套管全尺寸剪切變形與損傷檢測試驗研究

為研究在剪切載荷作用下套管的變形與損傷行為，通過搭建全尺寸套管剪切加載試驗系統，對全尺寸套管進行剪切加載與變形損傷試驗，采集其在剪切變形與破壞過程中的加載載荷與變形量，利用自主設計的套管損傷磁記憶內檢測裝置采集套管試樣的表面磁場分布信號，評估套管的損傷狀態，并建立了套管剪切變形有限元模型，分析套管試樣在剪切加載過程的應力-應變分布與局部塑性變形和壁厚減薄情況。試驗結果表明，在剪切載荷加載處套管試樣有明顯的塑性變形且壁厚減薄并產生穿透型裂紋區域，產生破壞時最大剪切載荷為1 264 kN，其變形量為50.7 mm，產生的裂紋最大寬度為0.18 mm；有限元模型結果表明，加載區域套管的塑性變形與壁厚減薄是產生穿透型裂紋的主要原因，試樣的塑性區域與變形量的實際加載變形情況一致；通過提取采集的磁記憶檢測信號的特征參數并繪制梯度云圖，可以直觀有效地檢測套管的變形與損傷情況。研究結果可為磁記憶檢測技術應用于套管損傷檢測提供技術支撐。

全尺寸試驗；磁記憶檢測；剪切載荷；套管變形與損傷；有限元分析

Experimental Study on Full-Scale Shear Deformation and Damage Detection of Casing

Sun Jing Zhang Laibin Fan Jianchun Yang Ziwei Zhang Zhitong

（College of Safety and Ocean Engineering，China University of Petroleum （Beijing）；Key Laboratory of Oil and Gas Production Safety and Emergency Technology，Ministry of Emergency Management）

To understand the deformation and damage behaviors of casing under shear load，a full-scale casing shear loading test system was built to conduct shear loading and deformation damage tests on the full-scale casing.The loading load and deformation amount during shear deformation and failure were collected.The surface magnetic field distribution signal of the casing sample was collected using a self-designed casing damage magnetic memory internal detection device to evaluate the damage state of the casing.A finite element model of casing shear deformation was built to analyze the stress-strain distribution，local plastic deformation and wall thickness reduction of the casing sample during shear loading.The experimental results show that the casing sample exhibits obvious plastic deformation and wall thickness reduction at the shear loading point，forming a penetrating crack area.The maximum shear load at the time of failure is 1 264 kN，with a deformation of 50.7 mm and a maximum crack width of 0.18 mm.The finite element model results show that the plastic deformation and wall thickness reduction of the casing in the loading area are the main reasons for the occurrence of penetrating cracks，the plastic deformation area and deformation amount of the sample are consistent with the actual loading deformation situation.By means of extracting the characteristic parameters of the collected magnetic memory detection signals and drawing gradient cloud chart，the deformation and damage of the casing can be visually and effectively detected.The study results provide technical support for the application of magnetic memory detection technology in casing damage detection.

full-scale test；magnetic memory detection；shear load；casing deformation and damage；finite element analysis

0 引 言

油氣生產過程中套管長期處于復合載荷與腐蝕性介質作用的惡劣工作環境中^［1］，尤其是進行大規模水力壓裂增產作業后，地層應力與溫度等都發生了極大的改變，在地層天然裂縫/斷層位置容易出現地層滑移，致使穿過的套管發生剪切變形失效^［2-4］，造成油井減產、停產甚至棄井，嚴重影響油氣生產^［5］。因此，對套管在剪切載荷作用下的剪切與變形情況進行全尺寸試驗^［6］與損傷檢測，分析套管的抗剪切性能，評估套管的剪切變形與損傷情況具有十分重要的意義。

