姜玉梅，盧小慶，羅 蒙

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

克深氣田位于塔里木盆地北緣庫車前陸盆地構(gòu)造帶上，據(jù)預測該氣田天然氣的地質(zhì)儲量超萬億立方米，是近年來塔里木氣區(qū)天然氣上產(chǎn)的重點區(qū)域。由于地質(zhì)構(gòu)造的原因，該氣田由數(shù)十個相對獨立的區(qū)塊組成。隨著勘探工作的深入，該氣田的地質(zhì)條件變得越來越復雜，儲層的埋藏深度由6 500 m左右增加到8 000 m左右，儲層壓力由90.00 MPa增加到139.08 MPa，儲層的溫度由125℃增加到 185 ℃［1］。

克深氣田屬于典型的山前構(gòu)造，具有地層傾角大、壓力系數(shù)高、井底溫度高、儲層埋藏深的特點。針對這一特點，專門設計開發(fā)了塔標Ⅱ號井身結(jié)構(gòu)［2］，較好地滿足了前期勘探開發(fā)的需要。由于地質(zhì)條件的惡化，原來的井身結(jié)構(gòu)和套管柱結(jié)構(gòu)難以滿足勘探開發(fā)的安全要求。

從2017年初開始，寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）與中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司合作，對原來的塔標Ⅱ號井身的套管柱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，并設計開發(fā)了全新的高氣密封能力非API的Φ206.38 mm×17.25 mm BG140V BGT2套管。由于該套管屬于高強度高韌性的非常規(guī)高氣密封套管，套管理化性能及管體幾何尺寸精度要求較為嚴格，在實際生產(chǎn)過程中，克服了鋼種軋制力偏大、減徑量大易出現(xiàn)“內(nèi)六方”導致壁厚不均等諸多工藝困難，實現(xiàn)了套管的高性能。在通過嚴格的使用性能評價試驗后，在塔里木油田克深134井成功下井使用。

1 套管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及配套石油套管設計開發(fā)

1.1 克深13區(qū)塊的儲層基本情況

克深13區(qū)塊的目的層為巴什基奇克組，以克深134井為例，目的層埋藏深度為7 485～7 790 m，溫度梯度為2.37℃/100 m，儲層孔隙壓力為1.82 g/cm3。克深134井的井底溫度為184.62℃，儲層壓力為139.08 MPa。

克深13區(qū)塊的天然氣平均分子量17.46，相對密度0.592，天然氣甲烷平均含量94.0%，乙烷平均含量1.81%，丙烷平均含量0.22%，氮氣平均含量2.22%，二氧化碳平均含量1.14%，不含硫化氫。

1.2 克深13區(qū)塊套管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

1.2.1 套管柱優(yōu)化設計原則

根據(jù)克深13區(qū)塊的地層巖性分布和地層壓力預測剖面曲線，發(fā)現(xiàn)除了回接油層套管以外，其他各層套管柱均能滿足地質(zhì)條件要求，克深134井套管強度設計見表1。新的油層套管柱設計應滿足以下原則：

（1）為了便于油田的鉆完井施工，新設計的套管柱不得改變原來的井身結(jié)構(gòu)。套管的通徑不得小于Φ196.85 mm×12.70 mm 140V氣密封套管的通徑值，考慮到回接油層套管的井筒是直井段而且已封固，井眼質(zhì)量較好，可以適當縮小環(huán)空間隙，但為保證固井質(zhì)量，管體部位的雙邊環(huán)空間隙不得小于35 mm，接箍部位的雙邊環(huán)空間隙不得小于15 mm。

（2）新設計開發(fā)的 Φ206.38 mm×17.25 mm BG140V BGT2高氣密封套管的氣密封能力要大于137.50 MPa，為了減輕套管柱質(zhì)量，在滿足氣密封要求的前提下，可以采用復合管柱。

