胡彥峰，涂玉林，肖京男，劉曉丹

提高膨脹波紋管擠毀強(qiáng)度的方法探討

胡彥峰，涂玉林，肖京男，劉曉丹

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

目前，通過(guò)降低膨脹波紋管Bauschinger效應(yīng)和膨脹后殘余應(yīng)力等方法對(duì)提高波紋管外擠強(qiáng)度的作用有限。為了提高膨脹波紋管的力學(xué)性能，借鑒雙層組合套管的設(shè)計(jì)方法，提出了雙層組合波紋管設(shè)計(jì)的新方法。通過(guò)對(duì)雙層膨脹波紋管的力學(xué)性能分析和管材優(yōu)選研究，將?215．9 mm雙層波紋管的抗外擠強(qiáng)度提高至23．8 MPa，擴(kuò)大了膨脹波紋管的技術(shù)應(yīng)用范圍。

波紋管；雙層組合；擠毀強(qiáng)度

膨脹波紋管技術(shù)是一項(xiàng)新型的石油鉆井技術(shù)，用于簡(jiǎn)化深井井身結(jié)構(gòu)，封堵井段中的漏失層、坍塌層等復(fù)雜地層，修補(bǔ)已損套管等。波紋管是對(duì)圓形管材進(jìn)行冷壓處理，使圓管徑向發(fā)生塑性變形，截面形狀呈波紋狀，以達(dá)到減小外徑的目的，使其可以通過(guò)上層套管順利到達(dá)所封隔地層位置，借助液壓和機(jī)械作用使其恢復(fù)成圓管，用來(lái)封隔復(fù)雜地層的一項(xiàng)鉆井技術(shù)［1］。該技術(shù)主要利用金屬波紋管膨脹后較好的抗內(nèi)壓和外擠性能，來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程中對(duì)漏失、坍塌等復(fù)雜地層的封堵。

筆者參與研發(fā)的膨脹波紋管主要有4種尺寸系列，適用于?311．15、?241．3、?215．9、?149．2 mm井眼。?215．9mm井眼應(yīng)用膨脹波紋管3口井、?241．3 mm井眼應(yīng)用波紋管2口井、?149．2 mm井眼應(yīng)用膨脹波紋管1口井。在鉆井過(guò)程中的復(fù)雜情況普遍發(fā)生在深部地層，井眼尺寸多為?215．9 mm井眼或?149．2 mm，井深越深，地層壓力和鉆井液液柱壓力也越大，采用膨脹波紋管封隔復(fù)雜地層時(shí)，對(duì)波紋管抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗外擠強(qiáng)度要求也越高，提高波紋管的力學(xué)性能，能進(jìn)一步擴(kuò)大膨脹波紋管技術(shù)的應(yīng)用范圍，將其應(yīng)用井深和封堵復(fù)雜地層的能力進(jìn)一步提高。例如，采用波紋管來(lái)封堵異常高壓層和塔河油田鹽下長(zhǎng)裸眼段砂泥巖復(fù)雜地層。

1　膨脹波紋管用材料性能要求

膨脹波紋管成型和膨脹過(guò)程要求所用材料必須具有以下性能要求：

1） 高度均勻的塑性變形能力，延伸率δ＞25%。

2） 加工硬化效果顯著，屈強(qiáng)比低，形變硬化指數(shù)高。

3） 拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái)或屈服不明顯。

波紋管材料應(yīng)具有的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1　波紋管材料應(yīng)具有的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

此外，膨脹波紋管材料還要求具有良好的可焊性和低的裂紋敏感系數(shù)。由于膨脹波紋現(xiàn)場(chǎng)焊接條件所限，很難進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，因此要求管材具有良好的可焊性、低的淬透性，防止焊接后焊縫出現(xiàn)馬氏體和焊接裂紋。目前波紋管材多選用20g無(wú)縫鋼管或具有一定屈服強(qiáng)度的管線鋼。

2　現(xiàn)有提高膨脹波紋管性能的方法

1） 提高膨脹波紋管屈服強(qiáng)度和加工硬化指數(shù)。波紋管材料的屈服強(qiáng)度和加工硬化指數(shù)是影響膨脹波紋管抗外擠強(qiáng)度的重要因素，因此，在保證波紋管具有良好的焊接性能前提下，可盡量選擇高屈服強(qiáng)度、高加工硬化率鋼管作為膨脹波紋管原材料。但是，隨著材料屈服強(qiáng)度提高，加工硬化指數(shù)呈下降趨勢(shì)，這就要求協(xié)調(diào)處理兩者的關(guān)系，選擇適合的波紋管材料。

