閆凱，陳禹含，沈沉，馮繼剛，巨翔，李楠

（1．中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077；2．中國石油西南油氣田物資分公司，四川 成都610083；3．北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

頁巖氣作為非常規(guī)天然氣，逐漸成為我國天然氣領(lǐng)域增產(chǎn)最快的能源。研究數(shù)據(jù)表明，目前我國頁巖氣技術(shù)可采資源量約為31.6×1012m3，約占全球頁巖氣資源量的1/7，擁有巨大的開發(fā)潛力。自2014年我國開始頁巖氣商業(yè)開發(fā)以來，隨著技術(shù)的逐步成熟，基本已經(jīng)形成了適合我國國情的頁巖氣開發(fā)理論體系。在我國低碳環(huán)保發(fā)展理念和雙碳政策的推動(dòng)下，頁巖氣作為清潔能源具有良好的開發(fā)前景。套管是頁巖氣勘探開發(fā)的重要裝備，其質(zhì)量性能直接影響著頁巖氣井井筒完整性，是頁巖氣安全高效開發(fā)的重要保障。根據(jù)頁巖氣套管的使用工況，研究分析影響其本質(zhì)質(zhì)量的熱加工工藝，對(duì)制造階段和檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)質(zhì)量控制，從而提升頁巖氣套管的質(zhì)量性能水平。

1 頁巖氣開發(fā)情況

美國作為頁巖氣開發(fā)最早的國家，技術(shù)手段最完善。水力壓裂技術(shù)的突破帶來了美國的頁巖氣革命，使其2020的年產(chǎn)量達(dá)到了驚人的7362×108m3，約占全球產(chǎn)量的90%。我國頁巖氣開發(fā)起步較晚，從2007年至今，我國頁巖氣發(fā)展經(jīng)歷了合作借鑒、自主探索、工業(yè)化開發(fā)3個(gè)階段，年產(chǎn)量從0達(dá)到了2020年的200×108m3。雖然與美國相比還有很大的差距，但是作為第二個(gè)掌握頁巖氣開發(fā)核心技術(shù)的國家，我國的頁巖氣開發(fā)具有良好的發(fā)展前景。由于地質(zhì)條件和開發(fā)條件特點(diǎn)，頁巖氣開發(fā)具有明顯的區(qū)域限制。表1為中美頁巖氣開發(fā)條件的對(duì)比。不管從地質(zhì)條件還是經(jīng)濟(jì)成本方面考慮，我國的頁巖氣開發(fā)條件明顯處于劣勢(shì)。

表1 中美頁巖氣開發(fā)條件對(duì)比

正是由于頁巖氣開發(fā)條件差，地質(zhì)狀況復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)工況惡劣，對(duì)頁巖氣套管的質(zhì)量性能要求也越來越高。

2 頁巖氣套管性能分析

由于特殊的地質(zhì)條件及頁巖氣開發(fā)技術(shù)特點(diǎn)，頁巖氣套管失效形式主要有電化學(xué)腐蝕失效、密封失效及套管變形失效等，其中因壓裂施工過程導(dǎo)致套管變形損壞是目前套損率高的主要原因。因此保證頁巖氣井井筒安全的要求體現(xiàn)在套管性能中，主要集中于理化性能、抗腐蝕和抗擠毀等特殊性能上。目前，各生產(chǎn)廠家對(duì)頁巖氣套管常規(guī)力學(xué)性能和化學(xué)成分的控制基本可以做到保質(zhì)保量，提升其抗腐蝕性能、抗擠毀性能等特殊性能是制造廠和用戶的關(guān)注重點(diǎn)。下面對(duì)國內(nèi)頁巖氣套管的特殊性能特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

表2 不同鋼級(jí)套管抗腐蝕性能對(duì)比

2.1 抗腐蝕性能

抗腐蝕頁巖氣套管通常采用95S、95SS、110S、110SS鋼級(jí)套管，具有較好的抗腐蝕性能。由于熱處理工藝及合金元素成分不同，SS鋼級(jí)套管更容易通過高加載強(qiáng)度下的抗腐蝕測(cè)試，具有更強(qiáng)的抗腐蝕性能。目前，頁巖氣開發(fā)中，越來越多的使用抗腐蝕性能套管，因腐蝕失效造成頁巖氣套管損壞的套損率逐漸降低。