（3）油層套管柱的懸重要滿足9 000 m鉆機的載荷要求（5 480 kN），套管的抗外擠和抗拉強度等性能要滿足油田設計安全系數(shù)要求。

（4）由于克深氣田只含少量CO2，不含硫化氫，在保證安全的前提下，可以采用強度級別更高的套管材料，但該材料的沖擊韌性要好，系列溫度沖擊的韌脆轉(zhuǎn)變溫度要滿足使用地的地面極寒溫度（-38℃）的要求。

表1 克深134井套管強度設計

1.2.2 套管柱優(yōu)化設計

以克深134井為代表的克深13區(qū)塊完井深度達到7 790 m，儲層壓力達到139.08 MPa，根據(jù)1.1節(jié)敘述的儲層特征參數(shù)，按照文獻［3］中的公式計算得到關(guān)井井口壓力110 MPa，氣柱的壓力梯度3.734 MPa/km。中國石油天然氣集團有限公司對高壓氣井的油層套管抗內(nèi)壓安全系數(shù)要求大于1.25，據(jù)此計算克深134井井口段油層套管的氣密封壓力大于137.50 MPa，原來油層套管柱中的Φ196.85 mm×12.70 mm 140V氣密封套管的氣密封能力只有109 MPa，滿足不了抗內(nèi)壓的要求，必須重新設計油層套管柱，并開發(fā)配套的氣密封能力大于137.50 MPa的高氣密封性能套管。

封隔器或（和）油管密封失效，油層套管內(nèi)充滿高壓天然氣，此時井口的關(guān)井壓力達到110.00 MPa，管外水泥未凝固，只是充滿已降解成鹽水的鉆井液，這是油層套管柱最惡劣的工況。此時，油層套管柱管外受到鹽水液柱壓力作用，管內(nèi)受到井口關(guān)井壓力和天然氣氣柱壓力作用，從井口至井底油層套管所受內(nèi)外壓、凈壓力及對油層套管氣密封能力要求如圖1所示。從圖1可以看出，在關(guān)井后油層套管內(nèi)充滿天然氣時，離井口井深3 500 m處的套管內(nèi)的凈壓力為87.02 MPa，此處套管抗氣密封能力至少要達到108.77 MPa，Φ196.85 mm×12.70 mm 140V氣密封套管正好滿足該要求，據(jù)此確定需新設計的高氣密封性能套管的最大下井深度為3 500 m，其余采用原設計的Φ196.85 mm×12.70 mm 140V氣密封套管，具體情況見表1。

圖1 關(guān)井后油層套管柱內(nèi)充滿天然氣時管內(nèi)壓力分布及對套管氣密性要求

1.3 套管的規(guī)格、螺紋類型及使用性能設計

根據(jù)套管柱優(yōu)化設計原則要求，套管的通徑不得小于168.28 mm，管體雙邊環(huán)空間隙不得小于35.00 mm，接箍雙邊環(huán)空間隙不得小于15.00 mm，結(jié)合該區(qū)塊不含硫化氫的特點，選用高鋼級140V材質(zhì)，根據(jù)文獻［4］公式計算，外徑通過修約，最后設計的套管規(guī)格為Φ206.38 mm×17.25 mm，管體最小氣密封壓力為141.00 MPa。套管接頭采用寶鋼股份設計開發(fā)的帶金屬密封面的BGT2高氣密性特殊螺紋接頭，為確保接頭的密封效率與管體相同，接頭的連接效率要達到85%及以上，據(jù)此設計接箍外徑為229.00 mm，新設計的BG140V BGT2高氣密封能力套管的性能指標見表2。

