（材料加工工程专业论文）可膨胀管管材性能试验及膨胀机理研究.pdf

中文摘要 论文题目 专业 硕士生 指导教师 可膨胀管管材性能试验及膨胀机理研究 材料加工工程 裴勇毅( 签名) 李栋才( 签名) 李霄( 签名) 摘要 可膨胀管技术是2 1 世纪石油工业中一项极富前景的新技术。它可广泛应用于钻井、 完井及采油、修井等作业全过程。选取合适的可膨胀管以及可膨胀管膨胀成形机理研究 是可膨胀管技术迫切需要解决的问题。 本文对经过不同的热处理工艺处理过的油井套管j 5 5 、n 8 0 进行了强度及塑性性能 试验。试验证明，温度为5 0 0 、5 5 0 。c 的热处理工艺可提高实验用管的强度及塑性。针 对不同热处理状态下的试验用管，本文利用a n s y s 有限元分析软件进行了膨胀成形机 理模拟研究。模拟过程采用非线性准静态力学法，选取点一面接触单元，揭示了不同锥 角、不同摩擦系数对膨胀成形力的影响规律，并分析了膨胀过程中管体的轴向、径向位 移的变化规律。通过各种因素的相互使用，初步研究了可膨胀管膨胀成形机理。研究结 果可为合理设计膨胀机构提供依据。 关键词：可膨胀管，热处理，力学性能，有限元法，接触 论文类型：基础研究 英文摘要 s u b j e c t ：e x p e r i m e n t so ft h ec a p a b i l i t i e so ft h ee x p a n d a b l et u b u l a r a n ds t u d yo f e x p a n s i o np r i n c i p l e s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n g n a m e ：p e iy o n g y i ( s i g n a t l i r e ) 挫垂等 l i n s t r u c t o r ：l id o n g c a i ( s i g n a t u e ) 厶型纽孕蕴 l ix i a o ( s i g n a t u r e )上，x 仉o a b s t r a c t e x p a n d a b l et u b u l a rt e c h n o l o g yi s ac o r et e c h n o l o g yi n p e t r o l e u mi n d u s t r y i n2 1 5 1 c e n t u r y ，w h i c hi su s e di nd r i l l i n g ，c o m p l e t i o n ，r e c o v e r ya n dw o r k o v e r ，t h ek e yp r o b l e m so f w h i c ha r ep r o p e rm a t e r i a ls e l e c t i o na n ds t u d yo fe x p a n s i o nm e c h a n i s m s t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yo fj 5 5a n dn 8 0c a s i n gt r e a t e dw i t hd i f f e r e n tp r o c e s sa r et e s t e d r e s u l t si n d i c a t et h a th e a tt r e a t m e n tp r o c e s so f5 0 0 a n d5 0 0 c a ni n c r e a s et h es t r e n g t ha n d p l a s t i c i t yo ft e s t e dc a s i n g t h ee x p a n s i o np r i n c i p l ew a ss i m u l a t e dt h r o u g hf i n i t ee l e m e n t m e t h o da b o u tt h r e et e s t e dc a s i n g ，i nw h i c hn o n l i n e a rs t a t i c sa n dp o i n t s u r f a c ec o n t a c te l e m e n t w e r eu s e d r e s u l t si n d i c a t e s t h ei n f l u e n c er u l ea b o u tt h ed i f f e r e n tc o n ea n g l ea n df r i c t i o n c o e f f i c i e n tt ot h ee x p a n d a b l ef o r c e t h ec h a n g e sr u l eo ft h ed i s p l a c e m e n ti nl o n g i t u d i n a la n d t r a n s v e r s ed i r e c t i