膨脹管抗外擠強度試驗研究

韓偉業，裴曉含，李益良，李 濤，畢秀玲，孫 強，明爾揚

（中國石油勘探開發研究院，北京100083）①

實體膨脹管技術是石油領域的一項重要技術，在國外已成功應用于鉆井、完井、采油、修井等作業中，并取得了較好的效益［1］。在國內，該技術已經成為油田套損井治理與封堵調層的重要手段，并逐漸向裸眼井、側鉆井完井方向發展。國外專家預言，該項技術將對油氣井工程技術產生革命性的影響。因此，積極開展實體膨脹管技術的相關研究，對于國內緊跟世界先進石油鉆井技術的發展步伐具有重要意義［2－5］。

實體膨脹管膨脹后抗擠強度的降低是膨脹管技術面臨的一個難點。在塑性膨脹過程中，增加的壁厚不均度及產生的殘余應力對膨脹管抗擠強度有重要影響，研究實體膨脹管膨脹后的壁厚及殘余應力相對于初始狀態的變化規律，對于膨脹后膨脹管抗擠強度研究具有重要意義［6］。

1 試驗過程

1.1 材料

國外對一些API套管進行大量試驗，結果顯示膨脹后套管的使用性能大幅度降低［7］。目前，國外正在積極探索將非API標準套管的金屬管材用作膨脹管，從膨脹管技術在井眼中的應用來看，其用途并非局限于當作套管，通常具有韌性強、塑性好、適合膨脹等特點的管材均可以作為膨脹管材料。本文試驗過程中選用的管材成分如表1所示。

表1 試樣主要化學成分 w B%

1.2 方法

1.2.1 膨脹試驗

膨脹試驗過程如圖1所示，膨脹錐置于發射腔內并與柱塞相連，發射腔端通過夾具固定，保證膨脹管待膨脹端處于自由狀態。利用液缸控制柱塞行程可以完成膨脹管膨脹過程。這種試驗方法安全可靠，與膨脹管在現場至下而上的膨脹方式相同。

圖1 膨脹管膨脹試驗示意

本文選用100 mm膨脹錐與108 mm×8 mm膨脹管進行膨脹試驗，膨脹率8.7%。膨脹管選用同一批材料，確保試樣的屈服強度一致，試驗過程記錄膨脹壓力及膨脹管壁厚與外徑的變化。

由于膨脹管膨脹率不高，試驗過程較為順利，通徑段膨脹壓力基本相同，脹后膨脹管外徑基本保持在116 mm，但是壁厚差異較大。

1.2.2 殘余應力測試試驗

利用條形法與打孔法可以測試管材內表面和外表面的殘余應力。具體方法是截取一定長度的膨脹管，在線切割機上沿軸截面方向將膨脹套管切割出1個有限寬度的長條，測量膨脹管殘余應力釋放前后內外徑變化，則內表面的殘余應力為

式中：σin為外壁表面殘余應力；E為彈性模量，取200 GPa；t為鋼管壁厚，mm；μ為泊松比，取0.3；Din為膨脹管內徑，mm；Dr為殘余應力釋放后的鋼管外徑，mm。

當殘余應力釋放之后，膨脹管內徑變小，表明在內表面存在殘余拉應力。使用高速鉆床在膨脹管外壁打孔，鉆頭直徑4 mm，由于殘余應力釋放會導致孔眼發生塑性變形，利用應變測量儀測試孔眼尺寸變化可以計算膨脹管外表面殘余應力。

1.2.3 膨脹管抗外擠試驗

膨脹管抗外擠試驗過程如圖2所示，將膨脹管與套管環空處焊封，并在套管外開孔連接高壓管線，緩慢升壓，測試1 m長膨脹管的抗外擠能力。當膨脹管在外壓作用下發生變形時會導致焊封失效，并伴有液體流出，此時的壓力為膨脹管抗外擠強度。

圖2 膨脹管抗外擠試驗

2 試驗結果與分析

2.1 膨脹管壁厚與殘余應力的變化

膨脹管膨脹后壁厚減少，壁厚不均勻度增加，通常膨脹管的壁厚不均勻度會在膨脹過程中被放大，而且膨脹管薄壁端的壁厚減小量遠大于厚壁端的壁厚減小量，試驗數據如圖3所示。圖中分別表示了8種試樣脹前、脹后壁厚的最大值與最小值。由于膨脹管在塑性變形過程中，薄壁端的變形速率高于厚壁端的變形速率，這就導致膨脹管原始壁厚不均勻度越大，膨脹之后壁薄端壁厚減小量越大，嚴重影響膨脹管的抗外擠能力。

