CN111622685B - 一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构及制造方法，本发明的套管结构具有异形结构的加强筋，能够显著提高套管的抗剪切性能，改变了以往单纯采用增加壁厚和钢级来提高抗剪切能力的办法，降低套管整体重量，节约成本，在不显著提高制造成本的前提下，以较小的材料增重带来了较高的抗剪切性能提升，提高水平井通过性，增大了套管柱水眼尺寸。
Description
技术领域
本发明属于石油装备制造领域，具体涉及一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构及制造方法。
背景技术
套管由螺纹连接构成套管柱，是油气井筒井身结构的基础，其完整性决定了井筒完整性，其服役寿命决定了油气井的寿命。随着油气勘探开发进程的持续发展，深井、水平井、高温高压井及高含硫化氢井等复杂油气井不断涌现，带来管柱服役工况条件日趋苛刻。铝合金相对于普通碳钢具有比强度高、抗硫化氢应力腐蚀及耐腐蚀疲劳性能良好、易变形而复杂井眼通过性好等性能优势，针对苛刻油气井的铝合金套管研发与应用近年来在国内外发展迅速。
服役过程中的套管损坏是困扰油气井正常开发的世界性工程难题。据不完全统计，国内的套管损坏比例接近总服役井数的10％，套损导致井大修或直接废弃，经济损失巨大。过半数的套损模式是变形，来自于地层的复杂地质应力是套管变形的主要外载来源，表现为：围岩压力、泥岩浸水膨胀和蠕变、断层活动、盐岩蠕变等。尤其伴随国内页岩、低压低渗油气资源的规模开发，长距离水平井、大排量和高压力压裂工艺应用等导致近井筒地应力变化显著，地层滑移带来的套管剪切变形问题突出。目前主要通过提高套管钢级、增加套管壁厚的方式提高套管的抗剪切变形性能保证井下服役安全，不可避免带来了建井成本的提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构及制造方法，改变现有只是提高套管强度和壁厚等级的做法，在不显著提高制造成本的前提下，以较小的材料增重带来了较高的抗剪切性能提升。
为了达到上述目的，一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构，包括套管，以及在套管外壁上设置的若干加强筋，加强筋沿套管径向方向设置，加强筋的端面具有厚度逐渐增大的锥面过渡区。
加强筋的截面呈圆弧或椭圆弧构形。
加强筋的锥面过渡区的截面为180°圆弧构型。
套管和加强筋均采用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，预制铝合金套管管坯，达到80Ksi钢级水平；
步骤二，采用多级组织均匀性处理，降低组织偏析和不均性；
步骤三，对套管外壁上设置的若干加强筋进行挤压成形，使加强筋形成所需截面构形；
步骤四，采用随动挤压针法挤压加强筋形成厚度逐渐增大的锥面过渡区；
步骤五，通过多级固溶处理消除挤压成形后组织偏析；
步骤六，进行拉伸校直，最后进行时效处理，完成异形截面铝合金套管结构。
步骤一中，预制铝合金套管管坯采用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
步骤三中，挤压成形的温度区间为430-450℃。
步骤六中，拉伸校直的变形量为3-4％。
步骤六中，时效处理采用自然时效处理或人工时效处理，处理时间为12-48小时。
与现有技术相比，本发明的套管结构具有异形结构的加强筋，能够显著提高套管的抗剪切性能，改变了以往单纯采用增加壁厚和钢级来提高抗剪切能力的办法，降低套管整体重量，节约成本，在不显著提高制造成本的前提下，以较小的材料增重带来了较高的抗剪切性能提升，提高水平井通过性，增大了套管柱水眼尺寸。
进一步的，本发明的加强筋的截面呈圆弧或椭圆弧构形，易于挤压成形，受力分布合理，无显著应力集中。
本发明的方法采用挤压方式成形加强筋为异形截面的套管，采用随动挤压针在挤压过程中实现沿挤压轴向正反双向控制运动，实现套管两端外加厚的变径/变壁厚异形截面锥面过渡区的挤压，成本低，成材率高；采用多级均匀化处理，大幅消除管材内部偏析等组织不均匀，保持高强度，提高热强性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的剖视图；
图3为现有套管和本发明受剪切应力分布云图；(a)为现有套管，(b)为本发明套管；
图4为现有套管和本发明增重与抗剪性能变化对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构，包括套管1，以及在套管1外壁上设置的若干加强筋2，加强筋2沿套管1径向方向设置，加强筋2的端面具有厚度逐渐增大的锥面过渡区。加强筋2的截面呈圆弧或椭圆弧构形。
优选的，加强筋2的锥面过渡区的截面为180°圆弧构型。
