稠油蒸汽吞吐热采井用套管的包申格效应评测方法
【专利摘要】本发明公开了一种稠油蒸汽吞吐热采井用套管的包申格效应评测方法，属于石油天然气开采领域，包括：S1，测得被评测套管材料的初时屈服强度σ0和抗拉强度σt；S2，取套管试样，进行多次拉—压对称循环试验，测得各次拉伸阶段的屈服强度σ1、σ2、σ3、…；S3，计算出各次循环拉—压后屈服强度的增量Δσ1、Δσ2、Δσ3、…，定义各屈服强度增量的平均值为Δσ；S4，按照式ΔσT＝A×B×Δσ预测套管服役寿命内屈服强度总增量ΔσT；S5，若Δσ为正值，且式ΔσT≤σt-σ0成立，则被测套管材料合格，否则不合格；若Δσ为负值，且式σ0+ΔσT≥σc成立，则被测套管材料合格，否则不合格。本发明通过测量和计算屈服强度增量的平均值Δσ，直观地判断被评测套管材料属于循环软化还是循环硬化，进一步判断该被测套管材料是否合格。
【专利说明】稠油蒸汽吞吐热采井用套管的包申格效应评测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油天然气开采领域，特别涉及一种稠油蒸汽吞吐热采井用套管的包 申格效应评测方法。
【背景技术】
[0002] 包申格效应是金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规 定残余应力增加；反向加载，规定残余应力降低的现象。包申格效应与金属材料中位错运动 所受的阻力变化有关。稠油是国内外主要的油气资源类型之一，国内以新疆、辽河、胜利油 田为主开采稠油。稠油开采最重要的技术就是蒸汽吞吐作业，由于地层及水泥环的约束，套 管在循环注蒸汽过程中随温度的升高和降低分别承受压缩和拉伸载荷，套管材料的屈服强 度随着循环拉-压变化而持续变化，表现为循环硬化或软化，即材料的屈服强度升高和降 低，这种现象也就是包申格效应。
[0003] 这种循环拉-压载荷下的屈服强度变化即包申格效应对套管的安全服役具有重 要影响。当套管材料的包申格效应表现为循环硬化时，随着循环次数增加，材料的屈服强度 有可能达到其抗拉强度而引发断裂；当套管材料的包申格效应表现为循环软化时，随着循 环次数增加，材料的屈服强度有可能降低到某一临界值以下，这个临界值是热采井正常生 产、抵抗地应力、维持井筒稳定的最小屈服强度。当材料的屈服强度低于该临界值时，井筒 将失稳，导致井眼损伤、甚至报废。
[0004] 当前，对稠油蒸汽热采井用套管的评价方法仅仅是分别测定套管材料在室温及高 温下的屈服强度，而未涉及拉-压循环下材料屈服强度变化的评价，对热采井的安全服役 构成显著的负面影响，因此，有必要针对热采井蒸汽吞吐循环特征，建立套管材料的包申格 效应评价方法，提高热采井井筒的安全可靠性。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种稠油蒸汽吞吐热采井用套管 的包申格效应评测方法。所述技术方案如下：
[0006] 提供了一种稠油蒸汽吞吐热采井用套管的包申格效应评测方法，所述评测方法包 括以下步骤：
[0007] S1，测得被评测套管材料的初时屈服强度σ ^和抗拉强度σ t ;
[0008] S2,在步骤S1中被评测套管材料中取套管试样，对所述套管试样进行多次拉一压 对称循环试验，测得各次拉伸阶段的屈服强度0 i、0 2、0 3、……；
[0009] S3,计算出步骤S2中各次循环拉一压后屈服强度的增量Λ σ ρ Λ σ 2、Λ σ 3、......， 其中，Λ ……），定义各屈服强度增量的平均值为Λ 〇 ;
[0010] S4,按照式（1)预测套管服役寿命内屈服强度总增量Λ 〇 τ :
[0011] Δ σ τ = ΑΧΒΧ Δ σ (1)
[0012] 式中，Α为套管设计寿命，单位为年；Β为套管每年注汽轮次上限，单位为次/年；
[0013] S5，g Λ σ为正值，且式（2)成立，被测套管材料合格，否则不合格，
[0014] Δ σ τ ^ 〇 t- 〇 〇 (2)；
[0015] 若Λ σ为负值，且式（3)成立，被测套管材料合格，否则不合格，
[0016] σ 〇+ Δ σ τ ^ σ c (3)，
[0017] 式（3)中，〇。为套管材料的最小屈服强度。
[0018] 进一步地，步骤S1中所述被评测套管材料为圆棒试样，标距范围内表面粗糙度小 于或者等于R0. 8,标距长度大于或者等于5倍直径。
[0019] 进一步地，步骤S1中获取所述被评测套管材料的初时屈服强度σ ^和抗拉强度σ t 时，采用单轴拉伸的方法，拉伸速率小于或者等于〇. 5mm/min。
[0020] 进一步地，步骤S2中，对所述套管试样进行5次拉一压对称循环试验，测得该5次 拉伸阶段的屈服强度σ ρ σ 2、σ 3、σ 4、σ 5。
