李平全，董 仁

（1.西安摩尔石油工程实验室有限公司，陕西 西安 710032；2.中国石油塔里木油田公司勘探开发部，新疆 库尔勒 841000）

4 C110钢级套管SSC评价试验及应用

4.1 SSC评价试验的意义

C110钢级的抗硫化氢特性虽比近些年才开发的低酸性环境用C125钢级好［20］，但C110钢级开发的初衷仅限于高温高压低酸性深井使用，其应用应十分谨慎。现在有不少制造厂能一直提供通过NACE TM 0177标准A法、A溶液、85%SMYS应力条件评定试验的C110钢级产品，对该产品的验收大多数用户也按同样的NACE标准试验程序进行。但是C110钢级开发目的始终都是供高温高压低酸性深井用，C110钢级适用于硫化氢分压0.07 bar（PH2S以bar为单位，1 bar=0.1 MPa）或较低分压油气井的低酸性（Mild Sour）井用［12］。

NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003标准中的第10.1.2款［18］规定：对于由淬火+回火态Cr-Mo低合金钢（AISI 41XX及其改型钢）制成的材料硬度不大于30 HRC，规定最低屈服强度为690，720，760 MPa（100，105，110 kpsi），最高屈服强度与最低屈服强度的差值不超过100 MPa（15 kpsi）。具有NACE TM 0177标准A法最低SSC/SCC临界应力不低于85%SMYS的C100、C105、C110钢级的较高强度酸性用套管，由于NACE试验方法和现场应用结果间没有关联的数据，在技术上也没有支持某一个最终限制条件的数据，因此在ISO 15156-2∶2009标准［21］中，上述HSSS钢级套管主要供H2S分压小于0.07 bar的井中作保护套管用，该标准的规范性附录A条款A.4.2指出，符合上述规定、实际屈服强度不大于896 MPa（130 kpsi）的抗SSC的C110钢级油套管适合于低酸性区环境使用。

C110钢级试样在北海和墨西哥湾油田预定适用环境下的SSC试验如图6所示，图中点1（pH4.5-PH2S0.28 bar）、点2（pH4.2-PH2S0.1bar）分别是C110钢级在24℃、施加拉应力为90%AYS（实际屈服强度）试验条件下通过SSC评价的墨西哥湾油田和北海油田的两个预定适用环境［22］，连接1、2两点的直线可以表示C110钢的SSC抗力，该钢对位于这条直线上或这条直线西北方向的任何条件都具有SSC抗力［20］。C110钢级在图6所示的Ⅱ区（酸性过渡区）和Ⅲ区（全酸性区）的应用应谨慎，API规范在第5.1、7.14.1款［3］反复给出完全相同的警示，购方宜参考NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003标准关于C90、T95和C110钢级使用指南，特别关注C110钢级在Ⅲ区（全酸性区）的应用，C110钢级不适合于Ⅲ区所有环境使用，尤其是在pH值低于3.5的环境。C110钢级在Ⅲ区的预定环境应用，应模拟工况进行SSC评价试验。

图6 C110钢级试样在北海和墨西哥湾油田预定适用环境下的SSC试验

4.2 SSC抗力评定的环境条件

NACE TM 0177标准A溶液是对材料直至Ⅲ区的全酸性区环境SSC抗力评定的标准化环境，但由于试验中在位pH值的漂移，这种溶液不能评定材料在Ⅲ区在位pH值低于3.5时SSC特性；因此NACE TM 0177标准A法A溶液SSC评定试验可作为材料特性的一种评定方法，但不适用于材料SSC抗力在该环境的合格评定。有试验研究对通过NACE TM 0177标准A溶液SSC试验的酸性环境用X65、T95钢级两种材料在浓度50 g/L NaCl+4 g/L CH3COONa的蒸馏水或去离子水水溶液环境进行严格在位pH条件的试验，用PH2S为1 bar的H2S气体加以饱和并持续鼓泡。试验采用标准拉伸试样，试验中持续监控pH值严格等于3.0或3.5，如试验条件要求pH=3.0时，一旦pH值升高至3.1以上就加入HCl调整至3.0。两种钢级均通过pH3.5-PH2S1 bar条件的试验，但在pH3.0-PH2S1 bar条件时，试验都没有通过［23］，可见在位pH值对材料SSC抗力的影响，尤其是较高钢级抗酸性钢在Ⅲ区低pH值区域的应用值得注意。

