页岩气开发用高强高韧套管设计及适用性研究

董晓明，张忠铧，罗 蒙

(宝山钢铁股份有限公司研究院 上海 201900)

·试验研究·

页岩气开发用高强高韧套管设计及适用性研究

董晓明，张忠铧，罗 蒙

(宝山钢铁股份有限公司研究院 上海 201900)

针对川渝地区页岩气开采特点及生产套管在下入、固井、压裂等工艺下的服役条件，设计出宝钢页岩气开采用高强度高韧性套管及其气密封螺纹接头。对其强韧性、微观组织和抗挤毁性能进行了测试，结果表明材料韧性稳定达到屈服强度10%以上，冲击功的各向异性显著降低，同时还模拟页岩气生产套管不同位置及不同施工阶段所受到的复合载荷对套管的适用性进行了研究，用于支撑川渝地区页岩气井生产套管的选用。

套管；页岩气；韧性；特殊螺纹接头

0 引 言

近年来对页岩气、致密油气等非常规油气资源开发的重视程度越来越高，美国、加拿大等国家重点勘探开发页岩气资源，开发技术已趋于成熟。国内页岩气的勘探开发尚处于起步阶段, 但是开发工艺和技术发展迅速[1,2]。目前国内已形成涪陵、长宁、威远、延长四大产区，产能超过60亿立方米，年产量逐年增加。页岩气目前开发多采用水平井多级分段射孔压裂技术[3]，该工艺对套管的抗内压强度、抗挤毁强度均提出了较高的要求。对页岩气钻完井作业特点分析发现，大斜度井、水平井在完井期间需要对20段左右的井段分别进行射孔和储层改造，且单段射孔段较长(超过50 m)[3]，低韧性高强度套管在射孔过程中易发生开裂，长期服役过程中在地层应力的作用下裂纹易发生拓展，从而导致套管失效；另外，在川渝地区页岩气试油完井作业过程中多次出现生产套管变形损坏，原因之一是在下生产套管过程中，套管经过狗腿大的井段时可能出现遇阻，采用“上提下拉”的套管下入方式导致套管发生损伤；在试油完井期间，多次起下井下工具对生产套管内壁的磨损，导致套管抗挤毁强度降低[3]。这些损伤的套管在长期服役过程中的地层应力作用下易发生缺陷拓展，从而降低了套管实体力学性能。

为了解决页岩气开发特殊的施工工艺出现的套损问题，宝钢开发了高强度高韧性气密封套管产品，本文以页岩气开采的特殊工艺特点分析，分析对应其开采过程中，高强度高韧性气密封套管的性能、接头类型的选用解析，为油气开采公司选用合理套管提供技术支撑。

1 页岩气开发用套管的设计

根据页岩气试油完井作业工艺的特点，归纳套管其服役工况如下：

1)下生产套管过程中，套管经过狗腿大的井段时可能出现遇阻，导致套管发生损伤。

2)多次井下工具的起下对生产套管内壁的磨损，导致套管抗内压强度和抗挤毁强度降低。

3)套管自重、上提时井壁摩擦产生的强拉伸力带来了关注密封完整性的问题；相对于垂直段套管来说，造斜段管柱的抗外挤、高内屈服强度(液态密封)、抗弯曲以及高抗扭与压缩能力要求较高。

4)套管所在地层非均质性强，天然裂缝发育或存在断层，压裂过程中储层沿层离面或岩性界面发生错动，使套管受到强剪切应力，易发生挤毁失效。

5)多次大型体积压裂导致温度的频繁变化以及多次地层改造导致的固井质量降低也会导致套管变形损坏。

6)低韧性高强度套管在射孔过程中易发生开裂，长期服役过程中在地层应力的作用下裂纹易发生拓展，从而导致套管失效。

通过对页岩气用套管服役工况分析，认为对套管性能要求为以下几个方面：1)较高强度的套管可以保证较高的抗挤毁强度，抵御地层非均质载荷的影响，考虑投资的经济性，推荐钢级为110-125ksi；2)保证套管的高韧性，可以抑制损伤套管的脆性断裂，并且提高射孔质量，降低套管因为射孔开裂所导致的挤毁风险；3)套管材料要具有较好的热稳定性，在多次压裂过程中套管性能波动小；4)套管螺纹接头在具有一定的气密封性能的同时还具有良好的抗拉和抗压缩性能。

2 试验条件

2.1 化学成分

BG110V和BG125V采用CrMo低合金钢，通过合理的强韧化元素配合以及杂质元素控制使套管的强度和韧性同步提高，见表1。

表1 化学成分质量分数(max) %

2.2 生产工艺设计

1)炼钢采用优质废钢+三脱铁水(脱硅、脱磷、脱硫)作为钢原料，采用电炉冶炼+LF精炼+VD(真空脱气)的生产工艺，降低杂质和残余元素含量，保证钢水较高的纯净度，另外加入Si-Ca丝，获得良好的夹杂物球化效果，保证材料具有优良的韧性指标。

