膨脹波紋管設(shè)計探討

劉鵬++趙博++林強

摘 要：奧陶系儲層是塔河油田主要目的儲層之一，埋藏深，過去主要以直井開發(fā)，Φ177.8 mm套管多下至奧陶系目的層頂部。隨著開發(fā)的進(jìn)行，多數(shù)油井進(jìn)入高含水和低產(chǎn)低效期。利用長期停產(chǎn)無潛力井、低產(chǎn)低效井進(jìn)行側(cè)鉆，可以實現(xiàn)與周邊儲集體的定向溝通，提高儲量的動用程度，是實現(xiàn)該類油藏高效開發(fā)的有效手段。為滿足避水要求，側(cè)鉆時需上提造斜點至石炭、泥盆系地層，致使斜井段鉆遇巴楚組和桑塔木組大段不穩(wěn)定泥巖。

關(guān)鍵詞：膨脹 波紋管 變形 選形

中圖分類號：U173.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0100-02

該泥巖受地應(yīng)力和水化影響，浸泡超過20天后垮塌掉塊嚴(yán)重，致使鉆完井過程中出現(xiàn)阻卡、甚至管柱無法下到位，影響了后期完井等作業(yè)。為了確保該段井眼穩(wěn)定，建立鉆井、完井和采油的有效通道，同時實現(xiàn)現(xiàn)有Φ149.2mm井眼完井，理想方式是以通徑為Φ149.2mm的膨脹管封隔，該文開展深井膨脹波紋管封隔泥巖技術(shù)的選材研究。

1 材料優(yōu)選原則

確定了膨脹波紋管材料選擇的原則：

（1）高均勻塑性變形能力，即均勻變形延伸率≥15～20%。

（2）加工硬化效果顯著，屈強比低，，其中表示屈服強度、表示抗拉強度。形變硬化指數(shù)n=0.2左右；屈強比是反應(yīng)鋼管延性和強度儲備能力的指標(biāo)。屈強比低，說明鋼材的延性好，在材料進(jìn)入塑性階段后的均勻變形能力強；形變硬化指數(shù)n是一個常用的材料性能指標(biāo)，n值的高低表示材料發(fā)生頸縮前均勻變形能力的大小。膨脹波紋管在制管和膨脹變形中，必須要具備能夠產(chǎn)生均勻變形而不破壞的能力，因而其材料要具有較大的形變硬化指數(shù)。

（3）拉伸曲線無屈服平臺（圖1）或屈服不明顯。

（4）強度高，且制管加工容易實現(xiàn)。

2 實驗材料選擇

根據(jù)以上原則，在現(xiàn)有的鋼管產(chǎn)品中，選取了Q235、J55、16Mn、YS1、YS2共5種材料進(jìn)行比較，鋼管材料隨著變形量的增大，抗拉強度增高，說明存在一定的加工硬化。這些鋼管的抗拉強度經(jīng)變形后有一定程度的下降，這可能會影響材料的抗擠強度。在延伸率方面，相比Q235和J55，其他3種鋼管材料經(jīng)過較大塑性變形后，材料仍保持較高的延伸率，仍有較大的塑性儲備。

3 管材變形前后特性評價

管材變形前后力學(xué)性能變化為了對比鋼管變形前后力學(xué)性能的變化，采用板狀拉伸試樣（圖2）在拉伸試驗機(jī)上對各種管材進(jìn)行了拉伸實驗測試。

4 管材變形前后金相組織分析

利用管材的金相組織分析來觀測合金的成分、熱處理工藝、冷熱加工工藝對金屬材料的內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)的變化影響，對YS2、Q235、J55等5種管材進(jìn)行檢驗，提供調(diào)整工序及修改工藝參數(shù)的根據(jù)。

（1）YS2管材。

YS2管材存在明顯的珠光體和鐵素體帶狀組織，金屬材料在冶煉澆注后絕大部分要經(jīng)過壓力加工方可成為型材。但是，加工后的材料容易得到沿著變形方向珠光體和鐵素體呈帶狀分布的組織，即形成帶狀組織。帶狀組織的危害：帶狀組織的存在會使金屬的力學(xué)性能呈各向異性，沿帶狀組織的方向明顯優(yōu)于其垂直方向。形成帶狀組織的原因各不相同，歸納起來大致有2種原因：①由成分偏析引起的帶狀組織。即當(dāng)鋼中含有磷等有害雜質(zhì)，在壓延時雜質(zhì)將沿著壓延方向伸長。當(dāng)鋼材冷至Ar3以下時，這些雜質(zhì)就成為鐵素體的核心使鐵素體形態(tài)呈帶狀分布，隨后珠光體也呈帶狀分布。這種帶狀組織很難用熱處理的方法加以消除；②由熱加工溫度不當(dāng)引起的帶狀組織，即熱加工停鍛溫度于二相區(qū)時（Ar1和Ar3之間），鐵素體沿著金屬流動方向從奧氏體中呈帶狀析出，尚未分解的奧氏體被割成帶狀，當(dāng)冷卻到Ar1時，帶狀奧氏體轉(zhuǎn)化為帶狀珠光體，這種組織可以通過正火或退火的方法加以消除。