2.2 抗擠毀性能

頁巖氣開發(fā)中，通常在井筒彎曲段采用140鋼級(jí)套管，具有較高的抗擠毀性能，水平段一般采用125鋼級(jí)套管，具有一定的抗擠毀性能。表3為頁巖氣用同一規(guī)格不同鋼級(jí)抗擠毀套管的性能對(duì)比，比較可得鋼級(jí)越高，套管的抗擠毀強(qiáng)度越大。從設(shè)計(jì)的角度來講，根據(jù)目前頁巖氣井用套管類型可知，套管的設(shè)計(jì)強(qiáng)度完全有能力承受頁巖氣儲(chǔ)層內(nèi)的地應(yīng)力環(huán)境而不發(fā)生擠毀破壞。由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，套管在壓裂施工過程中所承受的是多種載荷同時(shí)作用，復(fù)合載荷可能造成套管局部塑性屈服，最終導(dǎo)致套管損壞。所以，應(yīng)從套管本身著手，做到性能穩(wěn)定可靠。

表3 不同鋼級(jí)套管抗擠毀性能對(duì)比

3 制造工藝分析與質(zhì)量控制

頁巖氣套管的生產(chǎn)制造是一個(gè)復(fù)雜的過程，圖1為頁巖氣套管主要制造工藝流程圖。影響頁巖氣套管性能的因素很多，主要有合金元素成分、熱處理工藝、幾何尺寸等。下面從套管的生產(chǎn)制造及檢驗(yàn)環(huán)節(jié)分析套管的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

圖1 頁巖氣套管主要生產(chǎn)工藝流程圖

3.1 制造工藝分析

3.1.1 煉鋼

研究表明Mo、Cr元素是抗腐蝕最重要的元素，Mn能提高鋼的強(qiáng)度，V能提高鋼的韌性?？垢g套管應(yīng)在降低P、S元素的同時(shí)，適當(dāng)增加Mo、Cr元素?？箶D毀套管應(yīng)降低P、S元素的同時(shí)，控制C、Mn元素，適當(dāng)增加V元素，以提高套管的強(qiáng)度及韌性。

3.1.2 軋制

連軋工序決定了套管的壁厚，定徑工序決定了套管的外徑、橢圓度。研究表明套管壁厚、壁厚不均勻性、外徑橢圓度等是套管抗擠毀性能的重要影響因素。以壁厚舉例，以139.70×12.70mm規(guī)格，140鋼級(jí)為例，D/t≤11.84，控制壁厚范圍為(-10%~+15%) t，適用API 5C3 屈服強(qiáng)度擠毀壓力公式（1），計(jì)算同一規(guī)格鋼級(jí)套管不同壁厚的抗擠毀強(qiáng)度，圖2為不同壁厚抗擠毀強(qiáng)度折線圖。由圖可以看出，同一規(guī)格鋼級(jí)套管，壁厚越大，抗擠毀強(qiáng)度越大。

圖2 不同壁厚套管抗擠毀強(qiáng)度對(duì)比

式中： D —外徑，mm；

t —壁厚，mm；

PYp—最小屈服強(qiáng)度擠毀壓力，MPa；

fymn—材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

3.1.3 熱處理

目前，頁巖氣用套管基本都采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝。熱處理過程中，淬火可以提高套管強(qiáng)度，高溫回火可以增強(qiáng)套管韌性及抗腐蝕性，回火及高溫矯直可以消除殘余熱應(yīng)力。不同的溫度對(duì)套管強(qiáng)度、韌性及殘余熱應(yīng)力的影響是巨大的，嚴(yán)格控制溫度是熱處理的關(guān)鍵。圖3為140V鋼級(jí)頁巖氣用套管典型熱處理溫度控制曲線示意圖。

