『壹』 膨脹管材料及提高抗擠強度方法研究進展
劉曉丹1，2 陶興華1 牛新明1
（1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中國石油大學，北京 102249）
摘 要 本文旨在研究如何提高膨脹管抗擠強度，分別從材料和強度影響外部因素入手進行分析。首先，提出高性能膨脹管材料選擇的主要依據，基於此研究了膨脹管抗擠強度的外部影響因素，採用實驗分析、微觀理論剖析、模擬計算相結合的手段，詮釋了其對抗擠強度的影響及敏感性。其次，研究了不同膨脹工藝對膨脹後管體性能的影響規律，給出了選擇工藝的基本依據。另外，本文在充分吸收國內外該領域先前研究的基礎上，嘗試性提出了新型膨脹管材料，探索了膨脹管技術未來發展的方向，旨在獲得綜合性能良好的膨脹管，為拓展其應用領域做好前瞻性准備。
關鍵詞 膨脹管 材料 力學性能 抗擠強度 影響因素
Expandable Tubular Materials and StudyingProgress on Improving Collapse Strength
LIU Xiaodan1，2，TAO Xinghua1，NIU Xinming1
（1.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101 ，China；2.China University of Petroleum，Beijing 1 02249，China）
Abstract The purpose of this article is to improve the collapse strength of expandable tubular.The analysis is beginning from how to choose expandable tubular materials and how the external factors affecting the collapse strength.First，it gives out the principle on which the materials are selected.Based on this the main relative factors of collapse strength are studied.In the process the methods as test，micro-theory analysis，simulation are used.Thus the effects on collapse strength of all the factors and their sensitivity are analyzed.Then the laws of the how the expandable technology effected collapse strength are also studied.It gives out how to choose the proper method under some circumstance.In the other hand，the paper learns from the former and gives out the new expandable tubular materials，explores the future development of expandable tubular technology.The main purpose is to obtain the expandable tubular of good comprehensive performance in order to enlarge the operating fields.
