CN104390867B - 稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置及方法，在试样中部固定热电偶，再将等温砧子夹具、试样安装在热模拟试验机真空腔内；将热模拟试验机自带的膨胀仪架在试样上；将热模拟试验机的真空腔抽真空至1×10^‑5MPa后，将惰性气体充入热模拟试验机真空腔体内部，然后根据套管实际服役情况进行试验，测得试样的径向变形量；根据测得的径向变形量计算稠油热采套管用金属材料在不同载荷下的蠕变应变速率，从而完成对稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测。本发明采用热模拟技术，对用于稠油热采井套管用金属材料的热蠕变性能进行预测，根据得到的蠕变应变速率，选择相应的稠油热采套管的管材，以保证稠油热采套管的安全开发和使用。

Description

稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置及方法

技术领域

本发明属于稠油开采技术领域，具体涉及一种稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置及方法。

背景技术

世界稠油资源相当丰富，己探明有3000亿吨以上的储量。而可供开采的稀油资源仅剩下1700亿吨，稠油将是21世纪的重要能源之一。

蒸汽吞吐和蒸汽驱工艺被广泛用来开采稠油。稠油热采井在注汽加热过程中，套管受热膨胀，在井口、井底两端固定的情况下，产生轴向应力为压缩应力，当它超过屈服点时，导致套管产生永久变形而损坏。在停注降温过程中，套管柱收缩，轴向应力由压缩应力变为拉张应力，当它超过屈服点后，将导致接头螺纹及本体拉断破坏。热采井套管的损坏严重地制约着稠油开采的发展。

现有的热采井模拟试验方法，是通过实物评价方法，即采用轴向的拉伸、压缩载荷，模拟套管在稠油热采井中所受的热应力。但是这种形式不能够有效的模拟套管在稠油热采井中反复受热膨胀、降温收缩的情况，而多次热胀冷缩会导致套管强度降低。另外，套管实物评价也需要耗费大量的材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稠油热采套管用金属材料蠕变性能预测试验装置及方法，利用很少的稠油热采套管用金属材料就可以得到材料的热蠕变性能，节约了时间和成本，可用于套管在稠油热采井的适用性评价中。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置，包括热模拟试验机和用于测定试样温度的热电偶，热模拟试验机的真空腔内设置有用于夹持试样的等温砧子夹具，试样的中部固定热电偶和用于测定试样膨胀量的膨胀仪。

所述等温砧子夹具包括依次排布的铜片、第一石墨层、基体、第二石墨层和砧帽，铜片、第一石墨层、基体、第二石墨层和砧帽固定在一起；其中，基体和砧帽为耐高温金属材料，第一石墨层和第二石墨层均有若干石墨片构成。

所述试样为圆柱状，并且试样的长度和直径比值在1.2～1.8之间。

所述试样的长度和直径比值为1.5。

所述试样的直径为6mm，长度为9mm。

所述热电偶通过焊接固定在试样上。

稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测的试验方法，先在试样中部固定热电偶，再将等温砧子夹具、试样安装在热模拟试验机真空腔内，等温砧子夹具将试样夹持；将热模拟试验机自带的膨胀仪架在试样的中部位置；将热模拟试验机的真空腔多次反复抽真空至1×10^-5MPa后，开启热模拟试验机的连接装置，将惰性气体充入热模拟试验机真空腔体内部，然后根据套管实际服役情况进行试验，测得试样在不同温度、载荷下的径向变形量；根据测得的径向变形量计算稠油热采套管用金属材料在不同载荷下的蠕变应变速率，从而完成对稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测；试验过程中试样两端和试样中部的温差小于5℃。

