页岩气开发用高压管汇损伤机理及检测技术.pdf

石油杌械
2011年第39卷增刊
CHINA PETROLEUM MACHINERY
专题综述
页岩气开发用高压管汇损伤机理及检测技术
谢永金2樊建春张宏张来斌!张继信张永学1李世玉
(1.中国石油大学(北京)机电学院2.江汉石油管理局)
摘要对高压管汇在复杂工况下的损伤机理进行深入认识是开发高压管汇以及评佔其使用安
全性的重要基础。结合理论分析与试验研究探讨了高胚管汇损伤机理,指出现有冲蚀理论在掲示
高压管汇冲蚀行为方面存在的不足;通过检测试验,分析了磁记忆检测方法对于检遡评价高压管
汇安全性的意义;面向页岩气开发生产需要,提出了高压管汇损伤机理及检测评价技术的研究方
向,即开发可在线、定量与定性评价的高压管汇损伤状况检测评价系统
关键词非常规油气资源高压管汇页岩气应力腐蚀无损检测
动以及迁回管汇转折引起的拉压应力作用,工况十
分恶劣,易于发生应力腐蚀、酸蚀和冲蚀等,加剧
弯头、变径区域和连接部位的应力集中程度,在反
随着国内常规油气资源供暠矛盾的日趋紧张,复的动态应力作用下,诱发疲劳裂纹或应力腐蚀裂
非常规油气资源的开发利用已成为我国油气工业发纹,一旦扩展到外表面即引发高压管汇件的刺穿和
展关注的热点。有关资料表明,中国煤层气资源量破裂,使管内高乐流体外泄,对现场作业人员和设
约36.8万亿m2,居世界第3位,相当于常规天然气备构成严重威胁。因此,如何在贞岩气开发的压裂
资源储量的70%。页岩气資源储量初步估计达100作业中确保高压管汇的安全可靠性是一项必须解决
万亿m3,相当于常规天然气的2倍。油页岩资源达的关键问题。
7200亿t,其中含油质量分数为5%~10%的页岩油
为确保高压管汇在页岩气开发生产的长周期运
资源量为182亿t;含油质量分数大于10%的贞岩油行条件下的安全性,除在管汇结构设计、材料选型
资源量为140亿t,超过了已经发现的石油储量。目和制造工艺等方面采取措施外,在使用过程中采取
前国家已将非常规油气资源的开发利用纳人“十.
高灵敏度适时检测、安全性评估及合理维护地也十分
五”规划,相关部『门还专门设立了页岩气勘探开发重要。显然,对高压管汇在复杂工况下的损伤机理
关键技术研究项目,以期在核心技术上取得突破。进行深入认识是开发高压管汇以及评估其使用安全
从美国对页岩气开发的经验来看,取得成功的性的重要基础。
关键之一是采用多段压裂技术。与常规油气资源开
发不同,页岩气的开发和生产具有工厂化特点,即1高压管汇损伤机理硏究进展
一个井群一个井群在不同的方向打出来,不同的方
向都会有压裂,压裂作业是井间交又实施的。在此
结合已有高压管汇失效茱例分析与页岩气开发
情况下,压裂技术装备的工作时间及载荷变化与常生产使用工况分析,可以预测在页岩气开发生产条
规油气田开发相比要频繁得多,这就在客观上要求件下高压管汇的主要失效形式为:①冲蚀(弯头
压裂技术装备的核心零部件有更高的安全性、可靠连接及变径处);②应力腐蚀开裂;③疲劳开裂
性和耐久性”-2。
④腐蚀。在通常情况下,早期的冲蚀、不均匀腐蚀
由弯头、三通、直管总成及管端头等组成的高和冲刷腐蚀构成了在高压管件内壁上诱发裂纹的应
压管汇是压裂作业的关键部件,在页岩气开发服役力集中源。结合理论分析与试验研究,认识典型工
条件下,可能会承受数十甚至上百兆帕的压力、高况下这些失效的形成发展机制及其主要影响因素,
速运动固相粒子的冲刷、流体腐蚀、温度及压力波对于确定和采取合理技术措施、有效预防高压管汇
