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摘 要：利用Instron 8862型高精度电子蠕变疲劳试验机，对海上油田热采井常用的两种管材在热采工况下的力学行为进行了测试，获得了室温和高温350 ℃下的拉伸性能，研究了350 ℃下、不同载荷工况下的高温蠕变行为，得到了蠕变本构方程，并分析了蒸汽吞吐温度循环工况对管材力学行为的影响。结果表明，高温下管材的屈服强度、均匀延伸率明显降低，并表现出明显的蠕变现象。
关键词：稠油热采 蒸汽吞吐 高温力学行为试验 高温蠕变
中图分类号：TE257 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（b）-0049-03
热采开发是现阶段高效开发稠油油藏的主要技术之一。渤海油田稠油储量丰富，2008年起开始稠油热采开发实践，热采井单井产能增加明显。
不同于常规冷采井，热采井套管由于在热循环条件下承受复杂的交变应力易引起套管变形、断裂。根据陆地油田的调研显示[1]，五年以上生产周期的热采井套损率达到30%。套损不但影响热采井的生产寿命，而且易造成井口泄露等安全问题。
造成热采井套管损坏失效的原因有很多，如，管材质量、固井质量不合格、螺纹泄露等。研究表明[2]，在持续的高温下，材料将显示出不同程度的蠕变现象，对于多次热循环过程，金属材料存在显著的包申格效应，套管材料会显示出循环硬化或者循环软化。在每次热循环过程中，套管管体材料均会产生塑性应变，当塑性应变超过管材的许用应变时，管材将发生损坏失效。
海洋稠油热采起步较晚，大多数热采井仅进行了一轮次的吞吐试验，目前虽未出现套损情况。但是海上油田安全和环保要求高，套管损坏会严重影响热采井的安全生产。因此，开展了海上油田常用的两种热采管材在热采工况下的力学行为试验研究，通过试验详细研究了热采工况温度循环下管材的拉伸变形行为、高温蠕变行为和温度循环变形行为等，获得了热采井套损预测和治理研究的基础数据。
1 試验设备、材料及试验方案
试验的主要设备为Instron 8862型高精度电子蠕变疲劳试验机，选用试验管材为TP00H和TP110H两种热采专用套管，制作成纵向圆棒试样。
拉伸变形行为试验在室温20 ℃和350 ℃温度下各进行一组试验；高温蠕变行为试验在350 ℃温度、不同应力下进行多组试验，以拟合推导蠕变本构方程。（如图1）
2 试验结果和分析
2.1 拉伸变形行为试验
在室温、高温350 ℃下比较套管材料的拉伸变形行为。试验结果表明，相比于室温下，高温350 ℃套管拉伸应力-应变曲线出现明显的变化，屈服平台消失，取而代之为连续光滑的应变强化特征，如图2、图3所示。高温350 ℃下，TP100H、TP110H的屈服强度、均匀延伸率明显降低。热采套管拉伸性能汇总如表1所示。
2.2 高温蠕变行为试验
热采井蒸汽吞吐过程中，由于井口、地层的约束，在注汽-采油作业中，套管热膨胀受到井口/地层的压缩-拉伸载荷。同时，注汽-采油作业过程持续时间较长。因而，在高温、载荷、时间多因素环境下服役的热采套管会发生蠕变行为。在高温350 ℃，载荷750 MPa、700 MPa、650 MPa、625 MPa、600 MPa下，通过Instron-8862高精度蠕变疲劳试验机，研究TP100H和TP110H热采套管的蠕变行为。试验结果如图4、图5所示。可见，高温350 ℃下，两种管材表现出明显的蠕变现象，蠕变过程具有初始蠕变加速、随后进入稳态阶段的特征。TP100H和TP110H套管的蠕变本构曲线如图6、图7所示。
2.3 温度循环变形行为试验
蒸汽吞吐工艺中，热采井进行多轮次的注汽-采油作业循环，服役中的套管经受升温-保温-降温的过程，承受温度循环变形。
通过Instron-8862高精度电子蠕变疲劳试验机，约束固定试样两端轴向位移，在升温、降温过程中采集轴向载荷的变化，研究高温下热采套管的温度循环变形行为。
