CN102912220B - 石油天然气钻采用j55级膨胀管材成分设计及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明石油天然气钻采用J55级膨胀管材成分设计及制备方法，其化学成分质量百分比为，C：0.06~0.15、Mn：1.5~2.5、Si：0.3~1.5、Ni：0.3~1.5%、其余为Fe和不可避免的杂质。通过冶炼、轧制获得合金板，将钢板加热至A_C3以上50～100℃保温使之完全奥氏体化后淬火，然后在两相区保温使之部分奥氏体化后形成逆转组织后空冷或者淬火，在600～700℃的高温回火，获得多相组织的膨胀管材，该管材屈服强度达到450MPa以上，抗拉强度达到600MPa以上，均匀延伸率不低于15%，断后延伸率不低于30%，-40℃半厚V型缺口夏比冲击功达到30J以上。且工艺简单，成本低廉，实用性强。

Description

石油天然气钻采用J55级膨胀管材成分设计及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及石油套管，特别是一种石油天然气钻采用J55级膨胀管材成分设计及制备方法。

背景技术

在石油天然气勘探开发中，钻井工程是直接了解地下地质情况、发掘和开采油气田广为应用的最有效手段。常规钻井是将固定尺寸的套管下入井中，从井口向下层层套入，每一层套管的尺寸由上至下是逐渐缩小的。这种钻井的方式对于深井而言将导致两种结果：若固定井口套管直径，有可能因为套管（井眼）尺寸限制而不能达到目的层，进而不能进行深井的井下作业；反之，若不固定进口套管直接，则钻进越深，套管的层数就越多，这样将导致井口直径很大。为此，人们发展了膨胀管技术，它是近年来发展起来的一种新型的颇具应用前景的石油钻采技术，为解决钻井、固井、补井等问题提供了新的有效途径，既能解决井眼变径问题，又能大量节约作业成本，被认为是21 世纪石油钻采行业的核心技术之一（马宏伟，黄勇．膨胀管技术现状分析[J]．科技创新导报．2010，17：69-71．）。

所谓膨胀管技术是利用金属材料的弹塑性特征，以冷加工成型的方式，采用膨胀锥头以液压或机械挤压的方法在井下将钻井管柱径向膨胀，使其内、外径扩大，实现使用同一尺寸的套管代替现行的多层套管，以提高应对多个复杂地层的深井钻采能力。从经济角度分析可知，使用可膨胀套管技术可以缩减上部井眼尺寸，优化钻具组合，提高机械钻速，节省井口设备、钻井液、循环时间、水泥、钻头和平台费用（彭在美，赵旭，窦树柏，等．国内外可膨胀套管技术的发展概况[J]．焊管．2010，33（6）：5-9．）。据统计，该技术可以降低44％的钻井液用量、42％的水泥用量、38％的套管用量和59％的钻屑生成量。在海上钻井和建井中可节省33％-48％的建井费用（杨传勇．国外可膨胀套管技术的发展及应用[J]．石油机械，2006，34（10）：74-76．）。

自1990年初，Royal Dutch Shell公司最先提出膨胀管技术的概念，并于1993年在挪威的海牙（Hague）进行了第一次概念性试验（利用一种用于汽车防撞区的材料，采用焊接方式实现了内径膨胀率22％-24％）。膨胀管技术经历了概念性研究、探索性研究和应用研究等三个研究过程（孟庆昆，谢正凯，冯来，王辉，王玉明. 可膨胀套管技术概述[J].钻采工艺，2003，26（4）：67-68．）。尤其是最近几年，膨胀管技术呈现爆炸式大发展，该技术将广泛应用于油气井钻采、地质勘探、老井加深、修井以及堵水井工程中。目前，国外有多家石油技术服务公司可以提供钻井膨胀管技术服务，其中亿万奇环球工艺技术公司(Enventure Technology Venture，1998年12月由壳牌公司和哈里伯顿公司合资成立)、威德福公司（Weatherford）以及俄罗斯鞑靼（TatNIPIneft）石油设计院处于领跑地位。可膨胀管技术的概念是2000年引入国内的，但直到2001年才引起钻井界的足够重视。目前国内多家公司和科研机构在跟踪国外发展现状的同时，也在从事膨胀管技术的研究，但仅限于理论及实验室的研究（张海东．膨胀管技术的现状及未来[J].特种油气藏，2007，14（1）：3-6．）。

