石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (1): 58-61
适用于致密气藏钻完井的新型超级13Cr油钻杆管材性能测试
曾德智 1, 田刚 1, 施太和 1, 侯铎 1, 贾华明 2, 卢强 2, 赵鹏 3     
1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室;
2. 中国石油塔里木油田分公司;
3. 宝山钢铁股份有限公司
收稿日期：2013-09-04
基金项目：国家自然科学基金“腐蚀与脉动冲击载荷共同作用下超高强度钻具疲劳损伤行为与控制机制研究”（51374177）和国家自然科学基金“基于材料非线性随动强化的双金属复合管成型机理及其强度特性研究”（51004084）
作者简介：曾德智(1980-), 男, 四川宜宾人, 2007年6月毕业于西南石油大学油气井工程专业, 博士, 副研究员, 现为西南石油大学石油工程学院教师, 从事石油管力学与环境行为等方面的研究工作。电话:028-83032901。地址:(610500)四川省成都市新都区新都大道8号。E-mail:zengdezhi1980@163.com.
摘要：为满足塔里木致密气藏氮气钻完井需求，研制了一种新型高强度超级13Cr油钻杆。采用MTS试验机对新型超级13Cr油钻杆和S135钻杆的强度性能进行了对比测试；采用示波冲击试验机对新型超级13Cr油钻杆和S135钻杆的冲击性能进行了对比测试；采用高温高压釜对新型超级13Cr油钻杆和S135钻杆的耐CO2腐蚀性能进行了对比测试。结果表明：新型超级13Cr油钻杆具有良好力学性能和耐腐蚀性能，其屈服强度937 MPa、抗拉强度976 MPa、延伸率为21.5%、室温冲击功162.82 J。其拉伸性能与S135接近，冲击性能明显优于S135；模拟工况下，新型超级13Cr油钻杆气相腐蚀速率0.003 6 mm/a、液相腐蚀速率0.039 4 mm/a。因此，新型超级13Cr油钻杆既能满足钻井的需要又能满足完井开采的要求，可为含CO2致密砂岩气田氮气钻完井作业提供支持。
关键词：致密砂岩气    新型超级13Cr油钻杆    S135钻杆    力学性能    腐蚀速率    
Performance test of a new super 13Cr oil drill pipe used for tight gas reservoir drilling and complication
Zeng Dezhi1 , Tian Gang1 , Shi Taihe1 , Hou Duo1 , Jia Huaming2 , Lu Qiang2 , Zhao Peng3     
1. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;
2. Engineering Department of PetroChina Tarim Oilfield Company, Korla 841000, Xinjiang, China;
3. Baoshan Iron · Steel Co., Ltd, Shanghai 201900, China
Abstract: A new high strength super 13Cr oil drill pipe was developed for tight gas reservoir exploitation in Tarim oilfield. This paper studies the tensile property and impact property of S135 dirll pipe and new super 13Cr oil drill pipe by a material tensile testing machine and a instrumented impact testing machine respectively. Their corrosion resistance to CO2 is also studied through high temperature and high pressure autoclave test. The results show that the ultimate strength of the new super 13Cr steel reaches 976 MPa, with the yielding strength 937 MPa and elongation 19.0%. Its impact energy reaches 162.82 J. Compared with S135 steel, the new super 13Cr steel has similar strength property and better impact property. Under the test condition, the corrosion rate of the super 13Cr steel is 0.003 6 mm/a in gas phase and 0.039 4 mm/a in liquid phase. Therefore, the new super 13Cr oil drill pipe can meet the requirement of drilling and well complication. The new oil drill pipe could provide support for tight gas reservoir nitrogen drilling and well complication.
Key Words: tight gas reservoir    new super 13Cr oil drill pipe    S135 drill pipe    mechanical property    corrosion rate    

致密砂岩气是非常规天然气的一种，是常规天然气资源最重要的后备资源之一。据报道[1]，我国致密砂岩气可采储量约占全国天然气可采储量的1/3。2011年致密砂岩气产量已占全国天然气总产量的1/4，成为天然气新的增产点[2-3]。我国致密砂岩气是非常规天然气发展的领头羊，具备优先加快发展的条件，但其勘探开发还处于探索阶段，算不上规模化、集约化发展[4-5]。致密砂岩气层具有低渗透率(小于0.001 μm2)、低孔隙度(小于12%)等特点[6-7]，适合使用气体欠平衡钻井技术开发[8-10]，以便提高钻速、保护储层、发现常规钻井遗漏的产层。

针对塔里木地区致密砂岩气藏氮气欠平衡钻井的需要，塔里木油田公司、西南石油大学和宝山钢铁股份有限公司联合开发了一种新型超级13Cr油钻杆。该产品力学性能和耐CO2腐蚀性能良好，既能作钻杆用于前期氮气欠平衡钻井，也能作油管用于后期完井。该产品的成功应用实现了含CO2致密砂岩气田钻采作业获得高产的目标。本文对比了新研制的超级13Cr油钻杆和S135钻杆的力学性能和耐CO2腐蚀性能，论证了新型超级13Cr油钻杆的优良性能，为致密砂岩气的开发提供技术支持。

1 实验部分

实验所用材料为新型超级13Cr油钻杆与S135钻杆，其化学组成见表 1。

表 1    新型超级13Cr钢与S135钢化学成分 Table 1    Chemical composition of the new super 13Cr steel and S135 steel    (w/%)

