連續油管在酸性環境下的彎曲疲勞壽命研究*

鮮 寧 1,2, 姜 放 1, 榮 明 1,2, 張 平 3, 鄒先雄 3, 崔 磊 1,2

(1.中國石油集團管力學與環境重點實驗室四川分室,成都610041;2.中國石油工程建設公司西南分公司,成都610041;3.中國石油川慶鉆探工程公司,成都610051)

摘 要:為了準確評價連續油管在酸性環境下的腐蝕疲勞壽命,對CT80鋼級Φ38.1 mm×3.18 mm的連續油管管段在不同條件下進行了彎曲腐蝕疲勞試驗。結果顯示:經過酸性腐蝕環境的浸泡后,連續油管的彎曲疲勞壽命顯著下降,約為大氣環境下彎曲疲勞壽命的34.6%~45.2%,其平均值約為39.7%;對于未出現HIC的連續油管,在酸性腐蝕環境下起下不同井次后,連續油管的總疲勞壽命相近。連續油管經腐蝕浸泡取出在大氣環境中放置24 h后,氫原子從連續油管管體溢出,塑性部分回升,約為大氣環境下彎曲疲勞壽命的68.9%。

關鍵詞:連續油管;彎曲;腐蝕;疲勞;H2S

0 前 言

連續油管作業技術始于20世紀末期,如今該技術已經廣泛應用于鉆井、完井、修井、測井、增產、氣舉排液、井下工具打撈等領域[1-4]。隨著連續油管技術的不斷發展,逐步推廣應用到酸性氣田。當碳鋼或低合金鋼連續油管在酸性環境下進行作業時,存在氫脆 (HE)、氫致開裂(HIC)、硫化物應力開裂 (SSC)的風險,筆者針對連續油管前期的試驗研究結果表明:連續油管在H2S環境下浸泡后,H2S損傷會導致連續油管塑性降低[5-6]。每經歷一次起下井作業,連續油管在導向拱和卷軸上都會遭遇6次彎—直和直—彎的塑性彎曲變形,連續油管在起下井過程中遭遇了低周疲勞。國外的文獻資料也顯示,連續油管在酸性環境下的疲勞壽命較非酸性環境下疲勞壽命更短[7-14]

當連續油管用于酸性環境下時,H2S損傷和低周疲勞交叉作用會導致較為復雜的腐蝕疲勞。然而,連續油管的腐蝕疲勞行為不同于常規的腐蝕疲勞,常規的疲勞為彈性變形,而連續油管的疲勞為塑性變形。對于如何評價連續油管在酸性環境下作業的腐蝕疲勞,目前國際上還沒有形成標準試驗評價方法。針對連續油管在酸性環境下的腐蝕疲勞問題,國外已經開展了一些試驗研究[15-21],其試驗方法主要分為低周腐蝕疲勞試驗 (LCCF)和彎曲腐蝕疲勞試驗兩類。低周腐蝕疲勞試驗方法是:試驗管段外壁接觸酸性試驗溶液,通過可往返加載的液壓設備提供軸向載荷,將整管拉伸至試驗要求的塑性變形量,然后卸載,而后不停地拉伸和卸載,從而實現腐蝕疲勞。彎曲腐蝕疲勞試驗方法是:該試驗方法由腐蝕浸泡試驗和彎曲疲勞試驗兩部分組成,先將試驗管段在酸性環境下進行腐蝕浸泡試驗,然后取出試驗管段在整管彎曲疲勞試驗機上完成彎曲疲勞試驗。低周腐蝕疲勞試驗方法采用軸向加載,與連續油管實際的受力特征存在差異,彎曲腐蝕疲勞方法僅進行過一次浸泡周期,未能體現H2S損傷和塑性變形多次交叉作用的綜合后果。根據文獻資料,兩種試驗方法的試驗結果存在較大的差異。

本研究在現有彎曲腐蝕疲勞試驗的基礎上進行適當改進,循環彎曲腐蝕疲勞試驗模擬了連續油管在酸性環境下進行不同井次的作業后的彎曲疲勞壽命,新的試驗方法與連續油管現場實際應用的特點更相似,可為連續油管在酸性氣田井下安全作業應用提供幫助和參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試樣管段取自一卷CT80鋼級、規格為Φ38.1 mm×3.18 mm的連續油管管卷,每段長1.54 m,該卷連續油管的金相組織如圖1所示,整管力學性能與硬度見表1。

圖1 連續油管的金相組織

表1 連續油管的力學性能和硬度

屈服強度/M P a 抗拉強度/M P a 延伸率/%H V 10 6 2 0 7 5 0 2 5 2 4 5

文獻[17-18]結果表明,在酸性環境腐蝕后,管體出現的HIC對彎曲腐蝕疲勞壽命的影響頗大。因此,試驗管卷預先取樣并根據NACE TM 0284進行了HIC試驗評價,未發生HIC氫致開裂 (CSR=0、 CLR=0、 CTR=0)。

