位于松辽盆地的大庆油田徐深气田气井完钻垂深普遍较深，一般在3 500 m左右。该气田地层中CO2含量为2.19%~8.86%，平均达到5.17%；地温梯度为3.9 ℃/100 m，井底温度一般在140 ℃左右，实测最高井底温度达169 ℃。在这种井下高温、高含CO2条件下，套管极易发生CO2腐蚀问题。因此，徐深气田在进行套管设计时，既要求套管具有良好的机械性能以满足深井套管承受载荷的需要，又要具有良好的耐CO2腐蚀性能[1-4]。目前，徐深气田深层气井设计应用HP13Cr-110套管，其既能满足高强度的要求，又能达到防腐效果。但HP13Cr-110套管价格较高，在国际油价持续低迷、维持低价位运行的形势下，严重制约了徐深气田的高效开发。
为此，笔者在室内模拟徐深气田CO2腐蚀环境，开展了套管抗拉试验、硬度试验、韧性试验和耐CO2腐蚀性能试验，分析了套管钢材的机械性能及耐腐蚀性能，并给出了13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种套管的腐蚀速率和腐蚀指数计算公式，根据试验结果用11Cr-110套管代替HP13Cr-110套管，并在徐深气田3口井进行了现场试验，不但满足了该气田的防腐要求，而且获得了较好的经济效益。
1 套管机械性能分析套管的机械性能能否满足设计要求，对于保证气井套管不被挤毁非常重要[1, 5]。目前，松辽盆地中浅层气井固井主要采用13Cr-95套管，徐深气田深井固井采用HP13Cr-110套管。11Cr-110套管具有较好的机械性能，且价格低于HP13Cr-110套管。为此，笔者对13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管样品的机械性能进行室内试验，以优选更适合徐深气田深层气井固井的套管。
1.1 抗拉试验试验设备采用德国生产的万能材料试验机，用平板液压夹头(该夹头具有夹持力大、使用方便的特点)。分别选取20个外径139.7 mm、壁厚9.17 mm (与徐深气井套管设计尺寸相同)的13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管条状试验片(宽度25.4 mm，标距长度50.8 mm)进行屈服强度、抗拉强度和拉伸率试验，结果见表 1。
| 套管 | 试样个数 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 伸长量，% | ||||||||
| 最大 | 最小 | 平均 | 最大 | 最小 | 平均 | 最大 | 最小 | 平均 | ||||
| 13Cr-95 | 20 | 758 | 655 | 718.2 | 796 | 724 | 768.0 | 29.1 | 23.7 | 25.8 | ||
| HP13Cr-110 | 20 | 898 | 759 | 842.6 | 901 | 828 | 889.1 | 31.3 | 25.9 | 27.9 | ||
| 11Cr-110 | 20 | 896 | 758 | 840.7 | 900 | 827 | 888.3 | 30.3 | 25.8 | 27.8 | ||
由表 1可知，13Cr-95套管的抗拉性能明显低于HP13Cr-110套管和11Cr-110套管；11Cr-110套管的平均屈服强度为840.7 MPa，平均抗拉强度为888.3 MPa，抗拉性能参数与HP13Cr-110套管相当。
徐深气田深井平均完钻井深3 500 m，13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管单位长度质量29.76 kg/m，固井时平均钻井液密度1.70 kg/L，利用石油天然气行业标准《套管柱结构与强度设计要求》(SY/T 5724-2008)中的套管抗拉系数计算模型进行计算，得到13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管的抗拉系数分别为2.26，3.10和3.06。由此可知，3材质套管的抗拉系数均满足SY/T 5724-2008中套管抗拉系数大于1.60的要求。
1.2 硬度试验试验设备采用洛式硬度检测仪，分别选取120个外径139.7 mm、壁厚9.17 mm (与徐深气井套管设计尺寸相同)的13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管试验片，选取其外部、中间和内部3个点，采用荷重150 kg和钻石锥压入器进行套管硬度测试，结果见表 2。
| 套管 | 试验 部位 |
试样 个数 |
硬度/HRC | ||
| 最大 | 最小 | 平均 | |||
| 13Cr-95 | 外部 | 120 | 26.7 | 24.2 | 25.4 |
| 中间 | 120 | 26.2 | 23.8 | 25.3 | |
| 内部 | 120 | 26.4 | 24.1 | 25.3 | |
| HP13Cr-110 | 外部 | 120 | 29.0 | 26.8 | 27.9 |
| 中间 | 120 | 29.0 | 26.6 | 27.5 | |
| 内部 | 120 | 28.8 | 26.2 | 27.3 | |
| 11Cr-110 | 外部 | 120 | 28.0 | 26.8 | 27.4 |
| 中间 | 120 | 28.1 | 26.4 | 27.2 | |
| 内部 | 120 | 28.2 | 26.2 | 27.3 | |
