可鉆式貼堵管材及連接方式的優選研究

袁 杰，李永強，呂建海，田 雨，崔汝東

中石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東 東營

1.引言

在石油開采過程中，受工程技術、地質環境破壞等因素的影響，油水井套管因長期服役會出現破損、漏失，影響正常的生產或注水。套管貼堵是國內外修復套管行之有效的措施之一。目前，勝坨油田在可鉆式貼堵工藝中采用鋁合金管材。鋁合金管材在滿足強度要求的條件下，存在壁厚過大、后期修井工具難以下入的問題。當加大管材通徑時，鋁合金材質的強度會下降，難以滿足井下作業需要。而國內外可鉆套管管材應用較少，合金材質達到耐腐蝕、強度適中的材質極少。基于以上問題，筆者根據可鉆式貼堵工藝的要求，對管材材質進行優選，使其在滿足大通徑的條件下，仍具有較高的強度。

2.試驗準備及方法

2.1.試驗樣品材質

40CrNiMo，7050鋁合金，7A09鋁合金，2A06鋁合金，2A11鋁合金。

2.2.試驗儀器

DR-6000A電子萬能試驗機(揚州德瑞儀器設備有限公司)；FSSY-2腐蝕儀(中國石油大學(華東)儀表廠)；布氏硬度計和洛氏硬度計(濟南恒思盛大儀器有限公司)。

2.3.試驗方法

1)按照國標標準加工硬度測試試樣，對優選的管材試樣進行布氏硬度和洛氏硬度測試。

2)使用“FSSY-2腐蝕儀” (試驗條件25 MPa×95℃×48 h)測試出優選材質的腐蝕速率。

3)采用DR-6000A電子萬能試驗機(加載速率設定為3 mm/min)，測試管材的抗拉、抗壓強度。試件被拉斷后，測試斷后截面和標距尺寸，計算出試件的斷面收縮率和其延伸率。

3.試驗結果與討論

3.1.管材優選

3.1.1.管徑壁厚

根據管材的強度要求確定不同的模擬管材。利用ANSYS軟件[1]對貼堵管管材進行數值模擬，材料的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。對管材實施不同的內、外壓，模擬出管材應力分布情況[2]，結果如圖1、圖2所示。管材在第一個螺紋處的應力值均最大，根據各種管材的屈服強度，反向模擬出管材最大耐內、外壓強度。

Figure 1.The nephogram of distribution of stress applied on pipe under external pressure圖1.對管材施加外壓后的應力分布云圖

Figure 2.The nephogram of distribution of stress applied on pipe under internal pressure圖2.對管材施加內壓后的應力分布云圖

根據不同壁厚的管材所需滿足的抗壓強度及螺紋強度要求[3]，得出優選材料的參考設計值。模擬計算結果如表1所示。材質為40CrNiMo的管材抗壓強度較高，管壁厚3 mm就可以滿足生產需求；7系鋁合金抗壓強度次之，管壁厚3.5~4.5 mm時抗壓強度能滿足生產需求；2系鋁合金耐壓較低，但管壁厚5~7 mm也能滿足需求，在治理后井筒內徑要求不高的油水井中可以使用。

Table 1.The pressure bearing capacity of materials with different wall thickness in wells表1.不同壁厚材質在井內的承壓能力大小

3.1.2.硬度

洛氏硬度按GB/T 231.1-2004標準測試，布氏硬度按GB/T 231.1-2002標準測試[4]，試驗結果見表2。可以看出，7A09、2A06、2A11基本都滿足現場生產及后期可鉆除的要求，其中7A09硬度相對較低。

Table 2.The results of hardness test表2.硬度測試結果

3.1.3.抗腐蝕性能

使用“FSSY-2腐蝕儀”進行試驗測試[5]，試驗結果如表3所示。各試驗材料在25 MPa、95℃的油田采出液中反應48 h后，測得40CrNiMo的腐蝕速率最小(0.1107 mm/a)。

Table 3.The results of corrosion test表3.腐蝕測試結果

3.1.4.拉伸性能

拉伸性能測試結果見表4。所選擇的2系、7系合金管材的抗拉強度、最大斷面收縮率、最大伸長率基本都滿足現場要求，其中7A09材質合金具有較好的塑性和強度。

Table 4.The results of tensile test表4.拉伸試驗結果

3.1.5.壓縮性能

DR-6000A電子萬能試驗機的測試結果表明，選取的7050管材抗壓強度為980~1130 MPa，7A09管材抗壓強度為908~990 MPa，2A11管材抗壓強度為627~758 MPa，2A06管材抗壓強度為587~728 MPa，都滿足現場生產需求。

對比各種管材的硬度、抗腐蝕性能、拉伸性能、壓縮性能，優選材質為7A09的管材作為貼堵管材的基礎材料。

3.2.絲扣優選

分別選取普通偏梯形螺紋、FOX特殊螺紋、圓螺紋和NK3SB特殊螺紋進行研究，貼堵管選用的材料為7A09合金材質，貼堵管外徑為114 mm，壁厚為4.5 mm，對貼堵管施加軸向拉力為200 kN。利用ANSYS有限元模擬軟件求解得到的應力分布云圖如圖3所示[6]。FOX型特殊螺紋連接無明顯變形。相比之下，只有FOX型螺紋連接方式的接觸應力峰值較小，且各牙應力分布較為均勻[7]；普通偏梯形螺紋連接和NK3SB螺紋連接均在最后一扣處應力較大，其余各牙應力分布較均勻；圓螺紋的受力情況、連接效果最差，開始端和結束端的牙承受了大部分的力，而中間那些扣牙所承受的載荷非常有限，導致兩端接觸應力大而中間小，各牙受力不均，很容易引起兩端扣牙最早失效，使得中間扣牙不能發揮作用。

Figure 3.The diagram of thread stress distribution圖3.絲扣應力分布圖

4.結論

1)對比了5種管材的抗拉壓能力、硬度、抗腐蝕能力，優選7A09合金作為貼堵管材的基礎材料。

2)當貼堵管尺寸一定時，采用FOX型特殊螺紋連接，其螺紋接觸面載荷分布較為均勻，無明顯變形。而圓螺紋的螺紋面兩端應力集中明顯，易出現滑脫，性能較差。故貼堵管采用FOX型螺紋連接。