超高強度套管TP165V,開(kāi)發(fā)及蠕變應力分析

張 旭，李 蘇，王恩越，朱鉅鵬，安盛岳

（1. 天津鋼管制造有限公司，天津 300301；
2. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司物資管理部，新疆 克拉瑪依 834000）

中原油田地質(zhì)條件特殊，大多數油井需穿過(guò)鹽膏層。而鹽膏層極易蠕動(dòng)、融化、崩塌等對油套管作用高外擠力，從而導致普通套管被擠毀，造成油井報廢［1-7］。針對這一特殊地質(zhì)條件，2001年天津鋼管集團股份有限公司（現天津鋼管制造有限公司）聯(lián)合中原油田設計開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)了Φ152.4 mm×16.9 mm TP130TT BC 超厚壁高抗擠毀石油套管，抗擠毀強度≥167 MPa，解決了長(cháng)期困擾中原油田的鹽膏層段套損問(wèn)題［8-13］，每口井生產(chǎn)使用壽命延長(cháng)4年以上。雖然解決了套損套變問(wèn)題，由于套管剛性強、外徑大，下入困難，于2009年聯(lián)合設計開(kāi)發(fā)了Φ141.62 mm×11.5 mm TP155V LC 抗擠套管［14］，提升了套管沖擊功等技術(shù)指標，統一螺紋為長(cháng)圓螺紋，方便不同鋼級套管間連接。產(chǎn)品優(yōu)化設計后獲得了更大的套管環(huán)空間隙，順利完成套管下井作業(yè)。同時(shí)，通過(guò)使用TP155V 超深復雜井專(zhuān)用套管，使管串重量下降1/3，用戶(hù)的綜合采購成本大大降低，保證了油田生產(chǎn)的安全順利進(jìn)行。該型號套管解決了TP130TT 套管下入困難問(wèn)題，并在一定程度上控制了套變，為了進(jìn)一步提高套管的抗擠毀性能，2013年設計開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)了Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V LC 抗擠套管，保證了井眼的環(huán)空間隙，非標準規格厚壁設計提高了抗擠毀性能［15］，抗擠強度最小值由168 MPa 提高到182 MPa?，F介紹TP165V 套管的開(kāi)發(fā)，并分析其蠕變應力。

TP165V 鋼采用Cr-Mo 合金鋼，輔以微合金細化晶粒元素，充分利用固溶強化、相變強化、細晶強韌化、析出強化作用，提高套管的綜合強韌性。套管材料的性能指標直接決定整管的使用性能，采用API 強度設計原則，進(jìn)行強度標準化設計，并配以高沖擊韌性指標設計。TP165V 套管的強度設計指標見(jiàn)表1。

表1 Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V LC抗擠套管強度設計指標

（1） 煉鋼。采用鐵水加優(yōu)質(zhì)廢鋼作為電爐原料，經(jīng)過(guò)鋼包精煉爐（LF）精調合金成分，保證真空脫氣爐（VD）真空時(shí)間，采用保護澆鑄措施，獲得內外部冶金質(zhì)量良好的鑄坯。工藝流程：制鐵→電爐冶煉→精煉→VD 真空處理→連鑄→管坯鋸切→檢驗。

（2） 軋管。根據鋼種特性，經(jīng)熱模擬分析研究獲得最佳熱塑性軋制區間，經(jīng)高溫加熱后，進(jìn)行穿孔和軋制工序，定徑后獲得最終軋制幾何尺寸。工藝流程：管坯加熱→定心→穿孔→連軋→定徑→冷卻→鋸切→探傷→檢驗。

（3） 套管加工。依據連續轉變曲線(xiàn)測試結果，確定最佳熱處理工藝制度，采用浸入式旋轉內噴外淋冷卻方式，回火后獲得索氏體組織。工藝流程：檢驗→高溫爐→水冷→低溫爐→空冷爐→矯直→尺寸檢驗→超聲波檢驗→管端探傷→車(chē)絲→擰接→通徑→水壓→車(chē)絲→測長(cháng)稱(chēng)重→噴標→烘干→入庫。

