CN101805871B - 一种油气井实体可膨胀套管的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种油气井实体可膨胀管用钢及可膨胀套管制造方法，应用于制备石油天然气工业油气井可膨胀套管，油气井实体可膨胀套管用钢合金材料各组分的质量百分比为：C：0.1～0.3％；Mn：1.5～3.5％；Si：1～2.5％；Al：0.1～3％；P≤0.010％；S≤0.005％，Ca 0.003～0.010％，N≤0.0007％，并控制余量为Fe。制备方法：真空熔炼，连续铸造，均匀化退火；通过控制轧制和控制冷却制成热轧板卷，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管；经两阶段的等温热处理，获得可膨胀管材。在每根钢管的两端加工螺纹。效果是：膨胀前具有高均匀延伸率、高塑性、低屈服强度、低屈强比等特性，膨胀变形后具有高的强度和足够的塑性，焊缝质量和性能优良。

Description

一种油气井实体可膨胀套管的制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气工业实体可膨胀套管用钢及可膨胀套管的制造方法。该可膨胀套管用钢经真空熔炼、连续铸造、控制轧制和控制冷却后制成钢板，再经直缝电阻焊焊接、热处理后制成可膨胀套管，或经热连轧及热处理后制成可膨胀套管，用于油田完井工程，在井下膨胀变形后使用，膨胀前后的塑性和强度优良。 

背景技术

实体膨胀套管SET(Solid Expandable Tubular)技术是以实现“节省”井眼尺寸为目的，在井眼中将套管柱径向膨胀至所要求的直径尺寸的一种钻井、完井和修井新技术，使“单一井径”成为可能。应用该技术能使得下入的套管层数增加，给深井、复杂地质条件的钻井和井身结构带来“革命性”的影响，并带来重大技术经济效益。 

实体膨胀套管技术目前由少数几个公司所垄断，主要包括威德福公司、贝克石油工具公司、TIW公司、亿万奇公司、哈里伯顿公司等，其中应用该技术最成熟的是亿万奇公司。许多关键技术，如：实体膨胀管用钢、膨胀套管连接技术、作业工具以及其他配套技术等属于商业保密，将该技术引进国内成本较高。实体膨胀管用钢及膨胀管是实体膨胀套管技术应用的关键技术之一。 

传统的铁素体珠光体和马氏体材料的塑性较低，在发生较大的冷变形后，塑性会显著降低，使用不安全。为了保证膨胀施工的顺利实施，可膨胀管应具有较低的屈服强度、低屈强比、优良的塑性(特别是均匀塑性变形能力)、较大的形变强化性能以保证经过较大的膨胀变形过程中变形均匀、不发生开裂等良好的膨胀性能并且要求材料在膨胀之后具有高的强度和良好的塑性。 

发明内容

本发明的目的是：提供了一种制造油气井用新型高性能实体可膨胀管用钢，克服了传统铁素体珠光体和马氏体膨胀管有限的塑性变形能力，并且在发生一定量的冷变形之后材料塑性显著降低的缺陷；提出了一种油气井实体可膨胀套管的制造方法，生产出具有高均匀延伸率、高塑性、低屈服强度、低屈强比等特性的可膨胀管，使管体在膨胀后具有优良的均匀变形能力，膨胀变形后具有高的强度和足够的塑性，焊缝质量和性能优良，母材和焊缝组织与性能均匀；应变时效敏感性小，并具有良好的抗外压挤毁性能和耐腐蚀性能。 

本发明采用的技术方案是：通过改变可膨胀套管用钢合金材料组分使钢获得铁素体+无碳贝氏体+10％～20％残余奥氏体组织，残余奥氏体在外加载荷的作用下发生马氏体相变，通过相变诱发塑性(transformation induced plasticity)机制，TRIP效应来提高材料的塑性和强度；通过改变可膨胀套管制造方法获得油气井实体可膨胀套管。 

