李平全，董 仁

（1.西安摩爾石油工程實驗室有限公司，陜西 西安 710032；2.中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)部，新疆 庫爾勒 841000）

4 C110鋼級套管SSC評價試驗及應用

4.1 SSC評價試驗的意義

C110鋼級的抗硫化氫特性雖比近些年才開發(fā)的低酸性環(huán)境用C125鋼級好［20］，但C110鋼級開發(fā)的初衷僅限于高溫高壓低酸性深井使用，其應用應十分謹慎?，F在有不少制造廠能一直提供通過NACE TM 0177標準A法、A溶液、85%SMYS應力條件評定試驗的C110鋼級產品，對該產品的驗收大多數用戶也按同樣的NACE標準試驗程序進行。但是C110鋼級開發(fā)目的始終都是供高溫高壓低酸性深井用，C110鋼級適用于硫化氫分壓0.07 bar（PH2S以bar為單位，1 bar=0.1 MPa）或較低分壓油氣井的低酸性（Mild Sour）井用［12］。

NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標準中的第10.1.2款［18］規(guī)定：對于由淬火+回火態(tài)Cr-Mo低合金鋼（AISI 41XX及其改型鋼）制成的材料硬度不大于30 HRC，規(guī)定最低屈服強度為690，720，760 MPa（100，105，110 kpsi），最高屈服強度與最低屈服強度的差值不超過100 MPa（15 kpsi）。具有NACE TM 0177標準A法最低SSC/SCC臨界應力不低于85%SMYS的C100、C105、C110鋼級的較高強度酸性用套管，由于NACE試驗方法和現場應用結果間沒有關聯(lián)的數據，在技術上也沒有支持某一個最終限制條件的數據，因此在ISO 15156-2∶2009標準［21］中，上述HSSS鋼級套管主要供H2S分壓小于0.07 bar的井中作保護套管用，該標準的規(guī)范性附錄A條款A.4.2指出，符合上述規(guī)定、實際屈服強度不大于896 MPa（130 kpsi）的抗SSC的C110鋼級油套管適合于低酸性區(qū)環(huán)境使用。

C110鋼級試樣在北海和墨西哥灣油田預定適用環(huán)境下的SSC試驗如圖6所示，圖中點1（pH4.5-PH2S0.28 bar）、點2（pH4.2-PH2S0.1bar）分別是C110鋼級在24℃、施加拉應力為90%AYS（實際屈服強度）試驗條件下通過SSC評價的墨西哥灣油田和北海油田的兩個預定適用環(huán)境［22］，連接1、2兩點的直線可以表示C110鋼的SSC抗力，該鋼對位于這條直線上或這條直線西北方向的任何條件都具有SSC抗力［20］。C110鋼級在圖6所示的Ⅱ區(qū)（酸性過渡區(qū)）和Ⅲ區(qū)（全酸性區(qū)）的應用應謹慎，API規(guī)范在第5.1、7.14.1款［3］反復給出完全相同的警示，購方宜參考NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標準關于C90、T95和C110鋼級使用指南，特別關注C110鋼級在Ⅲ區(qū)（全酸性區(qū)）的應用，C110鋼級不適合于Ⅲ區(qū)所有環(huán)境使用，尤其是在pH值低于3.5的環(huán)境。C110鋼級在Ⅲ區(qū)的預定環(huán)境應用，應模擬工況進行SSC評價試驗。

圖6 C110鋼級試樣在北海和墨西哥灣油田預定適用環(huán)境下的SSC試驗

4.2 SSC抗力評定的環(huán)境條件

NACE TM 0177標準A溶液是對材料直至Ⅲ區(qū)的全酸性區(qū)環(huán)境SSC抗力評定的標準化環(huán)境，但由于試驗中在位pH值的漂移，這種溶液不能評定材料在Ⅲ區(qū)在位pH值低于3.5時SSC特性；因此NACE TM 0177標準A法A溶液SSC評定試驗可作為材料特性的一種評定方法，但不適用于材料SSC抗力在該環(huán)境的合格評定。有試驗研究對通過NACE TM 0177標準A溶液SSC試驗的酸性環(huán)境用X65、T95鋼級兩種材料在濃度50 g/L NaCl+4 g/L CH3COONa的蒸餾水或去離子水水溶液環(huán)境進行嚴格在位pH條件的試驗，用PH2S為1 bar的H2S氣體加以飽和并持續(xù)鼓泡。試驗采用標準拉伸試樣，試驗中持續(xù)監(jiān)控pH值嚴格等于3.0或3.5，如試驗條件要求pH=3.0時，一旦pH值升高至3.1以上就加入HCl調整至3.0。兩種鋼級均通過pH3.5-PH2S1 bar條件的試驗，但在pH3.0-PH2S1 bar條件時，試驗都沒有通過［23］，可見在位pH值對材料SSC抗力的影響，尤其是較高鋼級抗酸性鋼在Ⅲ區(qū)低pH值區(qū)域的應用值得注意。