API标准“specification for casing and tubing”规定，13Cr-95套管平均洛氏硬度应不超过25.4 HRC，HP13Cr-110和11Cr-110套管平均洛氏硬度应不超过30 HRC。由表 2可知，13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管的硬度均满足API标准。
1.3 韧性试验试验设备采用材料冲击韧性试验机，分别选取20个外径139.7 mm、壁厚9.17 mm (与徐深气井套管设计尺寸相同)的13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管试验片，试样尺寸为10.0 mm×7.5 mm，试样温度0 ℃，在试样上预制出相当于缺陷的2.0 mm V形裂纹缺口，然后对试样加载，进行横向冲击，测试套管的韧性，当剪切断口达到100%时，得到相应的横向冲击功，试验结果见表 3。
| 套管 | 试样个数 | 横向冲击功/J | ||
| 最大 | 最小 | 平均 | ||
| 13Cr-95 | 30 | 56.8 | 37.6 | 45.6 |
| HP13Cr-110 | 30 | 112.0 | 76.0 | 95.6 |
| 11Cr-110 | 30 | 135.0 | 95.0 | 121.7 |
由表 3可知，13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管在横向冲击剪切断口100%后测得的平均冲击功分别为45.6，95.6和121.7 J，分别为其平均屈服强度的6.3%，11.3%和14.7%。英国能源部指导性技术文件规定[6-7]，高钢级钢管用在垂深大于3 000 m的井时，横向冲击功应该不小于其屈服强度的10%。由此可见，11Cr-110和HP13Cr-110套管具有较好的韧性，能够满足徐深气田气井固井的要求，而13Cr-95套管的韧性较差，无法满足徐深气田气井固井的要求。
13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管的机械性能试验结果表明，11Cr-110和HP13Cr-110套管的机械性能稳定、可靠，能够满足徐深气田深层气井的需要，因而能在该类井中应用。
2 套管耐CO2腐蚀性能分析 2.1 CO2腐蚀速率试验选取13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管样品, 加工成直径60.0 mm的1/6圆弧试样，各种材质套管试样分别取4个，用砂纸打磨后称重。徐深气田地层压力一般为35 MPa，通过分压计算，其CO2分压0.77~3.10 MPa，平均分压1.80 MPa。取最高CO2分压3.10 MPa，分别在温度80，100，120和140 ℃条件下进行试验，试验时间分别为1，3，6和10 d，分别对试样表面用蒸馏水冲洗以去除腐蚀介质，然后烘干。去除腐蚀产物后，用电子天平称重，计算试验失重和平均腐蚀速率，分别绘制3种材质套管在温度80 ℃和100~140 ℃条件下套管腐蚀速率随时间的变化曲线，结果见图 1和图 2。
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| 图 1 80 ℃温度下3种材质套管腐蚀速率随时间的变化曲线 Fig.1 The curve of corrosion rates with time for three kinds of casings at 80 ℃ |
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| 图 2 100~140 ℃温度下3种材质套管腐蚀速率随时间的变化曲线 Fig.2 The curve of corrosion rates with time for three kinds of casings from 100℃ to 140 ℃ |
由图 1和图 2可知，在试验开始后的3 d内，腐蚀速率显著降低，而后随着试验时间的延长，腐蚀速率缓慢降低。
2.2 CO2腐蚀速率和耐CO2腐蚀指数计算对腐蚀速率随时间变化的曲线进行拟合，可得基于80 ℃条件下试验数据的3种材质套管的腐蚀速率公式为：
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(1) |
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(2) |
|
(3) |
基于100~140 ℃条件下试验数据得到的3种材质套管的腐蚀速率公式为：
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(4) |
|
(5) |
|
(6) |
式中：v1，v2和v3分别为13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管在80 ℃下的腐蚀速率，mm/a；v4，v5和v6分别为13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管在100~140 ℃下的腐蚀速率，mm/a；t为试验时间，d；w1为套管钢材中碳的含量。
由式(1)-式(6)可知，随着腐蚀时间增长，腐蚀速率呈指数变化规律递减。为进一步分析套管的耐CO2腐蚀性能，引入耐CO2腐蚀指数，然后将式(1)-式(3)统一为：
|
(7) |
将式(4)-式(6)统一为：
|
(8) |
