地热资源系列专用管设计及评价技术

王蕊，李东风，杨鹏，张益铭，莫子雄

1.中国石油天然气集团有限公司石油管工程技术研究院 （陕西 西安 710077）

2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 （陕西 西安 710077）

地热资源是一种可再生的新型环保清洁能源，其应用潜力巨大，持续加大地热资源的开发与应用将会创造一种全新的能源利用形式，有效优化能源消费结构，对于治污减霾、改善环境将产生十分显著的效果。近年来，随着我国各地对能源、环境关注度的提高，地热资源的开发与利用也成为低碳经济视角下，实现化石能源与新能源并举的一项关键举措[1-4]。

近几年，我国对地热资源的研究主要集中在地热井成井工艺、地热资源管理、环境保护、地热井失效处理技术及管材腐蚀、防垢控制等方面[5-11]。而针对地热资源专用管材设计开发、评价的研究却鲜见报道[12-13]。地热井工况条件复杂，承受温度、压力与大量的腐蚀性介质等共同作用，管材长期处于高温、高压环境和腐蚀介质中，极易产生泄漏、腐蚀、变形、断裂等失效形式[14-16]，导致后期维护、改造、修井费用增加，影响地热井开发的经济成本及使用寿命，甚至造成环境污染，限制了地热资源的大力开发及有效利用。

通过分析地热能源开发用管材现状，结合高、中和低温3种类型的地热资源特点以及我国不同区块不同地下水的化学成分，基于应变设计的理论、经济型特殊螺纹接头设计，开展地热资源用系列专用管材设计，以满足地热用管材与地热流体的相容性及工况适用性。同时，为确保地热资源用管材的质量和性能，提出地热资源系列专用管材性能评价技术。对于促进地热资源的开发利用、延长生命周期具有非常重要的经济、环境及社会意义。

1 地热能源开发用管材现状分析

1.1 腐蚀问题

地热井用管材的腐蚀主要是地热流体及土壤对其产生的腐蚀，以电化学腐蚀为主。一般地热水矿化度较高，含离子种类较多，主要有氯离子、溶解氧、硫酸根离子、氢离子、硫化氢以及二氧化碳等，其中以氯离子的腐蚀性为最强，是引起碳钢、不锈钢及其它合金的均匀腐蚀、孔蚀和缝隙腐蚀的重要因素。另外，由于腐蚀性流体和金属井管表面的相对运动引起冲击腐蚀、冲刷腐蚀或磨蚀，当含砂量偏高时，磨损腐蚀速度也会增加。管柱在井下服役过程中，受到复合载荷的作用，这些载荷包括拉升、压缩、内压、外压、扭转、焊接残余应力等。复合载荷和特定的腐蚀介质共同作用会使管柱产生应力腐蚀，从而引起金属的破裂。因此，减少腐蚀失效、提升井管的使用寿命，是地热资源开发及长期有效利用急需解决的关键问题[17-18]。目前常用的防腐方式是采用内防腐、非金属管材、增加管材腐蚀裕量和耐蚀合金材料。

内防腐涂层、镀层、内衬保护（如镍磷镀、SK-54防腐[19]、氮化处理、钛纳米涂料、不锈钢内衬等），可对碳钢材料进行保护。但由于碳钢和防腐涂层（镀层、内衬）的屈服应力不同，而且该方法大多对管体内表面光洁度要求高，操作工艺复杂，制造成本高，而且镀层不均匀，尤其在使用过程中存在涂层结合力差、大面积脱落等问题，不能有效降低腐蚀问题。

非金属管材（如PVC-U塑料管[20]和玻璃钢管等），具有较强的耐腐蚀性，可有效避免腐蚀、结垢问题。但其不耐高温、强度低，并存在承载、承压、耐热、老化、接头处理等一系列技术问题，阻碍其在地热井的大量使用。

增大管材腐蚀裕量设计。即增加管壁厚度，需要根据管材预期的寿命和介质对材料的腐蚀速率，确定其腐蚀裕量。这种设计除了需要开展管材性能影响因素分析，正确评估腐蚀裕量大小以外，并不能解决局部腐蚀问题，而且还会进一步增加地热资源开发的经济成本。

耐蚀合金材料（如不锈钢、钛合金、镍基合金等）具有很好的耐蚀性，但在地热资源开发的使用方面还存在一些问题（例如成本较高），而且在高氯离子含量条件下，不锈钢的耐腐蚀性并不比碳钢强。

针对耐蚀合金的腐蚀问题，国内外学者Klapper[21]、Mundhenk[22-23]、蔡培培[24]、吴坤湖[25]等开展了大量的研究工作，包括非合金钢、中碳钢、不锈钢和镍基合金、钛合金等的腐蚀特性以及腐蚀、结垢相互作用规律，对耐蚀合金的选用提供了有价值的参考信息。因此，设计一种基于不同地热工况的耐蚀合金体系，进而开发出低成本、高耐蚀性的地热资源开发专用系列管材，是减少管材腐蚀失效问题的一种有效技术手段。

1.2 温度的影响

地热井深度一般1 000～4 000 m，最常见的地热分类方法按温度分为：高温、中温和低温3类。以蒸气形式存在，温度高于150℃，属高温地热；以水和蒸气的混合物等形式存在，温度处于90℃～150℃，属中温地热；以温水、温热水、热水等形式存在，温度处于25℃～90℃，属低温地热[26]。地热井温度越高，对金属的腐蚀作用越强。在管材设计方面[27]，传统的管材设计以弹性力学理论为基础，采用强度设计方法确保管材在服役过程中不发生屈服现象，设计过程中主要考虑管材的强度指标，满足钻完井工程需求。而在传统热采井套管柱设计过程中同时考虑热应力作用，确保管材高温条件下不出现屈服现象。

