J55套管的膨胀性能研究_技术研究_E网燃气（燃规在线）

摘要

摘要：膨胀管技术是21世纪石油钻采行业的核心技术之一，掌握膨胀管在径向膨胀过程中发生永久塑性变形的力学性能变化是膨胀管选材的核心。为此，采用膨胀锥自上而下对J55套管(巧11

摘要：膨胀管技术是21世纪石油钻采行业的核心技术之一，掌握膨胀管在径向膨胀过程中发生永久塑性变形的力学性能变化是膨胀管选材的核心。为此，采用膨胀锥自上而下对J55套管(巧114.3 mm)进行了膨胀X-艺试验，测定并比较了9.3%的径向膨胀后与膨胀前的力学性能。研究结果揭示了J55套管的膨胀性能：套管的长度减小约4.4%，壁厚减小约6%，不均匀变形程度增加；由于加工硬化，套管的洛氏硬度和抗拉强度增加，而断后伸长率和断面收缩率出现不同程度下降，但均满足API SPEC 5CT标准。断口SEM形貌进一步表明膨胀前后均属于韧性断裂，膨胀后断口上的韧窝小而浅，且分布不均匀，断面较膨胀前的更为平整。该试验成果为膨胀管的材质研究加工质量控制与工程应用提供了数据支持。

关键词：实体膨胀管 J55套管膨胀锥膨胀性能试验研究套管长度套管壁厚

传统油气井钻井过程中，下入到井眼中的套管层次会随着井深而增加，所以在深井或超深井的钻井过程中可能出现因井眼直径的不断缩小而导致最终无法钻达目的层的情况^【1】。面对这种状况，膨胀管技术针应运而生，其原理是利用膨胀套管的金属冷塑性变形特性，对膨胀套管进行径向膨胀来扩大井眼尺寸，这种技术类似金属塑性冷加工中的管材拉拨原理^【2】。膨胀管在膨胀锥的挤压作用下进入塑性区域，发生塑性永久变形，从而使膨胀套管内、外径扩大。膨胀管技术广泛应用于钻井、完井、采油、修井作业中^【3-4】，解决了不少工程难题，被誉为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。

实体膨胀管的力学性能和材料本身及膨胀工艺等有密切联系，研究套管膨胀过程中力学和变形规律对于指导实体膨胀管的施工设计和套管选材有重要意义。本试验对API J55套管进行径向膨胀，分析膨胀前后J55套管在长度、壁厚、硬度、拉伸力学性能等方面的变化及原因，并研究了J55套管在膨胀后的不均匀变形。通过以上工作，旨在揭示API J55套管的膨胀特性，为其膨胀工艺的制定与工程应用提供数据支持与理论指导。

1试验材料和方法

1.1试验材料

试验中使用APl标准的J55套管(Φ=ll4.30mm，壁厚6.88 mm)，其化学成分(质量分数，%)为：0.35C，0.31Si，1.39Mn，0.017Ni，0.092M0，0.19Cr，0.004S，0.014P，对两段套管的实测原始参数如表1所示。

1.2膨胀试验方法

本试验选用模具钢Crl2MoV作为膨胀锥的材料，自主设计并加工膨胀锥用于J55套管的膨胀。试验采用自上而下的膨胀方式，通过YQ41单臂液压机完成J55套管的膨胀，如图l所示，液压机的底座固定，压头向下施加与膨胀套管轴向一致的载荷，膨胀锥在导向区段的引导下缓慢进入套管，套管在巨大的接触应力下开始膨胀。在膨胀试验前，对2号套管进行润滑处理，1号套管则没有，只清除管壁内的杂质。

2试验结果与分析

套管在膨胀后，径向增大幅度可以叫做膨胀的变形程度，也叫做膨胀率。本试验中，l号、2号J55套管的膨胀率分别为9.9,8%、9.37%。

2.1长度和壁厚的变化及原因

Rune Gusevik^【1】指出膨胀以后的管体长度会收缩3%～4%，壁厚将减少3%～6%，由于内径的增大，材料在长度和厚度方面的消耗用于增加管体的体积。试验中的两段J55套管的实测平均长度值分别为191.45 mm、191.89 mm，长度缩短的比例为4.33%和4.51%。