常規的套管損傷檢測包括井徑測井、聲波測井、光學測井、電磁測井方法等^［7-10］。常規檢測方法不僅對檢測前井筒環境有一定要求，且對早期損傷和缺陷不敏感。而磁記憶檢測技術無需對檢測表面做特殊處理^［11-12］，在檢測鐵磁性材料宏觀缺陷的同時可通過檢測其應力集中程度，實現對早期缺陷的識別及檢測^［13-15］。

國內學者針對套管剪切變形失效機理進行了大量的研究。張偉等^［16］通過建立三維斷層滑移和套管剪切變形有限元模型，研究斷層滑移對套管剪切變形的影響規律，發現摩擦因數越大，套管變形量越小，隨著斷層長度增大，套管變形量也逐漸增大。蔣振源等^［17］通過建立斷塊滑動的套管剪切變形三維差分模型，研究了斷塊滑動對頁巖氣井套管剪切變形的影響，發現降低固井水泥彈性模量和增加水泥環厚度能夠有效減輕套管變形。

針對磁記憶檢測技術在油氣管道損傷檢測領域研究應用，喻國輝^［18］將金屬磁記憶技術應用于套管射孔應力狀態檢測，發現磁記憶信號梯度峰峰值能夠反映射孔應力狀態變化，并通過開發井下套管射孔應力狀態測井裝置對射孔損傷進行量化識別。劉祥元等^［19］開發了一種基于磁記憶技術的深水鉆井隔水管內檢測裝置，通過周向布置的高靈敏度傳感器實現了對隔水管內壁的覆蓋式掃描，可以有效檢測隔水管局部損傷、應力集中異常并對其實現精準定位。魏剛等^［20］通過試驗研究了石油鉆具缺陷的磁記憶檢測技術，分析了不同缺陷（如裂紋、氣孔、焊縫等）在磁記憶檢測中的表現，結果表明，該技術能夠有效檢測石油鉆具的缺陷，并提出了改進磁記憶檢測技術以提高檢測精度的建議。

但是，在以下幾個方面還需要進一步探索：①有關套管剪切變形損傷試驗以室內小尺寸試樣為主，進行全尺寸試驗研究較少，相關試驗數據不足；②在套管剪切損傷研究中，對套管的最大抗剪切載荷性能的評估和剪切加載過程中變形損傷規律研究相對缺乏；③套管剪切變形全過程中磁記憶信號變化的實時檢測與分析尚未得到充分探索，磁記憶檢測信號的特征參數研究缺乏系統性與深入性。針對以上問題，筆者開展了全尺寸套管剪切加載與變形破壞試驗研究，獲取了套管發生剪切破壞時的最大剪切載荷與變形量，并通過自主設計的套管損傷磁記憶內檢測裝置，采集剪切加載過程的套管試樣表面磁場分布信號，提取了信號的特征參數并建立了其與損傷情況之間的關系，并使用COMSOL軟件進行三維應力-應變分析對結果進行了驗證。研究結果可為深入理解全尺寸套管在實際工況下的損傷行為提供重要數據和分析工具。

1 套管全尺寸剪切變形試驗

2024年1月，在寶雞石油機械有限責任公司開展了套管全尺寸剪切變形加載試驗。該套管全尺寸剪切變形試驗選用P110標準套管，外徑177.8 mm，壁厚9.19 mm，總長9 m。通過搭建剪切加載試驗系統進行全尺寸套管剪切與變形加載試驗。剪切加載試驗系統裝置如圖1所示。

該系統共有4個液壓同步加載油缸，2個油缸為一組帶動加載壓頭向下運動，并通過加載切頭將剪切載荷施加到套管試樣上。為加速套管損傷，該剪切試驗加載切頭選擇60°斜切頭，如圖2所示。

套管損傷磁記憶內檢測裝置如圖3所示。該磁記憶內檢測器分為前后2部分，每部分各有16個通道，共計32個通道，且前后2部分的傳感器位置互相交錯分布，可以實現對套管內壁覆蓋式掃描檢測。其傳感器分布如圖4所示。

