CN104046906B - 热采井用实体膨胀套管及膨胀套管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐热钢、基于耐热钢的热采井用实体膨胀套管及膨胀套管的制造方法，该耐热钢包括C元素、Mn元素、Cr元素、Si元素、P元素、Mo元素、S元素、N元素以及Fe元素，所述各元素的重量百分比分别是：C：0.06～0.15％；Mn：20～25％；Cr：5～7％；Si：0.9～1.2％；P≤0.030％；Mo：0.6～1.0％；S≤0.030％，N≤0.005％，余量为Fe。本发明提供了一种具有高均匀延伸率、高塑性以及低屈服强度的耐热钢及基于耐热钢的膨胀套的制备方法。

Description

热采井用实体膨胀套管及膨胀套管的制造方法

技术领域

本发明属于材料及材料制备领域，涉及一种耐热钢、基于耐热钢的热采井用实体膨胀套管及膨胀套管的制造方法。

背景技术

稠油是一种黏度高、流动性差的重质原油，在世界油气资源中占有相当高的比重。目前我国稠油年产量已经占全国原油产量的8％以上。稠油的黏度高、常温流动性差，但是随着温度的升高，稠油的黏度将迅速降低，研究表明每增加10℃，稠油的黏度降低一半。因此，热力采油是稠油开采的主要手段。目前，我国常用的稠油热采的方法主要有蒸汽吞吐法、蒸汽驱油法、火烧油层法等。由于稠油热采过程中需要向井内注入大量的高温蒸汽或者在井下点燃油层而导致热采井的油层套管将在350～450℃的高温下服役，因此随着注采次数的增加，热采井的套管损坏非常严重，我国有大量套管损坏的热采井亟待修复。

实体膨胀管SET(Solid Expandable Tubular)是一项修井、钻井和完井新技术，它以实现“节省”井眼尺寸为目的，在井眼中将套管柱径向膨胀至所要求的直径尺寸，应用该技术可以对很多工况复杂，传统修井技术难以修复的油气井进行修复，且具有成本低、效率高的特点。采用实体膨胀套管技术进行套损井修复可以最大程度地降低修复操作对井眼通径造成的损失。目前该技术在我国很多油田都实现了工业化应用。采用实体膨胀套管技术对稠油热采井进行套损修复可以提高套损修复的效率，降低套损修复成本，节省井眼尺寸。

由热采井的生产工况可知：采用实体膨胀套管技术对套管损坏的热采井进行修复时，所用的实体膨胀套管在膨胀后具有高的热强性、高的组织稳定性、低的应变时效敏感；考虑到高温蠕变问题，管材应具备较高的持久强度极限；并且膨胀套管应有较低的屈服强度、较低的屈强比、优良的塑性和足够的加工硬化率以保证管材具有良好的膨胀工艺性能。此外，作为热采井用实体膨胀套管还应具有良好的抗高温氧化腐蚀的能力，以及具有一定的抗CO₂腐蚀的能力。

发明内容

为了解决背景技术中存在的低碳低合金套管材料有限的塑性变形能力并且在发生一定量的冷变形之后材料塑韧性显著降低，高温强度低，应变时效敏感性大等技术问题，本发明提供了一种具有高均匀延伸率、高塑性以及低屈服强度的耐热钢及基于耐热钢的膨胀套的制备方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种耐热钢，其特殊之处在于：所述耐热钢包括C元素、Mn元素、Cr元素、Si元素、P元素、Mo元素、S元素、N元素以及Fe元素，所述各元素的重量百分比分别是：

C：0.06～0.15％；Mn：20～25％；Cr：5～7％；Si：0.9～1.2％；P≤0.030％；Mo：0.6～1.0％；S≤0.030％，N≤0.005％，余量为Fe。

