李冰 周波 汪海閣 查永進 張富成 何柳

(中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司)

李冰,周波,汪海閣,等.高溫環(huán)境下鈦合金篩管力學性能試驗研究.石油機械,2022,50(11):81-89.

0 引言

隨著我國油氣勘探開發(fā)向深層、復雜地層的不斷深入,深井超深井等復雜油氣井在鉆井和開發(fā)過程中容易出現(xiàn)井筒完整性失效,其中篩管失效廣泛存在于深層高溫井中,是油氣生產(chǎn)面臨的關(guān)鍵問題之一[1-5]。在深層高溫井、稠油熱采開發(fā)模式下篩管服役工況極為苛刻,隨著水平井長水平段篩管的大量使用,篩管的完整性和防砂失效問題日益突出:一方面常規(guī)碳鋼材料在高溫下產(chǎn)生較大的熱應力載荷,使篩管發(fā)生彎曲變形或斷裂,導致油井停產(chǎn)或報廢;另一方面篩管孔眼處在高溫下發(fā)生明顯變形,造成防砂失效,進而引發(fā)產(chǎn)量降低、井筒砂堵、管線及地面設備沖蝕損壞、停井停產(chǎn)等系列問題[6-10]。近年川渝高溫超深井實踐證明,單純地改變外徑、壁厚、鋼級仍不能完全避免失效情況的發(fā)生,開展熱采井篩管的力學性能研究及其在高溫及交變熱應力載荷條件下的熱穩(wěn)定性研究具有重要意義。鈦合金作為一種新型井下篩管部件材料,成為稠油熱采井、超深層高溫井篩管材質(zhì)發(fā)展的重要方向。相對于傳統(tǒng)碳鋼,鈦合金材料具有熱應力低、變形小等性能特征[11-12],對于提升篩管完整性和油氣井的防砂有效性具有顯著優(yōu)勢。

20世紀50年代,美國成功研制出第一種實用的鈦合金材料(Ti-6Al-4V合金),之后國內(nèi)外學者圍繞鈦合金材質(zhì)、熱強度、抗蝕性及導熱彈性等開展了大量的研究[13-18]。目前,鈦合金材料在航空、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域已有廣泛的研究和應用,但在油氣井工程領(lǐng)域,鈦合金管材(尤其是鈦合金篩管)的研究與應用仍處于起步階段。陳培亮等[19]采用Gleeble 1500熱模擬機分析了Ti-Al-X合金的熱變形行為,研究表明,鈦合金材質(zhì)隨著變形溫度和應變速率的增加,變形抗力顯著降低,在應變速率約為0.001 s-1和溫度高于1 000℃的變形條件下,合金表現(xiàn)出流變失穩(wěn);劉強等[20]通過理論分析、有限元模擬,結(jié)合實物試驗研究了鈦合金油套管抗擠毀性能;趙國仙等[21]分析了鈦合金管材在不同苛刻腐蝕環(huán)境中的抗腐蝕性能,鈦合金表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗應力腐蝕開裂性能。

目前,國內(nèi)外對鈦合金管材研究以理論分析、數(shù)值模擬為主,主要為微觀材質(zhì)或局部耐腐蝕測試等,關(guān)于在高溫環(huán)境中的鈦合金管體整體力學特性及鈦合金篩管工程適用性評價未見報道。筆者圍繞鈦合金管材在油氣井工程中的應用,基于油氣井管溫度循環(huán)和溫度載荷等試驗裝置等,開展高溫下管材拉伸性能及沖擊特性研究、循環(huán)溫度下管材應變規(guī)律研究、溫度載荷變化特征研究和溫度對篩管非均勻擠毀載荷影響規(guī)律研究,評價鈦合金篩管在高溫環(huán)境中的力學特性及工程適用性,以期為復雜超深層油氣井、稠油熱采井篩管選型提供新方向。

1 研究試驗

1.1 試驗裝置

本文針對?177.8 mm×9.19 mm(外徑×壁厚)鈦合金割縫篩管開展常規(guī)理化性能、應變規(guī)律、溫度載荷變化評價及非均勻擠毀等試驗。采用激光割縫工藝在篩管的鈦合金套管上制備平行縫,縫長為45 mm,縫寬為0.4 mm,每周50條縫,縫平行排布。在篩管兩端各留出140 mm空白區(qū)域。篩管尺寸及參數(shù)如表1所示。篩管實物圖和示意圖分別如圖1和圖2所示。

