高含硫油气井套管安全系数的合理取值.pdf

第 3 1 卷 第 3 期 2 0 0 9年 6月 石 油 钻 采 工 艺 O I L DR I L L I NC P ROD UC T I O N T EC HNO L OG Y V0 1 ． 3l No ． 3 J u n ．2 0 0 9 文章编号1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 3～0 1 1 1 0 3 高含硫油气井套管安全系数的合理取值 涂君 君 张 智 付 建 红 1 ． 西南石油大学油气藏地质及开发工程 国家重点 实验室 ， 施 太 和 向 青 海 林 元 华 四j l 1 成都6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 大庆油田公 司， 黑龙江大庆1 6 3 4 5 3 摘要随着高含硫油气田的开发， 油套管的工作环境也趋于恶劣和复杂。在酸性条件下， 油套管的屈服失效准则已不适用， 环境断裂是主要的失效模式 ， 即使满足按屈服准则设计 的安全 系数 ， 仍不能保证结构的安全 。提 出了以环境 断裂 力学评价 为基 础的油套管适用性评价方法以环境断裂临界应力百分比为基础进行管柱强度安全系数的设计。本评价方法的标准是在 工作条件下 ， 只要油井管环境断裂临界应 力不小于所要 求的油井管屈服强度相应的百分 比， 油井管就能安全运行。环境 断裂临 界 应力的试验评价方法通常采用 N A C E方法 A即 NA C E标 准恒栽荷拉伸试验 方法 ， 对该方法及相关的数据 处理作 了介绍。 同 时结合本评价方法， 对国外有关的环境断裂临界应力的相关标准进行 了研究。 关键词 油套管； 适用性评价；高含硫；环境断裂临界应力；临界应力百分比 中图分类号 T E 2 8 文献标识码 A F i t n e s s - f o r - Se r v i c e o f s a f e t y f a c t o r f o r s o u r s e r v i c e c a s i ng T U J u n j u n ， Z H A N G Z h i ， F U J ia n h o n g ， S H I T a ih e ， X I A N G Q in g h a i ， L 1N Y u a n h u a 1 ． S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo fOi l a n dG a s R e s e r v o i r G e o l o g ya n dE x p l o i t a t i o n ， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i ty ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a 2 ． Da q i n g Oi lfie l d C o m p a n y ， He l l o i a n g 1 6 3 4 5 3 ， Ch i n a Ab s t r a c t W i t h t h e e x p l o i t a t i o n o f h i g h s u l f u r g a s fi e l d s ， t h e wo r k i n g e n v i r o n me n t o f t u b i n g a n d c a s i n g g e t s wo r s e a n d mo r e c o rn p l i c a t e d ． U n d e r s o u r e n v i r o n me n t ， t h e y i e l d f a i l u r e c ri t e ri o n o f c a s i n g i s n o l o n g e r a p p l i c a b l e， E n v i r o n me n t a l c r a c k i n g E C i s t h e m a i n f a i l u r e mo d e ． Ev e n i f t h e s a f e t y f a c t o r me e t s t h e y i e l d c ri t e ri o n ， s a f e t y o f t h e s t r u c t u r e c a n n o t s t i l l b e e n s u r e d ． T h e r e f o r e ， t h e tub i n g a n d c a s i n g ’ S F i