4.2.1 NACE TM 0177标准A溶液

NACE TM 0177标准A溶液是由0.1 MPa H2S饱和的，含NaCl（50 g/L）和醋酸（5.0 g/L）组分的酸性水溶液；是对材料直至Ⅲ区（全酸性区）环境抗SSC特性评定用最广泛的标准化试验环境。

按程序配制的酸性水溶液最初pH值约为2.7；试验时，由于腐蚀反应，溶液的pH值升高；当铁硫化物析出时溶液的pH值约稳定在3.6，差不多有1个pH单位的漂移。因此NACE TM 0177标准A溶液环境可以绘制在图6所示的PH2S-pH图上，它不是单一的点，而是起点在pH2.7，终点在pH3.6的一条线段。

4.2.2 适用性环境条件

适用性（fit-for-purpose）环境条件［22］代表预定井中实际最差工况的在位pH值和硫化氢分压PH2S。

该条件是对材料在预定适用环境SSC抗力是否合格、可否使用的SSC适用性评定环境条件。这种预定适用环境是指PH2S-pH图上的一个特定点（如图6中C110钢级适用环境1、2点）。

适用性环境条件采用CH3COONa代替A溶液中的醋酸，将NaCl（50 g/L）和CH3COONa（4 g/L）溶入蒸馏水或去离子水中，并采用大气压力下混合的H2S/CO2（或H2S/N2混合气）加以饱和，溶液饱和后通过持续鼓泡保持PH2S。如PH2S=0.1 bar，即通过注入1 bar的10%H2S/90%CO2混合气体获得。试验过程中监控溶液的pH值，以强酸（HCl）、醋酸钠（根据溶液浓度）或强碱（NaOH）调整并保持至pH规定值。对于特定目的，试验溶液可配不同浓度的氯化物，但通常与NACE TM 0177标准A溶液的氯化钠浓度（50 g/L）相同。经CH3COONa缓冲的溶液，消除了NACE TM 0177标准A法溶液试验时由于腐蚀反应，溶液pH值升高的缺点。试验仍采用NACE TM 0177标准A法拉伸试样，拉应力除可按API标准规定施加，也可按试件材料的90%AYS施加，pH值模拟现场在位值，试验过程中pH值稳定在较小偏差范围内，在位pH值与高的施加应力配合适于预定使用环境SSC抗力合格评定试验用。这种环境比NACE TM 0177标准A溶液缓和，但又比较接近油气田实际环境（通常大多井内环境在位pH值高于3.5，H2S分压小于1 bar），尤其适合于C110高钢级套管材料的评定。这种试验环境在国外油气田得到越来越广泛的应用。

4.3 应用实例

C110钢级套管已应用于水深1 371.6 m（4 500 ft）的墨西哥湾油气田开发［12］。该油气田储层压力70 MPa（10 kpsi），地层温度51.7～57.2℃（125～135℉），饱和压力19.3～26.9 MPa（2 800～3 900 psi），CO2含量（体积分数）1.0%，采用注水维持压力。储层酸化模拟显示：储层酸化可出现H2S产出物，其中一口井的最大含量为0.06%，而另一口井的含量可达到0.13%。

C110钢级材料按美国BP公司酸性用套管规定要求进行抗SSC评定。BP公司材料指南规定试验按NACE TM 0177标准A法，修正的试验溶液采用总压力1 bar H2S/CO2混合气加以饱和，混合气中的H2S分压按井内气相中的H2S分压，试验溶液的pH值调整为储层采出液有关的水相在位pH值，施加应力为材料的90%AYS条件进行。

井内气相的H2S分压是基于饱和压力计算，H2S分压0.025～0.035 MPa（0.25~0.35 bar）；该两储层的采出液水相pH值为3.66～3.78。试验条件选择考虑了两井中气相H2S分压的变化，H2S分压的建立不随时间的变化而变化。适用环境条件和试验条件见表5。

试验溶液为去离子水溶入5%NaCl和0.4 g/L CH3COONa（对于H2S分压0.027 5 bar或0.175 bar的试验）或5%NaCl和0.4 g/L水溶液（对于H2S分压0.35 bar的试验），并用HCl调整至起始pH值3.7。试验分别用2.75%、17.50%、35.0%H2S与 CO2（余量）在大气压力下的混合气体中进行。试验期间加CH3COONa以保持pH值接近起始值。

