王浩龍,周好斌,路 浩,邢立偉,徐向前

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

鉆井套管用于地層的封隔以及井壁坍塌的防護(hù)，是鉆井管材的一次性消耗品，其消費(fèi)量占油井管總銷售量的七成以上。高抗擠套管是抗擠強(qiáng)度比API計(jì)算值高的套管。高抗擠套管因在相同的鋼級(jí)、尺寸下，不增加管道壁厚，便具有較高的抗拉強(qiáng)度，而得到廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)主要有：在同樣的服役外載條件下，與同規(guī)格套管比較，高抗擠套管的管壁厚度可減小，從而減輕管柱的總質(zhì)量，增加可下井深度，增大套管通徑?？刹捎媒档蜌堄鄳?yīng)力、提高整體尺寸精度的途徑來(lái)提高高抗擠套管的抗擠強(qiáng)度[1]。

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)制造、科研院所已研究了套管擠毀失效的機(jī)理，以及對(duì)抗擠性能影響的因素。研究表明[2-5]，影響套管抗擠性能的因素主要是屈服強(qiáng)度和殘余應(yīng)力、D/t比值、壁厚偏差、橢圓度等。殘余應(yīng)力是影響套管擠毀抗力的主要因素之一，高抗擠套管要求管體具有高的屈服強(qiáng)度、高的尺寸精度和較低的殘余應(yīng)力。

當(dāng)工程對(duì)套管鋼級(jí)和規(guī)格的需求確定以后，如何根據(jù)企業(yè)自身設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)條件，制訂出合理的生產(chǎn)工藝是開(kāi)發(fā)高抗擠套管的重點(diǎn)工作，重點(diǎn)在于如何通過(guò)減低殘余應(yīng)力、提高材料屈服比等有效措施提高套管的抗擠性能。本文針對(duì)無(wú)縫管T1、有縫管T2、有縫管T3等三種不同成型工藝套管，采用盲孔法檢測(cè)殘余應(yīng)力，對(duì)比殘余應(yīng)力分布特征、差異，為工藝設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 油套管類型

1.1 無(wú)縫油套管

無(wú)縫油套管和電阻焊接管是油套管中兩種主要套管。其中，無(wú)縫油套管的生產(chǎn)方式有熱軋(擠壓)和冷拔(扎)兩種方式。無(wú)縫油套管的主要坯料是無(wú)縫管坯，一種中空的圓形鋼條，主要特點(diǎn)是沒(méi)有焊縫。

1.2 有縫油套管

有縫油套管多采用電阻焊接管，工藝流程主要有“HFW、熱張力減徑、整管熱處理、熱矯直”。有縫油套采用熱軋鋼卷，經(jīng)過(guò)開(kāi)卷、滾壓、焊接等工藝過(guò)程制成。成型過(guò)程中板材邊緣熔融，經(jīng)過(guò)滾壓將其連接在一起，形成管體，則焊縫的機(jī)械強(qiáng)度比母材好。比如，直縫電阻焊鋼管的管體橫截面上內(nèi)外圓的同心度較高，焊縫經(jīng)過(guò)滾壓和熱處理后，組織均勻，抗擠潰能力較好。與無(wú)縫套管相比，直縫電阻焊套管憑借著成本低、生產(chǎn)效率高、抗擠毀能力強(qiáng)、沖擊韌性好等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

2 油套管殘余應(yīng)力

在套管的成型生產(chǎn)中，因?yàn)槌尚瓦^(guò)程的塑性變形，包括軋制、定(減)徑以及校直等，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。套管成型過(guò)程會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可以采取一定工藝措施改變殘余應(yīng)力的分布或者控制殘余應(yīng)力的值。比如，套管的擠毀抗力在內(nèi)表面的環(huán)向拉應(yīng)力約為管體材料屈服強(qiáng)度的5%～10%時(shí)會(huì)有所提高；采用有限元方法計(jì)算線彈性材料套管的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)套管不圓時(shí)，最大臨界擠毀壓力與管體屈服強(qiáng)度之比為0.07；同時(shí)，殘余拉應(yīng)力值較大時(shí)，降低了套管的擠毀抗力[6-11]。在生產(chǎn)中，采取棱角之工藝，對(duì)套管的擠毀抗力的提高有明顯作用，而適當(dāng)?shù)臒岢C直溫度，可有效減小殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

國(guó)產(chǎn)套管在殘余應(yīng)力控制方面，對(duì)不同工序中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生規(guī)律以及油套管服役工況和力學(xué)行為與殘余應(yīng)力關(guān)系研究不足。

3 油套管應(yīng)力檢測(cè)

3.1 油套管

檢測(cè)對(duì)象為三種不同成型工藝的碳鋼油套管，管外徑 270 mm，3個(gè)油套管分別編號(hào)為：T1、T2、T3。其中，T1是無(wú)焊縫，由熱軋工藝制成，T2、T3為兩種不同工藝的焊接有縫管，T2由HFW工藝制成，T3由SEW工藝制成。

3.2 盲孔法檢測(cè)設(shè)備

盲孔法作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法被廣泛使用。其測(cè)量的原理是在被測(cè)構(gòu)件上鉆小孔，測(cè)量小孔周圍的應(yīng)變變化量，計(jì)算出殘余應(yīng)力。