油气井实体可膨胀套管用钢合金材料的(各组分)质量百分比如下： 

C：0.1～0.3％；Mn：1.5～3.5％；Si：1～2.5％；Al：0.1～3％；P≤0.010％；S≤0.005％，Ca：0.003～0.010％，N≤0.0007％，余量为Fe；在此基础上还可添加质量百分比Nb：0.01～0.08％；Ti：0.01～0.05％；V：0.01～0.05％中的一种或两种以上的合金元素；还可添加质量百分比0.1～0.25％的Cu、0.15～0.50％的Ni、0.1～0.50％的Mo和0.1～0.50％的Cr等合金元素。 

碳元素是奥氏体稳定元素，因此在此钢种的设计中，碳含量不能过低，过低的含碳量会导致残余奥氏体的稳定性的下降，以致在随后的冷却过程中的奥氏体发生分解。但是过高的碳含量将导致材料力学性能和焊接性的降低，所以合金含碳量要稍高于一般的低合金高强钢， C含量取0.1～0.3％。另外，Mn的加入起到强化作用，同时Mn也是奥氏体稳定元素。Si和Al的添加可以抑制贝氏体转变过程中残余奥氏体中碳化物的析出。在此钢的成分设计中，为了改善此钢的耐腐蚀性能，加入了一定的Cu；为了改善Cu对材料冷热加工性能的不利影响加入了一定量的Ni。另外，对于膨胀管材料而言过高的屈服强度不利于管材膨胀变形的启动，膨胀管在发生膨胀变形之后，管材的强度会由于加工硬化作用而得到提高能够满足API对于套管力学性能的要求。采用低或超低P、S含量的纯净钢，有利于改善钢的综合性能。为了改善钢中夹杂物形状以控制材料综合性能，拟采用Ca处理工艺；为了控制钢的应变时效性能(塑性变形后强度增大、塑性显著降低的现象)，控制N≤0.0007％。强碳化物形成元素V，Nb，Ti的添加可以起到细化晶粒作用，由于V，Nb，Ti和C结合生成高稳定性的碳化物使得固溶到奥氏体中的C元素减少而降低奥氏体的稳定性使得室温下获得的残余奥氏体的体积分数减小，所以在添加微量的V，Nb，Ti时要相应的提高C含量以保证获得足够多的残余奥氏体。添加适量的V、Nb、Ti配合相应轧制工艺及控制冷却工艺，可以获得组织更加细小，综合性能更加优异的钢材。加入Mo、Cr元素是为了进一步提高材料的淬透性进而改善综合性能。 

上述油气井实体可膨胀套管用钢合金材料制成的可膨胀管材的壁厚为5～25mm。 

油气井实体可膨胀套管的制造方法： 

首先，进行钢材制备：将上述油气井实体可膨胀套管用钢材料(各组分)经氧吹转炉或电炉熔炼，真空脱气，再经过连铸成约250mm厚的厚板坯或直径100～250mm棒材，在1200℃进行2小时的均匀化退火； 

接着，制备热轧板卷：将上述厚板坯再加热至约1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在730～950℃时进行精轧，轧后冷却速度18～30 ℃/s，卷取温度520～600℃，制成5～25mm厚的热轧板卷。 

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边工艺，精确控制带钢宽度、板边平行度几何尺寸；控制板边波形，可采用排辊成型或其他先进成型工艺；调整焊接电流、电压等工艺参数；控制焊缝的挤压量1.5～3.5mm，开口角控制在4～7°，焊接速度为15～25m/min，开口角θ与焊接速度v的乘积θv≥100deg·m/min；焊接成5～25mm厚的直缝钢管。焊后焊缝在900～1000℃在线正火，400～500℃在线热定径。 

接着进行两阶段等温热处理：将上述钢管经奥氏体+铁素体(γ+α)双相区等温处理，等温温度为730～790℃，对于厚度为5～25mm的膨胀管材，等温时间240～500s；双相区等温处理后，以30～60℃/s的冷却速度冷却至350～450℃，等温80～500s，然后再以30～60℃/s的冷却速度冷却至室温，制成具有铁素体+无碳贝氏体+残余奥氏体组织的可膨胀管材。 