o no f c a s i n gd u r i n gt h ee x p a n s i o np r o c e s sw a s a n a l y s e d t h ep a p e rs t u d i e de l e m e n t a r i l yp r i n c i p l eo f e x p a n s i o na n dv a r i o u sf a c t o r s t h er e s u l t c a np r o v i d er e f e r e n c ef o rr e a s o n a b l ed e s i g n i n go fe x p a n d a b l ed e v i c e s k e y w o r d s ：e x p a n d a b l et u b u l a r , h e a tt r e a t m e n t ，m e c h a n i c sc a p a b i l i t i e s ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c o n t a c t t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：霪也垃7同期：型 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方式发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，属名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：墟一 导师签名：褴 日期：业名 日期：趟：! ! 16 第一章绪论 第一章绪论 可膨胀管技术被认为是2 1 世纪石油钻采行业的最有前景的技术之一。本章主要说 明此课题的国内外研究现状、研究设想、研究方法、理论意义及实用价值等相关内容。 1 1 可膨胀管技术( e t t ) 简介及国内外现状 1 1 1 可膨胀管技术概况 ”j f2 j 传统井身结构是以不同直径的套管以套筒的形式层层封固完成。在这种情况下， 井越深、套管层数越多，所以最初的井眼直径就越大，如果初始井眼直径一定，最终的 井眼直径将会很小，这样就可能无法钻达目的层，即使钻至目的层，但由于井眼太小， 满足不了开采及后续修井等作业的要求。另外，井眼尺寸过大，相应的钻机设备、钻井 液及其它的材料费用就很大。而一种用于勘探和开采的新技术可膨胀管技术( 【7 】e t t - - e x p a n d a b l e t u b u l a r t e c h n o l o g y ) 则为以上难题提供有效的解决方案，因此它引起了人 们的注意并快速发展起来。 可膨胀管技术是利用机械成形或液压的方法，通过膨胀头( 使管体发生膨胀的器具) 由上到下或由下往上，使管柱发生永久塑性变形。可膨胀管包括可膨胀式割缝管( p l e s t - - e x p a n d a b l es l o t t e dt u b u l a r ) 和可膨胀式实体管( “j s t e s o l i dt u b ee x p a n s i o n ) 两种。可 膨胀割缝管由于有一系列串联的、交错的轴向割缝，所以胀形力低，膨胀率很高，可达 3 0 0 ，但机械性能较差：可膨胀实体管所需胀形力高，约为可膨胀割缝管的3 0 倍，膨 胀率低，一般管柱膨胀率仅为1 0 左右，而大部分实际场合并不要求管柱有大于9 的 可膨胀率，可膨胀实体管各项机械性能指标较高，符合a p l 5 c t 的要求。无论是可膨 胀割缝管还是实体管都是以常规的尺寸下入到井内的预定位置固定，然后用心轴使膨胀 管产生永久变形，最后通过注水泥固井或其它的配套工艺来达到不同的目的。 可膨胀管技术可以在很多场合得到应用：【3 j 第一是可膨胀的裸眼钻井尾管系统 ( 1 1 4 j e o h l - - e x p a n d a b l e o p e n h o l e d r i l l l i n e r ) 。它可用于解决环空泄漏和封堵有问题的区 域。第二是可膨胀的套管井段的衬管系统( 【“i e c h l - - e x p a n d a b l ec a s e d h o l el i n e r ) 。可 用于修补老井或己损坏井中数千英尺的套管，而且井眼损失非常小。也可用于腐蚀穿孔、 破裂裂纹裂缝、螺纹漏失的修复以及误射孔的补救等。它特别适合于修补大段的已腐蚀 套管以及进行侧钻和加深钻井作业。另外，这项技术可用来封隔用挤水泥之类的常规方 法未能封堵的射孔层段。第三是可膨胀尾管悬挂器系统( 1 1 4 e l h - - e x p a n d a b l el i n e r h a n g e r ) 。它是用可膨胀管形成尾管悬挂器，比常规尾管悬挂器和上封隔器更简单、经 济。其心轴仅仅一小段尾管来形成尾管悬挂器。与常规尾管悬挂器和尾管上封隔器相比， 这种可膨胀尾管悬挂器可延长平均故障问隔时间，减少维修费用。