中原油田盐层段用T P 155 V钢级特殊规格石油套管的开发

曹青山，李恒政，卢小庆，王 正，扈 立，韩林志

（1.中石化中原油田分公司供应处，河南濮阳457001；2.天津钢管集团股份有限公司，天津300301；3.西南石油大学石油工程学院，成都610500）

1 引言

中原油田处于东濮凹陷地质构造带上，该地区各油气层的顶部往往覆盖着盐、膏、泥等重复交替的复杂盐层。盐层覆盖面积大、断层多，厚薄和倾角多变，地层极易蠕动、溶化、坍塌，从而对套管造成极大的挤压力[1]。特殊的地质构造造成中原油田套管损坏严重，据不完全统计[2]，从1979年到2003年11月底，中原油田累计套损井1465口，占生产总井数的31.31%，其中盐层段套损井数占套损总井数的74.46%，造成了极大损失。

为解决盐层段套损难题，中原油田做了大量工作，采取提高盐层段固井质量[3]及使用壁厚套管封堵盐层[4]等措施，逐步缓解了盐层段套管大量失效的问题。但厚壁套管封堵盐层的设计，因其套管壁厚、刚度大，且接箍外径大，套管外环空间小，下套管过程中遇卡严重，严重影响油田的钻井作业。针对这种情况，对套管进行优化，设计了TP155V特殊规格的石油套管，保证满足抗挤毁能力同时，解决下套管过程中遇卡的问题。

2 中原油田盐层套管使用情况

中原油田38个区块的地应力研究结果表明[5]，有40%的区块相当地应力大于90 MPa，部分区块的相当地应力为119.76 MPa，如果考虑到非均匀载荷，盐层蠕动及钻井工程设计安全系数和使用寿命，中原油田许多区块盐层段套管的许用抗挤毁强度需要达到162.0 MPa，为满足抗挤毁性能要求，前期曾设计了∅152.40×16.90 mm TP130TT超厚壁套管，其抗挤毁强度为167.0 MPa，虽然抗挤毁性能满足要求，但套管壁厚，刚度大，接箍外径（7 in）过大，导致该套管在使用过程中遇卡严重，影响油田施工。综合各方面情况，对套管进行优化，设计了∅141.62×11.50 mm TP155V特殊规格的石油套管。

3 T P 155 V钢级特殊规格石油套管设计

早在20世纪30年代，美国石油学会便开始研究套管的抗挤问题，采用理论分析和实验修正的方法，研究出一整套有关套管使用性能的计算公式，并形成行业标准。根据API给出的套管抗挤毁公式[6]，不同的挤毁公式中，套管的抗挤毁强度都与材质的屈服强度成正比，即屈服强度高，套管的抗挤毁性能高，API的公式只考虑了套管的屈服强度、外径与壁厚比，而没考虑其他因素的影响，如套管椭圆度，壁厚不均度、残余应力等。至今，已经从不同的角度，系统研究影响套管抗挤毁强度的因素，研究表明[7-10]，控制套管的椭圆度、壁厚不均度、残余应力等，可以有效的提高套管的抗挤毁性能。采油工具的尺寸要求套管的内径不小于118.60 mm，钻头的尺寸限制套管的外径，不能仅靠提高套管的壁厚来满足抗挤毁性能要求，综合考虑各方面因素进行套管设计。

3.1 套管几何参数设计

管体外径：D=141.62 mm；管体壁厚：t=11.50 mm；内径：d=118.62 mm。

接箍外径：W=153.67 mm；套管椭圆度：≤0.5%壁厚不均度：≤12%。

管体弯曲度不大于钢管全厂0.15%。

3.2 套管性能参数设计

屈服强度 Rt0.7：1068～1275 MPa，抗拉强度：≥1138 MPa，延伸率：≥13%；

冲击功（CVN）：0℃纵向全尺寸≥80 J；

抗挤毁强度：≥168 MPa。

新设计的套管相比原来使用的TP130TT钢级套管，套管壁厚减少5.40 mm，降低了管柱的刚度；接箍外径减少24.13 mm，大大增加了套管外环的空间，解决了下套管过程中遇卡的问题，且上下管柱之间可以直接连接，无需转换，提高了效率。通过提高套管的屈服强度，控制几何尺寸的精度，通过工艺控制减少套管的残余应力等，确保了套管达到超高的抗挤毁性能。