2） 降低膨脹波紋管Bauschinger效應(yīng)。Bauschinger效應(yīng)的強(qiáng)弱與鋼種、熱處理制度、組織結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化機(jī)制及晶粒度等材料本身因素有關(guān)，如單晶材料基本無(wú)Bauschinger效應(yīng)。鋼的晶粒越細(xì)，一般Bauschinger效應(yīng)越明顯，無(wú)明顯屈服平臺(tái)的金屬Bauschinger效應(yīng)較弱。

3） 降低波紋管膨脹后殘余應(yīng)力。波紋管因?yàn)榧庸ず团蛎涍^(guò)程的影響，導(dǎo)致存在一定的殘余應(yīng)力，這對(duì)于波紋管的抗擠強(qiáng)度會(huì)造成不利影響。因此，應(yīng)采取主動(dòng)措施將殘余應(yīng)力降至最低?？山梃b采用超聲沖擊降低實(shí)體膨脹管膨脹之后降低殘余應(yīng)力的方法，來(lái)提高波紋管的抗外擠強(qiáng)度。

3　現(xiàn)有方法存在的問(wèn)題

3．1 管材優(yōu)選

目前所選用的波紋管基管材料均為符合API標(biāo)準(zhǔn)的管線鋼，偶爾也采用無(wú)縫鋼管，但其主要問(wèn)題是，不同級(jí)別的管線鋼隨著鋼級(jí)的增加，管材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也隨之增加，但屈強(qiáng)比逐漸增大，如表1所示。屈強(qiáng)比是反應(yīng)鋼管延性和強(qiáng)度儲(chǔ)備能力的指標(biāo)，屈強(qiáng)比低，說(shuō)明鋼材的延性好，在材料進(jìn)入塑性階段后的均勻變形能力強(qiáng)。屈強(qiáng)比越大，管材的延伸率越小，在內(nèi)壓作用下波紋管還未完全恢復(fù)成圓管，管體應(yīng)力即可到達(dá)管體的抗拉極限而發(fā)生破壞，這不符合要求的波紋管應(yīng)該具備的性能。但膨脹后波紋管的抗外擠性能和抗內(nèi)壓性能隨著管材屈服強(qiáng)度的減小而減小，屈服強(qiáng)度較低的波紋管也不符合選材原則。故在現(xiàn)有階段，波紋管材料選擇受限，從管材角度入手提高波紋管性能的難度較大。

表1　API 5L型管線管屈強(qiáng)比值

3.2 Bauschinger效應(yīng)

Bauschinger效應(yīng)大小與金屬材料塑性變形量密切相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，Bauschinger效應(yīng)隨塑性變形量增加而增大。但由于波紋管正是利用其金屬管材的塑性變形來(lái)達(dá)到成型和膨脹的目的，因此波紋管變形過(guò)程中必然要發(fā)生塑性應(yīng)變，而塑性應(yīng)變的大小與波紋管成型后的形狀尺寸有很大的關(guān)聯(lián)，在井眼尺寸或套管尺寸一定的情況下，波紋管要通過(guò)井眼或上層套管所需要的最大外徑值也隨之確定，塑性變形量的減小存在上限，因此這種方法能在一定程度上改善波紋管膨脹后的力學(xué)性能，但是提高幅度有限。

也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)合金中加入Ti和Mo對(duì)Bauschinger效應(yīng)有很重要的影響。合金中Ti的加入，產(chǎn)生較大的Bauschinger效應(yīng)。加入Mo，利于珠光體的形成，使得針狀鐵素體有較高的位錯(cuò)密度，在應(yīng)力逐漸增大使得位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)無(wú)屈服點(diǎn)產(chǎn)生，產(chǎn)生較小的Bauschinger效應(yīng)。但目前尚待進(jìn)一步研究。