或者经过连铸成直径100～250mm棒材，制作成5～25mm厚的无缝钢管。将上述棒材加热至约1200℃，在950～1150℃时穿孔并进行热连轧，然后进行900～1000℃正火，制成5～25mm无缝钢管。 

最后，将钢管截成长度10～12m的管段。在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。 

钢材轧制之前进行1200℃×2小时的均匀化退火，用以改善材料在铸造过程中的偏析获得组织成分更加均匀的钢坯以保证膨胀管在膨胀变形过程中有更好的力学性能均匀性。在缓慢冷却过程中，碳化物的析出将导致奥氏体中碳含量的降低，使得残余奥氏体的稳定性降低，从而得不到预期的残余奥氏体。 

两阶段的热处理即奥氏体+铁素体双相区等温加热和贝氏体区等温淬火是钢性能提高关键要素之一，在等温过程中，碳元素和其他的 合金元素向奥氏体中富集，从而使奥氏体的稳定性不断提高，最终在室温下被保留下来，获得了铁素体+无碳贝氏体+残余奥氏体的组织。 

本发明的有益效果：本发明制备的油气井实体可膨胀套管，具备以下性能特点： 

油气井实体可膨胀套管材料具有铁素体+无碳贝氏体+残余奥氏体的理想组织。其中，残余奥氏体占整个组织的10～20％，且残余奥氏体具有足够热力学稳定性，在-60℃以上能稳定存在。焊缝质量和性能优良，母材和焊缝组织与性能均匀；应变时效敏感性小。可膨胀套管在膨胀前具有高均匀延伸率、高塑性、低屈服强度、低屈强比等特性：总延伸率≥40％，均匀延伸率≥25％，屈服强度460～550MPa，抗拉强度900～1000MPa，屈强比0.46～0.61。在经过15％的塑性变形后具有高的强度和足够的塑性，总延伸率≥23％，均匀延伸率≥13％，屈服强度达到630～800MPa，抗拉强度达到950～1050MPa，屈强比0.60～0.76。满足了膨胀前要求屈服强度低、塑性优良，膨胀后要求屈服强度高、塑性好的设计目标。可膨胀管的管壁厚度可达25mm。并且可膨胀套管有良好的抗挤性能和耐腐蚀性能。能够满足井下200℃井况使用要求。 

具体实施方式

实施例1： 

油气井实体可膨胀套管用钢合金材料的质量百分比：C：0.20％，Mn：1.75％，Si：1.55％，Al：0.1％，P：0.008％，S：0.002％，N：0.007％，Ca：0.004％，Nb：0.02％，Ti：0.03％，Cu：0.15％，Ni：0.18％，其余为Fe。 

油气井实体可膨胀套管的制造： 

首先，制备热轧板卷：将上述油气井实体可膨胀套管用钢材料(各组分)在真空条件下熔炼，真空脱气，连续铸造，制成约250mm厚的板坯。铸坯在1200℃进行2小时的均匀化退火。然后再加热至约1200 ℃，在1050～1100℃粗轧，850～900℃精轧，轧后冷却速度20～25℃/s，卷取温度580～600℃，制成热轧板卷。 

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边工艺，精确控制带钢宽度，两板边相互平行；控制板边波形，采用排辊成型工艺；调整焊接电流、电压等工艺参数；控制焊缝的挤压量2～3mm，开口角控制为7°，焊接速度20m/min，开口角θ与焊接速度v的乘积θv＝140deg·m/min；焊接成直缝钢管。焊后焊缝950±15℃在线正火。焊后在线480～490℃热定径。 

接着，进行两阶段等温热处理：上述管坯经奥氏体铁素体(γ+α)双相区等温处理，等温温度760±15℃，对于厚度为15mm的可膨胀管材，等温时间350s；双相区等温处理后，以45～55℃/s的冷却速度冷却至390℃±15℃，等温350s，然后再以45～55℃/s的冷却速度冷却至室温即制成具有理想组织和性能的可膨胀管材。 