1.2 試驗方法

試驗方案模擬連續油管在酸性環境起下不同井次下的彎曲腐蝕疲勞變化情況,分別模擬1次起下井、2次起下井、3次起下井和4次起下井作業。

模擬1次起下井:H2S腐蝕環境浸泡1個試驗周期,然后取出進行彎曲疲勞試驗。

模擬2次起下井:H2S腐蝕環境浸泡1個試驗周期+6次預彎曲 (以下簡稱 “1次起下井循環”),然后在H2S腐蝕環境浸泡1個試驗周期,取出后進行彎曲疲勞試驗。

模擬N次起下井:經歷N-1次起下井循環,然后在H2S腐蝕環境浸泡1個試驗周期,取出進行彎曲疲勞試驗。

腐蝕試驗與彎曲疲勞試驗之間,連續油管試驗管段低溫保存,盡可能降低管體中氫溢出對試驗結果的影響。

考慮到連續油管作業之間有時存在時間間隔,為了對比氫溢出后對彎曲疲勞壽命的影響,增加一組試驗。模擬1次起下井 (放置24 h):H2S腐蝕環境浸泡1個試驗周期,取出放置在大氣環境中24 h,然后再進行彎曲疲勞試驗。

1.3 試驗條件

1.3.1 H2S環境下的腐蝕浸泡試驗

腐蝕浸泡試驗溶液采用NACE TM 0177 A溶液(5.0%NaCl+0.5%HAC), pH 值 2.6~2.8, 通入飽和H2S,試驗溫度 (24±3)℃。

1.3.2 彎曲疲勞試驗

試驗壓力為34.5 MPa(5 000 psi);彎模半徑為1 219.2 mm (48 in);焊縫位置在壓縮面;試驗溫度為室溫。

2 試驗結果與分析討論

2.1 空氣環境下的彎曲疲勞壽命

為了對比連續油管在酸性環境和非酸性環境下的彎曲疲勞壽命,以連續油管在空氣環境下的彎曲疲勞壽命作為非酸性環境下的彎曲疲勞壽命基準,試驗管卷在空氣環境下的彎曲疲勞壽命見表2。

表2 空氣環境下的彎曲疲勞壽命

images/BZ_23_272_2695_578_2761.png images/BZ_23_578_2695_884_2761.pngimages/BZ_23_884_2695_1191_2761.pngimages/BZ_23_272_2761_578_2827.pngimages/BZ_23_578_2761_884_2827.pngimages/BZ_23_884_2761_1191_2827.png

2.2 模擬起下不同井次后的彎曲疲勞壽命

連續油管在模擬酸性環境起下不同井次下的彎曲腐蝕疲勞壽命情況見表3。由表3可見:經起下井1次,兩個平行試驗管段的彎曲疲勞壽命分別為95次和92次;經起下井2次,兩個平行試驗管段的剩余彎曲疲勞壽命分別為74次和97次,其總的彎曲疲勞壽命分別為80次和103次;經起下井3次,兩個平行試驗管段的剩余彎曲疲勞壽命分別為79次和88次,其總的彎曲疲勞壽命分別為91次和100次;經起下井4次,兩個平行試驗管段的剩余彎曲疲勞壽命分別為61次和67次,其總的彎曲疲勞壽命分別為79次和85次。經起下井1次并在大氣環境中放置24 h,試驗管段的彎曲疲勞壽命為157次。通過24 h的氫自然溢出,彎曲疲勞壽命明顯回升。與空氣環境下的彎曲疲勞壽命 (228次)相比,連續油管在H2S環境腐蝕后,彎曲疲勞壽命大幅降低,這是因為H2S促進了電化學腐蝕產生的氫滲入管體,導致 H2S環境腐蝕后連續油管的塑性下降。

表3 模擬入井后的彎曲疲勞壽命

試樣編號模擬起下井次數預彎曲次數/次剩余疲勞壽命/次總疲勞壽命/次1 0 9 5 9 5 2 1次起下0 9 2 9 2 3 6 7 4 8 0 4 2次起下6 9 7 1 0 3 5 1 2 7 9 9 1 6 3次起下1 2 8 8 1 0 0 7 1 8 6 1 7 9 8 4次起下1 8 6 7 8 5 9 1次起下井(放置 2 4 h)0 1 5 7 1 5 7

