C110油套管微观结构和硫化物应力开裂机理研究

发布时间：2020-06-25 03:37

【摘要】：油套管是一种对油气井井壁起支撑作用的石油专用管材,以保证钻井作业的顺利进行和完井后油气井的正常运行。由于油气井内往往存在较高的温度和压强,并含有H_2S等多种腐蚀介质。随着深井和超深井油气田的勘探和开发,石油工业对油套管的强度和抗腐蚀性能均提出了更高的要求。油套管在含湿H_2S等腐蚀环境的油气井中服役时,不仅会发生电化学腐蚀,导致腐蚀减薄、点蚀穿孔等常见的腐蚀破坏;还可能引发各种氢损伤失效事故。氢损伤是由于电化学腐蚀中产生的氢原子扩散到钢中导致的氢脆失效现象,主要包括氢鼓泡、硫化物应力开裂(SSC)、氢致开裂和应力导向氢致开裂等。其中,SSC是材料在应力和湿H_2S环境共同作用下,在远低于屈服强度的情况下发生的一种断裂失效现象。SSC是油套管服役中最常见的失效形式之一,可造成油井报废、财产损失、生态破坏甚至人员伤亡等严重后果。因此,油套管的安全性和可靠性在油气田开采中十分关键,生产兼具高强度和良好抗SSC性能的油套管是保障国家油气资源可持续发展的重要一环。本文选取宝钢生产的多种C110油套管,研究了热处理对轧态油套管微观结构和力学性能的影响。在此基础上,按照NACE TM 0177-2005标准中的A法或D法试验评价有关油套管的抗SSC性能。首先以裂纹为中心,探究了SSC裂纹的生长规律。其次,研究了调质工艺和轧后中断加速冷却对C110油套管抗SSC性能的影响。最后,结合X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)等表征分析手段以及氢渗透实验,系统研究了微观结构、析出物、晶界和位错等因素对SSC行为的影响,并从氢与钢的相互作用的视角,揭示了SSC的形成机理。实验结果表明:1.经正火、淬火和调质(淬火+回火)处理后的油套管的微观组织分别为铁素体?贝氏体、马氏体和回火马氏体。XRD分析电解萃取得到的析出相发现,正火和调质样品的析出相均主要为渗碳体(M_3C),淬火样品的析出相主要为MC型碳化物。采用能谱半定量分析有关相的成分验证了贝氏体转变是一个非平衡转变过程。同时,采用TEM确认调质样品中还存在孪晶M_3C和M_7C_3型碳化物。力学性能结果表明,经调质处理的油套管具有较好的强韧性,因此调质工艺是生产高性能油套管所适合的热处理方式。2.EBSD分析SSC裂纹附近区域、裂纹分支附近区域、远离裂纹区域和无裂纹区域的晶界特征发现,裂纹附近区域的低角度晶界比例较高,而远离裂纹或无裂纹的区域的高角度晶界的比例较高。分别用中心平均取向差角(KAM)和泰勒因子分布图评价各区域的局部应变(即位错密度)和晶粒形变难易程度发现,裂纹附近区域的位错密度较高,且包含较多难变形的、高泰勒因子的晶粒。油套管开裂后,腐蚀液渗入裂纹中发生的腐蚀反应将促进裂纹继续扩展。3.经不同调质工艺处理的油套管,尽管能得到相似的回火马氏体组织、相同的M_7C_3碳化物和相近的力学性能,但却表现出不同的SSC敏感性。EBSD和NACE-D法实验结果表明,钢中位错密度越低,其抗SSC性能越好。由于位错捕获氢的能力比晶界强,所以位错对SSC行为的影响较显著。与一次调质的油套管相比,经二次调质后,油套管的位错密度继续降低,其抗SSC性能进一步改善。4.晶界、位错和析出物均是氢陷阱,可通过影响氢在钢中的扩散、运输和捕获行为使油套管表现出不同的SSC敏感性。在外部应力的作用下,位错捕获的氢可以随着位错的运动被转移到潜在裂纹区域而诱发SSC裂纹。因此,SSC敏感性主要取决于位错密度,位错密度高的钢含有较多转移氢的“输运者”,可将氢运输到裂纹敏感区,使钢表现出较差的抗SSC性能。5.中断加速冷却(IAC)工艺引入到C110油套管的生产中发现,与轧后正常空冷(NAC)相对比,经IAC工艺处理的油套管能在不降低强度的前提下改善其抗SSC性能。IAC样品经过一次调质可得到与NAC样品经过二次调质相近的低水平位错密度,从而减少氢的“输运者”,为良好的抗SSC性能提供必要的前提。氢渗透实验表明,调质IAC和NAC样品的氢扩散系数相近,但前者的不可逆氢陷阱密度高于后者。这些不可逆氢陷阱主要是析出物,它们分散氢在钢中的分布,并抑制位错的运动,使油套管的抗SSC性能进一步得到提高。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE931.2
【图文】：

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图 1.1 套管和油管在油井中的位置示意图ig. 1.1 Illustration for locations of casing and tubing in the oil w石油工业用量最大、花费最多的石油物资，在整个根据我国建井的具体情况，大体上每钻进 1 m 需要g，因此，油气工业勘探开发总是伴随着油井管的大产油井管的厂家主要集中在日本住友金属公司、日团以及德法合资的瓦卢瑞克和曼内斯曼钢管公司（V大国，油井管市场潜力巨大，石油工业的发展有力，也推动了各大油田油套管的国产化。根据 API 网I 会标使用权的油套管企业有 508 家，主要包括天津山钢铁股份有限公司、无锡西姆莱斯石油专用管有公司、攀钢集团成都钢铁有限责任公司、包头钢铁4

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图 1.2 近年来我国石油套管行业的需求量和产量g. 1.2 The demands and outputs for the casing steels industry of China in rec工况环境复杂苛刻的油气田的勘探和开发，油套管所面临的杂，如含高硫腐蚀环境、超深超高压高温腐蚀环境、酸性腐蚀导致油套管在服役过程中发生失效破坏，造成油气减产，甚正常的勘探开发与生产。全国各油田每年因套管损坏造成的经济损失高达几十亿元。因此，套管的安全性直接关系到油也决定着油井甚至油田的寿命。管的技术进步对于石油工业的增产增效意义重大，经过冶金系统的潜心钻研和艰苦攻关，目前，我国油套管行业已经逐术封锁，扭转了油套管依赖进口的被动局面，自 2010 年油套到了 90%以上[5,6]，不仅基本满足了国内油气田开发对各类

【参考文献】