3.1 套管強度控制情況

套管強度采用中高強度控制方法，最大限度的匹配高韌性指標，保證套管柱可以承受較大的抗軸向拉壓載荷。TP165V 套管力學(xué)性能指標如圖1 所示，其屈服強度實(shí)際水平不低于1140 MPa，主要分布在1150～1190 MPa；
抗拉強度實(shí)際水平不低于1210 MPa，主要分布在1220～1270 MPa；
橫向全尺寸沖擊功大于58 J，主要分布在62～74 J；
縱向全尺寸沖擊實(shí)際水平大于70 J，主要分布在80～105 J；
套管性能指標具備正態(tài)分布特征，性能穩定。

圖1 TP165V 套管力學(xué)性能指標

3.2 套管組織狀態(tài)

TP165V 套管組織為典型的回火索氏體組織，晶粒度為9.0 級，如圖2～3 所示，該組織狀態(tài)說(shuō)明合金體系合理，熱處理工藝制度得當，保證了套管具有優(yōu)異的使用性能。

圖2 TP165V 套管的金相組織

圖3 TP165V 套管的晶粒度

3.3 套管抗擠毀性能

以Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V 套管為例，套管設計保證值為182 MPa，套管實(shí)際抗擠毀性能超過(guò)200 MPa，如圖4～5 所示，經(jīng)過(guò)持續不間斷的加載，套管實(shí)際擠毀值達到201 MPa，超出保證值10%，破壞性擠毀試驗證明了套管具有高抗擠毀能力。

圖4 TP165V 套管擠毀試驗加載曲線(xiàn)

圖5 TP165V 套管樣管擠毀形貌

考慮鹽膏層具有蠕變特征，尤其是在固井過(guò)程中或結束后一段時(shí)間鹽膏層帶來(lái)的較強的外擠載荷，設計分段施加外壓試驗，以驗證套管在高外壓試驗環(huán)境中是否具有足夠的穩定性。TP165V 套管分段加載試驗曲線(xiàn)和試驗后樣管形貌如圖6～7 所示，分兩階段進(jìn)行保載，保載時(shí)間分別為30 min，保載過(guò)程中載荷穩定，由于試驗最大載荷為190 MPa，未達到套管擠毀數值，樣管未發(fā)生擠毀，其幾何尺寸穩定不發(fā)生變化，可保證工具串在套管內的順利通過(guò)。

圖6 TP165V 套管分段加載試驗曲線(xiàn)

4.1 模型建立假設

采用有限元仿真手段，按照實(shí)際真實(shí)服役套管尺寸建立套管-水泥環(huán)-地層三維模型，如圖8 所示，模型中各個(gè)組成部分的幾何尺寸見(jiàn)表2，套管規格為Φ143.32 mm×12.35 mm，井眼為216 mm，根據圣維南原理，地層的長(cháng)度、寬度、高度分別取5000 mm。

圖8 TP165V 套管三維有限元模型

表2 TP165V 套管三維有限元模型各部分幾何尺寸

4.2 地層本構方程

研究表明，鹽膏層蠕變分為3 個(gè)階段，即瞬態(tài)蠕變期（A）、穩態(tài)蠕變期（B）和加速蠕變期（C），如圖9 所示。對于鹽膏層這類(lèi)塑形材料，蠕變主要表現為前兩個(gè)階段，且穩態(tài)蠕變期持續時(shí)間較長(cháng)。因此固井后套管主要受穩態(tài)蠕變的影響。

圖9 鹽膏層蠕變3 階段示意

鹽膏層在地下空間是連續體，從鹽膏層本身的材料屬性上講可按各向同性考慮。因此，分析方法可采用二維平面應變模型，為了更好地展現空間效果，采用三維模型。

由于鹽膏層蠕變一般以晶格的位錯滑移為主，鹽膏層在位錯蠕變模式控制下的穩態(tài)蠕變速率與差應力的冪相關(guān)的方程［16］：

Δσ —— 差應力，Δσ=σ1-σ3；

A0exp（-Q/RT）—— 鹽膏層的黏性參數；

Q —— 激活能；

n —— 流變參數；

R —— 氣體常數；

T —— 溫度。

試驗研究表明［16］，在不同的差應力條件下，將差應力與穩態(tài)蠕變速率進(jìn)行數據擬合［16］，二者呈現線(xiàn)性關(guān)系或冪函數關(guān)系（圖10），n 值越高，穩態(tài)應變速率越高，結合圖10 的擬合結果，n 值設定為2更合適。穩態(tài)條件下，蠕變速率與時(shí)間無(wú)關(guān)，該選型相關(guān)參數設定為0。A 值取1.00×10-19。

