CN102022086A - 一种经济型膨胀管用无缝油井管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种经济型膨胀管用无缝油井管及其制造方法，油井管化学成分的重量百分比为：C 0.08％-0.18％、Si 0.2％-0.5％、Mn 0.6％-1.7％、P≤0.012％、S≤0.005％、V 0.04％-0.15％、Ti 0.01％-0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法为热轧后的无缝管进行不完全退火，将加热炉的温度控制在750-800℃，使钢管的温度处于Ac1以上30-40℃至Ac3以下30-40℃的铁素体+奥氏体两相区范围内，以1mm/min的透热速度计算，使不同壁厚的经过热轧的油井管达到炉温，再对其保温10～60min，之后控制油井管以不大于0.2℃/s的速度冷却。兼顾了钢管的可制造性、可膨胀扩管的性能、扩管后力学性能及制造成本。
Description
技术领域
本发明属于低合金钢技术领域，尤其涉及一种膨胀管用无缝钢管及其制造方法，该膨胀管用无缝钢管适于在油井和气井内进行径向膨胀而达到所需要的井眼直径的目的，且无缝钢管扩径后具有优良的机械性能。
背景技术
膨胀管技术是近年发展起来的一项实用技术，它通过一种机械膨胀装置，靠液体压力推进，在膨胀锥体或心轴推进的过程中使井下管件经过塑性变形达到扩大管径的目的。膨胀管分为实体膨胀管和割缝膨胀管两大类。实体膨胀管主要用于：封堵漏失层和高压水层；封隔破裂带；修补损坏套管和封堵已射孔套管；取代常规尾管悬挂器和尾管悬挂器封隔器，以便保持井眼尺寸；替代常规的套管。割缝膨胀管主要用于封隔破碎带和膨胀防砂网，作为一种新的完井手段，提高油井产量。
在钻井中，如果从开钻到完钻全部采用膨胀管技术，则可实现开钻井眼直径与完钻井眼直径基本一致，减少套管同心管柱的层数，使石油公司在降低钻井成本和开发成本的同时增加油井产量，据计算，实体膨胀管技术在降低钻井成本方面大约可以将钻机场地缩小75％、将钻井液减少20％、将钻屑量减少50％、将固井水泥减少50％。因此，这是钻井技术的一次重大革命。
膨胀管钻井技术的关键要素之一是开发相应的膨胀管用钢，因为膨胀管在井眼中被径向膨胀(发生大塑性变形)，之后还要在严酷的井下环境中服役(承受较大的外挤力、内压力，有时还有腐蚀介质的侵蚀)；膨胀管应有足够的塑性变形能力，膨胀后，其力学性能、尺寸精度等应符合API或有关标准的规定，将经济性、实用性、优异的使用性能和服役性能四者兼顾是开发膨胀管用钢的难点，也是其成为制约膨胀管钻井技术发展的瓶颈之一的重要原因。例如，申请号为PCT/JP2006/312080的日本专利，只指出了其发明的油井管扩管后冲击性能优良，没有提及对钢管膨胀变形性能至关重要的均匀延伸率、屈强比等性能；而申请号为200410019863.X的中国专利，对扩管后的油井管的冲击性能只字未提；而专利号为7225868的美国专利、申请号为11790874的美国专利，没有提及钢管膨胀变形均匀延伸率、屈强比情况，也没有对油井管扩管后的冲击性能做任何介绍。而申请号为PCT/JP2008/054747的日本专利、申请号为200610112983.3的中国专利、专利号为6851455的美国专利均以高合金材料为膨胀管的原料，原料的合金成本和制造成本较高，原料的制造工艺在钢厂实施的难度很大，也失去了膨胀管钻井技术节约成本的初衷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可膨胀性能优良的经济型膨胀管用油井管及其制造工艺，使膨胀扩管后油井管的力学性能和使用性能达到API J55钢级水平，为石油公司采用膨胀管技术钻采石油、天然气提供所需的无缝钢管。在设计过程中兼顾了钢管的可制造性、可膨胀扩管的性能、扩管后力学性能及制造成本几个方面。
本发明的目的是这样实现的，一种经济型膨胀管用无缝油井管，在低合金钢范畴内进行成分设计，其化学成分的重量百分比为：C 0.08％-0.18％、Si0.2％-0.5％、Mn 0.6％-1.7％、P≤0.012％、S≤0.005％、V 0.04％-0.15％、Ti0.01％-0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中杂质元素含量为Sn＜0.001％、As 0.001％、Sb＜0.001％、Pb＜0.001％、Bi＜0.001％、[O]T＜0.003％、H＜0.0002％、N＜0.004％。
主要化学成分的作用：
C是保证低合金钢平衡组织状态下的强度所必须的元素，为得到目标的强度，所需要的下限为0.08％。但同时为保证钢管的塑、韧性，C含量又不能过多，所以将上限设定为0.18％。