表1 割縫篩管尺寸及參數(shù)Table 1 Dimensions and parameters of slotted screen pipe

圖1 割縫篩管實物圖Fig.1 Photo of slotted screen pipes

圖2 割縫篩管示意圖Fig.2 Schematic diagram of slotted screen pipe

1.2 常規(guī)理化性能試驗

1.2.1 鈦合金材料金相分析

鈦合金的性能與它的微觀組織形貌有密不可分的聯(lián)系,為觀察鈦合金材料的顯微組織狀態(tài),使用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡對鈦合金篩管橫向金相組織進行分析。按照基體組織分類,鈦合金分為以下3類:α合金、β合金和α+β合金[22]。α鈦合金是α相固溶體組成的單相合金,組織穩(wěn)定,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強,但不能進行熱處理強化,室溫強度不高;β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強度,淬火、時效后,合金得到進一步強化,但熱穩(wěn)定性較差,不宜在高溫下使用[23];α+β鈦合金是雙相合金,具有良好的綜合性能,組織穩(wěn)定性好,有良好的韌性、塑性和高溫變形性能,能較好地進行熱壓力加工,能通過淬火、時效使合金強化[24]。根據(jù)各類鈦合金特點,油氣井鈦合金管柱材質(zhì)以α+β鈦合金為主。

使用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡對鈦合金篩管橫向金相組織進行分析,顯微組織照片如圖3所示。從圖3可見,所顯示篩管橫向為α+β的雙相組織,組織中非金屬夾雜相含量較少。

圖3 鈦合金材料橫向組織照片F(xiàn)ig.3 Photo of transverse microstructure of titanium alloy material

1.2.2 鈦合金材料硬度試驗

鈦合金材料硬度低于碳鋼,這里硬度測試試驗中測量鈦合金材料的布氏硬度。參考相關(guān)標準[25],取橫截面硬度環(huán)試樣對鈦合金材料室溫硬度性能進行評價,試驗中選用直徑10 mm的硬質(zhì)合金球,在29.4 kN的試驗載荷作用下,保持10～15 s。

鈦合金試樣橫截面硬度測試結(jié)果見表2。從表2可知,鈦合金試樣橫截面硬度平均值為264 HB。

表2 鈦合金試樣橫截面硬度Table 2 Cross-section hardness of titanium alloy sample

1.2.3 鈦合金管材拉伸、沖擊性能試驗

為了解鈦合金材料的動態(tài)力學特性,參照相關(guān)標準[26-27]開展鈦合金管材拉伸、沖擊性能試驗。取尺寸為300.0 mm×12.5 mm×9.19 mm(長×寬×高)的片狀室溫拉伸試樣(試樣1)、190.0 mm×10.0 mm×9.2 mm的片狀高溫拉伸試樣(試樣2)及尺寸為55.0 mm×10.0 mm×7.5 mm夏比V形缺口沖擊試樣(試樣3)對在室溫及高溫(50、100、150、200、250、300、350℃)下鈦合金材料的拉伸性能及沖擊性能進行評價試驗。

1.3 循環(huán)溫度作用下鈦合金篩管應變試驗

為了研究循環(huán)溫度作用下鈦合金割縫篩管的應變規(guī)律,開展溫度循環(huán)試驗,找出多輪次加熱和冷卻過程中篩管軸向長度的變化規(guī)律。參考ISO 13679—2002標準,對篩管進行加熱,在不同溫度點保溫后記錄伸長量,重復加熱及降溫,以此來評價高溫和交變熱應力對篩管軸向熱伸長的影響。試驗系統(tǒng)如圖4所示。采用加熱爐對全長1.7 m的鈦合金篩管進行加熱。鈦合金篩管溫度循環(huán)試驗流程如表3所示。

圖4 溫度循環(huán)試驗裝置Fig.4 Temperature circulation test device

表3 溫度循環(huán)試驗流程Table 3 Procedure of temperature circulation test

1.4 鈦合金篩管溫度載荷試驗

為了研究溫度與鈦合金材料軸向載荷之間的關(guān)系,開展鈦合金篩管溫度載荷試驗,測定篩管在高溫條件下的軸向熱應力載荷。試驗流程如表4所示。將篩管兩端固定至試驗機上,使用溫度載荷試驗系統(tǒng)(見圖5)中試驗裝置逐漸加熱至150、250、350℃并保溫,對試驗機兩端載荷進行記錄。溫度載荷試驗中,加熱帶總長為1 m,篩管總長度為1.7 m。試驗過程中,在篩管兩端施加軸向壓縮力125 kN,以確保篩管與試驗機完全接觸。

