可钻式贴堵管材及连接方式的优选研究

袁 杰，李永强，吕建海，田 雨，崔汝东

中石化胜利油田分公司胜利采油厂，山东 东营

1.引言

在石油开采过程中，受工程技术、地质环境破坏等因素的影响，油水井套管因长期服役会出现破损、漏失，影响正常的生产或注水。套管贴堵是国内外修复套管行之有效的措施之一。目前，胜坨油田在可钻式贴堵工艺中采用铝合金管材。铝合金管材在满足强度要求的条件下，存在壁厚过大、后期修井工具难以下入的问题。当加大管材通径时，铝合金材质的强度会下降，难以满足井下作业需要。而国内外可钻套管管材应用较少，合金材质达到耐腐蚀、强度适中的材质极少。基于以上问题，笔者根据可钻式贴堵工艺的要求，对管材材质进行优选，使其在满足大通径的条件下，仍具有较高的强度。

2.试验准备及方法

2.1.试验样品材质

40CrNiMo，7050铝合金，7A09铝合金，2A06铝合金，2A11铝合金。

2.2.试验仪器

DR-6000A电子万能试验机(扬州德瑞仪器设备有限公司)；FSSY-2腐蚀仪(中国石油大学(华东)仪表厂)；布氏硬度计和洛氏硬度计(济南恒思盛大仪器有限公司)。

2.3.试验方法

1)按照国标标准加工硬度测试试样，对优选的管材试样进行布氏硬度和洛氏硬度测试。

2)使用“FSSY-2腐蚀仪” (试验条件25 MPa×95℃×48 h)测试出优选材质的腐蚀速率。

3)采用DR-6000A电子万能试验机(加载速率设定为3 mm/min)，测试管材的抗拉、抗压强度。试件被拉断后，测试断后截面和标距尺寸，计算出试件的断面收缩率和其延伸率。

3.试验结果与讨论

3.1.管材优选

3.1.1.管径壁厚

根据管材的强度要求确定不同的模拟管材。利用ANSYS软件[1]对贴堵管管材进行数值模拟，材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。对管材实施不同的内、外压，模拟出管材应力分布情况[2]，结果如图1、图2所示。管材在第一个螺纹处的应力值均最大，根据各种管材的屈服强度，反向模拟出管材最大耐内、外压强度。

Figure 1.The nephogram of distribution of stress applied on pipe under external pressure图1.对管材施加外压后的应力分布云图

Figure 2.The nephogram of distribution of stress applied on pipe under internal pressure图2.对管材施加内压后的应力分布云图

根据不同壁厚的管材所需满足的抗压强度及螺纹强度要求[3]，得出优选材料的参考设计值。模拟计算结果如表1所示。材质为40CrNiMo的管材抗压强度较高，管壁厚3 mm就可以满足生产需求；7系铝合金抗压强度次之，管壁厚3.5~4.5 mm时抗压强度能满足生产需求；2系铝合金耐压较低，但管壁厚5~7 mm也能满足需求，在治理后井筒内径要求不高的油水井中可以使用。

Table 1.The pressure bearing capacity of materials with different wall thickness in wells表1.不同壁厚材质在井内的承压能力大小

3.1.2.硬度

洛氏硬度按GB/T 231.1-2004标准测试，布氏硬度按GB/T 231.1-2002标准测试[4]，试验结果见表2。可以看出，7A09、2A06、2A11基本都满足现场生产及后期可钻除的要求，其中7A09硬度相对较低。

Table 2.The results of hardness test表2.硬度测试结果

3.1.3.抗腐蚀性能

使用“FSSY-2腐蚀仪”进行试验测试[5]，试验结果如表3所示。各试验材料在25 MPa、95℃的油田采出液中反应48 h后，测得40CrNiMo的腐蚀速率最小(0.1107 mm/a)。

Table 3.The results of corrosion test表3.腐蚀测试结果

3.1.4.拉伸性能

拉伸性能测试结果见表4。所选择的2系、7系合金管材的抗拉强度、最大断面收缩率、最大伸长率基本都满足现场要求，其中7A09材质合金具有较好的塑性和强度。

Table 4.The results of tensile test表4.拉伸试验结果

3.1.5.压缩性能

DR-6000A电子万能试验机的测试结果表明，选取的7050管材抗压强度为980~1130 MPa，7A09管材抗压强度为908~990 MPa，2A11管材抗压强度为627~758 MPa，2A06管材抗压强度为587~728 MPa，都满足现场生产需求。

对比各种管材的硬度、抗腐蚀性能、拉伸性能、压缩性能，优选材质为7A09的管材作为贴堵管材的基础材料。

3.2.丝扣优选

分别选取普通偏梯形螺纹、FOX特殊螺纹、圆螺纹和NK3SB特殊螺纹进行研究，贴堵管选用的材料为7A09合金材质，贴堵管外径为114 mm，壁厚为4.5 mm，对贴堵管施加轴向拉力为200 kN。利用ANSYS有限元模拟软件求解得到的应力分布云图如图3所示[6]。FOX型特殊螺纹连接无明显变形。相比之下，只有FOX型螺纹连接方式的接触应力峰值较小，且各牙应力分布较为均匀[7]；普通偏梯形螺纹连接和NK3SB螺纹连接均在最后一扣处应力较大，其余各牙应力分布较均匀；圆螺纹的受力情况、连接效果最差，开始端和结束端的牙承受了大部分的力，而中间那些扣牙所承受的载荷非常有限，导致两端接触应力大而中间小，各牙受力不均，很容易引起两端扣牙最早失效，使得中间扣牙不能发挥作用。

Figure 3.The diagram of thread stress distribution图3.丝扣应力分布图

4.结论

1)对比了5种管材的抗拉压能力、硬度、抗腐蚀能力，优选7A09合金作为贴堵管材的基础材料。

2)当贴堵管尺寸一定时，采用FOX型特殊螺纹连接，其螺纹接触面载荷分布较为均匀，无明显变形。而圆螺纹的螺纹面两端应力集中明显，易出现滑脱，性能较差。故贴堵管采用FOX型螺纹连接。