升温过程中，由于轴向约束，热采套管试样承受压缩载荷，并且随温度的升高不断增大；达到350 ℃后保温，承受的压缩载荷不断减小，表明发生应力松弛；随后降温过程中，压缩载荷不断减小，承受的载荷逐渐由压缩方式转变为拉伸应力。随循环次数增加，材料压缩载荷的峰值逐渐减小，拉伸载荷的峰值逐渐增加，表现出包申格效应，如图8所示。
基于温度循环过程中包申格效应，温度循环使得拉伸峰值载荷有可能达到甚至超屈服强度，引起套管缩颈变形导致最终损坏失效。
3 结论
该文通过对海上油田常用两种热采套管进行了全面的力学试验研究，得到了350 ℃下的管材屈服强度、均匀延伸率、蠕变本构方程，通过对试验数据的分析，得出如下主要结论。
（1）室温下，热采套管TP100H/TP110H拉伸应力-应变曲线出现应力平台；高温350 ℃下，应力平台消失，取而代之为连续光滑的应变强化；相比于室温，高温350 ℃下，拉伸性能如屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率明显降低。
（2）高温350 ℃下，热采套管TP100H/TP110H表现出蠕变现象，蠕变过程包括初始加速阶段、随后稳态阶段。
（3）多轮次蒸汽吞吐温度循环过程中，热采套管受到的拉伸峰值应力不断增加，表现出包申格效应；增加的拉伸峰值载荷有可能超过屈服强度，引起套管缩颈变形导致最终损坏失效。
参考文献
[1] 于同印，高立军，尹风利，等.热采井套损原因分析及对策[J].河南化工，2010，27（1）：48-50.
[2] 谢斌，张学鲁，田志华，等.基于应变的热采井套管柱设计及选材技术[C]//油气井管柱与管材国际会议.西安：中国石油集团石油管工程技术研究院.2014.
[3] 王建军，韩礼红，闫相祯，等.油气井管柱完整性技术研究进展与展望[J].石油机械，2013，41（8）：65-67.
[4] 王少林，阮雪榆，俞新陆，等.金属高温塑性本构方程的研究[J].上海交通大学学报，1996，30（8）：20-24.
[5] 张功庭，盛光敏，黄利.金属包申格效应的表征、影响因素与机理研究进展[J].材料导报，2008，22（12）：135-138.
[6] 韩来聚，贾江鸿，闫振来.基于应变的热采井套管设计方法[J].中国石油大学学报：自然科学版，2014，38（3）：68-72.
[7] 赵旭亮.稠油热采井套损防治措施及计算理论[J].石油地质与工程，2012，26（4）：122-124.
关键词：稠油热采 蒸汽吞吐 高温力学行为试验 高温蠕变
中图分类号：TE257 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（b）-0049-03
热采开发是现阶段高效开发稠油油藏的主要技术之一。渤海油田稠油储量丰富，2008年起开始稠油热采开发实践，热采井单井产能增加明显。
不同于常规冷采井，热采井套管由于在热循环条件下承受复杂的交变应力易引起套管变形、断裂。根据陆地油田的调研显示[1]，五年以上生产周期的热采井套损率达到30%。套损不但影响热采井的生产寿命，而且易造成井口泄露等安全问题。
造成热采井套管损坏失效的原因有很多，如，管材质量、固井质量不合格、螺纹泄露等。研究表明[2]，在持续的高温下，材料将显示出不同程度的蠕变现象，对于多次热循环过程，金属材料存在显著的包申格效应，套管材料会显示出循环硬化或者循环软化。在每次热循环过程中，套管管体材料均会产生塑性应变，当塑性应变超过管材的许用应变时，管材将发生损坏失效。
海洋稠油热采起步较晚，大多数热采井仅进行了一轮次的吞吐试验，目前虽未出现套损情况。但是海上油田安全和环保要求高，套管损坏会严重影响热采井的安全生产。因此，开展了海上油田常用的两种热采管材在热采工况下的力学行为试验研究，通过试验详细研究了热采工况温度循环下管材的拉伸变形行为、高温蠕变行为和温度循环变形行为等，获得了热采井套损预测和治理研究的基础数据。
1 試验设备、材料及试验方案
试验的主要设备为Instron 8862型高精度电子蠕变疲劳试验机，选用试验管材为TP00H和TP110H两种热采专用套管，制作成纵向圆棒试样。
