CN101942978B - 一种高强度高塑韧性连续膨胀管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度连续膨胀管的制备方法；按质量百分比由C：0.03～0.12％；Si：0.17～0.40％；Mn：0.80～1.90％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cr：0～1.0％；Mo：0.10～0.50％；Ni：0～0.30％；V：0～0.05％；Ti：0～0.03％；Cu：0～0.30％；Nb：0.01～0.06％；Fe：余量构成；将各组分经氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气，连铸，粗轧，精轧制成热轧板卷；剪成钢带，对焊，将钢带连接起来；将钢带直缝电阻焊接钢管；最低屈服强度485～760MPa，最低延伸率25～35％，冲击功≥40J。

Description

一种高强度高塑韧性连续膨胀管的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度(屈服强度达到485～760Mpa)高塑韧性(管直径发生10-30％的塑性形变、冲击韧性≥40J)连续膨胀管的制备方法。
背景技术
随着石油勘探开发的深度和广度不断提高，勘探开发的难度日益增大，井况复杂程度越来越大。当钻井作业需要通过更深的过压地层，通过枯竭地层或易坍塌易漏失地层时，现有的技术采用不同直径的钻头钻进，并以不同直径的套管层层封固完成。井越深，套管层次越多，要求最初的一开井眼直径越大；反之，如果一开直径一定，则最终的井眼直径将会更小，有可能钻不到目的层或者即便钻至目的层，完井眼小，满足不了开采及后续修井、增产等作业的要求。于是，出现了膨胀管技术。膨胀管技术是石油完井和修井工程中一项新兴技术。其方法是将套管下入井内预定位置，通过中间管输送泥浆液，注满套管外侧的间隙空间，然后下部扩充锥受液体压力的推动，自下而上地扩径膨胀套管；使套管直径发生10-30％的塑性形变。膨胀管技术还可以应用于修复油井套管。以往对于长距离存在孔洞、裂纹、错断缺陷的套管无法修复，而采用膨胀管解决大段套管腐蚀问题十分有效。利用膨胀管悬挂和封隔，密封效果好、作业简单、成本低廉、使用寿命长。膨胀管技术是很有发展前景的重大技术变革。
当前膨胀管技术存在的一个重要技术问题是：下井套管之间采用特殊螺纹连接，特殊螺纹加工困难，施工装配较为繁琐。一般来说单根膨胀管的长度仅有10米左右，满足不了现场技术要求。因此，需要将多个单根膨胀管用焊接方式或用螺纹方式连接在一起下井，又带来了新的技术难题：连接部位的强度偏低，且更为重要的是连接部位的漏失问题解决起来非常困难。因此，亟需提出一种新的综合性解决方案。
发明内容
本发明目的是提供的一种高强度高塑韧性(屈服强度达到485～760Mpa，管直径发生10-30％的塑性形变、冲击韧性≥40J)连续膨胀管的化学成分及制造工艺，克服普通膨胀管施工时需要焊接或螺纹连接的不足，以及施工后存在的连接部位强度低和漏失技术难题，确保膨胀后较高的强度和良好的塑韧性，使用方便，安全可靠。
本发明所述的一种高强度高塑韧性连续膨胀管，采用直缝电阻焊(ERW)制管技术制造的可膨胀的连续管，由于其管体本身为连续管，而连续膨胀管中间没有丝扣，没有焊接焊缝，克服普通可膨胀管普遍存在的连接部位的强度低和漏失技术难题。由于连续膨胀管的长度很长，为适应连续膨胀管的加工制造、运输以及膨胀管井下膨胀施工后的强度塑性和韧性要求，本发明在连续膨胀管的构思下，通过改变连续膨胀管合金材料成分和相应的制造工艺，保障连续膨胀管技术的实现。
本发明采用的技术方案是：
1)管材料的化学成分按质量百分比：
C：0.03～0.12％；Si：0.17～0.40％；Mn：0.80～1.90％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cr：0～1.0％；Mo：0.10～0.50％；Ni：0～0.30％；V：0～0.05％；Ti：0～0.03％；Cu：0～0.30％；Nb：0.01～0.06％；Fe：余量；
2)管的制造工艺：
(1)制备热轧板卷：将步骤1)材料各组分经氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气，连铸成厚度约为250mm的厚板坯，然后加热至约1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在700～950℃时进行精轧，轧后冷却速度15～30℃/s，卷取温度500～600℃，制成厚度为6～15mm的热轧板卷；
(2)板卷纵剪和对焊：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成380～710mm的钢带，为减少偏析对后续制管焊接的影响，应避免从板卷宽度1/2处纵剪，为满足钢带和连续膨胀管长度要求，需将钢带对焊起来，将板头、板尾加工成45°，采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊焊接方式通过45°斜焊方式使钢带连接起来；
(3)用钢带生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制板边波形；控制焊缝的挤压量在1.6～3.2mm，开口角θ控制在4～8°，焊接速度v为15～25m/min，开口角θ与焊接速度v的乘积在100～150m/min·度之间；焊接成厚度为5～15mm的直缝电阻焊钢管；
(4)焊后焊缝在930～960℃条件下正火，控制正火后水冷的开始温度在350～400℃，以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织；或进行900～950℃的一次整体正火。
连续膨胀管的主要技术指标：最低屈服强度达到485～760MPa，最低抗拉强度达到555～800MPa，最低延伸率25～35％，最低Charpy冲击功40J，最高硬度HRC22～HRC30。
连续膨胀管的外径范围为114.3～219.1mm，壁厚范围为6～15mm。
连续膨胀管的长度范围为100m～1000m。可以缠绕到适当的芯轴上，以便运输和使用。
可以根据井下作业地层厚度、施工需要，截取适当的长度。
发明效果