所述试样两端和试样中部的温差小于5℃是通过在试验之前进行预实验，调整等温砧子夹具内部石墨片的数量达到的。

所述试验温度为350℃，加载载荷分别为稠油热采套管用金属材料的室温屈服强度、90％屈服强度、85％屈服强度和80％屈服强度，加载时间为2小时。

所述稠油热采套管用金属材料的室温屈服强度是通过拉伸试验测得。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明采用热模拟技术，根据套管在稠油热采井实际服役的受热和受力情况，对用于稠油热采井套管用金属材料的热蠕变性能进行预测，根据预测得到的不同温度、载荷下的蠕变应变速率，选择相应的稠油热采套管的管材，以保证稠油热采套管的安全开发和使用。本发明的试验方法相对简单，可操作性强，试验时的温度、变形以及受力可以严格控制，使得测得的蠕变应变速率准确，克服了现有技术中采用实物评价的不能有效模拟实际服役情况的问题。另外，本发明由于采用热模拟技术，利用热模拟试验机在实验室内即可完成套管在稠油热采井的适用性进行评价，利用很少的材料就可以得到材料的热蠕变性能，节约了时间和成本，克服了现有技术中采用实物进行测试时，不能够模拟套管在稠油热采井中反复受热膨胀、降温收缩的情况的问题。

进一步的，通过调整等温砧子夹具内部石墨层中石墨片的数量，保证试样两端和试样中部的温差小于5℃，使得测得的在不同温度下的蠕变应变速率更准确。

进一步的，通过开启热模拟试验机上与外界惰性气瓶的连接装置，试验时对热模拟试验机真空腔体内充入惰性气体，保证试验机腔体内外压力一致，消除真空对试样受力的影响。

本发明通过将试样设置在热模拟试验机的真空腔内，试样上设置用于测量膨胀量的膨胀仪和用于测量温度的热电偶，通过测得试样在不同温度、载荷下的径向变形量，就能够完成对稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测，可见本发明的装置结构简单，易于实现。

进一步的，虽然试样的尺寸可根据套管的厚度变化，但是长度与直径比值过高或过低，都可能导致试样在变形过程中出现屈曲和鼓肚现象，而试样的长度和直径比值在1.2～1.8之间可以有效的避免屈曲和鼓肚现象，所以本发明采用长度和直径比值为1.2～1.8的圆柱状试样，优选长度和直径比值为1.5的圆柱状试样，使得测量的结果更准确。本发明采用直径为6mm，长度为9mm的试样即可完成试验，节省了大量材料。

附图说明

图1为稠油热采套管用钢种性能预测的热模拟试验装置；

图2为等温砧子夹具内部的装配示意图；

图3为某待选钢材的径向膨胀量曲线；

图4为待选4种钢种的蠕变应变速率。

图中，1为试样，2为等温砧子夹具，3为连接装置，4为铜片，5为第一石墨层，6为基体，7为第二石墨层，8为砧帽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的试验在美国DSI公司生产的热模拟试验机中进行。

参见图1和图2，稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置包括热模拟试验机和用于测定试样1温度的热电偶，热模拟试验机的真空腔内设置有用于夹持试样1的等温砧子夹具2，试样1的中部固定热电偶和用于测定试样1膨胀量的膨胀仪。

所述等温砧子夹具包括内部的砧子组件，砧子组件包括依次排布的铜片4、第一石墨层5、基体6、第二石墨层7和砧帽8，铜片4、第一石墨层5、基体6、第二石墨层7和砧帽8固定在一起；其中，基体6和砧帽8为耐高温金属材料，第一石墨层5和第二石墨层7均有若干石墨片构成。

所述试样1为圆柱状，并且试样的长度和直径比值在1.2～1.8之间。优选试样2的长度和直径比值为1.5，本发明中采用的试样1的直径为6mm，长度为9mm。

一种稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测的试验方法，包括以下步骤：

首先进行预实验，热模拟试验机内等温砧子夹具将试样夹持，预实验时，通过调整第一石墨层中的石墨片或者第二石墨层中石墨片的数量，使试样1两端和试样1中部的温差小于5℃；砧帽8与试样1接触。

所述基体6和砧帽8的材质为热敏电阻较高的耐高温金属材料，实际试验中考虑到成本的原因可以采用不同的耐高温金属材料制造基体和砧帽，但是要求试样加热时满足试验的均温要求。