供这个油田用的C110钢级套管所有炉批都在80%SMYS应力条件下通过NACE TM 0177标准A法、A溶液的实验室SSC评定试验。模拟工况条件的适用环境SSC评定试验采用Φ193.7 mm×12.7 mm和Φ244.5 mm×13.84 mm的C110钢级套管。纵向试样的取样位置在钢管壁厚中部。每一批、每一试验条件取2个试样。经720 h（30 d）的试验，除1个炉批（转换硬度值为27.7~28.8 HRC）在H2S分压0.35 bar下的试验接近400 h后失效外，其余5个炉批在H2S分压0.027 5，0.175 0，0.350 0 bar下都通过BP公司修正程序试验，符合NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003标准对材料的要求；因此考虑将C110钢级套管作为抗H2S开裂材料供油气田完井用。

图7、图8和表6、表7是该油田应用C110钢级套管的有代表性油气井管柱设计及参数实例［12］。例1（图7和表6）的中间套管1和回接生产衬管分别采用 Φ335.60 mm×17.00 mm（Φ14.000 in×0.700 in）和 Φ273.05 mm×20.96 mm（Φ10.750 in×0.825 in）规格的C110钢级套管；例2（图8和表7）的回接生产套管采用的是Φ193.68 mm×15.88 mm（Φ7.625 in×0.625 in）规格的C110钢级套管。

表5 适用环境条件和试验条件

5 结 论

（1）C110钢级酸性用钢为AISI 41XX及其改型钢，普遍采用超低P、超低S细晶化钢，采用钢包精炼工艺、真空脱气、成分均匀化、减少夹杂物工艺和夹杂物变态钙处理技术，以及减少连铸坯偏析、改善铸坯质量的工艺措施，使该钢具有良好、均匀的化学特性。精确的炉温控制和高效力、冷却

速度控制均匀的淬火系统的采用，对于管体、接箍全壁厚范围内，直至钢与硫化氢接触的内壁表面获得均匀、细小的全马氏体+回火显微组织是非常重要的。C110钢级管体、接箍全壁厚范围内均匀、细小的全马氏体显微组织，以及尽可能高的回火温度，是获得良好SSC抗力的必要条件。冶金学和钢管制造技术的进步，使C110钢级抗酸性高强度钢的开发获得成功。

图7 应用C110钢级套管的代表性油气井管柱设计实例1

图8 应用C110钢级套管的代表性油气井管柱设计实例2

表6 管柱设计参数实例1

表7 管柱设计参数实例2

（2）C110钢的化学成分设计，必须与产品规格、热处理炉的温度控制、淬火系统的冷却效力相配合，使产品从里至外全壁厚完全淬透获得全马氏体组织。淬透性试验（淬火横截面硬度试验）是证明钢的化学成分设计和淬火加热炉以及所采用淬火系统效力相匹配、获得可接受的最低淬透性的定量评定。淬火横截面硬度试验是更适合于材料生产的接受/拒收准则。

（3）C110钢级拉伸屈服强度的控制“窗口”仅70 MPa（10 kpsi），是使钢的SSC抗力最大化的措施，应控制屈服强度在“窗口”的中下限。可补充统计拉伸试验控制要求。硬度检测是直接评定每一批每一根钢管、壁厚每一位置（OD、MW、ID）屈服强度分布均匀性的一种经济方法。

（4）硬度检测不仅在套管生产工艺控制方面起重要作用，在SSC评定试验中的作用也不可替代。全壁厚硬度试验、表面硬度控制检验是SSC评定试验试样抽取的重要准则，是加快筛除SSC试验不能通过的产品，捕获每批必选钢管的有效方法。根据硬度检测结果，可对SSC试验是否能通过进行预判，有助于对试验的结果进行分析和评判。虽然NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003和 API规范规定C110钢级的最终回火硬度须控制在不超过30 HRC，但实际上要具有好的SSC抗力必须具有相对低的硬度值。

（5）C110钢级SSC评定试验按API规范和NACE TM 0177—2005标准规定采用A、D法进行。SSC评定试验是产品质量控制的方法，是评定在规定环境条件下材料特性的方法，而不是评定材料在任何特定酸性环境应用是否合格的方法。适用环境SSC试验评定适于材料在预定使用环境SSC抗力是否合格、可否使用的评定。通过NACE TM 0177—2005标准A法A溶液 SSC评定试验的C110钢级，不一定能通过预定适用环境SSC试验评定。

（6）开发C110钢级套管的目的是供高温高压低酸性深井用。目前，C110钢级套管已在北海和墨西哥湾某些高温高压低酸性深井中应用。但C110钢级套管不适合于在NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003标准规定的Ⅲ区即全酸性区环境下使用。C110钢级套管在预定酸性环境的应用，应通过模拟适用环境SSC评定试验确定。

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（续 完）