t n e s s ‘ f o r - S e r v i c e a s s e s s me n t me t h o d ， wh i c h i s b a s e d o n m e c h a n i c a l e v a l u a t i o n o f e n v i r o nme n t a l c r a c k i n g ， i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r ． T h i s me t h o d i s d e s i g n s a f e t y f a c t o r o f s t ri n g s t r e n g t h o n t h e b a s i s o f t h r e s h o l d s tre s s p e r c e n t a g e o f e n v i r o n me n t a l c r a c k i n g ． Th e c r i t e rio n o f t h i s e v a l u a t i o n me t h o d i s i n wo r k i n g c o n d i t i o n ， i f t h e t h r e s h o l d s tr e s s o f e n v i r o n me n t a l c r a c k i n g o f tub i n g a n d c a s i n g i s n o l e s s t h a n t h e p e r c e n t a g e c o r r e s p o n d i n g t o t h e r e q u i r e d y i e l d s t r e n g t h o f tub i n g a n d c a s i n g ， tub i n g a n d c a s i n g wo u l d ru n s a f e l y ．Te s t e va l u a t i o n me t h o d o f t h r e s h o l d s t r e s s o f e n v i r o n me n t a l c r a c k i n g u s u a l l y a d o p t s NACE me t h o d A， r e f e r s t o t h e NACE S t a n d a r d T e n s i l e T e s t ． T h i s t e s t a n d i t s r e l e v a n t d a t a h a n d l i n g a r e i n tr o d u c e d i n t h i s p a p e r ． At t h e s a me t i me ， t h e f o r e i g n r e l e v a n t c ri t e r i a o n t h r e s h o l d s t r e s s o f e n v i r o n me n t a l c r a c k i n g a r e s tud i e d wi t h t h i s a s s e s s me n t me t h o d ． Ke y wo r d s tub i n g a n d c a s i n g ； F i t n e s s f o r - S e rvi c e ； S O ur e n v i r o nm e n t ； t h r e s h o l d s tr e s s o f e n v i r o nm e n t a l c r a c k i n g ； t hr e s h o l d s tr e s s pe r c e nt a g e 目前， 在国内已探明的天然气田中， 高含硫气 田 有 1 0 0 多个， 占总数的近一半， 仅I t ll 盆地， 就有各 类高含硫气田2 O 多个， 天然气储量高达 2 0 0 0 1 0 1T I ， 如何安全、 环保、 高效地开发好这类特别复杂的 高危气田是一项重大的难题。硫化氢对完井、 修井 使用的套管、 油管、 井下工具、 地面测试流程装置及 基金项目四川省应用基础研究计 划 编号 0 7 J Y0 2 9 ． 0 4 3 南石油大学校级 自然科学基金项 目 编号 2 0 0 7 XJ Z O 0 2 5 h 。 作者简介 涂君君， 1 9 8 2 年生。2 0 0 4年毕业于西南石油学院石油工程专业， 现为油气井工程专业在读硕士研究生 E - m a i l t u - j u n 1 6 3 C0 m 。 