超高溫高壓井如何合金材料和接頭？

對于超高溫高壓井而言，冶金技術和螺紋接頭是限制管柱性能的瓶頸。為實現經濟價值最大化，在進行設計時需要考慮碳鋼、熱軋鉻基不銹鋼和冷硬化材料等多種材料的靈活應用。

來自 | World oil
編譯 | 周詩雨

一般來說，高溫高壓井被定義為作業壓力范圍在10,000psi~15,000psi內，作業溫度超過300℉的井。但是事實上，許多油公司所鉆的，或計劃鉆的井的溫度和壓力都超過了20,000psi和400℉，因此以前的材料和連接件不再能夠滿足有效完井和HSE方面的要求。

使用冷硬化合金，能夠對抗井下的H₂S和CO₂，但缺點是貴，訂購所需提前期長。而且它們也比熱成品更容易受到溫度和各向異性的影響。但冷硬化合金有個優點，就是屈服強度可達到140ksi以上。很多時候，使用鉻（Cr）含量較高的熱軋材料和專用碳鋼也可以達到較好的效果，并且費用更低，高溫下材料的退化情況也更樂觀。

現在，有耐弱酸碳鋼、馬氏體15Cr和馬氏體+鐵素體+奧氏體17Cr不銹鋼制成的超重型壁管（>1in.wt）和接箍毛坯(2.5in.wt)，額定最小屈服強度（SMYS）可達到125ksi。它們不僅具有更厚的壁厚和更高的屈服強度，同時經證明，其也具有抗CO₂和H₂S性，因此對于超高溫高壓井來說是有效的工程選擇。

材料選擇

在設計初期就應對材料進行篩選和選擇。通過優化尺寸和屈服強度可以實現更好的壓力和強度性能，但關鍵是要確定材料對井下環境的適用性。如果只給出所需的管柱尺寸和屈服強度，那么基本上也就僅僅能確定材料強度與尺寸大小是否匹配，價值不大。在設計時需要注意，所選的材料必須要能夠承受井筒內惡劣的環境，還要能夠頂住完井/封隔器流體的侵蝕。

H₂S、CO₂、氯化物、pH以及井生命周期內溫度等因素的綜合影響決定了特定材料等級的適用性。溫度升高有助于提高抗SSC性，但同時也會增加應力腐蝕開裂和CO₂腐蝕程度（高達300℉）。所以應該考慮最低溫度（通常是關井溫度或近地表溫度）下的抗SSC性，而在考慮CO₂腐蝕性時應該考慮可能的最高溫度。

材料甄選流程最后應該形成成本盡可能最低且可靠的解決方案。材料的成本很大程度上取決于化學工藝和制造過程。碳鋼成本最低，但使用風險最大；雙相合金或鎳合金可以應對高腐蝕性環境，但成本最高，交貨時間最長。因此關鍵點是找到既能滿足所有要求，還要成本最低、交付時間最短的那款材料。

各種已知和未知的參數，以及在壓力和溫度的影響下產生的組合效應是非常復雜的。 所以，最終材料的選擇應由材料和應用專家來決定。初步分析時還應考慮H₂S、CO₂和pH值等因素。當井況隨著深度、壓力和溫度變化時，有一種較為常用的材料選擇方法，概述如下：

1.當CO₂分壓低于3psi（0.021MPa），使用碳鋼可以滿足抗SSC和抗腐蝕性；
2.當CO₂分壓高于3psi（0.021MPa），H2S分壓低于1.5psi（0.0155 MPa）時，可以使用含Cr熱成品產品；
3.當CO₂分壓高于3psi（0.021MPa），H2S分壓高于1.5psi（0.0155 MPa）時，需要使用冷硬化合金。

采用混合材料的管柱是一種提高整體有效性的創新方案。根據溫度和井況的變化，混合材料的使用是可能實現的：在井況惡劣的井段使用強度較高的材料，而在井況相對較好的井段，則可以使用便宜點的材料。在滿足所需材料性能的同時，混合材料管柱還能降低總成本。

