李吉林

（國家石油機械產品質量監(jiān)督檢驗中心（江蘇），建湖 224700）

石油膨脹套管的力學性能及膨脹后的殘余應力

李吉林

（國家石油機械產品質量監(jiān)督檢驗中心（江蘇），建湖 224700）

不同的熱處理工藝處理條件下，石油膨脹套管會表現(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，并通過使用應力釋放法對擴徑膨脹率為20%的管材進行殘余應力的測量，從而得到一定的結論。同時，本文分析石油膨脹套管的力學性能和殘余應力在不同膨脹率下呈現(xiàn)的異常關系。

石油膨脹套管 力學性能 殘余應力

引言

石油膨脹套管與石油工業(yè)的發(fā)展息息相關，其以一種新技術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)化井身結構以及提高建設效率等良好效果。為此，本文對石油膨脹套管的力學性能以及膨脹后的殘余應力進行分析，對發(fā)展石油工藝、完善膨脹管技術具有重要的實際價值。

1 石油膨脹套管概述

膨脹套管不僅以新型技術的形式作用于石油工業(yè)的發(fā)展過程，同時也是一種概念，即利用膨脹可以開發(fā)出各種新型工藝和工具，并廣泛應用于鉆井、完井和修井等工程領域內容，由此促進并帶動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，膨脹管技術可以分為兩類，分別是實體膨脹管技術和割裂膨脹管技術。其中，割裂膨脹管以一種新的完井手段作用于油井工程，達到提高油井產量的應用效果。目前，膨脹管技術在我國的應用水平已經形成了一定的發(fā)展水平，但是對技術的研究仍然處于初級階段。對于膨脹管的使用而言，殘余應力的研究十分必要，因為殘余應力的存在會對膨脹套管的使用性能和正常服役造成巨大影響。因此，本文通過實驗方式對膨脹套管的性能和殘余應力進行研究[2]。

2 實驗探究過程分析

2.1 實驗方法

本實驗中的研究對象為X52型號的管材。在未發(fā)生膨脹前，壁厚為888mm，內徑尺寸為223.1mm，外徑尺寸為220.7mm；當發(fā)生10%的膨脹后，壁厚為840mm，內徑為223.1mm，外徑為240.5mm；當發(fā)生20%的膨脹后，壁厚為773mm，內徑為245.2mm，外徑為262.5mm[3]。

在分析膨脹管的性能時，可以通過一定的熱處理工藝與其進行對比，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。對此，實驗中選擇的具體熱處理工藝內容如下：（1）以900℃條件下的淬火與650℃條件下的回火為基礎的調質處理；（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℃條件下進行加熱，然后爐冷至600℃，再進行空冷[4]。

在實施膨脹管力學性能的測量過程中，主要依靠的測量工具為電子拉伸試驗機，采用的測量方法為機械切割應力釋放法。殘余應力的測試方法為電測方式，選用的儀器為SDY220S型號的程控靜態(tài)電阻應變儀。

2.2 實驗結果與分析

2.2 .1 管材力學性能的測試結果和分析

經過測試得到管材擴徑膨脹前后的力學性能。在膨脹處理前，管材屈服強度為456MPa，延伸率為30.2%，材料強度為540MPa。在發(fā)生10%的膨脹后，其對應的上述指標分別為574MPa、20.6%和647MPa。在發(fā)生20%的膨脹后，其值分別為574MPa、15.7%和652MPa。當管材發(fā)生擴徑膨脹后，管材的屈服強度、伸展性以及材料強度都發(fā)生了變化，即隨著膨脹率的增大，屈服強度和材料強度也隨著增大，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性能測試后，要進行各種工藝熱處理后的力學性能測量。如表1所示，其為不同的熱處理工藝條件下測量到的管材力學性能。從數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當對管材進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度和材料強度出現(xiàn)了不同程度的下降。

表1 不同熱處理工藝下的管材力學性能

考慮到經濟性和實用性，在進行管材的處理時首先可以通過膨脹技術增加管材的屈服強度和材料強度，即可以通過擴徑20%的膨脹技術。此外，鑒于塑性對于管材使用性的特殊需求，需要結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。在這種技術的共同作用下，可以保證石油膨脹管的力學性能達到較為理想的使用狀態(tài)。

2.2 .2 殘余應力的測試結果和分析

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

從殘余應力狀態(tài)變化的角度分析，當套管的膨脹率發(fā)生變化后，其殘余應力也隨之發(fā)生變化，即當套管的膨脹率達到10%時，外壁殘余應力由拉應力轉為壓應力，軸向應力變化幅度在200～300MPa之間，環(huán)向應力的變化相對較少。當膨脹率達到20%時，應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。通過這樣的測試結果可以發(fā)現(xiàn)，10%的膨脹率與20%的膨脹率對本實驗中選擇的管材是兩個不同的擴徑節(jié)點。在兩種擴徑狀態(tài)下，管材的殘余應力發(fā)生了不同程度的變化趨勢和幅度。同時，隨著膨脹率的增加，管材強度與殘余應力發(fā)生了相同規(guī)律的變化，說明石油膨脹套管的力學性能與膨脹后的殘余應力之間是相關的，與材料在冷變形過程中微觀結構的演變必然存在內在聯(lián)系。

3 結論

綜上所述，本文首先介紹石油膨脹套管技術的基本特點，通過實驗的方式對X50型號的套管膨脹前后的力學性能和殘余應力進行探究。通過測試結果發(fā)現(xiàn)，管材膨脹率的增大，有效提升了套管的屈服強度和材料強度，且其殘余應力也發(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性能及膨脹后的殘余應力[J].西安交通大學學報，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，2011.

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

[5]許霞.膨脹管殘余應力與抗外擠強度分析[D].北京：中國石油大學，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