CN107419195A - 一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管及其制造方法，所述深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的拉伸强度高、疲劳寿命好，可以满足深井、高压井的作业需求。本发明高强度连续油管，屈服强度在130ksi及以上，其疲劳寿命远高于常规等级连续油管，性价比高、作业性能好。本发明深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管针对深井、高压井作业对连续油管性能，尤其是弯曲疲劳寿命的要求，本发明连续油管高强度、高疲劳寿命。

Description

一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管及其制造方法

技术领域

本发明涉及陆地及海洋油气井用管技术领域，特别涉及一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管及其制造方法。

背景技术

连续油管不同于常规螺纹连接的油管，其是一种缠绕在滚筒上，可连续下井或起出的单根长达数千米的无接头油管。连续油管技术是当前国际上较为先进的技术，由于其作业成本低、简单省时、安全可靠等优越性能，而被广泛应用于冲砂、洗井、测井、完井、钻井等多个领域。

现阶段，连续油管的作业深度不断增加，应用范围或领域不断向深井、超深井及高压井方向发展。现役连续油管主要是CT70、CT80及CT90钢级连续油管(其中CT90屈服强度也仅达到90-100ksi)，受拉伸强度、疲劳寿命的限制，其用于深井、高压井作业时，连续油管耐高压性能差、起下次数低，连续油管报废速度快，生产效率低，而且容易造成井场作业事故。由此可见，常规等级的连续油管已不能满足目前深井、高压井的作业需求。

发明内容

本发明为解决上述问题提供一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管及其制造方法，本发明连续油管高强度、高疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明是这样实现的：一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管，所述连续油管中原材料的组分及质量百分比如下：

C 0.09％-0.20％、Mn 0.7％-2.1％、P≤0.02％、S≤0.003％、Si 0.25％-0.5％、Cr 0.50％-1.5％、Mo 0.08％-0.3％、Ni 0.12％-0.50％、Cu 0.2％-0.45％、Nb+Ti+V≤0.2％、Fe余量。

一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的制造方法，包括如下的步骤：

(1)原材料的化学成分选择：所述连续油管中原材料的组分及质量百分比按如下选择配制：C 0.09％-0.20％、Mn 0.7％-2.1％、P≤0.02％、S≤0.003％、Si0.25％-0.5％、Cr 0.50％-1.5％、Mo 0.08％-0.3％、Ni 0.12％-0.50％、Cu 0.2％-0.45％、Nb+Ti+V≤0.2％、Fe余量；

(2)原材料的冶金工艺：首先将钢材熔炼后经过炉外精炼、真空脱气的精炼方式进行处理；然后通过结晶器电磁搅拌技术、结晶器非正弦振动技术、铸坯轻压下技术对非金属夹杂、偏析进行有效控制，获得良好的铸坯质量；接着通过控制轧制技术，对钢坯加热温度、轧制温度、变形量等参数进行合理控制，细化晶粒并通过沉淀强化、位错强化，提高钢材力学性能；最后通过控制冷却技术，调整相变过程，控制材料组织状态；最终获得的原材料组织分布均匀、晶粒度达到ASTMGrade12.5或更细的钢卷；

(3)焊接工艺：根据待制连续油管的外径要求，将上述钢卷纵剪获得要求的钢带卷，钢带卷通过卷曲并经过焊接形成连续油管。

进一步优化方案为，所述步骤(3)中具体的焊接方法如下：

a、将待焊接钢带的待焊端部斜切成45°并加工I型坡口，组对以准备进行焊接，在待焊钢带起弧与收弧侧各设置一块引弧板，所述引弧板宽度为钢带宽度的1.0-1.5倍；

b、根据材料成分及焊接性能要求，选择ER110S焊丝采用TIG、MIG或等离子焊进行焊接；所述焊接电流应不超过240A、电压不超过60V；所述钢带焊接完成后需进行打磨去除焊缝余高的步骤，将焊缝加热到500-860℃并空冷进行焊后热处理；按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得与成品连续油管长度一致的钢带长度；

c、钢带对接到规定长度后，进入成型机组连续卷曲成型；所述连续油管采用渐变成型方式，即钢带经过多道成型辊沿宽度方向逐步卷曲成管，获得最佳的连续油管表面质量；

d、经过渐变成型后通过高频电阻焊或激光焊焊接形成连续油管；焊接完成后，加热到680-900℃并空冷进行连续油管焊缝热处理；根据钢带成型过程中的强度变化结合成品管力学性能要求，加热到500-760℃并空冷进行整体热处理。

