【摘要】：油套管是一種對油氣井井壁起支撐作用的石油專用管材,以保證鉆井作業(yè)的順利進行和完井后油氣井的正常運行。由于油氣井內(nèi)往往存在較高的溫度和壓強,并含有H_2S等多種腐蝕介質(zhì)。隨著深井和超深井油氣田的勘探和開發(fā),石油工業(yè)對油套管的強度和抗腐蝕性能均提出了更高的要求。油套管在含濕H_2S等腐蝕環(huán)境的油氣井中服役時,不僅會發(fā)生電化學(xué)腐蝕,導(dǎo)致腐蝕減薄、點蝕穿孔等常見的腐蝕破壞;還可能引發(fā)各種氫損傷失效事故。氫損傷是由于電化學(xué)腐蝕中產(chǎn)生的氫原子擴散到鋼中導(dǎo)致的氫脆失效現(xiàn)象,主要包括氫鼓泡、硫化物應(yīng)力開裂(SSC)、氫致開裂和應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂等。其中,SSC是材料在應(yīng)力和濕H_2S環(huán)境共同作用下,在遠低于屈服強度的情況下發(fā)生的一種斷裂失效現(xiàn)象。SSC是油套管服役中最常見的失效形式之一,可造成油井報廢、財產(chǎn)損失、生態(tài)破壞甚至人員傷亡等嚴重后果。因此,油套管的安全性和可靠性在油氣田開采中十分關(guān)鍵,生產(chǎn)兼具高強度和良好抗SSC性能的油套管是保障國家油氣資源可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。本文選取寶鋼生產(chǎn)的多種C110油套管,研究了熱處理對軋態(tài)油套管微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。在此基礎(chǔ)上,按照NACE TM 0177-2005標(biāo)準(zhǔn)中的A法或D法試驗評價有關(guān)油套管的抗SSC性能。首先以裂紋為中心,探究了SSC裂紋的生長規(guī)律。其次,研究了調(diào)質(zhì)工藝和軋后中斷加速冷卻對C110油套管抗SSC性能的影響。最后,結(jié)合X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和電子背散射衍射(EBSD)等表征分析手段以及氫滲透實驗,系統(tǒng)研究了微觀結(jié)構(gòu)、析出物、晶界和位錯等因素對SSC行為的影響,并從氫與鋼的相互作用的視角,揭示了SSC的形成機理。實驗結(jié)果表明:1.經(jīng)正火、淬火和調(diào)質(zhì)(淬火+回火)處理后的油套管的微觀組織分別為鐵素體?貝氏體、馬氏體和回火馬氏體。XRD分析電解萃取得到的析出相發(fā)現(xiàn),正火和調(diào)質(zhì)樣品的析出相均主要為滲碳體(M_3C),淬火樣品的析出相主要為MC型碳化物。采用能譜半定量分析有關(guān)相的成分驗證了貝氏體轉(zhuǎn)變是一個非平衡轉(zhuǎn)變過程。同時,采用TEM確認調(diào)質(zhì)樣品中還存在孿晶M_3C和M_7C_3型碳化物。力學(xué)性能結(jié)果表明,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的油套管具有較好的強韌性,因此調(diào)質(zhì)工藝是生產(chǎn)高性能油套管所適合的熱處理方式。2.EBSD分析SSC裂紋附近區(qū)域、裂紋分支附近區(qū)域、遠離裂紋區(qū)域和無裂紋區(qū)域的晶界特征發(fā)現(xiàn),裂紋附近區(qū)域的低角度晶界比例較高,而遠離裂紋或無裂紋的區(qū)域的高角度晶界的比例較高。分別用中心平均取向差角(KAM)和泰勒因子分布圖評價各區(qū)域的局部應(yīng)變(即位錯密度)和晶粒形變難易程度發(fā)現(xiàn),裂紋附近區(qū)域的位錯密度較高,且包含較多難變形的、高泰勒因子的晶粒。油套管開裂后,腐蝕液滲入裂紋中發(fā)生的腐蝕反應(yīng)將促進裂紋繼續(xù)擴展。3.經(jīng)不同調(diào)質(zhì)工藝處理的油套管,盡管能得到相似的回火馬氏體組織、相同的M_7C_3碳化物和相近的力學(xué)性能,但卻表現(xiàn)出不同的SSC敏感性。EBSD和NACE-D法實驗結(jié)果表明,鋼中位錯密度越低,其抗SSC性能越好。由于位錯捕獲氫的能力比晶界強,所以位錯對SSC行為的影響較顯著。與一次調(diào)質(zhì)的油套管相比,經(jīng)二次調(diào)質(zhì)后,油套管的位錯密度繼續(xù)降低,其抗SSC性能進一步改善。4.晶界、位錯和析出物均是氫陷阱,可通過影響氫在鋼中的擴散、運輸和捕獲行為使油套管表現(xiàn)出不同的SSC敏感性。在外部應(yīng)力的作用下,位錯捕獲的氫可以隨著位錯的運動被轉(zhuǎn)移到潛在裂紋區(qū)域而誘發(fā)SSC裂紋。因此,SSC敏感性主要取決于位錯密度,位錯密度高的鋼含有較多轉(zhuǎn)移氫的“輸運者”,可將氫運輸?shù)搅鸭y敏感區(qū),使鋼表現(xiàn)出較差的抗SSC性能。5.中斷加速冷卻(IAC)工藝引入到C110油套管的生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),與軋后正常空冷(NAC)相對比,經(jīng)IAC工藝處理的油套管能在不降低強度的前提下改善其抗SSC性能。IAC樣品經(jīng)過一次調(diào)質(zhì)可得到與NAC樣品經(jīng)過二次調(diào)質(zhì)相近的低水平位錯密度,從而減少氫的“輸運者”,為良好的抗SSC性能提供必要的前提。氫滲透實驗表明,調(diào)質(zhì)IAC和NAC樣品的氫擴散系數(shù)相近,但前者的不可逆氫陷阱密度高于后者。這些不可逆氫陷阱主要是析出物,它們分散氫在鋼中的分布,并抑制位錯的運動,使油套管的抗SSC性能進一步得到提高。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE931.2
【圖文】：

