CN102268594B

CN102268594B - 一种可大变形膨胀的油井管及其制造方法

Info

Publication number: CN102268594B
Application number: CN 201010201809
Authority: CN
Inventors: 解德刚; 王长顺; 严玲; 陈克东; 赵波; 王枫; 俞平; 邸军; 徐咏梅
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: CN102268594A

Abstract

本发明公开一种可大变形膨胀的油井管，油井管化学成分(wt％)为：C 0.3％-0.45％、Si≤0.05％、Mn 16％-25％、P≤0.01％、S≤0.005％、N 0.02％-0.05％、Re 0.2％-0.5％、Al≤0.05％，其余为Fe和不可避免杂质。制造方法为热轧后钢管经第一热处理炉加热至950～1150℃，保温1～3h，然后出炉进行内喷+外淋的水冷，以大于30℃/s的冷速冷至室温，根据初始屈服强度的需要，进入第二热处理炉进行200～300℃、2～4h的时效处理，室温组织为单相奥氏体或奥氏体+碳、氮化物。本发明在设计过程中兼顾了钢管的可制造性、可膨胀扩管的性能、扩管后的力学性能和抗外压挤毁性能及制造成本，最大径向膨胀变形率可以达到35％，膨胀扩管后油井管的屈服强度级别达到90psi钢级，为钻采石油、天然气提供所需的管材。

Description

一种可大变形膨胀的油井管及其制造方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，尤其涉及一种膨胀管用钢管及其制造方法，该膨胀管用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。

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)，在寒冷地区的油井更是对膨胀管的塑、韧性提出更高的要求；膨胀管应有足够的塑性变形能力，膨胀后，其力学性能、抗压溃性能、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Cr、Ni、Mo不锈钢作为膨胀管的原料，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。所有以上公开的专利技术所提及的材料的最大膨胀变形率均仅为30％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可膨胀性能优良的膨胀管用油井管及其制造工艺，其最大径向膨胀变形率可以达到35％，使膨胀扩管后油井管的屈服强度级别达到55psi、80psi、90psi钢级水平，为石油公司采用膨胀管技术钻采石油、天然气提供所需的管材。

本发明的另一个目的在于提供一种膨胀性能优良的可大变形膨胀管用油井管及其制造工艺，在设计过程中兼顾了钢管的可制造性、可膨胀扩管的性能、扩管后的力学性能和抗外压挤毁性能、以及制造成本几个方面。

本发明的目的是这样实现的：

本发明采用高锰降低层错能，产生TWIP效应，使膨胀管具有低屈服、高均匀延伸率等特点，满足膨胀大扩径要求。与已知TWIP钢不同，本发明的成分特点是在低Si、Al含量的情况下，通过适量的C、N以维持奥氏体的稳定性，适量的N还可提高层错和孪晶的体积分数，来保证TWIP效应的高塑性产生，通过添加适量的稀土元素来抑制高Mn含量的热裂倾向。确定出以表1中成分为核心成分的生产理想的膨胀管用油井管。

表1膨胀油井管核心成分wt％

C

Si

Mn

P

S

N

Re

Al

0.3-0.45

0-0.05

16-25

≤0.01

≤0.005

0.02-0.05

0.2-0.5

0-0.05

其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的重量百分比为：Sn＜0.001％、As＜0.001％、Sb＜0.001％、Pb＜0.001％、Bi＜0.001％、[O]_T＜0.003％、H＜0.0002％。

当然，材料中还可有选择的加入以下重量百分含量的Cr、Ni、Mo的一种或几种：1％～5％的Cr、2％～3％的Ni、0.5％～1％的Mo，以提高抗腐蚀能力。合金元素的作用。

Mn：足够的Mn是保证钢获得单相奥氏体的必要条件，在C、N含量较低时，只有当Mn的重量百分含量达到16％才能获得单相奥氏体。但Mn含量过高会使热裂纹产生的倾向显著增强，加大工艺控制的困难。因此，Mn含量的上限规定为25％。

C：C一方面增强奥氏体稳定性，降低Ms点，有利于twip效应的发生，在Mn含量较低时，必须含有一定量的C，用来与Mn配合，维持钢的室温组织为单相奥氏体；另一方面C起到强化奥氏体相的作用，使初始屈服强度有所提高，达到油井管下井膨胀前所需的屈服强度。但随碳含量的增加钢将获得更大的预应变而不产生塑性变形，增加钢的回复应变量。因此，规定碳含量的上限为0.45％。