Si的加入既可以提高钢材的强度，又能起到脱氧作用。但是，为保证钢材有较好的韧性，规定Si的上限为0.5％。
Mn一方面是作为脱氧元素加入的，另一方面是作为合金元素加入的，对于铁素体为基体的低合金钢，Mn起固溶强化作用，在增加强度的同时对延伸性能影响较小，但Mn含量过高易产生过热倾向，对塑、韧性均不利，本发明将Mn的加入量控制在0.6％～1.7％。
V作为强碳、氮化物形成元素，通常在钢中以碳化物、氮化物和碳氮化物等形式存在，起到固N、固C的作用，避免或减轻钢管膨胀变形时产生裂纹或疖子等缺陷。在热处理过程中，一部分V溶解再析出，起析出强化作用，另一部分V以氮化物和碳氮化物的形式钉扎晶界，限制热处理后晶粒的长大，起细晶作用。V含量过低，其作用不明显，V含量过高，对塑、韧性不利，因此，规定V的加入量为0.04％～0.15％。
Ti的加入可以起到改善连铸坯质量的作用，同时Ti有固N和固C的作用，氮化钛和碳氮化钛在热处理过程中可以起到很强的细晶作用，限制铁素体过分长大。但过高的Ti会促进大颗粒TiN的形成，因此规定Ti的加入量为0.01％～0.03％。
一种经济型膨胀管用无缝油井管的制造方法，主要包括“铁水预处理→转炉冶炼→炉外精练(LF+VD/RH)→方坯连铸→连轧圆管坯→轧管(管坯加热+穿孔+PQF连轧+微张减)→冷却→矫直→探伤→热处理[两相区处理+控冷]→喷字标识→涂油→包装入库”工序制造。热轧后的油井管的壁厚范围7～15mm，外径范围114.3～177.8mm，其壁厚不均匀率小于5％、外径不均匀率小于2％，以保证膨胀管对膨胀前钢管外型尺寸的要求，这里的壁厚不均匀率是指油井管最大壁厚与最小壁厚之差再除以平均壁厚所得的百分比，这里的外径不均匀率是指钢管最大外径与最小外径之差再除以平均外径所得的百分比。而对钢管性能起决定作用的工艺是热处理工艺。
膨胀管用油井管的热处理工艺可以这样实现：热轧后的无缝管进行不完全退火，将加热炉的温度控制在750-800℃，使钢管的温度处于Ac1(710-720℃)以上30-40℃至Ac3(830-840℃)以下30-40℃的铁素体+奥氏体两相区范围内，以1mm/min的透热速度计算，使不同壁厚的经过热轧的油井管达到炉温，再对其保温10～60min，之后控制油井管以不大于0.2℃/s的速度冷却。为达到本发明目的，推荐的控制钢管冷却的最佳方式有两种，第一种方式，热轧钢管在热处理炉内以750-800℃铁素体+奥氏体组织状态保温10～60min后随炉冷却至300～500℃出炉，空冷至室温，最终无缝钢管组织为铁素体+粒状珠光体或粒状渗碳体，并存在VC、VCN、TiCN、TiVCN等第二相粒子；第二种方式，钢管以750-800℃铁素体+奥氏体两相区范围内在第一热处理炉保温10～60min后出炉，并迅速进入炉温为500℃～常温的第二热处理炉中，要点是使其以不大于0.2℃/s的速度冷却至500℃～常温温度范围，其组织状态为铁素体+粒状珠光体或粒状渗碳体以及VC、VCN、TiCN、TiVCN第二相粒子，此时钢管可出炉空冷至室温。无缝钢管在第一热处理炉或第二热处理炉中保温后随炉冷却至室温，仍可达到本发明的目的，但比较而言，显然推荐的两种实施方式在生产操作时更符合实际。
经过热处理后的油井管具有的性能特征是：
1.最小屈服强度Rt0.5或Rp0.2达到280～390Mpa；
2.抗拉强度指标Rm达到510～590MPa；
3.最大屈强比不大于0.7；
4.最小均匀延伸率Agt不小于10％，最小断后延伸率A不小于28％；
5.全尺寸试样最小0℃冲击功不低于100J；
6.最小形变强化指数n值不低于0.19；
7.应力-应变曲线是形式为无明显屈服平台的连续型曲线。
经过热处理后的油井管具有的组织特征是：
1.组织由最大尺寸不超过25μm的等轴铁素体+最大尺寸不超过5μm的粒状渗碳体+最大尺寸不超过40nm的VCN、VC粒子+最大尺寸不超过100nm的TiCN、TiVCN粒子；
2.组织中的F所占比例至少为60％，粒状渗碳体所占比例至少为10％；
3.组织中的粒状渗碳体均分布于铁素体晶界附近位置；
4.组织中第二相粒子弥散分布于铁素体基体之上。
油井管经过10％～20％的扩径率膨胀后的性能特征：
1.最小屈服强度Rt0.5达到390～540Mpa；
2.抗拉强度指标Rm达到550～640MPa；
3.断后延伸率A不低于15％；
4.全尺寸试样最小0℃冲击功不低于80J。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.该膨胀管用油井管的较高的均匀延伸率、较高的形变强化指数和较低的屈强比，使该油井管可以在较小的膨胀驱动力下达到10％～20％的扩管变形，扩管后的油井管缺陷倾向性小。而申请号为PCT/JP2006/312080的日本专利、专利号为7225868的美国专利、申请号为11790874的美国专利，申请号为200410019863.X的中国专利，均没有说明对其所述钢管的膨胀变形性能起决定作用的均匀延伸率、屈强比和形变强化指数的情况，看不出其所述钢管的均匀塑性变形的能力；
