CN106011638A - 一种稠油热采井用膨胀套管及其制造方法 - Google Patents

一种稠油热采井用膨胀套管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稠油热采井用膨胀套管及其制造方法，按质量百分数，膨胀套管的化学成分为：C：0.18～0.32，Si：0.12～0.32，Mn：1.1～1.7，S<0.005，P<0.020，Cr：0.1～0.6，Mo：0.15～0.50，Cu：0.10～0.30，Nb：0.01～0.05，Ce‑La‑Y混合稀土：0.003～0.012，其余为Fe及不可避免的杂质；本发明的制造方法为板卷拆卷、纵剪、铣边、FFX成型、HFW焊接、焊缝在线热处理、焊缝内外毛刺修整、整管特殊热处理、热矫直处理、无损探伤和螺纹加工；本发明的膨胀套管经膨胀变形后具有较高的强度、优良的韧性和热稳定性，适用于稠油热采井。

Description

一种稠油热采井用膨胀套管及其制造方法
技术领域:
本发明属于金属材料和石油天然气工业领域，尤其涉及一种稠油热采井用膨胀套管及其制造方法。
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,我国的稠油资源主要集中在辽河、新疆、河南、胜利等油田。目前，国内主要采用蒸汽吞吐法开采稠油油藏，其是利用注入蒸汽的热量使稠油温度升高，从而迅速降低稠油的黏度，便于开采。由于热采井的钻采工艺有其特殊性，套管在注入高温高压蒸汽阶段(蒸汽温度：320℃，注汽压力12-17MPa)会受热膨胀和受约束而承受很大的压应力，在停注采油时，由于降温收缩松弛而承受很大的拉应力，所以套管在反复承受高的拉-压应力情况下极易损坏。据有关资料统计，稠油热采井的套损率平均为30％以上，局部区块达到70％，列油田套管损坏率之首。基于此，油田现有大量的套管损坏热采井亟待修复。
可膨胀管技术是20世纪80年代末期，由Royal Dutch Shell(壳牌石油公司)首创，现已达到了商业化、工业化应用水平，国内主要采用该技术进行修井和钻遇特殊地层处理。由于稠油热采井的环境苛刻，其修井所用的膨胀套管性能要求较高，不仅要求膨胀套管具有优良的塑性变形能力，还要求它具有良好的综合高温物理性能。因此，开发适合于稠油热采井用膨胀套管，可有效解决目前稠油热采井的修复问题，并带来重大技术经济效益。
膨胀套管分为无缝膨胀套管和焊接膨胀套管两种类型。相对于无缝套管而言，焊接膨胀套管具有壁厚尺寸精度高、内壁无螺旋状划痕缺陷等优点备受市场青睐。如中国专利CN 103131947B公开的一种高性能低碳微合金钢SEW膨胀套管及其制造方法，所述膨胀套管的化学成分以质量百分比计为：C 0.10～0.25％、Si 0.12～0.30％、Mn 0.60～1.50％、P≤0.010％、S≤0.005％、Nb+V+Ti 0.05～0.5％、其余为Fe和不可避免的杂质，该专利以高尺寸精度控制的低碳微合金钢TMCP热轧卷板为原料，并利用热机械轧制、热张力减径和全管体特殊热处理工艺对HFW焊管进行整管处理，从而实现焊缝组织优化，满足膨胀套管的相关要求；但由于该专利以低碳微合金为套管材料，其发生一定量的冷塑性变形后材料的塑韧性显著降低，尤其是高温强度下降明显，不能满足稠油热采井的苛刻环境。
发明内容:
为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种稠油热采井用膨胀套管，通过合理的成分设计结合钢管的成型焊接工艺和焊缝、整管热处理工艺使得管材具有良好的可膨胀性能，该膨胀套管经膨胀变形后具有高的强度、良好的韧性和更好的高温力学性能；本发明还提供了一种稠油热采井用膨胀套管的制造方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种稠油热采井用膨胀套管，按质量百分数，该膨胀套管的化学成分为：C：0.18～0.32％，Si：0.12～0.32％，Mn：1.1～1.7％，S<0.005％，P<0.020％，Cr：0.1～0.6％，Mo：0.15～0.50％，Cu：0.10～0.30％，Nb：0.01～0.05％，Ce-La-Y混合稀土：0.003～0.012％，其余为Fe及不可避免的杂质。