式中：v为13Cr-95、HP13Cr-110或11Cr-110套管在80 ℃下的腐蚀速率，mm/a；v′为13Cr-95、HP13Cr-110或11Cr-110套管在100~140 ℃下的腐蚀速率，mm/a; R1为基于80 ℃温度条件下试验数据的耐CO2腐蚀指数；R2为基于100~140 ℃温度条件下试验数据的耐CO2腐蚀指数。
套管耐CO2腐蚀能力与套管中碳和微量元素的含量有直接关系，将R1和R2表达为与套管中碳和微量元素相关的式子，其值越大意味着耐腐蚀性能越好。则基于80 ℃和100~140 ℃条件下试验数据的耐CO2腐蚀指数表达式分别为：
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(9) |
|
(10) |
式中：w2，w3和w4分别为套管钢材中Cr，Ni和Mo的含量。
根据13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管中C，Ni，Cr和Mo的含量，利用式(9)、式(10)计算出其耐CO2腐蚀指数，计算结果见表 4。
| 套管 | 元素含量，% | R1 | R2 | |||
| C | Ni | Cr | Mo | |||
| 13Cr-95 | 0.20 | 0.15 | 13.00 | 0 | 11.3 | 9.0 |
| HP13Cr-110 | 0.04 | 4.00 | 13.00 | 1.00 | 20.6 | 13.3 |
| 11Cr-110 | 0.02 | 3.00 | 11.00 | 0 | 15.4 | 10.7 |
由表 4可知，在不同温度下，3种材质套管的耐CO2腐蚀性能由高到低依次为HP13Cr-110、11Cr-110和13Cr-95。其中，11Cr-110套管的耐CO2腐蚀指数与HP13Cr-110套管的耐CO2腐蚀指数相比，分别降低25.2%和19.5%。
对徐深气田HP13Cr-110套管挂片试件进行现场取样分析可知，HP13Cr-110油管的腐蚀速率为0.015 mm/a。按照11Cr-110套管耐CO2腐蚀指数比HP13Cr-110降低25.2%计算，11Cr-110套管的腐蚀速率为0.019 mm/a，远远小于腐蚀速率0.127 mm/a的国际标准[8]，可以满足徐深气田的应用要求。
3 11Cr-110套管现场试验13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管的机械性能和耐CO2腐蚀性能分析表明，11Cr-110套管和HP13Cr-110套管一样，具有较好的机械性能和耐CO2腐蚀性能，能够满足徐深气田深层气井的应用要求，且其价格较低，因此徐深气田SS1-X2井、SS1-X3井和SS1-4井等3口井固井中试用了11Cr-110套管。
3口试验井均于2014年完钻，平均完钻井深为3 675.14 m，井底温度130 ℃左右，CO2含量3.56%~7.76%，通过计算得CO2分压为1.28~2.80 MPa。为了分析该套管目前的腐蚀情况，取3口井11Cr-110油管挂片试样进行腐蚀量及腐蚀速率分析，结果见表 5。
| 井号 | 使用1 a腐蚀量/mm | 使用1 a腐蚀速率/ (mm·a-1) |
使用2 a腐蚀量/mm | 使用2 a腐蚀速率/ (mm·a-1) |
平均腐蚀速率/ (mm·a-1) |
| SS1-X2 | 0.022 | 0.022 | 0.041 | 0.020 5 | 0.019 6 |
| SS1-X3 | 0.021 | 0.021 | 0.039 | 0.019 5 | |
| SS1-4 | 0.022 | 0.022 | 0.038 | 0.019 0 |
由表 5可知，3口井的11Cr-110套管现场使用2 a，平均腐蚀速率仅为0.019 6 mm/a，低于腐蚀速率0.127 mm/a的国际标准[8]，具有较好的防腐效果，满足徐深气田现场使用要求。另外，用现场试验数据得到的HP13Cr-110套管的腐蚀速率为0.015 mm/a，通过上述公式计算得到11Cr-110套管平均腐蚀速率为0.019 mm/a，与现场试验数据得到的11Cr-110套管平均腐蚀速率(0.019 6 mm/a)的误差仅为3.2%，由此可见本文给出的腐蚀速率和腐蚀指数公式的准确性比较高。
在套管成本方面，与以前采用的HP13Cr-110套管相比，应用11Cr-110套管每吨约能够节省成本0.5万元。按照一口井中11Cr-110套管平均下深3 675.14 m、单位长度质量29.76 kg/m计算，一口井应用套管约109 t，平均约能节省套管费用55万元，这在一定程度上降低了徐深气田的开发成本，实现其经济高效开发。
4 结论1) 针对松辽盆地徐深气田CO2腐蚀环境，通过套管耐腐蚀性能试验，分析了13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管的耐CO2腐蚀速率，拟合得到了套管腐蚀速率和腐蚀指数公式，现场试验表明，该公式能够准确评价套管的耐CO2腐蚀能力。
2) 机械性能试验和耐CO2防腐性能试验表明，11Cr-110套管具有良好的机械性能和耐CO2防腐能力，3口井的现场试验结果表明，11Cr-110套管耐CO2防腐效果较好，能够在满足徐深气田深井需求的同时，起到降本增效的作用。
3) 11Cr-110套管在徐深气田试验的井数有限，使用的时间也比较短，建议持续开展该套管的现场腐蚀量和腐蚀速率分析研究。
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