CN102534166A - 一种高扩径性能的j55钢级erw膨胀管的制备方法 - Google Patents

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一种高扩径性能的J55钢级ERW膨胀管的制备方法，属于金属材料领域。其特征在于：通过合理的合金设计获得较低生产成本的J55钢级膨胀管用钢并焊接制管，来替代无缝钢管，将J55钢级膨胀管加热至1000~1150℃并保温30~60分钟后空冷至室温；然后再加热至J55钢级膨胀管用钢AC3点以上50~100℃并保温30~60分钟后空冷至室温；最后将钢板在700~750℃的两相区保温30~60分钟；消除母材和焊缝区的微观组织差异，实现管体各处性能基本一致，得到分布均匀长大的铁素体，其含量较多，已接近此条件下的临界值，同时该方法也利于消除材料的带状组织，使组织细化，消除一些缺陷(如空位等)，并提高均匀延伸率，从而使J55钢级ERW膨胀管具有较高的整体扩径性能。本发明制备方法简单，ERW膨胀管实用、经济。

Description

一种高扩径性能的J55钢级ERW膨胀管的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及石油套管，特别是一种油田开采用J55钢级ERW膨胀管所采用的合金设计和热处理工艺。 
背景技术
膨胀管技术是近些年发展起来的一项非常有前景的石油钻采技术，它为解决钻井、固井、补井等问题提供了新的有效途径。所谓膨胀管的膨胀原理，从工艺角度上讲，就是利用金属的弹塑性特征，通过膨胀心轴在膨胀管内从上到下或从下到上的作轴向移动，以强行挤压的方式使套管在塑性区发生永久的塑性变形，使膨胀管直径膨胀7-30%。膨胀管技术可以减小钻孔尺寸，优化井身结构；同时膨胀推压挤实泥浆基础，提高油井使用寿命；另外，可用于修补长井段，克服了以往加固技术距离的限制，并能扩大修复通径，还可继续使用原有工具，扩大油井产量；简化尾管悬挂工艺、效果稳定、密封良好等，被称为石油钻采技术的一次革命，引起人们高度重视（刘文西, 陈玉茹, 刘洁. 油田完井用膨胀管装置 [P]. 中国: 200510122335, 2006）。 
美国亿万奇公司(Enventure Technology Venture，由壳牌公司和哈里伯顿公司合资成立)处于该技术的领先地位，他们已对膨胀管技术进行了较深入的研究，可以生产外径339.73mm到107.95mm(均为膨胀前尺寸)的系列实体膨胀管，膨胀率最高达到16%左右(内径，径向的应变)( [2]Mack.R. D, Terry. M, Lev. R. How in situ expansion affects casing and tubing properties [J]. World Oil, 1999, 220(7): 69-71;  [3]Rune. G, Randy.M. R. Deep reservoir targets using solid expandable tubular [C]. SPE77612, 2000; [4]Andrei. F, Robert.M. S. Expandable tubular solutions [C]. SPE56500, 2000)。国内对膨胀管技术的研究起步较晚，1999年才开始对膨胀管技术进行研究，其中天津大学的刘文西做了较多的工作，其就膨胀管的完井，补井和扩径装置等方面已申请了几项专利。 
钢铁材料的强度与塑性和韧性通常表现为互为消长的关系，强度高的常常塑性和韧性就低，而变形能力方面也不尽如人意。国内外的高性能膨胀管材料，它在保证材料强度的前提下，又显著提高了延伸率，但是在成分中加入了较多的合金元素，成本较高，这影响到膨胀管在石油钻采中的长距离应用。目前为止，国际上1000米以上或全井膨胀管的应用案例不足10%。因此，降低膨胀管成本、简化膨胀管制造工艺、提高扩径性能和增加产品膨胀后的力学稳定性是扩大膨胀管应用范围的关键问题。 
  
