國產(chǎn)80鋼級SEW膨脹管實物試驗研究

韋奉1，2，畢宗岳1，2，李遠征1，2，唐俊1，2，王濤1，2，蘇琬2

國產(chǎn)80鋼級SEW膨脹管實物試驗研究

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韋奉1，2，畢宗岳1，2，李遠征1，2，唐俊1，2，王濤1，2，蘇琬2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西寶雞721008）

對國產(chǎn)80鋼級SEW膨脹管（BX80）進行了實物膨脹試驗，并對其膨脹后的規(guī)格尺寸、力學(xué)性能、抗擠強度等進行了研究。結(jié)果表明：國產(chǎn)BX80膨脹過程壓力較低且保持平穩(wěn)，膨脹后管材仍具有良好的強度、塑性及韌性匹配，其力學(xué)性能和抗外擠強度指標均滿足API Spec 5CT—2012、API TR 5C3—2008等標準要求，說明國產(chǎn)BX80膨脹管易于膨脹且膨脹后的使用性能優(yōu)良，可滿足工程應(yīng)用要求。

膨脹管；SEW；80鋼級；膨脹性能；力學(xué)性能；抗擠強度

膨脹管技術(shù)因其具有優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、降低鉆采成本、節(jié)約作業(yè)時間、快速恢復(fù)生產(chǎn)、提高單井產(chǎn)量等優(yōu)點倍受油田用戶青睞，在油氣勘探與開發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。該技術(shù)在國外已成功應(yīng)用于修井、完井、甚至鉆井等作業(yè)，并取得了較好的效益［1-3］；在國內(nèi)，膨脹管技術(shù)也已成為修井和鉆遇特殊地層處理的重要手段，并逐漸向裸眼井的側(cè)鉆、完井等方向發(fā)展［4-6］。

目前，國內(nèi)的膨脹管主要以20G無縫鋼管為主，雖然塑性高但膨脹后的強度和韌性較低，尤其是夏比沖擊吸收功（0℃，全尺寸）小于10 J［6］。過低的沖擊韌性使其在運輸、吊裝、安裝和服役等過程中的抵抗沖擊載荷的能力較差，極易在沖擊作用下產(chǎn)生微裂紋，從而導(dǎo)致服役過程發(fā)生開裂甚至斷裂［7-9］，存在較大的安全隱患，僅局限于要求不高的套損補貼等簡單應(yīng)用。因此，在某些特定領(lǐng)域的作業(yè)，較低鋼級且強韌性匹配差的膨脹管的應(yīng)用往往無法完全滿足油田用戶的需求，如深井、超深井及完井射孔等；采用更高鋼級且強度、塑性及韌性匹配良好的膨脹管，是增加作業(yè)深度和擴大作業(yè)范圍的有效途徑。

本研究針對寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（簡稱寶雞鋼管）研制開發(fā)的80鋼級SEW（Hot Stretchreducing Electric Welding，熱張力減徑電阻焊）膨脹管（牌號為BX80），開展了不同內(nèi)徑膨脹率的實物膨脹試驗，對其膨脹性能及膨脹后的尺寸變化、力學(xué)性能、抗外壓擠毀強度等進行了檢測分析。

1 試驗方法

試驗材料是寶雞鋼管自主研制的規(guī)格為Φ139.7 mm×7.72 mm的BX80膨脹管。該管材以高潔凈度、高尺寸精度控制的中低碳微合金鋼熱軋卷板為原料，先通過精密成型及HFW（High Frequency Welding，高頻焊）焊接制成Φ193.7 mm×7.34 mm母管，再經(jīng)中頻感應(yīng)加熱將HFW母管快速加熱到管材的奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度AC3以上50~100℃，而后經(jīng)軋管機組進行全管體熱軋、減徑得到所需規(guī)格的管坯，最后經(jīng)全管體特殊熱處理得到所需的組織和性能。BX80膨脹管的化學(xué)成分見表1。

表1 BX80膨脹管的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

試驗選用的膨脹錐定徑區(qū)直徑分別為136.4 mm與143.3 mm，膨脹錐角均為15°，對BX80膨脹管進行了模擬補貼Φ177.8 mm套管的膨脹試驗，預(yù)期膨脹率（內(nèi)徑擴大率）分別為9.8%和15.3%。膨脹前，首先對鋼管內(nèi)表面進行了噴砂、除銹及均勻涂抹潤滑脂處理，然后分別將4根膨脹管短節(jié)（約3 m/根）通過直連型特殊螺紋連成每組約12 m長的鋼管，總共連成2組并水平放置，最后采用以上兩種規(guī)格的膨脹錐分別進行純液壓式實物膨脹試驗；同時，為了更深入了解BX80膨脹管的膨脹性能，再采用Φ136.4 mm的膨脹錐對相同外徑的BX80膨脹管、20G無縫鋼管及某進口55鋼級膨脹管短節(jié)（約2 m/根）進行了純機械式實物膨脹試驗。實物膨脹試驗方案見表2。