最后，焊接钢管截成长度约为10m的管段。在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。 

性能特点：实体可膨胀套管在膨胀变形前均匀延伸率28％，总延伸率43％，屈强比0.52，屈服强度480MPa，抗拉强度920MPa；经15％的膨胀变形后，屈服强度655MPa，抗拉强度960MPa，屈强比0.68，均匀延伸率13％，总延伸率23％；钢管具有良好的尺寸精度，具有良好的抗外压挤毁性能，膨胀后的整体性能达到GB/T19803 T95抗挤管材性能要求；而且焊缝质量和性能优良，母材和焊缝组织与性能均匀；应变时效敏感性小，具有一定的抗腐蚀性能。 

实施例2： 

油气井实体可膨胀套管用钢合金材料的质量百分比：C：0.16％，Mn：1.70％，Si：1.23％，Al：0.54％，P：0.009％，S：0.004％，N：0.007％，Ca：0.005％，Nb：0.06％，V：0.04％，Cu：0.19％，Ni：0.24％，Mo：0.22％， 其余为Fe。 

油气井实体可膨胀套管的制造： 

首先，进行钢材制备：将上述油气井实体可膨胀套管用钢材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，再经过连铸成直径200mm棒材，在1200℃进行2小时的均匀化退火； 

其次，制作无缝钢管：将上述棒材加热至约1200℃，在1100℃时穿孔并进行热连轧，然后进行960±20℃正火，制成厚度为15mm无缝钢管。 

接着，进行两阶段等温热处理：上述管坯经奥氏体+铁素体(γ+α)双相区等温处理，等温温度770±15，对于厚度为15mm的可膨胀管材，等温时间350s；双相区等温处理后，以45℃/s的冷却速度冷却至410℃±15℃，等温380s，然后再以50℃/s的冷却速度冷却至室温即制成具有理想组织和性能的可膨胀管材。 

最后，钢管截成长度约为12m的管段。在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。 

性能特点：实体可膨胀套管在膨胀变形前均匀延伸率31％，总延伸率46％，屈强比0.52，屈服强度466MPa，抗拉强度902MPa；经15％的膨胀变形后，屈服强度675MPa，抗拉强度955MPa，屈强比0.71，均匀延伸率19％，总延伸率28％；膨胀后的整体性能达到GB/T1980395ksi钢级管材性能要求；而且焊缝质量和性能优良，母材和焊缝组织与性能均匀；具有一定的抗腐蚀性能。 

实施例3： 

油气井实体可膨胀套管用钢合金材料的质量百分比：C：0.21％，Mn：1.95％，Si：1.05％，Al：0.7％，P：0.009％，S：0.003％，N：0.007％，Ca：0.007％，Nb：0.03％，Ti：0.04％，Ni：0.21％，Cu：0.17％，Mo：0.18％，Cr：0.20％，其余Fe。 

油气井实体可膨胀套管的制造： 

首先，制备热轧板卷：在真空条件下熔炼，连续铸造，连铸成约250mmm厚的板坯，铸坯在1200℃进行2小时的均匀化退火，然后再加热至约1200℃，在1100℃进行粗轧，在800℃进行精轧，轧后冷却速度23℃/s，卷取温度530℃，制成厚度为10mm的热轧板卷。 

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边工艺，精确控制带钢宽度，两板边相互平行；控制板边波形，采用排辊成型工艺；调整焊接电流、电压工艺参数；控制焊缝的挤压量2～3mm，控制开口角θ＝7°，焊接速度为20m/min，开口角θ与焊接速度v的乘积θv＝140deg·m/min；焊后焊缝950±15℃正火。焊后在线450℃热定径。 

接着，进行两阶段等温热处理：管坯经奥氏体铁素体(γ+α)双相区等温处理，等温温度760±15℃，对于厚度为10mm的膨胀管材，等温时间260s；双相区等温处理后，以38℃/s的冷却速度冷却至380℃±15℃，等温180s，然后再以38℃/s的冷却速度冷却至室温即制成具有理想组织和性能的可膨胀管材。 