拉伸变形行为试验在室温20 ℃和350 ℃温度下各进行一组试验；高温蠕变行为试验在350 ℃温度、不同应力下进行多组试验，以拟合推导蠕变本构方程。（如图1）
2 试验结果和分析
2.1 拉伸变形行为试验
在室温、高温350 ℃下比较套管材料的拉伸变形行为。试验结果表明，相比于室温下，高温350 ℃套管拉伸应力-应变曲线出现明显的变化，屈服平台消失，取而代之为连续光滑的应变强化特征，如图2、图3所示。高温350 ℃下，TP100H、TP110H的屈服强度、均匀延伸率明显降低。热采套管拉伸性能汇总如表1所示。
2.2 高温蠕变行为试验
热采井蒸汽吞吐过程中，由于井口、地层的约束，在注汽-采油作业中，套管热膨胀受到井口/地层的压缩-拉伸载荷。同时，注汽-采油作业过程持续时间较长。因而，在高温、载荷、时间多因素环境下服役的热采套管会发生蠕变行为。在高温350 ℃，载荷750 MPa、700 MPa、650 MPa、625 MPa、600 MPa下，通过Instron-8862高精度蠕变疲劳试验机，研究TP100H和TP110H热采套管的蠕变行为。试验结果如图4、图5所示。可见，高温350 ℃下，两种管材表现出明显的蠕变现象，蠕变过程具有初始蠕变加速、随后进入稳态阶段的特征。TP100H和TP110H套管的蠕变本构曲线如图6、图7所示。
2.3 温度循环变形行为试验
蒸汽吞吐工艺中，热采井进行多轮次的注汽-采油作业循环，服役中的套管经受升温-保温-降温的过程，承受温度循环变形。
通过Instron-8862高精度电子蠕变疲劳试验机，约束固定试样两端轴向位移，在升温、降温过程中采集轴向载荷的变化，研究高温下热采套管的温度循环变形行为。
升温过程中，由于轴向约束，热采套管试样承受压缩载荷，并且随温度的升高不断增大；达到350 ℃后保温，承受的压缩载荷不断减小，表明发生应力松弛；随后降温过程中，压缩载荷不断减小，承受的载荷逐渐由压缩方式转变为拉伸应力。随循环次数增加，材料压缩载荷的峰值逐渐减小，拉伸载荷的峰值逐渐增加，表现出包申格效应，如图8所示。
基于温度循环过程中包申格效应，温度循环使得拉伸峰值载荷有可能达到甚至超屈服强度，引起套管缩颈变形导致最终损坏失效。
3 结论
该文通过对海上油田常用两种热采套管进行了全面的力学试验研究，得到了350 ℃下的管材屈服强度、均匀延伸率、蠕变本构方程，通过对试验数据的分析，得出如下主要结论。
（1）室温下，热采套管TP100H/TP110H拉伸应力-应变曲线出现应力平台；高温350 ℃下，应力平台消失，取而代之为连续光滑的应变强化；相比于室温，高温350 ℃下，拉伸性能如屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率明显降低。
（2）高温350 ℃下，热采套管TP100H/TP110H表现出蠕变现象，蠕变过程包括初始加速阶段、随后稳态阶段。
（3）多轮次蒸汽吞吐温度循环过程中，热采套管受到的拉伸峰值应力不断增加，表现出包申格效应；增加的拉伸峰值载荷有可能超过屈服强度，引起套管缩颈变形导致最终损坏失效。
参考文献
[1] 于同印，高立军，尹风利，等.热采井套损原因分析及对策[J].河南化工，2010，27（1）：48-50.
[2] 谢斌，张学鲁，田志华，等.基于应变的热采井套管柱设计及选材技术[C]//油气井管柱与管材国际会议.西安：中国石油集团石油管工程技术研究院.2014.
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[4] 王少林，阮雪榆，俞新陆，等.金属高温塑性本构方程的研究[J].上海交通大学学报，1996，30（8）：20-24.
[5] 张功庭，盛光敏，黄利.金属包申格效应的表征、影响因素与机理研究进展[J].材料导报，2008，22（12）：135-138.
[6] 韩来聚，贾江鸿，闫振来.基于应变的热采井套管设计方法[J].中国石油大学学报：自然科学版，2014，38（3）：68-72.
[7] 赵旭亮.稠油热采井套损防治措施及计算理论[J].石油地质与工程，2012，26（4）：122-124.