提高膨胀波纹管挤毁强度的方法探讨

胡彦峰，涂玉林，肖京男，刘晓丹

提高膨胀波纹管挤毁强度的方法探讨

胡彦峰，涂玉林，肖京男，刘晓丹

（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

目前，通过降低膨胀波纹管Bauschinger效应和膨胀后残余应力等方法对提高波纹管外挤强度的作用有限。为了提高膨胀波纹管的力学性能，借鉴双层组合套管的设计方法，提出了双层组合波纹管设计的新方法。通过对双层膨胀波纹管的力学性能分析和管材优选研究，将Ø215．9 mm双层波纹管的抗外挤强度提高至23．8 MPa，扩大了膨胀波纹管的技术应用范围。

波纹管；双层组合；挤毁强度

膨胀波纹管技术是一项新型的石油钻井技术，用于简化深井井身结构，封堵井段中的漏失层、坍塌层等复杂地层，修补已损套管等。波纹管是对圆形管材进行冷压处理，使圆管径向发生塑性变形，截面形状呈波纹状，以达到减小外径的目的，使其可以通过上层套管顺利到达所封隔地层位置，借助液压和机械作用使其恢复成圆管，用来封隔复杂地层的一项钻井技术［1］。该技术主要利用金属波纹管膨胀后较好的抗内压和外挤性能，来实现钻井过程中对漏失、坍塌等复杂地层的封堵。

笔者参与研发的膨胀波纹管主要有4种尺寸系列，适用于Ø311．15、Ø241．3、Ø215．9、Ø149．2 mm井眼。Ø215．9mm井眼应用膨胀波纹管3口井、Ø241．3 mm井眼应用波纹管2口井、Ø149．2 mm井眼应用膨胀波纹管1口井。在钻井过程中的复杂情况普遍发生在深部地层，井眼尺寸多为Ø215．9 mm井眼或Ø149．2 mm，井深越深，地层压力和钻井液液柱压力也越大，采用膨胀波纹管封隔复杂地层时，对波纹管抗内压强度和抗外挤强度要求也越高，提高波纹管的力学性能，能进一步扩大膨胀波纹管技术的应用范围，将其应用井深和封堵复杂地层的能力进一步提高。例如，采用波纹管来封堵异常高压层和塔河油田盐下长裸眼段砂泥岩复杂地层。

1　膨胀波纹管用材料性能要求

膨胀波纹管成型和膨胀过程要求所用材料必须具有以下性能要求：

1） 高度均匀的塑性变形能力，延伸率δ＞25%。

2） 加工硬化效果显著，屈强比低，形变硬化指数高。

3） 拉伸曲线无屈服平台或屈服不明显。

波纹管材料应具有的应力-应变曲线如图1所示。

图1　波纹管材料应具有的应力-应变曲线

此外，膨胀波纹管材料还要求具有良好的可焊性和低的裂纹敏感系数。由于膨胀波纹现场焊接条件所限，很难进行焊前预热和焊后热处理，因此要求管材具有良好的可焊性、低的淬透性，防止焊接后焊缝出现马氏体和焊接裂纹。目前波纹管材多选用20g无缝钢管或具有一定屈服强度的管线钢。

2　现有提高膨胀波纹管性能的方法

1） 提高膨胀波纹管屈服强度和加工硬化指数。波纹管材料的屈服强度和加工硬化指数是影响膨胀波纹管抗外挤强度的重要因素，因此，在保证波纹管具有良好的焊接性能前提下，可尽量选择高屈服强度、高加工硬化率钢管作为膨胀波纹管原材料。但是，随着材料屈服强度提高，加工硬化指数呈下降趋势，这就要求协调处理两者的关系，选择适合的波纹管材料。

2） 降低膨胀波纹管Bauschinger效应。Bauschinger效应的强弱与钢种、热处理制度、组织结构、强化机制及晶粒度等材料本身因素有关，如单晶材料基本无Bauschinger效应。钢的晶粒越细，一般Bauschinger效应越明显，无明显屈服平台的金属Bauschinger效应较弱。

3） 降低波纹管膨胀后残余应力。波纹管因为加工和膨胀过程的影响，导致存在一定的残余应力，这对于波纹管的抗挤强度会造成不利影响。因此，应采取主动措施将残余应力降至最低。可借鉴采用超声冲击降低实体膨胀管膨胀之后降低残余应力的方法，来提高波纹管的抗外挤强度。

