陳松林，劉廣華，郎 鵬，蘇鄭卿

（江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇 常州213200）

我國稠油資源較豐富［1］，稠油油井主要采用熱力開采方法采油［2-3］。有學者認為，熱力采油過程中，由于蒸汽或者火燒給套管帶來的高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力，以及在高低溫轉(zhuǎn)換過程中，引起的拉壓載荷的轉(zhuǎn)變，導致套管損壞嚴重。稠油熱采套管損壞問題在世界范圍都特別突出，有的套損高發(fā)區(qū)套損率甚至超過30%，嚴重制約著稠油油藏的高效開發(fā)［4］，高溫是導致套管強度下降的主要原因［5］。

1 熱采套管失效分析

根據(jù)相關(guān)文獻介紹［6-10］，熱采井注蒸汽的平均溫度在320℃左右，有的超過350℃，超過了API規(guī)定的N80套管常用使用溫度≤200℃。與常溫時相比，N80套管在高溫時的屈服強度降低約18%，彈性模量降低約38%，抗拉強度降低約7%，同時蒸汽吞吐套管存在殘余應(yīng)力，使套管基本處于屈服狀態(tài)。套管在持續(xù)高溫和軸向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋和塑性變形。

熱應(yīng)力超過套管屈服強度會造成套管變形后的松弛現(xiàn)象，嚴重影響套管接箍的密封性能。目前普遍應(yīng)用的圓螺紋和偏梯形螺紋耐高溫極限通常在300℃以下，在高溫軸向載荷的作用下，接箍和套管螺紋的徑向變形超過允許偏差，加之上扣不緊，都會造成泄漏和脫扣。研究結(jié)果表明，熱采井套管通常設(shè)計溫度≤375℃，實際使用溫度≤350℃，最大注汽壓力為21 MPa，經(jīng)過一個蒸汽吞吐周期之后，在油井段上熱應(yīng)力可達到370 MPa以上［11］，接近甚至超過了常規(guī)N80套管高溫狀態(tài)下的屈服強度極限值。因此普通的N80套管在高溫下很容易發(fā)生塑性變形，從而造成套管的先期損壞失效。

總結(jié)以上特點，引起套管損壞失效機理的原因有：①熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力；②油井出砂；③固井質(zhì)量差；④隔熱效果不好；⑤工程技術(shù)原因。

根據(jù)熱采環(huán)境下套管工作、變形、受力、失效的特點，目前國內(nèi)外都在著手研發(fā)適合在熱采環(huán)境下工作的套管產(chǎn)品。

2 材料設(shè)計

根據(jù)合金元素在合金中的作用，選用了CrMoV低合金鋼作為熱采套管開發(fā)的首選材料。

鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化作用，在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中的主要作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)淬火+回火熱處理后具有較好的綜合力學性能。

鉬在鋼中能提高淬透性和熱強性，防止回火脆性，在調(diào)質(zhì)鋼中能使較大斷面的零件淬深、淬透，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使零件可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應(yīng)力，提高塑性。

釩在非調(diào)質(zhì)鋼中的主要作用是細化鋼的組織和晶粒，降低鋼的過熱敏感性，提高鋼的強度和韌性。釩在調(diào)質(zhì)鋼中的主要作用是提高鋼的強度和屈服比，細化晶粒，降低過熱敏感性。

材料化學成分和力學性能設(shè)計目標見表1～2。

表1 CrMoV低合金鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)）設(shè)計目標 %

表2 CrMoV低合金鋼力學性能目標

3 生產(chǎn)過程控制

3.1 生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)工藝流程為：EAF（高爐鐵水+優(yōu)質(zhì)廢鋼）→LF（鋼包精煉爐）→VD（鋼包精煉爐）→連鑄連軋→冷卻→管坯檢驗→管坯加熱→熱軋穿孔→軋管→步進爐再加熱→張力減徑→矯直→管端鋸切→調(diào)質(zhì)熱處理→熱矯直→理化檢驗→超聲波探傷+管端磁粉探傷→水壓測試→通徑→螺紋加工→螺紋檢驗→擰接箍→管端通徑→擰螺紋保護器→涂油→標志→測長稱重→包裝入庫。