较之现有技术而言，本发明具有以下优点：

(1)本发明所述连续油管具有超高的强度(屈服强度在130ksi及以上)，是目前连管行业内所开发的最高等级连续油管，其具有更高的承受拉伸载荷能力。

(2)本发明所述连续油管在具有较高强度的同时具有良好的塑性及韧性，综合力学性能好。塑性延伸率不低于15％。

(3)本发明所述连续油管通过合理的材料和制管工艺设计，其弯曲疲劳寿命显著提升，为常规CT90连管的3-5倍。

(4)本发明所述连续油管耐压能力强，尤其适合深井、高压井作业，有效弥补了常规等级连续油管在深井、高压井下无法应用的问题。

(5)本发明所述连续油管具有较高的断裂韧性，-50℃下低温冲击功在60J以上。

(6)本发明所述连续油管表面质量提升，减小了应力集中。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是是本发明深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的材料组织示意图。

图2本发明深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的钢带对接坡口结构示意图。

图3是本发明深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管渐变成型示意图。

具体实施方式

具体实施例如下：

连续油管作业中会承受拉伸、压缩、弯曲、扭转及内外压等各种复杂载荷的综合作用，尤其在深井、高压井作业时，连续油管更容易因为反复弯曲而发生疲劳断裂，这也正是常规等级连续油管不能适应深井、高压井作业且疲劳寿命较低的原因之所在。

为提升连续油管疲劳寿命，本发明采用以下技术方案设计开发高弯曲疲劳寿命连续油管：1、提升连续油管强度，使其屈服强度不低于130ksi；2、在保持超高强度的同时，使连续油管具有较好的塑性，塑性延伸率不低于15％；3、所开发高强度连续油管具有较高的断裂韧性，-50℃下低温冲击功在60J以上；4、提升产品表面质量，减小应力集中。本发明深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管中原材料的组分及质量百分比如下：

C 0.09％-0.20％、Mn 0.7％-2.1％、P≤0.02％、S≤0.003％、Si 0.25％-0.5％、Cr 0.50％-1.5％、Mo 0.08％-0.3％、Ni 0.12％-0.50％、Cu 0.2％-0.45％、Nb+Ti+V≤0.2％、Fe余量。

为实现连续油管的高强度、高疲劳寿命，首先需对原材料化学成分及冶金工艺进行专门的设计开发。

一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的制造方法，包括如下的步骤：

(1)原材料的化学成分设计：合理确定C、Mn元素含量，保证材料的基本强度，较低的C含量有利于改善材料焊接性能；合适的Si含量在发挥强化作用的同时，有利于氧化铁皮的去除、提升产品表面质量；加入微合金化元素Nb、Ti、V进行细晶强化、析出强化；同时添加适量的Cr、Ni、Mo、Cu等合金元素以保证材料的塑性、韧性及耐腐蚀性；采用先进的钢铁精炼技术，控制较低的P、S含量，有利于提高材料的抗腐蚀性能。所述连续油管中原材料的组分及质量百分比按如下选择配制：C 0.09％-0.20％、Mn 0.7％-2.1％、P≤0.02％、S≤0.003％、Si 0.25％-0.5％、Cr 0.50％-1.5％、Mo 0.08％-0.3％、Ni 0.12％-0.50％、Cu0.2％-0.45％、Nb+Ti+V≤0.2％、Fe余量；

(2)原材料的冶金工艺：首先将钢材熔炼后经过炉外精炼、真空脱气等现代化的精炼方式进行处理，以提高钢材纯度，降低有害元素及杂质含量；然后通过结晶器电磁搅拌技术、结晶器非正弦振动技术、铸坯轻压下技术对非金属夹杂、偏析进行有效控制，获得良好的铸坯质量；接着通过控制轧制技术，对钢坯加热温度、轧制温度、变形量等参数进行合理控制，细化晶粒并通过沉淀强化、位错强化，提高钢材力学性能；最后通过控制冷却技术，调整相变过程，控制材料组织状态；最终获得的原材料组织分布均匀、晶粒度达到ASTMGrade12.5或更细的钢卷；如图1所示。

