基于雙相不銹鋼的膨脹管試驗研究

楊曉莉

（中國石油技術開發公司，北京100028）

基于雙相不銹鋼的膨脹管試驗研究

楊曉莉

（中國石油技術開發公司，北京100028）

針對常規膨脹管抗外壓能力低，耐H2S腐蝕性能差等問題開展了雙相不銹鋼材料特性研究，并進行了不同壁厚管材膨脹、抗外壓試驗與耐H2S腐蝕測試。結果表明：雙相不銹鋼材料強塑性較高，屈強比合適，可以作為膨脹管材料；在干摩擦條件下雙相不銹鋼管材膨脹壓力在35～40mPa，高于現用20 G材料10%左右，但是雙相不銹鋼管材膨脹后抗外壓強度大于25mPa，耐H2S腐蝕速率0．021mm／a，明顯優于碳鋼材料，能夠滿足高壓、高腐蝕井套管補貼需要。

膨脹管；雙相不銹鋼；H2S腐蝕；試驗

膨脹管管材是制約膨脹管技術發展的關鍵技術之一［1-3］，膨脹管要在井筒中發生塑性變形后徑向膨脹，還要在嚴酷的井底環境中長期服役，這些都對膨脹管管材的選用提出了很高的要求。常規膨脹管材屬碳素結構鋼，脹后強度弱，耐腐蝕性差，使用壽命降低。近年來，雙相不銹鋼材料的開發和應用極為迅速，憑借著其兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點，已經逐步取代304L、316L等奧氏體不銹鋼，目前在石油工業中也得到廣泛應用。開展雙相不銹鋼膨脹管材研究，對于提高膨脹管脹后力學性能與使用壽命具有重要的現實意義［4-5］。

本文研究了雙相不銹鋼管材的性能特點，并進行了膨脹試驗，抗外壓試驗以及耐H2S腐蝕測試。結果表明，與常規膨脹管材相比，雙相不銹鋼會導致膨脹力增加10%，但是脹后強度與耐腐蝕性能卻有較大幅度提升。

1 雙向不銹鋼特點

現場應用的膨脹管材料應該具有較為優良的綜合力學性能，既具有一定的強度又具有一定的塑性，即強塑性較高，屈強比合適。雙相不銹鋼屈服強度明顯高于普通碳鋼，且具有成型需要的塑韌性。同時其主要合金元素是Cr、Ni、m o和N，對晶間腐蝕不敏感，有良好的耐點蝕、耐應力腐蝕性能。特別是在介質環境比較惡劣（如H2S、C O2、Cl－含量較高）的條件下，其抗點蝕、縫隙腐蝕及應力腐蝕等性能明顯優于其他不銹鋼管材。

為進一步研究雙相不銹鋼作為膨脹管材的可靠性，本文通過試驗，對比分析了20 G管材與雙相不銹鋼管材的膨脹壓力，抗外壓強度以及抗H2S腐蝕性能，材料力學性能如表1所示。

表1 管材技術參數

2 試驗與討論

根據現場應用統計，在用的膨脹管管材壁厚通常在4～8mm，膨脹率5%～12%，為使試驗結果更具有代表性，本文選用112mm×6mm、112mm×8mm（外徑×壁厚）兩種型號管材，材料分別為20 G與雙相不銹鋼，膨脹錐最大外徑108mm，獲得膨脹率分別為8%與12．5%。膨脹管與膨脹錐之間為干摩擦，接觸狀態如圖1所示，膨脹錐依靠液力推動實現膨脹管的定徑膨脹。

圖1 膨脹管膨脹試驗原理

2．1 膨脹試驗

圖2為膨脹力變化過程，其中試件1～4分別對應2種規格的20 G膨脹管與雙相不銹鋼膨脹管。

可以看出，在不同壁厚與膨脹率條件下，雙相不銹鋼管的膨脹壓力都在40m Pa以內，比常用的20 G膨脹管的膨脹壓力高10%～15%，但是仍在安全作業范圍以內，同時隨著壁厚降低，雙相不銹鋼管膨脹壓力的降低幅度遠大于20 G管材，由于試驗未使用潤滑介質，膨脹壓力偏高。

