劉 強 申照熙 李東風 張春霞 祝國川 宋生印

1.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室·中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 2.寶鋼股份鋼管條鋼事業(yè)部

0 引言

隨著我國油氣開發(fā)工作的不斷深入，深井超深井高溫、高壓、高腐蝕的“三高”井和大位移水平井等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)，對鉆完井石油管材的要求不斷提高[1-2]。油管和套管作為油氣資源的主要輸送通道及防護屏蔽，在井下不僅要經(jīng)受高溫高壓帶來的復合載荷作用，還要受到服役工況中的H2S、CO2、高濃度氯離子甚至單質(zhì)硫的腐蝕作用[3-4]，一旦發(fā)生失效事故，不僅會造成深層油氣開發(fā)的事故，嚴重的還有可能造成生命財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。因此，油井管的選材、安全可靠性和使用壽命對石油工業(yè)影響極其重大。鈦合金由于具有高強度、低密度，低的彈性模量，優(yōu)異的抗疲勞性能、耐腐蝕性和耐高溫性能，已經(jīng)成為高端石油管材料研究的熱點方向[5-6]。

國外在20世紀末就對鈦合金用于油氣開發(fā)的可行性和適用性開展了研究，對鈦合金在油氣工況下的性能進行詳細的評價，得出鈦合金材料在油氣開發(fā)環(huán)境中具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和應用前景[5,7]。美國、日本等開發(fā)出了多種鈦合金材料的油井管，例如鈦合金油管、套管、鈦合金鉆桿、連續(xù)管和海洋鉆井隔水管等系列化產(chǎn)品，在油氣勘探開發(fā)領域開始工業(yè)化應用[7-10]，美國RMI 公司成功地研制了熱旋轉(zhuǎn)—壓力穿孔管材軋制工藝，開發(fā)出鈦合金油管、套管和海洋立管等產(chǎn)品，于1999年起在美國在多個區(qū)塊的油氣井、墨西哥灣的Oryx海王星鉆井項目和Mobile Bay Field（莫比爾灣油田）熱酸性油氣井成功應用[11-12]。Chevron 公司研發(fā)的鈦合金油套管材料，已在墨西哥灣一些高壓高溫、超高壓高溫井進行了應用[13]。中國在近十年才開始進行鈦合金用于油氣開發(fā)的研究，中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院（以下簡稱管研院）對鈦合金材料用于油氣開發(fā)的可行性進行了綜合分析，證明鈦合金管材在油氣開發(fā)領域有著良好的應用前景[6]，同時對鈦合金石油管的選材和適用性進行了深入的研究[14]，攻克了一些制約鈦合金油套管應用的技術(shù)瓶頸[14-15]，并制定了相關(guān)的標準[16]。東方鉭業(yè)等制造廠家優(yōu)化了鈦合金管材的加工制備技術(shù)[17]；天津鋼管集團、攀鋼集團成都鋼釩有限公司等企業(yè)均試制出了鈦合金油管產(chǎn)品[17-18]。

我國一些地區(qū)油氣資源的開發(fā)具有“三高”（高溫高壓高腐蝕）特點。其中塔里木盆地的氣井服役工況已經(jīng)達到超深（深度超過6 000 m，局部達到8 000 m），超高溫（地層溫度超過160 ℃，局部達到190 ℃），超高壓（井口壓力達到110～130 MPa），高腐蝕（高 Cl－含量，達到 15×104μg/g，CO2分壓超過1 MPa）。特別是最近在塔里木盆地克拉蘇構(gòu)造帶西部發(fā)現(xiàn)的超深、高壓、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)整裝儲量達1 000×108m3的博孜9凝析氣藏[19]，完鉆深度達到了近8 000 m，井底壓力達到了近140 MPa。在上述高溫高壓的服役工況下使用鈦合金油套管完井是一種新的解決方案[20]，但是對油套管的抗外擠毀提出了較高的要求。

然而目前對石油管的評價體系和指標都是基于鋼的彈性模量計算的，而鈦合金材料無論是彈性模量還是泊松比都與鋼鐵材料有較大差別，以油井管最為關(guān)鍵的抗外擠毀強度為例，對于鈦合金管材沒有任何的方法和指標可參考，鈦合金油套管的真實抗擠毀能力與API、ISO的標準體系中的油套管擠毀計算方法和指標的差距也不得而知。美國Hargrave等[13]在個別外徑的Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo （Beta-C）鈦合金管上進行的實物擠毀試驗，數(shù)據(jù)表明Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo鈦合金管的抗擠毀強度只能達到API 5C3報告[21]理論計算值的90%，但該研究數(shù)據(jù)較少且計算方法有待于商榷，難以在實際設計和應用中借鑒。因此，筆者在考慮制造缺陷的條件下，通過對比國際標準中外擠毀強度計算方法、外壓強度擠毀準則計算方法、使用有限元模擬計算3種不同方法下得出的鈦合金油套管抗擠毀強度，并與同等條件下鋼制油套管抗擠毀強度進行了對比，研究鈦合金油套管的抗擠毀強度變化規(guī)律，并采用實物外擠毀試驗驗證的方法，得出鈦合金油套管外擠毀性能變化規(guī)律和最精確的預測方法，以期為鈦合金油套管的設計和應用提供參考。