3.2 關(guān)鍵工序控制

（1）軋管。采用三輥精密軋管機，通過穿孔變形量與軋管變形量的合理分配，以及穿孔和軋管過程工模具的合理選擇，保證了鋼管的壁厚精度滿足較嚴格的內(nèi)控要求，即壁厚精度控制在-8.0%～+12.5%；另外張力減徑機孔型采用微張力、單機架小變形量設(shè)計，控制單機架最大減徑率不超過3%，降低張力減徑機孔型橢圓度系數(shù)，從而降低鋼管橢圓度，橢圓度目標控制在≤0.5%D，為后續(xù)螺紋加工創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件。通過嚴格控制軋管過程提高管體的幾何尺寸精度，保證后續(xù)鋼管的連接強度和螺紋加工質(zhì)量提升。

（2）熱處理。熱處理工序是鋼管性能控制的關(guān)鍵工序。在奧氏體化過程中，通過多次試驗制定了合理的加熱溫度與保溫時間，保證了碳化物溶解充分，同時又避免了晶粒過分長大。再通過外淋內(nèi)噴、管體快速旋轉(zhuǎn)的水淬方式，從880℃冷卻到室溫，平均冷卻速度可以達到100℃/s，淬火后馬氏體轉(zhuǎn)變達到95%以上，再通過高溫回火獲得均勻一致的回火索氏體組織。為了提高鋼管高溫性能，對常溫狀態(tài)的屈服強度按照中上限控制，即屈服強度內(nèi)控目標655～758 MPa。

（3）矯直。采用十輥矯直機一次矯直成型，彎曲度≤1.5 mm/m。矯直結(jié)束溫度≥500℃，以進一步降低管體殘余應(yīng)力。

4 產(chǎn)品性能分析

將試驗鋼材軋制成Φ177.8 mm×8.05 mm套管和Φ201 mm×18 mm接箍毛坯，并對其進行熱處理試驗，最終確定合理的熱處理工藝，將鋼管調(diào)質(zhì)熱處理到CB80H鋼級，鋼管獲得晶粒細小的回火索氏體如圖1所示，化學成分見表3。檢測套管常溫理化性能：拉伸試驗采用寬25.4 mm條形試樣，試驗溫度為室溫；沖擊試驗采用縱向10 mm×5 mm×55 mm試樣，試驗溫度為0℃。委托第三方實驗室對套管進行250～400℃系列高溫拉伸試驗，并對接箍料進行350℃高溫拉伸試驗，結(jié)果見表4～5。

圖1 Φ177.8 mm×8.05 mm規(guī)格鋼管回火后金相組織

表3 Φ177.8 mm×8.05 mm CB80H鋼管化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

表4 CB80H鋼管常溫理化性能測試結(jié)果

表5 CB80H鋼管不同溫度拉伸試驗結(jié)果

5 現(xiàn)場應(yīng)用與分析

套管加工質(zhì)量和下井作業(yè)質(zhì)量也是影響套損的關(guān)鍵因素［10-14］。為了降低套損風險，該批鋼管兩端加工為偏梯形螺紋套管，在管擰過程中，為了提高螺紋連接強度，扭矩按中上限控制；同時螺紋密封脂采用耐高溫螺紋脂，以減少蒸汽吞吐過程中螺紋脂流失。最終成品套管在國內(nèi)某油田稠油區(qū)塊現(xiàn)場使用過程中，安排專業(yè)的油田現(xiàn)場服務(wù)人員對套管下井作業(yè)進行了跟蹤和指導，該批套管下井、固井、完井過程順利。油田投入生產(chǎn)和使用一年后進行跟蹤回訪，該批套管使用效果良好，未出現(xiàn)異常套損現(xiàn)象。目前CB80H套管已經(jīng)批量應(yīng)用于該油田稠油區(qū)塊，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，使用效果良好。

6 結(jié) 論

關(guān)鍵，在提高套管的常溫強度的同時，還要求滿足高溫條件下的強度指標，從而有效降低高溫強度不足引起的套管損毀。

（2）由于熱采套管使用環(huán)境的特殊性，管擰時需嚴格控制螺紋擰緊扭矩，以保障螺紋連接強度。

（3）為了降低螺紋密封脂在蒸汽吞吐過程中隨高溫蒸汽流失，需采用耐高溫螺紋脂。

（4）套管下井、固井、完井應(yīng)嚴格按照相應(yīng)操作要求進行現(xiàn)場作業(yè)，以保障作業(yè)現(xiàn)場下入套管柱的質(zhì)量受控，降低套損的發(fā)生。