石油管材及装备材料服役行为与结构安全研究进展及展望

论述了加强石油管材及装备材料服役行为与结构安全研究的重要意义、主要研究进展、面临的形势任务、发展目标、研究领域和方向。经过30余年的努力开拓,我国石油管材及装备材料服役行为与结构安全软硬件平台及核心技术体系已基本形成,在高压输气管道断裂与变形控制、在役管道安全风险评价、油气井管柱完整性和适用性评价、石油管材及设备腐蚀与防护、高性能管材应用关键技术等方面取得了重要突破。面对我国油气工业面临的严峻形势和对安全生产提出的新挑战,拟进一步加强"石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室"建设,围绕油井管与管柱失效预防、输送管与管线安全评价、腐蚀与防护、先进材料及应用技术四大研究方向努力攻关,建立石油管材及装备材料服役行为与结构安全理论和技术体系,力争5到10年内整体技术达到国际先进水平,将实验室建成石油管材及装备材料服役安全科学研究基地、高端人才培养基地、国际合作与学术交流基地、石油工程材料服役安全技术支持中心,有力支撑石油天然气工业发展。

石油管工程技术进展及展望

伴随着中国石油集团石油管工程技术研究院(及其前身)的建立和发展,"石油管工程(学)"学科应运而生。35年来,"石油管工程(学)"学科得到了快速发展,建立了石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室、中国石油学会管材专业委员会等科研和学术技术交流平台,构建了从微观组织分析到全尺寸模拟试验完整的石油管试验研究装备体系,形成了以院士、国家和省部级专家为骨干、专业和年龄结构合理的创新团队,基本形成石油管工程核心技术体系,先后获得国际、国家、石油天然气行业授予的安全、质量、计量、标准、失效分析等方面的权威资质和授权25项,开创了科学研究、质量监督、技术服务三位一体、协调发展的模式,取得重要科技成果100余项,有力支撑了国家西气东输等重大管道工程、重点油气田勘探开发,促进了石油管的全面国产化和质量性能水平提升。在当前我国经济发展"新常态"和低油价形势下,石油管工程技术面临诸多挑战,石油管工程科技创新比以往任何时候都更加迫切。亟待进一步传承和发展"石油管工程(学)"学科,发展石油管失效控制和服役安全理论,进一步加强石油管工程超前储备和应用基础研究,突破石油管工程应用关键技术,建立或完善石油管材料服役行为与结构安全核心技术体系,有力支撑石油天然气工业发展。

80钢级热采井套管材料的研究与发展趋势

稠油是我国广泛分布的重要石油资源之一,经济地开采稠油对我国油田发展具有重要的现实意义。本文对稠油热采井套管的失效形式及原因进行了详细的文献调研,对N80套管钢的性能、基于套管应变的设计理论以及研发的热采井专用套管80SH钢进行了总结。同时,对比N80钢和80SH钢的性能后发现,80SH钢在热采井工况下的服役性能更佳。

复杂工况油套管柱失效控制与完整性技术研究进展及展望

随着对深层碳酸盐岩、新区、页岩等油气勘探开发力度的加大,油气田的地层条件和介质环境变得更为苛刻复杂,油套管柱变形、泄漏、腐蚀、挤毁、破裂等失效事故时有发生;加上特殊结构井和特殊工艺井、特殊增产改造措施等对油套管柱提出的新要求,油套管柱面临着一系列新的挑战和难题需要破解。为此,围绕我国石油天然气工业增储上产的迫切需求和深井超深井、特殊结构和特殊工艺井、强酸/大排量高压力反复酸化压裂增产改造等复杂工况油套管柱失效频发的技术难题,历经十余年攻关,取得了一系列试验研究进展与重要技术成果,主要包括:(1)形成了基于气井全生命周期的油套管腐蚀选材评价、腐蚀控制和油套管柱完整性技术;(2)形成了油套管柱螺纹连接结构和密封可靠性设计评价及配套技术;(3)研发并形成了低渗透致密气井经济高效开发“API长圆螺纹套管+CATTS101高级螺纹密封脂”套管柱技术;(4)建立了高温高压等复杂工况油套管柱结构和密封完整性试验平台和评价技术。进而根据当前国家大力提升油气勘探开发力度的新要求和面临的新问题,提出了继续深入开展深层、酸性环境、页岩气等复杂工况油套管柱失效控制与完整性研究攻关的若干建议。结论认为,上述技术成果有力地支撑了我国重点油气田的经济有效开发。