ERW焊管(electric resistance welding，即高频直缝电阻焊管)是利用高频电流的集肤效应和临近效应将钢板边缘迅速加热，进行挤压成型的焊接管道生产技术。电阻焊管具有生产效率高、制造成本低、尺寸精度高、使用效果好等优点，这些优点是无缝钢管无法比拟的([5]王荣. J55钢直缝焊油井套管沟槽腐蚀性能研究 [J]. 中国腐蚀与防护学报, 2004, 24(6): 360-363; [6]李鹤林. 油井管发展动向及若干热点问题(上) [J]. 钢管, 2005, 34(6): 1-6; [7]介升旗, 刘永平. 国内ERW焊管发展现状及其质量控制 [J]. 焊管, 2006, 29(6): 74-79)。但是ERW焊管在焊接时经历了组织粗化、钢板心部组织按照流变方向挤出以及快速加热与冷却等热力过程，这会造成母材和焊缝区的微观组织差异，从而使焊管整体的性能不均匀。J55钢级是美国API 5CT标准中一个重要的石油套管钢级，在我国的石油钻采领域中用量较大，因此需要格外关注J55钢级ERW膨胀管的生产成本和扩径性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高扩径性能的J55钢级ERW膨胀管的制备方法，通过合理的合金设计获得较低生产成本的 J55钢级膨胀管用钢并焊接制管，然后通过热处理工艺使得J55钢级ERW膨胀管实现基本的无缝化，并使得其具有较高的整体变形能力以及保证膨胀后力学性能均符合API或有关标准的规定。从而使J55钢级膨胀管在强行扩径的方式下，发生较大的塑性变形，实现扩大管径，降低钻采成本和增加油井产量目的。 
实现本发明的具体方法是，冶炼热轧合金成分以质量百分数计为：C：0.20~0.30%、Mn：0.50~2.00%、Si：0.20~0.80%、Fe余量的钢板，并焊接制管。将J55钢级膨胀管产品加热至1000~1150℃并保温30~60分钟后空冷至室温；然后再加热至产品AC3点以上50~100℃并保温30~60分钟后空冷至室温；最后将产品在700~750℃的两相区保温30~60分钟，使其满足美国石油学会套管和油管规范对J55钢级的性能要求(即API Spec 5CT的标准，屈服强度达到379~552MPa的范围，抗拉强度最小值达到517MPa以上的要求)。 
本发明兼顾了膨胀管的成本和性能两个矛盾方面的问题，利用ERW焊管替代无缝钢管，克服已有的技术不足，其制备方法简单，ERW膨胀管实用、经济。本发明中的制备方法获得的J55钢级ERW膨胀管适用于内陆钻井，深井和各类海洋井的施工，由于具有较好的综合效益，必将部分的取代普通的无缝石油套管和膨胀管，具有非常广泛的应用前景。 
本方法的特点在于：通过恰当的成分设计和热处理工艺消除母材和焊缝区的微观组织差异，实现管体各处性能基本一致，并得到分布均匀长大的铁素体，其含量较多，已接近此条件下的临界值，同时该方法也利于消除材料的带状组织，使组织细化，消除一些缺陷(如空位等)，提高均匀延伸率，从而使J55钢级ERW膨胀管具有较高的整体扩径性能。 
附图说明
扩径性能的重要指标包括—加工硬化指数(n)和厚向异性指数(r)以及预应变后的性能。图1为实施例1和实施例2的J55钢级膨胀管热处理后的应力-应变对数曲线(即lnδ- lnε曲线)，其中斜率即为n值。 
图2(a)为母材的微观组织、图2(b)为焊缝区的微观组织。 
图3(a)为母材的微观组织、图3(b)为焊缝区的微观组织. 
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 
    实施例1 
将合金成分如表1所示的J55钢级ERW膨胀管加热至1150℃并保温30分钟后空冷至室温；然后再加热至J55钢级膨胀管AC3点以上50℃(890℃)并保温60分钟后空冷至室温；最后将钢板在700℃的两相区保温60分钟。从图1可知，所得J55钢级ERW膨胀管在热处理后n值较大；通过公式(1)计算r值为1.4([8]吴诗. 冲压工艺学 [M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1987, 5-6)；从表2可知，母材和焊缝区的均匀延伸率均达到16%以上，且力学性能比较接近，满足API Spec 5CT标准对J55钢级的性能要求；在13%的预应变后，母材的抗拉强度为571MPa，屈服强度为514MPa，焊缝区的抗拉强度为585MPa，屈服强度为520 MPa；从图2中可以看出，母材和焊缝区的微观组织差异得到消弱，基本趋于一致。
r = εb/εt= [ln(b/b0)]/[ln(t/t0)]   公式(1) 
εb—宽度方向的应变；
εt—厚度方向的应变；
b0和b为变形前后工作部分的宽度；
t0和t为变形前后工作部分的厚度。
表1：实施例1的J55钢级ERW膨胀管的成分（质量分数）
C Mn Si Fe
0.22% 1.86% 0.20% 余量
表2：实施例1的J55钢级ERW膨胀管热处理后的力学性能
Figure 604911DEST_PATH_IMAGE001
注：V型缺口冲击试验的试验尺寸为55*10*5mm，试验温度为0℃。
  
实施例2
将合金成分如表3所示的J55钢级ERW膨胀管加热至1000℃并保温60分钟后空冷至室温；然后再加热至J55钢级膨胀管AC3点以上100℃(930℃)并保温30分钟后空冷至室温；最后将钢板在750℃的两相区保温30分钟。从图1可知，所得J55钢级ERW膨胀管在热处理后n值较大；通过公式(1)计算r值为1.2；从表4可知，母材和焊缝区的均匀延伸率均达到13%以上，且力学性能比较接近，满足API Spec 5CT标准的性能要求；在13%的预应变后，母材的抗拉强度为672MPa，屈服强度为664MPa，焊缝区的抗拉强度为679MPa，屈服强度为670 MPa；从图3中可以看出，母材和焊缝区的微观组织差异得到消弱，基本趋于一致。
  
表3：实施例2的J55钢级ERW膨胀管的成分（质量分数）
C Mn Si Fe
0.32% 0.46% 0.76% 余量
表4：实施例2的J55钢级ERW膨胀管热处理后的力学性能
Figure 384649DEST_PATH_IMAGE002
注：V型缺口冲击试验的试验尺寸为55*10*5mm，试验温度为0℃。

Claims (1)

1.一种高扩径性能的J55钢级ERW膨胀管的制备方法，其特征在于：通过合理的合金设计获得较低生产成本的 J55钢级膨胀管用钢并焊接制管，来替代无缝钢管，将J55钢级膨胀管加热至1000~1150℃并保温30~60分钟后空冷至室温；然后再加热至J55钢级膨胀管用钢AC3点以上50~100℃并保温30~60分钟后空冷至室温；最后将钢板在700~750℃的两相区保温30~60分钟；
所述J55钢级膨胀管的合金成分以质量百分数计为：C：0.20~0.30%、Mn：0.50~2.00%、Si：0.20~0.80%、Fe余量，热处理后，基本消除母材和焊缝区的微观组织差异，实现管体各处性能基本一致，从而使J55钢级ERW膨胀管具有较高的整体扩径性能，其力学性能性能能满足于内陆钻井，深井和各类海洋井方面对J55钢级膨胀管的要求。
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