焦 煒， 汪 強(qiáng)， 田小江， 苑清英， 李小龍， 高財(cái)?shù)?/p>

（1．國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206)

P110鋼級(jí)Ф139.7 mm×10.54 mm高抗擠套管抗擠毀性能分析及擠毀強(qiáng)度預(yù)測(cè)

焦 煒1,2， 汪 強(qiáng)1,2， 田小江1,2， 苑清英1,2， 李小龍1,2， 高財(cái)?shù)?

（1．國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206)

為了研究P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管擠毀位置幾何參數(shù)對(duì)擠毀強(qiáng)度的影響，對(duì)套管抗擠毀強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，抽取不同批次試樣9根，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、殘余應(yīng)力檢測(cè)和幾何參數(shù)測(cè)量，并結(jié)合套管全尺寸擠毀試驗(yàn)結(jié)果，分析了影響該規(guī)格套管抗外壓擠毀性能的主要因素及套管擠毀失效位置與幾何缺陷的關(guān)系。此外，還對(duì)擠毀壓力的理論/實(shí)際偏差與管體壁厚、壁厚不均度、管徑、橢圓度及殘余應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行了分析，擬合得出P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管擠毀強(qiáng)度更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)公式。結(jié)果表明，在屈服強(qiáng)度相近、壁厚不均度在1.35%～9.21%、橢圓度小于0.56%的前提下，P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚對(duì)抗擠毀強(qiáng)度的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管體外徑、壁厚不均度和橢圓度的影響。

P110；套管；擠毀；幾何參數(shù)；殘余應(yīng)力

Abstract:In order to study the influence of P110 steel grade Φ139.7 mm ×10.54 mm casing collapse position geometric parameters on collapse strength,and conduct accurate prediction for anti-collapse strength,the specimen were sampled from nine different batches,and the tensile tests,residual stress detection and geometric parameters measurement were carried out separately.Combined with casing full-size anti-collapse test results,it analyzed the main factors of affecting the anti-collapse performance of this specification,as well as the relationship of casing collapse position and geometric imperfections.Besides it analyzed the relation between theory/actual deviation of collapse pressure and pipe wall thickness,wall thickness nonuniformity,diameter,ovality and reasidual stress,the more accurate forecasting formulas of P110 steel grade Φ139.7 mm×10.54 mm casing collapsing strength was obtained by fitting.The results indicated that under the premise of similiar yield strength,thickness nonuniformity was 1.35%~9.21%,and the ovality less than 0.56%,the influence degree of P110 steel grade Φ139.7 mm×10.54 mm casing wall thickness on anti-collapse strength was far greater than that of pipe outer diameter,wall thickness nonuniformity and ovality.

Key words:P110;casing;collapse;geometrical parameter;residual stress

P110高抗擠套管廣泛運(yùn)用于油田深井、超深井和復(fù)雜地層等井況。因其服役環(huán)境復(fù)雜多樣，需要具備優(yōu)異的綜合性能[1]?？箶D毀性能作為P110高抗擠套管最關(guān)鍵的性能參數(shù)，直接決定著套管的適用深度、油氣井安全程度和開(kāi)發(fā)成本[2]。

影響套管抗擠毀性能的主要因素包括套管規(guī)格、幾何參數(shù)及缺陷（壁厚、管徑、壁厚不均度和橢圓度）、材料屈服強(qiáng)度及管體殘余應(yīng)力[3]。目前，已經(jīng)對(duì)API標(biāo)準(zhǔn)涉及的套管抗擠強(qiáng)度做出了大量的理論及試驗(yàn)研究，并得出了一系列的計(jì)算公式[4]。但此前試驗(yàn)過(guò)程中僅僅考慮擠毀試樣整體幾何參數(shù)的平均值，而未將擠毀位置處幾何參數(shù)與擠毀強(qiáng)度一一對(duì)應(yīng)分析研究[5-6]。另外，對(duì)于確定鋼級(jí)和規(guī)格的套管，理論計(jì)算抗擠強(qiáng)度與實(shí)際擠毀強(qiáng)度存在一定的偏差，且難以確定幾何缺陷對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響程度[7]。

本研究對(duì)P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管進(jìn)行了材料的拉伸性能分析、殘余應(yīng)力檢測(cè)和幾何參數(shù)測(cè)量，并結(jié)合套管全尺寸外壓及失效試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱擠毀試驗(yàn)）結(jié)果，討論了影響該規(guī)格套管抗擠毀性能的主要因素和套管擠毀失效位置與幾何參數(shù)的關(guān)系。此外，進(jìn)一步對(duì)擠毀強(qiáng)度的理論/實(shí)際偏差與管體壁厚、壁厚不均度、管徑、橢圓度及殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，擬合推導(dǎo)出該規(guī)格套管擠毀強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，以期更好預(yù)測(cè)其抗擠毀強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)材料及方法