油气田用热塑性塑料管材环境应力开裂研究进展

为应对油气田日益苛刻的腐蚀环境,尤其是CO2和H2S等腐蚀气体含量增加,耐腐蚀性能优良的热塑性塑料在油气集输领域的应用受到广泛关注。但在使用过程中,由于环境应力开裂(ESC)导致管材失效事故时有发生,给管线运行和生态环境带来巨大隐患。文中首先通过对ESC评价方法研究、不同聚合物/溶剂体系的相互作用、环境因素对ESC行为的影响及材料改性对ESCR性能影响等方面调研,分析了国内外关于油气田用热塑性塑料管材ESC的研究现状。其次,从增塑理论、表面能的影响和分子链断裂分析了ESC机理。再次,指出了目前研究存在的不足之处:(1)油气田用热塑性塑料管材ESC行为快速分析方法尚未建立;(2)热塑性塑料结构形态对ESC的影响未予充分考虑;(3)尚无多场耦合下酸性油气混输用热塑性塑料管材的ESC机理研究。最后,对今后关于ESC研究的方向给出了建议。通过油气田热塑性塑料管材ESC研究现状调研,促进热塑性塑料管材在油气田中的安全应用。

螺纹制作工艺对高压玻璃钢油管连接性能的影响研究

高压玻璃钢油管已成为解决钢制油管腐蚀问题的重要方案之一,但由于螺纹连接强度不够,高压玻璃钢油管的轴向拉伸性能受限严重,极大限制了该产品的应用井深和应用领域。以2 7/8 in、PN17 MPa的玻璃钢油管为研究对象,采用冲击及拉伸等试验手段,研究了螺纹材质、螺纹牙型、螺纹连接长度、螺纹粘接面状态等螺纹制作工艺参数对高压玻璃钢油管螺纹连接性能的影响。结果表明,在考虑螺纹制作工艺可行性的基础上,传统螺纹胶泥配方中添加1. 1%的短切碳纤维和1%的K550偶联剂,螺纹长度适当增加时,均可确保螺纹拉伸性能得到大幅度的提高。在相同工艺条件下,长圆螺纹最大拉伸失效载荷比偏梯形螺纹提高约28%。高压玻璃钢油管锥面开槽后的螺纹连接性能未见明显提升,且在一定程度上增加了螺纹制作工艺的复杂性,不推荐采用。

CCUS腐蚀控制技术研究现状

主要阐述了CCUS技术的发展需求和国内外应用现状,探讨分析了CCUS技术发展过程中CO_2驱油中存在的腐蚀问题和防腐措施的研究现状,结合油田CO_2驱注采现场需求,提出了着重开展腐蚀研究的热点问题及建议,进一步为CCUS技术的利用及深入发展提供理论指导和技术支撑。

特殊螺纹油管冲刷腐蚀模拟研究

针对含腐蚀性介质的高产气井异型结构特殊螺纹接头油管在采气条件下的气液两相流冲刷腐蚀问题开展CFD数值模拟研究,采用欧拉多相流模型对油管螺纹连接处气液两相流场进行仿真分析,结合液相和腐蚀性介质CO2的相体积分数分布,根据电化学腐蚀模型计算腐蚀速率,并与文献中现场数据进行对比验证。研究结果表明,仅考虑相分布特性计算的腐蚀速率偏于保守,而在综合分析相分布特性与流动特性的基础上预测得出的冲刷腐蚀位置,获得了现场数据的验证。

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料,但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此,在考虑制造缺陷的条件下,通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度,并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比,得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律,最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明:①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降,在径厚比值较低时,钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大,而当径厚比值较高时,钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管;②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近,同时在径厚比大于15时,计算结果乘以0.9的系数,具有较好的安全性。结论认为,该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。

大应变管线钢和钢管的关键技术进展及展望

油气管道工程在途经地震带、滑坡带、矿山采空区、沉陷带等特殊地质环境时,使用的大应变管线钢和钢管的研制及应用配套技术是国际上研究的热点之一,也是我国重要油气管道工程必须破解的重大难题。为此,围绕大应变管线钢和钢管研发应用中的一系列关键技术难题,通过十余年的联合攻关,取得了多项理论技术创新。主要成果包括:①提出了应用多个不同的应力比、屈强比、均匀延伸率等参数联合表征和评价钢管变形行为的方法,建立了X70HD/X80HD大应变管线钢和钢管新产品技术指标体系和标准;②研发形成了X70HD/X80HD钢板制造成套技术,获得了兼备低屈强比、高均匀伸长率、高应力比、高强韧性的大应变钢板;③研发形成了X70HD/X80HD JCOE和UOE大应变直缝埋弧焊管制造技术,解决了钢管母材和焊缝性能合理匹配及成型、焊接、扩径、热涂覆过程性能劣化难题;④自主研制了钢管内压+弯曲大变形实物试验装置,研发形成了钢管实物模拟变形试验技术。X70HD/X80HD大应变管线钢和钢管在西气东输、中缅管道等重大输气管道工程中实现了规模化应用,取得了良好的应用实效。根据复杂地质条件管道建设与长期安全运行的新要求,提出了进一步发展基于应变的管道设计新方法,研发或完善与环焊缝强匹配要求相适应的焊接方法、焊接材料、焊接工艺、环焊缝性能质量及缺陷控制要求等配套技术的建议。