本发明所述的一种高强度高塑韧性连续膨胀管的化学成分及制造工艺，连续膨胀管其管体本身是连续的，克服了普通膨胀管施工时需要焊接或螺纹连接的不足，以及施工后存在的连接部位强度低和漏失技术难题，确保了膨胀后较高的强度和良好的塑韧性；并且长度可根据现场需要截取，方便可靠。本发明的连续膨胀管可应用于钻井、完井、采油、修井等作业中，既能解决井眼变径问题，又能节约大量作业成本。
具体实施方式
实施例1：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数：
C：0.05％；Si：0.21％；Mn：1.85％；P：0.007％；S：0.004％；Mo：0.15％；Nb：0.03％；Ti：0.02％；Fe：余量。
连续膨胀管的制造：
首先，制备热轧板卷：将上述材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气，连铸成厚度约为250mm的厚板坯，然后加热至约1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在750～950℃时进行精轧，轧后冷却速度15～20℃/s，卷取温度550～600℃，制成综合性能优良的厚度为6.35mm的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成380mm的钢带，为减少偏析对后续制管焊接的影响，应避免从板卷宽度1/2处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度要求，需将钢带对焊起来，将板头、板尾加工成45°，采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊焊接方式通过45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制板边波形；调整焊接电流、电压参数；控制焊缝的挤压量在1.6～2.2mm，开口角θ控制在6°，进行焊接，焊接速度v为19～21m/min；焊接成厚度为6.35mm、外径为114.3mm的直缝电阻焊钢管。
焊后焊缝在930～960℃条件下正火，控制正火后水冷的开始温度在350～400℃，以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织。
连续膨胀管的主要技术指标：最低屈服强度达到485MPa，最低抗拉强度达到555MPa，最低延伸率35％，最低Charpy冲击功40J，最高硬度HRC22。
实施例2：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数：
C：0.08％；Si：0.31％；Mn：1.55％；P：0.009％；S：0.003％；Mo：0.18％；Ni：0.19％；V：0.05％；Ti：0.03％；Cu：0.16％；Nb：0.04％；Fe：余量。
连续膨胀管的制造：
首先，制备热轧板卷：将上述材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气，连铸成厚度约为250mm的厚板坯，然后加热至约1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在730～950℃时进行精轧，轧后冷却速度20～30℃/s，卷取温度550～600℃，制成综合性能优良的厚度为7.52mm的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成420mm的钢带，为减少偏析对后续制管焊接的影响，应避免从板卷宽度1/2处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度要求，需将钢带对焊起来，将板头、板尾加工成45°，采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊焊接方式通过45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制板边波形；调整焊接电流、电压参数；控制焊缝的挤压量在1.7～2.3mm，开口角θ控制在6°，进行焊接，焊接速度v为19～21m/min；焊接成厚度为7.52mm、外径为127mm的直缝电阻焊钢管。
焊后焊缝在930～960℃条件下正火，控制正火后水冷的开始温度在350～400℃，以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织。
连续膨胀管的主要技术指标：最低屈服强度达到555MPa，最低抗拉强度达到620MPa，最低延伸率30％，最低Charpy冲击功40J，最高硬度HRC22。
实施例3：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数：
C：0.10％；Si：0.23％；Mn：1.40％；P：0.008％；S：0.003％；Cr：0.30％；Mo：0.21％；Ni：0.25％；Ti：0.03％；Cu：0.20％；Nb：0.04％；Fe：余量。
连续膨胀管的制造：
首先，制备热轧板卷：将上述材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气，连铸成厚度约为250mm的厚板坯，然后加热至约1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在700～950℃时进行精轧，轧后冷却速度20～30℃/s，卷取温度500～550℃，制成综合性能优良的厚度为7.72mm的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成460mm的钢带，为减少偏析对后续制管焊接的影响，应避免从板卷宽度1/2处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度要求，需将钢带对焊起来，将板头、板尾加工成45°，采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊焊接方式通过45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制板边波形；调整焊接电流、电压参数；控制焊缝的挤压量在1.8～2.5mm，开口角θ控制在7°，进行焊接，焊接速度v为18～20m/min；焊接成厚度为7.72mm、外径为139.7mm的直缝电阻焊钢管。