在上述成分中，C通过固溶强化和析出强化提高钢的强度；Mn不仅可以固溶于铁素体提高钢的强度，还能够和S结合形成硫化锰夹杂物改善钢的韧性；添加适量Cr、Mo，起固溶强化、析出强化作用，保证高温回火强度，同时可提供淬透性；添加微量的Nb不仅可以细化晶粒，还有利于提高材料的高温强度；添加Cu可使钢得以进一步强化；添加Ce-La-Y混合稀土能够细化晶粒、净化钢液，同时还可改变夹杂物的组成、形态、分布及性质，显著提高材料的韧性及高温力学性能。
室温条件下，上述膨胀套管的管材屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥689MPa，断后延伸率≥30％，夏比V型缺口焊缝冲击韧性≥90J；经10％径向膨胀变形后，管材的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥710MPa，断后延伸率≥18％，夏比V型缺口焊缝冲击韧性≥80J；320℃拉伸性能：屈服强度≥552MPa。
制造上述稠油热采井用膨胀套管的方法，具体步骤如下：
(1)板卷制造：转炉或电炉炼钢获得的钢水经炉外精炼、Ca处理后浇注成板坯，再利用控扎控冷技术制成板卷；
(2)HFW制管：控扎控冷所得板卷经拆卷、纵剪、铣边、FFX成型、HFW焊接；
(3)焊缝在线热处理：采用中频感应加热方式，以35～45℃/s的加热速率对焊缝进行即时在线热处理，加热温度控制在910～940℃范围之内；焊缝在线热处理制成规定尺寸的有缝焊管，并即时对焊缝的内外毛刺进行修整，内毛刺刮槽深度和外毛刺余高均≤0.25mm；。
(4)整管特殊热处理：采用燃气炉将HFW钢管加热至Ac3±30℃范围，保温60-90min后水淬至室温，然后经620～700℃回火，保温60～150min。
(5)热矫直处理：对经回火热处理后的有缝焊管进行热矫直处理，热矫直温度≥500℃。
(6)无损探伤与螺纹加工：将热矫直处理完成后的有缝焊管进行超声、电磁等检测，随后对检测合格的管坯进行管端特殊螺纹加工及检验，最终获得适应于稠油热采井用膨胀套管。
本发明的有益效果：
1、本发明的合金成分设计，通过添加Cr、Mo以及Ce-La-Y混合稀土等化学成分，不仅使板卷钢材的强度提高，而且细化晶粒、净化钢液，同时还可改变夹杂物的性质，显著提高材料的韧性。
2、本发明生产的膨胀套管经10％径向发生膨胀变形(膨胀率＝10％)后，管材在320℃高温下的屈服强度≥552Mpa，可达到稠油热采井用膨胀套管的技术要求。
附图说明：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为膨胀套管经10％膨胀变形前后结构图。
具体实施方式：
实施例见表1-表3。由表1-表3可以看出：采用本发明所述的化学成分和工艺，生产的试验稠油热采井用膨胀套管的膨胀性能优良，径向膨胀变形后管材仍具有高的强度、良好的韧性和较好的高温力学性能，能够满足API5CT标准中的N80钢级套管性能要求。
三个实施例均采用电炉冶炼、炉外精炼后的钢水进行Ca处理后，浇注成板坯。板坯经1160～1280℃加热后轧成板带，板带的终轧温度大于830℃，轧后板带经加速冷却的方法冷却至660℃以下卷取成钢卷。经拆卷、纵剪、铣边、FFX成型、HFW焊接及焊缝热处理制成规定尺寸的有缝焊管，以45℃/s的加热速率对焊缝进行即时在线热处理，加热温度控制范围为：920±5℃，加热时间为25～60s，随后对焊缝的内外毛刺进行修整，内毛刺刮槽深度和外毛刺余高均≤0.25mm；采用燃气炉将HFW毛坯管加热至880℃，保温80min，水淬至室温，然后经640℃回火，保温90min后，管坯出回火炉进行热矫直处理，热矫直温度为520℃。将热矫直完成后的管坯在冷床上空冷至室温，随后逐根进行超声、电磁等检测，对检测合格的管坯进行管端特殊螺纹加工及检测，最终获得本发明的稠油热采井用焊接膨胀套管。