[0021] 进一步地，步骤S2中，5次拉一压对称循环试验所使用的试样为同一试样。
[0022] 进一步地，步骤S2中所述套管试样为圆棒试样，标距范围内表面粗糙度小于或者 等于R0. 8,标距长度为所述套管试样直径的3?5倍。
[0023] 进一步地，进行所述拉一压对称循环试验时，拉伸速率小于或者等于0. 25mm/min。
[0024] 进一步地，步骤S3中，各屈服强度增量的平均值为Λ 〇为正值时，则被评测套管 材料属于循环硬化；Λ 〇为负值时，则被评测套管材料属于循环软化。
[0025] 进一步地，步骤S5式（3)中，套管材料的最小屈服强度〇。为设计值，按照套管钢 级名义屈服强度下限的85%计算。
[0026] 进一步地，步骤S2中，对所述套管试样进行6、8或者9次拉一压对称循环试验。
[0027] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0028] 通过测量和计算屈服强度增量的平均值Λ 〇，并通过该平均值Λ 〇的正负来直 观地判断被评测套管材料属于循环软化还是循环硬化，进一步判断该被测套管材料是否合 格，这样，可以置稠油蒸汽吞吐热采井套管材料在可控范围之内，把握热采井服役寿命内套 管材料是否安全。
【具体实施方式】
[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一 步地详细描述。
[0030] 实施例一
[0031] 本实施例提供了一种稠油蒸汽吞吐热采井用套管的包申格效应评测方法，该评测 方法包括以下步骤：
[0032] S1，测得被评测套管材料的初时屈服强度〇(|和抗拉强度〇t。优选地，该被评测 套管材料为圆棒试样，标距范围内表面粗糙度小于或者等于R0. 8,标距长度大于或者等于 5倍直径。获取被评测套管材料的初时屈服强度〇。和抗拉强度〇,时，采用单轴拉伸的方 法，拉伸速率小于或者等于〇. 5mm/min。其中，初时屈服强度为残余塑性变形为0. 2%对应的 应力。
[0033] S2,在步骤S1中被评测套管材料中取套管试样，对套管试样进行多次拉一压对称 循环试验，测得各次拉伸阶段的屈服强度σ ρ 〇 2、〇 3、……。优选地，对套管试样进行5次 拉一压对称循环试验，测得该5次拉伸阶段的屈服强度〇1、〇2、〇3、 〇4、〇5。该套管试样 为圆棒试样，标距范围内表面粗糙度小于或者等于R0. 8,标距长度为套管试样直径的3?5 倍。进行拉一压对称循环试验时，拉伸速率小于或者等于〇.25mm/min。进行5次拉一压对 称循环试验，一方面能够很好地达到试验的目的，保证试验结果的准确性，另一方面，试验 次数适中，没有增加试验成本。该多次或者5次拉一压对称循环试验所使用的试样为同一 试样。5次拉一压对称循环试验的屈服强度均为残余塑性变形为0. 2%对应的应力，拉一压 对称循环试验的临界应变依据井口注蒸汽温度确定，注汽温度不高于300°C时，临界应变为 ±2. 5% ;注汽温度大于300°C而不高于373°C时，临界应变为±3. 5%。如果5次拉一压对称 循环试验后，试样产生缩颈、裂纹或发生断裂，则直接判定材料不合格，如5次拉一压对称 循环试验后，试样正常，则继续进行以下试验及分析。作为其他的实施方式，对套管试样也 可以选择进行6、8或者9次拉一压对称循环试验。
[0034] S3,计算出步骤S2中各次循环拉一压后屈服强度的增量Λ σ ρ Λ σ 2、Λ σ 3、......， 其中，Λ 〇n= ……），定义各屈服强度增量的平均值为Λ 〇。各屈服强度 增量的平均值为Λ 〇为正值时，则被评测套管材料属于循环硬化；Λ 〇为负值时，则被评 测套管材料属于循环软化。
[0035] S4,按照式（1)预测套管服役寿命内屈服强度总增量Λ 〇 τ :
[0036] Δ σ τ = ΑΧΒΧ Δ σ (1)
[0037] 式中，Α为套管设计寿命，单位为年；Β为套管每年注汽轮次上限，单位为次/年。
[0038] S5，g Λ σ为正值，且式（2)成立，被测套管材料合格，否则不合格，
[0039] Δστ<σ「σ。 (2)；
[0040] 若Λ 〇为负值，且式（3)成立，被测套管材料合格，否则不合格，
[0041] σ 〇+Δ σ τ 彡 σ c (3),
[0042] 式（3)中，〇。为套管材料的最小屈服强度，套管材料的最小屈服强度〇。属于设 计值，按照套管钢级名义屈服强度下限的85%计算。即 〇。= 〇sX85%，〇s为套管钢级名 义屈服强度下限，由现行工业标准可以直接查阅。
