曹青山，李恒政，盧小慶，王 正，扈 立，韓林志

（1.中石化中原油田分公司供應(yīng)處，河南濮陽(yáng)457001；2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301；3.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都610500）

1 引言

中原油田處于東濮凹陷地質(zhì)構(gòu)造帶上，該地區(qū)各油氣層的頂部往往覆蓋著鹽、膏、泥等重復(fù)交替的復(fù)雜鹽層。鹽層覆蓋面積大、斷層多，厚薄和傾角多變，地層極易蠕動(dòng)、溶化、坍塌，從而對(duì)套管造成極大的擠壓力[1]。特殊的地質(zhì)構(gòu)造造成中原油田套管損壞嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[2]，從1979年到2003年11月底，中原油田累計(jì)套損井1465口，占生產(chǎn)總井?dāng)?shù)的31.31%，其中鹽層段套損井?dāng)?shù)占套損總井?dāng)?shù)的74.46%，造成了極大損失。

為解決鹽層段套損難題，中原油田做了大量工作，采取提高鹽層段固井質(zhì)量[3]及使用壁厚套管封堵鹽層[4]等措施，逐步緩解了鹽層段套管大量失效的問(wèn)題。但厚壁套管封堵鹽層的設(shè)計(jì)，因其套管壁厚、剛度大，且接箍外徑大，套管外環(huán)空間小，下套管過(guò)程中遇卡嚴(yán)重，嚴(yán)重影響油田的鉆井作業(yè)。針對(duì)這種情況，對(duì)套管進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了TP155V特殊規(guī)格的石油套管，保證滿足抗擠毀能力同時(shí)，解決下套管過(guò)程中遇卡的問(wèn)題。

2 中原油田鹽層套管使用情況

中原油田38個(gè)區(qū)塊的地應(yīng)力研究結(jié)果表明[5]，有40%的區(qū)塊相當(dāng)?shù)貞?yīng)力大于90 MPa，部分區(qū)塊的相當(dāng)?shù)貞?yīng)力為119.76 MPa，如果考慮到非均勻載荷，鹽層蠕動(dòng)及鉆井工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)和使用壽命，中原油田許多區(qū)塊鹽層段套管的許用抗擠毀強(qiáng)度需要達(dá)到162.0 MPa，為滿足抗擠毀性能要求，前期曾設(shè)計(jì)了?152.40×16.90 mm TP130TT超厚壁套管，其抗擠毀強(qiáng)度為167.0 MPa，雖然抗擠毀性能滿足要求，但套管壁厚，剛度大，接箍外徑（7 in）過(guò)大，導(dǎo)致該套管在使用過(guò)程中遇卡嚴(yán)重，影響油田施工。綜合各方面情況，對(duì)套管進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了?141.62×11.50 mm TP155V特殊規(guī)格的石油套管。

3 T P 155 V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管設(shè)計(jì)

早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)石油學(xué)會(huì)便開始研究套管的抗擠問(wèn)題，采用理論分析和實(shí)驗(yàn)修正的方法，研究出一整套有關(guān)套管使用性能的計(jì)算公式，并形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)API給出的套管抗擠毀公式[6]，不同的擠毀公式中，套管的抗擠毀強(qiáng)度都與材質(zhì)的屈服強(qiáng)度成正比，即屈服強(qiáng)度高，套管的抗擠毀性能高，API的公式只考慮了套管的屈服強(qiáng)度、外徑與壁厚比，而沒考慮其他因素的影響，如套管橢圓度，壁厚不均度、殘余應(yīng)力等。至今，已經(jīng)從不同的角度，系統(tǒng)研究影響套管抗擠毀強(qiáng)度的因素，研究表明[7-10]，控制套管的橢圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力等，可以有效的提高套管的抗擠毀性能。采油工具的尺寸要求套管的內(nèi)徑不小于118.60 mm，鉆頭的尺寸限制套管的外徑，不能僅靠提高套管的壁厚來(lái)滿足抗擠毀性能要求，綜合考慮各方面因素進(jìn)行套管設(shè)計(jì)。

3.1 套管幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

管體外徑：D=141.62 mm；管體壁厚：t=11.50 mm；內(nèi)徑：d=118.62 mm。

接箍外徑：W=153.67 mm；套管橢圓度：≤0.5%壁厚不均度：≤12%。

管體彎曲度不大于鋼管全廠0.15%。

3.2 套管性能參數(shù)設(shè)計(jì)

屈服強(qiáng)度 Rt0.7：1068～1275 MPa，抗拉強(qiáng)度：≥1138 MPa，延伸率：≥13%；

沖擊功（CVN）：0℃縱向全尺寸≥80 J；

抗擠毀強(qiáng)度：≥168 MPa。

新設(shè)計(jì)的套管相比原來(lái)使用的TP130TT鋼級(jí)套管，套管壁厚減少5.40 mm，降低了管柱的剛度；接箍外徑減少24.13 mm，大大增加了套管外環(huán)的空間，解決了下套管過(guò)程中遇卡的問(wèn)題，且上下管柱之間可以直接連接，無(wú)需轉(zhuǎn)換，提高了效率。通過(guò)提高套管的屈服強(qiáng)度，控制幾何尺寸的精度，通過(guò)工藝控制減少套管的殘余應(yīng)力等，確保了套管達(dá)到超高的抗擠毀性能。

4 套管實(shí)際性能控制

4.1 套管性能指標(biāo)

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管的各項(xiàng)材料性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其屈服強(qiáng)度、沖擊韌性如圖1、圖2所示。

