過熱蒸汽條件下蒸汽驅管柱材料性能研究
理論廣角
作者：劉佳欣
摘要：稠油屬難采儲量，由於其原油粘度高，開發難度比較大。而通過對地層注入過熱蒸汽，可以進一步提高井底蒸汽幹度，利用過熱蒸汽攜帶熱焓較高、能夠更好地加熱地層的優勢，使稠油的原油粘度進一步降低，增加其流動性，最終改善超稠油的開發效果。這裏將對蒸汽驅注汽管柱工具及井口主要材料的高溫力學性能、高溫組織在試驗、統計和微觀組織分析的基礎上，綜合評價其服役可靠性，確定是否適合過熱蒸汽注入條件。使得過熱蒸汽注入配套工藝技術在井下工具的設計、選材方麵具有科學理論依據。
關鍵詞：過熱蒸汽稠油注汽管柱工具
1概況
通過對蒸汽驅過熱蒸汽注入的井下工具及井口進行分析研究，在材料分析的基礎上，進行井下工具及井口的優化設計及室內實驗工作。通過高溫金相組織觀察、物相分析及材料高溫性能測試等室內試驗，對現有注汽工具及井口材料在過熱蒸汽注入條件下的適應性進行了綜合評價，得出了階段性結論。對在石油工業中廣泛使用的井下工具及井口主要材料的高溫力學性能、高溫組織結構，在試驗、統計和微觀組織分析的基礎上，綜合評價出服役的可靠性。
2過熱條件下注汽井口材料30CrMo鋼性能評價研究
2.130CrMo鋼的組織特征
試樣分別加熱到300℃、400℃並保溫60分鍾後，淬火，保留高溫組織。與室溫的6個試樣，經粗磨，細磨，拋光後腐刻，所用腐蝕劑均為2%的硝酸乙醇溶液，均腐蝕2—3秒，後於Leica金相顯微鏡進行組織觀察。30CrMo鋼的基體組織為珠光體和鐵素體，部分組織呈半連續帶狀分布，對材料的塑性和韌性有較大的影響，鐵素體晶粒基體上有1—2條連續的和幾條分散的鐵素體—珠光體帶。所以300℃、400℃下的30CrMo塑性、韌性比常溫時有較大提高，但300℃下晶粒碎化且出現了部分網狀鐵素體等組織缺陷，導致其強度、脆性升高，韌性降低；在掃描電鏡下可以明顯看出板條狀珠光體的片間距，高溫時和室溫下差別不大。
從低倍到高倍斷口形貌看，拉伸斷口形貌主要是韌性斷裂，有明顯的韌窩狀形貌，室溫下和高溫下的形貌差別不大。宏觀上有明顯的纖維狀小山峰，這些是由塑性變形過程中微裂紋不斷擴展和相互連接而成，斷口上主要是大量撕裂韌窩，反映了該試樣韌性很好。
2.230CrMo鋼的性能研究
30CrMo鋼的硬度值隨溫度變化不大，300℃和400℃分別比室溫升高0.8%和降低1.3%。
沿30CrMo鋼管上縱向取樣，加工成常溫拉伸試樣和高溫拉伸試樣，在CMT5105微機控製電子萬能試驗機上進行恒應變速率拉伸實驗，拉伸速率為3mm/min。300℃和400℃高溫情況下，屈服強度分別下降6.8%和5.3%；抗拉強度分別升高3.3%和下降5.5%，延伸率分別升高8%和37.8%，斷麵收縮率分別升高7.3%和18.7%。在強度變化不大的情況下，塑性獲得了很大的提升。
因此得出結論：油田所用30CrMo鋼的基體組織為珠光體和鐵素體，在掃描電鏡下可以明顯看出板條狀珠光體的片間距；30CrMo管鋼在300℃-400℃環境下，硬度分別升高0.8%和降低1.3%。屈服強度分別下降6.8%和5.3%；抗拉強度分別升高3.3%和下降5.5%，延伸率分別升高8%和37.8%，斷麵收縮率分別升高7.3%和18.7%。疲勞強度具有很好的高溫適應性，總之，作為一種耐熱合金鋼，30CrMo鋼在高溫服役的情況下，強度變化不大，塑性獲得了很大的提升，不影響400℃以下的服役。
3過熱條件下隔熱油管材料N80鋼性能評價研究
3.1N80鋼的組織特征
沿鋼管的橫向截取金相試樣，將試樣分別加熱到300℃、400℃，並保溫30min，水淬後所有試樣經磨製後采用2%的硝酸乙醇溶液腐蝕2-3秒，用金相顯微鏡及圖像分析係統進行觀察。N80油井管鋼是一種微合金控軋鋼，具有高強度、高韌性的特點。N80油井管鋼的典型組織為珠光體+鐵素體，該鋼存在典型粗大網狀鐵素體缺陷。鐵素體易沿奧氏體晶界首先形核長大，隨後奧氏體的其餘部分轉變成珠光體。鐵素體晶粒沿珠光體晶粒形成網狀鐵素體，會嚴重損害鋼的韌性，使鋼的強度、脆性增加。從400倍組織圖可知，300℃回火後局部粗大網狀鐵素體量增加，致使鋼的韌性降低、抗拉強度增加，400℃回火後晶粒較均勻，從SEM組織可以看出，400℃回火後珠光體層片間距明顯增大，且400℃回火後未出現析出相形貌。