拉伸、冲击试样均取自实物钻杆接头，如图 1，平行样为3个。拉伸试样为规定的圆棒试样，实验部分直径12.7 mm。拉伸实验参照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》[12]在MTS 810型拉伸试验机上进行，得到应力-相对应变曲线。冲击试样规格为55 mm×10 mm×10 mm，试样开V型缺口且缺口在管材径向方向。冲击实验参照ISO 14556：2000《钢夏比V型缺口冲击试验仪器化试验方法》[13]在ZBC2302-D型示波冲击试验机上进行，得到载荷-位移曲线。

图 1     拉伸冲击试样取样部位 Figure 1     Sampling position of the tensile and impact test specimens

腐蚀实验的实验仪器为西南石油大学自主研发的高温高压动态釜，如图 2。最大工作压力为70 MPa，最高工作温度为200 ℃。釜体和釜盖材质为整体锻造C276合金，没有任何焊接点。所有与流体接触的管路、阀均为C276合金。腐蚀片取自实物钻杆，规格为30 mm×15 mm×2.8 mm，每种材料气液相试片各3片，分别用240#、400#、600#、800#、1200#砂纸逐级打磨以消除机加工的刀痕。此后，将试样清洗、石油醚除油、酒精除水、冷风吹干后测量具体尺寸并称量，放入干燥箱中备用。

图 2     高温高压动态釜示意图 Figure 2     Schematic diagram of the high temperature and high pressure autoclave

实验总压30 MPa，其中CO2压力1.76 MPa，N2压力28.24 MPa。实验温度为90 ℃，模拟流速5 m/s，实验周期168 h。实验液体为ρ(Cl-)=100 000 mg/L的模拟地层水，用量1.8 L。试验结束后，用去膜液清洗试样表面腐蚀产物，再用自来水冲洗并用滤纸吸干后置于无水酒精或丙酮中浸泡3~5 min，脱水后试样经冷风吹干后，放置一定时间，用电子天平(精度1 mg)称量，并通过失量计算腐蚀速率。

2 实验结果与分析
2.1 拉伸和冲击实验

拉伸实验结果见图 3和表 2。新型超级13Cr屈服强度937 MPa，抗拉强度976 MPa，断后延伸率21.5%。新型超级13Cr油钻杆屈服强度比S135高3.5%，其抗拉强度比S135低3.4%，其延伸率比S135高4.6%。总的来说，新型超级13Cr强度性能与S135接近。

图 3     两种材料拉伸曲线 Figure 3     Tensile curves of the two materials

表 2    两种材料拉伸性能对比 Table 2    Tensile properties of the two materials

冲击实验结果见图 4和表 3。表 3中Wt为冲击总功，是试样断裂所需的能量；Fm为冲击过程最大力，是力-位移曲线上的最大值；Fgy为屈服力，是试样塑性变形开始时对应的力，Wm为最大力对应的能量，可以近似认为是起裂功[13]；Wa=Wt-Wm，近似认为是裂纹扩展功。

图 4     两种材料的冲击过程力-位移曲线 Figure 4     Force-displacement curves of the two materials

表 3    两种材料的冲击参数对比 Table 3    Impact properties of the two material

ISO 14556：2000标准按示波冲击力-位移曲线形状将其分为A-F共6种类型。从图 4可见，两种材料在冲击过程中均没有产生不稳定扩展，因此都属于只产生稳定裂纹扩展的F型曲线，两种钻杆材料都有良好的韧性。新型超级13Cr冲击功为162.82 J，与S135相比其冲击功增加了61.2%。另外，与S135相比，新型超级13Cr冲击开裂过程中的起裂功增加约27%，扩展功增加约77%。新型超级13Cr钢的冲击韧性和抵抗裂纹快速扩展能力大大提高。

新型超级13Cr虽然强度性能与S135钢接近，但其冲击性能明显优于S135材料。即，新型超级13Cr油钻杆能够满足钻井工况对力学性能的要求。

2.2 CO2腐蚀实验

腐蚀速率按GB/T 19292.4-2003《金属和合金的腐蚀大气腐蚀性用于评估腐蚀性的标准试样的腐蚀速率的测定》[14]的规定计算，结果见表 4。

表 4    两种材料在气、液两相中腐蚀速率 Table 4    Corrosion rate of the two materials in gas and liquid phase

从腐蚀结果来看，超级13Cr耐CO2腐蚀性能大大优于S135，两种材料在本实验条件下的腐蚀速率存在数量级差异。新型超级13Cr在气相中没有明显局部腐蚀且腐蚀速率很小，为0.003 6 mm/a。由于液相矿化度很高，在液相中试片出现局部腐蚀，腐蚀速率较大，为0.039 4 mm/a。因此，在塔里木该区块的致密砂岩气开发过程中，应预防井筒积液产生的腐蚀。

3 结论

(1) 新型超级13Cr油钻杆的屈服强度为937 MPa，抗拉强度为976 MPa，断裂延伸率为21.5%，冲击功为162.82 J。可见，新研发的超级13Cr钢具有优良的力学性能。与S135钻杆相比，新开发的超级13Cr油钻杆强度性能与之接近。但是新型超级13Cr冲击韧性明显优于S135钻杆。

(2) 新型超级13Cr油钻杆耐CO2腐蚀性能大大优于S135钻杆，在本实验条件下，气相腐蚀速率为0.003 6 mm/a，液相腐蚀速率为0.039 4 mm/a。液相腐蚀速率较大，应预防开采过程中井筒积液腐蚀。

(3) 新型超级13Cr油钻杆既能满足钻井的需要，又能满足完井开采的要求，可为含CO2致密砂岩气田氮气钻完井作业提供支持。

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