过热蒸汽条件下蒸汽驱管柱材料性能研究

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摘 要：稠油属难采储量，由于其原油粘度高，开发难度比较大。而通过对地层注入过热蒸汽，可以进一步提高井底蒸汽干度，利用过热蒸汽携带热焓较高、能够更好地加热地层的优势，使稠油的原油粘度进一步降低，增加其流动性，最终改善超稠油的开发效果。这里将对蒸汽驱注汽管柱工具及井口主要材料的高温力学性能、高温组织在试验、统计和微观组织分析的基础上，综合评价其服役可靠性，确定是否适合过热蒸汽注入条件。使得过热蒸汽注入配套工艺技术在井下工具的设计、选材方面具有科学理论依据。

关键词 ：过热蒸汽 稠油 注汽管柱工具

1 概况

通过对蒸汽驱过热蒸汽注入的井下工具及井口进行分析研究，在材料分析的基础上，进行井下工具及井口的优化设计及室内实验工作。通过高温金相组织观察、物相分析及材料高温性能测试等室内试验，对现有注汽工具及井口材料在过热蒸汽注入条件下的适应性进行了综合评价，得出了阶段性结论。对在石油工业中广泛使用的井下工具及井口主要材料的高温力学性能、高温组织结构，在试验、统计和微观组织分析的基础上，综合评价出服役的可靠性。

2 过热条件下注汽井口材料30CrMo钢性能评价研究

2.1 30CrMo钢的组织特征

试样分别加热到300℃、400℃并保温60分钟后，淬火，保留高温组织。与室温的6个试样，经粗磨，细磨，抛光后腐刻，所用腐蚀剂均为2%的硝酸乙醇溶液，均腐蚀2―3秒，后于Leica金相显微镜进行组织观察。30CrMo钢的基体组织为珠光体和铁素体，部分组织呈半连续带状分布，对材料的塑性和韧性有较大的影响，铁素体晶粒基体上有1―2条连续的和几条分散的铁素体―珠光体带。所以300℃、400℃下的30CrMo塑性、韧性比常温时有较大提高，但300℃下晶粒碎化且出现了部分网状铁素体等组织缺陷，导致其强度、脆性升高，韧性降低；在扫描电镜下可以明显看出板条状珠光体的片间距，高温时和室温下差别不大。

从低倍到高倍断口形貌看， 拉伸断口形貌主要是韧性断裂，有明显的韧窝状形貌，室温下和高温下的形貌差别不大。宏观上有明显的纤维状小山峰，这些是由塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接而成，断口上主要是大量撕裂韧窝，反映了该试样韧性很好。

2.2 30CrMo钢的性能研究

30CrMo钢的硬度值随温度变化不大，300℃和400℃分别比室温升高0.8%和降低1.3%。

沿30CrMo钢管上纵向取样，加工成常温拉伸试样和高温拉伸试样，在CMT 5105微机控制电子万能试验机上进行恒应变速率拉伸实验，拉伸速率为3mm/min。300℃和400℃高温情况下，屈服强度分别下降6.8%和5.3%；抗拉强度分别升高3.3%和下降5.5%，延伸率分别升高8%和37.8%，断面收缩率分别升高7.3%和18.7%。在强度变化不大的情况下，塑性获得了很大的提升。

因此得出结论：油田所用30CrMo钢的基体组织为珠光体和铁素体，在扫描电镜下可以明显看出板条状珠光体的片间距； 30CrMo管钢在300℃-400℃环境下，硬度分别升高0.8%和降低1.3%。屈服强度分别下降6.8%和5.3%；抗拉强度分别升高3.3%和下降5.5%，延伸率分别升高8%和37.8%，断面收缩率分别升高7.3%和18.7%。疲劳强度具有很好的高温适应性，总之，作为一种耐热合金钢，30CrMo钢在高温服役的情况下，强度变化不大，塑性获得了很大的提升，不影响400℃以下的服役。

