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摘要: 对于超高温高压井而言,冶金技术和螺纹接头是限制管柱性能的瓶颈。为实现经济价值最大化,在进行设计时需要考虑碳钢

【钻井】超高温高压井如何合金材料和接头?


对于超高温高压井而言,冶金技术和螺纹接头是限制管柱性能的瓶颈。为实现经济价值最大化,在进行设计时需要考虑碳钢、热轧铬基不锈钢和冷硬化材料等多种材料的灵活应用。


来自 | World oil

编译 | 二丫 周诗雨

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一般来说,高温高压井被定义为作业压力范围在10,000psi~15,000psi内,作业温度超过300℉的井。但是事实上,许多油公司所钻的,或计划钻的井的温度和压力都超过了20,000psi和400℉,因此以前的材料和连接件不再能够满足有效完井和HSE方面的要求。


使用冷硬化合金,能够对抗井下的H?S和CO?,但缺点是贵,订购所需提前期长。而且它们也比热成品更容易受到温度和各向异性的影响。但冷硬化合金有个优点,就是屈服强度可达到140ksi以上。很多时候,使用铬(Cr)含量较高的热轧材料和专用碳钢也可以达到较好的效果,并且费用更低,高温下材料的退化情况也更乐观。


现在,有耐弱酸碳钢、马氏体15Cr和马氏体+铁素体+奥氏体17Cr不锈钢制成的超重型壁管(>1in.wt)和接箍毛坯(2.5in.wt),额定最小屈服强度(SMYS)可达到125ksi。它们不仅具有更厚的壁厚和更高的屈服强度,同时经证明,其也具有抗CO?和H?S性,因此对于超高温高压井来说是有效的工程选择。

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材料选择


在设计初期就应对材料进行筛选和选择。通过优化尺寸和屈服强度可以实现更好的压力和强度性能,但关键是要确定材料对井下环境的适用性。如果只给出所需的管柱尺寸和屈服强度,那么基本上也就仅仅能确定材料强度与尺寸大小是否匹配,价值不大。在设计时需要注意,所选的材料必须要能够承受井筒内恶劣的环境,还要能够顶住完井/封隔器流体的侵蚀。


H?S、CO?、氯化物、pH以及井生命周期内温度等因素的综合影响决定了特定材料等级的适用性。温度升高有助于提高抗SSC性,但同时也会增加应力腐蚀开裂和CO?腐蚀程度(高达300℉)。所以应该考虑最低温度(通常是关井温度或近地表温度)下的抗SSC性,而在考虑CO?腐蚀性时应该考虑可能的最高温度。


材料甄选流程最后应该形成成本尽可能最低且可靠的解决方案。材料的成本很大程度上取决于化学工艺和制造过程。碳钢成本最低,但使用风险最大;双相合金或镍合金可以应对高腐蚀性环境,但成本最高,交货时间最长。因此关键点是找到既能满足所有要求,还要成本最低、交付时间最短的那款材料。


各种已知和未知的参数,以及在压力和温度的影响下产生的组合效应是非常复杂的。 所以,最终材料的选择应由材料和应用专家来决定。初步分析时还应考虑H?S、CO?和pH值等因素。当井况随着深度、压力和温度变化时,有一种较为常用的材料选择方法,概述如下:


1.当CO?分压低于3psi(0.021MPa),使用碳钢可以满足抗SSC和抗腐蚀性;

2.当CO?分压高于3psi(0.021MPa),H2S分压低于1.5psi(0.0155 MPa)时,可以使用含Cr热成品产品;

3.当CO?分压高于3psi(0.021MPa),H2S分压高于1.5psi(0.0155 MPa)时,需要使用冷硬化合金。


采用混合材料的管柱是一种提高整体有效性的创新方案。根据温度和井况的变化,混合材料的使用是可能实现的:在井况恶劣的井段使用强度较高的材料,而在井况相对较好的井段,则可以使用便宜点的材料。在满足所需材料性能的同时,混合材料管柱还能降低总成本。