圖3 膨脹管膨脹前后壁厚變化

當膨脹管的膨脹壓力消失后，根據胡克定律［8－9］，膨脹管的彈性變形具有恢復的趨勢，而塑性變形將保留在膨脹管中。在膨脹過程中，膨脹管內表面的彈性應變必然大于外表面彈性變形，殘余應力的最大值應該發生在膨脹管內表面，且為拉應力，如圖4所示。在彈性變形恢復過程中，外表面的彈性變形首先恢復，內表面的彈性變形要全部恢復，必然受到從外表面到內表面某個位置的阻力。由于膨脹管的軸截面在變形前后始終為平面，在無內壓力前提下，在軸截面內某一個圓柱面到外表面的圓筒對內圓面彈性變形的恢復起阻礙作用，由此內表面到該柱面的彈性變形不可能完全恢復而成為拉應力。根據平面假設，該柱面到外表面必然產生壓應力，因此膨脹管內、外表面的殘余應力必然是拉應力與壓應力相互對應。根據變形的協調性，內、外表面的殘余應力是連續變化的。

圖4 膨脹管殘余應力變化

針對脹后的膨脹管分別取樣進行殘余應力測試和抗外擠強度測試，并統計5組有代表性的數據，如表2所示。

表2 膨脹管試驗數據統計

可以發現：隨著壁厚不均勻度的增加，膨脹管的抗外擠能力降低，塑性變形后產生的殘余應力在膨脹管內、外壁表面方向相反，其中內壁表面產生拉應力，外壁表面產生壓應力，差值隨壁厚不均勻度增加而增大，且拉應力通常大于壓應力。膨脹管在外壓作用下通常在薄壁端首先發生屈服，薄壁端也是膨脹管周向殘余應力分布最不均衡的位置，如圖5所示。

圖5 膨脹管屈服失效

2.2 有限元仿真分析

使用有限元模擬膨脹管的膨脹過程有助于發現應力應變及幾何外形的變化規律。由于膨脹管塑性變形屬于多重非線性問題，即：狀態非線性的接觸問題、結構非線性的大變形問題、材料非線性的彈塑性問題，不宜使用ANSYS分析軟件。本文使用ABAQUS軟件對試驗管材進行仿真分析，分別對比不同壁厚均勻度的膨脹管在膨脹過程中殘余應力變化，仿真結果如圖6～7所示。

圖6 壁厚均勻的膨脹管膨脹過程仿真結果

圖7 壁厚不均勻的膨脹管膨脹過程仿真結果

仿真結果表明：隨著壁厚不均勻度的增加，脹后膨脹管逐漸變得彎曲，薄壁端壁厚減少量明顯高于厚壁端的減少量，這與試驗過程中膨脹管幾何外形變化相符合。殘余應力的仿真結果大于實際測試值，但是反映出相同的變化規律，即脹后膨脹管內表面產生拉應力，外表面產生壓應力，薄壁端的應力差值最大。

3 結論

1） 膨脹管在膨脹過程中壁厚不均勻度會被放大，薄壁端的壁厚減少量遠大于厚壁端的減少量，嚴重影響膨脹管的抗外擠能力。

2） 試驗與仿真結果均表明：脹后膨脹管會產生殘余應力，其中內表面產生拉應力，外表面產生壓應力，拉應力大于壓應力，而且應力差值通常在薄壁端處最大。

3） 膨脹管在外壓作用下通常在壁薄處首先屈服，在膨脹管選材過程中應盡量減小膨脹管原始壁厚不均勻度。

［1］ ERRITY Randy M，GUSEVIK Rune，BUCKLER William，et a1.Well remediation using expandable eased—hole liners［J］.World Oil，2002（7）：56－65.

［2］ METCALFE P，URSELMANN R，SAEBY J.The global impact of expandable sand screens on reservoir drilling and completion［R］.SPE 67726.

［3］ 高向前，李益良，李濤，等.膨脹管膨脹壓力及承壓能力分析［J］.石油機械，2010（10）：33－35.

［4］ 高向前，李益良，李濤，等.側鉆水平井膨脹套管完井新技術［J］.石油機械，2010（1）：18－19，34.

［5］ OWOEYE O，AIHEVBA C，HARTMANN R，et a1.Optimization of well economics by application of expandable tubular technology［R］.SPE 59142.

［6］ 徐芝綸.彈性力學：上冊［M］.3版.北京：高等教育出版社，1990：44－91.

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［8］ 李益良，陳強，李濤，等.膨脹管封堵調層技術新進展［J］.石油礦場機械，2013，42（1）：24－27.

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