上述耐热钢还包括重量百分比是0.15％～0.35％的V元素以及0.20％～0.40％的Nb元素。

上述耐热钢还包括重量百分比是0.005～0.012％的B元素。

一种基于如上所述的耐热钢制备得到的热采井用实体膨胀套管。

上述热采井用实体膨胀套管的壁厚是6-15mm。

一种用于制备如上所述的热采井用实体膨胀套管的方法，其特殊之处在于：所述制备方法包括以下步骤：

1)按照权利要求1-3所述的耐热钢中各元素的配比制备厚板坯或棒材；

2)将步骤1)制备得到的厚板坯或棒材制备热轧板卷；

3)用步骤2)制备得到的热轧板卷生产直缝电阻焊光管或无缝钢管；

4)对步骤3)制备得到的直缝电阻焊光管和无缝管光管进行固溶处理。

上述步骤1)的具体实现方式是：

1.1)按照权利要求1-3所述的耐热钢中各元素的配比进行选料；

1.2)将步骤1.1)得到的选料经电弧炉熔炼、AOD以及真空脱气处理；

1.3)连铸成约200mm厚的板坯或直径100-250mm棒材；

1.4)将步骤1.3)所得到的板坯或棒材在1200℃进行2小时的均匀化退火。

上述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)将步骤1.4)得到的厚板坯或棒材再加热至1150～1180℃；

2.2)在1100～1150℃时对步骤2.1)中的厚板坯或棒材开始轧制得到热轧板卷初品，终轧温度不低于850℃；

2.3)将步骤2.2)得到的热轧板卷初品在连续退火炉内加热至1000℃进行退火处理，处理完成后快速冷却至卷曲温度，卷取温度560～650℃，制成热轧板卷。

当步骤3)中将热轧板卷生产直缝电阻焊光管时，所述步骤3)的具体实现方式是：

3.1.1)将步骤2.3)得到的厚板坯的板边采用铣边工艺，精确控制包括但不限于带钢宽度以及板边垂直度的几何尺寸；

3.1.2)控制板边波形，并将板边焊接成母管；

3.1.3)母管经热张力减径工艺制成直缝管管坯，将管坯截成长度9～12m的直缝电阻焊光管；

当步骤3)中将热轧板卷生产无缝钢管时，所述步骤3)的具体实现方式是：

3.2.1)将将步骤2.3)得到的棒材加热至1080～1100℃进行穿孔并热连轧；

3.2.2)轧制完成后空冷至室温，制成无缝光管。

上述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)对制得的直缝电阻焊光管或无缝管光管在1050℃±20℃保温40min进行固溶处理；

4.2)对固溶处理后对直缝电阻焊光管或无缝管光管的几何尺寸进行精整；

4.3)在直缝电阻焊光管或无缝管光管的两端，用数控机床加工膨胀套管专用螺纹。

本发明的优点是：

本发明提供了一种耐热钢及基于耐热钢的膨胀套的制备方法，该耐热钢具有奥氏体组织，该奥氏体在-60℃以上能稳定存在。焊缝质量和性能优良，母材和焊缝组织与性能均匀；应变时效敏感性小。膨胀管在膨胀前具有高均匀延伸率、高塑性、低屈服强度、低屈强比等特性：总延伸率≥50％，均匀延伸率≥35％，屈服强度R_t0.5≤400MPa，抗拉强度≥720MPa。在经过20％的塑性变形后具有高的强度和足够的塑性，断裂延伸率≥20％，均匀延伸率≥10％，屈服强度R_t0.5≥552MPa，抗拉强度≥758MPa。满足了膨胀前要求屈服强度低、塑性优良，膨胀后要求屈服强度高、塑性好的设计目标。并且膨胀套管有良好的抗外挤毁强度和抗CO₂腐蚀性能，能够满足500℃以下井况的使用要求。本发明所提供的膨胀套的制备方法采用碱性电弧炉熔炼、经AOD和真空脱气处理采用连续铸造、控轧控冷工艺制成热轧板卷；热轧板卷经高频直缝电阻焊焊接、热张力减径、固溶处理后制成实体膨胀管；或者，该实体膨胀套管用钢采用碱性电弧炉熔炼，经AOD和真空脱气处理后制成圆柱形铸锭经热轧穿管及固溶处理后制成实体膨胀套管。本发明提出了一种热采井用实体膨胀管的制造方法，生产出具有高均匀延伸率、高塑性、低屈服强度、低屈强比等特性的膨胀套管，膨胀套管具有优良的均匀变形能力，膨胀后具有高的强度和足够的塑性余量，焊缝质量和性能优良，母材和焊缝组织与性能均匀；应变时效敏感性小，并具有良好的抗外压挤毁性能和抗高温氧化腐蚀性能。