圖 1.1 套管和油管在油井中的位置示意圖ig. 1.1 Illustration for locations of casing and tubing in the oil w石油工業(yè)用量最大、花費最多的石油物資，在整個根據(jù)我國建井的具體情況，大體上每鉆進 1 m 需要g，因此，油氣工業(yè)勘探開發(fā)總是伴隨著油井管的大產(chǎn)油井管的廠家主要集中在日本住友金屬公司、日團以及德法合資的瓦盧瑞克和曼內(nèi)斯曼鋼管公司（V大國，油井管市場潛力巨大，石油工業(yè)的發(fā)展有力，也推動了各大油田油套管的國產(chǎn)化。根據(jù) API 網(wǎng)I 會標(biāo)使用權(quán)的油套管企業(yè)有 508 家，主要包括天津山鋼鐵股份有限公司、無錫西姆萊斯石油專用管有公司、攀鋼集團成都鋼鐵有限責(zé)任公司、包頭鋼鐵4

圖 1.2 近年來我國石油套管行業(yè)的需求量和產(chǎn)量g. 1.2 The demands and outputs for the casing steels industry of China in rec工況環(huán)境復(fù)雜苛刻的油氣田的勘探和開發(fā)，油套管所面臨的雜，如含高硫腐蝕環(huán)境、超深超高壓高溫腐蝕環(huán)境、酸性腐蝕導(dǎo)致油套管在服役過程中發(fā)生失效破壞，造成油氣減產(chǎn)，甚正常的勘探開發(fā)與生產(chǎn)。全國各油田每年因套管損壞造成的經(jīng)濟損失高達幾十億元。因此，套管的安全性直接關(guān)系到油也決定著油井甚至油田的壽命。管的技術(shù)進步對于石油工業(yè)的增產(chǎn)增效意義重大，經(jīng)過冶金系統(tǒng)的潛心鉆研和艱苦攻關(guān)，目前，我國油套管行業(yè)已經(jīng)逐術(shù)封鎖，扭轉(zhuǎn)了油套管依賴進口的被動局面，自 2010 年油套到了 90%以上[5,6]，不僅基本滿足了國內(nèi)油氣田開發(fā)對各類

【參考文獻】

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本文編號：2728798