图2 定点测量壁厚原理图

采用定点测量的方法(如图2所示)，即在j55套管端面选择6个点，分别测量并记录膨胀前的壁厚值，待膨胀后依然只测量打标记的6个点的壁厚值。

J55套管的壁厚值及其变化如图3所示，其壁厚值减小幅度在6%左右。测量结果表明J55套管的原始壁厚并不完全相同，而是在一定的范围内波动，这就是原始的壁厚不均匀性现象，也叫做壁厚不均度。J55套管的壁厚减小量跟原始壁厚有必然联系，膨胀后依然存在厚边和薄边，且原来的厚边的壁厚减小量小，原来薄边的壁厚减小量相对来说要大一些，如1号套管的薄边为6.68 mm，膨胀后的壁厚为6.22 mm，减小的幅度为6.89%；厚边为6.90 mm，膨胀后的壁厚为6.88 mm，减小幅度只有5.22%。因为在承受同等接触应力的情况下，厚边的变形抗力要大于薄边，所以薄边的壁厚减小幅度大于厚边。可以推断，若膨胀率过大，J55套管的薄边会首先发生破裂。套管膨胀后产生壁厚不匀的原因有两个方面：①套管具有原始的壁厚不均度，导致膨胀后套管的薄边厚边在此基础上延承了壁厚不均匀性，且不均匀程度变得更大；②膨胀工艺对壁厚不均度的影响。膨胀过程中，膨胀力的方向不可能与套管的中心轴线始终保持在同一直线上，膨胀力的微小偏移也会造成壁厚不均度的增加。

图3 J55套管膨胀前后的壁厚及其变化规律图

膨胀后套管的壁厚不均度会影响管材的使用性能，所以对膨胀前后管材的壁厚不均度都应该严格控制。APl规定套管的壁厚不均度标准在12.5%以下，而管材冷加工的经验标准为8%^【5】，应该以冷加工经验作为膨胀管壁厚不均度的标准。

2.2不均匀变形分析

管材在膨胀过程中由于各种影响往往会出现不均匀变形，工程上一般采用截面形状变化指数Q来评价管材不均匀变形程度的大小，用下式表示：

式中Q表示膨胀前后截面形状变化程度的大小，反映管材外径和壁厚的变化比例（图标1-1）表示管材膨胀前、后的平均外径，mm；t₀、t₁表示管材膨胀前、后的平均壁厚，

分别表示膨胀前、后管截面形状的特征指数。在膨胀过程中，外径增大，壁厚减小，所以

说明外径的变化比例要小于壁厚的变化比例，即不均匀变形程度越小。据计算，1号、2号套管膨胀后的Q值分别为0.88、0.89，即l号套管的不均匀变形程度稍大于2号套管，也可以说明适当的润滑是有助于套管在膨胀过程中的均匀变形。

2.3洛氏硬度值的变化及原因

J55套管膨胀前后的洛氏硬度(HRC)值如表2所示，膨胀后套管的硬度增加是由于其在塑性变形的时候发生加工硬化，即在变形过程中产生晶格畸变，晶粒被拉长、细化，出现亚结构或产生不均匀变形等，使管材的强度、硬度增加，而塑性指标下降^【6】。膨胀后J55套管的硬度值波动范围较大，最大差值为9.3 HRC，这是由于膨胀导致J55套管变形不均匀和产生了残余应力，使其硬度也出现了不均匀性。