（2）Q235鋼管材。

Q235鋼的組織主要為等軸的鐵素體加少量的珠光體，在不同溫度下進(jìn)行熱處理的組織有所不同，900℃下鐵素體的含量相對較高，這是因為較低的溫度，可提高形變能和促使奧氏體的不穩(wěn)定性加劇。高溫下，一方面形變能累積效果減弱，另一方面很難發(fā)生奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，但不排除奧氏體的動態(tài)再結(jié)晶。兩種溫度下，盡管金相組織看起來差別不大，但應(yīng)該注意的是，較低的溫度，在冷卻時可以使鐵素體晶界處的馬氏體和殘余奧氏體組織將轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的索氏體或屈氏體等組織，這樣拉伸過程中形變的協(xié)調(diào)性顯著得到改善，致使室溫力學(xué)性能提高。

（3）J55 鋼管材。

J55鋼顯微組織為均勻細(xì)小的鐵素體加珠光體和少量貝氏體，沒有出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，鐵素體平均晶粒度10.5～11.5級。J55鋼在高溫變形后出現(xiàn)了明顯的帶狀組織，這主要是由鋼中的Mn、P造成的。Mn、P是易偏析元素，在熱軋鋼中極易在板厚中心偏析，生成低溫轉(zhuǎn)換硬顯微組織帶，帶狀組織會導(dǎo)致材料的性能下降，如有氫原子存在的環(huán)境，會使氫原子在珠光體偏析帶上聚集，結(jié)合成氫分子，并與此處高密度的位錯發(fā)生交互作用，促進(jìn)氫致裂紋在珠光體偏析帶上的萌生和擴(kuò)展。由于該鋼塑性儲備降低，故在膨脹變形后，其抗擠壓強度會下降。

（4）16Mn鋼管材。

16Mn鋼經(jīng)余熱熱處理的試樣外表面有回火索氏體組織，是由表面快冷得到馬氏體后，試樣內(nèi)部的熱量傳遞到外表面對其回火所致。其范圍為1.2～1.5mm。其心部組織為珠光體+鐵素體，與熱軋態(tài)的金相組織相比，晶粒較細(xì)小?；鼗鸷箐搩?nèi)部的強度下降，塑性有很大改善。在回火過程中，馬氏體分解，使馬氏體中碳的固溶強化作用減弱，顯微硬度下降。鐵素體在回火時，過飽和的碳將重新分布，以滲碳體的形式析出并不斷長大；同時鐵素體中的淬火空位也不斷合并長大，從而減弱固溶強化和沉淀強化效果，使鐵素體的顯微硬度值下降，此外在馬氏體轉(zhuǎn)播時被形變硬化的鐵素體回火過程得到恢復(fù)也使其顯微硬度下降。馬氏體在變形回火過程中變?nèi)?，使馬氏體與鐵素體的變形協(xié)調(diào)性增大，鐵素體首先變形穿過F/M 相界傳到馬氏體中去，減輕了相界處的位錯塞積，直到兩相都達(dá)到較大的變形后才頸縮，因而有助于提高延伸率。

（5）YS1鋼管材。

YS1鋼的金相組織是鐵素體和珠光體。其中的珠光體是由呈薄片狀的鐵素體和滲碳體交互排列，從而具有良好的力學(xué)性能。變形后，珠光體出現(xiàn)了一定的球化，珠光體內(nèi)呈片狀、表面積較大并處于高能量狀態(tài)的碳化物在常溫下是穩(wěn)定的。但在高溫、應(yīng)力長期作用下，原子擴(kuò)散速度加快，具有高能量的片狀碳化物自行向低能量的球狀碳化物轉(zhuǎn)變并進(jìn)一步聚集長大。所以球化是金屬在長期高溫作用下的一種組織變化的必然過程。這種組織有利于產(chǎn)生較大塑性變形，所以，此種鋼塑性儲備較大，利于進(jìn)行膨脹變形。

通過膨脹波紋管的選材研究，從現(xiàn)有7 684鋼管產(chǎn)品中，選取了Q235、J55、16Mn、YS1、YS2等5種鋼管作為膨脹變形試驗材料，進(jìn)行了拉伸變形試驗和材料膨脹前后的金相組織分析表明，它們均存在帶狀組織，這會增大材料的各向異性效應(yīng)。根據(jù)上述分析研究，綜合考慮膨脹波紋管的強度要求，選取YS2、16Mn、YS1鋼管材作為研究的初選管材。

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