(3)焊接工艺：为获得相应长度的成品连续油管，需要将钢带通过端部焊接的方式接长至所需连续油管相应长度，热轧钢卷(钢带)长度控制在360m以上的特殊设计可减少钢带对接焊缝数量，显著提升连续油管承受高压及弯曲疲劳载荷的能力。根据待制连续油管的外径要求，将上述钢卷纵剪获得要求的钢带卷，钢带卷通过卷曲并经过焊接形成连续油管。具体的焊接方法如下：

a、如图2所示，将待焊接钢带(1、4)的待焊端部斜切成45°并加工I型坡口，组对以准备进行焊接，钢带焊接过程中起弧与收弧端焊弧不稳定极易导致焊接缺陷，且因冷却条件的差异起弧与收弧部位容易产生组织及硬度不均，影响斜焊缝疲劳寿命，为此，在待焊钢带起弧与收弧侧各设置一块引弧板(2、3)，所述引弧板宽度为钢带宽度的1.0-1.5倍；

b、根据材料成分及焊接性能要求，选择ER110S焊丝采用TIG、MIG或等离子焊进行焊接；所述焊接电流应不超过240A、电压不超过60V；所述钢带焊接完成后需进行打磨去除焊缝余高的步骤，将焊缝加热到500-860℃并空冷进行焊后热处理；按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得与成品连续油管长度一致的钢带长度；

c、钢带对接到规定长度后，进入成型机组连续卷曲成型；为最大限度的减少冷变形应力，如图3所示，所述连续油管采用渐变成型方式，即钢带经过多道成型辊沿宽度方向逐步卷曲成管，成型辊形状设计、材质、表面硬度及成型速度需与钢带材料相适应，获得最佳的连续油管表面质量；

d、经过渐变成型后通过高频电阻焊或激光焊焊接形成连续油管；焊接完成后，加热到680-900℃并空冷进行连续油管焊缝热处理；根据钢带成型过程中的强度变化结合成品管力学性能要求，加热到500-760℃并空冷进行整体热处理。

具体实施方式如下：

实施例1：

一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的制造方法，包括如下的步骤：

(1)确定原材料化学成分如下：C 0.16％、Mn 1.53％、P 0.005％、S 0.0001％、Si0.36％、Cr 1.21％、Mo 0.18％、Ni 0.23％、Cu 0.28％、Nb+Ti+V0.07％、Fe余量。

(2)钢材熔炼后经过炉外精炼、真空脱气等现代化的精炼方式进行处理；通过结晶器电磁搅拌技术、结晶器非正弦振动技术、铸坯轻压下技术，对非金属夹杂、偏析进行有效控制，获得良好的铸坯质量；通过控制轧制技术，对钢坯加热温度、轧制温度、变形量等参数进行合理控制，细化晶粒并通过沉淀强化、位错强化，提高钢材力学性能；通过控制冷却技术，调整相变过程，控制材料组织状态。最终获得的原材料组织分布均匀、晶粒度达到ASTMGrade14。原材料钢卷宽度1.4m、厚度4.45mm、长度620m，经过纵剪后获得620m长、155.0mm宽的钢带。

(3)将两待焊端部斜切成45°并加工I型坡口并按照上述要求设置引弧板，选择ER110S焊丝采用离子焊进行焊接。焊接电流为170A、电压为40V。钢带焊接完成后进行打磨去除焊缝余高，焊缝加热到520℃并空冷进行焊后热处理。按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得4500m长的钢带。

(4)钢带对接到规定长度后，采用渐变成型方式进入成型机组连续卷曲成型。经过渐变成型后通过高频电阻焊焊接形成连管。焊接完成后，加热到830℃并空冷进行连管焊缝热处理，加热到700℃并空冷进行整体热处理。最终获得连管其屈服强度为137.5ksi、抗拉强度为143ksi、塑性延伸率为23％、-50℃下低温冲击功为72J。经过弯曲疲劳测试，相同的测试压力(10150psi)及弯曲半径(36in)下,其弯曲疲劳寿命达到同规格CT90连管的3.89倍。

实施例2：

一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的制造方法，包括如下的步骤：

(1)确定原材料化学成分如下：C 0.11％、Mn 1.87％、P 0.003％、S 0.0001％、Si0.32％、Cr 1.45％、Mo 0.21％、Ni 0.30％、Cu 0.36％、Nb+Ti+V0.13％、Fe余量。

(2)钢材熔炼后经过炉外精炼、真空脱气等现代化的精炼方式进行处理；通过结晶器电磁搅拌技术、结晶器非正弦振动技术、铸坯轻压下技术，对非金属夹杂、偏析进行有效控制，获得良好的铸坯质量；通过控制轧制技术，对钢坯加热温度、轧制温度、变形量等参数进行合理控制，细化晶粒并通过沉淀强化、位错强化，提高钢材力学性能；通过控制冷却技术，调整相变过程，控制材料组织状态。最终获得的原材料组织分布均匀、晶粒度达到ASTMGrade13.5。原材料钢卷宽度1.3m、厚度4.78mm、长度710m，经过纵剪后获得710m长、154.5mm宽的钢带。

