石油用膨脹管技術(shù)研究

張良濤（勝利油田物資供應(yīng)處物資檢驗所 山東東營 257000）

在石油鉆井的過程中，如果鉆井的深度較深，則需要用到多層套管，隨著套管層次的增加，鉆井井眼的尺寸會不斷的變小，而且會大大增長套管的使用成本。石油鉆井膨脹管技術(shù)就是為了解決這個問題而發(fā)展起來的，在石油鉆井或者修井作業(yè)時，將膨脹管和膨脹工具放到井眼中，通過機(jī)械作用力的作用帶動膨脹工作在膨脹管中進(jìn)行上下運動，在運動的過程中對膨脹管進(jìn)行膨脹擠壓，導(dǎo)致膨脹管產(chǎn)生不能恢復(fù)的塑形變形，從而使膨脹管的外徑達(dá)到設(shè)計的尺寸。從而達(dá)到了充分利用井下空間，降低套管的使用成本的目的。

一、膨脹管膨脹過程分析研究

大量的研究實踐表明，膨脹管經(jīng)過一定的膨脹之后，膨脹管所能承受的抗擠壓力會明顯的降低，這也是限制膨脹管技術(shù)發(fā)展的主要因素之一。在前期的研究中，得到了膨脹管膨脹后所能承受擠壓力降低的主要原因，是由于膨脹管的包辛格效應(yīng)。在膨脹管膨脹的過程中，膨脹管所能承受的力學(xué)強(qiáng)度都會存在一定的下降。其中最受重視的是膨脹管抗擠壓強(qiáng)度的降低。因為影響膨脹管使用最主要的限制因素就是膨脹管的抗擠壓強(qiáng)度。因此需要重點研究膨脹管過程中，膨脹管抗擠壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。膨脹管在使用過程中造成抗擠壓強(qiáng)度下降的主要原因是膨脹管膨脹過程中金屬的包辛格作用。在常規(guī)求解彈塑性力學(xué)問題時，為了簡化計算提高求解的效率，通常情況下會忽略金屬的包辛格效應(yīng)，包辛格效應(yīng)在膨脹管變形過程中具有重要的影響，當(dāng)膨脹管在徑向方向上，受到向外作用力后，膨脹管將會向外發(fā)生膨脹，當(dāng)膨脹管受到的膨脹力超過管子的強(qiáng)度極限后，膨脹管就會發(fā)生相應(yīng)的膨脹變形，膨脹后的膨脹管，在使用的過程中將會受到內(nèi)外壓力和拉伸作用力。利用包辛格原理對膨脹后的膨脹管進(jìn)行受力分析，膨脹管受到內(nèi)壓的方向與最初的膨脹方向一致，因此膨脹后的管子承受內(nèi)壓的強(qiáng)度會有所增加，但是膨脹管受到外壓的方向與最初膨脹方向相反，因此膨脹后的管子承受的外壓的強(qiáng)度會降低。所以包辛格效應(yīng)是導(dǎo)致膨脹管抗外壓強(qiáng)度降低的主要因素。為了更加形象的描述分析包辛格效應(yīng)，規(guī)定了膨脹管膨脹后的包辛格值，包辛格值的大小為膨脹前后膨脹管所能承受的抗外壓的差，例如一個膨脹管膨脹前管子的抗外壓強(qiáng)度為130兆帕，膨脹后管子的抗外壓強(qiáng)度為100兆帕，那么該膨脹管膨脹過程中的包辛格值為30兆帕。在通常情況下，由于材料和加工條件的限制，膨脹管一般都會存在著各種各樣的小缺陷，例如管子的壁厚不均勻，形狀不標(biāo)準(zhǔn)等問題，在膨脹的過程中，這種不均勻和不標(biāo)準(zhǔn)的問題會在膨脹的過程中被放大，問題放大后將影響到管子的抗擠壓強(qiáng)度。膨脹管膨脹后的殘余應(yīng)力也會影響到膨脹管的抗壓強(qiáng)度，在膨脹管膨脹的過程中會在膨脹后的管內(nèi)存在殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力在使用過程中無法避免，影響到了膨脹管的抗擠壓強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)膨脹管的類型一定，不同厚度的膨脹管，膨脹管的直徑和壁厚的比越大，也就是說膨脹管的壁厚越小，膨脹管的抗擠壓強(qiáng)度就越低。膨脹管在膨脹后，膨脹管的壁厚將會縮小大于百分之五左右，但是膨脹管的外徑將會增大百分之十五左右，這樣就加大了膨脹管的直徑和壁厚的比值，從而減小了膨脹管實際的抗擠壓強(qiáng)度。因此在膨脹管的設(shè)計和選材時，要重視膨脹管壁厚減小對膨脹管強(qiáng)度的影響，最大限度的降低膨脹管壁厚減小的幅度，從而減小膨脹管直徑和壁厚的比值，提高膨脹管的抗外壓強(qiáng)度。