1 外擠毀強度計算方法

1.1 國際標準計算方法

其中

式中因子keuls和kyuls分別表示不同狀態(tài)油套管產(chǎn)品擠毀試驗的經(jīng)驗參數(shù)，目的是保證輸入每個變量，實際擠毀壓力與計算擠毀壓力有良好的擬合性；E表示彈性模量；v表示泊松比；Htult表示折減因子；rs/fy表示殘余應力相關(guān)參數(shù)，當管材為具有很高壓縮殘余應力（rs/fy＜－0.5）的壁厚很小的管子[lg10（py/pe）＞0.4]時，該公式不適用；因子hn表示由擠毀試驗數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗系數(shù)。對于計算用的鈦合金管材應力—應變曲線（SSCs）屈服明顯，因此不必進行修正（hn=0）；ec表示壁厚不均度；ov表示橢圓度。

1.2 外壓強度擠毀準則計算方法

中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院對多年來積累的油套管擠毀實物實驗數(shù)據(jù)進行分析比對表明，油套管材料在純外壓條件下擠毀時，均是在外壓到達極限值時發(fā)生突然的失效，這是由于實際工程中的油套管外形并不是理想的純圓形，導致非圓的油套管在圓周方向上的環(huán)向應力并不是不均勻分布，即有附加彎矩效應，當外部壓力不斷地增加時油套管在最大壓縮環(huán)向應力處達到屈服；當屈服達到極限值時，油套管由于強度承載力不足而失效，導致發(fā)生強度或者失穩(wěn)擠毀，因此建立了在外壓作用下的強度擠毀準則[23]。該準則計算方法不區(qū)分彈性擠毀或塑性擠毀，即：

其中

式中P表示擠毀強度，MPa；e0表示套管初始橢圓度；R表示套管截面中心圓平均半徑，mm；Re表示套管變形后的平均半徑，mm；E表示材料彈性模量，N/mm；ρ表示中心軸曲率半徑，mm；t表示套管壁厚，mm；μ表示泊松比；σθ表示周向應力，MPa；σα表示軸向應力，MPa；e、A、B、C、D、F、H、K分別表示計算過程中間參數(shù)。

公式推導過程中見本文參考文獻[23]。

1.3 有限元模擬計算方法

利用ANSYS Workbench有限元分析軟件，建立有限元三維實體油套管模型，為了避免端部效應對仿真分析結(jié)果的影響，所建立的模型長度/外徑比均大于10，將真實應力—應變帶入材料模型，為了和實物評價試驗條件相一致，在所建立油套管模型的兩端施加固定約束邊界條件，在計算模型外表面施加外壓力，如圖1所示?；诜蔷€性屈曲分析理論[24]，通過采用有限元逐步增加載荷來得到結(jié)構(gòu)模型發(fā)生失穩(wěn)時的臨界載荷分析模型，分析非均勻載荷下鈦合金油套管的抗外擠能力，如圖2所示。

圖1 加載了邊界條件和載荷的計算模型圖

2 鈦合金外擠毀強度對比分析

本文在所有抗擠毀計算中均假設管子均不受軸向載荷的影響，外徑及壁厚均采用名義值，外徑橢圓度設為0.1%，無殘余應力，壁厚均勻，屈服應力為110 ksi強度級別的最小名義屈服強度即758 MPa，鋼制油套管材料的彈性模量取207 GPa，泊松比取0.33，鈦合金的彈性模量取110 GPa，泊松比取0.3。從API TR 5C3中選取典型外徑從73.02～339.72 mm的28個規(guī)格油套管進行計算和對比分析，選取的規(guī)格如表1所示。

依據(jù)標準ISO/TR 10400中K-T 極限狀態(tài)公式方法計算、外壓強度擠毀準則方法計算和有限元非線性屈曲分析計算結(jié)果分別如圖3-a、b、c所示。

表1 選取的典型油套管計算規(guī)格表

圖3 鈦合金油套管和鋼制油套管抗擠毀強度對比圖

圖4 不同計算方式下鈦合金和鋼制油套管擠毀強度差值與下降百分比隨比變化對比圖

3 實物外擠毀試驗驗證

為了驗證3種擠毀強度計算結(jié)果與真實鈦合金油套管擠毀強度的準確度，需要進行鈦合金油套管的實物外擠毀試驗。本文從國內(nèi)不同廠家收集到不同規(guī)格的鈦合金油套管產(chǎn)品，并對其進行外形尺寸測量和拉伸強度測試，所用的試驗用鈦合金試樣信息及性能如表2所示。

表2 實物外擠毀試驗用鈦合金油套管規(guī)格及性能表

實物抗擠毀試驗參照標準API 5C5 及 ISO 13679《套管和油管螺紋連接試驗程序》，使用管研院全尺寸擠毀試驗裝置對所試驗鈦合金油套管兩端進行固定，在外壓實驗艙內(nèi)均勻施加液壓至管體失穩(wěn)/失效，由于實驗設備條件的限制，無法模擬井眼軌跡對油套管的影響，在室溫下采用管研院的擠毀試驗裝置進行試驗，擠毀前后的樣品形貌如圖5所示。

圖5 鈦合金油套管試樣擠毀試驗前后形貌照片

表3 不同方法下鈦合金油套管擠毀結(jié)果對比表 單位：MPa

圖6 鈦合金油套管實物擠毀試驗結(jié)果分布情況圖

圖7 優(yōu)化后的鈦合金油井管強度擠毀準則法與實驗法對比圖

4 結(jié)論

通過研究ISO/TR 10400中K-T公式、外壓強度擠毀準則方法和有限元分析方法對鈦合金油套管抗擠毀性能，并與鋼制油套管計算結(jié)果對比，得出以下結(jié)論：