圖2 不同膨脹管的膨脹壓力變化曲線

表2 抗外壓試驗數據

常用膨脹管管材脹后單位長度抗外壓能力通常不超過16mPa，圖4為屈服的20 G膨脹管。而雙相不銹鋼管材在25mPa外壓條件下保壓20min無任何泄漏，表現出良好的抗外壓性能。

圖4 屈服的20 G膨脹管

2．3 耐腐蝕試驗

將脹后膨脹管試片置于H2S濃度為30 000mg／m3中，10 h后取出試片，清洗處理后稱重計算腐蝕速率，即單位時間內單位面積上的質量變化。式（1）為腐蝕速率計算公式［6-7］。式中：Δ w為掛片失重，g；Δ wo為清洗腐蝕產物時的空白掛片失重，g；S為掛片腐蝕面積，cm2；t為腐蝕時間，h；ρ為材料密度，g／cm3

圖5為不同編號的管材試片腐蝕形貌，可以看出試件1與試件3表面腐蝕產物呈黃褐色，局部地區出現點蝕，在清洗的過程中雜質比較難清除，腐蝕產物與基體結合牢固；而試件2與試件4表面比較平整，無明顯腐蝕坑產生。經計算，20 G材料的腐蝕速率達到0．1 191mm／a，按照S Y／T0087—1995標準已達到中等腐蝕程度，而雙相不銹鋼材料的腐蝕速率僅為0．021mm／a，表現出良好的抗H2S腐蝕性能。

圖5 試片在　H2S環境下腐蝕形貌

3 結論

1） 膨脹管材料性能是制約該技術發展的重要因素。目前常用的碳鋼材料存在脹后強度弱、抗腐蝕能力差等問題。

2） 雙相不銹鋼的強塑性較高，屈強比合適，適合作為膨脹管管材。

3） 通過6mm、8mm壁厚管材膨脹試驗，雙相不銹鋼管材膨脹壓力高于現用20g管材10%左右，但是其脹后抗外壓強度達到25mPa，明顯高于普通碳鋼。

4）在H2S濃度為30 000mg／m3的腐蝕環境中，雙相不銹鋼的腐蝕速率明顯低于碳鋼材料，其表面無明顯腐蝕坑產生。

［1］ ERRITY Randym，GUSE VIK Rune，BUCKLERWilliam，eta1．Wellremediation using expandable eased—hole liners［J］．W orld Oil，2002（7）：56-65．

［2］mETCALFEP，U RSELmA NNR，SAEBYJ．The global impact of expandable sand screens on reservoir dri ll ing and completion［R］．SPE 67726．

［3］ 韓偉業，裴曉含，李益良，等．膨脹管抗外擠強度試驗研究［J］．石油礦場機械，2014，43（5）：56-69．

［4］ 高向前，李益良，李濤，等．側鉆水平井膨脹套管完井新技術［J］．石油機械，2010（1）：18-19．．

［5］ OWOEYEO，AIHEVBAc，HARTmA N N R，et a1．O ptimization of well economics by application of expandable tubular technology［R］．SP E 59142．

［6］ Clinedinst WO．A rational expression for the critical collapsing pressure of pipe under external pressure［J］．Drilling Production Practice，1939：383-391．

［7］ 徐芝綸．彈性力學：上冊［m］．3版．北京：高等教育出版社，l990：44-91．

Experimental Study of Solid Expandable Tubular Based on the Duplex Stainless Steel

YANG Xiaoli
（China PetroleumTechnology and Development Com pany，Beijing100028，China）

the conventional expandable tubular was weak in itsmechanical strength and anti corrosion ability after expansion，in view of these problems the duplex stainless steel was studied and experiments such as expansion，collapse and H2S corrosion were carried．T he results dem onstrated that the duplex stainless steel an option for the expandable tubular due to its high collapse strength and ductile ability；the duplex stainless steel demanded an expansion force of 35mPa—40mPa，w hich was higher than the requirement of 20 G，however the duplex stainless steel tubular after expansion delivered bettermechanical strength and anti-H2S corrosion，good choice for the high pressure and high corroding well．

expandable tubular；the duplex stainless steel；H2S corrosion；test

T E931．207

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．009

2014-11-17

楊曉莉（1981-），女，山東人，2003年畢業于天津大學機械工程學院，主要從事石油物資裝備出口管理，E-mail：euphoria1934＠aliyun．com。