4145H钻铤钢的示波冲击性能及其动态断裂韧性

针对石油钻井中钻铤断裂以及北方油田在冬季石油钻铤下井起钻之后存在的冷脆现象,通过示波冲击实验,获得了4145H钻铤钢试样在冲击变形和断裂过程中的冲击力-位移曲线,并用实验得到的总冲击功、起裂功来计算其动态断裂韧度。结论认为：4145H钻铤钢的延性断裂韧度和动态断裂韧度均随温度的降低而降低,其冲击功随温度的降低而降低,起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高,裂纹扩展功及其与冲击功的比值随温度的降低而降低。在钻井工程中表现为：常温下裂纹在钻铤中扩展速率较慢,钻铤不容易断裂;低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快,钻铤更容易断裂。该研究成果为合理指导4145H 钻铤的生产工艺和现场正确使用钻铤提供了实验数据支撑。     

考虑腐蚀的高温高压含CO2气井生产套管安全评估

对高温、高压含CO2气井来说,油管、套管面临较为严酷的腐蚀环境,亟待解决腐蚀环境套管强度评价问题。在腐蚀评价过程中,如何设计实验环境和实验参数至关重要。为此,模拟腐蚀评价试验应尽可能接近井下工况和投产后的不同阶段参数。根据特定工区油气藏预期开发方案、腐蚀工况、配产制度、地层能量衰减程度,确定腐蚀环境。利用高温、高压循环流动釜,模拟高温、高压环境下P110-碳钢、110-13Cr和110-3CrS三种材质套管的腐蚀情况,建立剩余寿命预测模型,根据测得套管的腐蚀数据,计算套管的剩余强度,得到套管服役寿命与安全系数之间的关系,从而预测其安全服役寿命。通过服役寿命设计,在有限的开采周期内,既要保证井筒本质安全,又要降低开采成本。     

应力与环境耦合条件下高强钢S135的疲劳行为北大核心CSCD

为评价应力与环境耦合(交变应力、腐蚀介质和温度耦合)对高强度钢S135疲劳性能的影响,探索应力与环境耦合对高强度钢S135疲劳的作用机制,测试了S135材料在空气中和不同温度下(25、40、60和80℃)有机盐钻井液中的疲劳寿命,分析了S135在有机盐钻井液中的腐蚀疲劳敏感性,并使用扫描电镜观察了不同温度下的断口形貌,研究了有机盐钻井液中S135腐蚀疲劳的断裂机理。结果表明,同一应力(低应力)水平下,随温度升高(25、40、60和80℃),腐蚀疲劳寿命逐渐降低,腐蚀疲劳敏感指数和温度敏感指数逐渐增加。研究认为,交变应力、腐蚀介质和温度耦合对S135材料疲劳有极大的影响,交变应力是疲劳失效的主要因素,腐蚀介质会使S135表面产生腐蚀坑,导致疲劳裂纹的萌生,温度通过加速腐蚀对疲劳破坏产生影响。     

强交变热载荷下页岩气井水泥环完整性测试

页岩气井大规模水力压裂过程中,因井筒内的温度、压力波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性。为了弄清强交变热载荷下水泥环完整性失效机理、避免页岩气水平井大规模压裂过程中水泥环屏障失效,基于自主研发的实验装置对全尺寸实物"生产套管—水泥环—技术套管"组合体在强交变热载荷作用下的密封完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了2种全尺寸水泥环(普通水泥环和高强度水泥环)在3种强交变热载荷作用下(出现间断CO_2气泡的循环次数分别为4次和14次,出现连续气泡的循环次数分别为5次和15次,交变热载荷分别为30～120℃和30～150℃)的完整性实验结果。研究结果表明:①交变热载荷对水泥环完整性具有显著的负面影响,并且随着交变温度及温差的增大,表征水泥环密封完整性的热循环次数急剧减少;②表征水泥环与套管间的剪切力、轴向与径向结合强度等界面力学性能指标均随交变温度增加而下降;③水泥环微环隙主要是由套管与水泥环材料之间的不协调变形所致,而交变热载荷诱导的水泥石自身力学性能衰退及损伤在一定程度上加剧了水泥环密封完整性失效。结论认为,该研究成果可以为深部页岩气水平井大规模压裂施工设计提供参考     

塔河油田某注采井生产油管腐蚀失效分析

塔河油田某注采井在修井起出管柱过程中发现油管柱出现了腐蚀穿孔和断脱。为了找到腐蚀失效原因,并采取针对性的防护措施保证井筒安全,通过对油管管材的理化性能测试、冲击性能测试、拉伸性能测试,结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)等腐蚀特征及腐蚀产物表征分析方法,对井下管柱进行了腐蚀失效分析。结果表明,油管腐蚀是由H_2S-CO_2-Cl~--H_2O体系引起的电化学腐蚀,以CO_2腐蚀为主,同时存在H_2S腐蚀,Cl~-对腐蚀穿孔有一定的促进作用。建议添加缓蚀剂或对油管添加表面涂层、镀层、油管衬里,提高油管服役寿命。     