焊后进行900～950℃的一次整体加热淬火，600～650℃回火。
连续膨胀管的主要技术指标：最低屈服强度达到620MPa，最低抗拉强度达到670MPa，最低延伸率30％，最低Charpy冲击功40J，最高硬度HRC23。
实施例4：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数：
C：0.11％；Si：0.26％；Mn：0.80％；P：0.010％；S：0.004％；Cr：0.65％；Mo：0.29％；Ni：0.27％；Nb：0.05％；Ti：0.02％；Cu：0.22％；Fe：余量。
连续膨胀管的制造：
首先，制备热轧板卷：将上述材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气，连铸成厚度约为250mm的厚板坯，然后加热至约1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在700～950℃时进行精轧，轧后冷却速度20～30℃/s，卷取温度500～550℃，制成综合性能优良的厚度为10.36mm的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成580mm的钢带，为减少偏析对后续制管焊接的影响，应避免从板卷宽度1/2处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度要求，需将钢带对焊起来，将板头、板尾加工成45°，采用埋弧自动焊或C02气体保护焊焊接方式通过45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制板边波形；调整焊接电流、电压参数；控制焊缝的挤压量在1.8～2.5mm，开口角θ控制在8°，进行焊接，焊接速度v为18～20m/min；焊接成厚度为10.36mm、外径为177.8mm的直缝电阻焊钢管。
焊后进行900～950℃的一次整体加热淬火，600～650℃回火。
连续膨胀管的主要技术指标：最低屈服强度达到690MPa，最低抗拉强度达到760MPa，最低延伸率28％，最低Charpy冲击功40J，最高硬度HRC26。
实施例5：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数：
C：0.12％；Si：0.28％；Mn：0.98％；P：0.008％；S：0.005％；Cr：0.93％；Mo：0.44％；Ni：0.23％；Ti：0.03％；Cu：0.19％；Nb：0.06％；Fe：余量。
连续膨胀管的制造：
首先，制备热轧板卷：将上述材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气，连铸成厚度约为250mm的厚板坯，然后加热至约1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在700～950℃时进行精轧，轧后冷却速度20～30℃/s，卷取温度500～550℃，制成综合性能优良的厚度为14.15mm的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成710mm的钢带，为减少偏析对后续制管焊接的影响，应避免从板卷宽度1/2处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度要求，需将钢带对焊起来，将板头、板尾加工成45°，采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊焊接方式通过45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制板边波形；调整焊接电流、电压参数；控制焊缝的挤压量在2.0～3.0mm，开口角θ控制在8°，进行焊接，焊接速度v为18～20m/min；焊接成厚度为14.15mm、外径为219.1mm的直缝电阻焊钢管。
焊后进行900～950℃的一次整体加热淬火，680～630℃回火。
连续膨胀管的主要技术指标：最低屈服强度达到760MPa，最低抗拉强度达到800MPa，最低延伸率25％，最低Charpy冲击功40J，最高硬度HRC28。

Claims (1)

1.一种高强度高塑韧性连续膨胀管的制备方法，屈服强度达到485～760Mpa，管直径能发生10-30％的塑性形变，冲击功≥40J，其特征在于：
1)管材料的化学成分按质量百分比：
C：0.03～0.12％；Si：0.17～0.40％；Mn：0.80～1.90％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cr：0～1.0％；Mo：0.10～0.50％；Ni：0～0.30％；V：0～0.05％；Ti：0～0.03％；Cu：0～0.30％；Nb：0.01～0.06％；Fe：余量；
2)管的制造：
(1)制备热轧板卷：将步骤1)材料各组分经氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气，连铸成厚度为250mm的厚板坯，然后加热至1200℃，在1000～1100℃时进行粗轧，在700～950℃时进行精轧，轧后冷却速度15～30℃/s，卷取温度500～600℃，制成厚度为6～15mm的热轧板卷；
(2)板卷纵剪和对焊：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成380～710mm的钢带，将钢带对焊起来，将板头、板尾加工成45°，采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊焊接方式通过45°斜焊方式使钢带连接起来；
(3)用钢带生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制板边波形；控制焊缝的挤压量在1.6～3.2mm，开口角θ控制在4～8°，焊接速度v为15～25m/min，开口角θ与焊接速度v的乘积在100～150m/min·度之间；焊接成厚度为5～15mm的直缝电阻焊钢管；
(4)焊后焊缝在930～960℃条件下正火，控制正火后水冷的开始温度在350～400℃，或进行900～950℃的一次整体正火。
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