2.4拉伸力学性能及断口形貌研究

2.4.1 拉伸力学性能研究

按照国标GB/T 228 2002，从膨胀前后的J55套管中各自截取3个拉伸试样。根据金属材料室温拉伸标准GB/T 228--2002，试样的原始标距根据L₀=

计算，其中S。为平行长度的原始横截面积，标距均定为25 mm。断后伸长率A=(L_u一L。)／L。，其中L_u为断后的标距；断面收缩率Z=(S₀～S_u)／s_o其中S_u为断裂后试样的最小截面积。各试样的断后伸长率、断面收缩率及抗拉强度值如表3所示。膨胀使材料发生加工硬化，但降低了材料的韧性，所以J55套管膨胀后的抗拉强度增加，而断后伸长率和断面收缩率有不同程度的下降。膨胀后J55套管的平均抗拉强度达到615 MPa，远高于API SPEC 5CT标准中的517 MPa；断后伸长率在21%左右，但仍高于API SPEC 5CT标准中的最大值20%。

2.4.2拉伸断口形貌研究

由于套管经过膨胀这种冷变形处理后，力学性能会发生较大变化，研究拉伸断口形貌对其失效分析有重要意义。由图4所示，J55套管膨胀前后的断裂机理都属于韧性断裂，室温下的宏观断口已没有金属光泽，呈暗灰色，没有出现颗粒状形貌。J55套管的拉伸断El状态呈韧窝状，且韧窝分布均匀呈等轴状，个别韧窝中可以发现第二相颗粒的存在。由于微裂纹形成时伴有明显的塑性变形，所以会形成较大的韧窝。韧窝的形成机理为空洞聚集，第二相颗粒脱落形成的微孔或者基体本身存在微小空隙在拉伸滑移作用下逐渐长大并与邻近微孔合并形成韧窝，其大小和形状特征与应力状态、材料特性等有密切联系。如图4-c.d所示。由于膨胀过程使套管受到挤压作用，加之拉伸过程中残余应力的释放，膨胀后JS5套管钢断Ll上的韧窝小而浅，且分布不均匀，断面较膨胀前更平整，而且已经出现台阶雏形，其韧性已经大大降低。

图4 J55套管的拉伸断口形貌SEM图

3结论与建议

1)径向膨胀使J55套管发生加工硬化，J55套管经过9.3%的径向膨胀后，洛氏硬度和抗拉强度分别增加7%和6.3%，而断后伸长率和断面收缩率分别下降5.5%、3.6%，材料的韧性也有降低，但仍满足API SPEC 5CT标准。

2)J55套管膨胀前后均属于韧性断裂，膨胀后J55套管断口上的韧窝小而浅，且分布不均匀，断面较膨胀前更平整。

3)膨胀后J55套管的不均匀变形程度增加，建议对膨胀套管的壁厚不均度的确定采用管材冷加工的经验标准，强化加工膨胀套管质量控制，以保证套管膨胀后的使用性能。另外，还应选用加工精度高的膨胀锥配合适宜的膨胀工艺确保膨胀过程的顺利进行。

参考文献

[1]RUNE GUSEVIK，RANDY MERRITT.Reaching deepreservoir targets using solid expandable tubular[C].paper77612一MS presented at the SPE Annual Teehnical Confer—ence and Exhibition，29 September-2 0ctober 2002，SanAntoni0，Texas.New York：SPE，2002.

[2]王旱祥，王艳红，于桂杰，等.套管膨胀性能试验研究[刀.石油矿场机械，2007，36(5)：61—63.

[3]MERRITT R M，GUSEVIK R，BUCKLER W.et al.Wellremediation using expandable cased-hole liners[J].World Oil July 2002，223(7)：56—65.

[4]付胜利，肖静，秦永和，等.实体膨胀管力学行为试验研究l-J].钻采工艺，2007，30(1)：82—83.

[5]张建兵.油气井膨胀管技术机理研究[D].南充：西南石油学院，2003：96—97.

[6]袁志学，王淑平.塑性变形与轧制原理[M].北京：冶金工业出版社，2008，19—22.(修改回稿Fl期2012—03—13编辑凌忠)

本文作者：王霞¹ 张仁勇²李春福¹ 张波³

作者单位：1.西南石油大学 2.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司 3.中国石油长庆油田建设工程处