膨胀波纹管设计探讨

摘 要：奥陶系储层是塔河油田主要目的储层之一，埋藏深，过去主要以直井开发，Φ177.8 mm套管多下至奥陶系目的层顶部。随着开发的进行，多数油井进入高含水和低产低效期。利用长期停产无潜力井、低产低效井进行侧钻，可以实现与周边储集体的定向沟通，提高储量的动用程度，是实现该类油藏高效开发的有效手段。为满足避水要求，侧钻时需上提造斜点至石炭、泥盆系地层，致使斜井段钻遇巴楚组和桑塔木组大段不稳定泥岩。

关键词：膨胀 波纹管 变形 选形

中图分类号：U173.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0100-02

该泥岩受地应力和水化影响，浸泡超过20天后垮塌掉块严重，致使钻完井过程中出现阻卡、甚至管柱无法下到位，影响了后期完井等作业。为了确保该段井眼稳定，建立钻井、完井和采油的有效通道，同时实现现有Φ149.2mm井眼完井，理想方式是以通径为Φ149.2mm的膨胀管封隔，该文开展深井膨胀波纹管封隔泥岩技术的选材研究。

1 材料优选原则

确定了膨胀波纹管材料选择的原则：

（1）高均匀塑性变形能力，即均匀变形延伸率≥15～20%。

（2）加工硬化效果显著，屈强比低，，其中表示屈服强度、表示抗拉强度。形变硬化指数n=0.2左右；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；形变硬化指数n是一个常用的材料性能指标，n值的高低表示材料发生颈缩前均匀变形能力的大小。膨胀波纹管在制管和膨胀变形中，必须要具备能够产生均匀变形而不破坏的能力，因而其材料要具有较大的形变硬化指数。

（3）拉伸曲线无屈服平台（图1）或屈服不明显。

（4）强度高，且制管加工容易实现。

2 实验材料选择

根据以上原则，在现有的钢管产品中，选取了Q235、J55、16Mn、YS1、YS2共5种材料进行比较，钢管材料随着变形量的增大，抗拉强度增高，说明存在一定的加工硬化。这些钢管的抗拉强度经变形后有一定程度的下降，这可能会影响材料的抗挤强度。在延伸率方面，相比Q235和J55，其他3种钢管材料经过较大塑性变形后，材料仍保持较高的延伸率，仍有较大的塑性储备。

3 管材变形前后特性评价

管材变形前后力学性能变化为了对比钢管变形前后力学性能的变化，采用板状拉伸试样（图2）在拉伸试验机上对各种管材进行了拉伸实验测试。

4 管材变形前后金相组织分析

利用管材的金相组织分析来观测合金的成分、热处理工艺、冷热加工工艺对金属材料的内部组织、结构的变化影响，对YS2、Q235、J55等5种管材进行检验，提供调整工序及修改工艺参数的根据。

（1）YS2管材。

YS2管材存在明显的珠光体和铁素体带状组织，金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分布的组织，即形成带状组织。带状组织的危害：带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向。形成带状组织的原因各不相同，归纳起来大致有2种原因：①由成分偏析引起的带状组织。即当钢中含有磷等有害杂质，在压延时杂质将沿着压延方向伸长。当钢材冷至Ar3以下时，这些杂质就成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布，随后珠光体也呈带状分布。这种带状组织很难用热处理的方法加以消除；②由热加工温度不当引起的带状组织，即热加工停锻温度于二相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏体转化为带状珠光体，这种组织可以通过正火或退火的方法加以消除。

（2）Q235钢管材。

Q235钢的组织主要为等轴的铁素体加少量的珠光体，在不同温度下进行热处理的组织有所不同，900℃下铁素体的含量相对较高，这是因为较低的温度，可提高形变能和促使奥氏体的不稳定性加剧。高温下，一方面形变能累积效果减弱，另一方面很难发生奥氏体向铁素体转变，但不排除奥氏体的动态再结晶。两种温度下，尽管金相组织看起来差别不大，但应该注意的是，较低的温度，在冷却时可以使铁素体晶界处的马氏体和残余奥氏体组织将转变成稳定的索氏体或屈氏体等组织，这样拉伸过程中形变的协调性显著得到改善，致使室温力学性能提高。

（3）J55 钢管材。

J55钢显微组织为均匀细小的铁素体加珠光体和少量贝氏体，没有出现混晶现象，铁素体平均晶粒度10.5～11.5级。J55钢在高温变形后出现了明显的带状组织，这主要是由钢中的Mn、P造成的。Mn、P是易偏析元素，在热轧钢中极易在板厚中心偏析，生成低温转换硬显微组织带，带状组织会导致材料的性能下降，如有氢原子存在的环境，会使氢原子在珠光体偏析带上聚集，结合成氢分子，并与此处高密度的位错发生交互作用，促进氢致裂纹在珠光体偏析带上的萌生和扩展。由于该钢塑性储备降低，故在膨胀变形后，其抗挤压强度会下降。

（4）16Mn钢管材。

16Mn钢经余热热处理的试样外表面有回火索氏体组织，是由表面快冷得到马氏体后，试样内部的热量传递到外表面对其回火所致。其范围为1.2～1.5mm。其心部组织为珠光体+铁素体，与热轧态的金相组织相比，晶粒较细小。回火后钢内部的强度下降，塑性有很大改善。在回火过程中，马氏体分解，使马氏体中碳的固溶强化作用减弱，显微硬度下降。铁素体在回火时，过饱和的碳将重新分布，以渗碳体的形式析出并不断长大；同时铁素体中的淬火空位也不断合并长大，从而减弱固溶强化和沉淀强化效果，使铁素体的显微硬度值下降，此外在马氏体转播时被形变硬化的铁素体回火过程得到恢复也使其显微硬度下降。马氏体在变形回火过程中变弱，使马氏体与铁素体的变形协调性增大，铁素体首先变形穿过F/M 相界传到马氏体中去，减轻了相界处的位错塞积，直到两相都达到较大的变形后才颈缩，因而有助于提高延伸率。

（5）YS1钢管材。

YS1钢的金相组织是铁素体和珠光体。其中的珠光体是由呈薄片状的铁素体和渗碳体交互排列，从而具有良好的力学性能。变形后，珠光体出现了一定的球化，珠光体内呈片状、表面积较大并处于高能量状态的碳化物在常温下是稳定的。但在高温、应力长期作用下，原子扩散速度加快，具有高能量的片状碳化物自行向低能量的球状碳化物转变并进一步聚集长大。所以球化是金属在长期高温作用下的一种组织变化的必然过程。这种组织有利于产生较大塑性变形，所以，此种钢塑性储备较大，利于进行膨胀变形。

通过膨胀波纹管的选材研究，从现有7 684钢管产品中，选取了Q235、J55、16Mn、YS1、YS2等5种钢管作为膨胀变形试验材料，进行了拉伸变形试验和材料膨胀前后的金相组织分析表明，它们均存在带状组织，这会增大材料的各向异性效应。根据上述分析研究，综合考虑膨胀波纹管的强度要求，选取YS2、16Mn、YS1钢管材作为研究的初选管材。

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