石油用膨胀管技术研究

张良涛（胜利油田物资供应处物资检验所 山东东营 257000）

在石油钻井的过程中，如果钻井的深度较深，则需要用到多层套管，随着套管层次的增加，钻井井眼的尺寸会不断的变小，而且会大大增长套管的使用成本。石油钻井膨胀管技术就是为了解决这个问题而发展起来的，在石油钻井或者修井作业时，将膨胀管和膨胀工具放到井眼中，通过机械作用力的作用带动膨胀工作在膨胀管中进行上下运动，在运动的过程中对膨胀管进行膨胀挤压，导致膨胀管产生不能恢复的塑形变形，从而使膨胀管的外径达到设计的尺寸。从而达到了充分利用井下空间，降低套管的使用成本的目的。

一、膨胀管膨胀过程分析研究

大量的研究实践表明，膨胀管经过一定的膨胀之后，膨胀管所能承受的抗挤压力会明显的降低，这也是限制膨胀管技术发展的主要因素之一。在前期的研究中，得到了膨胀管膨胀后所能承受挤压力降低的主要原因，是由于膨胀管的包辛格效应。在膨胀管膨胀的过程中，膨胀管所能承受的力学强度都会存在一定的下降。其中最受重视的是膨胀管抗挤压强度的降低。因为影响膨胀管使用最主要的限制因素就是膨胀管的抗挤压强度。因此需要重点研究膨胀管过程中，膨胀管抗挤压强度的变化规律。膨胀管在使用过程中造成抗挤压强度下降的主要原因是膨胀管膨胀过程中金属的包辛格作用。在常规求解弹塑性力学问题时，为了简化计算提高求解的效率，通常情况下会忽略金属的包辛格效应，包辛格效应在膨胀管变形过程中具有重要的影响，当膨胀管在径向方向上，受到向外作用力后，膨胀管将会向外发生膨胀，当膨胀管受到的膨胀力超过管子的强度极限后，膨胀管就会发生相应的膨胀变形，膨胀后的膨胀管，在使用的过程中将会受到内外压力和拉伸作用力。利用包辛格原理对膨胀后的膨胀管进行受力分析，膨胀管受到内压的方向与最初的膨胀方向一致，因此膨胀后的管子承受内压的强度会有所增加，但是膨胀管受到外压的方向与最初膨胀方向相反，因此膨胀后的管子承受的外压的强度会降低。所以包辛格效应是导致膨胀管抗外压强度降低的主要因素。为了更加形象的描述分析包辛格效应，规定了膨胀管膨胀后的包辛格值，包辛格值的大小为膨胀前后膨胀管所能承受的抗外压的差，例如一个膨胀管膨胀前管子的抗外压强度为130兆帕，膨胀后管子的抗外压强度为100兆帕，那么该膨胀管膨胀过程中的包辛格值为30兆帕。在通常情况下，由于材料和加工条件的限制，膨胀管一般都会存在着各种各样的小缺陷，例如管子的壁厚不均匀，形状不标准等问题，在膨胀的过程中，这种不均匀和不标准的问题会在膨胀的过程中被放大，问题放大后将影响到管子的抗挤压强度。膨胀管膨胀后的残余应力也会影响到膨胀管的抗压强度，在膨胀管膨胀的过程中会在膨胀后的管内存在残余应力，这种残余应力在使用过程中无法避免，影响到了膨胀管的抗挤压强度。研究发现当膨胀管的类型一定，不同厚度的膨胀管，膨胀管的直径和壁厚的比越大，也就是说膨胀管的壁厚越小，膨胀管的抗挤压强度就越低。膨胀管在膨胀后，膨胀管的壁厚将会缩小大于百分之五左右，但是膨胀管的外径将会增大百分之十五左右，这样就加大了膨胀管的直径和壁厚的比值，从而减小了膨胀管实际的抗挤压强度。因此在膨胀管的设计和选材时，要重视膨胀管壁厚减小对膨胀管强度的影响，最大限度的降低膨胀管壁厚减小的幅度，从而减小膨胀管直径和壁厚的比值，提高膨胀管的抗外压强度。

二、膨胀管选材研究

根据材料力学的理论结合前期的研究成果，提出了膨胀管技术选材的方法。膨胀管要选择使用直缝焊管，直缝焊管和无缝钢管相比，直缝钢管在膨胀管使用选择上具有许多优势，首先直缝焊管的精度高，直缝焊管在加工过程中，采用加工工艺和加工技术要相对简单，因此可以具有较高的加工精度。随着材料加工技术和方法的不断发展，直缝焊管的加工工艺在不断的进步，直缝焊管可以延伸的比例要比无缝钢管大百分之十左右。直缝焊管加工后同心度较高，焊管的壁厚误差小，具有较大的抗挤压强度。直缝焊管的抗冲击性能要比无缝钢管好，直缝焊管技术经过不断的发展，技术已日趋成熟。通过研究可以得到，膨胀管壁厚的不均匀和形状的不标准，会随着膨胀管的膨胀而增大膨胀管的使用问题，如果膨胀管的壁厚不均匀而且形状不标准，容易造成膨胀管的使用事故，所以在进行膨胀管技术标准制定时，应当对膨胀管的壁厚均匀度和形状误差进行明确的规定。在膨胀管使用过程中，需要通过在外力的作用下，使膨胀管的受力超过管的强度极限而发生变形，因此在膨胀管钢材的选择方面，要选择低强度等级的钢材，可以选择低碳钢作为膨胀管的加工的原材料。选用屈服强度和抗拉强度比值小的钢材来制作膨胀管。钢材屈服强度和抗拉强度的比值是表示膨胀管延展性和强度性能的指标，如果该比值较小，表示钢材的延展性能较好，材料进入塑性变形的过程稳定，变形后材料的各项力学性能变化不大。形状变化指数反应了膨胀管材料继续变形能力的大小，形状变化指数越小，说明这种材料在加工时对于材料的强度的强化程度低，因此可以继续变形使用。

三、结束语

膨胀管技术是近年来发展起来的一项先进的石油新技术，该技术可以充分利用钻井井眼空间，最大限度的增加油井开采的井眼直径，从而为提高油井的产量打下基础。膨胀管膨胀后所能承受挤压力降低的主要原因，是由于膨胀管膨胀过程中的包辛格效应。包辛格值的大小为膨胀前后膨胀管所能承受的抗外压的差值，膨胀管要选择使用直缝焊管，在进行膨胀管技术标准制定时，应当对膨胀管的壁厚均匀度和形状误差进行明确的规定。通过研究促进了膨胀管技术进一步的发展与应用。

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