数据表明，多达4 5 6 0 的常规悬挂器在安装后都会出现水力泄漏。而可膨胀尾管悬挂器可大大减少水力泄 漏的发生。 1 1 2 可膨胀管技术的发展现状 两安石油人学硕士学位论文 1 9 9 0 年初，r o y a ld u t c hs h e l l 公司就开始了可行性研究。 1 9 9 3 年，r o y a ld u t c hs h e l l 公司在荷兰海牙进行了可膨胀管技术的最初试验。试验 中，焊接的套管被加工成一种特殊的可自动推进的钢制结构。通过试验，原始尺寸为4 英寸的套管大约膨胀了2 2 。 1 9 9 8 年7 月，1 1 4 o c t g ( o i lf i e l dc o u n t r yt u b u l a rg o o d s ) 研制成功可膨胀螺纹连 接，这使可膨胀管技术获得了突破性的进展。这项成果使到达更深的油层成为可能。在 国外，s h e l l 公司是这项技术最早的研究者，并已进行了多项实际应用。目前已成立了 可膨胀管技术服务公司。 1 9 9 9 年1 1 月，美国c h e v r o n 公司对可膨胀管进行了第一次现场应用，目的是裸眼 内封堵漏层，所用的可膨胀实体管长度为3 0 0 m ，膨胀管由1 9 3 7 m m 膨胀到妒2 4 4 5 m m 。 截至2 0 0 2 年8 月，国外共完成了5 3 次可膨胀管商业应用，膨胀管长度达到1 3 3 6 2 m 。 现场应用中，大部分内径膨胀率在1 1 1 5 ，膨胀套管长度在6 7 1 0 m 之间。 可膨胀管技术在我国起步较晚，国内2 0 0 0 年开始引入可膨胀管技术概念，目前只 是停留在跟踪阶段，其中，中国石油勘探开发研究院已完成了概念性试验，完成了两种 可膨胀管的试验。获得了膨胀率约为1 2 的膨胀管管材。国内该技术研究主要是集中在 可膨胀割缝管方面，实际应用仅限于套管补贴，使用的可膨胀套管为国外引进，成本高 且不能解决深井复杂井钻井问题。 1 2 可膨胀管技术( e t t ) 研究的关键内容 1 2 1 材料学研究 为了实现管材的膨胀及现场应用的可行性，必须对膨胀后管材的综合机械性能进行 研究，尤其是实体管，其材料必须具有足够的强度、良好的塑性、良好的冲击韧性和抗 腐蚀、磨损及断裂的性能。【7 】国外在这方面做了大量的研究工作，并对k 5 5 和l 8 0 两种 5 1 2 英寸套管膨胀6 以后的机械性能进行了测试，其机械性能有所降低，尤其是抗外 压能力下降了3 0 。经过工艺的改进后，抗外压性能大大提高，使综合机械性能满足 a p is p e c5 c t 钢的性能要求。 1 2 2 驱动系统( 膨胀头) 的研究 膨胀头的作用是促使可膨胀管膨胀，其作用力的大小与管柱的几何尺寸、壁厚以及 机械性能有关。目前研究应用的膨胀头包括固定式和可变径膨胀头两种，固定式结构简 单，但工艺性较差；而可变径式既能保证膨胀管的膨胀，操作起来也较简便。为减少驱 动时的摩擦阻力，膨胀头上应涂覆氧化锆涂层。 1 2 3 配套工艺研究 应根据可膨胀管的具体应用情况来完善相关工艺的可行性及工艺实旋过程，如扩 眼、注水泥、钻塞等都不同于常规的钻井技术。 1 3 可膨胀管膨胀过程的分析方法 第一章绪论 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是数值分析方法中应用最广泛并且最具有生命 力的一种方法。近二十多年来，人们在有限元的理论、单元类型、材料本构关系、接触 模型以及算法上进行了大量的研究，使它在金属成形分析中的应用范围不断扩大，从 7 0 年代到8 0 年代中后期主要还只能解决平面问题和轴对称问题，到了9 0 年代已能解 决较为复杂的三维问题。 有限元的基本原理是将欲求解未知变量的连续介质划分为有限个单元，单元用节点 连接，每个单元内的场变量通过插值函值由节点值确定，单元之间的作用力由节点传递， 根据虚功原理或变分原理建立单元的运动方程或刚度方程，然后对各单元进行集成而形 成问题的整体运动方程或整体刚度方程，最后进行数值求解得到基本未和量的节点值， 近而求得其它变量的值。 目前，有限元法已成为分析和研究金属塑性变形最主要的数值分析方法之一，与其 它的一些方法相比，有限元法有以下的优点： ( 1 ) 由于单元形状的灵活性，有限元法能适用于任何的材料模型，任意的边界条 件，任意的结构形状。金属材料的各种塑性成形过程，均可利用有限元法进行分析。 ( 2 ) 有限元法能够较好地处理诸如摩擦接触边界问题，这是其他方法无法相比的。 ( 3 ) 有限元法能够提供金属塑性成形过程中的详细信息，包括应力场，应变场， 速度场，等效应变分布等。 ( 4 ) 由于计算过程完全计算机化，可以求解大型复杂制件的成形问题。 同时，有限元法也有其不足之处，具体表现在： ( 1 ) 有限元法只能对工艺条件数值化表达后完全确定的成形问题进行分析，只能 得到离散的数值解，每个工艺因子对工艺的影响及其相互作用关系不易揭示清楚，需进 行多次计算进行对比分析才能得到。 ( 2 ) 有限元法计算量大，特别是进行大塑性变形分析时，需要较高性能的计算机 和较长的计算时间。 ( 3 ) 有限元法的准确性问题。