Key words Expandable tubular；materials；mechanical properties；collapse strength；effective factors
膨脹管技術是在鑽井施工過程中，將小於上層套管內徑的特殊管下入井內，在井下通過液壓式或機械式方式推動膨脹錐頭，使管柱徑向發生永久變形，內徑增大，從而達到封固復雜地層、修補破損套管等目的。國外膨脹管技術研究開始於20世紀70～80年代。隨後發展迅速，早在1993年已經進行了膨脹管技術概念性試驗。1998年Shell公司在Gasmer Test Well井進行了型號為J55、尺寸為133/8套管的原型試驗，膨脹和密封獲得成功［1］。1999年便達到了商業化的水平，2004年6月，Enventure公司已在世界20個國家為58家用戶完成了247次技術服務，累計脹管長度達到258755ft，可靠性超過95％。國內研究起步較晚，基礎薄弱。2000年開始引入膨脹管概念，跟蹤研究發現國內需求市場較大。因此，西南、大港等機構科研院所進行了相關課題研究和試驗。2004年，中國石化勝利石油管理局鑽采工藝研究所首次進行實體可膨脹管試驗並取得成功［2］。之後，因其應用規模不斷拓展，受到越來越多科研機構的青睞。該技術優勢核心：一是可以節約井眼尺寸；二是可用於套管修補、完井以及採油等作業的全過程；三是具靈活的作業程序、廣泛的適用性、顯著的經濟性。因此，被業界贊譽為 「21世紀石油鑽採行業的核心技術之一」［3］。
膨脹管必須具備良好的力學性能，即較高的強度、良好的塑形等。大量試驗和力學模擬結果表明，套管膨脹後抗擠強度會有較大程度降低，降幅一般為30％～50％。為提高作業安全性，拓展其使用范圍，需要更高抗擠強度的膨脹管。鑒於此，本文圍繞提高膨脹管抗擠強度的核心，首先提出了從內因著手，分析並提出高性能膨脹管材料選擇的主要依據。其次剖析影響膨脹管抗擠強度的外部主要因素，採用實驗分析、微觀理論剖析、模擬計算相結合的手段，詮釋了主要外部影響因素對抗擠強度的敏感性。本文吸收了國內外該領域前輩研究的精華，提出了新型膨脹管材料，嘗試性探索了膨脹管技術未來發展的方向。旨在改善和提高膨脹管的性能，拓展其應用領域。
1 膨脹管材料性能要求
回顧關於膨脹管材料方面的研究，國外花費了大約6年的時間，系統地研究了管體材料、膨脹方式、膨脹後熱處理等對膨脹管機械性能、殘余應力和抗外擠性能的影響［4～7］。通常使用的膨脹管材料包括普通低碳合金鋼、高壓鍋爐鋼以及專門用於膨脹管的材料，如目前常用的N80、L80、K55等。部分資料顯示高強度管線鋼X-95和套管材料P110也可以作為膨脹管材料使用。為了模擬和預測鋼管膨脹後抗外擠性能，根據ASTM E9-89標准，進行了膨脹管的壓縮試驗，圖1反映了膨脹對不同材料鋼管壓縮屈服強度和硬度的影響。由圖1a可見，P110和X95膨脹後屈服強度降低最為明顯，降低大約30％，其原因是由於加工硬化作用不明顯（圖1b），無法彌補由於Bauschinger效應引起的屈服強度的降低。K55、L80、N80膨脹前後屈服強度變化不大，推斷其原因是由於加工硬化作用與Bauschinger效應相抵消。圖2為膨脹前後鋼管沖擊韌性變化曲線，膨脹後不同鋼級鋼管沖擊韌性都出現了一定程度的降低，但都能夠滿足API標準的要求。
綜上所述，國外科研機構對膨脹管材料硬度、屈服強度、抗拉強度、屈強比和伸長率等進行了詳細研究，總結出了膨脹管材料具備的基本性能。為滿足膨脹管使用時較大的塑性變形要求，膨脹管管體材料應滿足以下幾點要求：(1)良好的塑性變形能力；(2)較高的抗拉強度；(3)較低的屈服強度；(4)較高的加工硬化指數；(5)膨脹後管材（膨脹率一般為10％～25％）力學性能應滿足API的要求。這為膨脹管在不同膨脹工藝下、不同作業環境中的使用提出了材料選擇的基本原則，對進一步改善膨脹管材料性能和提高管體強度具有重要的借鑒作用。