3 过热条件下隔热油管材料N80钢性能评价研究

3.1 N80钢的组织特征

沿钢管的横向截取金相试样，将试样分别加热到300℃、400℃，并保温30min，水淬后所有试样经磨制后采用2%的硝酸乙醇溶液腐蚀2-3秒，用金相显微镜及图像分析系统进行观察。N80油井管钢是一种微合金控轧钢，具有高强度、高韧性的特点。N80油井管钢的典型组织为珠光体+铁素体，该钢存在典型粗大网状铁素体缺陷。铁素体易沿奥氏体晶界首先形核长大，随后奥氏体的其余部分转变成珠光体。铁素体晶粒沿珠光体晶粒形成网状铁素体，会严重损害钢的韧性，使钢的强度、脆性增加。从400倍组织图可知，300℃回火后局部粗大网状铁素体量增加，致使钢的韧性降低、抗拉强度增加， 400℃回火后晶粒较均匀，从SEM组织可以看出，400℃回火后珠光体层片间距明显增大，且400℃回火后未出现析出相形貌。

室温、300℃、400℃下，拉伸断口呈现周边典型的解理断裂，心部为韧性断裂的特征，结合扫描电镜分析，韧窝明显，量多，较深，过热蒸汽条件下韧性可以得到提高，充分发挥N80刚的高强高韧的特性。

3.2 N80钢的性能研究

沿N80钢管上纵向取样，加工成常温拉伸试样和高温拉伸试样，在CMT 5105微机控制电子万能试验机上进行拉伸实验，在300℃和400℃时，和常温相比，屈服强度分别下降0.8%和17.3%，抗拉强度分别上升5.1%和下降16.6%，延伸率分别上升6.1%和37.8%，断面收缩率分别下降13.7%和上升10%。在300℃下，强度变化不大，小于5%，塑性指标变化小于13.7%； 在400℃下强度下降在17.3%以内，塑性指标上升，幅度在37.8%以内。

N80试样按GB 5775-86加工成4.5×5×55的近1/2标准件。从油管上沿纵向加工出尺寸为4.5 mm×10 mm×55 mm的式样， 进行室温、300℃、400℃的夏比U型冲击试验，测量夏比冲击功。在300℃、400℃时，采用‘过热法’进行实验：之前升温至310℃、410℃，并保温24min。试样取出后也必须在3～5s内打断试样，如果试样从过热的介质中取出后5s内摆锤未放下，则停止试验，将试样重新放会到过热的介质中保温。N80钢在300℃和400℃时的冲击功与室温相比，分别下降9.4%和17%。

沿钢管纵向加工出尺寸为4.5 mm×10 mm×55 mm的试样， 加工成光滑疲劳试样，分别进行室温、400℃的拉压对称循环疲劳实验， 设定循环周期105为疲劳寿命， 试验交变载荷的频率为500周/min，应力比R=-1， 400℃疲劳强度下降13.8%， 与400℃的抗拉强度大幅下降相吻合。

因此得出油田所用N80 油井管钢的典型组织为P+F， 主要组织缺陷为粗大网状铁素体，400℃珠光体片间距明显增大。是强度下降，塑性上升的主要原因。管钢在300℃-400℃环境下，硬度分别下降5.7%/上升1.1%、屈服强度下降0.8%/17.3%、抗拉强度上升5.1%/下降16.6%、疲劳强度下降13.8%；伸长率上升6.1%/37.8%，断面收缩率下降13.7%/上升10%，冲击功分别下降9.4%和17%。在300℃以下环境下，强度变化不大，小于5%，塑性指标变化小于13.7%；符合API SPEC 5CT 的要求，不影响服役。在400℃环境下，强度下降在17.3%以内，塑性指标变化幅度在37.8%以内，不符合API SPEC 5CT标准要求。但是由于强度指标下降在20%以内，同时，N80作为一种油气田专用耐热合金结构钢，通过调整热处理工艺，可以使用。

4 结论

过热蒸汽与普通湿蒸汽相比，具有更高的热焓和更大的比容；采用过热蒸汽进行吞吐开发，不仅提高了井底的蒸汽干度、扩大了蒸汽波及体积；而且过热蒸汽的降黏作用、热膨胀、解堵作用、原油蒸馏率、驱油效率均高于普通湿蒸汽。通过对稠油油藏注普通蒸汽与注过热蒸汽的吞吐效果对比，后者的增产效果显著。注过热蒸汽热采技术矿场试验的开展，不仅有利于提高超稠油油藏的开发效果，能进一步扩大超稠油油田的开发规模，还能为超稠油资源的有效开发积累经验，特别是对采用注蒸汽技术开采超稠油具有着重要的意义。

过热蒸汽注入配套工艺技术的研究，将使蒸汽驱采油技术更加完善，对超稠油开发方式的转变具有重大的意义。

参考文献

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