袁 杰，李永強(qiáng)，呂建海，田 雨，崔汝東

中石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東 東營

1.引言

在石油開采過程中，受工程技術(shù)、地質(zhì)環(huán)境破壞等因素的影響，油水井套管因長期服役會(huì)出現(xiàn)破損、漏失，影響正常的生產(chǎn)或注水。套管貼堵是國內(nèi)外修復(fù)套管行之有效的措施之一。目前，勝坨油田在可鉆式貼堵工藝中采用鋁合金管材。鋁合金管材在滿足強(qiáng)度要求的條件下，存在壁厚過大、后期修井工具難以下入的問題。當(dāng)加大管材通徑時(shí)，鋁合金材質(zhì)的強(qiáng)度會(huì)下降，難以滿足井下作業(yè)需要。而國內(nèi)外可鉆套管管材應(yīng)用較少，合金材質(zhì)達(dá)到耐腐蝕、強(qiáng)度適中的材質(zhì)極少?；谝陨蠁栴}，筆者根據(jù)可鉆式貼堵工藝的要求，對(duì)管材材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)選，使其在滿足大通徑的條件下，仍具有較高的強(qiáng)度。

2.試驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

2.1.試驗(yàn)樣品材質(zhì)

40CrNiMo，7050鋁合金，7A09鋁合金，2A06鋁合金，2A11鋁合金。

2.2.試驗(yàn)儀器

DR-6000A電子萬能試驗(yàn)機(jī)(揚(yáng)州德瑞儀器設(shè)備有限公司)；FSSY-2腐蝕儀(中國石油大學(xué)(華東)儀表廠)；布氏硬度計(jì)和洛氏硬度計(jì)(濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司)。

2.3.試驗(yàn)方法

1)按照國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)加工硬度測試試樣，對(duì)優(yōu)選的管材試樣進(jìn)行布氏硬度和洛氏硬度測試。

2)使用“FSSY-2腐蝕儀” (試驗(yàn)條件25 MPa×95℃×48 h)測試出優(yōu)選材質(zhì)的腐蝕速率。

3)采用DR-6000A電子萬能試驗(yàn)機(jī)(加載速率設(shè)定為3 mm/min)，測試管材的抗拉、抗壓強(qiáng)度。試件被拉斷后，測試斷后截面和標(biāo)距尺寸，計(jì)算出試件的斷面收縮率和其延伸率。

3.試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1.管材優(yōu)選

3.1.1.管徑壁厚

根據(jù)管材的強(qiáng)度要求確定不同的模擬管材。利用ANSYS軟件[1]對(duì)貼堵管管材進(jìn)行數(shù)值模擬，材料的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。對(duì)管材實(shí)施不同的內(nèi)、外壓，模擬出管材應(yīng)力分布情況[2]，結(jié)果如圖1、圖2所示。管材在第一個(gè)螺紋處的應(yīng)力值均最大，根據(jù)各種管材的屈服強(qiáng)度，反向模擬出管材最大耐內(nèi)、外壓強(qiáng)度。

Figure 1.The nephogram of distribution of stress applied on pipe under external pressure圖1.對(duì)管材施加外壓后的應(yīng)力分布云圖

Figure 2.The nephogram of distribution of stress applied on pipe under internal pressure圖2.對(duì)管材施加內(nèi)壓后的應(yīng)力分布云圖

根據(jù)不同壁厚的管材所需滿足的抗壓強(qiáng)度及螺紋強(qiáng)度要求[3]，得出優(yōu)選材料的參考設(shè)計(jì)值。模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。材質(zhì)為40CrNiMo的管材抗壓強(qiáng)度較高，管壁厚3 mm就可以滿足生產(chǎn)需求；7系鋁合金抗壓強(qiáng)度次之，管壁厚3.5~4.5 mm時(shí)抗壓強(qiáng)度能滿足生產(chǎn)需求；2系鋁合金耐壓較低，但管壁厚5~7 mm也能滿足需求，在治理后井筒內(nèi)徑要求不高的油水井中可以使用。