圖3 Φ139.70×12.70mm 140V套管熱處理溫度控制曲線

3.2 性能檢驗(yàn)和質(zhì)量控制

生產(chǎn)是質(zhì)量的根本，檢驗(yàn)是質(zhì)量的保證，通過對(duì)套管質(zhì)量性能的檢驗(yàn)，驗(yàn)證熱加工工藝的適用性，并保障出廠產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.1 幾何尺寸檢驗(yàn)

由于套管壁厚均勻度、橢圓度參數(shù)屬于間接測(cè)量，需要計(jì)算得來。目前，各個(gè)制造廠家對(duì)壁厚均勻度、橢圓度的檢驗(yàn)普遍存在不夠重視，檢驗(yàn)頻次低。應(yīng)在每軋制批開始階段及時(shí)檢驗(yàn)，并在生產(chǎn)過程中適當(dāng)加大檢驗(yàn)頻次，偏差在極限時(shí)及時(shí)調(diào)整設(shè)備及生產(chǎn)工藝。

3.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

各生產(chǎn)廠家對(duì)套管常規(guī)力學(xué)性能的控制基本可以做到保質(zhì)保量。需注意的是取樣的均勻性，取樣方法應(yīng)覆蓋熱處理批的始末、試驗(yàn)批始末及管子的兩端。若試驗(yàn)不合格，需要復(fù)驗(yàn)，需關(guān)注復(fù)驗(yàn)取樣的數(shù)量及位置。

3.2.3 抗腐蝕性能試驗(yàn)

抗腐蝕試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照ANSI-NACE TM0177-2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注：①試樣取樣頻次、位置，應(yīng)至少按熱處理爐批取樣，并取硬度最高的管子；②試樣尺寸、外觀，如試樣直徑6.35±0.13mm；溶液PH值，如試驗(yàn)前PH值≤2.8，試驗(yàn)后PH值≤4.0；③加載載荷、溶液充盈度、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間；④試驗(yàn)結(jié)束后檢查試樣外觀是否存在斷裂、應(yīng)力腐蝕開裂等。圖4 為某110SS鋼級(jí)套管SSC試驗(yàn)前后試樣外觀對(duì)比。

圖4 SSC試驗(yàn)前后試樣外觀對(duì)比

3.2.4 抗擠毀性能試驗(yàn)

頁巖氣井筒直井段及水平段套管由于承受著特殊的壓裂開采施工工藝，制造廠應(yīng)按一定的頻次進(jìn)行抗擠毀試驗(yàn)。許多制造廠基于試驗(yàn)成本、生產(chǎn)節(jié)奏等考慮，存在少做、不做的（以程序文件做保證）情形。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注：①取樣的隨機(jī)性，由于壁厚、壁厚均勻度、橢圓度對(duì)抗擠毀性能都有一定的影響，所以應(yīng)隨機(jī)抽取試樣，更能代表試驗(yàn)批的性能；②增壓速率，試驗(yàn)壓力應(yīng)勻速增長，且速率不易過大，圖5為某110TS鋼級(jí)套管抗擠毀試驗(yàn)壓力曲線，速率約為1200Psi/min。

圖5 110TS鋼級(jí)套管抗擠毀試驗(yàn)壓力曲線

4 結(jié)語

作為頁巖氣井重要設(shè)備，套管本身的性能質(zhì)量決定著頁巖氣開發(fā)生產(chǎn)安全和效率，應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制。

（1）通過分析研究表明，抗腐蝕和抗擠毀性能是頁巖氣套管保證質(zhì)量的重要性能，鋼級(jí)越高、壁厚越厚，其抗擠毀強(qiáng)度越大。

（2）煉鋼、軋制、熱處理等工藝對(duì)頁巖氣套管性能影響較大，制造廠家應(yīng)優(yōu)化熱加工工藝，在煉鋼階段控制好合金元素成分，在軋制階段控制好管子壁厚、外徑、橢圓度等，在熱處理階段控制好爐溫以及時(shí)間。

（3）應(yīng)加強(qiáng)頁巖氣套管壁厚均勻度、橢圓度檢驗(yàn)，嚴(yán)格進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能、特殊性能等試驗(yàn)檢驗(yàn)，確保出廠產(chǎn)品的質(zhì)量性能符合技術(shù)要求。