双金属复合管的研究现状与发展趋势

本文介绍了双金属复合管的结构特点和主要生产工艺,对双金属复合管的失效形式及原因进行了详细的文献调研,整理了双金属复合管工艺和应用的发展现状,对双金属复合管的应用发展前景进行了展望。对其未来在制造和检测方面的发展趋势进行了分析,提出了应加快制造技术的研发和自动化程度,完善复合管无损检测技术,且标准规范需要系统化、规范化、全面化的建议。

纤维缠绕增强柔性复合管研究现状与发展趋势

介绍了纤维缠绕增强柔性复合管的结构特点以及主要生产工艺,对纤维缠绕增强柔性复合管的失效形式及原因进行了分析总结,分析整理了纤维缠绕增强柔性复合管应用现状并对其发展前景进行了展望。

低温环境下钻柱材料力学特性试验及强度设计

低温条件下的钻柱强度校核与设计研究,对解决极地等低温环境下钻柱的技术问题具有重要意义。在低温和常温条件下,进行了G105钻杆和S135钻杆的力学特性试验,获取了2种材料的抗拉强度、屈服强度及冲击性能等参数随温度的变化规律,在此基础上,提出了低温环境下钻柱的强度设计方法。试验发现,随着温度降低,G105钻杆和S135钻杆的抗拉强度和屈服强度均升高,断面收缩率基本不变。在低温环境下,为保证钻柱的服役安全,钻柱的强度设计方法应由常温下应力控制转换为应力与应变共同控制。低温服役环境下进行钻柱强度设计时,钻柱材料的屈服强度应依照宽温区的材料强度特性取值。该研究结果对确保低温环境下钻柱的工程设计及服役安全具有指导意义。

我国高钢级管线钢和钢管应用基础研究进展及展望

回顾我国油气输送管道工程、高钢级管线钢和钢管的研发应用历程及取得的成果,指出它们的发展方向。我国油气输送管道工程、高钢级管线钢和钢管的研发应用具有研发周期短、应用速度快、实施效果好等显著特点。经过近20年的努力,我国在油气输送管道,特别是大口径、高压力输送管道,管型、钢级、材质、尺寸等参数优化和高钢级管材研发应用等方面达到国际领先水平。研发形成了X70/X80钢级材质选用、针状铁素体管线钢组织分析鉴别与评定技术、管型选用和螺旋埋弧焊管残余应力控制技术、高压输气管道断裂控制技术、地震断裂带等基于应变设计地区管材变形控制技术、厚壁高钢级管线钢及钢管试验检测评价技术、高钢级管线钢焊接热影响区局部脆化的脆化机理、断裂规律与预防技术。自主研发了X70/X80系列热轧板卷和大口径厚壁螺旋埋弧焊管制造技术、宽厚板和大口径厚壁直缝埋弧焊管制造技术、感应加热弯管和管件成分设计及制造工艺技术。将Ⅰ类地区的设计系数提高到了0.8,将X80管材口径扩大至1 422 mm,初步完成X90管线钢和钢管的研制。为更好地满足大口径高压力输气管道工程发展的需求,必须进一步深化应用基础研究,联合进行产品研发与技术攻关,形成大口径高钢级输气管道输量与其他参数(压力、钢级、设计系数、管径、壁厚等)的优化技术。建立或完善管道应变设计、可靠性设计、高压输气管道断裂控制等理论和方法。研究解决X90~X120高钢级管线钢和钢管屈强比、应变时效、低温韧性、屈服强度测试等关键技术难题,掌握高钢级管材成分、组织、性能、工艺等的相关性。联合冶金和制管企业,形成批量生产能力。研究形成X90~X120管材现场焊接技术,进一步提高环焊缝质量性能水平。最终实现高钢级管线钢和钢管生产和应用技术的全面突破。