双金属复合管环焊缝耐蚀性能评价方法

目的建立双金属复合管环焊缝耐蚀性能评价方法,为双金属复合管在高酸性气田现场应用提供依据。 方法针对双金属复合管环焊缝在高酸性环境中的主要腐蚀类型,参考标准Q/SY 06018-2016中冶金复合管直焊缝和堆焊层腐蚀评价内容,确定以晶间腐蚀、抗SCC/SSC性能、点腐蚀、模拟工况腐蚀为评价指标,并通过整管段试验验证评价结果的双金属复合管环焊缝耐蚀性能评价方法,同时以国产L360/825冶金复合管环焊缝为例对建立的评价方法进行验证。 结果通过使用建立的方法对L360/825双金属复合管环焊缝耐蚀性能进行评价,验证了评价方法有效可靠,评价结果显示L360/825双金属复合管环焊缝具有良好的耐蚀性能。 结论建立的评价方法可以直接应用于高酸性气田用双金属复合管的环焊缝耐蚀性能评价,为双金属复合管的现场应用提供依据。      

酸气回注井管柱剩余寿命预测及选材研究

为得出酸气回注环境下不同油管钢的腐蚀规律和安全服役寿命,利用高温高压釜模拟酸气回注井井下工况,在温度90～150℃、H_2S体积分数为55%、CO_2体积分数为45%的条件下开展了腐蚀失重实验,研究了不同温度下T95钢、P110SS钢、G3钢的腐蚀性能,并结合SEM与EDS对腐蚀产物进行了表征分析,最后基于均匀腐蚀速率对油管柱的腐蚀寿命进行了预测。结果表明：随着温度的升高,T95钢及P110SS钢在液相中的腐蚀速率先增大后减小,120℃时达到最大值,T95钢的腐蚀速率为1.337 9mm/a、P110SS钢为0.842 6mm/a;在气相中,两种钢的腐蚀速率均随温度升高而增大,150℃时达到最大值,T95钢的腐蚀速率为0.249 0mm/a、P110SS钢为0.233 9mm/a;G3镍基合金钢表现出良好的抗腐蚀性能,各工况下均满足油田腐蚀控制指标0.076mm/a。在120℃液相苛刻工况下,T95油管钢的安全服役年限为2.8年,P110SS油管钢为6年;在150℃气相苛刻工况下,T95油管钢的安全服役年限为14.9年,P110SS油管钢为21.3年。由于G3镍基合金钢在不同工况不同温度下均无明显腐蚀,则不对其作腐蚀寿命预测。明确了酸气回注环境中3种油管钢的腐蚀性与其安全服役年限,为酸气回注井的选材和针对性制定腐蚀防护对策提供了依据。     

非均匀载荷下厚壁套管塑性挤毁强度研究

针对理想圆管在非均匀载荷下抗挤强度计算公式计算值偏高的问题，提出实际套管在非均匀载荷下塑性挤毁提前因子的概念，并建立了计算修正公式。这个计算公式考虑了实际套管含残余应力、不圆度、壁厚不均度等制造缺陷的影响，与套管的实际承载特征较为符合。计算结果表明，利用修正公式算法的计算值与实际试验值较接近，能满足工程设计需要，为复杂地层的套管柱设计提供了新的理论依据。     

软岩层引起的套管外载计算方法研究

在我国部分油田中,软岩层流变致使套管挤毁,造成巨大经济损失。以黏弹性流变模型理论为基础,建立软岩层、水泥环和套管流变耦合的力学模型。从材料本构关系、几何变形协调、静力平衡三方面进行分析,推导出均匀地应力下水泥环和套管流变外载的表达式。编制相关计算程序,研究软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变和水泥环对套管外载的影响规律。研究结果表明,软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变、水泥环力学参数对套管外载的影响较大。井眼的初始蠕变可释放部分流变载荷,改善套管受力;水泥环使套管受力恶化,在井眼环空不注水泥能延长套管使用寿命。所得结论与一些油田的现场实践相吻合,研究成果已成功应用于江汉油田岩盐层固井和套管设计。     

双金属复合管塑性成型有限元模拟

随着高含二氧化碳、硫化氢及元素硫等油气田的相继出现，油管、套管的腐蚀问题越来越突出，并直接影响到油气田的经济开发和安全开采。针对机械复合管塑性成型过程中的力学问题进行了有限元模拟研究，建立了模拟双金属复合管塑性成型的参数化有限元力学模型。通过有限元模拟研究，得出了双金属复合管所需的最小成型压力和成型后内外管间的结合力，分析了双金属复合管在塑性成型过程中内外管的接触压力、径向应力应变等力学特性。计算实例表明，该模型的几何尺寸、材料模型以及加载压力等参数均可以根据计算需要设定，可用于模拟不同材质和不同尺寸的双金属管在塑性成型过程中的力学特性研究。