P110鋼級Ф139.7 mm×10.54 mm高抗擠套管抗擠毀性能分析及擠毀強度預測

焦 煒， 汪 強， 田小江， 苑清英， 李小龍， 高財祿

（1．國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 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Ф139.7 mm×10.54 mm高抗擠套管抗擠毀性能分析及擠毀強度預測

焦 煒1,2， 汪 強1,2， 田小江1,2， 苑清英1,2， 李小龍1,2， 高財祿3

（1．國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 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Φ139.7 mm×10.54 mm套管擠毀位置幾何參數對擠毀強度的影響，對套管抗擠毀強度進行準確預測，抽取不同批次試樣9根，分別進行拉伸試驗、殘余應力檢測和幾何參數測量，并結合套管全尺寸擠毀試驗結果，分析了影響該規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系。此外，還對擠毀壓力的理論/實際偏差與管體壁厚、壁厚不均度、管徑、橢圓度及殘余應力的關系進行了分析，擬合得出P110鋼級Φ139.7 mm×10.54 mm套管擠毀強度更精準的預測公式。結果表明，在屈服強度相近、壁厚不均度在1.35%～9.21%、橢圓度小于0.56%的前提下，P110鋼級Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚對抗擠毀強度的影響程度遠遠大于管體外徑、壁厚不均度和橢圓度的影響。

P110；套管；擠毀；幾何參數；殘余應力

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高抗擠套管廣泛運用于油田深井、超深井和復雜地層等井況。因其服役環境復雜多樣，需要具備優異的綜合性能[1]。抗擠毀性能作為P110高抗擠套管最關鍵的性能參數，直接決定著套管的適用深度、油氣井安全程度和開發成本[2]。

影響套管抗擠毀性能的主要因素包括套管規格、幾何參數及缺陷（壁厚、管徑、壁厚不均度和橢圓度）、材料屈服強度及管體殘余應力[3]。目前，已經對API標準涉及的套管抗擠強度做出了大量的理論及試驗研究，并得出了一系列的計算公式[4]。但此前試驗過程中僅僅考慮擠毀試樣整體幾何參數的平均值，而未將擠毀位置處幾何參數與擠毀強度一一對應分析研究[5-6]。另外，對于確定鋼級和規格的套管，理論計算抗擠強度與實際擠毀強度存在一定的偏差，且難以確定幾何缺陷對抗擠強度的影響程度[7]。

本研究對P110鋼級Φ139.7 mm×10.54 mm套管進行了材料的拉伸性能分析、殘余應力檢測和幾何參數測量，并結合套管全尺寸外壓及失效試驗（簡稱擠毀試驗）結果，討論了影響該規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的關系。此外，進一步對擠毀強度的理論/實際偏差與管體壁厚、壁厚不均度、管徑、橢圓度及殘余應力進行了分析，擬合推導出該規格套管擠毀強度經驗公式，以期更好預測其抗擠毀強度。

1 試驗材料及方法

幾何缺陷、屈服強度和殘余應力是影響套管抗擠毀性能的主要因素[8-9]，因此，本次試驗主要包括幾何參數測量、拉伸試驗和殘余應力檢測。試樣為不同批次的9根P110鋼級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

拉伸試驗按照API SPEC 5CT標準進行，殘余應力試驗根據ASTM E1928環切測量進行計算[10]。擠毀試驗試樣全長4 000 mm，承壓區1 800 mm，位于試樣中部。試樣測量的幾何參數主要包括管體外徑和壁厚。測量幾何尺寸時，共測量8個截面位置，截面間隔300 mm，每個截面測試8個點，點與點夾角45°。用外徑千分尺測量管徑，超聲波測厚儀測量管體壁厚，測量位置如圖1所示。測量完成后按照公式（1）和公式（2）計算測量截面的壁厚不均度和橢圓度[11]。擠毀試驗采用自有擠毀設備進行，該設備系統工作壓力為0～300 MPa， 試驗管徑為 25.4～339.72 mm，精度±0.5%。試驗過程中加壓介質為水，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。

擠毀試驗完成后，取出試樣，記錄試樣失效位置和對應的幾何參數。根據公式（3）和所記錄的失效位置幾何參數，計算管體理論擠毀強度[13]。對于Φ139.7 mm×10.54 mm套管，D/t<15，故采用API 5C3屈服強度擠毀壓力公式[14-15]