二、膨脹管選材研究

根據(jù)材料力學(xué)的理論結(jié)合前期的研究成果，提出了膨脹管技術(shù)選材的方法。膨脹管要選擇使用直縫焊管，直縫焊管和無縫鋼管相比，直縫鋼管在膨脹管使用選擇上具有許多優(yōu)勢，首先直縫焊管的精度高，直縫焊管在加工過程中，采用加工工藝和加工技術(shù)要相對簡單，因此可以具有較高的加工精度。隨著材料加工技術(shù)和方法的不斷發(fā)展，直縫焊管的加工工藝在不斷的進(jìn)步，直縫焊管可以延伸的比例要比無縫鋼管大百分之十左右。直縫焊管加工后同心度較高，焊管的壁厚誤差小，具有較大的抗擠壓強(qiáng)度。直縫焊管的抗沖擊性能要比無縫鋼管好，直縫焊管技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展，技術(shù)已日趨成熟。通過研究可以得到，膨脹管壁厚的不均勻和形狀的不標(biāo)準(zhǔn)，會隨著膨脹管的膨脹而增大膨脹管的使用問題，如果膨脹管的壁厚不均勻而且形狀不標(biāo)準(zhǔn)，容易造成膨脹管的使用事故，所以在進(jìn)行膨脹管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定時，應(yīng)當(dāng)對膨脹管的壁厚均勻度和形狀誤差進(jìn)行明確的規(guī)定。在膨脹管使用過程中，需要通過在外力的作用下，使膨脹管的受力超過管的強(qiáng)度極限而發(fā)生變形，因此在膨脹管鋼材的選擇方面，要選擇低強(qiáng)度等級的鋼材，可以選擇低碳鋼作為膨脹管的加工的原材料。選用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比值小的鋼材來制作膨脹管。鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值是表示膨脹管延展性和強(qiáng)度性能的指標(biāo)，如果該比值較小，表示鋼材的延展性能較好，材料進(jìn)入塑性變形的過程穩(wěn)定，變形后材料的各項力學(xué)性能變化不大。形狀變化指數(shù)反應(yīng)了膨脹管材料繼續(xù)變形能力的大小，形狀變化指數(shù)越小，說明這種材料在加工時對于材料的強(qiáng)度的強(qiáng)化程度低，因此可以繼續(xù)變形使用。

三、結(jié)束語

膨脹管技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項先進(jìn)的石油新技術(shù)，該技術(shù)可以充分利用鉆井井眼空間，最大限度的增加油井開采的井眼直徑，從而為提高油井的產(chǎn)量打下基礎(chǔ)。膨脹管膨脹后所能承受擠壓力降低的主要原因，是由于膨脹管膨脹過程中的包辛格效應(yīng)。包辛格值的大小為膨脹前后膨脹管所能承受的抗外壓的差值，膨脹管要選擇使用直縫焊管，在進(jìn)行膨脹管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定時，應(yīng)當(dāng)對膨脹管的壁厚均勻度和形狀誤差進(jìn)行明確的規(guī)定。通過研究促進(jìn)了膨脹管技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。

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