试验时，首先在试样径向中部焊接热电偶，热电偶用于测量试样的温度，热电偶的类型根据试验的温度确定。再将试样1、等温砧子夹具2安装在热模拟试验机真空腔内，等温砧子夹具2将试样1夹持，然后将热模拟试验机自带的膨胀仪架在试样的中部位置，膨胀仪夹持端中心位置同热电偶的位置一致(安装时将热电偶安置在试样的下方)，即膨胀仪的夹持面和热电偶所在直线垂直，以使得热电偶测得温度与膨胀仪测得的试样膨胀量一致匹配。真空腔和惰性气瓶通过管道相连，将真空腔多次反复抽真空至1×10^-5MPa后，开启热模拟试验机的连接装置，将惰性气体充入腔体内部，然后根据套管实际服役情况(具体包括蒸汽温度、井口温度、井下温度，注气压力、套管受力大小以及压力持续时间等)确定试验条件并进行试验，试验过程中测得试样在不同温度、载荷下的径向变形量。其中，惰性气体为氩气。

将氩气瓶内惰性气体充入腔体内部，保证整个试验在一个大气压下进行，腔体内外压力一致，消除了设备自身压力波动对试样受力的影响和真空对试样受力的影响。

本发明中的等温砧子夹具可根据试样的试验温度进行加工。石墨片的厚度采用5mil。在试验前，对试样两端等温砧子夹具内部的石墨片数量进行调整(可以同时调整第一石墨层、第二石墨层中的石墨片的数量，或调整第一石墨层中石墨片的数量，或调整第二石墨层中的石墨片，目的是确保试样两端和试样中部的温差小于5℃)。试样两端和试样中部的温差大于5℃时，试验结果无效。

试验结束后，根据测得的径向变形量计算稠油热采套管用金属材料在不同温度、载荷下的蠕变应变速率，完成对稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测。

可以在制管之前根据套管实际服役情况确定试验条件，比如温度、加载载荷，加载时间，对待选钢种的热蠕变性能进行预测，并根据试验结果选定钢种制造套管，试验采用的试验装置如图1所示，试样1一般情况下，采用从套管中切削得到的圆柱状试样。试样的尺寸根据套管的厚度变化，但是试样长度和直径比值在1.2～1.8之间的圆柱状试样皆可用于试验，优选采用长度直径比值为1.5的圆柱状试样。因为直径比值过高或过低，都可能导致试样在变形过程中出现屈曲和鼓肚现象。

等温砧子夹具中砧子组件的装配图如图2所示。其中，砧帽和基体的热敏电阻应足够大，从而减小试样轴向温度梯度。在试验前应进行预试验，同时测量试样两端和试样中部的温度，通过调整左右两端砧子组件内的石墨片数量，调整试样两端和中部的温度差，温度差小于5℃时，试验结果有效。

本发明通过物理模拟技术测定金属材料的热蠕变性能，在实验室内对套管在稠油热采井的适用性进行评价，其优点非常明显：即利用很少的材料就可以得到材料的热蠕变性能，节约了时间和成本。

下面通过一个实施例对本发明进行详细说明。

通过多次预实验，将砧子组件内部石墨片的数量调整为2个5mil的石墨片。根据套管的壁厚，试样采用Φ6×9mm的圆棒试样。

一种稠油热采套管用钢种性能预测的热模拟试验方法，包括以下操作步骤：

(1)试验前根据套管在稠油热采井中真实的服役情况确定试验方案，选定试验温度为350℃，加载载荷分别为通过拉伸试验测得的材料的室温屈服强度、90％屈服强度、85％屈服强度和80％屈服强度，加载时间为2小时。

(2)将试样、热电偶以及试样径向膨胀仪安装好后，热模拟试验机真空腔重复进行抽真空，填充惰性气体的过程，使得真空腔内的压力为1×10^-5MPa，以尽量减小试样在加热过程中真空对试样受力的影响。