圖2 1次起下井后與空氣環境下的疲勞壽命對比

1次起下井和1次起下井后放置24 h的連續油管疲勞壽命與空氣環境下疲勞壽命的百分比關系如圖2所示。由圖2可見,經起下井1次后,兩個平行試驗管段的彎曲疲勞壽命分別是空氣環境下彎曲疲勞壽命的41.7%和40.4%,經1次起下井后,在空氣環境中放置24 h然后再開展彎曲疲勞試驗,其彎曲疲勞壽命為空氣環境下彎曲疲勞壽命的68.9%,與未在空氣環境中放置24 h的試樣相比,疲勞壽命有明顯的回升,這說明氫損傷部分可逆。連續油管在酸性腐蝕環境浸泡腐蝕后取出放置在空氣環境中,原本浸入管體的氫部分溢出,管體中的氫含量降低,塑性適當恢復,其疲勞壽命也對應回升。但是,與空氣環境下的疲勞壽命相比,在經歷H2S腐蝕環境浸泡后,即使在大氣中放置24 h,疲勞壽命仍然有明顯的下降,這說明H2S對連續油管仍造成了永久性的損傷。

不同起下井次后連續油管的疲勞壽命與空氣環境下疲勞壽命的百分比關系如圖3所示。由圖3可見,經起下井1次后,兩個平行試驗管段的彎曲疲勞壽命分別是空氣環境下彎曲疲勞壽命的41.7%和40.4%;經起下井2次后,兩個平行試驗管段的彎曲疲勞總次數分別是空氣環境下彎曲疲勞壽命的35.1%和45.2%;經起下井3次后,兩個平行試驗管段的彎曲疲勞總次數分別是空氣環境下彎曲疲勞壽命的39.9%和43.9%;經起下井4次后,兩個平行試驗管段的彎曲疲勞總次數分別是空氣環境下彎曲疲勞壽命的34.6%和37.3%。模擬不同起下井次后的彎曲腐蝕疲勞試驗結果可見:連續油管試驗管段在H2S環境浸泡次數對彎曲疲勞總數影響較小,彎曲疲勞總次數與大氣環境中彎曲疲勞壽命的比值介于34.6%至45.2%之間,其平均值大約為39.7%。連續油管在模擬起下不同井次后,盡管剩余疲勞壽命隨起下次數的增加而逐漸減少,但對總的疲勞壽命并未隨起下井次的增加而明顯下降,而是趨于一致。試驗結果表明:起下井次數對連續油管總的彎曲疲勞壽命影響較小,總的彎曲疲勞壽命取決于是否經歷了H2S腐蝕環境。

圖3 不同起下井次后與空氣環境下的疲勞壽命對比

3 結 論

(1)連續油管在酸性環境浸泡后,彎曲疲勞壽命顯著下降,約為大氣環境下彎曲疲勞壽命的34.6%~45.2%,其平均值大約為39.7%。

(2)連續油管在酸性環境浸泡后,在大氣環境中放置24 h,由于氫原子從管體中溢出,塑性回升,彎曲疲勞壽命回升到大約為大氣環境下彎曲疲勞壽命的68.9%。

(3)對于未發生HIC的連續油管,酸性環境浸泡次數對總的彎曲疲勞壽命影響較小,總的彎曲疲勞壽命取決于是否經歷了H2S腐蝕環境。

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Research on the Bend Fatigue Life of the Coiled Tubing Exposed to Sour Environments

XIAN Ning1,2, JIANG Fang1, RONG Ming1,2, ZHANG Ping3, ZOU Xianxiong3, CUI Lei1,2
1.Sichuan Research Division of CNPC Key Lab for Mechanical and Environment Behavior of Tubular Goods,Chengdu 610041China;2.China Petroleum Engineering&Construction Corp,Southwest company,Chengdu 610041China;3.CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited,Chengdu 610051China

Abstract:In order to accurately evaluate the corrosion fatigue life of the coiled tubing in acid environment,CT80 steel Φ38.1 mm×3.18 mm of the coiled tubing section bending corrosion fatigue tests have been carried out under different conditions.The results showed that the bending fatigue life of the coiled tubing decreased significantly after immersing in acid corrosion environment,which was about 34.6%~45.2%of the bending fatigue life in atmospheric environment, and the average value was about 39.7%.For the coiled tubing without HIC,the total fatigue life of the coiled tubing was similar after the different well runs in acid corrosion conditions.After the coiled tubing soaked in the corrosive solution is taken out and placed in the atmospheric environment for 24 hours,hydrogen atoms escaped from the coiled tubing body,and the plastic part recovered,approximately 68.9%of the bending fatigue life in the atmosphere.

Key words:coiled tubing;bend;corrosion;fatigue;H2S

中圖分類號:TG174.3

文獻標識碼:A

DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2020.01.003

*基金項目:國家863重大專項 “大型油氣田及煤層氣開發” (項目編號2016 ZX 05023006-005)。

作者簡介:鮮 寧 (1980—),男,重慶市人,碩士,高級工程師,主要從事材料的腐蝕與防護技術研究。

收稿日期:2019-09-04

編輯:謝淑霞

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