4.2.1 NACE TM 0177標準A溶液

NACE TM 0177標準A溶液是由0.1 MPa H2S飽和的，含NaCl（50 g/L）和醋酸（5.0 g/L）組分的酸性水溶液；是對材料直至Ⅲ區(qū)（全酸性區(qū)）環(huán)境抗SSC特性評定用最廣泛的標準化試驗環(huán)境。

按程序配制的酸性水溶液最初pH值約為2.7；試驗時，由于腐蝕反應，溶液的pH值升高；當鐵硫化物析出時溶液的pH值約穩(wěn)定在3.6，差不多有1個pH單位的漂移。因此NACE TM 0177標準A溶液環(huán)境可以繪制在圖6所示的PH2S-pH圖上，它不是單一的點，而是起點在pH2.7，終點在pH3.6的一條線段。

4.2.2 適用性環(huán)境條件

適用性（fit-for-purpose）環(huán)境條件［22］代表預定井中實際最差工況的在位pH值和硫化氫分壓PH2S。

該條件是對材料在預定適用環(huán)境SSC抗力是否合格、可否使用的SSC適用性評定環(huán)境條件。這種預定適用環(huán)境是指PH2S-pH圖上的一個特定點（如圖6中C110鋼級適用環(huán)境1、2點）。

適用性環(huán)境條件采用CH3COONa代替A溶液中的醋酸，將NaCl（50 g/L）和CH3COONa（4 g/L）溶入蒸餾水或去離子水中，并采用大氣壓力下混合的H2S/CO2（或H2S/N2混合氣）加以飽和，溶液飽和后通過持續(xù)鼓泡保持PH2S。如PH2S=0.1 bar，即通過注入1 bar的10%H2S/90%CO2混合氣體獲得。試驗過程中監(jiān)控溶液的pH值，以強酸（HCl）、醋酸鈉（根據溶液濃度）或強堿（NaOH）調整并保持至pH規(guī)定值。對于特定目的，試驗溶液可配不同濃度的氯化物，但通常與NACE TM 0177標準A溶液的氯化鈉濃度（50 g/L）相同。經CH3COONa緩沖的溶液，消除了NACE TM 0177標準A法溶液試驗時由于腐蝕反應，溶液pH值升高的缺點。試驗仍采用NACE TM 0177標準A法拉伸試樣，拉應力除可按API標準規(guī)定施加，也可按試件材料的90%AYS施加，pH值模擬現場在位值，試驗過程中pH值穩(wěn)定在較小偏差范圍內，在位pH值與高的施加應力配合適于預定使用環(huán)境SSC抗力合格評定試驗用。這種環(huán)境比NACE TM 0177標準A溶液緩和，但又比較接近油氣田實際環(huán)境（通常大多井內環(huán)境在位pH值高于3.5，H2S分壓小于1 bar），尤其適合于C110高鋼級套管材料的評定。這種試驗環(huán)境在國外油氣田得到越來越廣泛的應用。

4.3 應用實例

C110鋼級套管已應用于水深1 371.6 m（4 500 ft）的墨西哥灣油氣田開發(fā)［12］。該油氣田儲層壓力70 MPa（10 kpsi），地層溫度51.7～57.2℃（125～135℉），飽和壓力19.3～26.9 MPa（2 800～3 900 psi），CO2含量（體積分數）1.0%，采用注水維持壓力。儲層酸化模擬顯示：儲層酸化可出現H2S產出物，其中一口井的最大含量為0.06%，而另一口井的含量可達到0.13%。

C110鋼級材料按美國BP公司酸性用套管規(guī)定要求進行抗SSC評定。BP公司材料指南規(guī)定試驗按NACE TM 0177標準A法，修正的試驗溶液采用總壓力1 bar H2S/CO2混合氣加以飽和，混合氣中的H2S分壓按井內氣相中的H2S分壓，試驗溶液的pH值調整為儲層采出液有關的水相在位pH值，施加應力為材料的90%AYS條件進行。

井內氣相的H2S分壓是基于飽和壓力計算，H2S分壓0.025～0.035 MPa（0.25~0.35 bar）；該兩儲層的采出液水相pH值為3.66～3.78。試驗條件選擇考慮了兩井中氣相H2S分壓的變化，H2S分壓的建立不隨時間的變化而變化。適用環(huán)境條件和試驗條件見表5。

試驗溶液為去離子水溶入5%NaCl和0.4 g/L CH3COONa（對于H2S分壓0.027 5 bar或0.175 bar的試驗）或5%NaCl和0.4 g/L水溶液（對于H2S分壓0.35 bar的試驗），并用HCl調整至起始pH值3.7。試驗分別用2.75%、17.50%、35.0%H2S與 CO2（余量）在大氣壓力下的混合氣體中進行。試驗期間加CH3COONa以保持pH值接近起始值。