随着膨胀管技术在国外的成功应用，证明其在石油钻采也的关键地位，同时，也意味着国内将有着大量的需求。然而，膨胀管技术的最关键要素之一，是可膨胀管材的成分设计及热处理工艺。可膨胀式套管材料性能要求延伸率高且易于膨胀变形，膨胀变形后机械性能基本达到普通套管水平，能符合API 5CT 8th或者有关标准的规定。同时，材料的价格要和普通套管属同一数量级（孟庆昆，谢正凯，冯来，王辉，王玉明. 可膨胀套管技术概述[J].钻采工艺，2003，26（4）：67-68．）。国内外目前开发的高性能钢中添加了大量的Cr、Ni、Zr等贵重金属元素，导致成本较高，不利于可膨胀技术推广应用。因此，降低膨胀管的成本、简化制造工艺、提高扩径性能和增加产品膨胀后的力学稳定性对该技术的推广应用至关重要。

发明内容

本发明旨在提出一种低成本高扩径性及良好的焊接性能的J55级膨胀管材的成分设计及制备方法，通过合理的成分设计及热处理工艺获得低生产成本的J55级膨胀管材用钢。钢材经冶炼并热轧轧制成板材，然后将钢板重新加热到奥氏体化温度进行均匀化处理后淬火，又加热到两相区淬火（或退火），最后进行高温回火，获得具有高均匀延伸率且其他力学性能均符合API或有关标准规定的膨胀管材用钢。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，达到扩大管径，降低钻采成本和增加油井产量目的。

本发明的技术方案是：石油天然气钻采用J55级膨胀管材成分设计，该管材的化学成分重量百分数如下：

C：0.06~0.25%，Mn：1.5~3.5%，Si：0.3 ~1.5 %，S：≤0.01%，P：≤0.015%，Ni：0.3 ~1.5 %，余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步，该管材的化学成分重量百分数如下：C：0.08~0.15%，Si：0.4~1.0%，Mn：1.8~2.5%，S≤0.005%，P：≤0.015%，Ni：0.3 ~1.0%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的另一目的是提供上述石油天然气钻采用J55级膨胀管材的制备工艺： 

步骤1：根据所设计的化学成分进行冶炼并热轧轧制成板材；

步骤2：将上述热轧板材重新加热至奥氏体化温度A_C3以上50~100℃的T₁，并保温30~60分钟的t₁时间后淬火，获得马氏体或贝氏体板条组织；

步骤3：将上述淬火后的钢板再加热至钢板的A_C1以上、A_C3以下的两相区之间的某一温度T₂保温15~60分钟的t₂时间，使之部分奥氏体化而形成有C和Mn元素富集的逆转奥氏体组织，然后淬火或者空冷至室温，获得亚温铁素体、马氏体或贝氏体组织；

步骤4：最后将经上述两相区处理后的钢板加热至其初始成分均匀时对应的步骤3所述的A_C1以下30~80℃之间的某一温度T₃保温15~60分钟的t₃时间，使之达到步骤3中形成的富集了C和Mn元素的逆转组织的A_C1r以上，，使这部分组织中进一步的富集C和Mn元素，最后空冷至室温，获得亚温铁素体、马氏体或贝氏体、回火马氏体或贝氏体及含量不低于3%的残余奥氏体的多相组织的膨胀管材，其屈服强度达到379~552MPa，抗拉强度最小值达到517MPa以上，均匀延伸率不低于15%，断后延伸率不低于30%，-40℃半厚V型缺口夏比冲击功达到30J以上。

按照本发明，对所述膨胀管材进行淬火处理的淬火介质是水、油或者不同浓度（2%~10%）的聚乙烯醇水溶液。

本发明中涉及的A_C1r温度是指经过临界退火生成的合金元素富集了的逆转组织后，钢中bcc相开始转变为fcc相的温度，此温度低于成分均匀时的A_C1温度。

本发明中涉及两次两相区处理，第一次两相区处理的温度区间为钢板初始成分且均匀分布时对应的A_C1～A_C3之间的温度区间，第二次两相区处理的温度区间为第一步两相区处理后生成的合金元素富集了的逆转组织的新的A_C1r以上（此温度一般低于成分均匀时的A_C1温度30～80℃），成分均匀时的A_C1以下。

本发明中涉及的淬火过程中钢板平均冷速在10℃/s以上，淬火介质可以是水、油或其他液体介质。

本发明中，利用反复热处理，使板材获得复相组织，且各组织之间的合金元素，主要是C和Mn元素，进行重新分配，降低逆转组织的Ms点，从而稳定逆转奥氏体获得一定量残余奥氏体，残余奥氏体体积含量一般高于3%。

