国产80钢级SEW膨胀管实物试验研究

韦奉1，2，毕宗岳1，2，李远征1，2，唐俊1，2，王涛1，2，苏琬2

国产80钢级SEW膨胀管实物试验研究

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韦奉1，2，毕宗岳1，2，李远征1，2，唐俊1，2，王涛1，2，苏琬2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡721008）

对国产80钢级SEW膨胀管（BX80）进行了实物膨胀试验，并对其膨胀后的规格尺寸、力学性能、抗挤强度等进行了研究。结果表明：国产BX80膨胀过程压力较低且保持平稳，膨胀后管材仍具有良好的强度、塑性及韧性匹配，其力学性能和抗外挤强度指标均满足API Spec 5CT—2012、API TR 5C3—2008等标准要求，说明国产BX80膨胀管易于膨胀且膨胀后的使用性能优良，可满足工程应用要求。

膨胀管；SEW；80钢级；膨胀性能；力学性能；抗挤强度

膨胀管技术因其具有优化井身结构、降低钻采成本、节约作业时间、快速恢复生产、提高单井产量等优点倍受油田用户青睐，在油气勘探与开发中发挥越来越重要的作用。该技术在国外已成功应用于修井、完井、甚至钻井等作业，并取得了较好的效益［1-3］；在国内，膨胀管技术也已成为修井和钻遇特殊地层处理的重要手段，并逐渐向裸眼井的侧钻、完井等方向发展［4-6］。

目前，国内的膨胀管主要以20G无缝钢管为主，虽然塑性高但膨胀后的强度和韧性较低，尤其是夏比冲击吸收功（0℃，全尺寸）小于10 J［6］。过低的冲击韧性使其在运输、吊装、安装和服役等过程中的抵抗冲击载荷的能力较差，极易在冲击作用下产生微裂纹，从而导致服役过程发生开裂甚至断裂［7-9］，存在较大的安全隐患，仅局限于要求不高的套损补贴等简单应用。因此，在某些特定领域的作业，较低钢级且强韧性匹配差的膨胀管的应用往往无法完全满足油田用户的需求，如深井、超深井及完井射孔等；采用更高钢级且强度、塑性及韧性匹配良好的膨胀管，是增加作业深度和扩大作业范围的有效途径。

本研究针对宝鸡石油钢管有限责任公司（简称宝鸡钢管）研制开发的80钢级SEW（Hot Stretchreducing Electric Welding，热张力减径电阻焊）膨胀管（牌号为BX80），开展了不同内径膨胀率的实物膨胀试验，对其膨胀性能及膨胀后的尺寸变化、力学性能、抗外压挤毁强度等进行了检测分析。

1 试验方法

试验材料是宝鸡钢管自主研制的规格为Φ139.7 mm×7.72 mm的BX80膨胀管。该管材以高洁净度、高尺寸精度控制的中低碳微合金钢热轧卷板为原料，先通过精密成型及HFW（High Frequency Welding，高频焊）焊接制成Φ193.7 mm×7.34 mm母管，再经中频感应加热将HFW母管快速加热到管材的奥氏体化转变温度AC3以上50~100℃，而后经轧管机组进行全管体热轧、减径得到所需规格的管坯，最后经全管体特殊热处理得到所需的组织和性能。BX80膨胀管的化学成分见表1。

表1 BX80膨胀管的化学成分（质量分数）%

试验选用的膨胀锥定径区直径分别为136.4 mm与143.3 mm，膨胀锥角均为15°，对BX80膨胀管进行了模拟补贴Φ177.8 mm套管的膨胀试验，预期膨胀率（内径扩大率）分别为9.8%和15.3%。膨胀前，首先对钢管内表面进行了喷砂、除锈及均匀涂抹润滑脂处理，然后分别将4根膨胀管短节（约3 m/根）通过直连型特殊螺纹连成每组约12 m长的钢管，总共连成2组并水平放置，最后采用以上两种规格的膨胀锥分别进行纯液压式实物膨胀试验；同时，为了更深入了解BX80膨胀管的膨胀性能，再采用Φ136.4 mm的膨胀锥对相同外径的BX80膨胀管、20G无缝钢管及某进口55钢级膨胀管短节（约2 m/根）进行了纯机械式实物膨胀试验。实物膨胀试验方案见表2。

