【摘要】本文利用有限元模拟的方法，借鉴国内外研制热采井套管所采用的先进技术，从材料耐热稳定性方面出发，考虑材料和扣型的抗热变形性能，选择高温下密封性能良好且低应力的特殊扣型，开发了优质热采井用套管。
【关键词】稠油开采热采井套管热载荷套管强度
目前，国内外稠油开采应用最广泛且效益较高的方法是注蒸汽单井吞吐的开采工艺，这是一种高温高压下开采的工艺，注蒸汽的平均温度在320℃左右，有的高达375℃；压力在10MPa～15MPa之间。套管在这种井中工作环境非常恶劣，套管柱受力较普通井套管柱更为复杂。在向稠油热采井注入蒸汽过程中，井中套管温度剧烈变化，发生热胀冷缩，但套管受到地锚和井壁的约束，不能自由伸长或缩短，因此套管内部产生很大的热应力。而在停注采油的过程中，由于金属材料的松弛和蠕变作用，套管又受到较大的拉应力作用。根据理论计算，这种拉-压应力非常大，严重时超过700MPa[1]。套管周期性承受如此高的拉-压应力作用，是热采井套管损坏的根本原因。另外，普通的API偏梯形螺纹在抵抗热应力方面存在很大缺陷，且偏梯形螺纹的密封性能很差，即使选用优质的耐高温螺纹脂，其密封性能也不可靠[2]。据有关资料统计，稠油热采井的套损率平均为30%以上，局部区块达到70%，列油田套管损坏率之首[3]。
本文借鉴国内外研制热采井套管所采用的先进技术，从材料耐热稳定性方面出发，考虑材料和扣型的抗热变形性能，选择高温下密封性能良好且低应力的特殊扣型，开发了优质热采井用套管。
1 研制内容
1.1 耐热钢种研制
热采井中注入蒸汽过程中，套管本身随温度上升而强度降低，而温度升高将导致套管膨胀引起的压缩应力和弯曲应力使套管强度降低，且封闭环空流体膨胀导致套管内压增加而引起套管强度降低；文献研究表明，温度对金属材料线膨胀系数、钢材弹性模量等性能参数都有很大的影响。随温度升高，钢材弹性模量呈直线减小，线膨胀系数则先升高，到达一定温度后降低。同时根据行业标准和有关文献热采井套管热应力及预应力均与热采套管本身的线膨胀系数和弹性模量有直接关系。Cr、Mo、W元素均具有增加钢材高温时的强度、增加淬透并提高回火稳定性的功能，特别是W元素，可显著提高钢在高温时的强度显著提高回火稳定性并减小回火脆性。基于此，选用Cr-Mo-W系低合金高强度钢提高钢材的高温强度，确保套管在350℃高温环境下的强度稳定性能。通过合理的热处理工艺确保管体具有良好的强韧性配合。
经反复试验，最终确定钢坯的主要成分为：CW：（0.15%～0.20%），S iWs i：（0.20%～0.40%），M nWMn：（0.30%～0.50%），C rWr：（0.90%～1.10%），M oWMo：（0.20%～0.30%）WW：（0.15%～0.25%）
随机抽取两组来自不同炉号（编号分别为1#和2#），并经淬火+回火处理的套管试样，检测其在热采井注汽温度下的机械性能，检测结果见表1。
由表1可见，与室温（20℃）下的性能相比，在热采井注汽温度（350℃）下，两组HYP110H材料的屈服强度t0.6σ分别下降了9%和10%，延伸率δ分别升高了21.5%和22%。而对于普通套管，根据西安管材研究所在350℃温度下的热模拟实验结果，材料的屈服强度和抗拉强度一般要下降17%左右。同时试验中还发现，350℃时套管的弹性模量几乎无变化，线膨胀系数增大也不多。可见HYP110H套管的材料具有较好的高温性能。1.2 扣型研制
本文进行热采管特殊螺纹设计时，主要考虑以下几个基本原则：
（1）使用性能满足热采井需要，具有高的螺纹连接强度和密封性能；
（2）抗过扭性良好，易对口操作；
（3）螺纹低应力分布，抗腐蚀性较好；
（4）经济型较佳，易于加工，且具有自主知识产权，不与现有专利技术冲突。最后确定特殊螺纹接头的牙型仍采用API偏梯形螺纹，一方面保证了该特殊螺纹接头与API偏梯形螺纹接头之间的互换性，另一方面仍可继续使用API BTC量具检验该特殊螺纹接头。与普通API偏梯形螺纹不同的是，该特殊螺纹接头对母螺纹进行了改进，公螺纹保持与API偏梯形螺纹相同，从而对螺纹间隙加以控制。
螺纹密封性能方面采用有一定精度的光洁面的锥形金属与金属的封口密封，并依据7”套管设计最佳密封角度和依靠螺纹金属与金属对金属压合，并以密封脂固体粒子充填间隙的双重密封。这种改进型的螺纹设计使接头在反复上卸时，密封面不发生粘着，降低了螺纹粘扣发生的可能性。同时设计成负角度的扭矩台肩，在增加了接头的密封能力的同时增强了其抗过扭性，。按照API RP 5C5进行气密性试验，其密封压力可达到40MPa不泄露。可见这种接头适合于热采井套管。
2 整体性能分析
2.1 材料本身的高温承载能力
热采井中注入蒸汽过程中，常规材料套管本身随温度上升而强度降低，而耐热性能好的材料随温度上升强度下降幅度较小。根据表1的试验结果，HYP110H套管材料较普通套管材料有较好的高温性能。