1.4 套管材料性能設計

通過對以前塔里木盆地超深復雜井套管失效事故的分析［5-7］，結(jié)合該區(qū)塊的實際工況條件，對該套管的材料性能進行設計。

（1）常溫拉伸性能指標：屈服強度Rt0.7控制在965～1 138 MPa，抗拉強度Rm不小于1 034 MPa。

（2）低溫沖擊韌性：在-38℃環(huán)境溫度下，沖擊試樣的塑性剪切面積百分比超過50%。

（3）0℃全尺寸V型缺口夏比沖擊韌性指標：橫向沖擊功大于80 J，縱向沖擊功大于100 J，剪切面積百分比不低于75%。

（4）要求材料內(nèi)非金屬夾雜物少，夾雜物的形態(tài)得到控制。要得到均勻的回火索氏體組織，晶粒細?。ú坏陀?.0級）。

2 套管的生產(chǎn)制造

2.1 煉鋼工藝

工藝流程：電爐冶煉→LF鋼包精煉爐精煉→VD真空脫氣→連鑄。

采用優(yōu)質(zhì)廢鋼和脫硫、脫磷及脫硅的鐵水作為煉鋼原料，以增加鋼質(zhì)純凈度和降低鋼中P、S等“有害”元素含量；通過爐外精煉精確控制鋼中元素成分含量，通過真空脫氣降低鋼中含H、O、N氣體含量；通過喂Ca-Si絲處理，使鋼中MnS夾雜球狀化；通過連鑄過程中的電磁攪拌，減輕成分偏析，提高成分均勻性。

2.2 軋管工藝

工藝流程：環(huán)形加熱爐加熱→穿孔→Φ460 mm PQF連軋管機連軋→定（減）徑→冷卻→鋸切。

2.2.1 軋制難度

（1）該套管為高強度高韌性套管，為了保證套管材料高強度的同時具有高韌性，在鋼中提高了Cr、Mo等合金的含量；因此，套管材料的熱抗力較大，需要較高的穿孔和軋制溫度。

（2）根據(jù)設計，Φ460 mm PQF連軋管機的最小軋制外徑為219.00 mm。新設計的Φ206.38 mm×17.25 mm規(guī)格套管超過了Φ460 mm PQF連軋管機的軋制范圍。

（3）Φ460 mm PQF連軋管機的最小軋制孔型為294.00 mm，生產(chǎn)Φ206.38 mm×17.25 mm規(guī)格套管的減徑量高達87.62 mm，而該軋管機的最多減徑機架只有12架，因此易出現(xiàn)內(nèi)六方。

（4）根據(jù)油田的訂貨技術(shù)協(xié)議和特殊螺紋設計要求，套管管體的幾何尺寸要求見表3。

表3 套管管體的幾何尺寸要求

2.2.2 實際工藝措施

（1）環(huán)形加熱爐采取低溫慢速加熱工藝，出鋼節(jié)奏從40 s下降到50 s，提高管坯加熱質(zhì)量，改善壁厚精度。

（2）改進“四水”（導板冷卻水、頂桿冷卻水、連軋管機架冷卻水、高壓水除鱗）控制模式、增大芯棒插棒間隙、選用新芯棒等措施，避免因進水、芯棒質(zhì)量不佳等導致內(nèi)軋疤、內(nèi)直道等內(nèi)表面缺欠/缺陷的產(chǎn)生。

（3）根據(jù)前期生產(chǎn)經(jīng)驗，按熱膨脹系數(shù)1.011設計定（減）徑成品孔型參數(shù)，軋制目標定（減）徑平均外徑207.50 mm。軋制目標壁厚確定為17.60 mm，增加鋼管內(nèi)徑，解決通徑不合格問題。

（4）采用圓孔型理念設計206.38 mm外徑定（減）徑專用孔型，改善軋制過程中沿鋼管周向附加軸向應力分布，使周向變形均勻，減輕因大減徑率導致的“內(nèi)六方”，同時改善“內(nèi)六方”引起的壁厚不均。

2.2.3 實際軋制結(jié)果

除了前期小批量試軋以外，批量軋制的570支管體幾何尺寸的檢驗結(jié)果見表4，完全滿足要求。

表4 批量生產(chǎn)570支管體幾何尺寸檢驗結(jié)果

2.3 熱處理工藝

熱處理工藝流程為：淬火→回火→熱矯直→超聲波探傷→管端尺寸測量→性能取樣檢驗。

采用外淋內(nèi)噴淬火冷卻工藝，加大內(nèi)噴流量和外淋壓力，加快冷卻速度，確保奧氏體95%以上轉(zhuǎn)化成板條狀馬氏體，回火后形成均勻細小的回火索氏體組織，以及原始奧氏體晶粒度在8.0級以上。熱矯直溫度在500℃以上，以降低管內(nèi)殘余應力。