N：N增强奥氏体稳定性，同时起到强化奥氏体相的作用，提高钢的抗腐蚀性能，但是，随着氮含量的增加，钢的层错能会逐渐增加，降低层错机率和应变硬化指数，因此，N的含量又不能太高。规定N含量的上限为0.05％。

Si：Si含量的增加，使Fe-Si键的结合更牢固，增强短程有序排列的趋势，减少Mn元素的偏聚，促使合金的均匀化；Si还有增加相变驱动力的作用，易产生应力诱发马氏体的效应，同时Si含量过高会使钢的脆性增大，并降低抗腐蚀性。综合考虑，规定Si含量的上限为0.05％。

Al：Al可提高奥氏体的层错能，强烈抑制A向ε-M的相变发生，有利于twip效应的产生。但Al又是铁素体形成元素，随Al含量增加，其扩大铁素体区的作用将增强，不利于单相奥氏体组织的获得。而且，Al易与N结合，增加材料的热裂倾向。因此，控制Al含量上限为0.05％。

RE：RE有抑制高Mn钢热裂纹的作用，一般添加量为0.2％以上，根据Mn的含量控制RE的含量范围为0.2％～0.5％。

具有表1中成分的钢管主要经过“电炉冶炼→钢包精炼(电渣重熔)→钢锭浇铸→钢锭精整→锻制圆管坯→轧管(管坯加热+穿孔+PQF连轧+微张减)→冷却→矫直→探伤→热处理[固溶处理+水韧处理(+时效)]或退火处理→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，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。

发明的膨胀管用油井管的热处理工艺可以这样实现：热轧后的钢管经第一热处理炉加热至950～1150℃，保温1～3h，使合金元素均匀固溶于奥氏体中，然后钢管出炉进行内喷+外淋的水冷，以大于30℃/s的冷速使钢管快速冷至室温，根据初始屈服强度的需要，进入第二热处理炉进行200～300℃、2～4h的时效处理，室温组织为单相奥氏体或奥氏体+碳、氮化物。

发明的膨胀管用油井管的热处理工艺还可以这样实现：热轧后的钢管经第一热处理炉加热至950～1150℃，保温1～3h，使合金元素均匀固溶于奥氏体中，然后钢管出炉进入第二热处理炉进行缓冷，至钢管温度为不高于400℃时可出炉空冷，室温组织为单相奥氏体。

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275～500Mpa；

2.最小抗拉强度指标Rm达到550～975MPa；

3.最大屈强比不大于0.6；

4.最小均匀延伸率Agt不小于49％，最小断后延伸率A不小于55％；

5.全尺寸试样最小-40℃冲击功不低于100J；

6.最小形变强化指数n值不低于0.25；

7.应力-应变曲线是形式为无屈服平台的圆屋顶型平滑曲线。

经过热处理后的油井管具有的组织特征是：

1.组织为最大尺寸不超过35μm的单相奥氏体，如果进行时效处理，奥氏体基体上将有少量70nm以下的C、N化物析出。

油井管经过10％～35％的扩径率膨胀后的性能特征：

1.最小屈服强度Rt0.5或Rp0.2达到450～800Mpa；

2.抗拉强度指标Rm达到650～1100MPa；

3.断后延伸率A不低于19％；

4.全尺寸试样最小-40℃冲击功不低于40J；

5.在A组织中形成大量孪晶。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

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10～35％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，-40℃冲击功值远远高于API标准对J55、N80、C90各钢级油井管0℃冲击功的要求。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圆屋顶型平滑曲线，钢管膨胀后回弹小。而且，由于没有包辛格效应发生，钢管膨胀后的抗外压性能好。

具体实施方式

经过“电炉冶炼→钢包精炼(电渣重熔)→钢锭浇铸→钢锭精整→锻制圆管坯→轧管(管坯加热+穿孔+PQF连轧+微张减)→冷却→矫直→探伤→热处理[固溶处理+水韧处理(+时效)]或退火处理→喷字标识→涂油→包装入库”的钢管生产工艺，依次得到表2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2本发明热轧无缝钢管的化学成分