2.该膨胀管用油井管扩管后的冲击性能优异，完全满足API标准对各钢级油井管冲击性能的要求。与专利号为7225868的美国专利、申请号为11790874的美国专利、申请号为200410019863.X的中国专利相比，本发明油井管明显具有冲击性能方面的优势；
3.该膨胀管用油井管的应力-应变曲线为无明显屈服平台的连续型曲线，扩管后的回弹小。
4.该膨胀管用油井管采用低合金热轧无缝管为原料，通过在钢厂易于实现的热处理工艺制成成品，该油井管成本大大低于申请号为PCT/JP2008/054747的日本专利、申请号为200610112983.3的中国专利和专利号为6851455的美国专利所使用的高合金材料，且制造工艺易于实现，适合批量的工业生产，因此，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
经过铁水预处理→转炉冶炼→炉外精练(LF+VD/RH)→方坯连铸→连轧圆管坯→轧管(管坯加热+穿孔+PQF/MPM连轧+微张减)→冷却的无缝钢管生产工艺，依次得到表1中成分的φ133×15mm、φ177.8×9.19mm、φ139.7×7.72mm热轧无缝钢管，其最大外径不均匀率为0.53％，其最大壁厚不均匀率为2.99％。
表1热轧无缝钢管的化学成分
对表1成分热轧无缝钢管实施的热处理工艺见表2，其中11#、12#成分相同，均为表1中的1#；21#、22#成分相同，均为表1中的2#；31#、32#成分相同，均为表1中的3#。
表2热处理工艺
对表2热处理后膨胀变形前无缝钢管进行性能检验，性能结果见表3，其中冲击功值为折算成全尺寸试样后的性能。
表3无缝钢管性能检验结果
对表3中的11#、12#管施加12％扩径率的径向扩管，对表3中的21#、22#管施加15％扩径率的径向扩管，对31#、32#管施加18％扩径率的径向扩管，这里的扩径率是指钢管扩径前后的差值与扩径前内径之比，扩管后的无缝钢管内、外表面及横断面内经肉眼和探伤检查均没有裂纹出现，扩管后的油井管力学性能和组织情况见表4。
表4扩管后的油井管力学性能和组织情况
对径向膨胀变形后钢管进行抗HIC性能检验，试验按照NACETM0284-2003标准进行，分别采用pH值＝2.70的A溶液和pH值＝8.18的B溶液作为试验溶液，经96h的腐蚀试验后，B溶液中的试样的裂纹敏感率CSR、裂纹长度率CLR、裂纹厚度率CTR均为0；A溶液中的试样的裂纹敏感率CSR＜0.05％、裂纹长度率CLR＜5％、裂纹厚度率CTR＜0.5％。表明本发明中径向膨胀变形后的钢管具有较好的抗H2S腐蚀能力。
Claims (5)
1.一种经济型膨胀管用无缝油井管，其特征在于钢管化学成分的重量百分比为：C 0.08％-0.18％、Si 0.2％-0.5％、Mn 0.6％-1.7％、P≤0.012％、S≤0.005％、V 0.04％-0.15％、Ti 0.01％-0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的经济型膨胀管用无缝油井管，其特征在于杂质中的有害元素含量为Sn＜0.001％、As 0.001％、Sb＜0.001％、Pb＜0.001％、Bi＜0.001％、[O]T＜0.003％、H＜0.0002％、N＜0.004％。
3.根据权利要求1所述的经济型膨胀管用无缝油井管，其特征在于钢管组织为铁素体+粒状珠光体或粒状渗碳体，并存在VC、VCN、TiCN、TiVCN第二相粒子。
4.一种用于权利要求1～3任意一项所述的经济型膨胀管用无缝油井管的制造方法，主要包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精练、方坯连铸、连轧圆管坯、轧管、冷却、矫直、探伤、热处理，其特征在于热处理工艺包括：将热处理炉的温度控制在750-800℃，使钢管的温度处于Ac1以上30-40℃至Ac3以下30-40℃的铁素体+奥氏体两相区范围内，以1mm/min的透热速度，使不同壁厚的经过热轧的油井管达到炉温，再对其保温10～60min，之后控制油井管以不大于0.2℃/s的速度冷却至500℃以下。
5.根据权利要求4所述的经济型膨胀管用无缝油井管的制造方法，其特征在于热轧后的油井管壁厚不均匀率小于5％、外径不均匀率小于2％。
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