由于有限元法是一种数值模拟计算方法，在计算过 程中存在多种产生误差的因素，如接触条件的处理和迭代收敛的处理等。 按照材料的本构关系，用于膨胀管成形分析的有限元方法可以分为两类：刚塑性有 限元法及弹塑性有限元法。由于可膨胀管成形过程涉及材料的回弹量及残余应力等问 题，所以选用弹塑性有限元法。 可膨胀管成形过程，主要表现为材料非线性，所以需采用增量或者速率形式的本构 方程进行求解。 1 4 本文的主要内容 本文的主要内容如下： 1 可膨胀管材料的选择及不同管材在不同工艺处理下的力学性能。 西安石油大学硕士学位论文 2 成形力( 使管体发生膨胀的力) 的产生和控制方法。 3 成形力的理论计算及最小胀形力大小的确定。 4 利用a n s y s 软件模拟可膨胀管成形过程，揭示膨胀过程中管体的应力应变分 布情况及成形规律，管体壁厚变化情况，不同工艺因素( 如膨胀头形状、膨胀头与管体 的摩擦系数) 对管材成形的影响。 5 比较有限元计算结果与既有的可行性资料，验证理论及有限元分析程序的正确 性，为工艺的设计提供科学依据。 第二章可膨胀管膨胀成形的影响冈素 第二章可膨胀管膨胀成形的影响因素 2 1 可膨胀管膨胀成形过程分析 将筒形件或管坯向外扩张成为曲面零件的成形方法称为胀形。纯胀形时管坯在胀形 压力的作用下产生双向拉伸，壁厚变薄而表面积增大。在可膨胀管成形的过程中，纯胀 形的应力应变状态只会使管壁变薄甚至开裂而得不到完整的膨胀后钢管，因而必须采用 胀形与挤压复合的工艺方法，即挤压胀形工艺。 成形力是管件成形和防止金属向内凹陷折叠所必须的内部压力。施加挤压力的目的 在于使管坯金属向变形区流动，不断补充管件膨胀所需的金属，抵消在胀形力作用下管 壁变薄的趋势。同时，管件端部还应施加有较大的平衡力，使变形区金属由两向拉应力 较大的应力状态变为两向压应力较小或三向压应力状态。只有在管坯内表面受到胀形力 作用、两端受挤压力和平衡力作用，且这三个力数值均较大，并保持合理的比较关系， 变形区金属才能处于较高的静水压力和有利于塑性变形的偏应力状态，获得超出常规成 形极限的大变形。 以可膨胀管的胀形为例，分析其成形过程。可膨胀管膨胀时，管体可按力学特性分 三个区域，分别为已变形区、变形区和传力区( 待变形区) 三部分。变形区受到双向异 号应力的作用：切向拉应力数值最大，轴向压应力盯，数值较小；切向伸长应变岛最 大，轴向压应变占，壁厚方向也存在压应变占，。 已变形区 变形区 传力区 图2 1 管体膨胀变形席力席变不意图 2 2 影响胀形的主要因素 可膨胀管成形过程的影响因素主要有： ( 1 ) 管材。主要包括材料的化学成分、金相组织和微观结构、管材的各向异性 等，这些因素对管材的塑性变形能力影响很大。 ( 2 ) 膨胀头的表面材料及胀头锥角。膨胀头的表面材料将影响成形过程中 的摩擦系数。膨胀头与膨胀管接触应力数值大，一般的润滑剂难以成形，易被挤出，从 而膨胀头表面处于干摩擦状态，局部凸起部分相互挤压，材料达到局部塑性变形，在高 的接触压力和因塑性变形及摩擦产生的热量作用下，原子之间相互结合在一起，产生所 谓的冷焊现象。在膨胀头与膨胀管相互滑动之时，此冷焊点易被拉开，因为膨胀头硬度 远大于膨胀管材料，滑动时部分膨胀管材料将被拉离膨胀管，留在膨胀头上，形成“粘 曲安石油大学硕士学位论文 结瘤”，其易拉伤管件，破坏膨胀管的表面质量，十分有害。 可膨胀管成形产生的缺陷主要有壁厚超差和破裂。壁厚超差是指某些局部区域的壁 厚变得太薄，超过允许范围。壁厚超差是由于金属变形严重不均所引起的，并常伴随颈 缩现象的发生。当变形进一步不均匀时，就会出现破裂。因此，应尽力避免颈缩的产生。 膨胀管膨胀时的锥角直接影响到胀形力和挤压力的分配。 ( 3 ) 成形中的摩擦。膨胀成形过程中，不同的摩擦系数将会产生不同的胀形力， 而润滑剂对于摩擦系数有着重要的影响。根据润滑剂隔离层的厚度和存在情况，可将滑 动摩擦分为三种基本类型：液体润滑摩擦、吸附润滑摩擦( 边界摩擦) 和干摩擦。除此 之外，在实际中还经常会遇到混合摩擦的情况，如半摩擦和半液体润滑摩擦。 在变形工具和变形金属的接触表面问存在较厚的润滑剂层( 大于分子距离的1 0 0 0 倍到l o o o o 倍) 时，产生液体润滑摩擦。液体润滑摩擦实际上是在液体润滑物质内产生 的内摩擦。在金属压力加工的情况下，由于接触表面上的压力很大，当润滑剂对变形工 具和金属的附着能力较低时接触表面间的润滑剂将被挤出，而形不成液体润滑摩擦。因 此，仅当润滑剂的粘度较大，能形成高强度的润滑薄膜时，才能得到液体润滑摩擦。 在金属压力加工中，接触表面上的压力很高，故表面间接合的很紧密，另外在变形 过程中有内部质点不断地迁移到接触表面上来，这些都使接触表面间的原子吸引力增大， 从而使接触表面间产生粘结的趋势增强。在有粘结的情况下，当沿接触表面产生切向滑 动时，必须切断粘结面。如果金属的粘结强度较高，则剪切变形将发生在变形金属表层 下较软的区域内。沿粘结面的切力即为摩擦力一部分。在变形区域内沿接触表面存在分 子吸引力，并产生局部粘结。 经过机械加工的金属表面而具有一定的不平度。不平度愈大，凸起愈高压入变形金 属内的深度愈大，表面沿切向位移所需的力越大。摩擦力主要由接触表面的机械咬合所 引起，所以表面越粗糙，摩擦力愈大。 