l l 2 石油钻采工艺2 0 0 9年 6月 第 3 1 卷 第 3期 采气井口装置、 场站设备、 输气管线等都有极强的腐 蚀性 ， 一旦泄漏将对人 的生命安全和环境造成极大 的危害。高含硫油气井套管柱的工作环境较为恶劣 ， 受到的外载荷较为复杂 ， 研究一套安全合理的套管 设计理论和技术方案对安全地开采高酸性气藏气井 具有重要作用。 1 环境断裂力学评价方法 M e c ha n i c a l e va l ua t i o n o f e nv i r o n m e n t a l c r a c k i n g 常规油气井套管强度设计都是按照A P F I S O标 准设计的， 首先根据油气井情况确定合适的安全系 数， 然后分析和计算套管在钻井和生产过程中所受 到的各种载荷 ， 由此来选择合理的套管 。但是 ， 高含 硫油气井 的套 管破坏机理具有其特殊性 ， 即使满 足 上述按屈服准则设计的安全系数， 仍 不能保证结构 的安全。套管在使用应力和硫化氢的作用下 ， 往往会 在受力远低于其本身屈服强度时突然发生脆断 这 种现象称为硫化氢应力腐蚀 。大量套管失效案例分 析表 明， 几乎所有 已失效 的套管都符合强度设计标 准 ， 说明了仅按 A P U I S O标准设计的套管不能保证套 管在服役过程中的安全性。同时 ， 现行设计标准不反 映碳钢 、 低合金钢和合金在 高含硫化 氢环境下的失 效模式 。在高硫化氢含量情况下 ， 屈服失效准则已不 适用， 环境断裂是主要的失效模式。因此， 有必要引 入以环境断裂力学评价为基础的油套管设计 。环境 断裂的本质是材料在某些化学物质 中丧失其原有物 理和力学性质 ， 特别是使材料韧性降低 。它是结构的 应力 、 材料的选择性 、 腐蚀介质和环境参数相互激励 导致的一种材料突发性断裂或爆裂的现象。 井下套管柱处于拉应力状态， 当其拉应力超过 一 定值时， 在含硫环境 中就极易发生断裂， 不会发生 开裂的最大拉伸应力值被称为环境断裂临界应力。 由于用这个应力值表示不方便 ， 因此常采用材料 的 环境断裂临界应力与该材料的屈服强度的百分 比表 示 ， 称 为临界应力百分 比。按照石油标准规定的断 裂力学试验方法测得套管材料的环境断裂临界应 力， 根据适用性评价方法的要求， 结合油套管屈服强 度与该应力值进行比较分析。只要在工作条件下， 油井管环境断裂临界应力不小于所要求的油井管屈 服强度相应的百分比， 油井管就能安全运行 ， 这被称 之为以环境断裂临界应力百分比为基础的油套管适 用性评价。 2 恒载荷拉伸试验法 Th eNACE S t a n d a r dT e n s il e1 ； t 环境 断 裂临 界应力 评价 方法较 多 ， 可 以参 考 N AC E MR 0 1 7 5 ／ I S O 1 5 1 5 6和 N A C E T M0 1 7 7标 准， 常采用恒载荷拉伸试验法 N AC E方法 A 评价金属 材料在单轴向拉伸载荷作用下的抗环境断裂的能力。 2 ． 1 试验原理 Te s tp r i nc i pl e 通过对试件加载到某一指定 的应力水平 ， 将试 件浸没在特定腐蚀介质中 通常用 N AC E标准 A溶 液 ， 控制试验温度为2 4℃， 记录断裂时间。它提供 了一种简单 的无缺 口试件 ， 应力状态十分明确 。通 常方法 A用断裂时间来确定环境断裂的敏感性。根 据临界应力值的大小或指定一定应力值下的断裂时 间长短 ， 判断材料抗环境断裂性能的优劣。给拉伸 试件加载到特定 的应力水平会得到一个断裂 ／ 不断 裂的试验结果。当多个试件在不同的应力水平下试 验后 ， 就能得到一个 明显的环境断裂 临界应力值。 试验装置见图 1 ， 拉伸试件及其尺寸见图 2和表 1 。 H s 出气加力H 。 S 进气 f } I ●加力 图 1 拉伸试件及试验装 置 F i g ． 1 T e n s i l e s p e c i me n a n d t e s t e q u i p me n t 图 2 拉伸试件 Fi g ． 2 Te ns i l e s pe c i me n 表 1 拉伸试件的尺寸 T a b l e 1 S i z e s o f t e n s i l e s p e c i me n 2 ． 2 试验介质 T e s t me d i u m N AC E标准 A试验溶液 由 5 ． 0 ％ 质量百分比 涂君君等高含硫油气井套管安全系数的合理取值 l 1 3 的 N a C 1 和 0 ． 5 ％ 质量百分 比 的冰 乙酸溶解在蒸 馏水或去离子水 中组成 ， 并充 H ， s至饱和。由此得 到的溶液在与试样接触前 ， p H值为 2 ． 6 - 2 ． 8 。 2 ． 