三个实施例炼钢工艺、制管工艺和热处理工艺都相同，不同的是管坯化学成分。对各实施例管坯化学成分、力学性能和高温性能检测，结果如表1、表2和表3所示。
从表1可以看出，通过本发明生产的膨胀套管成分中都含有0.003-0.012％的Ce-La-Y混合稀土。
从表2可以看到，通过本发明生产的膨胀套管(膨胀率＝0％)力学性能符合APISpec 5CT–N80钢级套管标准要求。室温条件下，膨胀套管经10％径向变形(如图1中膨胀套管经10％膨胀变形前后结构图，从159.3mm变为175.2mm)后，屈服强度和抗拉强度升高，断后延伸率和冲击韧性下降，管材性能仍能够满足API Spec 5CT–N80钢级套管标准要求，特别是冲击韧性远超过标准要求。
从表3可以看到，通过本发明生产的膨胀套管经10％径向发生膨胀变形(膨胀率＝10％)后，管材在320℃高温下的屈服强度≥552Mpa，可达到稠油热采井用膨胀套管的技术要求。
表1 试验管坯的化学成分，wt％
实例 C Si Mn S P Cr Mo Cu Nb Ce-La-Y
实例1 0.19 0.27 1.38 0.0006 0.012 0.47 0.31 0.23 0.037 0.003-0.012
实例2 0.27 0.22 1.46 0.0008 0.014 0.38 0.46 0.12 0.029 0.003-0.012
实例3 0.24 0.29 1.30 0.0006 0.012 0.42 0.38 0.19 0.042 0.003-0.012
表2 试验套管的力学性能
表3 试验套管的高温拉伸性能
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种稠油热采井用膨胀套管，其特征在于：按质量百分数，所述膨胀套管的化学成分为：C：0.18～0.32％，Si：0.12～0.32％，Mn：1.1～1.7％，S<0.005％，P<0.020％，Cr：0.1～0.6％，Mo：0.15～0.50％，Cu：0.10～0.30％，Nb：0.01～0.05％，Ce-La-Y混合稀土：0.003～0.012％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述稠油热采井用膨胀套管，其特征在于：室温条件下，所述膨胀套管的管材屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥689MPa，断后延伸率≥30％，夏比V型缺口焊缝冲击韧性≥90J；经10％径向膨胀变形后，管材的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥710MPa，断后延伸率≥18％，夏比V型缺口焊缝冲击韧性≥80J；320℃拉伸性能：屈服强度≥552MPa。
3.制造权利要求1所述的稠油热采井用膨胀套管的制造方法，制造过程依次为：板卷拆卷、纵剪、铣边、FFX成型、HFW焊接、焊缝在线热处理、焊缝内外毛刺修整、整管特殊热处理、热矫直处理、无损探伤和螺纹加工，其特征在于：所述板卷是通过转炉或电炉炼钢获得的钢水，经炉外精炼、Ca处理后浇注成板坯，板坯经1160～1280℃加热后轧成板带，板带的终轧温度大于830℃，轧后板带经加速冷却的方法冷却至660℃以下卷取制成；所述焊缝在线热处理采用中频感应加热方式，加热速率为35～45℃/s，加热温度控制在910～940℃范围之内；所述整管特殊热处理采用燃气炉将HFW钢管加热至Ac3±30℃范围，保温60～90min后水淬至室温，然后经620～700℃回火，保温60～150min；所述热矫直处理的温度≥500℃。
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