金属压力加工中，在变形工具和变形会属的接触表面间，常有中问物质存在，形成 一定的隔离层，部分地或全部地屏蔽着纯金属的表面。这些中间物质主要为会属表面上 氧化皮、工艺润滑剂、水和尘埃等，对摩擦过程有很大影响。通常其强度大大地低于变 形金属。当沿接触表面产生滑动时，将在中间物质的隔离层内发生剪切变形。故在这部 分接触表面上，单位摩擦力取决于中间物质的剪切抗力。碳钢在空气中产生的氧化皮比 较薄( 一般小于o 1 m m ) ，同金属结合的较紧密。由于氧化皮比较硬，在变形区内不能 完全填补金属表面的凹凸不平。故金属表面的凸起仍将压入变形金属的表层，而形成接 触表面的机械咬合，并且在氧化皮破裂的地方，还将造成变形工具与变形金属表面的直 接接触甚至粘结。金属表面状态是影响摩擦系数的一个重要因素。 温度也是影响摩擦系数的一个重要因素。温度对摩擦的影响，主要是由于随温度的 变化，氧化皮的性质及厚度发生变化。在温度较低时氧化皮是脆性的，随温度的提高氧 化皮的厚度增大，摩擦系数增大，达到一定的温度后氧化皮开始软化，摩擦系数达最大 6 第二章可膨胀管膨胀成形的影响冈索 值。此后，随温度的提高氧化皮的塑性增大，摩擦系数减小。 膨胀速度对摩擦有较大的影响。随速度的增大摩擦系数减小，这是因为随着膨胀速 度的增大，金属接触表面间的滑动速度增大，而彼此的咬合减弱。 膨胀管成形时，由于膨胀管塑性变形和摩擦产生大量的热量，在膨胀管材料内产生 柯氏气团，位错被钉扎，难以产生运动，致使膨胀管塑性下降，同时高温下润滑剂的粘 度下降，润滑效果变差。此外由于膨胀管表面积增加，新生的金属面粗糙度差，且无润 滑膜保护，故要求润滑剂能及时补充，形成保护膜。 有低碳钢无缝钢管生产工艺中，目前多采用酸洗、磷化、皂化处理，即将膨胀管酸 洗后，浸入磷酸或磷酸盐溶液中，在一定的温度下浸泡一定的时间，使之在膨胀管表面 生成一种多孔层状磷化膜，随后将膨胀管浸入皂化液中，使皂化液浸入到多孔的磷化膜 中，经干燥处理后，皂化润滑剂牢固地粘附在膨胀管表面上。在拉拔时，膨胀管与膨胀 头之间的相对运动就主要在此润滑膜内进行，从而避免了膨胀管基体与胀头之间的直接 接触。 ( 4 ) 变形速度。相对变形对于时间的导数称为变形速度，也可表示为变形工具 在变形方向上的运动速度与运动距离的比值。即h = v h ，其中y = d h d t 。欲使大量的 原子定向地由原来的稳定平衡位置移向新的稳定平衡位置，必须在物体内引起一定的应 力场，以克服力图使原子回到原来平衡位置上去的弹性力。可见，物体有保持其原有形 状而抵抗变形的能力。度量物体的这种抵抗变形的能力的力学指标为塑性变形抗力。变 形速度对变形抗力的影响极大，通常随变形速度的提高变形抗力随之增大。根据强化一 一恢复理论，在塑性变形过程中在变形余属内有两个相反的过程强化过程和软化过 程( 恢复和再结晶) 同时存在。由于软化过程是以一定速度在进行的，变形速度愈大软 化过程愈来不及充分进行，金属强化的越严重，因此随变形速度的提高变形抗力逐渐增 大。此外，在塑性变形过程中有非晶扩散塑性机理存在，即原子的迁移是无序的，所以 变形速度与变形抗力是同向变化。 变形速度对金属强化的影响可用图2 2 中的曲线来表示。如图所示，在变形速度较 小时，强化强度随变形速度的提高而增大，当强化强度到达最大值后，变形速度对强化 强度的影响开始减少。这是由于变形速度较高时温度效应丌始显现，原子储存能得到释 放。 西安石油人学硕士学位论文 强化强度 变形速度 图2 2 变形速度对金属强化的影响 ( 5 ) 变形程度。变形程度是影响变形抗力的一个重要的因素。在冷状态下由于 金属的强化( 或称加工硬化) 随变形程度的增大变形抗力显著地提高。加工硬化是金属 随变形程度的增大所呈现的强度指标( 屈服极限、强度极限及硬度等) 增大，塑性指标 ( 相对延伸率，数据面收缩率及冲击韧性等) 降低，物理及化学性能发生变化等现象的 总称。 由于金属的基本变形机理是滑移，金属的加工硬化通常认为是由于在塑性变形过程 中空间晶格产生弹性畸变所引起。金属空间晶格的畸变会阻碍滑移的进行，畸变的愈严 重塑性变形愈难于产生，金属的变形抗力愈大，塑性愈低。随着变形程度的增大，晶格 的畸变增大，滑移带将产生严重弯曲，在滑移带中晶体将碎化为微晶体同时产生微观裂 纹，进一步使金属的变形抗力增大，塑性降低。 变形抗力随变形程度增大而增大的速度，一般用强化强度来度量。强化强度可用真 实应力曲线上相应点上的切线的斜率表示。在同样的变形程度下，对于不同的金属强化 强度不同。低碳钢与中碳钢在总变形程度达3 0 一5 0 之前，变形抗力随变形程度的增 加增大的较快，即强化强度较大，而后则强化强度减小。实验表明，随变形程度的增大 屈服强度比抗拉强度增大的快。因此，随变形程度的增大屈服强度与抗拉强度的差值不 断减小。 根据对实验资料的分析，在冷状态下金属的强度指标盯( 屈服极限盯。，强度仃。， 硬度l i b ) 与相对变形s 间的关系可用幂函数表示 仃= 盯h + 0 占” 式中盯。表示占= 0 时的金属强度指标 a ，n 表示与金属性质有关的常数 金属不仅在冷状态下在变形过程中产生强化，在热状态下亦有强化产生。