圖1 膨脹對不同鋼級管材屈服強度和硬度的影響
2 膨脹管膨脹工藝適應性研究
為研究膨脹工藝對管材性能和強度的影響，國外某研究機構開展了專題研究。本文著重分析研究膨脹載入方式對管體抗擠強度的影響。試驗採用專有成分C-Mn鋼50鋼管，外徑193.7mm，壁厚9.5mm，膨脹率15％。
不同方式膨脹後管體尺寸變化、殘余應力和抗擠強度結果見表1。
試驗結果表明：膨脹後管體抗擠強度下降47％～55％。膨脹方式對膨脹後管體殘余應力、徑厚比、抗擠強度影響顯著。方式d，膨脹後徑厚比和殘余應力在幾種膨脹方式中處於中間水平，膨脹後抗擠強度最高。方式e，殘余應力較低，徑厚比較高，抗擠強度最低。方式f，膨脹後徑厚比最高，殘余應力較低，抗擠強度較高。該試驗為有條件使用膨脹管提供了切實可行的膨脹工藝。為確保膨脹管具有良好的性能，在膨脹過程中要增加膨脹管潤滑措施，盡量居中，膨脹速度適宜（最佳膨脹速度為7.6～18m/min）。
圖2 膨脹對不同鋼級管材沖擊韌性的影響
表1 膨脹和載入方式對膨脹後管體尺寸、殘余應力及抗擠強度的影響
註：a為膨脹前；b為單獨在膨脹錐前施加壓縮載荷；c為在膨脹錐後水力膨脹，在膨脹錐前施加壓縮載荷；d為固定膨脹錐後面的管端，拉拔膨脹錐膨脹；e為在膨脹錐後水力膨脹；f為固定管子兩端，在膨脹錐後水力膨脹。
3 膨脹管抗擠強度關鍵影響因素分析
因膨脹管自身工藝具特殊性，使抗擠強度的不利影響因素變得更為復雜。現就管體結構、屈服強度、應變時效、Bauschinger效應等對膨脹後管體抗擠強度的影響進行研究，並對各因素的敏感性進行分析。
3.1 復雜幾何形狀膨脹管管體結構影響
膨脹管在製造、運輸或者作業過程中，比厚壁套管更容易受到外界劃拉、磕碰，作業中不可避免地受到鑽柱等磨損。計算表明：膨脹管內壁磨損缺陷的存在，一方面降低了膨脹管本身的抗外擠強度，另外，如果外部地層為岩鹽地層，因磨損改變了膨脹管管體徑向不同方向的剛度，造成膨脹管外壁應力分布的不均勻性更加嚴重，非均勻載荷和內壁磨損缺陷的存在共同加劇了對膨脹管本體抗外擠強度的損傷。對型號為P110、壁厚12.7mm的套管，假設內壁缺陷的最大厚度為0、0.5、1、1.5、2、2.5mm，分別計算磨損後套管的抗擠強度表明，在磨損半徑一定的情況下，磨損量達到2.5mm時，套管抗外擠強度下降約45％（圖3）。另外，橢圓度也是影響膨脹管抗擠強度的重要因素之一，膨脹過程中橢圓度和壁厚不均度會繼續保持甚至增強，膨脹後徑厚比的增大也是導致膨脹後管體抗擠強度降低的原因。
圖3 磨損對膨脹管抗擠強度的影響
3.2 膨脹管材料屈服強度的影響
如前所述，P110和X95材料膨脹後屈服強度降低較為明顯，約30％，尤其是膨脹前期（膨脹率在10％之內）對管體影響顯著。究其原因，是由於加工硬化作用不明顯，無法彌補由於Bauschinger效應引起的屈服強度的降低。由於加工硬化作用與 Bauschinger 效應相抵消，K55、L80、N80膨脹前、後屈服強度變化不大。因此，材料的加工硬化率越高，膨脹後壓縮屈服強度降低得越少。同時，根據Hall-Petch方程，即
油氣成藏理論與勘探開發技術：中國石化石油勘探開發研究院2011年博士後學術論壇文集.4
式中：σy為屈服應力；σ0為晶格摩擦力；K為常數；d為晶粒直徑。
結合試驗得到的低碳鋼加工硬化指數n與晶粒直徑之間的經驗關系式，即
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得到屈服應力與加工硬化指數之間存在如下關系：