對(duì)高抗擠壓油氣井套管進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量時(shí)，使用的盲孔法檢測(cè)設(shè)備是江蘇東華公司生產(chǎn)的DH3820型高速靜態(tài)應(yīng)變儀。殘余應(yīng)力檢測(cè)和變形計(jì)測(cè)量采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM-E837-2008，鉆孔應(yīng)變的釋放方法采用GB/T 3395-2013進(jìn)行。DH3820應(yīng)變儀帶有光學(xué)對(duì)中結(jié)構(gòu)，便于鉆孔和設(shè)定鉆孔深度。檢測(cè)設(shè)備如圖1所示。

(a)高速應(yīng)變儀 (b)光學(xué)對(duì)中裝置

3.3 油套管檢測(cè)位置

每個(gè)油套管測(cè)量線的標(biāo)記為C1測(cè)量線、C2測(cè)量線、C3測(cè)量線。每個(gè)管道測(cè)試3個(gè)環(huán)形圓周截面，每次檢測(cè)位置位于同一橫截面，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)距離的間隔足以消除被測(cè)試點(diǎn)的互相影響。測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 檢測(cè)位置說(shuō)明

4 應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4.1 套管T1檢測(cè)結(jié)果及分析

編號(hào)為T1的油套管殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 T1套管檢測(cè)結(jié)果(無(wú)焊縫)

油套管T1的殘余應(yīng)力分布主要有以下特點(diǎn)：

1)T1管的殘余應(yīng)力為較為平緩的U型分布，在軸向、切向上具有相同規(guī)律，軸向應(yīng)力大于切向應(yīng)力，軸向應(yīng)力均值約 300 MPa，切向應(yīng)力均值約 140 MPa，存在近似2倍關(guān)系。

2)C1測(cè)量線存在270°、45°應(yīng)力降低現(xiàn)象；C2測(cè)量線存在45°、225°應(yīng)力降低現(xiàn)象；C3測(cè)量線存在225°、90°應(yīng)力降低現(xiàn)象。

4.2 套管T2檢測(cè)結(jié)果及分析

編號(hào)為T2的油套管殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 T2套管檢測(cè)結(jié)果(焊縫在0°附近)

從檢測(cè)結(jié)果看，油套管T2的殘余應(yīng)力分布主要有以下特點(diǎn)：

1)T2管體軸向應(yīng)力高低交錯(cuò)分布，存在約120°左右范圍的波動(dòng)周期，全圓周有三個(gè)周期波動(dòng)，軸向應(yīng)力均值約 220 MPa，切向應(yīng)力均值約 150 MPa。

2)T2管體切向應(yīng)力近似有高、低兩個(gè)區(qū)域，低應(yīng)力區(qū)域約三分之一圓周。

3)在焊縫附近發(fā)生應(yīng)力的階躍變化，切向應(yīng)力表現(xiàn)尤為明顯。

4.3 套管T3檢測(cè)結(jié)果及分析

編號(hào)為T3的油套管殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 T3套管檢測(cè)結(jié)果(焊縫160°附近)

從檢測(cè)結(jié)果分析，油套管T3的殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)如下：

1)T3管體軸向應(yīng)力有類似兩個(gè)明顯的高應(yīng)力區(qū)域、低應(yīng)力區(qū)域，低應(yīng)力區(qū)域在0°～150°之間，高應(yīng)力區(qū)域在150°～315°之間。高應(yīng)力區(qū)域、低應(yīng)力區(qū)域與切向分布相反。

2)T3管體切向應(yīng)力分為兩個(gè)明顯的高應(yīng)力區(qū)域、低應(yīng)力區(qū)域，高應(yīng)力區(qū)域在0°～150°之間，低應(yīng)力區(qū)域在150°～315°之間；上述階躍變化在焊縫附近發(fā)生。

3)T3管體軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力在150°有突變現(xiàn)象，管體軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力在210°左右存在低值現(xiàn)象。

4)切向應(yīng)力均值約 150 MPa，軸向應(yīng)力均值約 250 MPa。

5 結(jié)論

1)三種不同工藝成型的油套管殘余應(yīng)力的軸向應(yīng)力大于切向應(yīng)力，無(wú)縫管的殘余應(yīng)力水平高于焊縫管的殘余應(yīng)力水平。T1油套管的軸向、切向殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)表現(xiàn)最相同。

2)三種不同工藝成型的油套管的殘余應(yīng)力分布特征明顯不同，無(wú)縫管T1殘余應(yīng)力為較為平緩的U型分布；有縫管T2軸應(yīng)力分布呈交替循環(huán)分布；有縫管T3軸、切應(yīng)力分布呈交錯(cuò)臺(tái)階式分布。

3)T2管體軸向應(yīng)力高低交錯(cuò)分布，存在約120°左右范圍的波動(dòng)周期，全圓周有三個(gè)周期波動(dòng)。T2管體切向應(yīng)力近似有高、低兩個(gè)區(qū)域，低應(yīng)力區(qū)域約三分之一圓周。

4)T3管體軸向應(yīng)力有類似兩個(gè)明顯的高應(yīng)力區(qū)域、低應(yīng)力區(qū)域，低應(yīng)力區(qū)域在0°～150°之間，高應(yīng)力區(qū)域在150°～315°之間。