[0043] 最后，出具试验评价报告，该试验评价报告包括三个部分：（1)委托单位、委托时 间、套管生产制造信息、拟应用环境设计参数等信息；（2)试验过程描述，包括不同阶段的 试验、试样等图片，及数据等信息；（3)评价结论，包括套管材料是否合格，及全程试验情况 概要说明。
[0044] 实施例二
[0045] 本发明实施例提供了一种稠油蒸汽吞吐热采井用套管的包申格效应评测方法，该 包申格效应评测方法以国内某油田的热采井用三种套管材料为评价对象，具体评价步骤和 情况如下：
[0046] 工况：
[0047] 1)井深260米左右；
[0048] 2)井口注汽温度260?300°C ;
[0049] 3)设计寿命6年；
[0050] 4)每年注汽3?4轮次；
[0051] 5)套管钢级为N80。
[0052] 评价过程：
[0053] 1)三种套管材料分别编号为A、B、C，单轴拉伸试样（即测量初时屈服强度〇 ^和抗 拉强度σ t的试样）标距段直径6. 5mm，标距长40mm，端部为Μ16螺纹，中间圆滑过渡，标距 段内粗糙度R0. 75 ;拉一压对称循环试验试样标距段直径6. 5mm，标距长25mm，端部为M16 螺纹，中间圆滑过渡，标距段内粗糙度R0. 75。
[0054] 2)单轴拉伸试验结果
[0055]
【权利要求】
1. 一种稠油蒸汽吞吐热采井用套管的包申格效应评测方法，其特征在于，所述评测方 法包括以下步骤： S1，测得被评测套管材料的初时屈服强度％和抗拉强度〇t; 52, 在步骤S1中被评测套管材料中取套管试样，对所述套管试样进行多次拉一压对称 循环试验，测得各次拉伸阶段的屈服强度σ ρ 〇 2、〇 3、……； 53, 计算出步骤S2中各次循环拉一压后屈服强度的增量Λ 〇 ρ Λ 〇 2、Λ 〇 3、……，其 中，Λ ……），定义各屈服强度增量的平均值为Λ 〇 ; 54, 按照式（1)预测套管服役寿命内屈服强度总增量Λ 〇T: Δ σ τ = ΑΧΒΧ Δ σ (1) 式中，Α为套管设计寿命，单位为年；Β为套管每年注汽轮次上限，单位为次/年； S5，g Λ σ为正值，且式（2)成立，被测套管材料合格，否则不合格， Δ σ τ ^ 〇 t- 〇 〇 (2)； 若Λ σ为负值，且式（3)成立，被测套管材料合格，否则不合格， σ 〇+Δ σ τ 彡 σ c (3), 式（3)中，〇。为套管材料的最小屈服强度。
2. 根据权利要求1所述的包申格效应评测方法，其特征在于，步骤S1中所述被评测套 管材料为圆棒试样，标距范围内表面粗糙度小于或者等于R0. 8,标距长度大于或者等于5 倍直径。
3. 根据权利要求2所述的包申格效应评测方法，其特征在于，步骤S1中获取所述被评 测套管材料的初时屈服强度σ。和抗拉强度〇1时，采用单轴拉伸的方法，拉伸速率小于或 者等于 0. 5mm/min。
4. 根据权利要求1所述的包申格效应评测方法，其特征在于，步骤S2中，对所述套管试 样进行5次拉一压对称循环试验，测得该5次拉伸阶段的屈服强度σ ρ 〇 2、〇 3、〇 4、〇 5。
5. 根据权利要求4所述的包申格效应评测方法，其特征在于，步骤S2中，5次拉一压对 称循环试验所使用的试样为同一试样。
6. 根据权利要求5所述的包申格效应评测方法，其特征在于，步骤S2中所述套管试样 为圆棒试样，标距范围内表面粗糙度小于或者等于R0. 8,标距长度为所述套管试样直径的 3?5倍。
7. 根据权利要求6所述的包申格效应评测方法，其特征在于，进行所述拉一压对称循 环试验时，拉伸速率小于或者等于0. 25mm/min。
8. 根据权利要求1所述的包申格效应评测方法，其特征在于，步骤S3中，各屈服强度增 量的平均值为Λ σ为正值时，则被评测套管材料属于循环硬化；Λ σ为负值时，则被评测 套管材料属于循环软化。
9. 根据权利要求1所述的包申格效应评测方法，其特征在于，步骤S5式（3冲，套管材 料的最小屈服强度σ。为设计值，按照套管钢级名义屈服强度下限的85%计算。
10. 根据权利要求1所述的包申格效应评测方法，其特征在于，步骤S2中，对所述套管 试样进行6、8或者9次拉一压对称循环试验。
【文档编号】G01N3/32GK104111203SQ201310134329
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月18日 优先权日:2013年4月18日
【发明者】韩礼红, 谢斌, 王航, 曾路平, 王建军, 田志华, 李方坡, 路彩虹, 冯耀荣, 张学鲁, 秦长毅, 聂明虎, 潘志勇 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所, 中国石油天然气股份有限公司