含酸環境

含硫化氫酸性環境是指H₂S分壓高于1.5psi（0.0155MPa），但其實酸性環境的嚴重度是H2S分壓、溫度和pH值共同的函數。

碳鋼

根據美國腐蝕工程師協會（NACE）標準中碳鋼在酸性環境中的嚴重程度分區，在1區、2區，以及部分3區內，碳鋼的額定最小屈服強度可達125ksi；在NACE 3區高酸性環境中，碳鋼的屈服強度通常被限制在了110ksi。厚壁碳鋼材料（高達1.3in.wt）屈服強度可達到125ksi，可以滿足NACE所劃分的3區（pH=4.0，H₂S分壓為7psi）環境內的應用需求。

鉻熱軋材料

當部分H₂S與CO₂并存的條件下，熱軋不銹鋼（如13Cr，15Cr和17Cr）就成了有吸引力的替代品。這些材料的屈服強度可達到125ksi，而且耐腐蝕性比冷軋產品更好，屈服強度的退化也更弱。與冷硬合金相比，價格又更低、交付時間也更短。這種材料在回接套管柱中已經得到了成功應用，壁厚達1.35in，屈服強度達125000psi。

冷加工材料

雙相不銹鋼（22Cr），超級雙相不銹鋼（25Cr）和鎳合金具有最好的抗SSC和抗腐蝕性，但是價格昂貴，同時不易生產大尺寸的管柱。這些材料的加工、處理和安裝也更困難。一般來說，如果只有它們能滿足可靠性，那么就只能選它們，但是我們不應該忘了考慮是全部管柱都用他們，還是適當地采用混合材料。

提高機械性能

管柱的基本參數變量有外徑（OD）、壁厚和屈服強度。外徑和壁厚的約束參數是外徑公差、通徑、內徑公差的函數。經過約束后，管柱尺寸可能不再是標準尺寸。

內壓

一般情況下，內部屈服壓力可以通過Barlow方程（PYield=2σt/OD）計算，再乘以表示最小壁厚偏差（0.875,0.9）的因子。通過降低最小壁厚偏差能夠提高額定內壓值。在訂購管柱時可以選擇10%、7.5%、甚至5%的壁厚負偏差。雖然每提高一個等級只能提高2.5%的內部屈服壓力，但可能就是決定能否滿足設計標準的關鍵。

一些情況下，也可以定購一定比例低偏差的管柱，以滿足更高的壁厚要求。當訂購產品的壁厚要求更嚴格時，還需要注意管柱是否滿足通徑要求。為了滿足通徑要求，可適當放寬外徑公差。

坍塌壓力

使用傳統API坍塌公式計算出來的額定坍塌壓力值是足夠高的，但是在一些特殊情況下，坍塌壓力要高于API所規定的。制造商會有自己高于API坍塌值的專利“高坍塌”等級，也許能夠為超高溫高壓井的設計需求提供技術支持。通過制造更厚的管壁、控制最小屈服強度和改進制造流程，可以獲得更高的坍塌壓力。

制造商需要有一套能經得住考驗的額定坍塌壓力確定方法。在必要時，還要能夠進行與公共標準一致的物理坍塌測試。

其他考慮因素

在超高溫高壓井中一些極端溫度下，材料的屈服強度會退化，影響所安裝管柱和設備的總體性能。冷硬化材料的退化率更高，通常大約是熱軋材料的兩倍。在極端溫度下（450℉），熱軋材料的屈服強度退化會超過10%，而冷硬化材料則會超過20%。

螺紋連接

最后還需要考慮螺紋連接件。通常有三類接頭：

（1）平式接頭，外螺紋和內螺紋都是直接車在管柱上的；
（2）半平式接頭，其中內螺紋端可進行賬接，釋放應力：
（3）接箍式接頭。

其中， 平式接頭提供的間隙最大，半平式與平式類似，而接箍式接頭所需的間隙最大。對于非標準管道，需要根據管道特性，量體匹配最佳的接頭。

提高超高溫高壓井的經濟效應

隨著材料等級和軋制技術的進步，超高溫高壓井完井有了更多的選擇。在為超高溫高壓井完井選擇適合的管柱時，人們需要對材料的性能和尺寸有一個全面了解。盡管這可能是一個耗時、并且不斷迭代的工作。通過早期的研究和討論確定選擇方案，能夠以最經濟的方式得到最安全、最可靠的管柱產品。

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