具体实施方式

本发明提供了一种耐热钢、基于耐热钢所形成的热采井用实体膨胀套管以及热采井用实体膨胀套管的制备方法，本发明通过C、Mn、Cr元素的合金化作用使钢获得完全奥氏体组织，并通过调整Cr、Si、Mo元素的含量控制奥氏体的堆垛层错能SEF在20～50mJ/m²，这种奥氏体在外加载荷的作用下可发生马氏体相变或机械孪生，即通过应力诱发组织变化机制来提高材料的塑性和强度，改善管材膨胀后的残余应力状态；同时添加较高含量的Mo、V、Nb等强碳化物合金元素，提高材料的热强性和高温组织稳定性；并且由于添加大量的Cr、Mo元素提高了材料抗CO₂腐蚀的抗力。

热采井实体膨胀套管用耐热钢元素的质量百分比如下：

C：0.06～0.15％；Mn：20～25％；Cr：5～7％；Si：0.9～1.2％；P≤0.030％；Mo：0.6～1.0％；S≤0.030％，N≤0.005％，余量为Fe。

在此基础上添加质量百分比0.15～0.35％的V和0.20～0.40％的Nb。也可进一步添加微量的0.005～0.012％的B。

C元素是强奥氏体稳定元素，因此在此钢种的设计中，碳含量不能过低，过低的含C量会导致残余奥氏体的稳定性的下降，以致在随后的冷却过程中的奥氏体发生分解。但是过高的C含量将导致材料力学性能和焊接性的降低，C含量取0.06～0.15％。Mn也是奥氏体稳定元素，但是Mn的奥氏体稳定作用远弱于C元素，要想获得完全奥氏体组织，钢中的C、Mn含量必须符合一定关系，因此本发明中Mn的添加量确定为20～25％。Si可以起到固溶强化的作用，含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO₂薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性，但是过高的Si含量会恶化钢的焊接性能。在此钢的成分设计中，为了提高钢的抗CO₂腐蚀性能，加入了5～7％的Cr，Cr的添加还可提高奥氏体的高温强度。为了进一步提高钢的高温性能，钢中添加了0.6～1.0％的Mo，由于Mo使形变强化后的软化回复温度以及再结晶温度提高，且可有效抑制碳化物在450～600℃下的聚集长大，促进特殊碳化物的析出，因而成为提高钢的热强性的最有效的合金元素，同时Mo的添加可以进一步提高管材的耐腐蚀性能。Nb、V等强碳化物形成元素的添加，可以在奥氏体基体内与C、N元素形成热稳定性高的铌钒碳氮化合物沉淀，提高钢的高温蠕变抗力；Nb、V元素可以提高管材焊缝质量，细化焊缝与热影响区的组织；同时适量添加V、Nb元素配合相应轧制工艺及控制冷却工艺，可以获得组织更加细小，综合性能更加优异的钢材。严格控制钢中的P、S含量有利于改善钢的综合性能。为了控制钢的应变时效性能，控制钢中的N元素的含量小于0.005％。在奥氏体钢中加入微量的B元素可以提高其抗蠕变性能，但B含量较高时，会恶化钢的性能，B元素强化晶界对增强高温下钢的持久强度十分重要。

另外，本发明采用奥氏体组织的设计可以有效降低膨胀套管的膨胀作业压力，提高施工安全性。对于膨胀套管而言，过高的屈服强度不利于管材膨胀变形的平稳启动。膨胀套管在发生膨胀变形之后，由于管材的特殊成分设计，管材的屈服强度会由于应变诱发马氏体相变和/或应力诱发机械孪晶作用而得到大幅提高，同时设计的膨胀套管用钢优异的加工硬化能力保证了膨胀作业后管材几何尺寸的精度使膨胀套管获得了较高的抗外压挤毁强度。

热采井用实体膨胀套管用钢制成的膨胀套管的壁厚为6-15mm。

热采井实体膨胀套管的制造方法：

首先，进行钢材制备：将上述热采井实体膨胀套管用钢原材料(各组分)经电弧炉熔炼、经AOD和真空脱气处理，连铸成约200mm厚的板坯或直径100-250mm棒材，在1200℃进行2小时的均匀化退火；