表2 實物膨脹試驗方案

沿試驗管的管體縱向取尺寸為25.4 mm×50.8 mm（減窄區(qū)寬度×標距）的拉伸試樣，在ZIWCK 1200E型電子萬能試驗機上依據(jù)GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》標準［10］進行拉伸試驗測試。沖擊試樣采用半尺寸，即55 mm×10 mm×5 mm，在PSW750 Zwick/Roell沖擊試驗機上測試吸收能。依據(jù)GB/T 20657—2011《石油天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和用作套管或油管的管線管性能公式及計算》標準［11］（等同于API TR 5C3—2008標準）在外壓擠毀系統(tǒng)對膨脹后的鋼管進行了抗外壓擠毀試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 尺寸變化

試驗管膨脹前后尺寸變化情況的測量結(jié)果（平均值）見表3。

表3 試驗管膨脹前后的尺寸變化情況（平均值）

從表3可見：在不同的膨脹方式下，采用同規(guī)格膨脹錐的實際膨脹率并不一致，液壓式膨脹的實際膨脹率明顯高于機械式膨脹，而后者與預(yù)期膨脹率基本一致。例如，BX80采用Φ136.4 mm膨脹錐進行液壓式膨脹后的實際膨脹率為11.5%，高于其機械式膨脹率（9.8%）；采用Φ143.3 mm膨脹錐的實際膨脹率為17.0%，也明顯高于預(yù)期膨脹率（15.3%）；同時，液壓式膨脹的壁厚減薄程度也明顯要高于機械式膨脹。這可能是在整個液壓式膨脹的過程中管內(nèi)一直存在液壓力，導(dǎo)致其塑性變形程度比機械式膨脹的高。此外，在相同的機械式膨脹條件（Φ136.4 mm膨脹錐）下，BX80膨脹管的壁厚減薄率僅為3.6%，遠低于20G無縫鋼管（9.0%）及進口55鋼級膨脹管（7.4%），而較低的壁厚減薄幅度有助于保持管材膨脹后仍具有較高的抗外壓擠毀能力。

2.2 膨脹壓力

膨脹壓力的大小是衡量套管膨脹（變形）難易程度的重要性能指標之一。試驗管膨脹過程的膨脹壓力測試結(jié)果分別如圖1和表4所示。

圖1 BX80膨脹管液壓式膨脹過程的膨脹壓力曲線

表4 試驗管膨脹試驗的膨脹壓力

從表4可以看出：BX80液壓式膨脹在11.5%、17.0%膨脹率下的膨脹壓力（平均值）分別約為28.5 MPa和33.5 MPa，除了過螺紋處膨脹壓力略有波動外，其余整個膨脹過程的壓力保持平穩(wěn)；在相同的機械式膨脹條件（Φ136.4 mm膨脹錐）下，BX80膨脹管的膨脹力為458.9 kN，比進口55鋼級膨脹管高13%，比20G無縫鋼管高27%；表明BX80膨脹管具有優(yōu)良的膨脹性能。

2.3 力學(xué)性能

管材膨脹后的力學(xué)性能達到相應(yīng)鋼級、規(guī)格套管和油管的API Spec 5CT—2012《套管和油管規(guī)范》（第9版）［12］等標準要求，是確保膨脹管實現(xiàn)工程化應(yīng)用的重要條件。試驗管膨脹前后的力學(xué)性能測試結(jié)果見表5；采用Φ136.4 mm的膨脹錐進行機械式膨脹前后的夏比沖擊（0℃、半尺寸）試驗，其測試結(jié)果見表6。

從表5~6可見：管材發(fā)生塑性變形膨脹后，由于材料冷作硬化作用的影響，其屈服強度和抗拉強度均有不同程度的提升，而斷后伸長率和夏比沖擊功有下降。其中，BX80在兩種膨脹方式下的機械性能均滿足API Spec 5CT—2012標準對80鋼級的要求，其斷后伸長率仍維持在19%以上，高于API標準規(guī)定值15%，表明管材仍具有較大的塑性儲備，在后續(xù)服役過程中仍能承受較大的塑性變形而不至于發(fā)生脆裂；而20G無縫鋼管及進口55鋼級膨脹管膨脹后的力學(xué)性能僅滿足API Spec 5CT—2012標準對55鋼級的要求；另外，20G無縫鋼管膨脹前、后的橫向夏比沖擊功均較低，尤其膨脹后僅6 J，遠低于BX80和進口55鋼級膨脹管，這勢必會影響其運輸、吊裝及服役等過程中的安全性。綜上所述，國產(chǎn)BX80膨脹管膨脹后仍具有優(yōu)良的強度、塑性及韌性匹配。