圖10 TP165V 套管差應力與穩態(tài)蠕變速率關(guān)系

5.1 均勻及非均勻地應力分析

套管固井后，套管-水泥環(huán)-地層形成一個(gè)完整的井筒，井眼在地應力的作用下呈現三軸應力狀態(tài)，最大水平地應力和最小水平地應力在水平方向構成兩向應力狀態(tài)，顯然兩向應力是不相等的，在均勻地應力的作用下，套管各向受力均勻，但是在非均勻地應力作用下，套管受到的等效應力將呈現增加的趨勢，當等效應力達到套管可承受的最大的應力狀態(tài)時(shí)，套管將會(huì )被破壞。地應力設置為最大水平地應力為56 MPa，最小水平地應力為一系列變量，即46 MPa、50 MPa、53 MPa、56 MPa、59 MPa、62 MPa、66 MPa［17］，如圖11 分析結果顯示，隨著(zhù)兩向應力差的逐漸增加，套管承受的等效應力逐漸增加，呈現V 字形分布（圖12）。與此同時(shí)也發(fā)現，即使在非均勻地應力狀態(tài)，在較大地應力差的情況下，套管受到的最大地應力不超過(guò)套管的屈服強度，即表明套管服役是安全的。在此情況下，一定有使套管遭到破壞的因素存在。

圖11 TP165V 套管彈性受力分析

圖12 TP165V 套管彈性應力與應力差關(guān)系

5.2 兩向應力反轉的作用

5.1 節設定了最小水平主應力為一系列變量，考慮到兩向應力方向反轉對套管受力狀態(tài)的影響，系列值出現59 MPa、62 MPa、66 MPa 三個(gè)數值，即當最小水平主應力大于最大水平主應力時(shí)，兩向水平主應力方向對調。將前者假設為系列1，同理將后者假設為系列2。

如圖13 所示，0°方向對應最小水平主應力方向，90°方向對應最大水平主應力方向，系列1 中套管內表面最大等效應力隨著(zhù)角度增加逐漸降低，最大等效應力在最小水平主應力方向。如圖14 所示，0°方向對應最大水平主應力方向，90°方向對應最小水平主應力方向，系列2 中套管內表面最大等效應力隨著(zhù)角度增加逐漸增加，最大等效應力在最小水平主應力方向。系列1 和系列2 所呈現的等效應力與角度的變化趨勢正好相反，但最大等效應力所在方向都是最小水平主應力方向，值得注意的是對于套管來(lái)講，最大等效應力的受力方向是呈現90°方向對調的。

圖13 TP165V 套管系列1 應力狀態(tài)

圖14 TP165V 套管系列2 應力狀態(tài)

5.3 蠕變應力的影響

Φ143.32 mm×12.35 mm 套管按照API TR 5C3《套管、油管、鉆桿和管線(xiàn)管性能的計算和公式公告》對擠毀形式的劃分，140 鋼級以下屬于屈服擠毀，而140 鋼級以上屬于塑性擠毀，二者的差別在于后者的計算值可能超過(guò)套管承受的壓力值，進(jìn)而引起套管屈服。套管固井后，在兩向應力作用下，可按照線(xiàn)彈性力學(xué)理論推導出套管受到的環(huán)向應力和徑向應力，進(jìn)而按照第四強度理論計算等效應力，顯然在外壓作用下，等效應力是與壁厚相關(guān)的，5.1 節有限元計算的結果已經(jīng)證明了這點(diǎn)。又由于套管串較長(cháng)，可忽略軸向上應變，按照平面應變考慮，且材料本構模型考慮到了彈性和塑形段，因此可采用等效應力方法評判。