供這個油田用的C110鋼級套管所有爐批都在80%SMYS應力條件下通過NACE TM 0177標準A法、A溶液的實驗室SSC評定試驗。模擬工況條件的適用環(huán)境SSC評定試驗采用Φ193.7 mm×12.7 mm和Φ244.5 mm×13.84 mm的C110鋼級套管?？v向試樣的取樣位置在鋼管壁厚中部。每一批、每一試驗條件取2個試樣。經720 h（30 d）的試驗，除1個爐批（轉換硬度值為27.7~28.8 HRC）在H2S分壓0.35 bar下的試驗接近400 h后失效外，其余5個爐批在H2S分壓0.027 5，0.175 0，0.350 0 bar下都通過BP公司修正程序試驗，符合NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標準對材料的要求；因此考慮將C110鋼級套管作為抗H2S開裂材料供油氣田完井用。

圖7、圖8和表6、表7是該油田應用C110鋼級套管的有代表性油氣井管柱設計及參數實例［12］。例1（圖7和表6）的中間套管1和回接生產襯管分別采用 Φ335.60 mm×17.00 mm（Φ14.000 in×0.700 in）和 Φ273.05 mm×20.96 mm（Φ10.750 in×0.825 in）規(guī)格的C110鋼級套管；例2（圖8和表7）的回接生產套管采用的是Φ193.68 mm×15.88 mm（Φ7.625 in×0.625 in）規(guī)格的C110鋼級套管。

表5 適用環(huán)境條件和試驗條件

5 結 論

（1）C110鋼級酸性用鋼為AISI 41XX及其改型鋼，普遍采用超低P、超低S細晶化鋼，采用鋼包精煉工藝、真空脫氣、成分均勻化、減少夾雜物工藝和夾雜物變態(tài)鈣處理技術，以及減少連鑄坯偏析、改善鑄坯質量的工藝措施，使該鋼具有良好、均勻的化學特性。精確的爐溫控制和高效力、冷卻

速度控制均勻的淬火系統(tǒng)的采用，對于管體、接箍全壁厚范圍內，直至鋼與硫化氫接觸的內壁表面獲得均勻、細小的全馬氏體+回火顯微組織是非常重要的。C110鋼級管體、接箍全壁厚范圍內均勻、細小的全馬氏體顯微組織，以及盡可能高的回火溫度，是獲得良好SSC抗力的必要條件。冶金學和鋼管制造技術的進步，使C110鋼級抗酸性高強度鋼的開發(fā)獲得成功。

圖7 應用C110鋼級套管的代表性油氣井管柱設計實例1

圖8 應用C110鋼級套管的代表性油氣井管柱設計實例2

表6 管柱設計參數實例1

表7 管柱設計參數實例2

（2）C110鋼的化學成分設計，必須與產品規(guī)格、熱處理爐的溫度控制、淬火系統(tǒng)的冷卻效力相配合，使產品從里至外全壁厚完全淬透獲得全馬氏體組織。淬透性試驗（淬火橫截面硬度試驗）是證明鋼的化學成分設計和淬火加熱爐以及所采用淬火系統(tǒng)效力相匹配、獲得可接受的最低淬透性的定量評定。淬火橫截面硬度試驗是更適合于材料生產的接受/拒收準則。

（3）C110鋼級拉伸屈服強度的控制“窗口”僅70 MPa（10 kpsi），是使鋼的SSC抗力最大化的措施，應控制屈服強度在“窗口”的中下限?？裳a充統(tǒng)計拉伸試驗控制要求。硬度檢測是直接評定每一批每一根鋼管、壁厚每一位置（OD、MW、ID）屈服強度分布均勻性的一種經濟方法。

（4）硬度檢測不僅在套管生產工藝控制方面起重要作用，在SSC評定試驗中的作用也不可替代。全壁厚硬度試驗、表面硬度控制檢驗是SSC評定試驗試樣抽取的重要準則，是加快篩除SSC試驗不能通過的產品，捕獲每批必選鋼管的有效方法。根據硬度檢測結果，可對SSC試驗是否能通過進行預判，有助于對試驗的結果進行分析和評判。雖然NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003和 API規(guī)范規(guī)定C110鋼級的最終回火硬度須控制在不超過30 HRC，但實際上要具有好的SSC抗力必須具有相對低的硬度值。

（5）C110鋼級SSC評定試驗按API規(guī)范和NACE TM 0177—2005標準規(guī)定采用A、D法進行。SSC評定試驗是產品質量控制的方法，是評定在規(guī)定環(huán)境條件下材料特性的方法，而不是評定材料在任何特定酸性環(huán)境應用是否合格的方法。適用環(huán)境SSC試驗評定適于材料在預定使用環(huán)境SSC抗力是否合格、可否使用的評定。通過NACE TM 0177—2005標準A法A溶液 SSC評定試驗的C110鋼級，不一定能通過預定適用環(huán)境SSC試驗評定。

（6）開發(fā)C110鋼級套管的目的是供高溫高壓低酸性深井用。目前，C110鋼級套管已在北海和墨西哥灣某些高溫高壓低酸性深井中應用。但C110鋼級套管不適合于在NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標準規(guī)定的Ⅲ區(qū)即全酸性區(qū)環(huán)境下使用。C110鋼級套管在預定酸性環(huán)境的應用，應通過模擬適用環(huán)境SSC評定試驗確定。

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（續(xù) 完）