陈　强，李　涛，张立新，韩伟业，黄守志，孙　强，明尔扬（中国石油勘探开发研究院，北京100083）

膨胀管系统运动分析及腐蚀寿命计算

陈强，李涛，张立新，韩伟业，黄守志，孙强，明尔扬
（中国石油勘探开发研究院，北京100083）

膨胀管补贴套管技术的应用日益广泛，但是补贴套管过程中压力过高以及在腐蚀环境中寿命短是该技术的一个难题。研究了膨胀管在补贴套管时的受力状态及运动过程，指出膨胀坐封时需要的液压力明显高于膨胀管起胀的压力，此时膨胀锥不仅需要克服胀管做功，同时承受加压管柱的重力，因此，膨胀管坐封后应及时上提加压管柱以免膨胀压力过高而出现事故。建立了膨胀管在腐蚀影响下力学性能变化模型，将油套管强度校核理论运用于膨胀管的腐蚀剩余强度校核中，认为腐蚀对管体抗外挤强度影响更为严重，应考虑采取耐腐蚀措施。

膨胀管；套管；受力分析；腐蚀

近年来，水平井、大位移井、深井、超深井等复杂井数量越来越多，高温、高压特点显著，导致我国各个油田油气井的套管损坏日益严重，对油田的正常生产和勘探开发效益产生了严重影响，全国油田每年因套管损坏导致油井破坏甚至报废而造成的经济损失多达几十亿元［1］。

膨胀管补贴套管技术已经在国内多个油田得到了广泛的应用，效果良好，但在个别油田的施工过程中由于对膨胀管坐封状态判断错误导致膨胀压力过高，增加了补贴风险，同时在腐蚀严重地区膨胀管使用寿命大幅降低，严重阻碍了该技术的发展［2-4］。笔者研究了膨胀管在补贴过程的力学状态变化，并将油套管强度校核理论运用于膨胀管的腐蚀剩余强度校核中，建立了预测膨胀管剩余寿命的数学模型。

1　膨胀管系统受力和运动分析

1.1坐封前膨胀管系统受力和运动分析

膨胀管补贴套管系统结构如图1所示，胀后膨胀管通过密封橡胶与套管实现连接，具有加固套管、防止管外油气窜层的功能。膨胀管修复套管后的状态如图2所示。

图1　膨胀管系统结构

图2　膨胀管补贴套管示意

通常，膨胀管内连接加压管柱，利用大钩缓慢下入，就位后沿加压管柱注入清水，在膨胀锥与下封头之间会形成高压，膨胀锥在高压的驱动下上行，开始膨胀，当膨胀锥行至橡胶段时，胀后的橡胶环会与套管发生贴合，实现膨胀管悬挂在套管的目的。坐封前系统受力及运动过程如图3所示。

图3　坐封前受力和运动分析

1.1.1膨胀管受力分析

如图3b所示，膨胀管在膨胀过程中存在以下数学关系：

FNcosα=Ffsinα（1）

式中：α为膨胀锥的半锥角；FN和Ff是膨胀锥作用在膨胀管管体的正压力和摩擦力。

在轴向上，膨胀管管体有向下的运动趋势，即

FY+GP-（FNsinα+Ffcosα）=mPaP（2）

式中：aP为膨胀管管体的加速度；FY为膨胀过程中液体压力；mP为膨胀管管体质量；GP为管体重力。

FY=mPaP-GP+（FNsinα+Ffcosα）（3）

匀速膨胀时，aP=0，此时

FY=-GP+（FNsinα+Ffcosα）（4）

由于膨胀管在膨胀过程同时向下运动，FY与（FNsinα+Ffcosα）之间存在以下关系：

1.1.2膨胀锥受力和运动分析

膨胀管在膨胀过程中膨胀锥的受力状态存在以下关系

FY+FL-（FNsinα+Ffcosα）-GZ=0 （6）式中：FL为膨胀锥轴向受到的液压力。

分析式（6）尚不能确定FY与（FNsinα+Ffcosα）之间的大小关系，打压管柱对膨胀锥的作用状态存在2种可能：

1.1.3膨胀管与膨胀锥力学关系

膨胀管补贴套管系统运动过程中，膨胀管管体及膨胀锥之间的力学关系由图3d表示。

1.2坐封后膨胀管系统受力和运动分析

膨胀管补贴套管坐封后系统受力及运动分析如图4所示。

1.2.1膨胀管补贴套管过程管体受力及运动分析

膨胀管补贴套管过程垂直方向分力受力平衡，有

FP+GY+FJ-（FNsinα+Ffcosα）=0 （8）

式中：FJ为密封件对膨胀管管体的作用力。

1.2.2膨胀管补贴套管过程膨胀锥受力分析

膨胀锥受力如图4c所示。

FY+FL-（FNsinα+Ffcosα）-GZ=mZaZ（9）

膨胀锥及打压管柱在膨胀作业过程中轴向方向存在向上的速度vZ，假设加速度aZ=0，则存在以下数学关系：

FY+FL-（FNsinα+Ffcosα）-GZ=0 （10）

为提高膨胀速率，并降低膨胀压力，通常会对膨胀管柱施加一定范围内的拉力，由于在匀速膨胀过程中FY＜（FNsinα+Ffcosα），有

FY=FNsinα+Ffcosα）+GZ-FL（11）

对比式（7）和式（11）可知膨胀管坐封时需要的液压力明显高于膨胀管起胀的压力，这是由于膨胀锥不仅需要克服胀管做功，同时承受加压管柱的重力；当膨胀管坐封后，由于司钻可以上提加压管柱，膨胀锥仅需要克服胀管做功。