(3)将两待焊端部斜切成45°并加工I型坡口并按照上述要求设置引弧板，选择ER110S焊丝采用离子焊进行焊接。焊接电流为185A、电压为43V。钢带焊接完成后进行打磨去除焊缝余高，焊缝加热到830℃并空冷进行焊后热处理。按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得5000m长的钢带。

(4)钢带对接到规定长度后，采用渐变成型方式进入成型机组连续卷曲成型。经过渐变成型后通过高频电阻焊焊接形成连管。焊接完成后，加热到760℃并空冷进行连管焊缝热处理，加热到530℃并空冷进行整体热处理。最终获得连续油管其屈服强度为140.5ksi、抗拉强度为148ksi、塑性延伸率为20％、-50℃下低温冲击功为69J。经过弯曲疲劳测试，相同的测试压力(10150psi)及弯曲半径(36in)下,其弯曲疲劳寿命达到同规格CT90连管的4.35倍。

综合以上所述，本发明通过上述钢带材料设计及制管工艺，获得了性能优异的高强度、高疲劳寿命连续油管。其屈服强度≥130ksi、抗拉强度≥135ksi、硬度≤36HRC、塑性延伸率≥15％、-50℃下低温冲击功在60J以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管，其特征在于：所述连续油管中原材料的组分及质量百分比如下：

C 0.09％-0.20％、Mn 0.7％-2.1％、P≤0.02％、S≤0.003％、Si 0.25％-0.5％、Cr0.50％-1.5％、Mo 0.08％-0.3％、Ni 0.12％-0.50％、Cu 0.2％-0.45％、Nb+Ti+V≤0.2％、Fe余量。

2.一种深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的制造方法，其特征在于：包括如下的步骤：

(1)原材料的化学成分选择：所述连续油管中原材料的组分及质量百分比按如下选择配制：C 0.09％-0.20％、Mn 0.7％-2.1％、P≤0.02％、S≤0.003％、Si 0.25％-0.5％、Cr0.50％-1.5％、Mo 0.08％-0.3％、Ni 0.12％-0.50％、Cu 0.2％-0.45％、Nb+Ti+V≤0.2％、Fe余量；

(2)原材料的冶金工艺：首先将钢材熔炼后经过炉外精炼、真空脱气的精炼方式进行处理；然后通过结晶器电磁搅拌技术、结晶器非正弦振动技术、铸坯轻压下技术对非金属夹杂、偏析进行有效控制，获得良好的铸坯质量；接着通过控制轧制技术，对钢坯加热温度、轧制温度、变形量等参数进行合理控制，细化晶粒并通过沉淀强化、位错强化，提高钢材力学性能；最后通过控制冷却技术，调整相变过程，控制材料组织状态；最终获得的原材料组织分布均匀、晶粒度达到ASTMGrade12.5或更细的钢卷；

(3)焊接工艺：根据待制连续油管的外径要求，将上述钢卷纵剪获得要求的钢带卷，钢带卷通过卷曲并经过焊接形成连续油管。

3.根据权利要求2所述的深井高压井用高强度高疲劳寿命连续油管的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中具体的焊接方法如下：

a、将待焊接钢带的待焊端部斜切成45°并加工I型坡口，组对以准备进行焊接，在待焊钢带起弧与收弧侧各设置一块引弧板，所述引弧板宽度为钢带宽度的1.0-1.5倍；

b、根据材料成分及焊接性能要求，选择ER110S焊丝采用TIG、MIG或等离子焊进行焊接；所述焊接电流应不超过240A、电压不超过60V；所述钢带焊接完成后需进行打磨去除焊缝余高的步骤，将焊缝加热到500-860℃并空冷进行焊后热处理；按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得与成品连续油管长度一致的钢带长度；

c、钢带对接到规定长度后，进入成型机组连续卷曲成型；所述连续油管采用渐变成型方式，即钢带经过多道成型辊沿宽度方向逐步卷曲成管，获得最佳的连续油管表面质量；

d、经过渐变成型后通过高频电阻焊或激光焊焊接形成连续油管；焊接完成后，加热到680-900℃并空冷进行连续油管焊缝热处理；根据钢带成型过程中的强度变化结合成品管力学性能要求，加热到500-760℃并空冷进行整体热处理。