幾何缺陷、屈服強(qiáng)度和殘余應(yīng)力是影響套管抗擠毀性能的主要因素[8-9]，因此，本次試驗(yàn)主要包括幾何參數(shù)測(cè)量、拉伸試驗(yàn)和殘余應(yīng)力檢測(cè)。試樣為不同批次的9根P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管，制樣位置及試樣尺寸如圖1所示。

圖1 制樣位置及試樣尺寸

拉伸試驗(yàn)按照API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，殘余應(yīng)力試驗(yàn)根據(jù)ASTM E1928環(huán)切測(cè)量進(jìn)行計(jì)算[10]。擠毀試驗(yàn)試樣全長(zhǎng)4 000 mm，承壓區(qū)1 800 mm，位于試樣中部。試樣測(cè)量的幾何參數(shù)主要包括管體外徑和壁厚。測(cè)量幾何尺寸時(shí)，共測(cè)量8個(gè)截面位置，截面間隔300 mm，每個(gè)截面測(cè)試8個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)夾角45°。用外徑千分尺測(cè)量管徑，超聲波測(cè)厚儀測(cè)量管體壁厚，測(cè)量位置如圖1所示。測(cè)量完成后按照公式（1）和公式（2）計(jì)算測(cè)量截面的壁厚不均度和橢圓度[11]。擠毀試驗(yàn)采用自有擠毀設(shè)備進(jìn)行，該設(shè)備系統(tǒng)工作壓力為0～300 MPa， 試驗(yàn)管徑為 25.4～339.72 mm，精度±0.5%。試驗(yàn)過(guò)程中加壓介質(zhì)為水，加壓速率小于35 MPa/min[12]。

式中：α—壁厚不均度；

timax—截面i的最大壁厚，i=1,2,…9；

timin—截面i的最小壁厚；

tiav—截面i的壁厚平均值。

式中：β—橢圓度；

Dimax—截面i的最大外徑；

Dimin—截面i的最小外徑；

Diav—截面i的平均外徑。

擠毀試驗(yàn)完成后，取出試樣，記錄試樣失效位置和對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)。根據(jù)公式（3）和所記錄的失效位置幾何參數(shù)，計(jì)算管體理論擠毀強(qiáng)度[13]。對(duì)于Φ139.7 mm×10.54 mm套管，D/t<15，故采用API 5C3屈服強(qiáng)度擠毀壓力公式[14-15]

式中：D—外徑，mm；

t—壁厚，mm；

PYP—最小屈服強(qiáng)度擠毀壓力；

YP—材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 幾何參數(shù)

影響套管擠毀強(qiáng)度的主要幾何參數(shù)包括壁厚、外徑、壁厚不均度、橢圓度等參數(shù)。為此，對(duì)抽取的高抗擠套管試樣的壁厚、外徑、壁厚不均度和橢圓度進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。在試樣每個(gè)截面上測(cè)量8個(gè)點(diǎn)，獲得截面壁厚均值，沿試樣截面測(cè)量的截面壁厚均值分布情況如圖2所示。從圖2可以看出，此次抽取的P110高抗擠套管壁厚為10.35～11.31 mm，偏差為-1.8%～7.3%，滿足API 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求。1#試樣壁厚最小，9#試樣壁厚最大，2#、5#、6#和8#試樣壁厚主要分布在10.8 mm左右。

圖2 沿試樣截面測(cè)量的截面壁厚均值分布情況

對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)按照公式（1）進(jìn)行處理，得到沿截面測(cè)量的壁厚不均度分布情況，如圖3所示。從圖3可以看出，壁厚不均度為1.35%～9.21%，其中，1#試樣沿測(cè)量截面壁厚不均度均處于最低水平；8#試樣壁厚不均度最高，但部分測(cè)量截面小于5#和9#試樣的壁厚不均度。

圖3 沿截面測(cè)量的壁厚不均度分布情況

圖4為測(cè)量的試樣管體截面外徑均值。從圖4可知，試樣管體外徑為139.8～140.93 mm，2#管體外徑最小，但其值沿測(cè)量截面波動(dòng)幅度最大，其余試樣的管體外徑主要集中在140.7 mm附近。根據(jù)管體外徑測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算，得出測(cè)量截面管體橢圓度，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，所有套管試樣中橢圓度最大值為0.56%，出現(xiàn)在2#試樣的第2個(gè)測(cè)量截面處，橢圓度最低為0.07%。

圖4 管體截面外徑測(cè)量結(jié)果

圖5 測(cè)量管體截面橢圓度分布情況

2.2 屈服強(qiáng)度及殘余應(yīng)力

試樣的拉伸性能和殘余應(yīng)力見(jiàn)表1。從表1可以看出，試樣的屈服強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于API SPEC5CT對(duì)P110鋼級(jí)套管的要求值758 MPa，同時(shí)，抗拉強(qiáng)度也在規(guī)定范圍內(nèi)。對(duì)比可以看出，1#～4#、6#～9#試樣屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相近，5#試樣的屈服強(qiáng)度最低；1#～3#殘余應(yīng)力相近且均高于 4#～9#的殘余應(yīng)力。