在热状态 下，随变形温度的提高金属的强化强度逐渐减少。这是由于随温度的提高，软化( 恢复 第一二章可膨胀管膨胀成形的影响冈素 和再结晶) 速度增大的原因。 在变形程度较小时，随变形程度的增大变形抗力的较快，即强化强度较大。在变形 程度约等于2 0 一3 0 时变形抗力即差不多达到强化极限，此后变形再增大变形抗力基本 保持不变，或者有所降低。此外，在热状念下由于金属中的软化过程比较强烈，非品扩 散塑性机理也比较明显，变形速度对强化的影响较大。随变形速度的提高强化强度明显 增大。 硝安石油大学硕士学位论文 第三章可膨胀管材料的选择 3 1a p i 标准中有关油井套管的规定 a p is 屈服强度( m p a )脓坏强度x m p a ) 级别 歹，一 j 5 53 7 9 5 5 25 1 7 k 5 53 7 95 5 26 5 5 n 8 05 5 27 5 86 8 9 l 8 05 5 26 5 56 5 5 p 1 1 07 5 89 6 58 6 2 a p i 标准为油井用套管的设计，生产，实验，检测和使用制定了一系列的技术规范。 其中包括每英尺重量，长度范围，外径，壁厚，内径规长度与直径，钢级，水压实验压 力及炼钢方法之类的特性。另外，a p i 标准还规定了螺纹联接接头及相应的加厚端的强 度尺寸，并规定了抗内压屈服，抗挤毁与抗拉强度的额定值。 油井用套管在实际油气钻采环境条件下受力复杂，在分析套管受力时应考虑如下作 用力或其相互间的组合： ( 1 ) 套管管柱自重引起的轴向拉力 ( 2 ) 油气井下的围岩压力 ( 3 ) 泥岩膨胀和蠕变产生的挤压力 ( 4 ) 地壳运动，地震和滑坡产生的弯曲或挤压 ( 5 ) 盐层蠕变压力 ( 6 ) 套管内泥浆，水，油或气的内压 ( 7 ) 高温热应力( 如热油采井) ( 8 ) 射孔弹的冲击力 对应上述套管的受力情况，在实际生产中套管可能发生的失效形式有： ( 1 ) 套管管柱螺纹联接滑脱 ( 2 ) 套管管体错断 ( 3 ) 外压挤毁 ( 4 ) 内压爆破 ( 5 ) 密封泄漏 ( 6 ) 介质腐蚀失效 ( 7 ) 疲劳失效 ( 8 ) 射孔开裂 3 2 油井套管的主要力学性能 1 0 第三章可膨胀管材料的选择 油井套管的力学性能主要是指强度，冲击韧性以及硬度和抗内外压能力。强度是指 物体在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。由于承受载荷的不同，金属的强度 可分为拉伸强度，压缩强度，弯曲强度和剪切强度等几种。在实际应用中，油井套管以 拉伸强度为主要的力学性能指标，其包括抗拉强度和屈服强度。抗拉强度表示材料抵抗 外力而不致断裂的最大应力，屈服强度表示材料抵抗开始产生塑性变形的应力。油井套 管不但要求具有较高的抗拉强度，并且要求有较高的屈强比( 屈服强度与抗拉强度的比 值) ，从而有效提高材料强度的利用率，不致于产生塑性变形后不久材料开始断裂。油 井套管的强度与其材料及热处理有关。 油井套管在使用过程中会遇到冲击载荷的作用，因此，冲击韧性也是油井套管的一 个重要力学性能指标。冲击韧性是指金属抵抗冲击载荷而不破坏的能力，它是以试样冲 断时缺口处单位截面所消耗的功来表示的。一般来说，强度，塑性两者均好的材料，冲 击韧性也高。材料的冲击韧性主要与其化学成分、显微组织、加载速度、温度、试样的 表面质量( 如缺口，光洁度等) ，材料的冶金质量有关。加载越快，温度越低，表面质 量越差，则冲击韧性越不好。另外，在能量不大的情况下，材料承受多次重复冲击的能 力，主要取决于强度，而不是取决于冲击消耗功。可见，提高强度能有效地改善材料的 冲击韧性。 硬度是材料的重要性能之一。所谓硬度是指金属表面上不大体积内抵抗变形或抵抗 破裂的能力。实践证明，硬度值与强度值之间有近似的相应关系。硬度值的大小是由抵 抗塑性变形的能力决定的。材料的强度越高，抵抗塑性变形的能力越高，硬度值也就越 大。 抗内压能力指的是在管内压力作用下，油井管破裂时的内压值。可以通过静水内压 考察油井管的抗内压能力。a p i 标准是以油井管开裂前的最小静水内压规定为该油井管 的抗内压能力。 当在外压作用下，油套管柱中某管体局部薄弱处先出现弹性变形，随着弹性变形发 展到一定程度，管体内亦相应地产生塑性变形，此时油套管尚不具备承载能力，油套管 的这一力学形式即为抗外压能力。一般地，油套管的抗挤毁额定值决定于该管的外径， 壁厚和钢级。此外，油套管的抗挤毁额定值是随着壁厚的增加而超乎比例地增加，这与 随着壁厚的增加而成比例增加的内压屈服额定值不同。因而在实际生产中，对一种额定 抗挤毁强度较高的油套管的要求，可以通过选用该级别油套管的较厚壁厚的钢种来满足 要求。影响油套管抗挤毁性能的主要因素是几何缺陷的作用，它包括油套管管体的椭圆 度和偏心度。 由以上讨论可知，在选择满足油井套管力学性能的可膨胀管材料时，应优先考虑材 料的屈服强度及抗拉强度，应制定合适的工艺来提高可膨胀管的屈服强度及抗拉强度， 使其有较高的屈强比。 3 3 可膨胀管管材的成形性能 西安7 i 油大学硕士学位论文 金属塑性变形的能力是有限的，变形到一定程度就会受到起皱、颈缩和断裂等缺陷 的限制，成形极限为金属在塑性变形过程中均匀流动终止而产生上述任一缺陷时的变形 程度，成形性能是金属适应各种成形加工过程的能力。