2.2 热载荷
本文利用有限元模拟的方法，定量研究了热采井套管产生的热载荷（热载荷除以管体横截面积即为其平均热应力）和热变形大小，并与普通偏梯形螺纹套管进行了对比。
以Ф177.8×9.19mm的HYP110H套管和普通API偏梯形螺纹套管为研究对象，建立材料模型时，前者选用本文所述的耐高温材料，后者选用普通的API材料，且假设两种材料在室温下的性能相同。建立几何模型时，根据套管接头的结构和受力特点，将接头按照轴对称问题处理，采用大型非线性有限元软件进行建模和分析，选用的单元类型为轴对称四节点四边形实体单元，有限元模型见图1。
图1？有限元模型
经计算，普通偏梯形螺纹套管和HYP110H套管在热采井中经过3轮注气，热载荷并没有使套管材料发生屈服，而普通套管在第3轮就发生了屈服。所以HYP110H套管抵抗热载荷的能力好于普通套管。经分析，HYP110H套管在热采条件下之所以表现出比较优良的性能，除了与这种套管材料本身的抗高温性能好有关外，还与这种套管采用了不同于普通偏梯形螺纹的连接螺纹有关。该套管的螺纹为特殊螺纹，扭矩台肩具有良好的上扣定位作用，可防止外螺纹过度拧入内螺纹而产生过大的周向应力，该周向应力使接箍胀大、管体收缩，增加了接头的变形，使接头在反复拉、压载荷作用下更容易发生较大的变形而损坏。而对于普通套管，虽然管材在室温下的强度与HYP110H相同，但它耐高温性能差，再加上它采用了API 偏梯形螺纹，所以整体性能较差。
2.3 热变形
套管上扣后，模拟热采井工况，将其两端固定。随着温度的升高，套管由于不能自由伸缩，将产生很大的压缩载荷，使套管具有胀大的趋势。计算结果显示，从胀大的绝对值来看，HYP110H套管的外螺纹和内螺纹分别胀大了0.329mm和0.305mm，而普通偏梯形螺纹的外螺纹和内螺纹分别胀大了0.378mm和0.336mm。可见，不论是接箍还是管体，HYP110H的热变形均小于偏梯形螺纹，这也从一个侧面证明HYP110H的热变形均小于偏梯形螺纹，这也从一个侧面证明HYP110H套管具有更好的抵抗热变形的能力。
3 生产工艺流程
（1）管坯
电炉熔炼→钢包精炼→真空脱气→喂丝处理→管坯连铸→管坯检验。
（2）钢管轧制
管坯加热→定心→穿孔→连轧→定径→冷却→锯切→矫直→无损探伤→检验。
（3）套管加工
光管调质处理→无损探伤→管端螺纹加工→接箍拧紧→通径→水压试验→另一管端螺纹加工→上保护环→测长称重→喷印涂漆→烘干→入库。
4 评价试验
随机抽样送到管材研究所进行热模拟试验，以考核该套管在热采工艺条件下的使用性能和寿命。选择2根HYP110H套管试样（1#、2#）和一根同样材料的偏梯形螺纹试样（3#），模拟热采井套管的使用环境，进行热采井室内模拟实验。试验在复合加载试验机上进行，加热装置由电阻丝加热带和电焊机组成，将电阻丝加热带缠绕在试样外表面，由电焊机提供电流进行加热。
实验结果发现，3#试样经过6次循环后，利用气泵注入干燥氮气，当压力升高至4MPa左右时，就发生了严重泄漏，另外2个试样在17MPa气体压力下，保持15min，无任何泄漏发生，说明HYP110H在气密封性能方面好于普通API偏梯形套管，能满足热采井对套管的要求。
5 结语
根据热采井套管的损坏机理，本文从热采管材质和螺纹接头两方面考虑，从各化学元素对钢材的影响方面考虑采用Cr-Mo-W系低合金高强度钢提高套管材料的抗高温性能并使用特殊螺纹接头连接提高螺纹接头的连接强度和密封性能，研制了一种热采井专用套管HYP110H。通过有限元模拟和室内试验结果表明，该套管在热采井中的使用性能明显好于目前我国广泛使用的普通偏梯形螺纹套管。同时，尽管该套管采用了一些先进技术，使成本略有增加，但远低于国外同类产品，能满足我国热采井油田的需求。
参考文献
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[2] 高连新，金烨，张居勤，严雪荣.优质热采井用石油套管的研制，上海交通大学学报[J].2004，38（10）：1707-1714
[3] 余雷，孙雪冬.热采井套管损坏机理及防治方法[J].石油专用管，1999（1）：57
[4] 王兆会，马兆忠.热采井温度对套管性能的影响及预应力值计算方法，钢管[J].2007，36（4）：24-27
[5] 中国石油天然气总公司.SY/T 5729-1995稠油热采井固井作业规程[S].北京：中国石油天然气总公司，1995
[6] 刘崇建，黄柏原，徐同台，等.油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001：435-440
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