式中：D—外徑，mm；

t—壁厚，mm；

PYP—最小屈服強度擠毀壓力；

YP—材料的屈服強度，MPa。

2 試驗結果及分析

2.1 幾何參數

影響套管擠毀強度的主要幾何參數包括壁厚、外徑、壁厚不均度、橢圓度等參數。為此，對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行測量計算。在試樣每個截面上測量8個點，獲得截面壁厚均值，沿試樣截面測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標準要求。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 沿試樣截面測量的截面壁厚均值分布情況

對測量的數據按照公式（1）進行處理，得到沿截面測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，但部分測量截面小于5#和9#試樣的壁厚不均度。

圖3 沿截面測量的壁厚不均度分布情況

圖4為測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，但其值沿測量截面波動幅度最大，其余試樣的管體外徑主要集中在140.7 mm附近。根據管體外徑測量數據計算，得出測量截面管體橢圓度，結果如圖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%，出現在2#試樣的第2個測量截面處，橢圓度最低為0.07%。

圖4 管體截面外徑測量結果

圖5 測量管體截面橢圓度分布情況

2.2 屈服強度及殘余應力

試樣的拉伸性能和殘余應力見表1。從表1可以看出，試樣的屈服強度均遠大于API SPEC5CT對P110鋼級套管的要求值758 MPa，同時，抗拉強度也在規定范圍內。對比可以看出，1#～4#、6#～9#試樣屈服強度和抗拉強度相近，5#試樣的屈服強度最低；1#～3#殘余應力相近且均高于 4#～9#的殘余應力。

表1 試樣拉伸性能及殘余應力

2.3 擠毀試驗結果

擠毀試驗在室溫下進行，1#試樣擠毀形貌如圖6所示。從圖6可以看出，試樣測量截面2、截面3、截面4均發生嚴重變形，測量截面3位置變形最為嚴重，故將截面3確定為擠毀位置，其擠毀強度為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、擠毀實際強度進行統計，得到試樣擠毀試驗結果見表2。從表2可以看出，1#試樣抗擠毀強度最小，其余試樣抗擠毀強度主要分布在130 MPa左右。分別比較1#～4#和6#～9#試樣擠毀結果，可得知在屈服強度相近、壁厚不均度在1.35%～9.21%內、且橢圓度小于0.56%的前提下，P110鋼級Φ139.7 mm×10.54 mm套管壁厚對抗擠強度的影響程度遠大于管體外徑、壁厚不均度和橢圓度的影響。將幾何參數中的壁厚、外徑、壁厚不均度和橢圓度與外壓擠毀位置、強度結合在一起分析，得出沿管體軸線方向，擠毀位置主要出現在壁厚增幅上升、且橢圓度發生突變的橫截面上。

表2 外壓擠毀試驗結果

2.4 抗擠毀強度的預測及修正

根據公式（3）計算出擠毀截面位置處的理論擠毀強度（見表2）。比較表2中的理論擠毀強度和實際擠毀強度，得出理論值與實際結果偏差較大，僅能準確地預測出7#試樣的擠毀強度。出現此種偏差的主要原因是管體存在幾何缺陷和殘余應力，僅依靠推理獲得的理論公式不能滿足實際擠毀強度預測要求。

針對理論和實際出現的偏差問題，假設擠毀強度偏差為PE，則其與壁厚t、壁厚不均度α、管體外徑D、橢圓度β及殘余應力σc相關的函數為

為了進一步提高P110鋼級 Φ139.7 mm×10.54 mm套管擠毀強度的預測精度，分析擠毀強度偏差與管體其他相關參數的關系，另再選同規格P110套管試樣9根，按照上述擠毀試驗測試并統計，將所有試驗結果進行回歸擬合分析，得出偏差方程

再結合屈服強度擠毀壓力公式（3）得出P110鋼級Φ139.7 mm×10.54 mm套管修正后擠毀強度計算經驗公式

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

3 結 論

（1）在屈服強度相近、壁厚不均度為1.35%～9.21%、橢圓度小于0.56%的前提下，P110鋼級Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚對抗擠毀強度的影響程度遠遠大于管體外徑、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度偏差與管體壁厚、壁厚不均度、管徑、橢圓度及殘余應力的經驗方程，并結合屈服強度擠毀理論公式推導出P110鋼級Φ139.7 mm×10.54 mm套管擠毀強度預測經驗公式，提高了該規格套管抗擠毀強度的預測效果。

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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,現主要從事油套管外壓擠毀性能分析研究工作。