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含酸环境


含硫化氢酸性环境是指H?S分压高于1.5psi(0.0155MPa),但其实酸性环境的严重度是H?S分压、温度和pH值共同的函数。

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碳钢


根据美国腐蚀工程师协会(NACE)标准中碳钢在酸性环境中的严重程度分区,在1区、2区,以及部分3区内,碳钢的额定最小屈服强度可达125ksi;在NACE 3区高酸性环境中,碳钢的屈服强度通常被限制在了110ksi。厚壁碳钢材料(高达1.3in.wt)屈服强度可达到125ksi,可以满足NACE所划分的3区(pH=4.0,H?S分压为7psi)环境内的应用需求。

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铬热轧材料


当部分H?S与CO?并存的条件下,热轧不锈钢(如13Cr,15Cr和17Cr)就成了有吸引力的替代品。这些材料的屈服强度可达到125ksi,而且耐腐蚀性比冷轧产品更好,屈服强度的退化也更弱。与冷硬合金相比,价格又更低、交付时间也更短。这种材料在回接套管柱中已经得到了成功应用,壁厚达1.35in,屈服强度达125000psi。

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3

冷加工材料


双相不锈钢(22Cr),超级双相不锈钢(25Cr)和镍合金具有最好的抗SSC和抗腐蚀性,但是价格昂贵,同时不易生产大尺寸的管柱。这些材料的加工、处理和安装也更困难。一般来说,如果只有它们能满足可靠性,那么就只能选它们,但是我们不应该忘了考虑是全部管柱都用他们,还是适当地采用混合材料。

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提高机械性能


管柱的基本参数变量有外径(OD)、壁厚和屈服强度。外径和壁厚的约束参数是外径公差、通径、内径公差的函数。经过约束后,管柱尺寸可能不再是标准尺寸。

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1

内压


一般情况下,内部屈服压力可以通过Barlow方程(PYield=2σt/OD)计算,再乘以表示最小壁厚偏差(0.875,0.9)的因子。通过降低最小壁厚偏差能够提高额定内压值。在订购管柱时可以选择10%、7.5%、甚至5%的壁厚负偏差。虽然每提高一个等级只能提高2.5%的内部屈服压力,但可能就是决定能否满足设计标准的关键。


一些情况下,也可以定购一定比例低偏差的管柱,以满足更高的壁厚要求。当订购产品的壁厚要求更严格时,还需要注意管柱是否满足通径要求。为了满足通径要求,可适当放宽外径公差。

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2

坍塌压力


使用传统API坍塌公式计算出来的额定坍塌压力值是足够高的,但是在一些特殊情况下,坍塌压力要高于API所规定的。制造商会有自己高于API坍塌值的专利“高坍塌”等级,也许能够为超高温高压井的设计需求提供技术支持。通过制造更厚的管壁、控制最小屈服强度和改进制造流程,可以获得更高的坍塌压力。


制造商需要有一套能经得住考验的额定坍塌压力确定方法。在必要时,还要能够进行与公共标准一致的物理坍塌测试。

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3

其他考虑因素


在超高温高压井中一些极端温度下,材料的屈服强度会退化,影响所安装管柱和设备的总体性能。冷硬化材料的退化率更高,通常大约是热轧材料的两倍。在极端温度下(450℉),热轧材料的屈服强度退化会超过10%,而冷硬化材料则会超过20%。

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4

螺纹连接


最后还需要考虑螺纹连接件。通常有三类接头:


(1)平式接头,外螺纹和内螺纹都是直接车在管柱上的;

(2)半平式接头,其中内螺纹端可进行账接,释放应力:

(3)接箍式接头。


其中, 平式接头提供的间隙最大,半平式与平式类似,而接箍式接头所需的间隙最大。对于非标准管道,需要根据管道特性,量体匹配最佳的接头。

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提高超高温高压井的经济效应


随着材料等级和轧制技术的进步,超高温高压井完井有了更多的选择。在为超高温高压井完井选择适合的管柱时,人们需要对材料的性能和尺寸有一个全面了解。尽管这可能是一个耗时、并且不断迭代的工作。通过早期的研究和讨论确定选择方案,能够以最经济的方式得到最安全、最可靠的管柱产品。


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