熊爱江;杨进;宋宇;吴怡;田瑞瑞气吹
【摘 要】针对深水井测试及生产过程中套管环空圈闭压力控制难和套管挤毁风险高的问题,总结了破裂盘的破裂压力计算方法,并开展了模拟深水高温高压环境的破裂盘试验测试.测试结果显示,温度对破裂盘破裂压力产生较大的影响,不考虑温度影响理论公式计算的最大偏差9.44％.根据破裂盘测试压力随温度的变化规律,给出了3种不同压力型号的破裂盘破裂压力的数学修正公式,其中考虑温度影响的修正公式可较好地估算破裂盘的破裂压力.%For the problems of difficulties of controlling annular pressure and high risk of casing collapse during deep water well test and production,the classical formula of calculating rupture pressure of burst disks is summarized,and laboratory test in simulated deep water high pressure high temperature environment is performed.Test results show that temperature has considerable influence on rupture pressure of the disks.Ignoring temperature effects,it can reach a max error of 9.44％ when calculating with theoretical formula.According to the material's temperature regularity,3 types of burst disks with different rupture pressure was c hoosed and their calculating formulas which show the pressure varies with temperature,to calculate them to prove that modifier formulas with temperature effects consideration can estimate the design rupture pressure of this type of disk accurately.
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2017(034)008
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】破裂盘;破裂压力模型;深水;高温高压
【作 者】熊爱江;杨进;宋宇;吴怡;田瑞瑞
【作者单位】中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司,广东深圳518067;中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京102249;中海油研究总院,北京100027;中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司,广东深圳518067
【正文语种】导丝男士中 文
【中图分类】TH49;TQ055.8;TE927
在深水油气田测试过程和生产初期，由于地层流体与海床温差可超过100 ℃，巨大的温差会导致井口各层套管间环空圈闭流体受热膨胀而产生很大的附加压力载荷，严重时将挤毁或胀裂套管，给生产作业带来严重的安全隐患。2003年,破裂盘技术首次应用于海洋油气田的压力控制中，至今已成为海洋油气开发环空圈闭压力控制的重要手段。由于国外技术的垄断和保密，国内破裂盘技术起步较晚，缺乏对破裂盘压力性能的认识，缺少相应的测试及评价技术，国内石油领域没有独立加工生产破裂盘的能力[1]。因此，研究破裂盘设计及测试技术对于我国深水油气测试和生产作业具有非常重要的意义[2]。本文通过深水环境模拟试验，模拟破裂盘在井下生产过程中的工作环境，通过压力温度测试对比分析破裂盘材料尺寸的影响规律[3]。
破裂盘控压原理：当环空的压力达到设定压力，套管柱上的破裂盘发生破裂，释放压力到下一层环空。破裂盘处于工作状态时，可以增加或者减少设定的额定压力。爆破片产生效果在毫秒级别，这种瞬间和无限制紧急释放能力正是使用破裂盘的重要性所在。破裂盘的 设计承压能力应低于内层套管的抗外挤极限的80%，通常安装于套管柱的表层套管上，破裂盘通常采用两个一组的形式、180°对称分布在套管短接上，如图1所示。
破裂盘的工作原理：当压力达到破裂盘的额定压力时，其中的爆破片就会开启。破裂盘处于工作状态时，连通高压环空和低压环空，保证环空压力正常。破裂盘破裂压力值取决于内部爆破片的结构、材质。
位于破裂盘内部的爆破片，按照结构形态可分为正拱型爆破片和反拱型爆破片。正拱型爆破片又名拉伸型爆破片，压力敏感元件呈现正拱面，凸起方向自破裂盘内端面向外端面，拱面处于压力系统的低压侧；反拱型爆破片又名压缩型爆破片，压力敏感元件呈现反拱型，在安装时，拱面处于压力系统的高压侧。破裂盘根据内部爆破片的结构形态进行分类，分为正拱型破裂盘和反拱型破裂盘，如图2所示。本文以油气井最常见的正拱型破裂盘作为研究对象[4-8]。