將蠕變鹽膏層的本構方程加入到地層模型當中，套管-水泥環(huán)-地層系統以及加載狀態(tài)如上節分析結果顯示，在均勻地應力條件下，套管受到的等效應力與5.1 節分析結果相同，但是在非均勻地應力作用下，套管受到的等效應力隨著(zhù)非均勻地應力的增加呈現逐漸增加的趨勢。如圖15～16 所示，隨著(zhù)兩向應力差的增加，套管受到的最大等效應力逐漸增加，呈現V 字形分布，當兩向應力差達到10 MPa 時(shí)，套管承受的等效應力達到1068 MPa，在此應力條件下，普通API 套管無(wú)法滿(mǎn)足使用要求，需要選取可承受更高應力水平的套管，140 鋼級套管可承受的最大等效應力為965 MPa，155 鋼級套管可承受的最大等效應力為1068 MPa，顯然155 鋼級套管可有限滿(mǎn)足使用要求，要想達到工況要求，并且有一定的安全余量，需要更高鋼級的套管，TP165V 套管的最小屈服強度為1137 MPa，即使在兩向地應力差較大的條件下，也能夠滿(mǎn)足該地層條件下的選材使用。

圖15 TP165V 套管蠕變應力受力分析

圖16 TP165V 套管蠕變應力與應力差關(guān)系

5.4 鹽膏層溶解的影響

在鉆井過(guò)程中，由于泥漿性能等方面的作用，造成井眼周?chē)柠}膏層溶解（模型如圖17 所示），導致固井質(zhì)量不好，如果溶解區域達到一定空間尺度后，對套管的抗外擠性能造成不利影響。在此工況條件下，建立套管-水泥環(huán)-地層模型，研究在兩向應力的作用下，鹽膏層溶解區域套管的受力狀態(tài)。

圖17 TP165V 套管-水泥環(huán)-地層單位模型（帶孔洞）

如圖18 所示，當出現局部鹽膏層溶解后，在孔洞與套管相交位置，套管受到的應力最大。當加入蠕變模型后，如圖19 所示，在兩向地應力的作用下，套管受到的應力呈現先增加后減小趨勢，即在初始階段套管受到的應力逐漸增加，由于鹽層蠕變的作用，在兩向應力作用下，將會(huì )產(chǎn)生位移，孔洞呈現逐漸減小的趨勢，那么套管受到的應力將逐漸降低，當孔洞閉合后，該區域套管受到的應力將與套管其他區域一致?？梢?jiàn)，有限大小的鹽膏層溶解對套管影響較小。

圖18 TP165V 套管受到的蠕變應力分析

圖19 TP165V 套管受到的蠕變應力與時(shí)間的關(guān)系

（1） 設計開(kāi)發(fā)一種新型超高強度套管Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V LC，與Φ141.62 mm×11.50 mm TP155V 套管相比，通徑保持不變，抗擠毀性能提高8%；
橫向沖擊值不低于55 J，縱向沖擊不低于70 J，具有回火索氏體組織，套管抗擠毀性能保證值為182 MPa。

（2） Φ143.32 mm×12.35 mm TP165V LC 套管極限抗擠毀強度超過(guò)200 MPa，超出保證值10%；
以中原油田產(chǎn)層最大地應力約為50 MPa 為例，套管實(shí)際抗擠毀強度達到最大地層壓力4 倍；
套管經(jīng)過(guò)182 MPa 和190 MPa 兩階段外壓保載30 min，套管幾何尺寸不發(fā)生變化。

（3） 在非均勻地應力作用下，套管內表面受到的彈性應力隨著(zhù)地應力差異增加逐漸增加，呈現V 字型分布，但最大彈性應力不超過(guò)套管屈服強度，表明套管服役安全；
套管內表面受到的蠕變應力隨著(zhù)地應力差異增加逐漸增加，呈現V 字形分布，地應力差異越大，蠕變應力與彈性應力差異越大，當兩向水平應力差達到10 MPa 時(shí)，蠕變應力與彈性應力相差551 MPa，前者是后者的1.96 倍。

（4） 當鹽膏層被溶解產(chǎn)生孔洞時(shí)，套管內表面受到的應力呈現先增加后減小趨勢，即在初始階段套管受到的應力逐漸增加，由于鹽膏層蠕變的作用，在兩向應力作用下，孔洞呈現逐漸減小的趨勢，套管受到的應力將逐漸降低，當孔洞閉合后，該區域套管受到的應力將與套管其他區域一致。