圖1 T P 155 V鋼級(jí)特殊規(guī)格套管的屈服強(qiáng)度

圖2 T P 155 V鋼級(jí)特殊規(guī)格套管的沖擊功

由圖2可以看出，TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管材料性能的控制，不僅屈服強(qiáng)度保證達(dá)到155 ksi（1068 MPa），同時(shí)縱向全尺寸0℃韌性沖擊都大于90 J，確保了材質(zhì)的高強(qiáng)度高韌性。一般情況下，管材的強(qiáng)度越高，其沖擊韌性就越低，TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)，添加含量較高的Cr、Mo、Mn等元素來(lái)提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，添加V等微合金元素提高其沖擊韌性；通過(guò)冶煉及真空處理技術(shù)使得O、N、H氣體及S、P等有害元素降到很低的水平；并通過(guò)Ca處理改變鋼種夾雜物的大小和形狀，使由于夾雜物引起沖擊韌性降低的影響因素降到最低；通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，使其?qiáng)度和韌性實(shí)現(xiàn)良好匹配，保證超高強(qiáng)度的同時(shí)，使其還具有良好的韌性。

4.2 套管幾何尺寸

為滿足工程設(shè)計(jì)的需要，保證TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管高強(qiáng)高韌的材質(zhì)性能的同時(shí)，必須嚴(yán)格控制其幾何尺寸精度。隨機(jī)抽取8支管材，測(cè)量并統(tǒng)計(jì)其軋制幾何尺寸精度，如表1所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看到，TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管的軋制精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

文獻(xiàn)表明[11]，套管的橢圓度控制在小于0.5%，壁厚不均度控制在小于10%都可以明顯提高其抗擠毀性能；表1中的數(shù)據(jù)表明，TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管實(shí)際幾何尺寸精度控制在很高的水平，有利于保證其良好的抗擠毀性能。

表1 T P 155 V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管的軋制幾何尺寸

4.3 套管殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力對(duì)套管抗擠毀性能的研究表明[12]，只要?dú)堄鄳?yīng)力存在，都對(duì)套管的抗擠毀性能有不利影響，而且殘余應(yīng)力的影響明顯高于橢圓度和壁厚不均度對(duì)套管抗擠毀性能的影響程度。套管生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的環(huán)節(jié)主要有兩處：一是軋制、減定徑及矯直過(guò)程中由于不均勻變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；二是在熱處理過(guò)程中，特別是淬火過(guò)程中的不均勻相變引起的殘余應(yīng)力；通過(guò)優(yōu)化控制軋制及熱處理工藝，減少不均勻變形及不均勻相變，控制殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，通過(guò)回火處理盡可能消除前期產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時(shí)提高回火后的熱矯直溫度等，減少回火后殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。隨機(jī)取樣，利用開縫法對(duì)TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法按（1）式計(jì)算[13-14]，結(jié)果見表 2。

表2 T P 155 V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管殘余應(yīng)力

式中：D0為開縫前的外徑平均值 {=（D01+D02+D03）/3}，mm；Df為開縫后的外徑平均值 {=（Df1+Df2+Df3）/3}，mm；V 為泊松系數(shù) 0.30；E 為彈性模量，MPa，取E=20.6×104 MPa；t為平均壁厚；σr為殘余應(yīng)力。

由表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管的殘余應(yīng)力控制在較低的水平范圍內(nèi)，這也是保證其抗擠毀性能的關(guān)鍵之一。

4.4 套管抗擠毀性能

生產(chǎn)過(guò)程中隨機(jī)抽取樣管做抗擠毀性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 T P 155 V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管抗擠毀試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)外壓達(dá)到25402 psi（175.18 MPa）時(shí)，試驗(yàn)樣管發(fā)生擠毀變形，為中原油田鹽層段設(shè)計(jì)的TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管抗擠毀性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)168 MPa，具有超高抗擠毀性能。

5 油田使用情況

2009年 8月 6日，?141.62×11.50 mm TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管在中原油田文269-20井正式下井使用，用來(lái)封堵該井2482～2579 m處的高壓鹽層，整個(gè)下井、試壓、固井施工過(guò)程順利，該油田各區(qū)塊鹽層段套管開始陸續(xù)采用TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2012年底，累計(jì)采購(gòu)該套管1488.6 t，在約130口以上的鹽層井中使用，使用效果良好，解決了鹽層段套管失效嚴(yán)重的技術(shù)難題，及超厚壁套管下井遇卡、固井效果差的施工難題；同時(shí)也減少了管柱的連接轉(zhuǎn)換，減輕了管串的重量，因而節(jié)約了鉆井施工成本。

6 結(jié)論

天津鋼管公司開發(fā)的中原油田鹽層段用TP155V鋼級(jí)特殊規(guī)格石油套管具有以下特點(diǎn)：

（1）套管具有超高的強(qiáng)度與韌性，幾何尺寸精度高，殘余應(yīng)力低，抗擠毀能力超過(guò)了168.0 MPa，完全滿足中原油田鹽層段套管抗擠毀性能的要求。

（2）相比前期鹽層段使用的套管，研制的TP155V套管外徑小，壁厚薄，從而減少管柱的剛度及管串的重量，增加了套管外環(huán)的間隙；解決了下套管過(guò)程遇卡的難題，同時(shí)可以提高鹽層段固井的質(zhì)量。

（3）特殊的套管設(shè)計(jì)，使鹽層上下套管之間不需要轉(zhuǎn)換，可以直接使用，節(jié)約了鉆井施工成本，便于現(xiàn)場(chǎng)推廣使用。

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