表1 試樣拉伸性能及殘余應(yīng)力

2.3 擠毀試驗(yàn)結(jié)果

擠毀試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，1#試樣擠毀形貌如圖6所示。從圖6可以看出，試樣測(cè)量截面2、截面3、截面4均發(fā)生嚴(yán)重變形，測(cè)量截面3位置變形最為嚴(yán)重，故將截面3確定為擠毀位置，其擠毀強(qiáng)度為116.7 MPa。

圖6 1#試樣擠毀形貌

按照上述方法，將所有試樣的擠毀位置、擠毀位置截面幾何參數(shù)、擠毀實(shí)際強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到試樣擠毀試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，1#試樣抗擠毀強(qiáng)度最小，其余試樣抗擠毀強(qiáng)度主要分布在130 MPa左右。分別比較1#～4#和6#～9#試樣擠毀結(jié)果，可得知在屈服強(qiáng)度相近、壁厚不均度在1.35%～9.21%內(nèi)、且橢圓度小于0.56%的前提下，P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管壁厚對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響程度遠(yuǎn)大于管體外徑、壁厚不均度和橢圓度的影響。將幾何參數(shù)中的壁厚、外徑、壁厚不均度和橢圓度與外壓擠毀位置、強(qiáng)度結(jié)合在一起分析，得出沿管體軸線方向，擠毀位置主要出現(xiàn)在壁厚增幅上升、且橢圓度發(fā)生突變的橫截面上。

表2 外壓擠毀試驗(yàn)結(jié)果

2.4 抗擠毀強(qiáng)度的預(yù)測(cè)及修正

根據(jù)公式（3）計(jì)算出擠毀截面位置處的理論擠毀強(qiáng)度（見(jiàn)表2）。比較表2中的理論擠毀強(qiáng)度和實(shí)際擠毀強(qiáng)度，得出理論值與實(shí)際結(jié)果偏差較大，僅能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出7#試樣的擠毀強(qiáng)度。出現(xiàn)此種偏差的主要原因是管體存在幾何缺陷和殘余應(yīng)力，僅依靠推理獲得的理論公式不能滿足實(shí)際擠毀強(qiáng)度預(yù)測(cè)要求。

針對(duì)理論和實(shí)際出現(xiàn)的偏差問(wèn)題，假設(shè)擠毀強(qiáng)度偏差為PE，則其與壁厚t、壁厚不均度α、管體外徑D、橢圓度β及殘余應(yīng)力σc相關(guān)的函數(shù)為

為了進(jìn)一步提高P110鋼級(jí) Φ139.7 mm×10.54 mm套管擠毀強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精度，分析擠毀強(qiáng)度偏差與管體其他相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，另再選同規(guī)格P110套管試樣9根，按照上述擠毀試驗(yàn)測(cè)試并統(tǒng)計(jì)，將所有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析，得出偏差方程

再結(jié)合屈服強(qiáng)度擠毀壓力公式（3）得出P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管修正后擠毀強(qiáng)度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

其中，10.35 mm≤t≤11.31 mm， 1.35%≤α≤9.21%， 0≤β≤0.56%。

3 結(jié) 論

（1）在屈服強(qiáng)度相近、壁厚不均度為1.35%～9.21%、橢圓度小于0.56%的前提下，P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚對(duì)抗擠毀強(qiáng)度的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管體外徑、壁厚不均度和橢圓度的影響。

（2）全尺寸外壓至失效試驗(yàn)中，沿管體軸線方向，在壁厚增幅上升，且橢圓度突變位置最容易被擠毀失效。

（3）回歸擬合分析獲得了擠毀強(qiáng)度偏差與管體壁厚、壁厚不均度、管徑、橢圓度及殘余應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)方程，并結(jié)合屈服強(qiáng)度擠毀理論公式推導(dǎo)出P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管擠毀強(qiáng)度預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，提高了該規(guī)格套管抗擠毀強(qiáng)度的預(yù)測(cè)效果。

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Anti-collapse Performance Analysis and Collapse Strength Prediction of P110 Steel Grade Ф139.7 mm×10.54 mm High Anti-collapse Casing

JIAO Wei1,2,WANG Qiang1,2,TIAN Xiaojiang1,2,YUAN Qingying1,2,LI Xiaolong1,2,GAO Cailu3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods， Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Zhongyou BSS(Qinhuangdao)Petro-pipe Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066206,Hebei,China）

TE973.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.06.003

2016-12-20

編輯：李 超

焦 煒（1983—），男，工程師,現(xiàn)主要從事油套管外壓擠毀性能分析研究工作。