表4 溫度載荷試驗流程Table 4 Process of temperature load test

圖5 溫度載荷試驗系統(tǒng)Fig.5 Temperature load test system

1.5 溫度對鈦合金篩管非均勻擠毀影響試驗

為了研究溫度對鈦合金篩管非均勻擠毀的影響,使用非均勻擠毀試驗系統(tǒng)對鈦合金割縫篩管在室溫、高溫(350℃)下進行擠毀試驗,檢測鈦合金篩管抗擠毀性能。試驗裝置如圖6所示。

圖6 非均勻擠毀試驗機Fig.6 Uneven collapse test machine

參照相關(guān)標準[26-27],試驗過程中,上、下壓頭位移均為20 mm,總位移為40 mm。高溫擠毀試驗中篩管經(jīng)加熱帶加熱至350℃,后被非均勻擠毀。加熱裝置如圖7所示。

圖7 加熱裝置Fig.7 Heating device

2 結(jié)果與分析

2.1 鈦合金管材的拉伸性能及沖擊性能對溫度敏感性分析

對在室溫及高溫(50、100、150、200、250、300及350℃)下鈦合金材料的拉伸性能及沖擊性能進行檢測,檢測結(jié)果如圖8～圖11所示。從圖8和圖9可知,鈦合金試樣抗拉強度和屈服強度隨溫度升高而降低,在350℃時鈦合金試樣仍具有較優(yōu)力學性能,其抗拉強度為700 MPa,屈服強度為552 MPa。

圖8 抗拉強度-溫度曲線Fig.8 Tensile strength-temperature curve

圖9 屈服強度-溫度曲線Fig.9 Yield strength-temperature curve

由圖10可知,鈦合金篩管的延伸率整體較為穩(wěn)定,變化情況受試樣尺寸影響較大。

圖10 延伸率-溫度曲線Fig.10 Elongation-temperature curve

從圖11可知,隨溫度升高,鈦合金篩管的沖擊性能也增強,當溫度超過250℃時,沖擊功增長緩慢,因此設定沖擊試驗最高溫度為300℃。

圖11 沖擊功-溫度曲線Fig.11 Impact energy-temperature curve

350℃時J55級別碳鋼篩管材料的屈服強度衰退率為26.71%,N80和P110級屈服強度衰退率為7.9%,而研究中所用的鈦合金篩管屈服強度降低28.7%。鈦合金350℃力學性能衰退率與J55級鋼相近,高于同級別的P110級鋼。

2.2 循環(huán)溫度作用下鈦合金篩管應變規(guī)律

7個輪次溫度循環(huán)試驗篩管軸向伸長量-溫度曲線如圖12～圖18所示。200 m碳鋼篩管軸向伸長量-溫度曲線如圖19所示。

圖12 第1輪次溫度循環(huán)試驗Fig.12 The 1st round of temperature circulation test

圖13 第2輪次溫度循環(huán)試驗Fig.13 The 2nd round of temperature circulation test

圖14 第3輪次溫度循環(huán)試驗Fig.14 The 3rd round of temperature circulation test

圖15 第4輪次溫度循環(huán)試驗Fig.15 The 4th round of temperature circulation test

圖16 第5輪次溫度循環(huán)試驗Fig.16 The 5th round of temperature circulation test

圖18 第7輪次溫度循環(huán)試驗Fig.18 The 7th round of temperature circulation test

圖19 200 m碳鋼篩管溫度與軸向伸長曲線Fig.19 Temperature and axial elongation curve of 200 m carbon steel screen pipe

圖17 第6輪次溫度循環(huán)試驗Fig.17 The 6th round of temperature circulation test

由圖12～圖18可知,7個輪次溫度循環(huán)試驗中溫度升高至350℃時,篩管伸長量分別為2.47、2.90、2.95、2.73、2.71、2.90和2.88 mm,平均伸長量2.79 mm,此時鈦合金篩管軸向伸長率為0.187%。對于碳鋼篩管,溫度為120、250和350℃時,碳鋼篩管軸向伸長率分別為0.13%、0.30%、0.43%,350℃時,200 m長的碳鋼篩管軸向伸長量可達865 mm[28],如圖19所示。而此時鈦合金篩管伸長量為374 mm。

