熱采井用套管材料高溫拉伸性能試驗研究

李光輝，王海博，趙洪山，孫連坡，姬丙寅

（1.西安三維應力工程技術有限公司，陜西 西安 710065；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；3.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

稠油開采是目前國內油田主要的項目之一。稠油由于黏度大、流動性差等原因，在開采時多采用特殊工藝，如蒸汽吞吐（Cyclic Steam Stimulation）、蒸汽驅（Steam Drive）、SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）等［1-2］，苛刻的服役條件對油井用套管提出了更高要求。傳統API系列中沒有稠油熱采井專用管，近些年各大生產廠家根據熱采實際工況，開發出了一些專用套管［3-10］，要求其具有較好的熱穩定性，即高溫下強度的衰減也能夠滿足實際開采需求。筆者對某生產廠研發的110H鋼級套管材料在不同溫度下的拉伸性能進行了試驗研究，對不同溫度下材料的屈服強度、抗拉強度及彈性模量的變化進行分析，并通過曲線擬合得出強度變化規律，以用于指導熱采井套管的設計及選用。

1 試驗條件

選用Φ244.48 mm×11.99 mm規格110H鋼級套管，在套管上分別截取化學成分檢測試樣和材料拉伸試樣?；瘜W成分檢測采用ARL 3460 Advantage直讀光譜儀，110H鋼級套管材料的化學成分（質量分數）檢驗結果見表1。鑒于目前國內稠油開采時最高溫度可達350℃，因此高溫系列拉伸試驗溫度選用相關標準中推薦的溫度點（分別為180，240，290，325，350 ℃）［11］，另外增加室溫拉伸試驗，用于不同高溫條件下材料強度的定量對比。高溫和室溫拉伸試驗分別按照GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗》中的方法進行，拉伸試樣尺寸如圖1所示。試樣兩端采用螺紋連接，安裝到試驗機上后加熱爐開始升溫，至試驗溫度后保溫30 min，然后開始加載，直至試樣被拉斷，試驗機記錄拉伸應力-應變曲線及屈服強度、抗拉強度等。

表1 110H鋼級套管材料的化學成分（質量分數）檢驗結果 %

圖1 拉伸試樣尺寸

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

按照上述試驗條件進行試驗，每個溫度下各有兩個平行試樣，110H鋼級套管材料的試驗結果見表2（結果為平行試樣平均值），在不同溫度下的應力-應變曲線如圖2所示（各溫度下只選一個試樣的曲線）。從試驗結果可以看出：隨著溫度的升高，材料屈服強度和抗拉強度都減小，與抗拉強度相比，屈服強度隨溫度下降的更快，即對溫度更加敏感；350℃時屈服強度折減系數為0.82，抗拉強度折減系數為0.87，滿足GB/T 34907—2017《稠油蒸汽熱采井套管技術條件與適用性評價方法》中“350～400℃溫度范圍，屈服強度、抗拉強度較室溫降低幅度不大于20%”的要求。

表2 110H鋼級套管材料的系列溫度拉伸試驗結果

圖2 110H鋼級套管材料在不同溫度下的應力-應變曲線

2.2 強度變化曲線擬合

將不同溫度下110H鋼級套管材料的屈服強度和抗拉強度值繪制在一起，可直觀地看出強度變化趨勢，具體如圖3所示。對屈服強度和抗拉強度變化曲線進行擬合，得出屈服強度擬合公式（1）和抗拉強度擬合公式（2）：

其中，屈服強度的擬合優度R2=0.997 6；抗拉強度的擬合優度R2=0.994 6。

圖3 110H鋼級套管材料的強度變化趨勢及其擬合曲線

2.3 彈性模量

根據GB/T 22315—2008《金屬材料彈性模量和泊松比試驗方法》及不同溫度下應力-應變曲線，獲得該材料在不同溫度下的彈性模量，具體見表3（數值為平行試樣平均值）。對應力-應變曲線的彈性段進行直線擬合，獲得的斜率即為對應曲線的彈性模量。將各個溫度下彈性模量繪制在一起，并對曲線進行擬合，獲得該套管材料彈性模量隨溫度變化的表達式（3）：

表3 110H鋼級套管材料不同溫度下的彈性模量

由公式（3）可計算出該套管材料彈性模量的擬合優度R2=0.969 3。計算各個溫度下彈性模量折減系數，其中350℃下彈性模量折減系數為0.77。110H鋼級套管材料的彈性模量變化趨勢及其擬合曲線如圖4所示。

圖4 110H鋼級套管材料的彈性模量變化趨勢及其擬合曲線

3 結 論

（1）隨著溫度升高，110H鋼級套管材料的屈服強度和抗拉強度降低，屈服強度對溫度更敏感，折減系數較抗拉強度高；350℃屈服強度折減系數為0.82，抗拉強度的為0.87，滿足相關標準要求；

（2）隨著溫度升高，材料彈性模量降低，350℃彈性模量折減系數為0.77；

（3）屈服強度、抗拉強度和彈性模量試驗結果的擬合曲線擬合優度R2分別為0.997 6、0.994 6、0.969 3，可信度較高，可在套管設計及選材時參考使用。