3 试验结果分析 Re s u l t s a n a l y s i s 试件断裂或试验 已持续 7 2 0 h ， 这两种情况无论 出现哪一种都表示试验结束。如果在该试验条件下 试验 7 2 0 h而不断裂， 那么该材料在所施加应力水平 下具有抗环境断裂能力。事实上 ， 非抗硫钢材在施 加屈服强度 8 0 ％ 的应力水平时， 数小时就断裂 ， 例 如， S 1 3 5在 1 h内断裂， P 1 1 0在 3 h内断裂。 对于相同的材料 ， 通过试验确定了多个试件在 所施 加的不 同应力等级下对应的断裂时间。由试 验得 到的同一材料的几组应力一断裂时间数据做 图拟合就可以得到以下 的曲线 图 3 。图中曲线上 的点代表 同一材料不同试件在各 自施加 的不 同应 力条件下 的断裂时间。由这条曲线可 以看 出， 当施 加 的应力接近于 2 6 7 MP a时， 曲线趋近于水平 ， 断 裂时间趋近于无穷， 此时 的应力即为该材料 的临界 环境断裂应力 ， 该应力近似等于该材料屈服强度的 3 1 ％。由此可知 ， 当该材料在不超过材料屈服强度 3 l ％的高含硫环境下 ， 所承受的应力不会超过材料 的临界环境断裂应力 ， 材料不会发生断裂 ， 该材料 在此工作条件下能够安全运行。反之， 材料会发生 断裂 ， 会产生安全隐患， 这就需要针对该高 含硫环 境重新选择材料。此即为针对该高含硫环境材料的 适用性评价。 8 0 o 6 0 0 4 0 0 目 耀 2 o 0 0 饔 也 镫 骥 藿 七 K 破坏 时间／ l l 图 3 某材料 的施加应力一断裂时问对数 曲线 F i g - 3 T h e i mp o s e d s t r e s s f r a c t u r e l o g a ri t h mi c c u r v e o f a ma t e r i a l 3 现场应用 Fi e l d a p p l i c a t i o n 环境断裂临界应力与材料屈服强度的百分 比称 为临界应力百分 比。不同套管的临界应力百分 比不 同， 因此 ， 为了保证工作应力不大于环境断裂临界应 力 ， 应按套管和油管抗内压强度乘 以临界应力百分 比， 在此基础上考虑设计安全系数 。临界应力百分 比的倒数即为该套管或油管的最小安全系数。根据 上述理论 ， 结合相关标准对管材临界应力百分 比的 要求 ， 就可以对套管安全系数进行选取。 对于油套管的临界应力百分比的要求， 国外已 经有一些标准对此做了规定 ， 国内目前还没有 比较 完善 的标准 出台。加拿大 C ri t i c a l S o u r D ri l l in g I n d u s t r y R e c o mme n d e d P r a c t i c e I R P V o l u me 1 - 2 0 0 4 标准明确给出了基于临界应力百分比的安全系数选 取方法 1 J 5 5和 K5 5套管管体和接箍 应在尽可能 靠近管 内壁处取样 ， 按 N AC E T M0 1 7 7方法 A和 A 溶液检验 ， 临界应力百分 比应不小于 8 0 ％， 安全系数 不小于 1 ． 2 5 ； 2 L 8 0 ， C 9 0和 T 9 5 ， 临 界应力 百分 比不 小于 9 0 ％， 安全系数不小于 1 ． 1 1 。 3 屈服强度为 7 5 8 ． 4 MP a 1 1 0 k s i 级别的抗硫 钢种未列入标准， 其临界应力百分比由厂家提供 ， 设 计者认可。 设计者可按上述方法计算设计安全系数。 如果临界应力百分比为 8 5 ％， 安全系数不小于 1 ． 1 7 。 4 生产套管和技术套管 、 油管均应按上述方法 取抗 内压设计安全系数 ， 并且不考虑外挤压力和水 泥环的补偿作用。 4 结论和建议 Co n c l u s i o n s a n d s u g g e s t i o n s 1 高含硫环境油套管的主要失效模式是环境断 裂 ， 对材料抗拉伸性能影响较大， 需要重点关注。 2 本评价方法的关键就是要确定材料的环境断 裂临界应力 。环境断裂临界应力的评价方法通常采 用 NAC E方法 A即恒载拉伸荷试验法， 所用试验溶 液采用 N AC E溶液 A。试验结果对以环境断裂力学 评价为基础的油套管适用性评价方法的设计有非常 重要的作用 。 3 通过试验得出的应力一断裂时间的数据能够 确定材料临界环境断裂应力 ， 并进一步地确定套管 安全系数的合理取值 。 4 国外 已有针对高含硫环境油套管适用性评 价的相关研究和标准， 但国内对这些方面相关研究 还 比较少 ， 建议加大对这方面研究的投入力度。 