Table 1.The pressure bearing capacity of materials with different wall thickness in wells表1.不同壁厚材質(zhì)在井內(nèi)的承壓能力大小

3.1.2.硬度

洛氏硬度按GB/T 231.1-2004標(biāo)準(zhǔn)測試，布氏硬度按GB/T 231.1-2002標(biāo)準(zhǔn)測試[4]，試驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢钥闯?，7A09、2A06、2A11基本都滿足現(xiàn)場生產(chǎn)及后期可鉆除的要求，其中7A09硬度相對(duì)較低。

Table 2.The results of hardness test表2.硬度測試結(jié)果

3.1.3.抗腐蝕性能

使用“FSSY-2腐蝕儀”進(jìn)行試驗(yàn)測試[5]，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。各試驗(yàn)材料在25 MPa、95℃的油田采出液中反應(yīng)48 h后，測得40CrNiMo的腐蝕速率最小(0.1107 mm/a)。

Table 3.The results of corrosion test表3.腐蝕測試結(jié)果

3.1.4.拉伸性能

拉伸性能測試結(jié)果見表4。所選擇的2系、7系合金管材的抗拉強(qiáng)度、最大斷面收縮率、最大伸長率基本都滿足現(xiàn)場要求，其中7A09材質(zhì)合金具有較好的塑性和強(qiáng)度。

Table 4.The results of tensile test表4.拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.1.5.壓縮性能

DR-6000A電子萬能試驗(yàn)機(jī)的測試結(jié)果表明，選取的7050管材抗壓強(qiáng)度為980~1130 MPa，7A09管材抗壓強(qiáng)度為908~990 MPa，2A11管材抗壓強(qiáng)度為627~758 MPa，2A06管材抗壓強(qiáng)度為587~728 MPa，都滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。

對(duì)比各種管材的硬度、抗腐蝕性能、拉伸性能、壓縮性能，優(yōu)選材質(zhì)為7A09的管材作為貼堵管材的基礎(chǔ)材料。

3.2.絲扣優(yōu)選

分別選取普通偏梯形螺紋、FOX特殊螺紋、圓螺紋和NK3SB特殊螺紋進(jìn)行研究，貼堵管選用的材料為7A09合金材質(zhì)，貼堵管外徑為114 mm，壁厚為4.5 mm，對(duì)貼堵管施加軸向拉力為200 kN。利用ANSYS有限元模擬軟件求解得到的應(yīng)力分布云圖如圖3所示[6]。FOX型特殊螺紋連接無明顯變形。相比之下，只有FOX型螺紋連接方式的接觸應(yīng)力峰值較小，且各牙應(yīng)力分布較為均勻[7]；普通偏梯形螺紋連接和NK3SB螺紋連接均在最后一扣處應(yīng)力較大，其余各牙應(yīng)力分布較均勻；圓螺紋的受力情況、連接效果最差，開始端和結(jié)束端的牙承受了大部分的力，而中間那些扣牙所承受的載荷非常有限，導(dǎo)致兩端接觸應(yīng)力大而中間小，各牙受力不均，很容易引起兩端扣牙最早失效，使得中間扣牙不能發(fā)揮作用。

Figure 3.The diagram of thread stress distribution圖3.絲扣應(yīng)力分布圖

4.結(jié)論

1)對(duì)比了5種管材的抗拉壓能力、硬度、抗腐蝕能力，優(yōu)選7A09合金作為貼堵管材的基礎(chǔ)材料。

2)當(dāng)貼堵管尺寸一定時(shí)，采用FOX型特殊螺紋連接，其螺紋接觸面載荷分布較為均勻，無明顯變形。而圓螺紋的螺紋面兩端應(yīng)力集中明顯，易出現(xiàn)滑脫，性能較差。故貼堵管采用FOX型螺紋連接。