁(yè)巖氣用套管典型熱處理溫度控制曲線示意圖。

圖3 Φ139.70×12.70mm 140V套管熱處理溫度控制曲線

3.2 性能檢驗(yàn)和質(zhì)量控制

生產(chǎn)是質(zhì)量的根本，檢驗(yàn)是質(zhì)量的保證，通過(guò)對(duì)套管質(zhì)量性能的檢驗(yàn)，驗(yàn)證熱加工工藝的適用性，并保障出廠產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.1 幾何尺寸檢驗(yàn)

由于套管壁厚均勻度、橢圓度參數(shù)屬于間接測(cè)量，需要計(jì)算得來(lái)。目前，各個(gè)制造廠家對(duì)壁厚均勻度、橢圓度的檢驗(yàn)普遍存在不夠重視，檢驗(yàn)頻次低。應(yīng)在每軋制批開始階段及時(shí)檢驗(yàn)，并在生產(chǎn)過(guò)程中適當(dāng)加大檢驗(yàn)頻次，偏差在極限時(shí)及時(shí)調(diào)整設(shè)備及生產(chǎn)工藝。

3.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

各生產(chǎn)廠家對(duì)套管常規(guī)力學(xué)性能的控制基本可以做到保質(zhì)保量。需注意的是取樣的均勻性，取樣方法應(yīng)覆蓋熱處理批的始末、試驗(yàn)批始末及管子的兩端。若試驗(yàn)不合格，需要復(fù)驗(yàn)，需關(guān)注復(fù)驗(yàn)取樣的數(shù)量及位置。

3.2.3 抗腐蝕性能試驗(yàn)

抗腐蝕試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照ANSI-NACE TM0177-2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注：①試樣取樣頻次、位置，應(yīng)至少按熱處理爐批取樣，并取硬度最高的管子；②試樣尺寸、外觀，如試樣直徑6.35±0.13mm；溶液PH值，如試驗(yàn)前PH值≤2.8，試驗(yàn)后PH值≤4.0；③加載載荷、溶液充盈度、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間；④試驗(yàn)結(jié)束后檢查試樣外觀是否存在斷裂、應(yīng)力腐蝕開裂等。圖4 為某110SS鋼級(jí)套管SSC試驗(yàn)前后試樣外觀對(duì)比。

圖4 SSC試驗(yàn)前后試樣外觀對(duì)比

3.2.4 抗擠毀性能試驗(yàn)

頁(yè)巖氣井筒直井段及水平段套管由于承受著特殊的壓裂開采施工工藝，制造廠應(yīng)按一定的頻次進(jìn)行抗擠毀試驗(yàn)。許多制造廠基于試驗(yàn)成本、生產(chǎn)節(jié)奏等考慮，存在少做、不做的（以程序文件做保證）情形。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注：①取樣的隨機(jī)性，由于壁厚、壁厚均勻度、橢圓度對(duì)抗擠毀性能都有一定的影響，所以應(yīng)隨機(jī)抽取試樣，更能代表試驗(yàn)批的性能；②增壓速率，試驗(yàn)壓力應(yīng)勻速增長(zhǎng)，且速率不易過(guò)大，圖5為某110TS鋼級(jí)套管抗擠毀試驗(yàn)壓力曲線，速率約為1200Psi/min。

圖5 110TS鋼級(jí)套管抗擠毀試驗(yàn)壓力曲線

4 結(jié)語(yǔ)

作為頁(yè)巖氣井重要設(shè)備，套管本身的性能質(zhì)量決定著頁(yè)巖氣開發(fā)生產(chǎn)安全和效率，應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制。

（1）通過(guò)分析研究表明，抗腐蝕和抗擠毀性能是頁(yè)巖氣套管保證質(zhì)量的重要性能，鋼級(jí)越高、壁厚越厚，其抗擠毀強(qiáng)度越大。

（2）煉鋼、軋制、熱處理等工藝對(duì)頁(yè)巖氣套管性能影響較大，制造廠家應(yīng)優(yōu)化熱加工工藝，在煉鋼階段控制好合金元素成分，在軋制階段控制好管子壁厚、外徑、橢圓度等，在熱處理階段控制好爐溫以及時(shí)間。

（3）應(yīng)加強(qiáng)頁(yè)巖氣套管壁厚均勻度、橢圓度檢驗(yàn)，嚴(yán)格進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能、特殊性能等試驗(yàn)檢驗(yàn)，確保出廠產(chǎn)品的質(zhì)量性能符合技術(shù)要求。