高温环境下钛合金筛管力学性能试验研究*

李冰 周波 汪海阁 查永进 张富成 何柳

(中国石油集团工程技术研究院有限公司)

李冰,周波,汪海阁,等.高温环境下钛合金筛管力学性能试验研究.石油机械,2022,50(11):81-89.

0 引言

随着我国油气勘探开发向深层、复杂地层的不断深入,深井超深井等复杂油气井在钻井和开发过程中容易出现井筒完整性失效,其中筛管失效广泛存在于深层高温井中,是油气生产面临的关键问题之一[1-5]。在深层高温井、稠油热采开发模式下筛管服役工况极为苛刻,随着水平井长水平段筛管的大量使用,筛管的完整性和防砂失效问题日益突出:一方面常规碳钢材料在高温下产生较大的热应力载荷,使筛管发生弯曲变形或断裂,导致油井停产或报废;另一方面筛管孔眼处在高温下发生明显变形,造成防砂失效,进而引发产量降低、井筒砂堵、管线及地面设备冲蚀损坏、停井停产等系列问题[6-10]。近年川渝高温超深井实践证明,单纯地改变外径、壁厚、钢级仍不能完全避免失效情况的发生,开展热采井筛管的力学性能研究及其在高温及交变热应力载荷条件下的热稳定性研究具有重要意义。钛合金作为一种新型井下筛管部件材料,成为稠油热采井、超深层高温井筛管材质发展的重要方向。相对于传统碳钢,钛合金材料具有热应力低、变形小等性能特征[11-12],对于提升筛管完整性和油气井的防砂有效性具有显著优势。

20世纪50年代,美国成功研制出第一种实用的钛合金材料(Ti-6Al-4V合金),之后国内外学者围绕钛合金材质、热强度、抗蚀性及导热弹性等开展了大量的研究[13-18]。目前,钛合金材料在航空、医疗、军工等领域已有广泛的研究和应用,但在油气井工程领域,钛合金管材(尤其是钛合金筛管)的研究与应用仍处于起步阶段。陈培亮等[19]采用Gleeble 1500热模拟机分析了Ti-Al-X合金的热变形行为,研究表明,钛合金材质随着变形温度和应变速率的增加,变形抗力显著降低,在应变速率约为0.001 s-1和温度高于1 000℃的变形条件下,合金表现出流变失稳;刘强等[20]通过理论分析、有限元模拟,结合实物试验研究了钛合金油套管抗挤毁性能;赵国仙等[21]分析了钛合金管材在不同苛刻腐蚀环境中的抗腐蚀性能,钛合金表现出了优异的抗应力腐蚀开裂性能。

目前,国内外对钛合金管材研究以理论分析、数值模拟为主,主要为微观材质或局部耐腐蚀测试等,关于在高温环境中的钛合金管体整体力学特性及钛合金筛管工程适用性评价未见报道。笔者围绕钛合金管材在油气井工程中的应用,基于油气井管温度循环和温度载荷等试验装置等,开展高温下管材拉伸性能及冲击特性研究、循环温度下管材应变规律研究、温度载荷变化特征研究和温度对筛管非均匀挤毁载荷影响规律研究,评价钛合金筛管在高温环境中的力学特性及工程适用性,以期为复杂超深层油气井、稠油热采井筛管选型提供新方向。

1 研究试验

1.1 试验装置

本文针对ø177.8 mm×9.19 mm(外径×壁厚)钛合金割缝筛管开展常规理化性能、应变规律、温度载荷变化评价及非均匀挤毁等试验。采用激光割缝工艺在筛管的钛合金套管上制备平行缝,缝长为45 mm,缝宽为0.4 mm,每周50条缝,缝平行排布。在筛管两端各留出140 mm空白区域。筛管尺寸及参数如表1所示。筛管实物图和示意图分别如图1和图2所示。

表1 割缝筛管尺寸及参数Table 1 Dimensions and parameters of slotted screen pipe

图1 割缝筛管实物图Fig.1 Photo of slotted screen pipes

图2 割缝筛管示意图Fig.2 Schematic diagram of slotted screen pipe

1.2 常规理化性能试验

1.2.1 钛合金材料金相分析

钛合金的性能与它的微观组织形貌有密不可分的联系,为观察钛合金材料的显微组织状态,使用OLS 4100激光共聚焦显微镜对钛合金筛管横向金相组织进行分析。按照基体组织分类,钛合金分为以下3类:α合金、β合金和α+β合金[22]。α钛合金是α相固溶体组成的单相合金,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强,但不能进行热处理强化,室温强度不高;β钛合金是β相固溶体组成的单相合金,未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后,合金得到进一步强化,但热稳定性较差,不宜在高温下使用[23];α+β钛合金是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能通过淬火、时效使合金强化[24]。根据各类钛合金特点,油气井钛合金管柱材质以α+β钛合金为主。