表5 試驗管膨脹前后的力學(xué)性能（平均值）

表6 機械式膨脹前后的橫向夏比沖擊功

2.4 抗外擠強度

選用膨脹幅度最大（即17.0%膨脹率）的BX80膨脹管按GB/T 20657—2011標準（等同于API TR 5C3—2008）進行膨脹后的抗外壓擠毀試驗，試樣有效長度為1.5 m，壓力介質(zhì)為水。擠毀后的BX80膨脹管如圖2所示，擠毀試驗曲線如圖3所示。由圖3可知：BX80膨脹管的擠毀強度為29.7 MPa，比API TR 5C3標準對80鋼級的要求（25.2 MPa）高出18%。

圖3 BX80膨脹管擠毀試驗曲線（17%膨脹率）

3 結(jié)論

膨脹管是一種特殊的石油專用管，不但要求管材具備良好的均勻塑性變形能力（即易膨脹性），而且還要確保膨脹后的力學(xué)性能達到相應(yīng)鋼級套管的API等標準要求，才能滿足工程應(yīng)用需要。通過對國產(chǎn)BX80膨脹管、20G無縫鋼管及進口55鋼級膨脹管進行實物膨脹試驗，可得出以下結(jié)論：

圖2擠毀后的BX80膨脹管（17%膨脹率）

（1）采用相同規(guī)格的膨脹錐，BX80膨脹管液壓式膨脹的實際膨脹率及壁厚減薄率均略高于機械式膨脹。在相同的機械式膨脹條件（Φ136.4 mm膨脹錐）下，BX80膨脹管的壁厚減薄程度遠低于20G無縫鋼管及進口55鋼級膨脹管。

（2）除了過螺紋處壓力略有波動外，BX80膨脹管在整個液壓式膨脹過程中壓力平穩(wěn)且數(shù)值較低，在11.5%及17.0%的膨脹率下膨脹壓力分別為28.5 MPa、33.5 MPa；在相同的機械式膨脹條件（Φ136.4 mm膨脹錐）下，BX80膨脹管膨脹力為458.9 kN，僅比進口55鋼級膨脹管高13%、比20G無縫鋼管高27%，表明BX80膨脹管具備了良好的易膨脹性。

（3）BX80膨脹管膨脹后的屈服、抗拉、抗外擠等強度指標滿足API Spec 5CT—2012、API TR 5C3—2008等標準對80鋼級的要求，其斷后伸長率為19%~23%，明顯高于API標準規(guī)定值15%，尤其母材的橫向沖擊吸收功（0℃、半尺寸）高達75 J，表明BX80膨脹管在膨脹后仍具有優(yōu)良的強度、塑性及韌性匹配，可滿足膨脹管補貼及側(cè)鉆完井等工程應(yīng)用要求。

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［11］中國國家標準化管理委員會.GB/T 20657—2011石油天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和用作套管或油管的管線管性能公式及計算［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［12］美國石油學(xué)會.API Spec 5CT套管和油管規(guī)范［S］.9版.北京：石油工業(yè)標準化研究所，2012.

Actual Product Tests and Study on Home-made 80 Grade SEW Expandable Pipe

WEI Feng1，2，BI Zongyue1，2，LI Yuanzheng1，2，TANG Jun1，2，WANG Tao1，2，SU Wan2
（1.National Petroleum and Gas Tubular Goods Research Center，Baoji 721008，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China）

Actual product tests are carried out on 80 grade SEW expandable pipe（BX80）and study is made on the sizes，mechanical properties and tensile strength etc.of the pipe after expanding.Results of the tests indicate that the home-made BX80 expandable pipe maintains a relatively low and stable pressure during expanding and the pipe after expanding still has good matching of strength，plasticity and toughness，and its mechanical properties and collapse resistance can meet the requirements of specifications such as API Spec 5CT and API TR 5C3 etc.，which shows the home-made BX80 expandable pipe can satisfy the requirements of engineering applications with its easy-to-expand feature and good application performance after expanding.

expandable pipe；SEW；80 grade；expanding performance；mechanical property；tensile strength

TG335.7；TE93

B

1001-2311（2014）03-0034-05

2013-11-25；修定日期：2014-04-30）

*中國石油天然氣集團公司科技管理部攻關(guān)項目（2011A-4209）

韋奉（1977-），男，碩士，工程師，主要從事高性能膨脹管等油氣用管材開發(fā)及制造工藝技術(shù)研究。