(3)试验时首先升温到350℃，升温速率为5℃/s，保温10分钟。

(4)待整个试样温度均匀稳定，试样中部和两端的温度差低于5℃后，逐步施压压应力至试验压力。

(5)保温保压2小时后降温至室温，保温过程中保证试样在纵向无位移，通过径向膨胀仪记录试验在试验过程中的径向膨胀量。

(6)根据测得的试样的径向膨胀量，得到试样的径向膨胀量曲线，计算材料在不同载荷下的蠕变应变速率。

本实施例中共选择了4个钢厂生产的屈服强度达到552MPa的稠油热采套管用钢材，测试每个厂家的一种钢材。

参见图3，图3为某个待选钢种的径向膨胀量随着时间的变化曲线。从图3可以看到材料的径向膨胀量随压力的增加而增大。随着时间的增加径向膨胀量的变形速率逐渐稳定。参见图4，图4为通过径向膨胀量计算所得的4种钢种的蠕变应变速率。从图4可以看出其中一种普通的套管用钢蠕变显著，不具备耐热特性，而其他三种为稠油热采井套管设计的专用钢热蠕变性能不明显，适宜于稠油热采井的高温环境。

Claims (9)

1.稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置，其特征在于，包括热模拟试验机和用于测定试样(1)温度的热电偶，热模拟试验机的真空腔内设置有用于夹持试样(1)的等温砧子夹具(2)，试样(1)的中部固定热电偶和用于测定试样(1)膨胀量的膨胀仪；

所述等温砧子夹具包括依次排布的铜片(4)、第一石墨层(5)、基体(6)、第二石墨层(7)和砧帽(8)，铜片(4)、第一石墨层(5)、基体(6)、第二石墨层(7)和砧帽(8)固定在一起；其中，基体(6)和砧帽(8)为耐高温金属材料，第一石墨层(5)和第二石墨层(7)均有若干石墨片构成。

2.根据权利要求1所述的稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置，其特征在于，所述试样(1)为圆柱状，并且试样的长度和直径比值在1.2～1.8之间。

3.根据权利要求2所述的稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置，其特征在于，所述试样(1)的长度和直径比值为1.5。

4.根据权利要求2或3所述的稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置，其特征在于，所述试样(1)的直径为6mm，长度为9mm。

5.根据权利要求1所述的稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测试验装置，其特征在于，所述热电偶通过焊接固定在试样(1)上。

6.基于权利要求1所述装置的稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测的试验方法，其特征在于，先在试样(1)中部固定热电偶，再将等温砧子夹具(2)、试样(1)安装在热模拟试验机真空腔内，等温砧子夹具(2)将试样(1)夹持；将热模拟试验机自带的膨胀仪架在试样(1)的中部位置；将热模拟试验机的真空腔多次反复抽真空至1×10^-5MPa后，开启热模拟试验机的连接装置(3)，将惰性气体充入热模拟试验机真空腔体内部，然后根据套管实际服役情况进行试验，测得试样在不同温度、载荷下的径向变形量；根据测得的径向变形量计算稠油热采套管用金属材料在不同载荷下的蠕变应变速率，从而完成对稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测；试验过程中试样(1)两端和试样中部的温差小于5℃。

7.根据权利要求6所述的稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测的试验方法，其特征在于，所述试样(1)两端和试样(1)中部的温差小于5℃是通过在试验之前进行预实验，调整等温砧子夹具(2)内部石墨片的数量达到的。

8.根据权利要求6所述的稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测的试验方法，其特征在于，试验温度为350℃，加载载荷分别为稠油热采套管用金属材料的室温屈服强度、90％屈服强度、85％屈服强度和80％屈服强度，加载时间为2小时。

9.根据权利要求8所述的稠油热采套管用金属材料热蠕变性能预测的试验方法，其特征在于，所述稠油热采套管用金属材料的室温屈服强度是通过拉伸试验测得。