油气田用复合管非金属内衬材料性能分析

普通钢管在油田使用寿命短、腐蚀穿孔、结垢严重,影响和制约了油田的生产和开发。非金属内衬复合管具有优良的耐腐蚀性能,可以应用在已发生腐蚀现象的钢管内进行修复,且不改变普通钢管的连接和作业方式。介绍了非金属内衬复合管选用的非金属内衬种类,并评价了多种典型非金属内衬材料的性能。通过对非金属内衬材料耐热、耐腐蚀性、抗机械性能等综合性能的测试,为油气田合理进行内衬材料的选材提供了科学的适用性评价。

时效对X80管线钢管力学性能的影响规律研究

选取了具有不同成分和组织特征的X80直缝焊管及螺旋焊管,对不同的时效时间、时效温度、预应变量条件下其应力应变曲线及力学性能的影响规律、微观组织特征进行了研究。结果表明,时效对直缝焊管及螺旋焊管的力学性能有重要影响,其影响程度和管型以及试样方向、组织状态等因素有关。随着时效时间、温度以及预应变量的增加,应力应变曲线逐渐出现屈服平台,特别是在一定预应变条件下会出现尖峰现象;同时屈服强度和屈强比升高、塑性变形能力下降、冲击韧性降低。时效诱导析出是导致钢管的屈服强度升高、抗脆断能力降低以及塑性降低的主要因素。

柔性复合管剩余强度试验及失效机理研究

采用内衬层为PVDF、增强层为玻璃钢带的柔性复合管,利用承压设备,基于线性回归采用剩余强度法对油气集输用柔性复合管的服役寿命进行研究。利用扫描电镜对微观形貌分析,对柔性复合管的失效机理进行研究。结果表明,随着服役时间的增加,柔性复合管的剩余强度值呈下降趋势,并且该对数值与服役时间对数值呈线性关系。该类型管材无外界因素影响,在输送介质温度不高于90℃,压力不高于16 MPa条件下,可安全服役超过20年。

增强热塑性塑料连续管标准现状及发展建议

增强热塑性塑料连续管(RTP管)因其具有柔性好、接头少、单根长、重量轻、易安装等一系列优点,现已广泛应用于国内油田的地面油气集输、高压注醇、油田注水、污水处理等方面,在井下管、海洋管等领域也获得成功试用。但与之相配套的RTP管标准化工作还相对滞后。文章总结了国内RTP管产品标准现状,分析了现有各标准存在的主要技术问题。在总结国内RTP管标准化工作存在问题的基础上,提出了今后RTP管的标准化工作建议,力求助推国内RTP管新产品和新技术的快速有形化,促进石油工业质量效益不断提高。

基于应变数值分析的稠油热采井套管优选

针对目前稠油热采井常用的N80、N80H、T90H、TG80H 4种钢级套管的优选问题,首先通过蠕变试验建立了4种套管的蠕变本构模型,结合建立的套管-水泥环-地层全井筒平面有限元模型,获得280℃高温下套管柱应变随时间的变化规律,即随蒸汽吞吐轮次的增加,套管柱的变形不断增加,直至套管损坏。进一步经过多轮次蒸汽吞吐后,发现API标准的N80套管不适用稠油热采工况,其他三种套管对稠油热采井工况的适用性强弱为:N80H<T90H<TG80H。最后指出通过应变数值分析方法,可获得套管柱应变时域性规律,进一步为稠油热采井优选套管提供依据。

油井管接头密封方法及机理综述

高温高压天然气井的管柱密封性至今无法完全保障。油井管最常用的四种密封方法是螺纹密封、台肩密封、弹性密封环密封和金属接触密封。大部分特殊螺纹接头采用金属接触密封,密封面接触压力决定了密封能力。正确的金属接触密封会显示出一种压力激发效应。将密封面设计在远离螺纹端部的位置,螺纹端部刚性增强了密封接触力。金属接触密封的泄漏概率为10^-2,泄漏速度取决于密封面的接触应力宽度、粗糙度、损伤程度、密封脂、涂层等。特殊螺纹接头在振动后,即使产生疲劳裂纹,也不发生泄漏。一些接头台肩刻槽后作密封性试验,结果发生泄漏。很多气井管柱扭矩台肩发生了腐蚀,证明金属接触密封存在泄漏通道,即扭矩台肩起密封作用。接触压应力设计法无法完全解决特殊螺纹接头的密封问题,发展全新的设计理论和制造技术,是保障特殊螺纹接头密封性的重要发展方向。