2)连铸钢水连铸成外径178 mm管坯，连铸工艺采用优化的结晶器电磁搅拌工艺和凝固末端电磁搅拌工艺，减轻管坯心部枝晶偏析，改善基体材料内部的成分均匀性，改善冲击功的各项异性。

3)根据BG125V套管材料的不同温度下的高温塑性和变形抗力，针对性地优化了轧制工艺，保证套管较高的尺寸精度：不圆度≤0.4%，壁厚不均度≤12%，保证套管具有优良的抗挤毁性能。

4)热处理：采用淬火+回火热处理工艺，马氏体含量在95%以上，确保热处理后的组织为均匀细小的回火索氏体组织，提高整管强度的稳定性。

5)螺纹加工：采用进口高精度数控专用螺纹机床加工BGT2/BG-PCT气密封螺纹，依靠高螺纹加工精度和螺纹表面处理技术，提高套管接头的抗粘扣性能，BGT2特殊接头通过了ISO 13679 CAL Ⅳ试验。

2.3 检测方法

试样经过机械磨抛为镜面，采用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀。通过光学显微镜观察金相组织，并采用电子探针、EVO MA25扫描电镜和JEM 2100F透射电镜对测试试样进行微观组织观察和分析，另外，对断口也进行表征。拉伸性能测试在MTS 810-15试验机上进行，冲击性能采用JBN-300B设备，根据ASTM A 370-2010标准测试材料的夏比V型缺口冲击功，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，试样测试方向为横向，试验温度为0℃。

3 性能分析

3.1 拉伸强度和冲击韧性

BG125V高强度高韧性套管的力学性能如图1和图2所示。从图1可以看出，管体调质热处理后，BG125V的屈服强度波动范围为880～980 MPa，力学性能波动较小，改善了套管整体力学性能的稳定性，保证了抗挤毁性能的均一性。BG125V全尺寸0℃横向冲击功均值首次达到141 J，波动范围为120～165 J，韧性值达到125 ksi(1 ksi=6.89 MPa)钢级套管10%名义屈服强度的要求(87 J)。高韧性可以改善套管在多轮次的高强度水力压裂过程中由于管体缺欠出现的脆性断裂问题，提高套管的极限抗内压强度；同时改善了套管射孔的易开裂倾向，提高了射孔质量，防止出现套管在长期服役过程中由于射孔裂纹所导致的套管挤毁失效问题。

从表2可以看出，常规的125ksi钢级套管的横纵向冲击功的比值约为0.8，这与调质态API系列套管横纵向的比值处于同一水平。而BG125V横纵向冲击功的比值在0.93以上，说明BG125V的材料横向和纵向上的冲击功比较均一，冲击韧性各向异性小。

图1 BG125V屈服强度分布图

图2 BG125V横向冲击功分布图

编号夏比冲击功0℃横向全尺寸/J夏比冲击功0℃纵向全尺寸/J横向和纵向冲击功比值BG125891210．81881180．81941230．80BG125V1421520．931451550．941461510．97

3.2 高温力学性能

图3为BG125V套管在不同温度下的强度变化曲线，结果表明BG125V套管材料的屈服强度从室温至180℃时的衰减比例为10.9%，抗拉强度衰减比例较小，为5.3%。在水力压裂过程中管柱的温度波动范围为30℃～120℃，从图3数据可以看出，在此区间内套管屈服强度的衰减比例为5%，具有较好的稳定性。

图3 不同温度下力学性能

3.3 抗挤毁性能

139.7 mm×12.7 mm规格BG125V套管实际抗挤毁强度平均值达到176 MPa，见表3，超出该规格API标准要求24%，可有效的改善页岩气开发所采用的多级分段压裂工艺下的套损问题，目前在长宁威远区块实现了大批量应用。

表3 BG125V抗挤毁性能检测结果

3.4 微观组织分析

钢中析出物如碳化物和氮化物等第二相质点均为脆性相，在提高材料强度的同时会增加材料的脆性，其影响韧性的程度与第二相质点的大小、形状和分布有关。按史密斯解理裂纹成核模型，晶界上碳化物厚度或直径增加，解理裂纹既易于形成又易于扩展，故使脆性增加。第二相粒子尺寸越大，数量越多，对韧性的损害越大[4]。因此要提高材料的韧性，细化析出相尺寸并使其弥散分布是有效方法之一。

目前国内外钢管厂家采用的管坯主要为连铸管坯，但是由于连铸管坯心部的钢液在凝固过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶偏析组织，管坯中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带和富化带彼此交替堆叠[5]，形成了如图4(a)中的偏析带组织。部分粗大的碳化物在晶界聚集长大，使晶界脆化，降低了韧性，这是高强度套管韧性尤其是横向冲击韧性难以提高的主要原因之一。