2.4 螺紋加工工藝

采用進口高精度數(shù)控螺紋車絲機進行螺紋加工，嚴格控制螺紋中徑和密封面直徑，采用噴砂等其他螺紋表面處理技術(shù)，提高螺紋的抗螺紋黏結(jié)性能，實現(xiàn)管體接頭的密封效率達到100%。

3 套管的實物質(zhì)量水平

3.1 理化性能檢驗情況

3.1.1 金相檢驗結(jié)果

新設計的Φ206.38 mm×17.25 mm規(guī)格BG140V BGT2套管的金相組織如圖2所示。從圖2可以看出，Φ206.38 mm×17.25 mm規(guī)格BG140V BGT2套管材料的回火組織為均勻細小的回火索氏體，奧氏體原始晶粒度達到10級及以上。

3.1.2 力學性能

大生產(chǎn)力學性能檢驗結(jié)果見表5，0℃沖擊斷口掃描電鏡形貌如圖3所示。套管材料的系列溫度沖擊試驗結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，該材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-74℃，由于無縫鋼管的縱向沖擊功高于橫向沖擊功，因此縱向沖擊的韌脆轉(zhuǎn)變溫度肯定低于-74℃。

圖2 新設計套管的金相組織

表5 大生產(chǎn)力學性能檢驗結(jié)果

圖3 0℃沖擊斷口掃描電鏡形貌

圖4 套管材料的系列溫度沖擊試驗結(jié)果

3.2 使用性能評價結(jié)果

由于Φ206.38 mm×17.25 mm規(guī)格BG140V BGT2套管是第一次應用于塔里木油田，也是由寶鋼股份首次開發(fā)，考慮到是在克深氣田超深復雜高壓氣井中使用，該套管按ISO 13679∶2002《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗程序》CALⅣ進行評價試驗，具體試驗加載情況如圖5～7所示。極限加載試驗結(jié)果見表6。

試驗結(jié)果完全滿足ISO 13679∶2002 CALⅣ評價試驗標準要求。試樣1至試樣8的A端和B端一次完成上卸扣試驗。在A系、B系及C系試驗過程中的任何加載點未觀察到泄漏現(xiàn)象；極限加載成功施加于試樣上，且試驗結(jié)果滿足標準要求。

圖5 A、B系試驗載荷曲線

圖6 C系試驗加載程序

4 油田使用

該套管在工廠各項性能檢驗合格并通過ISO 13679∶2002 CALⅣ評價試驗后，于2017年10月在塔里木油田克深134井成功使用，下井最大深度為3 491.03 m，目前該井油層套管使用正常。

5 結(jié) 語

（1）根據(jù)克深氣田新勘探高壓儲層區(qū)塊的高關(guān)井壓力要求而優(yōu)化設計的生產(chǎn)套管柱既滿足高關(guān)井壓力要求，也滿足鉆機大鉤懸重要求。新設計生產(chǎn)的套管的抗外擠性能高于原套管，而且原有的井身結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，在保證了油田正常鉆完井施工的同時，確保了油田勘探開發(fā)的安全。

（2）ISO 13679∶2002 CALⅣ評價試驗表明，新設計開發(fā)的 Φ206.38 mm×17.25 mm BG140V BGT2套管可以完全滿足克深氣田新勘探區(qū)塊的復雜使用工況要求。

（3）套管材料在達到高強度的同時，還具備較高的韌性，材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-74℃，確保在-38℃極限環(huán)境溫度下的施工和采氣生產(chǎn)安全。

（4）針對該套管管體幾何尺寸要求嚴格，材料合金含量高，管體外徑超過軋管機下限導致減徑量過大的特點，專門制定了從環(huán)形加熱爐加熱方式、芯棒選優(yōu)、定（減）徑機架孔形設計和合理分配各機架減徑量等特殊工藝措施，確保了管體幾何尺寸滿足螺紋接頭的加工要求，確保了套管的高性能。

圖7 極限試驗加載路徑

表6 極限加載試驗結(jié)果