賀占國(guó)+趙延理+王佳昌

摘 要：利用Instron 8862型高精度電子蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)海上油田熱采井常用的兩種管材在熱采工況下的力學(xué)行為進(jìn)行了測(cè)試，獲得了室溫和高溫350 ℃下的拉伸性能，研究了350 ℃下、不同載荷工況下的高溫蠕變行為，得到了蠕變本構(gòu)方程，并分析了蒸汽吞吐溫度循環(huán)工況對(duì)管材力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明，高溫下管材的屈服強(qiáng)度、均勻延伸率明顯降低，并表現(xiàn)出明顯的蠕變現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：稠油熱采 蒸汽吞吐 高溫力學(xué)行為試驗(yàn) 高溫蠕變

中圖分類號(hào)：TE257 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（b）-0049-03

熱采開發(fā)是現(xiàn)階段高效開發(fā)稠油油藏的主要技術(shù)之一。渤海油田稠油儲(chǔ)量豐富，2008年起開始稠油熱采開發(fā)實(shí)踐，熱采井單井產(chǎn)能增加明顯。

不同于常規(guī)冷采井，熱采井套管由于在熱循環(huán)條件下承受復(fù)雜的交變應(yīng)力易引起套管變形、斷裂。根據(jù)陸地油田的調(diào)研顯示[1]，五年以上生產(chǎn)周期的熱采井套損率達(dá)到30%。套損不但影響熱采井的生產(chǎn)壽命，而且易造成井口泄露等安全問題。

造成熱采井套管損壞失效的原因有很多，如，管材質(zhì)量、固井質(zhì)量不合格、螺紋泄露等。研究表明[2]，在持續(xù)的高溫下，材料將顯示出不同程度的蠕變現(xiàn)象，對(duì)于多次熱循環(huán)過程，金屬材料存在顯著的包申格效應(yīng)，套管材料會(huì)顯示出循環(huán)硬化或者循環(huán)軟化。在每次熱循環(huán)過程中，套管管體材料均會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變，當(dāng)塑性應(yīng)變超過管材的許用應(yīng)變時(shí)，管材將發(fā)生損壞失效。

海洋稠油熱采起步較晚，大多數(shù)熱采井僅進(jìn)行了一輪次的吞吐試驗(yàn)，目前雖未出現(xiàn)套損情況。但是海上油田安全和環(huán)保要求高，套管損壞會(huì)嚴(yán)重影響熱采井的安全生產(chǎn)。因此，開展了海上油田常用的兩種熱采管材在熱采工況下的力學(xué)行為試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)詳細(xì)研究了熱采工況溫度循環(huán)下管材的拉伸變形行為、高溫蠕變行為和溫度循環(huán)變形行為等，獲得了熱采井套損預(yù)測(cè)和治理研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的主要設(shè)備為Instron 8862型高精度電子蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)，選用試驗(yàn)管材為TP00H和TP110H兩種熱采專用套管，制作成縱向圓棒試樣。

拉伸變形行為試驗(yàn)在室溫20 ℃和350 ℃溫度下各進(jìn)行一組試驗(yàn)；高溫蠕變行為試驗(yàn)在350 ℃溫度、不同應(yīng)力下進(jìn)行多組試驗(yàn)，以擬合推導(dǎo)蠕變本構(gòu)方程。（如圖1）

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 拉伸變形行為試驗(yàn)

在室溫、高溫350 ℃下比較套管材料的拉伸變形行為。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于室溫下，高溫350 ℃套管拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的變化，屈服平臺(tái)消失，取而代之為連續(xù)光滑的應(yīng)變強(qiáng)化特征，如圖2、圖3所示。高溫350 ℃下，TP100H、TP110H的屈服強(qiáng)度、均勻延伸率明顯降低。熱采套管拉伸性能匯總?cè)绫?所示。

2.2 高溫蠕變行為試驗(yàn)

熱采井蒸汽吞吐過程中，由于井口、地層的約束，在注汽-采油作業(yè)中，套管熱膨脹受到井口/地層的壓縮-拉伸載荷。同時(shí)，注汽-采油作業(yè)過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。因而，在高溫、載荷、時(shí)間多因素環(huán)境下服役的熱采套管會(huì)發(fā)生蠕變行為。在高溫350 ℃，載荷750 MPa、700 MPa、650 MPa、625 MPa、600 MPa下，通過Instron-8862高精度蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)，研究TP100H和TP110H熱采套管的蠕變行為。試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示?？梢?，高溫350 ℃下，兩種管材表現(xiàn)出明顯的蠕變現(xiàn)象，蠕變過程具有初始蠕變加速、隨后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段的特征。TP100H和TP110H套管的蠕變本構(gòu)曲線如圖6、圖7所示。

2.3 溫度循環(huán)變形行為試驗(yàn)

蒸汽吞吐工藝中，熱采井進(jìn)行多輪次的注汽-采油作業(yè)循環(huán)，服役中的套管經(jīng)受升溫-保溫-降溫的過程，承受溫度循環(huán)變形。

通過Instron-8862高精度電子蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)，約束固定試樣兩端軸向位移，在升溫、降溫過程中采集軸向載荷的變化，研究高溫下熱采套管的溫度循環(huán)變形行為。

升溫過程中，由于軸向約束，熱采套管試樣承受壓縮載荷，并且隨溫度的升高不斷增大；達(dá)到350 ℃后保溫，承受的壓縮載荷不斷減小，表明發(fā)生應(yīng)力松弛；隨后降溫過程中，壓縮載荷不斷減小，承受的載荷逐漸由壓縮方式轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力。隨循環(huán)次數(shù)增加，材料壓縮載荷的峰值逐漸減小，拉伸載荷的峰值逐漸增加，表現(xiàn)出包申格效應(yīng)，如圖8所示。

基于溫度循環(huán)過程中包申格效應(yīng)，溫度循環(huán)使得拉伸峰值載荷有可能達(dá)到甚至超屈服強(qiáng)度，引起套管縮頸變形導(dǎo)致最終損壞失效。

3 結(jié)論

該文通過對(duì)海上油田常用兩種熱采套管進(jìn)行了全面的力學(xué)試驗(yàn)研究，得到了350 ℃下的管材屈服強(qiáng)度、均勻延伸率、蠕變本構(gòu)方程，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出如下主要結(jié)論。

（1）室溫下，熱采套管TP100H/TP110H拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)力平臺(tái)；高溫350 ℃下，應(yīng)力平臺(tái)消失，取而代之為連續(xù)光滑的應(yīng)變強(qiáng)化；相比于室溫，高溫350 ℃下，拉伸性能如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、均勻延伸率明顯降低。

（2）高溫350 ℃下，熱采套管TP100H/TP110H表現(xiàn)出蠕變現(xiàn)象，蠕變過程包括初始加速階段、隨后穩(wěn)態(tài)階段。

（3）多輪次蒸汽吞吐溫度循環(huán)過程中，熱采套管受到的拉伸峰值應(yīng)力不斷增加，表現(xiàn)出包申格效應(yīng)；增加的拉伸峰值載荷有可能超過屈服強(qiáng)度，引起套管縮頸變形導(dǎo)致最終損壞失效。

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