表2 实物膨胀试验方案

沿试验管的管体纵向取尺寸为25.4 mm×50.8 mm（减窄区宽度×标距）的拉伸试样，在ZIWCK 1200E型电子万能试验机上依据GB/T 228—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准［10］进行拉伸试验测试。冲击试样采用半尺寸，即55 mm×10 mm×5 mm，在PSW750 Zwick/Roell冲击试验机上测试吸收能。依据GB/T 20657—2011《石油天然气工业套管、油管、钻杆和用作套管或油管的管线管性能公式及计算》标准［11］（等同于API TR 5C3—2008标准）在外压挤毁系统对膨胀后的钢管进行了抗外压挤毁试验。

2 试验结果与分析

2.1 尺寸变化

试验管膨胀前后尺寸变化情况的测量结果（平均值）见表3。

表3 试验管膨胀前后的尺寸变化情况（平均值）

从表3可见：在不同的膨胀方式下，采用同规格膨胀锥的实际膨胀率并不一致，液压式膨胀的实际膨胀率明显高于机械式膨胀，而后者与预期膨胀率基本一致。例如，BX80采用Φ136.4 mm膨胀锥进行液压式膨胀后的实际膨胀率为11.5%，高于其机械式膨胀率（9.8%）；采用Φ143.3 mm膨胀锥的实际膨胀率为17.0%，也明显高于预期膨胀率（15.3%）；同时，液压式膨胀的壁厚减薄程度也明显要高于机械式膨胀。这可能是在整个液压式膨胀的过程中管内一直存在液压力，导致其塑性变形程度比机械式膨胀的高。此外，在相同的机械式膨胀条件（Φ136.4 mm膨胀锥）下，BX80膨胀管的壁厚减薄率仅为3.6%，远低于20G无缝钢管（9.0%）及进口55钢级膨胀管（7.4%），而较低的壁厚减薄幅度有助于保持管材膨胀后仍具有较高的抗外压挤毁能力。

2.2 膨胀压力

膨胀压力的大小是衡量套管膨胀（变形）难易程度的重要性能指标之一。试验管膨胀过程的膨胀压力测试结果分别如图1和表4所示。

图1 BX80膨胀管液压式膨胀过程的膨胀压力曲线

表4 试验管膨胀试验的膨胀压力

从表4可以看出：BX80液压式膨胀在11.5%、17.0%膨胀率下的膨胀压力（平均值）分别约为28.5 MPa和33.5 MPa，除了过螺纹处膨胀压力略有波动外，其余整个膨胀过程的压力保持平稳；在相同的机械式膨胀条件（Φ136.4 mm膨胀锥）下，BX80膨胀管的膨胀力为458.9 kN，比进口55钢级膨胀管高13%，比20G无缝钢管高27%；表明BX80膨胀管具有优良的膨胀性能。

2.3 力学性能

管材膨胀后的力学性能达到相应钢级、规格套管和油管的API Spec 5CT—2012《套管和油管规范》（第9版）［12］等标准要求，是确保膨胀管实现工程化应用的重要条件。试验管膨胀前后的力学性能测试结果见表5；采用Φ136.4 mm的膨胀锥进行机械式膨胀前后的夏比冲击（0℃、半尺寸）试验，其测试结果见表6。

从表5~6可见：管材发生塑性变形膨胀后，由于材料冷作硬化作用的影响，其屈服强度和抗拉强度均有不同程度的提升，而断后伸长率和夏比冲击功有下降。其中，BX80在两种膨胀方式下的机械性能均满足API Spec 5CT—2012标准对80钢级的要求，其断后伸长率仍维持在19%以上，高于API标准规定值15%，表明管材仍具有较大的塑性储备，在后续服役过程中仍能承受较大的塑性变形而不至于发生脆裂；而20G无缝钢管及进口55钢级膨胀管膨胀后的力学性能仅满足API Spec 5CT—2012标准对55钢级的要求；另外，20G无缝钢管膨胀前、后的横向夏比冲击功均较低，尤其膨胀后仅6 J，远低于BX80和进口55钢级膨胀管，这势必会影响其运输、吊装及服役等过程中的安全性。综上所述，国产BX80膨胀管膨胀后仍具有优良的强度、塑性及韧性匹配。

表5 试验管膨胀前后的力学性能（平均值）

表6 机械式膨胀前后的横向夏比冲击功

2.4 抗外挤强度

选用膨胀幅度最大（即17.0%膨胀率）的BX80膨胀管按GB/T 20657—2011标准（等同于API TR 5C3—2008）进行膨胀后的抗外压挤毁试验，试样有效长度为1.5 m，压力介质为水。挤毁后的BX80膨胀管如图2所示，挤毁试验曲线如图3所示。由图3可知：BX80膨胀管的挤毁强度为29.7 MPa，比API TR 5C3标准对80钢级的要求（25.2 MPa）高出18%。