针对以上问题，对BG125V套管生产所用的管坯连铸工艺进行了优化，通过优化结晶器电磁搅拌工艺和凝固末端电磁搅拌工艺，减轻管坯心部枝晶偏析；管体在轧制后进行重新加热，采用张力减径工艺细化晶粒、改善成分均匀性。根据以上工艺设计，宝钢开发的BG125V套管内壁金相组织成分偏析明显改善，如图4(c)所示，可以有效的提高套管的冲击韧性，同时也提高了套管材料冲击性能的各项异性，解释了表2中横纵向冲击韧性比值的差异问题。

图4 常规高强度套管和BG125V套管金相组织

3.5 接头实体性能

页岩气开采过程中，生产套管管体及接头在入井、固井、射孔、压裂过程中承受不同物理载荷作用，表4列举了页岩气生产套管接头承受物理载荷的重点关注。可以看出页岩气生产套管不同位置及不同施工阶段对内压、外挤、拉伸、压缩、弯曲、温度交替等的不同要求。

表4 页岩气管柱不同位置在不同施工过程中的主要物理载荷

为适应页岩气开采开发，宝钢开发出适用于不同工况的BGT2及BG-PCT生产套管接头产品。BGT2是一种高气密封性能套管接头，具备复合载荷下的气密封完整性，通过ISO13679 CAL Ⅳ(100%压缩效率，95%VME，如图5中蓝色椭圆图以内参数)的实体评估，适用于垂深3 000 m以上，或气密封密封性能要求高于60 MPa的复杂页岩气井。同时宝钢开发了一种依靠螺纹及台肩对顶的经济型气密封生产套管BG-PCT，能承受85%VME内，60%压缩效率的载荷性能(如图5中黑色区域内参数)，适用于垂深3 000 m以下，气密封性能要求在60 MPa以下的页岩气井开采。按照页岩气下入、射孔及压裂工艺条件，在试验室内模拟了Φ139.7 mm×12.7 mm BG125V BG-PCT的物理载荷试验，试验结果见表5，可见BG-PCT能满足在常见施工及作业工艺。

说明T：管体拉伸强度，C：管体压缩强度，IP：管体内屈服强度，EP：管体压溃强度。图5 针对页岩气不同特殊螺纹生产套管接头复合载荷能力

试样编号静水压循环模拟试验条件额定值试验结果123490MPa，稳压5min，20次循环静水压至失效137．2MPa28275psi未爆破拉伸至失效4370kN4640kN堵头断裂342t拉伸条件下水压至失效105．3MPa115．2MPa堵头爆裂90MPa水压(内)条件下拉伸至失效3560kN3656kN管体断裂

4 结 论

1)宝钢全新设计开发的BG125V高强度高韧性套管横向韧性指标稳定达到屈服强度的10%，材料的冲击韧性各向异性显著降低，具备了优良的强韧性、高温力学性能以及抗挤毁性能，能够更好的满足页岩气开采开发用套管力学性能及安全使用的要求。

2)宝钢开发的BGT2高气密封特殊螺纹套管适用于垂深3 000 m以上，且气密封性能要求高于60 MPa的严苛条件下的页岩气井开发，BG-PCT经济型气密封特殊螺纹套管可以应用于垂深3 500 m以下，且气密封性能要求低于60 MPa的常规页岩气井的开发。

[1] 张 抗, 谭云冬. 世界页岩气资源潜力和开采现状及中国页岩气发展前景[J].当代石油石化, 2009, 17(3):9-12.[2] 张金川, 金之钧, 袁明生. 页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业, 2004, 24(7):15-18.

[3] 戴 强. 页岩气井完井改造期间生产套管损坏原因初探[J].钻采工艺, 2015, 38(3):22-25.

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Design and Applicability Research of High Strength and Toughness Casing for Shale Gas Service

DONG Xiaoming, ZHANG Zhonghua, LUO Meng

(BaosteelResearchInstitute,BaoshanIronandSteelCo.Ltd.,Shanghai201900,China)

Based on the shale gas exploitation characteristics and the working conditions of production casing during tripping, cementing and fracturing process in Sichuan-Chongqing area, the high strength and toughness casing and premium connection are designed. The mechanical properties, microstructure and collapse resistent property are tested, finding that the transverse Charpy impact value of BG125V casing at 0℃ surpasses the value of 10% yield strength, and the toughness anisotropy decreases obviously. Furthermore, the applicability of casing is researched by simulating the combined loads on casing at different well positions and in different construction stages, supporting the selection of production casing for shale gas service in Sichuan-Chongqing region.

casing； shale gas； toughness； premium connection

董晓明，男，1980年生，工程师，2006年毕业于上海大学，主要从事高等级油井管产品开发。E-mail:dongxiaoming@baosteel.com

TE931

A

2096-0077(2017)01-0047-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.011

2016-12-08 编辑：马小芳)