起皱产生于某个方向压力过大产 生失稳的场合；颈缩产生于在拉伸载荷作用下由均匀流动转变为局部流动时；断裂则是 一种分离过程，可能表现为工件边缘的小裂纹或是贯穿整个工件的破裂。它可能在拉伸、 压缩、剪切等状态下产生。具有最佳成形性能的金属材料应具有如下特征：应变分布均 匀：承受较大压应力而不起皱；能达较高应变而无颈缩和断裂；能承受较大剪应力而不 断裂；回弹较小；保持表面光洁，阻止表面损伤。 在可膨胀管成形过程中，影响成形极限最重要的因素是材料的硬化特性，变形历史 和应力状态。 3 3 1 管材对成形性能的影响 影响材料成形性能的主要因素是应变硬化指数( n ) 值和应变速率强化指数( m ) 值。应变硬化指数表征材料抵抗继续变形的能力，它的大小表示材料发生颈缩前的依靠 硬化使材料均匀变形能力大小。r l 值大，意味着因硬化而使应变均匀分配的能力大。如 果做为可膨胀管的管材没有足够的形变硬化能力，则在均匀变形量还很小的时候会过早 发生局部变形而出现颈缩，最终导致发生断裂。 材料的单向拉伸实验所得到的应力应变曲线可分为弹性变形区和塑性变形区。其 中，塑性变形区又分为稳定阶段和失稳阶段。失稳阶段进一步分为分散性颈缩阶段和集 中性颈缩阶段。分散性颈缩阶段出现的标志是在曲线上力达到最大值，集中性颈缩阶段 开始的点则是曲线的拐点。可膨胀管膨胀变形中希望弹性变形越小越好，这样膨胀管回 弹量小。若可膨胀管的某区域出现局部颈缩，该处的壁厚会严重变薄，这样有撕裂的危 险。因而与可膨胀管成形性能直接相关的只包括分散性颈缩和集中性颈缩两部分。 塑性流动应力盯的大小与变形程度s 、应变速率v 、变形温度t 及晶粒尺寸d 等因 素有关，可记为：盯= f ( e ，v ，t ，d ) ，对于室温条件及组织状态很少变化的情况，有 d 盯：娑d c + 孚d v ，上式变换后可得坐：( 譬三) d s + ( 警兰) d v ，材料的应变硬化指 o so v8o o o v6 数n = d d ( ( i l n n t f r ) ) ，应变速率强化指数m = 号器等，对上式积分，得a = 知”v 。大量实验 表明，上式所表示的应力应变的数值关系是在误差允许的范围内，式中的a ，几m 是由材 料决定的常数。 在单向拉伸实验力行程曲线的均匀变形区，用均匀伸长率巧。表示试样的变形程 度。根据体积不变，试样截面面积的微分为：d a a 。f l ：。d l 一，f 是试样的瞬时长度，a 第三章可膨胀管材料的选择 及f 0 是试件原始横截面积和长度。由拉伸力f = 甜，则有：d f = a d f f + e r d a 。考虑到 在最大载荷点d f ：o 和应变的定义s ：譬，可得：盯：宰。可认为应力应变呈指数关 d 系：o - = 妇“，故可求得材料在出现失稳时，e = n = l n ( 1 + 五) ，它推出了应变硬化指数n 和均匀伸长率最的关系。在试样均匀拉伸时，发生塑性变形处会立即产生强化，使该处 变形困难，从而把变形转移到末变形的区域，直到某处的形变强化能力耗尽，变形就会 集中到该部分，形成初始颈缩，使拉伸图中产生最大载荷点。在最大载荷点之后的扩散 颈缩区，亦即次均匀变形区，变形将取决于材料的应变速率强化能力；即m 值的大小。 当变形存在初始颈缩处集中的趋势时颈缩处应变速率急居4 增加，若材料有较高的值时， 则可造成初始颈缩处突然强化，使变形在其它位置发生。颈缩的不断转移和扩散，导致 了次均匀变形的形成。 由应力和应变速率的关系式仃：三：c v m 和体积不变原理l ，：竺：一! 尘，可得： a f d fa d f 。土1 竿：一f 妥r a 。二，这显示了面积收缩率和应变速率强化指数的关系。 对于不锈钢、铝材、低碳钢等塑性好的材料，次均匀伸长率万：与m 存在如下关系 m = 0 0 0 3 + o 0 0 2 峪2 。综合以上公式，对于高塑性材料的拉伸变形，可认为极限应变 ，= n + l n ( 5 0 0 m + 0 。8 5 ) 。”值和m 值决定了材料分配应变的能力。 3 4 可膨胀管管材的要求 综合以上分析，要实现膨胀管良好的膨胀成形，对膨胀管管材应有以下要求： ( 1 ) 在符合a p i 标准的前提下，屈服极限及变形抗力尽可能地低，以减小胀形力。 ( 2 ) 材料的冷作硬化敏感性越低越好。 ( 3 ) 材料应具有较高的塑性。 ( 4 ) 材料的化学成分应要求严格。其碳、锰、硅等的含量应较低，一般来说，硫、 磷的含量应小于o 0 6 ，氮、氧亦应尽量降低。 ( 5 ) 材料应具有较高的抗挤毁能力。 目前可用于膨胀管的金属材料主要有：碳素钢、低合金钢、不锈钢和油井用套管材 料。为了减少膨胀时的摩擦，改善膨胀变形的均匀性，应对膨胀管进行表面处理与润滑。 碳素钢和合金结构钢通常采用磷酸盐处理( 磷化处理) ：不锈钢采用草酸盐处理。 经磷化处理后的碳素钢和合金结构钢需进行皂化润滑处理，经草酸盐处理的不锈钢以 8 5 的氯化石蜡加3 的二硫化钼作为润滑剂进行润滑。 西安t i 油大学硕十学位论文 第四章可膨胀管管材性能实验 4 1 实验方案的制定 做为可膨胀管技术基础研究的一部分，管材的选取是至关重要的。