膨脹管抗外擠強(qiáng)度試驗(yàn)研究

韓偉業(yè)，裴曉含，李益良，李 濤，畢秀玲，孫 強(qiáng)，明爾揚(yáng)

（中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083）①

實(shí)體膨脹管技術(shù)是石油領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，在國(guó)外已成功應(yīng)用于鉆井、完井、采油、修井等作業(yè)中，并取得了較好的效益［1］。在國(guó)內(nèi)，該技術(shù)已經(jīng)成為油田套損井治理與封堵調(diào)層的重要手段，并逐漸向裸眼井、側(cè)鉆井完井方向發(fā)展。國(guó)外專家預(yù)言，該項(xiàng)技術(shù)將對(duì)油氣井工程技術(shù)產(chǎn)生革命性的影響。因此，積極開(kāi)展實(shí)體膨脹管技術(shù)的相關(guān)研究，對(duì)于國(guó)內(nèi)緊跟世界先進(jìn)石油鉆井技術(shù)的發(fā)展步伐具有重要意義［2－5］。

實(shí)體膨脹管膨脹后抗擠強(qiáng)度的降低是膨脹管技術(shù)面臨的一個(gè)難點(diǎn)。在塑性膨脹過(guò)程中，增加的壁厚不均度及產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)膨脹管抗擠強(qiáng)度有重要影響，研究實(shí)體膨脹管膨脹后的壁厚及殘余應(yīng)力相對(duì)于初始狀態(tài)的變化規(guī)律，對(duì)于膨脹后膨脹管抗擠強(qiáng)度研究具有重要意義［6］。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料

國(guó)外對(duì)一些API套管進(jìn)行大量試驗(yàn)，結(jié)果顯示膨脹后套管的使用性能大幅度降低［7］。目前，國(guó)外正在積極探索將非API標(biāo)準(zhǔn)套管的金屬管材用作膨脹管，從膨脹管技術(shù)在井眼中的應(yīng)用來(lái)看，其用途并非局限于當(dāng)作套管，通常具有韌性強(qiáng)、塑性好、適合膨脹等特點(diǎn)的管材均可以作為膨脹管材料。本文試驗(yàn)過(guò)程中選用的管材成分如表1所示。

表1 試樣主要化學(xué)成分 w B%

1.2 方法

1.2.1 膨脹試驗(yàn)

膨脹試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示，膨脹錐置于發(fā)射腔內(nèi)并與柱塞相連，發(fā)射腔端通過(guò)夾具固定，保證膨脹管待膨脹端處于自由狀態(tài)。利用液缸控制柱塞行程可以完成膨脹管膨脹過(guò)程。這種試驗(yàn)方法安全可靠，與膨脹管在現(xiàn)場(chǎng)至下而上的膨脹方式相同。

圖1 膨脹管膨脹試驗(yàn)示意

本文選用100 mm膨脹錐與108 mm×8 mm膨脹管進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，膨脹率8.7%。膨脹管選用同一批材料，確保試樣的屈服強(qiáng)度一致，試驗(yàn)過(guò)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(yàn)過(guò)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(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)

利用條形法與打孔法可以測(cè)試管材內(nèi)表面和外表面的殘余應(yīng)力。具體方法是截取一定長(zhǎng)度的膨脹管，在線切割機(jī)上沿軸截面方向?qū)⑴蛎浱坠芮懈畛?個(gè)有限寬度的長(zhǎng)條，測(cè)量膨脹管殘余應(yīng)力釋放前后內(nèi)外徑變化，則內(nèi)表面的殘余應(yīng)力為

式中：σin為外壁表面殘余應(yīng)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(nèi)徑，mm；Dr為殘余應(yīng)力釋放后的鋼管外徑，mm。

當(dāng)殘余應(yīng)力釋放之后，膨脹管內(nèi)徑變小，表明在內(nèi)表面存在殘余拉應(yīng)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(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致孔眼發(fā)生塑性變形，利用應(yīng)變測(cè)量?jī)x測(cè)試孔眼尺寸變化可以計(jì)算膨脹管外表面殘余應(yīng)力。

1.2.3 膨脹管抗外擠試驗(yàn)

膨脹管抗外擠試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示，將膨脹管與套管環(huán)空處焊封，并在套管外開(kāi)孔連接高壓管線，緩慢升壓，測(cè)試1 m長(zhǎng)膨脹管的抗外擠能力。當(dāng)膨脹管在外壓作用下發(fā)生變形時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊封失效，并伴有液體流出，此時(shí)的壓力為膨脹管抗外擠強(qiáng)度。