爆破片是破裂盘中的压力泄放核心部件。爆破片的设计爆破压力决定了破裂盘的破裂压力，爆破片的设计爆破压力应大于设备的工作压力而小于设备的设计压力。工程应用最广泛的设计压力计算公式[9-11]：
Pb=
式中 S0——爆破片的初始厚度，m
k——材料工程经验系数，取值在1800～2000之间
d——爆破片的泄放直径，m
R——圆角半径，m植草板
GB 567—1999[12]中给出的普通正拱型爆破片的爆破压力计算公式为：
Pb=Kσb
式中 K——与材料应变硬化程度有关的系数，对于不锈钢材料，计算时通常选取K=3
σb——材料强度极限，是实测值，MPa，工程中通常将常温下铬镍材料取σb =490 MPa
本文选取铬镍合金材料，制作成破裂压力14.48，20.69，27.59 MPa的破裂盘，在不同温度下进行爆破压力测试，结构尺寸如图3所示，材料尺寸及化学成分如表1所示。
爆破片的制造范围是设计爆破压力在制造时允许变动的压力幅度，在制造范围内的标定爆破压力应符合爆破压力允差。本文选用的测试破裂盘是分别将3种压力型号正拱型破裂片通过压制工艺加工成破裂压力为14.48,20.69,27.59 MPa的3种破裂盘，再对破裂盘进行测试，每个设计破裂压力型号的破裂盘测试3个样品，测试用破裂盘在常温下的设计压力如表2所示。
静电耳机套管模拟测试装置：试验装置由4层套管组成，分别为7，13.375,20,36 in(1 in=25.4 mm)套管。该装置能满足80 ℃,60 MPa的水介质测试，并保持较好的密封状态。
测试过程中，7 in套管进行热流体循环，用于模拟生产套管内热流体，各层套管环空间均充满水，破裂盘安装于20 in套管上。试验装置如图4所示。
在13.375 in套管测试短接上安装设计压力为Px的测试破裂盘，完成装置、管线和传感器的安装；模拟水下压力10 MPa的环境，7 in内管保持0.7～1.0 MPa的流动压力；7 in套管和13.375 in套管之间的环空(环空A)充入流体，增压至10 MPa；13.375 in套管和20 in套管之间环空(环空B)充入流体，增压至10 MPa；20 in套管和36 in套管之间环空充满流体；对7 in套管内流体进行加热，经过流体传热，环空A温度达到设计温度tx；将环空A升压至破裂
盘启动，记录环空A和环空B的压力。太阳能景观灯
利用上述的3个压力型号破裂盘，分别在设备上进行了22,48,62,80 ℃四个温度下的破裂压力测试，单个破裂盘测试保温过程时间达到20～30 min，再进行破裂测试，具体的破裂压力测试结果如表3所示。
分别采用式(1)和式(2)的压力计算方法对计算结果进行对比，破裂压力计算公式中的σb=187 MPa，破裂压力对比结果如表4所示。
通过表4中普通正拱型爆破片公式的计算结果来看，采用不同的计算公式得到的爆破压力与实际测得的爆破压力相差非常大。设计破裂压力14.48,20.69 MPa的破裂盘在采用式(1)和式(2)的计算结果与测试结果偏差较大，最大偏差达到9.44%，因此，不可忽略温度对材料强度的影响，需要对σb(t)和K(t)进行温度修正。根据刘维明[4]的研究成果，在低温环境下铬镍合金材料硬度与温度近似呈线性关系，187 MPa是材料在22 ℃的强度，则给出破裂盘在低温环境材料的温度-强度关系式：
σb(t)=(t0-t)×0.23+187
K(t)=3.2×100.0001t
采用材料的温度-强度修正公式σb(t)和K(t)代替式(2)中的σb和K，得到：
Pb(t)=K(t)σb(t)
采用材料的温度-强度修正公式，对不同温度环境的破裂盘破裂压力进行计算，并与测试结果进行对比分析，如表5所示。
结果显示，考虑温度效应对材料强度的影响，对式(2)进行修正，结果误差明显减小，更加符合工程实际。
(1)根据破裂盘的工作环境不同于常规安全阀类产品的特点，总结破裂盘传统的设计破裂压力公式，设计了一套模拟深水高温高压环境的试验测试流程,对3种不同压力型号的破裂盘进行变温增压测试，得出了破裂盘在不同温度下的实测破裂压力。
(2)通过测试结果与不考虑温度影响的破裂压力理论计算结果进行比较，在测试环境温度22～80 ℃时，未考虑温度影响的两公式计算最大误差为-9.44%，超出了破裂盘使用的破裂压力允许偏差。
支撑梁
(3)采用考虑温度影响的破裂压力计算公式，3种压力型号的破裂盘的破裂压力随温度变化拟合较好，在测试环境温度22～80 ℃时，最大误差为3.77%，能准确地计算破裂盘的破裂压力。
【相关文献】
[1] 黄小龙，严德，田瑞瑞,等.深水套管环空圈闭压力计算及控制技术分析[J].中国海上油气,2014,26(6):61-65.
[2] 吴全龙.压力容器与爆破片特性压力关系探讨[J].压力容器,2011,28(9):30-36.
[3] 王路逸，惠虎.爆破片疲劳实验装置的研制及其应用[J].机械设计与制造,2015(7):58-60.
[4] 刘维明.爆破片设计选用研究[J].科技创新导报.2014,11(4):107.
[5] 伊军，苏士艺，华玉翔.爆破片设计爆破湿度的确定[J].特种设备安全技术,1999(5):27-28.
[6] 李岳，喻健良，姜一昌，等.从性分析上讨论两种正拱形爆破片的最大允许操作比[J]
.压力容器.2016,33(8)：49-55.
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