3　现有方法存在的问题

3．1 管材优选

目前所选用的波纹管基管材料均为符合API标准的管线钢，偶尔也采用无缝钢管，但其主要问题是，不同级别的管线钢随着钢级的增加，管材的屈服强度和抗拉强度也随之增加，但屈强比逐渐增大，如表1所示。屈强比是反应钢管延性和强度储备能力的指标，屈强比低，说明钢材的延性好，在材料进入塑性阶段后的均匀变形能力强。屈强比越大，管材的延伸率越小，在内压作用下波纹管还未完全恢复成圆管，管体应力即可到达管体的抗拉极限而发生破坏，这不符合要求的波纹管应该具备的性能。但膨胀后波纹管的抗外挤性能和抗内压性能随着管材屈服强度的减小而减小，屈服强度较低的波纹管也不符合选材原则。故在现有阶段，波纹管材料选择受限，从管材角度入手提高波纹管性能的难度较大。

表1　API 5L型管线管屈强比值

3.2 Bauschinger效应

Bauschinger效应大小与金属材料塑性变形量密切相关，在一定范围内，Bauschinger效应随塑性变形量增加而增大。但由于波纹管正是利用其金属管材的塑性变形来达到成型和膨胀的目的，因此波纹管变形过程中必然要发生塑性应变，而塑性应变的大小与波纹管成型后的形状尺寸有很大的关联，在井眼尺寸或套管尺寸一定的情况下，波纹管要通过井眼或上层套管所需要的最大外径值也随之确定，塑性变形量的减小存在上限，因此这种方法能在一定程度上改善波纹管膨胀后的力学性能，但是提高幅度有限。

也有学者发现合金中加入Ti和Mo对Bauschinger效应有很重要的影响。合金中Ti的加入，产生较大的Bauschinger效应。加入Mo，利于珠光体的形成，使得针状铁素体有较高的位错密度，在应力逐渐增大使得位错移动时无屈服点产生，产生较小的Bauschinger效应。但目前尚待进一步研究。

3．3 波纹管残余应力

波纹管因为加工和膨胀过程的影响，导致存在一定的残余应力，这对于波纹管的抗挤强度会造成不利影响，对于实体膨胀管，膨胀后采用超声冲击的方法来减小膨胀后的残余应力。膨胀芯下面连接超声波装置，随膨胀工艺自下而上移动并旋转，采用20 k Hz以上的高频大功率超声波，使膨胀管表层发生较大的压缩塑性变形，能够有效降低残余应力，提高膨胀管的综合性能。

对于波纹管，也可以采取类似的方法降低波纹管在井下膨胀后的残余应力，但波纹管成型和膨胀过程中由于截面各处变形量不同，残余应力分布不均，而超声波或振动的方法都是采用通过外部激励对管体施加一交变应力。如果交变应力幅与管体上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时，这些点将产生塑形变形以释放而降低了残余应力，释放应力的同时，成型和膨胀后的波纹管截面形状也会发生相应变形量的改变，这不利于波纹管成型过程的截面形状控制。

综上可以看出，由于金属材料的特性，从其材料本身出发单一考虑提高波纹管性能的方法，其提高幅度有限，如果跳出材料本身，选用复合结构的波纹管设计，采用类似多层组合套管来提高套管抗外挤强度的思路出发，设计采用多层组合波纹管设计，从而解决单层波纹管力学性能提高受限的困扰。

4　双层组合波纹管方案探析

4．1 组合设计

双层波纹管由波纹管和水泥相间组成，如图2所示，膨胀之后的外层波纹管直接受到地层压力p的作用，然后通过水泥环将压力传递给内层波纹管上，压力传递过程中存在压力衰减。因此，可认为作用在内层波纹管的压力小于作用在外层套管上的压力。

德国克劳赛尔（Clansthal）技术大学石油工程研究所（ITE）在模拟井温和压力情况下，用139．7 mm（5英寸）和177．8 mm（7英寸）套管组合进行了多次试验［2］。

1） 双层套管的挤毁强度至少等于各层套管挤毁强度之和。

2） 内外层套管偏心对组合套管挤毁强度无影响。

3） 变形的外层套管对组合套管的挤毁强度影响不大。双层组合套管曾被AMOCO公司在苏伊士湾成功用来防止深部盐层发生径向流动时对套管的损坏［3］。

图2　双层组合波纹管示意

4．2 力学性能分析

参照双层组合套管理论分析双层组合波纹管力学特性，注水泥后水泥与内外层波纹管胶结，根据连续特性，认为在内外压力作用下的多层组合波纹管交界处层间压力相等，径向变形也相等。图2为一承受静水压的双层组合波纹管，r1、r2、r3和r4分别表示内外层波纹管的内外半径，Ec、μc和Es、μs分别表示水泥和钢材的弹性模量和泊松比，p0是外挤压力，p2和p3分别表示水泥环与内外层波纹管界面上的压力。