使用OLS 4100激光共聚焦显微镜对钛合金筛管横向金相组织进行分析,显微组织照片如图3所示。从图3可见,所显示筛管横向为α+β的双相组织,组织中非金属夹杂相含量较少。

图3 钛合金材料横向组织照片Fig.3 Photo of transverse microstructure of titanium alloy material

1.2.2 钛合金材料硬度试验

钛合金材料硬度低于碳钢,这里硬度测试试验中测量钛合金材料的布氏硬度。参考相关标准[25],取横截面硬度环试样对钛合金材料室温硬度性能进行评价,试验中选用直径10 mm的硬质合金球,在29.4 kN的试验载荷作用下,保持10～15 s。

钛合金试样横截面硬度测试结果见表2。从表2可知,钛合金试样横截面硬度平均值为264 HB。

表2 钛合金试样横截面硬度Table 2 Cross-section hardness of titanium alloy sample

1.2.3 钛合金管材拉伸、冲击性能试验

为了解钛合金材料的动态力学特性,参照相关标准[26-27]开展钛合金管材拉伸、冲击性能试验。取尺寸为300.0 mm×12.5 mm×9.19 mm(长×宽×高)的片状室温拉伸试样(试样1)、190.0 mm×10.0 mm×9.2 mm的片状高温拉伸试样(试样2)及尺寸为55.0 mm×10.0 mm×7.5 mm夏比V形缺口冲击试样(试样3)对在室温及高温(50、100、150、200、250、300、350℃)下钛合金材料的拉伸性能及冲击性能进行评价试验。

1.3 循环温度作用下钛合金筛管应变试验

为了研究循环温度作用下钛合金割缝筛管的应变规律,开展温度循环试验,找出多轮次加热和冷却过程中筛管轴向长度的变化规律。参考ISO 13679—2002标准,对筛管进行加热,在不同温度点保温后记录伸长量,重复加热及降温,以此来评价高温和交变热应力对筛管轴向热伸长的影响。试验系统如图4所示。采用加热炉对全长1.7 m的钛合金筛管进行加热。钛合金筛管温度循环试验流程如表3所示。

图4 温度循环试验装置Fig.4 Temperature circulation test device

表3 温度循环试验流程Table 3 Procedure of temperature circulation test

1.4 钛合金筛管温度载荷试验

为了研究温度与钛合金材料轴向载荷之间的关系,开展钛合金筛管温度载荷试验,测定筛管在高温条件下的轴向热应力载荷。试验流程如表4所示。将筛管两端固定至试验机上,使用温度载荷试验系统(见图5)中试验装置逐渐加热至150、250、350℃并保温,对试验机两端载荷进行记录。温度载荷试验中,加热带总长为1 m,筛管总长度为1.7 m。试验过程中,在筛管两端施加轴向压缩力125 kN,以确保筛管与试验机完全接触。

表4 温度载荷试验流程Table 4 Process of temperature load test

图5 温度载荷试验系统Fig.5 Temperature load test system

1.5 温度对钛合金筛管非均匀挤毁影响试验

为了研究温度对钛合金筛管非均匀挤毁的影响,使用非均匀挤毁试验系统对钛合金割缝筛管在室温、高温(350℃)下进行挤毁试验,检测钛合金筛管抗挤毁性能。试验装置如图6所示。

图6 非均匀挤毁试验机Fig.6 Uneven collapse test machine

参照相关标准[26-27],试验过程中,上、下压头位移均为20 mm,总位移为40 mm。高温挤毁试验中筛管经加热带加热至350℃,后被非均匀挤毁。加热装置如图7所示。

图7 加热装置Fig.7 Heating device

2 结果与分析

2.1 钛合金管材的拉伸性能及冲击性能对温度敏感性分析

对在室温及高温(50、100、150、200、250、300及350℃)下钛合金材料的拉伸性能及冲击性能进行检测,检测结果如图8～图11所示。从图8和图9可知,钛合金试样抗拉强度和屈服强度随温度升高而降低,在350℃时钛合金试样仍具有较优力学性能,其抗拉强度为700 MPa,屈服强度为552 MPa。

图8 抗拉强度-温度曲线Fig.8 Tensile strength-temperature curve

图9 屈服强度-温度曲线Fig.9 Yield strength-temperature curve

由图10可知,钛合金筛管的延伸率整体较为稳定,变化情况受试样尺寸影响较大。

图10 延伸率-温度曲线Fig.10 Elongation-temperature curve

从图11可知,随温度升高,钛合金筛管的冲击性能也增强,当温度超过250℃时,冲击功增长缓慢,因此设定冲击试验最高温度为300℃。

图11 冲击功-温度曲线Fig.11 Impact energy-temperature curve

350℃时J55级别碳钢筛管材料的屈服强度衰退率为26.71%,N80和P110级屈服强度衰退率为7.9%,而研究中所用的钛合金筛管屈服强度降低28.7%。钛合金350℃力学性能衰退率与J55级钢相近,高于同级别的P110级钢。