最后，焊接钢管截成长度约10m长的管段。在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。 

性能特点：可膨胀套管在膨胀变形前均匀延伸率31％，总延伸率45％，屈强比0.53，屈服强度500MPa，抗拉强度945MPa；经15％的膨胀变形后，屈服强度776MPa，抗拉强度1018MPa，屈强比0.76，均匀延伸率15％，总延伸率26％；膨胀后的整体性能达到GB/T19803 P110钢级要求；钢管具有良好的尺寸精度，具有良好的抗外压挤毁性能；而且焊缝质量和性能优良，母材和焊缝组织与性能均匀；应变时效敏感性小，具有一定的抗腐蚀性能。 

Claims (2)

1.一种油气井实体可膨胀套管的制造方法，其特征是：

油气井实体可膨胀套管用钢合金材料各组分的质量百分比为：C：0.1～0.3％；Mn：1.5～3.5％；Si：1～2.5％；Al：0.1～3％；P≤0.010％；S≤0.005％，Ca：0.003～0.010％，N≤0.0007％，还含有Nb：0.01～0.08％；Ti：0.01～0.05％；V：0.01～0.05％中的一种或两种以上的合金元素；并含有质量百分比的Cu：0.15～0.25％；Ni：0.15～0.50％；Mo：0.1～0.50％；Cr：0.1～0.50％中的一种或两种以上的合金元素，余量为Fe；

油气井实体可膨胀套管的制造过程是：

首先，进行钢材制备：将上述油气井实体可膨胀套管用钢材料经氧吹转炉或电炉熔炼，真空脱气，再经过连铸成250mm厚的厚板坯，在1200℃进行2小时的均匀化退火；

接着，制备热轧板卷：将上述厚板坯再加热至1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在730～950℃时进行精轧，轧后冷却速度18～30℃/s，卷取温度520～600℃，制成5～25mm热轧板卷；

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边工艺，控制带钢宽度、板边平行度；控制板边波形，可采用排辊成型或其他先进成型工艺；调整焊接电流、电压工艺参数；控制焊缝的挤压量1.5～3.5mm，开口角(θ)控制在4～7°，焊接速度(v)为15～25m/min，开口角与焊接速度的乘积θv≥100deg·m/min；焊接成直缝钢管，焊后焊缝900～1000℃在线正火，400～500℃在线热定径；

接着进行两阶段等温热处理：将上述钢管经奥氏体+体素体(γ+α)双相区等温处理，等温温度为730～790℃，对于厚度为5～25mm的膨胀管材，等温时间240～500s；双相区等温处理后，以30～60℃/s的冷却速度冷却至350～450℃，等温80～500s，然后再以30～60℃/s的冷却速度冷却至室温，制成具有铁素体+无碳贝氏体+残余奥氏体的可膨胀管材；

最后，将钢管截成长度10～12m的管段，在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。

2.一种油气井实体可膨胀套管的制造方法，其特征是：

油气井实体可膨胀套管用钢合金材料各组分的质量百分比为：C：0.1～0.3％；Mn：1.5～3.5％；Si：1～2.5％；Al：0.1～3％；P≤0.010％；S≤0.005％，Ca：0.003～0.010％，N≤0.0007％，还含有Nb：0.01～0.08％；Ti：0.01～0.05％；V：0.01～0.05％中的一种或两种以上的合金元素；并含有质量百分比的Cu：0.15～0.25％；Ni：0.15～0.50％；Mo：0.1～0.50％；Cr：0.1～0.50％中的一种或两种以上的合金元素，余量为Fe；

油气井实体可膨胀套管的制造过程是：

首先，进行钢材制备：将上述油气井实体可膨胀套管用钢材料经氧吹转炉或电炉熔炼，真空脱气；

然后，连铸成直径100～250mm棒材，制作无缝钢管，将上述棒材加热至1200℃，在950～1150℃时穿孔并进行热连轧，然后进行900～1000℃正火，制成5～25mm无缝钢管；

最后，将钢管截成长度10～12m的管段，在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。