图4　坐封后受力和运动分析

2　CO2腐蚀对膨胀管力学性能的影响

在油气资源开发过程中，二氧化碳常作为伴生气存在于石油与天然气里，溶入水后会产生较强的腐蚀性。在适宜的湿度及压力条件下，油井中的CO2会导致生产油、套管的腐蚀断裂。从而缩短油气井的生产寿命。

本文在套管强度校核理论基础上推导研究了膨胀管在CO2均匀腐蚀下的抗内压与抗外挤强度，并提出了力学和化学共同作用下膨胀管寿命的计算方法。由于井下腐蚀环境复杂，不同位置腐蚀强度不同，为方便公式推导，做以下2点假设：

1）膨胀管只受到管内液体恒压的作用，不考虑其他任何外力和残余应力。

2）膨胀管内部不发生腐蚀，只是从外到内进行均匀腐蚀。

通常腐蚀速率为v，套管腐蚀t时间后的壁厚δ=δ0-vt，膨胀管受到内压p时，管体的周向应力［5-8］为

膨胀管失效内压为

膨胀管抗挤强度计算公式［8］为

式中：p为抗外挤强度；pe为外压作用下失稳压力；py为内压作用下屈服压力；E为弹性模量；σy为屈服强度；μ为泊松比；D为套管外径；δ为套管壁厚；k为相关系数。

分别计算胀后膨胀管在均匀腐蚀条件下抗内压与抗外挤强度，其中k为8.52，泊松比0.3，弹性模量209 GPa，胀后膨胀管壁厚7mm，屈服强度290 MPa，通过计算可得在无腐蚀、腐蚀深度为原始厚度1／3、1／2及2／3条件时膨胀管的抗内压与抗外挤强度，如图5所示。

图5　均匀腐蚀条件下膨胀管力学性能变化

从图5可以看出，随着腐蚀深度的增加，管体抗内压、抗外挤强度都会降低，但抗外挤强度下降的更快，表明腐蚀对管体的抗外挤强度影响更大。

3　结论

分析了膨胀管补贴套管系统的运动特点，指出膨胀坐封时需要的液压力明显高于膨胀管起胀的压力，这是由于坐封过程膨胀管管体固定，此时膨胀锥不仅需要克服胀管做功，同时要承受打压管柱的质量。因此，膨胀管坐封后应及时上提加压管柱以免膨胀压力过高出现事故。建立了膨胀管在腐蚀影响下力学性能变化模型，认为腐蚀对管体抗外挤强度影响更为严重，应考虑采取耐腐蚀措施。

［1］沙庆云，任毅.石油专用管材生产技术的现状及进展［J］.鞍钢技术，2000（6）：13-15.

［2］李作会.膨胀管关键技术研究及首次应用［J］，石油钻采工艺，2004，26（3）：17-19.

［3］关大新，杨文晨.特殊抠油井管的发展［J］.天津冶金，2001（增刊）：20-23.

［4］高连新，史交齐.油套管特殊螺纹接头连接技术的研究现状及展望［J］.石油矿场机械，2008，37（2）：15-19.

［5］Stewart R B Shell.Expandable tubulars promise to cut costs while increasing step out and well depths［G］. DRILINGCONTRACTOR，November／December 1998：37-39.

［6］慕立俊，张军，赵文餐，等.气液双相流条件下对J55钢腐蚀行为的影响［J］.天然气工业，2009，29（7）：102.

［7］张军，赵文较，来维亚.HCO3对J55钢腐蚀行为的影响［J］.材料保护，2010，43（2）：26-28.

［8］申昭熙，冯甩荣，解学东，等.外压作用下套管抗击强度研究［J］.石油矿场机械，2007，36（11）：5-9.

Study of Expandable Tubular System and its Longevity Calculation under Corrosion

CHEN Qiang，LI Tao，ZHANG Lixin，HANWeiye，H UANG Shouzhi，SUN Qiang，MING Eryang
（Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China）

It had been witnessed increasing application of expandable tubular in the oilfield，but problems，such as high expansion pressure and the longevity in the environment of corrosion，were clear.In this paper the characteristics during the expansion process was studied and the results demonstrated that the peak point of expansion pressure happened as the tubular was integrated with casing，at this point the expansion cone needed to expand the tubular while bearing the weight of the tubular string overhead，therefore it was quite necessary to pull up forward the string by the staff on the ground to avoid over high expansion pressure；meanwhile the model for longevity calculation in the environment of corrosion was established and the results indicated that the yield strength of the tubular was more vulnerable to corrosion and should be given additional attention while considering the protection measures.

expandable tubular；casing；mechanics analysis；corrosion

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.006

1001-3482（2015）12-0023-05

2015-06-23

国家科技支撑计划“特殊耐蚀合金及膨胀套管应用性能评价及标准”

陈强（1982-），男，辽宁辽阳人，工程师，主要从事石油装备研发工作，Email：euphoria1934＠aliyun.com。