110
石油机械
2011年第39惹增刑
损伤破坏具有非常重要的意义。
势表明,在低应力状态下,试样的冲蚀质量损耗变
然而,目前国内外对复杂工况条件下高压管汇化并不显著,但当应力超过一定范围,各试样的质
的损伤失效机理研究却十分匮乏。以冲蚀为例,现量损耗增加十分显著。
有的研究主要考虑流体性质、粒子速度、冲蚀角以
-300um:25m/
及管件材料对冲蚀的影响,忽略了流体压力以及管
800
件应力状态与冲蚀过程的耦合作用。事实上,高压
600
管汇的冲蚀破坏是流体在冲蚀部位的复杂运动、粒
子冲击、多相流体与管件内表面相互作用、流体压
200
力等相互影响的结果。因此,现有的冲蚀理论在揭
示高压管汇的冲蚀破坏机理方面存在明显不足,高
100150200250300350400
压管汇尤其是弯头的设计选型缺乏充分依据
轴向拉应力/MPa
为了分析应力状态对高压弯头损伤的影响,采
图3不同拉应力下试样的质量损耗曲线
用有限元法分析了140MPa压力条件下弯头的应力
尽管有关应力导致冲蚀加剧的机理还有待于深
分布,如图1所示。由图可知,最大应力出现在弯入研究,但上述试验已经清楚地表明,拉应力加剧
头内側,该部位可视为弯头易于发生破坏的薄弱环冲蚀破坏是高压管件冲蚀的显著特点,在此情況下,
节。图2为采用计算流体动力学分析方法对弯头部管件工作歴力的影响已不容忽略。从页若气开发生
位冲蚀的预测结果。显然冲蚀破坏的危险点出现在产的频繁使用条件来看,在较高工作压力下,高压
高压弯头的外侧内表面上。而实际高压管汇的大量弯头的冲蚀损伤速度与一般工作压力情况相比要高
失效案例分析表明,弯头部位的损伤首先表现为弯得多,这种神健破坏会使高压弯头外側壁厚减薄
头外側内表面的冲蚀和以冲蚀部位为应力集中源
并演化成最为薄弱的环节,从而发生刺穿或开裂
发的开裂。这一结果表明,高压弯头的大多数破坏因此,面向项岩气开发生产用的高乐弯头设计必须
与其最大应力状态无关。
充分考虑冲蚀速度,确保弯头有足够的使用寿命
为满足页岩气开发生产用高压管汇设计开发的
位:MPa
73.608
需要,对于高压管汇损伤机理的研究还需从以下几
个方面加以深人
(1)高拉应力导致冲蚀加剧的机理研究。需
要结合理论分析与进一步的试验研究,揭示管件应
力与冲蚀破坏过程的耦合机制,探讨不同应力状态
375.07
对冲蚀的影响规律,建立相关的预测公式
413.882
(2)酸化液环境下的高压管汇损伤机理研究。
图1高压管汇弯头处的应力分布
需要进一步利用已经建立的应力-冲蚀试验条件,
结合页岩气开发生产使用工况,模拟腐蚀介质条件
下高压管汇的冲蚀行为和在冲蚀部位发展形成应力
腐蚀裂纹的过稈,探讨建立髙压管汇.在腐蚀、冲蚀
和应力腐蚀条件下的损伤预测模型,为高压管汇设
计开发提供依据。
03
(3)不同高压管汇材料在典型丁况条件下冲蚀
9,34e-Od
8:单位:mg
及应力腐蚀机理研究,确定这些材料的抗冲蚀能力
图2高压弯头冲蚀预洲结果
和临界强度因子,为高压管汇材料的选型提供依据
为进一步分析高压管汇弯头应力状态与冲蚀之
间的关系,在实验室条件下模拟了弯头材料试样在
高压管汇损伤检测评价技术研究
承受拉应力状态下冲蚀行为。图3为其中一组典型
进展
的试验数据。图中所示在冲击速度为25和20m
的情况下,含2种粒径固体粒子的流体对分別承受
如前所述,与常规油气田开发相比,页岩气开
不同拉应力试样1h的冲蚀结果。图中曲线变化趋发生产条件下压裂技术装备的使用周期更