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由式（3）可見，材料加工硬化指數越高，屈服強度越低。因此在保持抗拉強度基本不變的前提下，盡量降低膨脹管材料的屈服強度、提高材料加工硬化指數對提高膨脹管抗外擠強度具有積極意義。國外研究認為在考慮材料非線性、載入歷史、橢圓度、壁厚不均勻度條件下，在徑厚比大於20時，材料的屈服強度並不是影響膨脹管抗擠強度的關鍵因素。
3.3 應變時效的影響
應變時效主要發生在低碳鋼和低合金鋼中，是指在塑性變形時或變形後，固溶狀態的間隙溶質（C、N）與位錯交互作用，釘扎位錯阻止變形，導致強度提高、韌性下降的力學冶金現象。應變時效對膨脹管抗擠強度有重要影響，下面以L80膨脹管為例定量分析。表2為膨脹及應變時效對L80套管壓縮屈服強度的影響。由於膨脹管是在溫度環境為50 ～350℃井下進行膨脹施工，因此試驗考察了在一定溫度下的膨脹管應變時效作用。由表2可見，當管體膨脹20％後，壓縮屈服強度由原來的632MPa降低為505MPa，降低約20％，出現所謂反載軟化現象。在150℃溫度下時效1.5h，屈服強度損傷恢復約14％，在該溫度下時效作用5h，壓縮屈服強度提高到639MPa，與膨脹前管體屈服強度相近。保持時效時間為5h，溫度升高至175℃，屈服強度不再繼續提高。這種現象說明膨脹管在井下使用過程中，膨脹初期抗外壓強度會出現較大程度的降低。但經過一段時間時效後，抗外擠強度又會在一定范圍內提高。
表2 膨脹和應變時效對L80套管屈服強度的影響
3.4 膨脹過程中的Bauschinger效應
膨脹管服役期間，它將受到內壓力、外擠力以及拉力的作用。管子承受內壓的方向和膨脹方向相同，而承受外擠力的方向和初始膨脹方向相反，所以Bauschinger效應會導致膨脹後的管體抗內壓能力增強，抗外擠能力下降。影響機理如下：
Bauschinger效應大小與金屬材料塑性變形量密切相關，在一定范圍內，Bauschinger效應隨塑性變形量增加而增大。但當塑性變形量超過易滑移區時，因位錯增殖和難於重分布，則在隨後反向載入時，Bauschinger效應可迅速降低甚至消失。因此，研究Bauschinger效應值與金屬材料塑性變形量之間的關系對提高膨脹管抗擠毀強度有重要的意義。
3.5 膨脹後管體內產生的殘余應力
管體膨脹過程中，環向、軸向均產生塑性變形，這種塑性變形一般是不均勻的，不均勻變形在管體內產生附加應力，膨脹後殘留在管體內形成殘余應力。張建兵等對35CrMo鋼管和J55套管膨脹後殘余應力的測量和分析結果表明［8］，膨脹後管體存在顯著的環向殘余壓縮應力（其值約為200MPa），其效應相當於直接降低了管體的橫向壓縮屈服強度，它是導致膨脹後管體抗擠強度下降的一個重要因素。
3.6 膨脹管抗擠強度影響因素敏感性分析
力學模擬分析和和室內試驗均表明，由於膨脹產生的殘余應力和 Bauschinger 效應共同作用，膨脹後管體抗外擠強度有較大程度降低。膨脹後因管壁有不同程度的減薄。因此，原有的損傷或後續作業可能造成的磨損等缺陷都更加嚴重地影響膨脹後管體的抗擠強度。對於徑厚比大於20的膨脹管，磨損深度比磨損半徑影響程度更大；材料的屈服強度對膨脹管抗外擠強度的影響並不大。其他因素如Bauschinger效應、殘余應力等相互影響，以及其對套管抗外擠強度的影響，有待於進一步的定量分析研究。
4 提高膨脹管抗擠強度新思路的探索
為了提高膨脹管作業的安全性，獲得良好的膨脹管綜合性能，現從材料熱處理、管體結構優化、管體膨脹整形等角度提出增強抗外擠強度的新思路。
4.1 膨脹管材料熱處理工藝優化