下转 第 1 1 8页 1 l 8 石油钻采工艺2 0 0 9年 6月 第 3 1 卷 第 3 期 上接第 1 l 3页 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] [ 2] [ 3 ] [ 4] [ 5] [ 6 ] AP I Bu l l e t i n 5 C3 ．6 t h e d i t i o n 1 9 9 4 ． Bu l l e t i n f o r mu l a s a n d c a l c u l a t i o n s f o r c a s i n g ， t u b i n g ， d ri l l p i p e ， a n d l i n e p i p e p r o p e r t i e s l S J． I S0 l 04 0020 04．Pe t r ol e u m a nd na tur aI ga s i nd us t r i es - f o r mu l a a n d c a l c u l a t i o n for c asi n g ，t u b i n g ， d r i l l p i p e a n d l i n e p i p e p r o p e r t i e s l S j． NACE TM0 1 7 7 2 0 0 5 ． La b o r a t o r y t e s t i n g o f me t a l s f o r r e s i s t a n c e t o s u l fid e s t r e s s c r a c k i n g a n d s tre s s c o r r o s i o n c r a c k i n g i n H， S e n v i r o n me n t s l S j． NAC E． MR0 1 7 5 ／ I S O1 5 1 5 6 2 0 0 3 ． Me t a l s for s u l fi d e s t r e s s c r a c k i n g r e s i s ta n c e i n s o u r o i 1 fi e l d e n v i r o n me n t l S J． I RP Vo l u me 1 ． 2 0 0 4．Cr i t i c a l s o u r d r i l l i n g i n d u s t r y r e c o mme n d e d p r a c t i c e l S J． I S O l l 9 6 0 2 0 0 4 ． Pe t r o l e u m a n d n a tur a l g a s i n d u s t r i e s S t e e l p i p e s for u s e as c a s i n g o r t u b i n gf o r we l l s【 Sj． [ 7] 郑茂盛， 周根树， 赵新伟， 等 ． 现役油气管道安全性评价 研究现状 [ J ]． 石油工程建设 ， 2 0 0 4 ， 3 0 1 1 - 6 ． Z HENG Ma o s h e n g ， ZHOU Ge n s h u ， ZHAO Xi n we i ， e t a 1 ． Cu r r e nt s tat u s o f s a f e t y e va l u a t i o n f o r pi p e l i n e a t a c t i v e s e t - v i c e[ J ] ． P e tr o l e u m E n g i n e e r i n g C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 4 ， 3 0 1 1 _ 6 ． 『 8 1 S Y ／ T 5 3 2 2 ． 2 0 0 0 ． 套管柱强度设计方法 [ s]． 北京机 械 工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． S Y／ T5 3 2 2 ． 2 0 0 0 ． De s i g n me t h o d f o r c a s i n g s t r i n g s t r e n g t h [ s]． B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 1 ． [ 9 ] 拉比亚H． 套管设计基础[ M ] ． 北京石油工业出版社， 1 99 5． L a b i gH ． C asi n g d e s i gn b a s i s[ M]． B e i j i n g P e tr o l e u mI n d u s t r y P r e s s ， 1 9 9 5 ． 修改稿收到 日期2 0 0 9 0 3 ． 2 1 [ 编辑朱伟 ]