石油膨脹套管的力學(xué)性能及膨脹后的殘余應(yīng)力

李吉林

（國家石油機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（江蘇），建湖 224700）

石油膨脹套管的力學(xué)性能及膨脹后的殘余應(yīng)力

李吉林

（國家石油機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（江蘇），建湖 224700）

不同的熱處理工藝處理?xiàng)l件下，石油膨脹套管會(huì)表現(xiàn)出不同的膨脹性能。本文主要分析石油膨脹套管的材料性能在膨脹加工前后的變化情況，并通過使用應(yīng)力釋放法對(duì)擴(kuò)徑膨脹率為20%的管材進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)量，從而得到一定的結(jié)論。同時(shí)，本文分析石油膨脹套管的力學(xué)性能和殘余應(yīng)力在不同膨脹率下呈現(xiàn)的異常關(guān)系。

石油膨脹套管 力學(xué)性能 殘余應(yīng)力

引言

石油膨脹套管與石油工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，其以一種新技術(shù)的形式作用于石油工藝的發(fā)展過程，可以起到降低鉆井完井成本、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)以及提高建設(shè)效率等良好效果。為此，本文對(duì)石油膨脹套管的力學(xué)性能以及膨脹后的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)發(fā)展石油工藝、完善膨脹管技術(shù)具有重要的實(shí)際價(jià)值。

1 石油膨脹套管概述

膨脹套管不僅以新型技術(shù)的形式作用于石油工業(yè)的發(fā)展過程，同時(shí)也是一種概念，即利用膨脹可以開發(fā)出各種新型工藝和工具，并廣泛應(yīng)用于鉆井、完井和修井等工程領(lǐng)域內(nèi)容，由此促進(jìn)并帶動(dòng)各種鉆井及完井的新工藝和新工具的研發(fā)[1]。

一般情況下，膨脹管技術(shù)可以分為兩類，分別是實(shí)體膨脹管技術(shù)和割裂膨脹管技術(shù)。其中，割裂膨脹管以一種新的完井手段作用于油井工程，達(dá)到提高油井產(chǎn)量的應(yīng)用效果。目前，膨脹管技術(shù)在我國的應(yīng)用水平已經(jīng)形成了一定的發(fā)展水平，但是對(duì)技術(shù)的研究仍然處于初級(jí)階段。對(duì)于膨脹管的使用而言，殘余應(yīng)力的研究十分必要，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的存在會(huì)對(duì)膨脹套管的使用性能和正常服役造成巨大影響。因此，本文通過實(shí)驗(yàn)方式對(duì)膨脹套管的性能和殘余應(yīng)力進(jìn)行研究[2]。

2 實(shí)驗(yàn)探究過程分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)中的研究對(duì)象為X52型號(hào)的管材。在未發(fā)生膨脹前，壁厚為888mm，內(nèi)徑尺寸為223.1mm，外徑尺寸為220.7mm；當(dāng)發(fā)生10%的膨脹后，壁厚為840mm，內(nèi)徑為223.1mm，外徑為240.5mm；當(dāng)發(fā)生20%的膨脹后，壁厚為773mm，內(nèi)徑為245.2mm，外徑為262.5mm[3]。

在分析膨脹管的性能時(shí)，可以通過一定的熱處理工藝與其進(jìn)行對(duì)比，從而保證其具有良好的塑性。作為影響管材膨脹性能的主要性能，塑性越高才能夠保證其使用的安全性。因此，熱處理工藝的選擇依據(jù)主要考慮其是否可以提高管材的塑性。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)中選擇的具體熱處理工藝內(nèi)容如下：（1）以900℃條件下的淬火與650℃條件下的回火為基礎(chǔ)的調(diào)質(zhì)處理；（2）790℃的淬火與650℃條件下的回火，即高溫回火和亞溫淬火共同作用下的熱處理工藝措施；（3）650℃條件下的高溫回火；（4）900℃條件下進(jìn)行加熱，然后爐冷至600℃，再進(jìn)行空冷[4]。

在實(shí)施膨脹管力學(xué)性能的測(cè)量過程中，主要依靠的測(cè)量工具為電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，采用的測(cè)量方法為機(jī)械切割應(yīng)力釋放法。殘余應(yīng)力的測(cè)試方法為電測(cè)方式，選用的儀器為SDY220S型號(hào)的程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2 .1 管材力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果和分析

經(jīng)過測(cè)試得到管材擴(kuò)徑膨脹前后的力學(xué)性能。在膨脹處理前，管材屈服強(qiáng)度為456MPa，延伸率為30.2%，材料強(qiáng)度為540MPa。在發(fā)生10%的膨脹后，其對(duì)應(yīng)的上述指標(biāo)分別為574MPa、20.6%和647MPa。在發(fā)生20%的膨脹后，其值分別為574MPa、15.7%和652MPa。當(dāng)管材發(fā)生擴(kuò)徑膨脹后，管材的屈服強(qiáng)度、伸展性以及材料強(qiáng)度都發(fā)生了變化，即隨著膨脹率的增大，屈服強(qiáng)度和材料強(qiáng)度也隨著增大，但是延伸率出現(xiàn)了一定程度的下降[5]。