本发明的特点在于：通过合理的成分设计和热处理工艺，获得含有一定量残余奥氏体的多相组织的钢，一方面利用多相组织中软硬相的搭配实现强度和塑性的结合，另一方面利用钢中的残余奥氏体组织在冷变形过程中发生相变诱发塑形（TRIP）效应，进一步获得高延伸率的钢板，以实现后期的膨胀管扩径的性能要求。同时，考虑到膨胀管的焊接性能，采用低碳成分设计，且合金成分与热处理工艺简单，生产成本低，易于大批量生产。

附图说明

图1是本发明中生产膨胀管材用的热处理工艺温度-时间关系示意图。T₁=A_C3+50～100℃，T₂= （A_C1+10℃）~A_C3，T₃= A_C1r~A_C1，t₁=15～60min，t₂=15～60min，t₃=15～60min；A_C1r是双相区退火处理后钢的A_C1值下降所对应的新的bcc相向fcc相转变的临界温度；t₁、t₂、t₃是根据钢材到达相应的保温温度后开始计时的时间。

图2是发明实施例1所生产的J55钢级多相高均匀延伸膨胀管材用钢的金相组织图片示意图。

图3是发明实施例1所生产的J55钢级多相高均匀延伸膨胀管材用钢中的残余奥氏体X射线衍射结果示意图；

图4是发明实施例2所生产的J55钢级多相高均匀延伸膨胀管材用钢的金相显微组织图片示意图。

图5是发明实施例2所生产的J55钢级多相高均匀延伸膨胀管材用钢中的残余奥氏体X射线衍射结果示意图。

图6是发明实施例3所生产的J55钢级多相高均匀延伸膨胀管材用钢的金相显微组织图片示意图。

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清楚、完整的描述，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

采用合金元素含量为表1所示的J55级膨胀管材热轧钢板，将其放入炉温为A_C3以上100℃（T₁=900℃）的箱式电阻炉中保温t₁为30分钟后水淬至室温，然后又放如炉温为A_C1～A_C3之间的T₂（740℃）的箱式电阻炉中保温t₂为30分钟后空冷至室温，最后放入炉温为A_C1r～A_C1之间的T₃（650℃）的箱式电阻炉中保温t₃为30分钟后空冷至室温。获得如表2所示力学性能的J55级膨胀管材用钢。从表2可知，膨胀管材钢板的均匀延伸率均达到20%以上，且屈服强度为492MPa，抗拉强度为651MPa，-40℃半厚V型缺口夏比冲击功达到46.9J，满足API Spec 5CT标准对J55钢级的性能要求。

表1 实施例1的J55钢级膨胀管材的成分（质量分数）

C

Mn

Si

S

P

Ni

Fe和不可避免杂质

0.1%

1.8%

0.4%

<0.008%

<0.015%

0.8%

余量

表2 实施例1的J55钢级膨胀管材的力学性能

屈服强度（Mpa）	抗拉强度（Mpa）	均匀延伸率（%）	断后延伸率（%）	-40℃半厚夏比冲击功（J）
					492	651	20.1	32.3	46.9

实施例2

表1 实施例2的J55钢级膨胀管材的成分（质量分数）

C

Mn

Si

S

P

Ni

Fe和不可避免杂质

0.08%

2.0%

0.7%

<0.008%

<0.01%

0.5%

余量

采用合金元素含量为上述实施例2中表1所示的J55级膨胀管材热轧钢板，将其放入炉温为A_C3以上50℃（T₁=850℃）的箱式电阻炉中保温t₁为15分钟后水淬至室温，然后又放如炉温为A_C1～A_C3之间的T₂（780℃）的箱式电阻炉中保温t₂为15分钟后空冷至室温，最后放入炉温为A_C1r～A_C1之间的T₃（680℃）的箱式电阻炉中保温t₃为15分钟后空冷至室温。获得实施例2中表2所示的力学性能的J55级膨胀管材用钢。可知，膨胀管材钢板的均匀延伸率均达到25%以上，且屈服强度为482MPa，抗拉强度为665MPa，，-40℃半厚V型缺口夏比冲击功达到36.6J，满足API Spec 5CT标准对J55钢级的性能要求。