对表2化学成分热轧无缝钢管实施的热处理工艺见表3，其中11#、12#成分相同，均为表2中的1#；21#、22#成分相同，均为表2中的2#；31#、32#成分相同，均为表2中的3#；41#、42#成分相同，均为表2中的4#；51#、52#成分相同，均为表2中的5#；61#、62#成分相同，均为表2中的6#。

表3本发明的热处理工艺

对表3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4，其中冲击功值为折算成全尺寸试样后的性能。

表4热处理后膨胀变形前无缝钢管进行性能检验的结果

试样号	Rt0.5/MPa	Rm/MPa	屈强比	A	Agt	n	KV8，J，-40℃	有无屈服平台
									11#	275	625	0.44	63	52	0.33	139	无
12#	305	645	0.47	64	57	0.33	245	无
									21#	345	755	0.46	63.5	52.5	0.33	131	无
22#	410	840	0.49	62.5	53	0.31	187	无
									31#	300	780	0.32	61	56	0.36	125	无
32#	395	850	0.37	62	55	0.35	240	无
									41#	385	805	0.48	60	50	0.33	121	无
42#	455	890	0.51	58	49	0.32	168	无
									51#	390	810	0.48	61.5	52	0.33	124	无
52#	440	905	0.49	60	51	0.35	156	无
									61#	425	860	0.49	59	51	0.34	115	无
62#	500	975	0.51	57	49	0.33	163	无

对表4中的11#、12#、21#、22#、31#、32#、41#、42#、51#、52#、61#、62#管分别施加35％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5。

表5扩管后的油井管力学性能和组织情况

试样号	Rt0.5，MPa	Rm，MPa	A，％	KV8，J，-40℃	膨胀扩径率，％	组织
							11#	485	695	24	57	35	A+孪晶
12#	525	720	25	93	35	A+孪晶
							21#	605	865	23.5	58	35	A+孪晶
22#	640	970	24	64	35	A+孪晶
							31#	580	925	25	60	35	A+孪晶
32#	695	940	24.5	102	35	A+孪晶+C\N化物
							41#	515	885	21	45	35	A+孪晶
42#	580	940	20	61	35	A+孪晶
							51#	645	920	21.5	62	35	A+孪晶
52#	675	985	20.5	75	35	A+孪晶
							61#	690	960	20	60	35	A+孪晶
62#	785	1050	19	102	35	A+孪晶+C\N化物

本发明的钢管经过径向塑性膨胀变形，钢管几乎没有回弹现象发生，钢管的组织和变形、强化机制决定了其没有包辛格现象发生。

Claims

1.一种可大变形膨胀的油井管，其特征在于：油井管化学成分的重量百分比为：C 0.3%-0.45%、Si≤0.05%、Mn 16%-25%、P≤0.01%、S≤0.005%、N 0.02%-0.05%、Re 0.2%-0.5%、Al≤0.05%，加入重量百分比为Cr 1%～5%、Ni 2%～3%、Mo 0.5%～1%中的一种或一种以上，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的可大变形膨胀的油井管，其特征在于：杂质元素的重量百分比为Sn＜0.001%、As＜0.001%、Sb＜0.001%、Pb＜0.001%、 Bi＜0.001%、[O]_T＜0.003%、H＜0.0002%。

3.一种用于权利要求1或2所述的可大变形膨胀的油井管制造方法，主要包括电炉冶炼、钢包精炼、钢锭浇铸、钢锭精整、锻制圆管坯、轧管、冷却、矫直、探伤、热处理，其特征在于热处理工艺包括：热轧后的钢管经第一热处理炉加热至950～1150℃，保温1～3h，然后钢管出炉进行内喷+外淋的水冷，以大于30℃/s的冷速使钢管快速冷至室温。

4.根据权利要求3所述的可大变形膨胀的油井管制造方法，其特征在于钢管快速冷至室温后，进入第二热处理炉进行200～300℃、2～4h的时效处理。

5.一种用于权利要求1或2所述的可大变形膨胀的油井管制造方法，主要包括电炉冶炼、钢包精炼、钢锭浇铸、钢锭精整、锻制圆管坯、轧管、冷却、矫直、探伤、热处理，其特征在于热处理工艺包括：热轧后的钢管经第一热处理炉加热至950～1150℃，保温1～3h，然后钢管出炉进入第二热处理炉进行缓冷，至钢管温度为不高于400℃时出炉空冷。