圖2 膨脹管抗外擠試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膨脹管壁厚與殘余應(yīng)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(huì)在膨脹過(guò)程中被放大，而且膨脹管薄壁端的壁厚減小量遠(yuǎn)大于厚壁端的壁厚減小量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guò)程中，薄壁端的變形速率高于厚壁端的變形速率，這就導(dǎo)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(yán)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(dāng)膨脹管的膨脹壓力消失后，根據(jù)胡克定律［8－9］，膨脹管的彈性變形具有恢復(fù)的趨勢(shì)，而塑性變形將保留在膨脹管中。在膨脹過(guò)程中，膨脹管內(nèi)表面的彈性應(yīng)變必然大于外表面彈性變形，殘余應(yīng)力的最大值應(yīng)該發(fā)生在膨脹管內(nèi)表面，且為拉應(yīng)力，如圖4所示。在彈性變形恢復(fù)過(guò)程中，外表面的彈性變形首先恢復(fù)，內(nèi)表面的彈性變形要全部恢復(fù)，必然受到從外表面到內(nèi)表面某個(gè)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(wú)內(nèi)壓力前提下，在軸截面內(nèi)某一個(gè)圓柱面到外表面的圓筒對(duì)內(nèi)圓面彈性變形的恢復(fù)起阻礙作用，由此內(nèi)表面到該柱面的彈性變形不可能完全恢復(fù)而成為拉應(yīng)力。根據(jù)平面假設(shè)，該柱面到外表面必然產(chǎn)生壓應(yīng)力，因此膨脹管內(nèi)、外表面的殘余應(yīng)力必然是拉應(yīng)力與壓應(yīng)力相互對(duì)應(yīng)。根據(jù)變形的協(xié)調(diào)性，內(nèi)、外表面的殘余應(yīng)力是連續(xù)變化的。

圖4 膨脹管殘余應(yīng)力變化

針對(duì)脹后的膨脹管分別取樣進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試和抗外擠強(qiáng)度測(cè)試，并統(tǒng)計(jì)5組有代表性的數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 膨脹管試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

可以發(fā)現(xiàn)：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(chǎn)生的殘余應(yīng)力在膨脹管內(nèi)、外壁表面方向相反，其中內(nèi)壁表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，外壁表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，差值隨壁厚不均勻度增加而增大，且拉應(yīng)力通常大于壓應(yīng)力。膨脹管在外壓作用下通常在薄壁端首先發(fā)生屈服，薄壁端也是膨脹管周向殘余應(yīng)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(guò)程有助于發(fā)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變及幾何外形的變化規(guī)律。由于膨脹管塑性變形屬于多重非線性問(wèn)題，即：狀態(tài)非線性的接觸問(wèn)題、結(jié)構(gòu)非線性的大變形問(wèn)題、材料非線性的彈塑性問(wèn)題，不宜使用ANSYS分析軟件。本文使用ABAQUS軟件對(duì)試驗(yàn)管材進(jìn)行仿真分析，分別對(duì)比不同壁厚均勻度的膨脹管在膨脹過(guò)程中殘余應(yīng)力變化，仿真結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 壁厚均勻的膨脹管膨脹過(guò)程仿真結(jié)果

圖7 壁厚不均勻的膨脹管膨脹過(guò)程仿真結(jié)果

仿真結(jié)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(yàn)過(guò)程中膨脹管幾何外形變化相符合。殘余應(yīng)力的仿真結(jié)果大于實(shí)際測(cè)試值，但是反映出相同的變化規(guī)律，即脹后膨脹管內(nèi)表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，薄壁端的應(yīng)力差值最大。

3 結(jié)論

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

2） 試驗(yàn)與仿真結(jié)果均表明：脹后膨脹管會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其中內(nèi)表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，而且應(yīng)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(guò)程中應(yīng)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(jī)械，2010（10）：33－35.

［4］ 高向前，李益良，李濤，等.側(cè)鉆水平井膨脹套管完井新技術(shù)［J］.石油機(jī)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(xué)：上冊(cè)［M］.3版.北京：高等教育出版社，1990：44－91.

［7］ 韓建增，施太和.套管缺陷對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響及高抗擠套管抗擠強(qiáng)度的計(jì)算方法［C］//全國(guó)第一屆石油管力學(xué)和環(huán)境行為學(xué)術(shù)研討會(huì)石油管工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究論文集.北京：石油工業(yè)出版社，2001：200－208.

［8］ 李益良，陳強(qiáng)，李濤，等.膨脹管封堵調(diào)層技術(shù)新進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（1）：24－27.

［9］ 陳強(qiáng)，高向前，李國(guó)芳，等.大通徑膨脹管技術(shù)試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（11）：50－53.