2.2 循环温度作用下钛合金筛管应变规律

7个轮次温度循环试验筛管轴向伸长量-温度曲线如图12～图18所示。200 m碳钢筛管轴向伸长量-温度曲线如图19所示。

图12 第1轮次温度循环试验Fig.12 The 1st round of temperature circulation test

图13 第2轮次温度循环试验Fig.13 The 2nd round of temperature circulation test

图14 第3轮次温度循环试验Fig.14 The 3rd round of temperature circulation test

图15 第4轮次温度循环试验Fig.15 The 4th round of temperature circulation test

图16 第5轮次温度循环试验Fig.16 The 5th round of temperature circulation test

图18 第7轮次温度循环试验Fig.18 The 7th round of temperature circulation test

图19 200 m碳钢筛管温度与轴向伸长曲线Fig.19 Temperature and axial elongation curve of 200 m carbon steel screen pipe

图17 第6轮次温度循环试验Fig.17 The 6th round of temperature circulation test

由图12～图18可知,7个轮次温度循环试验中温度升高至350℃时,筛管伸长量分别为2.47、2.90、2.95、2.73、2.71、2.90和2.88 mm,平均伸长量2.79 mm,此时钛合金筛管轴向伸长率为0.187%。对于碳钢筛管,温度为120、250和350℃时,碳钢筛管轴向伸长率分别为0.13%、0.30%、0.43%,350℃时,200 m长的碳钢筛管轴向伸长量可达865 mm[28],如图19所示。而此时钛合金筛管伸长量为374 mm。

2.3 钛合金筛管温度-载荷变化规律

在钛合金筛管温度-荷变化试验中,逐渐加热至150、250和350℃并分别保温,记录试验机两端载荷,温度-载荷曲线如图20所示。由图20可知,温度-载荷试验中,将钛合金筛管加热至150、250和350℃时分别保温,轴向压缩载荷相应增加145.3、238.5和351.7 kN。碳钢筛管中常用的CMS筛管和复合筛管加热至350℃时,每米轴向载荷分别增加905和957 kN[29],如图21所示。该结果约为研究所用钛合金筛管的2.6和2.7倍。

图20 钛合金筛管温度-轴向载荷曲线Fig.20 Temperature-axial load curve of titanium alloy screen pipe

图21 碳钢筛管轴向压缩载荷-轴向伸长量曲线Fig.21 Axial compression load-axial elongation curve of carbon steel screen pipe

2.4 温度对钛合金筛管非均匀挤毁影响

室温、高温(350℃)下非均匀挤毁试验用筛管实物如图22和图23所示。室温、高温(350℃)下非均匀挤毁后筛管实物照片如图24、图25所示。室温、高温(350℃)下非均匀挤毁试验中上、下压头载荷-位移曲线如图26和图27所示。从图24和图26可见,当室温非均匀挤毁试验中上、下压头位移为19.6 mm时,筛管发生断裂,此时上、下压头载荷分别为442和463 kN,挤毁后筛管发生了较大的塑性变形,并且从割缝处沿筛管周向发生了断裂。从图25和图27可知,当350℃非均匀挤毁试验中上、下压头位移为17.2 mm时,筛管发生断裂,此时上、下压头载荷分别为283和304 kN,钛合金筛管非均匀挤毁载荷值相对常温降低36%,试验结束后筛管不仅发生了较大的回弹,且其割缝处还发生了较大范围的断裂。

图22 室温非均匀挤毁试验用筛管Fig.22 Screen pipe for uneven collapse test at room temperature

图23 350℃非均匀挤毁试验用筛管Fig.23 Screen pipe for uneven collapse test at 350℃

图24 室温非均匀挤毁后的筛管Fig.24 Screen pipe after uneven collapse at room temperature

图25 350℃非均匀挤毁后的筛管Fig.25 Screen pipe after uneven collapse at 350℃

图26 室温非均匀挤毁试验载荷-位移曲线Fig.26 Load-displacement curve of uneven collapse test at room temperature

图27 350℃非均匀挤毁试验载荷-位移曲线Fig.27 Load-displacement curve of uneven collapse test at 350℃

3 结论与认识

(1)勘探开发领域中油气井钛合金管柱材质选择以α+β钛合金为主,双相组织α+β钛合金具有优良的综合性能,组织稳定性好,且韧性、塑性和高温变形性能良好,能较好地对其进行热压力加工,能通过淬火、时效使合金强化。

(2)钛合金与普通碳钢相比具有较小的热应变,350℃循环温度下,钛合金筛管最大轴向伸长率为0.187%,为同规格碳钢筛管伸长率的43.2%;钛合金筛管轴向压缩载荷是常规碳钢筛管的37%,钛合金筛管的应用有利于提升筛管防砂能力。

(3)钛合金筛管在350℃温度下的屈服强度相比在常温下降低28.7%,衰退率与J55钢相近;350℃时钛合金筛管非均匀挤毁载荷值相对常温降低36%。在对钛合金筛管材质选择优化时,应注重温度对其管材强度性能的影响。