在完成膨脹前后的管材力學(xué)性能測(cè)試后，要進(jìn)行各種工藝熱處理后的力學(xué)性能測(cè)量。如表1所示，其為不同的熱處理工藝條件下測(cè)量到的管材力學(xué)性能。從數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)管材進(jìn)行不同的熱處理工藝后，可以有效提高管材塑性，但是處理后管材的屈服強(qiáng)度和材料強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的下降。

表1 不同熱處理工藝下的管材力學(xué)性能

考慮到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，在進(jìn)行管材的處理時(shí)首先可以通過膨脹技術(shù)增加管材的屈服強(qiáng)度和材料強(qiáng)度，即可以通過擴(kuò)徑20%的膨脹技術(shù)。此外，鑒于塑性對(duì)于管材使用性的特殊需求，需要結(jié)合亞溫淬火和高溫回火的熱處理工藝措施提高管材的塑性。在這種技術(shù)的共同作用下，可以保證石油膨脹管的力學(xué)性能達(dá)到較為理想的使用狀態(tài)。

2.2 .2 殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果和分析

殘余應(yīng)力的測(cè)試部位主要包括管材內(nèi)外壁的表面及熔合區(qū)、熱影響區(qū)的軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力；具體采用的測(cè)試方法為機(jī)械切割應(yīng)力釋放法，管材特征為完成20%膨脹率的套管。從應(yīng)力狀態(tài)測(cè)試分析，膨脹后套管外壁在遠(yuǎn)離焊縫的基體部位表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，即軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力，套管內(nèi)壁應(yīng)力狀態(tài)與其相反為拉應(yīng)力狀態(tài)。

從殘余應(yīng)力狀態(tài)變化的角度分析，當(dāng)套管的膨脹率發(fā)生變化后，其殘余應(yīng)力也隨之發(fā)生變化，即當(dāng)套管的膨脹率達(dá)到10%時(shí)，外壁殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，軸向應(yīng)力變化幅度在200～300MPa之間，環(huán)向應(yīng)力的變化相對(duì)較少。當(dāng)膨脹率達(dá)到20%時(shí)，應(yīng)力值的變化幅度逐漸減小，部分地區(qū)沒有發(fā)生任何變化。通過這樣的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，10%的膨脹率與20%的膨脹率對(duì)本實(shí)驗(yàn)中選擇的管材是兩個(gè)不同的擴(kuò)徑節(jié)點(diǎn)。在兩種擴(kuò)徑狀態(tài)下，管材的殘余應(yīng)力發(fā)生了不同程度的變化趨勢(shì)和幅度。同時(shí)，隨著膨脹率的增加，管材強(qiáng)度與殘余應(yīng)力發(fā)生了相同規(guī)律的變化，說明石油膨脹套管的力學(xué)性能與膨脹后的殘余應(yīng)力之間是相關(guān)的，與材料在冷變形過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變必然存在內(nèi)在聯(lián)系。

3 結(jié)論

綜上所述，本文首先介紹石油膨脹套管技術(shù)的基本特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)X50型號(hào)的套管膨脹前后的力學(xué)性能和殘余應(yīng)力進(jìn)行探究。通過測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管材膨脹率的增大，有效提升了套管的屈服強(qiáng)度和材料強(qiáng)度，且其殘余應(yīng)力也發(fā)生了同樣的變化。

[1]王紹先，李春福，陳功劍，等.膨脹管非線性大變形過程中摩擦問題模擬研究[J].石油機(jī)械，2010，（3）：14-17，89.

[2]唐明，王璐璐，馬建忠，等.石油膨脹套管的力學(xué)性能及膨脹后的殘余應(yīng)力[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（7）：90-94，113.

[3]宋開紅.單一井徑大膨脹率膨脹套管用TWIP鋼的研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2011.

[4]朱海波.膨脹篩管基管材料性能研究及應(yīng)用[D].成都：西南石油大學(xué)，2012.

[5]許霞.膨脹管殘余應(yīng)力與抗外擠強(qiáng)度分析[D].北京：中國石油大學(xué)，2009.

Mechanical Properties and Residual Stress of Expansion

LI Jilin
(National Petroleum Machinery Product Quality Supervision and Inspection Center (Jiangsu), Jianhu 224700)

Under different conditions of heat treatment, the expansion sleeve of petroleum will show different expansion performance. In this paper, the material properties of the oil expansion casing are analyzed before and after the expansion process, and the residual stress is measured by using the stress release method to determine the expansion ratio of 20%. At the same time, this paper analyzes the mechanical properties of oil expansion casing and the residual stress at different expansion rate under the abnormal relationship.

petroleum expansion casing, mechanical property, residual stress