3．3 波紋管殘余應(yīng)力

波紋管因?yàn)榧庸ず团蛎涍^(guò)程的影響，導(dǎo)致存在一定的殘余應(yīng)力，這對(duì)于波紋管的抗擠強(qiáng)度會(huì)造成不利影響，對(duì)于實(shí)體膨脹管，膨脹后采用超聲沖擊的方法來(lái)減小膨脹后的殘余應(yīng)力。膨脹芯下面連接超聲波裝置，隨膨脹工藝自下而上移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)，采用20 k Hz以上的高頻大功率超聲波，使膨脹管表層發(fā)生較大的壓縮塑性變形，能夠有效降低殘余應(yīng)力，提高膨脹管的綜合性能。

對(duì)于波紋管，也可以采取類似的方法降低波紋管在井下膨脹后的殘余應(yīng)力，但波紋管成型和膨脹過(guò)程中由于截面各處變形量不同，殘余應(yīng)力分布不均，而超聲波或振動(dòng)的方法都是采用通過(guò)外部激勵(lì)對(duì)管體施加一交變應(yīng)力。如果交變應(yīng)力幅與管體上某些點(diǎn)所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，這些點(diǎn)將產(chǎn)生塑形變形以釋放而降低了殘余應(yīng)力，釋放應(yīng)力的同時(shí)，成型和膨脹后的波紋管截面形狀也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變形量的改變，這不利于波紋管成型過(guò)程的截面形狀控制。

綜上可以看出，由于金屬材料的特性，從其材料本身出發(fā)單一考慮提高波紋管性能的方法，其提高幅度有限，如果跳出材料本身，選用復(fù)合結(jié)構(gòu)的波紋管設(shè)計(jì)，采用類似多層組合套管來(lái)提高套管抗外擠強(qiáng)度的思路出發(fā)，設(shè)計(jì)采用多層組合波紋管設(shè)計(jì)，從而解決單層波紋管力學(xué)性能提高受限的困擾。

4　雙層組合波紋管方案探析

4．1 組合設(shè)計(jì)

雙層波紋管由波紋管和水泥相間組成，如圖2所示，膨脹之后的外層波紋管直接受到地層壓力p的作用，然后通過(guò)水泥環(huán)將壓力傳遞給內(nèi)層波紋管上，壓力傳遞過(guò)程中存在壓力衰減。因此，可認(rèn)為作用在內(nèi)層波紋管的壓力小于作用在外層套管上的壓力。

德國(guó)克勞賽爾（Clansthal）技術(shù)大學(xué)石油工程研究所（ITE）在模擬井溫和壓力情況下，用139．7 mm（5英寸）和177．8 mm（7英寸）套管組合進(jìn)行了多次試驗(yàn)［2］。

1） 雙層套管的擠毀強(qiáng)度至少等于各層套管擠毀強(qiáng)度之和。

2） 內(nèi)外層套管偏心對(duì)組合套管擠毀強(qiáng)度無(wú)影響。

3） 變形的外層套管對(duì)組合套管的擠毀強(qiáng)度影響不大。雙層組合套管曾被AMOCO公司在蘇伊士灣成功用來(lái)防止深部鹽層發(fā)生徑向流動(dòng)時(shí)對(duì)套管的損壞［3］。

圖2　雙層組合波紋管示意

4．2 力學(xué)性能分析

參照雙層組合套管理論分析雙層組合波紋管力學(xué)特性，注水泥后水泥與內(nèi)外層波紋管膠結(jié)，根據(jù)連續(xù)特性，認(rèn)為在內(nèi)外壓力作用下的多層組合波紋管交界處層間壓力相等，徑向變形也相等。圖2為一承受靜水壓的雙層組合波紋管，r1、r2、r3和r4分別表示內(nèi)外層波紋管的內(nèi)外半徑，Ec、μc和Es、μs分別表示水泥和鋼材的彈性模量和泊松比，p0是外擠壓力，p2和p3分別表示水泥環(huán)與內(nèi)外層波紋管界面上的壓力。

平面應(yīng)變狀態(tài)下，彈性范圍內(nèi)，厚壁圓筒的徑向變形和內(nèi)外壓關(guān)系為［4］：

式中：δ為徑向變形，mm；RB、RH為圓筒內(nèi)、外半徑，mm；pB、pH為圓筒所承受內(nèi)、外壓力，MPa；R為計(jì)算點(diǎn)的半徑，mm；E為材料彈性模量，MPa；μ為泊松比；tHB為圓筒內(nèi)外壓力比值pB／pH。