1.3 管柱尺寸结构及密封泄漏问题

复杂苛刻的工况环境一方面对管柱的材料、结构密封性能提出了高要求，另一方面对管柱经济适用性也提出了高要求，需要开发具有经济合理的适用结构。现阶段地热井管材大多使用API标准螺纹，API螺纹接头抗扭强度普遍低于管体，在使用时受到拉伸载荷作用时，密封接触压力会显著降低，从而失去密封作用[28]。当螺纹连接处泄漏后，热水或热蒸气进入地层被泥岩夹层吸收，结果泥岩层吸水膨胀造成非均匀外挤载荷增大，地层运动使得套管受到剪切作用，引发套管管体错断[29]。为此，在考虑经济成本的前提下，需设计地热管专用经济型密封螺纹，同时进行规格和几何尺寸的改进，进一步提高管柱的结构和密封完整性。

2 地热资源系列专用管材设计

针对开发中出现的腐蚀、变形及接头泄漏等问题，围绕防腐、抗变形和经济型螺纹接头设计3方面，开展地热资源系列专用管材的设计。

2.1 防腐蚀性能设计

地热资源用管材进行防腐处理是十分必要的。它在提高工作时效的同时，还可延长管柱的使用寿命，减少更换管柱的作业次数，降低作业成本。

腐蚀、结垢问题是地热井系列专用管材开发的最关键问题，目前采用的内防腐设计、非金属材料选择、选用耐蚀合金和增加管材腐蚀裕量等防腐方式各有优点，但均不能达到理想的低成本防腐效果。在油井管柱合金体系的基础上，依据高、中和低温3类地热井资源工况条件，通过研究合金成分与特定地热环境腐蚀速率之间的关系，建立系列耐蚀地热资源专用管材合金体系。同时分析温度及应力状态对管材腐蚀速率的影响程度，建立温度、应力状态及合金成分与腐蚀速率之间的关系，进而对管材合金成分进行优化设计，形成针对不同类型的地热资源采用低成本系列专用管材，满足地热资源开发的需求。地热资源系列专用管材防腐性能设计如图1所示。

2.2 抗变形性能设计

地热资源用管材设计是否满足长期地热环境服役的要求，是影响地热资源生命周期长短的关键。在地热资源用管选材设计过程中采用基于应变设计理论。其设计依据是设计应变小于许用应变。许用应变取决于材料的塑性变形能力和屈强比，用均匀延伸率来表征，防止材料局部颈缩变形、应力集中。基于应变的地热资源用管材设计方法要求，许用应变必须满足设计应变的要求。可见，应变设计方法采用应变参量作为主控参数，充分发挥材料的均匀变形能力，对材料性能的利用扩展到最大抗拉强度阶段，充分发挥材料均匀塑性变形能力，确保高温作用下管柱的使用性能满足地热资源工况要求。

图1 地热资源系列专用管材防腐性能设计

2.3 经济型螺纹接头设计

密封结构设计是确保地热井安全可靠运行的关键。密封结构失效将导致非常严重的黏扣、滑脱、泄漏质量事故，极大影响螺纹接头的使用性能，缩短使用寿命。因此，在研究分析油井管产品API螺纹接头、特殊螺纹接头及密封结构的基础上，设计开发一种经济型地热井用螺纹密封接头。应用数值分析方法优化螺纹接头结构参数，通过全尺寸实物性能评价方法对接头性能进行适用性评价，验证经济型密封接头在地热工况条件下的密封结构性能，确保在节省经济成本的前提下，提升管柱结构的密封性能。

3 地热资源专用管性能评价体系

为检验和提升地热资源用管材的质量，需要建立地热资源系列专用管性能评价体系，对其开展适用性评价。大量检验、失效、现场使用结果表明，在外观尺寸检验、无损探伤和材质理化分析等常规检验项目均符合相应标准要求时，管材的使用性能却表现出较大差异（如抗黏扣性能、密封性、极限载荷性能等），说明常规检测不能满足对管材质量的全面反映与控制要求。为了准确评估地热资源系列专用管的质量性能，地热资源系列专用管性能评价体系应在常规检验项目基础上，增加全尺寸适用性评价试验，实现对管材材料性能、腐蚀性能、接头黏扣趋势、密封性、疲劳性能及结构完整性等整体性能指标的检测。

为了尽可能模拟地热资源用管材的工况适用性，应开展管材环境行为及力学行为2方面适用性能评价研究。①管材对环境的适用性，主要进行管材化学成分、组织、材料的高低温力学性能及材料在特定工况条件下的腐蚀性能研究；②管材对力学行为的适用性，主要开展全尺寸实物性能研究。首先通过进行上/卸扣试验、复合载荷试验，检验接头的抗黏扣、抗扭转性能，以及在轴向载荷、内外压力、弯曲等多种载荷复合应力作用下的密封性能和结构完整性；其次通过全尺寸弯曲疲劳、腐蚀疲劳试验，可以检验管体和接头的抗疲劳性能及在腐蚀环境下的疲劳寿命。地热资源系列专用管性能评价流程如图2所示。

图2 地热资源系列专用管性能评价流程

4 结论

1）为了有效控制和减少地热资源用管柱的失效事故，延长管柱的使用寿命，分析地热资源用管材的使用现状和失效因素，提出建立高、中和低温3种类型地热资源系列专用耐蚀合金体系，实现低成本管材防腐控制。

2）在基于应变管柱设计理论的基础上，开发高温抗大变形管柱设计方法，降低变形等管柱结构失效事故。提出开发经济型特殊螺纹接头，实现管柱低成本高密封性能，预防泄漏等失效问题。

3）在管材设计基础上，提出建立地热资源系列管材全尺寸评价技术，开展管材适用性评价，确保地热资源系列专用管材的质量性能。