李光輝，王海博，趙洪山，孫連坡，姬丙寅

（1.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)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(nèi)油田主要的項(xiàng)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(qū)（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(tǒng)API系列中沒有稠油熱采井專用管，近些年各大生產(chǎn)廠家根據(jù)熱采實(shí)際工況，開發(fā)出了一些專用套管［3-10］，要求其具有較好的熱穩(wěn)定性，即高溫下強(qiáng)度的衰減也能夠滿足實(shí)際開采需求。筆者對某生產(chǎn)廠研發(fā)的110H鋼級套管材料在不同溫度下的拉伸性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對不同溫度下材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量的變化進(jìn)行分析，并通過曲線擬合得出強(qiáng)度變化規(guī)律，以用于指導(dǎo)熱采井套管的設(shè)計及選用。

1 試驗(yàn)條件

選用Φ244.48 mm×11.99 mm規(guī)格110H鋼級套管，在套管上分別截取化學(xué)成分檢測試樣和材料拉伸試樣?；瘜W(xué)成分檢測采用ARL 3460 Advantage直讀光譜儀，110H鋼級套管材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗(yàn)結(jié)果見表1。鑒于目前國內(nèi)稠油開采時最高溫度可達(dá)350℃，因此高溫系列拉伸試驗(yàn)溫度選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的溫度點(diǎn)（分別為180，240，290，325，350 ℃）［11］，另外增加室溫拉伸試驗(yàn)，用于不同高溫條件下材料強(qiáng)度的定量對比。高溫和室溫拉伸試驗(yàn)分別按照GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》中的方法進(jìn)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(yàn)機(jī)上后加熱爐開始升溫，至試驗(yàn)溫度后保溫30 min，然后開始加載，直至試樣被拉斷，試驗(yàn)機(jī)記錄拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。

表1 110H鋼級套管材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗(yàn)結(jié)果 %

圖1 拉伸試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，每個溫度下各有兩個平行試樣，110H鋼級套管材料的試驗(yàn)結(jié)果見表2（結(jié)果為平行試樣平均值），在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示（各溫度下只選一個試樣的曲線）。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著溫度的升高，材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都減小，與抗拉強(qiáng)度相比，屈服強(qiáng)度隨溫度下降的更快，即對溫度更加敏感；350℃時屈服強(qiáng)度折減系數(shù)為0.82，抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)為0.87，滿足GB/T 34907—2017《稠油蒸汽熱采井套管技術(shù)條件與適用性評價方法》中“350～400℃溫度范圍，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(yàn)結(jié)果

圖2 110H鋼級套管材料在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 強(qiáng)度變化曲線擬合

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

其中，屈服強(qiáng)度的擬合優(yōu)度R2=0.997 6；抗拉強(qiáng)度的擬合優(yōu)度R2=0.994 6。

圖3 110H鋼級套管材料的強(qiáng)度變化趨勢及其擬合曲線

2.3 彈性模量

根據(jù)GB/T 22315—2008《金屬材料彈性模量和泊松比試驗(yàn)方法》及不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)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(shù)值為平行試樣平均值）。對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性段進(jìn)行直線擬合，獲得的斜率即為對應(yīng)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(jìn)行擬合，獲得該套管材料彈性模量隨溫度變化的表達(dá)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(yōu)度R2=0.969 3。計算各個溫度下彈性模量折減系數(shù)，其中350℃下彈性模量折減系數(shù)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(jié) 論

（1）隨著溫度升高，110H鋼級套管材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，屈服強(qiáng)度對溫度更敏感，折減系數(shù)較抗拉強(qiáng)度高；350℃屈服強(qiáng)度折減系數(shù)為0.82，抗拉強(qiáng)度的為0.87，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)為0.77；

（3）屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線擬合優(yōu)度R2分別為0.997 6、0.994 6、0.969 3，可信度較高，可在套管設(shè)計及選材時參考使用。