接着，制备热轧板卷：将上述厚板坯再加热至1150～1180℃，在1100～1150℃时开始轧制，终轧温度不低于850℃。热轧板卷在连续退火炉内加热至1000℃进行退火处理，处理完成后快速冷却至卷曲温度，卷取温度560～650℃，制成热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊光管：板边采用铣边工艺，精确控制带钢宽度、板边垂直度等几何尺寸；控制板边波形，可采用排辊成型或其他成型工艺；调整焊接电流、电压等工艺参数焊接成母管，母管经热张力减径工艺制成直缝管管坯，将管坯截成长度9～12m的光管。

或者制作无缝钢管：将上述棒材加热至1080～1100℃进行穿孔并热连轧，轧制完成后空冷至室温，制成无缝光管。

最后，对制得的直缝电阻焊光管和无缝管光管在1050℃±20℃保温40min进行固溶处理，固溶后管材的微观组织为奥氏体。固溶处理后对管材几何尺寸进行精整。在每根光管的两端，用数控机床加工膨胀套管专用螺纹。将钢管截成长度9～12m的光管，并对光管的尺寸进行精整，并在每根钢管的两端，用数控机床加工实体膨胀套管专业螺纹。

膨胀变形前实体可膨胀套管的金相组织为奥氏体，管材的屈服强度≤400MPa，抗拉强度≥720MPa，均匀延伸率≥40％。在冷塑性变形过程中，奥氏体将发生应变诱发机械孪晶和/或马氏体相变，大幅提高管材的强度和加工硬化率，加工硬化率的提高保证了膨胀后管材的几何尺寸精度，并且这些应变诱发的机械孪晶或马氏体组织在550℃以下有很好的稳定性，管材具有较低的应变时效，较高的热强性，并具有较高的抗外压挤毁强度和良好的耐CO₂腐蚀性能。

实施例1：

油气井实体可膨胀套管用耐热钢材料的质量百分比：C：0.06％，Mn：21.5％，Cr：5.5％，Si：1.1％，P：0.01％，S：0.01％，N：0.007％，Mo：0.7％，Nb：0.15％，Ti：0.20％，B：0.009％，其余为Fe。

热采井实体膨胀管的制造：

首先，制备热轧板卷：将上述热采井实体膨胀套管用钢材料(各组分)用碱性电弧炉熔炼，经AOD、真空脱气处理后连续铸造成约200mm厚的板坯。铸坯在1200℃进行2小时的均匀化退火。将上述厚板坯加热至1180℃，在1150℃时开始轧制，终轧温度850℃，制成热轧。热轧在连续退火炉内加热至1000℃进行退火处理，处理完成后快速冷却至650℃卷取，制成热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊光管：板边采用铣边工艺，精确控制带钢宽度、板边垂直度等几何尺寸；控制板边波形，可采用排辊成型或其他成型工艺；调整焊接电流、电压等工艺参数焊接成母管，母管经热张力减径制成直缝钢管。

最后，直缝钢管截成长度约为10m的光管，光管进行1050℃×40min的固溶处理后，对光管的几何尺寸进行精整。用数控机床在每根光管的两端加工膨胀套管专用螺纹。

性能特点：实体膨胀管在膨胀变形前均匀延伸率40％，总延伸率56％，屈服强度350MPa，抗拉强度790MPa，屈强比0.44；经15％的径向膨胀变形后，屈服强度595MPa，抗拉强度910MPa，屈强比0.65，均匀延伸率21％，总延伸率35％，管材的持久强度极限膨胀后膨胀套管的抗外挤毁强度超过API5CT对相同规格N80套管抗外挤毁强度的要求；而且焊缝质量和性能优良，母材和焊缝组织与性能均匀；应变时效敏感性小，具有良好的抗高温氧化性能和较好的抗CO₂腐蚀性能。

实施例2：

热采井用实体膨胀管用耐热钢材料的质量百分比：C：0.15％；Mn：24.5％；Cr：7.0％；Si：0.9％；Mo：0.95％；V：0.30％；Nb：0.20％；B：0.012％；P：0.015％；S：0.008；N：0.002％，余量为Fe。