优选的，套管1和加强筋2均采用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，采用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金预制铝合金套管管坯，达到80Ksi钢级水平；
步骤二，采用多级组织均匀性处理，降低组织偏析和不均性；
步骤三，对套管1外壁上设置的若干加强筋2进行挤压成形，使加强筋2形成所需截面构形，挤压成形的温度区间为430-450℃；
步骤四，采用随动挤压针法挤压加强筋2形成厚度逐渐增大的锥面过渡区；
步骤五，通过多级固溶处理消除挤压成形后组织偏析；
步骤六，进行拉伸校直，变形量为3-4％，最后进行时效处理，时效处理采用自然时效处理或人工时效处理，处理时间为12-48小时，完成异形截面铝合金套管结构。
实施例：
本发明为应用于油气井提高抗剪切性能的异形截面铝合金套管结构。
采用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分，材料关键组分包括：Zn10.0％，Mg2.8％，Cu2.9％，Mn0.3％，Fe0.3％，Ni0.3％，Cr0.5％，Ti0.2％，Zr0.2％，余量为Al和不可避免的杂质。
通过冶炼铸造获得铝合金套管管坯，铝合金套管管坯经过多级均匀化处理，380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h。在435℃左右挤压成形，挤压模具为套管截面构形所需的异形结构，为整体挤压模，挤压成形套管外表面加强筋，采用随动挤压针，在挤压过程中在摸孔内按需实现沿挤压轴向正反双向控制运动，实现套管两端外加厚的变径/变壁厚的不同截面挤压。多级固溶淬火处理，455℃×2h+470℃×1h。按照4％变形量完成拉伸矫直。最后进行人工失效处理36h。
获得异形截面、两端部外加厚形式的铝合金套管管坯，通过端部外圆车削和螺纹数控机加工完成制造。
参见图3，外部载荷产生相同横向位移量的套管剪切变形，获得分析应力分布云图，相比于普通套管，异形截面套管的加强筋在变形部位产生了较大的等效应力分布，明显在管体基础上额外承担了套管剪切变形载荷。
参见图4，相比于普通圆柱套管，异形截面套管增加了材料重量5.6％，提高抗剪切性能13％。
Claims (8)
1.一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，其特征在于，结构包括套管(1)，以及在套管(1)外壁上设置的若干加强筋(2)，加强筋(2)沿套管(1)径向方向设置，加强筋(2)的端面具有厚度逐渐增大的锥面过渡区；
制造方法包括以下步骤：
步骤一，预制铝合金套管管坯，达到80Ksi钢级水平；
步骤二，采用多级组织均匀性处理，降低组织偏析和不均性；
步骤三，对套管(1)外壁上设置的若干加强筋(2)进行挤压成形，使加强筋(2)形成所需截面构形；
步骤四，采用随动挤压针法挤压加强筋(2)形成厚度逐渐增大的锥面过渡区；
步骤五，通过多级固溶处理消除挤压成形后组织偏析；
步骤六，进行拉伸校直，最后进行时效处理，完成异形截面铝合金套管结构。
2.根据权利要求1所述的一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，其特征在于，加强筋(2)的截面呈圆弧或椭圆弧构形。
3.根据权利要求1所述的一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，其特征在于，加强筋(2)的锥面过渡区的截面为180°圆弧构型。
4.根据权利要求1所述的一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，其特征在于，套管(1)和加强筋(2)均采用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
5.根据权利要求1所述的一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，其特征在于，步骤一中，预制铝合金套管管坯采用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
6.根据权利要求1所述的一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，其特征在于，步骤三中，挤压成形的温度区间为430-450℃。
7.根据权利要求1所述的一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，其特征在于，步骤六中，拉伸校直的变形量为3-4％。
8.根据权利要求1所述的一种油气井用抗剪切异形截面铝合金套管结构的制造方法，其特征在于，步骤六中，时效处理采用自然时效处理或人工时效处理，处理时间为12-48小时。
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