傳感器支撐架具備變徑能力，其檢測范圍為105～180 mm，在檢測過程中其外表面可以緊貼管壁維持恒定的提離值；內檢測器前端裝有牽拉環，便于與鋼絲繩掛接，通過絞盤的牽引完成套管檢測；磁記憶傳感器采集到套管內壁的信號，經過尾端集線器的整合匯總，將數據信號轉換為電流信號，可進行遠距離數據傳輸，并通過數據采集卡和相應軟件進行采集過程中的觀測與數據分析，可實現對套管損傷的快速檢測。

具體的試驗步驟為：試驗開始前將套管試樣安裝在試驗臺上，隨后調試該液壓加載試驗裝置，并使用磁記憶內檢測器采集套管的初始狀態數據；試驗開始后，逐步增加套管的徑向剪切載荷，當達到額定的徑向剪切載荷時，暫停加載，保持徑向載荷，記錄實際試驗載荷、油缸油壓以及管體徑向位移，并利用磁記憶內檢測裝置與應力-應變系統采集管體的磁記憶信號與應力-應變信號；完成數據采集后，繼續增加徑向剪切載荷，直至套管試樣發生剪切破壞；試驗結束后，逐漸減小徑向載荷，直至完全卸載。該剪切加載試驗系統與套管損傷磁記憶內檢測裝置的具體參數如表1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 應力-應變分析

為檢測剪切加載試驗過程中套管試樣的應力-應變情況，在圖4位置為0°與180°上下端點套管試樣表面粘貼雙軸應變片，檢測套管的軸向應力和環向應力。套管試驗過程中應變片粘貼分布示意圖如圖5所示。 在剪切加載過程中應變片采集的套管表面的應力變化情況如表2所示。

由應變片采集的數據可以發現：在0°位置套管軸向應力始終為負值，即試樣承受擠壓載荷的作用，套管被壓縮；同理，在180°位置套管軸向應力始終為正值，即試樣承受拉伸載荷的作用，套管被拉伸；且拉伸處軸向應力的數值絕對值始終大于壓縮處，即在非剪切加載位置套管試樣更容易發生拉伸破壞。

2.2 套管剪切加載與變形損傷分析

在剪切載荷作用下，套管試樣逐漸屈服出現明顯的塑性變形，在加載過程中不同剪切載荷下套管試樣的局部變形如圖6所示。當油缸施加的剪切載荷為400 kN時，套管剪切加載位置發生輕微變形；當剪切載荷達到1 264 kN時，套管試樣出現明顯的金屬撕裂聲，在剪切切頭加載區域產生明顯塑性變形的同時壁厚減薄至0，并產生穿透型裂紋，如圖7所示。該裂紋最大寬度為0.18 mm，裂紋長度約為35 mm，其最大剪切載荷為1 264 kN，變形量為50.7 mm，塑性變形區域寬度約為200 mm。

為更好量化剪切加載載荷與變形量的關系，采集并記錄加載過程中的油缸施加的剪切載荷與位移量。試驗裝置加載與卸載過程的數據曲線如圖8所示，剪切載荷與加載位移的變化曲線如圖9所示。由圖8和圖9可得，隨著剪切載荷的不斷增加，套管試樣的變形量不斷增大，剪切載荷與加載位移之間呈一定的線性關系，曲線可近似擬合為2段斜率不同的線性曲線，初始階段以彈性變形為主，隨著位移增加逐漸進入塑性變形階段。彈性階段試樣的斜率明顯大于塑性階段，即彈性階段試樣的變形較小，塑性階段更容易發生變形破壞。

