石油用膨脹管技術研究

張良濤（勝利油田物資供應處物資檢驗所 山東東營 257000）

在石油鉆井的過程中，如果鉆井的深度較深，則需要用到多層套管，隨著套管層次的增加，鉆井井眼的尺寸會不斷的變小，而且會大大增長套管的使用成本。石油鉆井膨脹管技術就是為了解決這個問題而發展起來的，在石油鉆井或者修井作業時，將膨脹管和膨脹工具放到井眼中，通過機械作用力的作用帶動膨脹工作在膨脹管中進行上下運動，在運動的過程中對膨脹管進行膨脹擠壓，導致膨脹管產生不能恢復的塑形變形，從而使膨脹管的外徑達到設計的尺寸。從而達到了充分利用井下空間，降低套管的使用成本的目的。

一、膨脹管膨脹過程分析研究

大量的研究實踐表明，膨脹管經過一定的膨脹之后，膨脹管所能承受的抗擠壓力會明顯的降低，這也是限制膨脹管技術發展的主要因素之一。在前期的研究中，得到了膨脹管膨脹后所能承受擠壓力降低的主要原因，是由于膨脹管的包辛格效應。在膨脹管膨脹的過程中，膨脹管所能承受的力學強度都會存在一定的下降。其中最受重視的是膨脹管抗擠壓強度的降低。因為影響膨脹管使用最主要的限制因素就是膨脹管的抗擠壓強度。因此需要重點研究膨脹管過程中，膨脹管抗擠壓強度的變化規律。膨脹管在使用過程中造成抗擠壓強度下降的主要原因是膨脹管膨脹過程中金屬的包辛格作用。在常規求解彈塑性力學問題時，為了簡化計算提高求解的效率，通常情況下會忽略金屬的包辛格效應，包辛格效應在膨脹管變形過程中具有重要的影響，當膨脹管在徑向方向上，受到向外作用力后，膨脹管將會向外發生膨脹，當膨脹管受到的膨脹力超過管子的強度極限后，膨脹管就會發生相應的膨脹變形，膨脹后的膨脹管，在使用的過程中將會受到內外壓力和拉伸作用力。利用包辛格原理對膨脹后的膨脹管進行受力分析，膨脹管受到內壓的方向與最初的膨脹方向一致，因此膨脹后的管子承受內壓的強度會有所增加，但是膨脹管受到外壓的方向與最初膨脹方向相反，因此膨脹后的管子承受的外壓的強度會降低。所以包辛格效應是導致膨脹管抗外壓強度降低的主要因素。為了更加形象的描述分析包辛格效應，規定了膨脹管膨脹后的包辛格值，包辛格值的大小為膨脹前后膨脹管所能承受的抗外壓的差，例如一個膨脹管膨脹前管子的抗外壓強度為130兆帕，膨脹后管子的抗外壓強度為100兆帕，那么該膨脹管膨脹過程中的包辛格值為30兆帕。在通常情況下，由于材料和加工條件的限制，膨脹管一般都會存在著各種各樣的小缺陷，例如管子的壁厚不均勻，形狀不標準等問題，在膨脹的過程中，這種不均勻和不標準的問題會在膨脹的過程中被放大，問題放大后將影響到管子的抗擠壓強度。膨脹管膨脹后的殘余應力也會影響到膨脹管的抗壓強度，在膨脹管膨脹的過程中會在膨脹后的管內存在殘余應力，這種殘余應力在使用過程中無法避免，影響到了膨脹管的抗擠壓強度。研究發現當膨脹管的類型一定，不同厚度的膨脹管，膨脹管的直徑和壁厚的比越大，也就是說膨脹管的壁厚越小，膨脹管的抗擠壓強度就越低。膨脹管在膨脹后，膨脹管的壁厚將會縮小大于百分之五左右，但是膨脹管的外徑將會增大百分之十五左右，這樣就加大了膨脹管的直徑和壁厚的比值，從而減小了膨脹管實際的抗擠壓強度。因此在膨脹管的設計和選材時，要重視膨脹管壁厚減小對膨脹管強度的影響，最大限度的降低膨脹管壁厚減小的幅度，從而減小膨脹管直徑和壁厚的比值，提高膨脹管的抗外壓強度。

二、膨脹管選材研究

根據材料力學的理論結合前期的研究成果，提出了膨脹管技術選材的方法。膨脹管要選擇使用直縫焊管，直縫焊管和無縫鋼管相比，直縫鋼管在膨脹管使用選擇上具有許多優勢，首先直縫焊管的精度高，直縫焊管在加工過程中，采用加工工藝和加工技術要相對簡單，因此可以具有較高的加工精度。隨著材料加工技術和方法的不斷發展，直縫焊管的加工工藝在不斷的進步，直縫焊管可以延伸的比例要比無縫鋼管大百分之十左右。直縫焊管加工后同心度較高，焊管的壁厚誤差小，具有較大的抗擠壓強度。直縫焊管的抗沖擊性能要比無縫鋼管好，直縫焊管技術經過不斷的發展，技術已日趨成熟。通過研究可以得到，膨脹管壁厚的不均勻和形狀的不標準，會隨著膨脹管的膨脹而增大膨脹管的使用問題，如果膨脹管的壁厚不均勻而且形狀不標準，容易造成膨脹管的使用事故，所以在進行膨脹管技術標準制定時，應當對膨脹管的壁厚均勻度和形狀誤差進行明確的規定。在膨脹管使用過程中，需要通過在外力的作用下，使膨脹管的受力超過管的強度極限而發生變形，因此在膨脹管鋼材的選擇方面，要選擇低強度等級的鋼材，可以選擇低碳鋼作為膨脹管的加工的原材料。選用屈服強度和抗拉強度比值小的鋼材來制作膨脹管。鋼材屈服強度和抗拉強度的比值是表示膨脹管延展性和強度性能的指標，如果該比值較小，表示鋼材的延展性能較好，材料進入塑性變形的過程穩定，變形后材料的各項力學性能變化不大。形狀變化指數反應了膨脹管材料繼續變形能力的大小，形狀變化指數越小，說明這種材料在加工時對于材料的強度的強化程度低，因此可以繼續變形使用。

三、結束語

膨脹管技術是近年來發展起來的一項先進的石油新技術，該技術可以充分利用鉆井井眼空間，最大限度的增加油井開采的井眼直徑，從而為提高油井的產量打下基礎。膨脹管膨脹后所能承受擠壓力降低的主要原因，是由于膨脹管膨脹過程中的包辛格效應。包辛格值的大小為膨脹前后膨脹管所能承受的抗外壓的差值，膨脹管要選擇使用直縫焊管，在進行膨脹管技術標準制定時，應當對膨脹管的壁厚均勻度和形狀誤差進行明確的規定。通過研究促進了膨脹管技術進一步的發展與應用。

[1]余金陵，周延軍，王錫洲.膨脹管技術的應用研究初探[J].石油鉆探技術，2002，30(5)：55-57

[2]李日寧，賀新敬，劉今朝等.可膨脹管技術及其在石油鉆材行業中的應用[J]..石油機械,2002，30(7)：66-68