表2 实施例2的J55钢级膨胀管材的力学性能

屈服强度（Mpa）	抗拉强度（Mpa）	均匀延伸率（%）	断后延伸率（%）	-40℃半厚夏比冲击功（J）
					482	665	25.2	39.6	36.6

实施例3

表1 实施例5的J55钢级膨胀管材的成分（质量分数）

C

Mn

Si

S

P

Ni

Fe和不可避免杂质

0.12%

2.5%

0.5%

<0.008%

<0.01%

0.3%

余量

采用合金元素含量为上述实施例3中表1所示的J55级膨胀管材热轧钢板，将其放入炉温为A_C3以上75℃（T₁=875℃）的箱式电阻炉中保温t₁为60分钟后水淬至室温，然后又放如炉温为A_C1～A_C3之间的T₂（710℃）的箱式电阻炉中保温t₂为60分钟后水冷至室温，最后放入炉温为A_C1r～A_C1之间的T₃（600℃）的箱式电阻炉中保温t₃为60分钟后空冷至室温。获得实施例3中表2所示的力学性能的J55级膨胀管材用钢。可知，膨胀管材钢板的均匀延伸率均达到17.2%以上，且屈服强度为492MPa，抗拉强度为635MPa，-40℃半厚V型缺口夏比冲击功达到67.6J，满足API Spec 5CT标准对J55钢级的性能要求。

表2 实施例6的J55钢级膨胀管材的力学性能

屈服强度（Mpa）	抗拉强度（Mpa）	均匀延伸率（%）	断后延伸率（%）	-40℃半厚夏比冲击功（J）
					512	655	17.2	32.6	67.6

Claims (2)

1. 石油天然气钻采用J55级膨胀管材的制备工艺，其特征在于，

步骤1：按照管材的化学成分重量百分数如下：

C：0.06~0.25%，Mn：1.5~3.5%，Si：0.3 ~1.5 %，S：≤0.01%，P：≤0.015%，Ni：0.3 ~1.5 %，其余为Fe和不可避免的杂质，冶炼并热轧轧制成板材；

步骤2：将上述热轧板材重新加热至奥氏体化温度A_C3以上50~100℃的T₁，并保温30~60分钟的t₁时间后淬火，获得马氏体或贝氏体板条组织；

步骤3：将上述淬火后的钢板再加热至钢板的A_C1以上、A_C3以下的两相区之间的某一温度T₂保温15~60分钟的t₂时间，使之部分奥氏体化而形成有C和Mn元素富集的逆转奥氏体组织，然后淬火或者空冷至室温，获得亚温铁素体、马氏体或贝氏体组织；

步骤4：最后将经上述两相区处理后的钢板加热至A_C1以下30~80℃之间的某一温度T₃保温15~60分钟的t₃时间，使之达到步骤3中形成的富集了C和Mn元素的逆转组织的A_C1r以上，钢板初始成分对应的步骤3所述的A_C1以下，使这部分组织中进一步的富集C和Mn元素，最后空冷至室温，获得亚温铁素体、马氏体或贝氏体、回火马氏体或贝氏体及含量不低于3%的残余奥氏体的多相组织的膨胀管材，其屈服强度达到379~552MPa，抗拉强度最小值达到517MPa，均匀延伸率不低于15%，断后延伸率不低于30%，-40℃半厚V型缺口夏比冲击功达到30J以上。

2.石油天然气钻采用J55级膨胀管材的制备工艺，其特征在于，

步骤1：按照管材的化学成分重量百分数如下：

C：0.08~0.15%，Mn：1.8~2.5%，Si：0.4~1.0%， S：≤0.005%，P：≤0.015%，Ni：0.3 ~1.0%，其余为Fe和不可避免的杂质，进行冶炼并热轧轧制成板材；

步骤2：将上述热轧板材重新加热至奥氏体化温度A_C3以上50~100℃的T₁，并保温30~60分钟的t₁时间后淬火，获得马氏体或贝氏体板条组织；

步骤3：将上述淬火后的钢板再加热至钢板的A_C1以上、A_C3以下的两相区之间的某一温度T₂保温15~60分钟的t₂时间，使之部分奥氏体化而形成有C和Mn元素富集的逆转奥氏体组织，然后淬火或者空冷至室温，获得亚温铁素体、马氏体或贝氏体组织；

步骤4：最后将经上述两相区处理后的钢板加热至A_C1以下30~80℃之间的某一温度T₃保温15~60分钟的t₃时间，使之达到步骤3中形成的富集了C和Mn元素的逆转组织的A_C1r以上，钢板初始成分对应的步骤3所述的A_C1以下，使这部分组织中进一步的富集C和Mn元素，最后空冷至室温，获得亚温铁素体、马氏体或贝氏体、回火马氏体或贝氏体及含量不低于3%的残余奥氏体的多相组织的膨胀管材，其屈服强度达到379~552MPa，抗拉强度最小值达到517MPa，均匀延伸率不低于15%，断后延伸率不低于30%，-40℃半厚V型缺口夏比冲击功达到30J以上。