2.3 磁記憶內檢測信號分析處理

在進行剪切加載試驗時，利用磁記憶內檢測裝置采集套管試樣表面的磁記憶信號并進行分析處理。由于剪切載荷加載與變形主要集中于全尺寸套管試樣的上側，即如圖4所示的0°方向上的第1、16和17通道更能有效反映套管的變形損傷情況。以剪切加載載荷為824 kN時為例，提取1、16與17通道降噪前、后的磁記憶信號并進行梯度處理。套管0°方向磁記憶信號梯度和試驗裝置對應圖如圖10所示。通過分析套管整體磁記憶信號梯度數據可以發現，在試驗臺上的固定支架與剪切加載切頭等應力集中位置所對應的磁記憶檢測信號梯度發生突變，這表明磁記憶信號梯度值具有很好的表征應力集中程度的能力。

為了進一步分析剪切載荷對套管試樣磁記憶信號的影響，提取0°方向1、16、17、18和32共5通道磁記憶信號并進行均值降噪和歸一化處理，并繪制其梯度云圖，如圖11a所示。從圖11a可以看出，在剪切加載切頭塑性變形位置磁記憶信號梯度云圖出現明顯的變化，其信號突變位置與范圍與實際加載試驗相符合，表明磁記憶梯度云圖能夠直觀地表征套管的應力集中與損傷情況。

提取1～16通道磁記憶信號并進行均值降噪和歸一化處理，并繪制其梯度圖、梯度瀑布圖與梯度云圖，如圖11b所示。從圖11b可以看出，在剪切加載切頭加載區域梯度值在0°方向與180°方向明顯不同。為研究截面上不同角度對磁記憶信號梯度的影響，取剪切加載截面處的磁記憶信號梯度峰值并繪制其極坐標分布圖，如圖12所示。

由圖12可得：在0°方向上的磁記憶信號梯度峰值明顯高于180°方向，表明在0°方向套管試樣出現明顯的應力集中與塑性變形；在180°方向應力集中與變形情況不明顯，這與圖6中套管實際變形情況相一致。進一步表明磁記憶檢測技術對材料的早期損傷與應力集中程度的敏感，適合對油套管的早期損傷狀態檢測與評估。

3 有限元仿真及分析

3.1 仿真建模

為了研究在剪切載荷加載過程中套管的應力狀態分布與變形情況，使用COMSOL有限元分析軟件建立套管全尺寸有限元模型進行仿真模擬。其參數設置與套管全尺寸剪切變形加載試驗保持一致，剪切加載切頭的間距為1.0 m，固定裝置的間距為1.5 m。為提高計算效率降低網格數量，取剪切加載區域的套管試樣長2.0 m，其有限元模型如圖13所示。保持固定夾具下端面固定，通過剪切加載切頭沿z軸負方向向下的位移進行加載。

該試樣為標準P110套管，其應力應變曲線如圖14所示。模型考慮材料的塑性變形影響，在塑性模型節點中選擇大應變選項，設置其塑性響應為非線性各向同性硬化，各向同性硬化模型選擇硬化函數。

由于網格劃分直接影響計算結果，為在保證結果的準確性下盡量減小計算量，可對網格劃分進行適當的調控。對于套管中部與兩端應力變化相對平緩的部位，可適當將網格密度劃分稀疏，而對于剪切切頭加載等重點位置，可以將該位置的網格劃分密集。模型采用自由四面體網格，具體網格劃分結果如圖15所示。

3.2 結果分析

3.2.1 剪切加載整體變形分析

通過剪切加載切頭對套管試樣模型施加剪切載荷，當其加載位移為50 mm時，其整體應力與變形分布如圖16所示。

由圖16可以發現，套管試樣在剪切載荷加載區域整體應力值較大，在試樣兩端以及中部應力值較小，最大應力點在剪切切頭加載位置，且該位置套管試樣出現明顯的塑性變形，當加載位移為51.345 mm時，套管試樣壁厚減薄至0，套管試樣發生破壞。仿真結果與全尺寸加載試驗結果具有良好的一致性，說明該模型可很好地反映并預測套管在剪切加載過程中的變形與損傷分布。當其加載位移為50 mm時，套管模型整體剪切變形左視圖如圖17所示，不同加載位移時套管剪切加載截面變形如圖18所示。