4 套管实际性能控制

4.1 套管性能指标

经过检验，TP155V钢级特殊规格石油套管的各项材料性能指标均达到设计要求，其屈服强度、冲击韧性如图1、图2所示。

图1 T P 155 V钢级特殊规格套管的屈服强度

图2 T P 155 V钢级特殊规格套管的冲击功

由图2可以看出，TP155V钢级特殊规格石油套管材料性能的控制，不仅屈服强度保证达到155 ksi（1068 MPa），同时纵向全尺寸0℃韧性冲击都大于90 J，确保了材质的高强度高韧性。一般情况下，管材的强度越高，其冲击韧性就越低，TP155V钢级特殊规格石油套管通过合理的成分设计，添加含量较高的Cr、Mo、Mn等元素来提高钢的强度和淬透性，添加V等微合金元素提高其冲击韧性；通过冶炼及真空处理技术使得O、N、H气体及S、P等有害元素降到很低的水平；并通过Ca处理改变钢种夹杂物的大小和形状，使由于夹杂物引起冲击韧性降低的影响因素降到最低；通过适当的热处理工艺，使其强度和韧性实现良好匹配，保证超高强度的同时，使其还具有良好的韧性。

4.2 套管几何尺寸

为满足工程设计的需要，保证TP155V钢级特殊规格石油套管高强高韧的材质性能的同时，必须严格控制其几何尺寸精度。随机抽取8支管材，测量并统计其轧制几何尺寸精度，如表1所示。从表中的数据可以看到，TP155V钢级特殊规格石油套管的轧制精度达到设计指标。

文献表明[11]，套管的椭圆度控制在小于0.5%，壁厚不均度控制在小于10%都可以明显提高其抗挤毁性能；表1中的数据表明，TP155V钢级特殊规格石油套管实际几何尺寸精度控制在很高的水平，有利于保证其良好的抗挤毁性能。

表1 T P 155 V钢级特殊规格石油套管的轧制几何尺寸

4.3 套管残余应力

残余应力对套管抗挤毁性能的研究表明[12]，只要残余应力存在，都对套管的抗挤毁性能有不利影响，而且残余应力的影响明显高于椭圆度和壁厚不均度对套管抗挤毁性能的影响程度。套管生产过程中，产生残余应力的环节主要有两处：一是轧制、减定径及矫直过程中由于不均匀变形产生的残余应力；二是在热处理过程中，特别是淬火过程中的不均匀相变引起的残余应力；通过优化控制轧制及热处理工艺，减少不均匀变形及不均匀相变，控制残余应力的产生，通过回火处理尽可能消除前期产生的残余应力，同时提高回火后的热矫直温度等，减少回火后残余应力的产生。随机取样，利用开缝法对TP155V钢级特殊规格石油的残余应力进行测量，测量方法按（1）式计算[13-14]，结果见表 2。

表2 T P 155 V钢级特殊规格石油套管残余应力

式中：D0为开缝前的外径平均值 {=（D01+D02+D03）/3}，mm；Df为开缝后的外径平均值 {=（Df1+Df2+Df3）/3}，mm；V 为泊松系数 0.30；E 为弹性模量，MPa，取E=20.6×104 MPa；t为平均壁厚；σr为残余应力。

由表2中的试验数据可以看出，TP155V钢级特殊规格石油套管的残余应力控制在较低的水平范围内，这也是保证其抗挤毁性能的关键之一。

4.4 套管抗挤毁性能

生产过程中随机抽取样管做抗挤毁性能试验，结果如图3所示。

图3 T P 155 V钢级特殊规格石油套管抗挤毁试验结果

试验结果显示当外压达到25402 psi（175.18 MPa）时，试验样管发生挤毁变形，为中原油田盐层段设计的TP155V钢级特殊规格石油套管抗挤毁性能完全达到设计指标168 MPa，具有超高抗挤毁性能。

5 油田使用情况

2009年 8月 6日，∅141.62×11.50 mm TP155V钢级特殊规格石油套管在中原油田文269-20井正式下井使用，用来封堵该井2482～2579 m处的高压盐层，整个下井、试压、固井施工过程顺利，该油田各区块盐层段套管开始陆续采用TP155V钢级特殊规格石油套管，据统计，截至2012年底，累计采购该套管1488.6 t，在约130口以上的盐层井中使用，使用效果良好，解决了盐层段套管失效严重的技术难题，及超厚壁套管下井遇卡、固井效果差的施工难题；同时也减少了管柱的连接转换，减轻了管串的重量，因而节约了钻井施工成本。

6 结论

天津钢管公司开发的中原油田盐层段用TP155V钢级特殊规格石油套管具有以下特点：

（1）套管具有超高的强度与韧性，几何尺寸精度高，残余应力低，抗挤毁能力超过了168.0 MPa，完全满足中原油田盐层段套管抗挤毁性能的要求。

（2）相比前期盐层段使用的套管，研制的TP155V套管外径小，壁厚薄，从而减少管柱的刚度及管串的重量，增加了套管外环的间隙；解决了下套管过程遇卡的难题，同时可以提高盐层段固井的质量。

（3）特殊的套管设计，使盐层上下套管之间不需要转换，可以直接使用，节约了钻井施工成本，便于现场推广使用。

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