一般情況下，隨著鋼級的提高，加工硬化率降低，屈服強度比提高，這會導致膨脹後抗擠強度大幅度降低。可以通過對普通套管制定合適的熱處理改善其力學性能。例如，可以對顯微組織為鐵素體＋珠光體的低碳鋼或低合金鋼套管進行亞溫淬火，即將材料加熱到奧氏體與鐵素體之間兩相區（Ac1—Ac3之間），保溫後淬火以獲得鐵素體和馬氏體兩相組織［9，10］。這種組織狀態的鋼具有強度高、屈服點低、連續屈服、加工硬化率高和延伸率高等特點［11］。研究表明，鐵素體＋馬氏體雙相組織鋼與普通鐵素體＋珠光體組織鋼相比膨脹後具有更高的抗擠強度［12］。
4.2 膨脹前後管體結構優化
如前所述，膨脹管缺陷的存在使其抗擠強度大大降低，在膨脹後相應缺陷的不利影響更加惡劣。因此，在膨脹管選擇前應設定更加嚴格的標准，加大整形力度，力求獲得近似理想圓形膨脹管。在膨脹管服役期間，要優化工藝措施，防止鑽柱或其他作業管串磨損膨脹管內壁。
4.3 膨脹管膨脹後消除殘余應力
膨脹管因為加工和作業過程的影響，導致存在一定的殘余應力，這對於膨脹管的抗擠強度會造成不可忽視的不利影響。因此，應採取主動措施將殘余應力降至最低。下井前殘余應力消除工藝及方法比較成熟。井下膨脹後殘余應力消除是目前較新的認識。其中，超聲沖擊是相對有效的方法。膨脹芯下面連接超聲波裝置，隨膨脹工藝自下而上移動並旋轉，採用20kHz以上的高頻大功率超聲波，使膨脹管表層發生較大的壓縮塑性變形，能夠有效降低殘余應力，提高膨脹管的綜合性能。
5 膨脹管新材料研究展望
如前所述，膨脹管材料需要良好的強度和塑性匹配以及優良的加工硬化能力，可以採用強塑積（抗拉強度與延伸率的乘積）作為衡量膨脹管材料性能的指標。國際上Shell公司最先推出的膨脹管用鋼LSX80，其強塑積達到30GPa％。先進的汽車用鋼與膨脹管材料性能要求相似，可以引入到新型的膨脹管材料開發中。第二代汽車用鋼材料中的TWIP鋼和奧氏體不銹鋼屬於高合金鋼的范疇，它的組織結構主要是軟相奧氏體。通過利用奧氏體的TWIP效應將鋼的強度提高800～1000MPa，塑性達到50％～80％，因而其強塑積達到50～70GPa％的水平［13］。目前我國自主研發的第三代汽車用鋼，通過中錳碳鋼的合金化設計及奧氏體逆相變等措施，制備出含30％左右的亞穩奧氏體與超細晶基體的雙相復合組織鋼。其室溫抗拉強度在0.8～1.6GPa級，斷後延伸率為30％～45％的水平，而其強塑積為30～48GPa％［14］。將這些先進材料引入石油行業，作為未來高性能膨脹管材料具有廣闊的前景。
6 結 論
1）通過分析膨脹前後P110、X95、K55鋼管的硬度、屈服強度、Bauschinger效應及其相互影響對管體抗外擠性能的影響，給出了膨脹管材料具備的基本性能，為高性能膨脹管材料開發提供了主要依據。
2）結合5種不同膨脹試驗載入方式，分析了膨脹工藝對膨脹管結構和綜合性能的影響。據此，結合實際工況能夠為選擇合適的膨脹工藝提供重要參考依據，從而獲得具有良好綜合性能的膨脹管。
3）膨脹工藝不同造成膨脹後殘余應力的分布和大小變化較大，不僅嚴重影響膨脹管抗外擠強度，而且直接影響其他後續工藝的效率。本文提及的井下消除殘余應力的方法提供了改善管體強度的新思路。
4）膨脹管製造和加工都可能不同程度地造成管體的變形，即使入井後後續作業也可能造成膨脹管內壁的磨損，這都將嚴重影響膨脹波紋管抗外擠強度，而且這種缺陷對強度的影響將在膨脹後惡化。
5）如果不考慮其他影響因素，膨脹管材料屈服強度比越低，加工硬化率越高，膨脹後抗擠強度損失越小。可以通過對普通套管制定合適的熱處理工藝（如亞溫淬火）來提高其抗擠強度。
6）將第二代汽車用鋼和新型第三代汽車用鋼引入石油行業膨脹管技術領域，創新了該方面的理論研究思路，補充和擴展了原有膨脹管選材范圍，具有重要的啟發意義和導向作用。
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