由圖17和圖18可以發現，套管試樣在剪切載荷加載區域截面處發生了明顯變形。隨著加載位移的增大，截面處由圓形逐漸變成橢圓形，加載截面處上端截面整體向下被壓縮成一條與加載切頭重合的直線，兩側區域向外突出，截面近似為半圓形或鼓形，加載過程中套管壁厚逐漸減小，直至發生裂紋失效破壞。仿真模型中套管截面的變形情況與全尺寸試驗中圖6套管實際的變形情況相符合，可以很好地反映套管在剪切加載過程中的塑性變形。

3.2.2 剪切加載局部塑性變形分析

當其加載位移為51 mm時，套管剖面局部塑性變形與壁厚減薄情況如圖19所示。從圖19可以明顯地觀察到，在剪切力作用下，套管試樣在剪切切頭下方區域產生明顯的局部塑性變形，并表現出顯著的塑性流動和硬化效應。材料在剪切力作用下首先進入屈服狀態，隨后發生塑性流動。隨著加載位移的增加，剪切塑性變形區域套管試樣壁厚逐漸減小，直至為0，產生穿透裂紋并破壞失效。套管材料在高應變區表現出一定的硬化效應，使得變形區域集中在特定范圍內，塑性變形區域形狀與剪切切頭的形狀相似。

3.2.3 剪切加載載荷-位移曲線分析

為驗證模型的可靠性，更好地評估與分析加載載荷與加載位移的變化關系，利用COMSOL軟件求解加載過程中剪切加載切頭沿z軸方向反作用力的曲面積分，獲取其不同加載位移的剪切載荷，并將仿真模擬的剪切載荷隨加載位移的變化曲線與全尺寸試驗的結果進行對比，其結果如圖20所示。

由圖20可得，該仿真模型的計算結果與室內試驗結果具有較好的相似性，仿真與試驗結果曲線符合度很高，表明仿真模型能夠較好地反映實際材料在剪切加載下的力學行為。仿真與試驗結果均表明，剪切載荷與加載位移之間呈一定的線性關系，曲線可近似擬合為2段斜率不同的線性曲線，即在剪切加載下具有明顯的彈塑性變形特征，初始階段以彈性變形為主，隨著位移增加逐漸進入塑性變形階段。仿真結果能夠較好地預測材料在剪切加載下的受力與變形情況，可為進一步評估套管在剪切載荷作用下的承載能力與變形損傷，更好地指導實際工程設計和工程應用。

4 結 論

（1）對全尺寸套管進行剪切加載與變形破壞試驗，并采集剪切變形與破壞時的加載載荷與變形量。結果顯示，在剪切載荷作用下，套管試樣出現明顯的塑性變形且壁厚減薄，直至產生穿透型裂紋，其最大剪切載荷為1 264 kN，變形量為50.7 mm，裂紋最大寬度為0.18 mm。

（2）分析了套管試樣的變形與應力分布，并使用有限元仿真軟件進行分析驗證。仿真及試驗結果表明，剪切載荷加載位置出現最大應力點，隨著剪切載荷的增加，試樣的縱向變形量增加，壁厚逐漸減薄直至開裂，剪切載荷與加載位移量之間呈一定的線性關系，曲線可近似擬合為2段斜率不同的線性曲線。

（3）通過自主設計的套管損傷磁記憶內檢測裝置，采集剪切加載過程的套管試樣表面磁場分布信號，發現在剪切載荷作用下，磁記憶信號在損傷區域產生顯著突變，其梯度信號云圖能夠直觀敏感地反映早期損傷情況。

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第一作者簡介：孫京，生于1998年，2019年畢業于中國石油大學（北京）機械設計制造及自動化專業，現為在讀博士研究生，研究方向為安全監測與機械工程。地址：（102249）北京市昌平區。email：sunjing20180101@163.com。

通信作者：樊建春，教授。email：fjc688@126.com。