在平面應(yīng)變狀態(tài)下，由廣義虎克定律可以推導(dǎo)出厚壁筒體處任一點(diǎn)處的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt。

邊界條件為：

可得到厚壁筒體處任一點(diǎn)處的σr和σt的解析解。

故對(duì)于雙層組合波紋管，只要計(jì)算出水泥環(huán)界面上的壓力p2和p3，就可根據(jù)厚壁筒的Lame公式計(jì)算出組合波紋管的徑向和切向應(yīng)力，應(yīng)用最大剪應(yīng)力條件即可求得雙層組合波紋管的擠毀強(qiáng)度?？筛鶕?jù)各界面上徑向變形相等的連續(xù)條件，計(jì)算水泥環(huán)界面上的壓力p2和p3。

式中：

根據(jù)Lame公式，厚壁管任一點(diǎn)的切向應(yīng)力為：

而對(duì)雙層組合波紋管而言，pi＝0，p0＝p2，r＝rH，可由上式得到內(nèi)層波紋管切向最大應(yīng)力為：

故

而內(nèi)層波紋管最大切向應(yīng)力為材料的屈服強(qiáng)度，上式可變?yōu)椋?/p>

若膨脹后內(nèi)層波紋管內(nèi)徑達(dá)到219 mm，內(nèi)層壁厚5 mm，水泥環(huán)厚8 mm，外層波紋管厚3 mm，波紋管彈性模量為2．1 GPa，泊松比0．3，屈服強(qiáng)度σy＝335 MPa，水泥環(huán)彈性模量0．108 GPa，泊松比0．1。則可求得波紋管膨脹之后的抗外擠強(qiáng)度為：

對(duì)比目前?215．9 mm井眼用膨脹波紋管抗外擠強(qiáng)度為10 MPa，可知采用雙層組合波紋管可大幅提高其抗外擠性能。

5　結(jié)論

1） 從管材本身出發(fā)來(lái)尋求提高膨脹波紋管力學(xué)性能的方法，在目前研究階段提高幅度有限。

2） 雙層組合波紋管能有效提高波紋管抗外擠強(qiáng)度，可進(jìn)一步擴(kuò)大波紋管的應(yīng)用范圍和應(yīng)用井深，例如封堵高壓層、深部坍塌和漏失地層等。

3） 雙層組合波紋管方案由于存在水泥環(huán)和外層波紋管，要進(jìn)一步增加復(fù)雜井段擴(kuò)眼的井徑尺寸，需重新優(yōu)選擴(kuò)眼工具和制定相應(yīng)的擴(kuò)眼工藝。

4） 雙層組合波紋管管串結(jié)構(gòu)和該技術(shù)施工工藝需進(jìn)一步設(shè)計(jì)和完善。

［1］ 吳明畏，張偉，劉進(jìn)余，等．可膨脹波紋管堵漏技術(shù)應(yīng)用［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（11）：72-75．

［2］ Pattillo P D，Rankin T E．How AMOCO Solved Casing design Problems in the Gulf of Suez［J］，Petroleum Engineer international，1981，15（13）：37-45．

［3］ BurkowskyM，Helmut O，Schillinger H．Cenmented pipe-in-pipe Casing strings Solve field problems［J］，World Oil，1981，13（10）：70-73．

［4］ 郝俊芳，龔偉安．套管柱的強(qiáng)度計(jì)算與設(shè)計(jì)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1987：76-80．

Approach to Improve the Collapsing Strength of the Expandable Bellow

HU Yanfeng，TU Yulin，XIAO Jingnan，LIU Xiaodan
（SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China）

Previous technologies relied on reducing the Bauschinger effect and residual stress to improve the collapse strength of Expandable Bellows，but the method was extremely limited．To improve the mechanical properties of Expandable Bellows，double layer composite design is proposed，borrowing best practices of the dual combined casing．By analyzing and testing its mechanics and physics ability，the collapse strength of the dual combined Expandable Bellows?215．9 mm increases to 23．8 MPa，consequently enlarges the range of application．

expandable bellows；dual combined；collapse strength

TE931．201

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．003

1001-3482（2015）02-0010-06

2014-08-18

胡彥峰（1983-），男，甘肅天水人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆井工藝、鉆井工具研究，E-mail：huyf．sripe＠sinopec．com。