热采井实体膨胀管的制造：

首先，进行钢材制备：将上述热采井实体膨胀套管用钢材料(各组分)经碱性电弧炉熔炼，经AOD、真空脱气处理连铸成直径100-250mm棒材，铸锭在1200℃进行2小时的均匀化退火；

其次，制作无缝钢管：将上述棒材加热至1100℃穿孔并进行热连轧，制成无缝管坯。管坯经1050℃×40min固溶处理后，对其几何尺寸进行精整。

最后，管坯切割成长度约为10m的光管。在每根光管的两端，用数控机床加工膨胀套管专用螺纹。

性能特点：实体膨胀管在膨胀变形前均匀延伸率45％，总延伸率63％，屈服强度385MPa，抗拉强度840MPa，屈强比0.46；经20％的膨胀变形后，屈服强度675MPa，抗拉强度1021MPa，屈强比0.66，均匀延伸率18％，总延伸率34％；管材的持久强度极限膨胀后膨胀套管的抗外挤毁强度超过API5CT对相同规格N80套管抗外挤毁强度的要求。应变时效敏感性小，具有良好的抗高温氧化性能和较好的抗CO₂腐蚀性能。

Claims (5)

1.一种热采井用实体膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

1)使用耐热钢制备厚板坯或棒材，所述耐热钢中各元素的配比为：

C：0.06～0.15％；Mn：20～25％；Cr：5～7％；Si：0.9～1.2％；P≤0.030％；Mo：0.6～1.0％；S≤0.030％，N≤0.005％，V：0.15％～0.35％，Nb：0.20％～0.40％，B：0.005～0.012％，余量为Fe；

1.1)按照所述耐热钢中各元素的配比进行选料；

1.2)将步骤1.1)得到的选料经电弧炉熔炼、AOD以及真空脱气处理；

1.3)连铸成200mm厚的板坯或直径100-250mm棒材；

1.4)将步骤1.3)所得到的板坯或棒材在1200℃进行2小时的均匀化退火；

2)将步骤1)制备得到的厚板坯或棒材制备热轧板卷；

3)用步骤2)制备得到的热轧板卷生产直缝电阻焊钢管或无缝钢管；

4)对步骤3)制备得到的直缝电阻焊钢管或无缝钢管进行固溶处理。

2.根据权利要求1所述的热采井用实体膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)将步骤1.4)得到的厚板坯或棒材再加热至1150～1180℃；

2.2)在1100～1150℃时对步骤2.1)中的厚板坯或棒材开始轧制得到热轧板卷初品，终轧温度不低于850℃；

2.3)将步骤2.2)得到的热轧板卷初品在连续退火炉内加热至1000℃进行退火处理，处理完成后快速冷却至卷曲温度，卷曲温度560～650℃，制成热轧板卷。

3.根据权利要求2所述的热采井用实体膨胀套管的制备方法，其特征在于：当步骤3)中将热轧板卷生产直缝电阻焊钢管时，所述步骤3)的具体实现方式是：

3.1.1)将步骤2.3)得到的热轧板卷的板边采用铣边工艺，精确控制包括但不限于带钢宽度以及板边垂直度的几何尺寸；

3.1.2)控制板边波形，并将板边焊接成母管；

3.1.3)母管经热张力减径工艺制成直缝管管坯，将管坯截成长度9～12m的直缝电阻焊钢管；

当步骤3)中将热轧板卷生产无缝钢管时，所述步骤3)的具体实现方式是：

3.2.1)将步骤2.3)得到的热轧板卷加热至1080～1100℃进行穿孔并热连轧；

3.2.2)轧制完成后空冷至室温，制成无缝钢管。

4.根据权利要求3所述的热采井用实体膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)对制得的直缝电阻焊钢管或无缝钢管在1050℃±20℃保温40min进行固溶处理；

4.2)对固溶处理后对直缝电阻焊钢管或无缝钢管的几何尺寸进行精整；

4.3)在直缝电阻焊钢管或无缝钢管的两端，用数控机床加工膨胀套管专用螺纹。

5.根据权利要求4所述的热采井用实体膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述热采井用实体膨胀套管的壁厚是6-15mm。