平面应变状态下，弹性范围内，厚壁圆筒的径向变形和内外压关系为［4］：

式中：δ为径向变形，mm；RB、RH为圆筒内、外半径，mm；pB、pH为圆筒所承受内、外压力，MPa；R为计算点的半径，mm；E为材料弹性模量，MPa；μ为泊松比；tHB为圆筒内外压力比值pB／pH。

在平面应变状态下，由广义虎克定律可以推导出厚壁筒体处任一点处的径向应力σr和切向应力σt。

边界条件为：

可得到厚壁筒体处任一点处的σr和σt的解析解。

故对于双层组合波纹管，只要计算出水泥环界面上的压力p2和p3，就可根据厚壁筒的Lame公式计算出组合波纹管的径向和切向应力，应用最大剪应力条件即可求得双层组合波纹管的挤毁强度。可根据各界面上径向变形相等的连续条件，计算水泥环界面上的压力p2和p3。

式中：

根据Lame公式，厚壁管任一点的切向应力为：

而对双层组合波纹管而言，pi＝0，p0＝p2，r＝rH，可由上式得到内层波纹管切向最大应力为：

故

而内层波纹管最大切向应力为材料的屈服强度，上式可变为：

若膨胀后内层波纹管内径达到219 mm，内层壁厚5 mm，水泥环厚8 mm，外层波纹管厚3 mm，波纹管弹性模量为2．1 GPa，泊松比0．3，屈服强度σy＝335 MPa，水泥环弹性模量0．108 GPa，泊松比0．1。则可求得波纹管膨胀之后的抗外挤强度为：

对比目前Ø215．9 mm井眼用膨胀波纹管抗外挤强度为10 MPa，可知采用双层组合波纹管可大幅提高其抗外挤性能。

5　结论

1） 从管材本身出发来寻求提高膨胀波纹管力学性能的方法，在目前研究阶段提高幅度有限。

2） 双层组合波纹管能有效提高波纹管抗外挤强度，可进一步扩大波纹管的应用范围和应用井深，例如封堵高压层、深部坍塌和漏失地层等。

3） 双层组合波纹管方案由于存在水泥环和外层波纹管，要进一步增加复杂井段扩眼的井径尺寸，需重新优选扩眼工具和制定相应的扩眼工艺。

4） 双层组合波纹管管串结构和该技术施工工艺需进一步设计和完善。

［1］ 吴明畏，张伟，刘进余，等．可膨胀波纹管堵漏技术应用［J］．石油矿场机械，2013，42（11）：72-75．

［2］ Pattillo P D，Rankin T E．How AMOCO Solved Casing design Problems in the Gulf of Suez［J］，Petroleum Engineer international，1981，15（13）：37-45．

［3］ BurkowskyM，Helmut O，Schillinger H．Cenmented pipe-in-pipe Casing strings Solve field problems［J］，World Oil，1981，13（10）：70-73．

［4］ 郝俊芳，龚伟安．套管柱的强度计算与设计［M］．北京：石油工业出版社，1987：76-80．

Approach to Improve the Collapsing Strength of the Expandable Bellow

HU Yanfeng，TU Yulin，XIAO Jingnan，LIU Xiaodan
（SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China）

Previous technologies relied on reducing the Bauschinger effect and residual stress to improve the collapse strength of Expandable Bellows，but the method was extremely limited．To improve the mechanical properties of Expandable Bellows，double layer composite design is proposed，borrowing best practices of the dual combined casing．By analyzing and testing its mechanics and physics ability，the collapse strength of the dual combined Expandable BellowsØ215．9 mm increases to 23．8 MPa，consequently enlarges the range of application．

expandable bellows；dual combined；collapse strength

TE931．201

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．003

1001-3482（2015）02-0010-06

2014-08-18

胡彦峰（1983-），男，甘肃天水人，工程师，硕士，2010年毕业于中国石油大学（北京）油气井工程专业，现从事石油钻井工艺、钻井工具研究，E-mail：huyf．sripe＠sinopec．com。