图3 BX80膨胀管挤毁试验曲线（17%膨胀率）

3 结论

膨胀管是一种特殊的石油专用管，不但要求管材具备良好的均匀塑性变形能力（即易膨胀性），而且还要确保膨胀后的力学性能达到相应钢级套管的API等标准要求，才能满足工程应用需要。通过对国产BX80膨胀管、20G无缝钢管及进口55钢级膨胀管进行实物膨胀试验，可得出以下结论：

图2挤毁后的BX80膨胀管（17%膨胀率）

（1）采用相同规格的膨胀锥，BX80膨胀管液压式膨胀的实际膨胀率及壁厚减薄率均略高于机械式膨胀。在相同的机械式膨胀条件（Φ136.4 mm膨胀锥）下，BX80膨胀管的壁厚减薄程度远低于20G无缝钢管及进口55钢级膨胀管。

（2）除了过螺纹处压力略有波动外，BX80膨胀管在整个液压式膨胀过程中压力平稳且数值较低，在11.5%及17.0%的膨胀率下膨胀压力分别为28.5 MPa、33.5 MPa；在相同的机械式膨胀条件（Φ136.4 mm膨胀锥）下，BX80膨胀管膨胀力为458.9 kN，仅比进口55钢级膨胀管高13%、比20G无缝钢管高27%，表明BX80膨胀管具备了良好的易膨胀性。

（3）BX80膨胀管膨胀后的屈服、抗拉、抗外挤等强度指标满足API Spec 5CT—2012、API TR 5C3—2008等标准对80钢级的要求，其断后伸长率为19%~23%，明显高于API标准规定值15%，尤其母材的横向冲击吸收功（0℃、半尺寸）高达75 J，表明BX80膨胀管在膨胀后仍具有优良的强度、塑性及韧性匹配，可满足膨胀管补贴及侧钻完井等工程应用要求。

［1］Errity R M，Gusevik R，Buckler W，et al.Well remediation using expandable eased-hole liners［J］.World Oil，2002（7）：56-65.

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［4］李涛，陈强，韩伟业，等.膨胀管抗外压强度试验研究［J］.石油机械，2012，40（9）：12-14.

［5］朱丽杰，徐智慧.套管内打“补丁”创效9亿多［N］.大庆日报，2012-11-06（A06）.

［6］韦奉，毕宗岳，张峰，等.膨胀套管的研究现状［J］.钢管，2013，42（1）：6-10.

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［10］中国国家标准化管理委员会.GB/T 228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［11］中国国家标准化管理委员会.GB/T 20657—2011石油天然气工业套管、油管、钻杆和用作套管或油管的管线管性能公式及计算［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［12］美国石油学会.API Spec 5CT套管和油管规范［S］.9版.北京：石油工业标准化研究所，2012.

Actual Product Tests and Study on Home-made 80 Grade SEW Expandable Pipe

WEI Feng1，2，BI Zongyue1，2，LI Yuanzheng1，2，TANG Jun1，2，WANG Tao1，2，SU Wan2
（1.National Petroleum and Gas Tubular Goods Research Center，Baoji 721008，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China）

Actual product tests are carried out on 80 grade SEW expandable pipe（BX80）and study is made on the sizes，mechanical properties and tensile strength etc.of the pipe after expanding.Results of the tests indicate that the home-made BX80 expandable pipe maintains a relatively low and stable pressure during expanding and the pipe after expanding still has good matching of strength，plasticity and toughness，and its mechanical properties and collapse resistance can meet the requirements of specifications such as API Spec 5CT and API TR 5C3 etc.，which shows the home-made BX80 expandable pipe can satisfy the requirements of engineering applications with its easy-to-expand feature and good application performance after expanding.

expandable pipe；SEW；80 grade；expanding performance；mechanical property；tensile strength

TG335.7；TE93

B

1001-2311（2014）03-0034-05

2013-11-25；修定日期：2014-04-30）

*中国石油天然气集团公司科技管理部攻关项目（2011A-4209）

韦奉（1977-），男，硕士，工程师，主要从事高性能膨胀管等油气用管材开发及制造工艺技术研究。