2.3 鈦合金篩管溫度-載荷變化規(guī)律

在鈦合金篩管溫度-荷變化試驗中,逐漸加熱至150、250和350℃并分別保溫,記錄試驗機兩端載荷,溫度-載荷曲線如圖20所示。由圖20可知,溫度-載荷試驗中,將鈦合金篩管加熱至150、250和350℃時分別保溫,軸向壓縮載荷相應增加145.3、238.5和351.7 kN。碳鋼篩管中常用的CMS篩管和復合篩管加熱至350℃時,每米軸向載荷分別增加905和957 kN[29],如圖21所示。該結(jié)果約為研究所用鈦合金篩管的2.6和2.7倍。

圖20 鈦合金篩管溫度-軸向載荷曲線Fig.20 Temperature-axial load curve of titanium alloy screen pipe

圖21 碳鋼篩管軸向壓縮載荷-軸向伸長量曲線Fig.21 Axial compression load-axial elongation curve of carbon steel screen pipe

2.4 溫度對鈦合金篩管非均勻擠毀影響

室溫、高溫(350℃)下非均勻擠毀試驗用篩管實物如圖22和圖23所示。室溫、高溫(350℃)下非均勻擠毀后篩管實物照片如圖24、圖25所示。室溫、高溫(350℃)下非均勻擠毀試驗中上、下壓頭載荷-位移曲線如圖26和圖27所示。從圖24和圖26可見,當室溫非均勻擠毀試驗中上、下壓頭位移為19.6 mm時,篩管發(fā)生斷裂,此時上、下壓頭載荷分別為442和463 kN,擠毀后篩管發(fā)生了較大的塑性變形,并且從割縫處沿篩管周向發(fā)生了斷裂。從圖25和圖27可知,當350℃非均勻擠毀試驗中上、下壓頭位移為17.2 mm時,篩管發(fā)生斷裂,此時上、下壓頭載荷分別為283和304 kN,鈦合金篩管非均勻擠毀載荷值相對常溫降低36%,試驗結(jié)束后篩管不僅發(fā)生了較大的回彈,且其割縫處還發(fā)生了較大范圍的斷裂。

圖22 室溫非均勻擠毀試驗用篩管Fig.22 Screen pipe for uneven collapse test at room temperature

圖23 350℃非均勻擠毀試驗用篩管Fig.23 Screen pipe for uneven collapse test at 350℃

圖24 室溫非均勻擠毀后的篩管Fig.24 Screen pipe after uneven collapse at room temperature

圖25 350℃非均勻擠毀后的篩管Fig.25 Screen pipe after uneven collapse at 350℃

圖26 室溫非均勻擠毀試驗載荷-位移曲線Fig.26 Load-displacement curve of uneven collapse test at room temperature

圖27 350℃非均勻擠毀試驗載荷-位移曲線Fig.27 Load-displacement curve of uneven collapse test at 350℃

3 結(jié)論與認識

(1)勘探開發(fā)領(lǐng)域中油氣井鈦合金管柱材質(zhì)選擇以α+β鈦合金為主,雙相組織α+β鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能,組織穩(wěn)定性好,且韌性、塑性和高溫變形性能良好,能較好地對其進行熱壓力加工,能通過淬火、時效使合金強化。

(2)鈦合金與普通碳鋼相比具有較小的熱應變,350℃循環(huán)溫度下,鈦合金篩管最大軸向伸長率為0.187%,為同規(guī)格碳鋼篩管伸長率的43.2%;鈦合金篩管軸向壓縮載荷是常規(guī)碳鋼篩管的37%,鈦合金篩管的應用有利于提升篩管防砂能力。

(3)鈦合金篩管在350℃溫度下的屈服強度相比在常溫下降低28.7%,衰退率與J55鋼相近;350℃時鈦合金篩管非均勻擠毀載荷值相對常溫降低36%。在對鈦合金篩管材質(zhì)選擇優(yōu)化時,應注重溫度對其管材強度性能的影響。