必须对管材进行 合理选择及测试，使其达到a p i 标准规定的力学性能。 从文献资料可知，现有的油井用套管或石油管线用钢均可作为可膨胀管的管体材料， 如l s o ，k 5 5 ，x 5 2 ，它们均满足a p i 标准对于油井套管的各项性能要求。国外虽然已对 l s 0 、k 5 5 进行过膨胀实验，并且给出了具体实验结果，数据表明其做为可膨胀管材料 是可靠的，但是并不知道处于供货状态的油井套管用钢是甭可以直接进行膨胀成形，所 以，此次实验选取制定了不同方案来比较、验证不同材料的力学性能( 主要是强度和塑 性指标) 。 4 1 1 管材的热处理及时效工艺 通过适当的热处理工艺可提高材料的塑性，而时效工艺则是模拟实际应用中的环境。 经过合适的热处理及时效后，材料可达到既有较高塑性又有较高强度的性能。 实验材料采用7 英寸n 8 0 、j 5 5 油井套管。制定的热处理及时效 二艺如下： ( 1 ) 热处理工艺一： 加热温度t = 5 0 0 c ； 加热速度v2 5 0 c m i n ； 保温时问t 2 1 h ； 1 小时后出炉空冷至室温。 ( 2 ) 热处理工艺二： 加热温度t = 5 5 0 9 c ： 加热速度v 2 5 0 。c m i n ： 保温时间t2 l h ； 1 小时后出炉空冷至室温。 ( 3 ) 时效工艺一： 加热温度t = 1 2 0 。c ： 加热速度v 2 1 2 。c m i n ： 保温时间t2 8 h ； ( 4 ) 时效工艺二： 加热温度t = 1 2 0 c ： 加热速度”21 2 。c m i n ； 保温时间t2 2 4 h ： 4 1 2 具体实验方案 第四章可膨胀管管材性能实验 ( 1 ) 试验目的：比较不同膨胀量的可膨胀管管材在不同的热处理状态下的力学性能。 ( 2 ) 试验设计：采用正交设计方法( l 2 7 ( 3 1 3 ) ) 确定试验的次数，正交设计见表一及表 一： 表4 1 试验设计表头 表4 2 正交表 承乎 l23 因素 膨胀量( a ) 3 6 9 热处理( b ) 不处理5 0 0 5 5 0 时效( c ) l23 ( 3 ) 试样的分类标定 对不同热处理状态及变形程度的试样进行标记、分类。具体分类办法见表4 3 表43 试样的标记 标记号热处理状态膨胀量时效方式 o 1不热处理无无 o 2 热处理5 0 0 ，l h无无 0 3 热处理5 5 0 ，l h无无 l 不热处理膨胀3 时效1 2 0 ，8 h 2 膨胀6 同上 3 膨胀9 同上 4 膨胀3 时效1 2 0 ，2 4 h 5 膨胀6 同上 6膨胀9 同上 7 膨胀3 时效1 2 0 ，4 8 h 8膨胀6 同上 9膨胀9 同上 1 0 热处理5 0 0 ，l h 膨胀3 时效1 2 0 8 h 1 1 膨胀6 同上 1 2 膨胀9 同上 1 3膨胀3 时效1 2 0 ，2 4 h 1 4膨胀6 同上 1 5 膨胀9 同上 1 6 膨胀3 时效1 2 0 ，4 8 h 1 7 膨胀6 同上 1 8 膨胀9 同上 阿安石油人学硕士学位论文 1 9 热处理5 5 0 1 h膨胀3 时效1 2 0 ，8 h 2 0 膨胀6 同上 2 1 膨胀9 同上 2 2 膨胀3 时效1 2 0 ，2 4 h 2 3 膨胀6 同上 2 4 膨胀9 同上 2 5 膨胀3 时效1 2 0 ，4 8 h 2 6 膨胀6 同上 2 7 膨胀9 同上 ( 4 ) 拉伸试验 制备试样：对表三中各类材料依照g b 6 3 9 7 8 6 制备管材试样，每类试样制备3 根； 试验：依照g b 2 2 8 8 7 进行拉伸试验： 数据分析：测定试样的屈服强度仃。、抗拉强度吼、延伸率占( 根据拉仲试验标准， 薄板、带材试样，圆管材的全截面或纵向弧形试样或复杂横截面试样及中 3 m m 圆形试 样，一般不测v ) ，并描绘试样的应力一应变曲线。 ( 5 ) 冲击试验 制备试样：对表三各材料依照g b 2 2 9 8 4 制备管材试样，每类试样制备3 根； 试验：依照g b 2 2 9 8 4 进行冲击试验： 数据分析：测定试样的冲击韧性值a k u 。 4 1 3 实验方案的补充说明 ( 1 ) 为了模拟实际生产中油管所处的环境状态，选取时效温度为1 2 0 ； ( 2 ) 方案中所涉及的膨胀量是指对试样进行不同程度的预拉伸，目的在于测试经过 不同处理的材料在不同的膨胀量后的力学性能。由于无法精确控制试样的预拉伸量，所 以实际试验中的预拉量只是接近方案中的数值。 4 2 实验过程 ( 1 ) 试样的准备试样取材于7 英寸的j 5 5 、n 8 0 油井套管。首先采用氧一乙炔气割获 得留有加工余量的试样，经打磨，去渣后，转入精加工，精加工采用车、铣方法，最终 得到符合g b 6 3 9 7 8 6 、g b 2 2 9 8 4 标准的拉伸试样和冲击试样( 试样尺寸及要求见图4 1 ， 图4 2 ) 。根据冲击试样的国家标准g b 2 2 9 8 4 及g b 2 1 0 6 8 0 ，选用夏比v 型缺口试样。 由于得到的n 8 0 可膨胀管的原始壁厚只有1 0 m m ，故试样尺寸选为5 1 0