CN109055862A - 一种页岩气井用高强度高韧性套管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩气井用高强度高韧性套管，其化学元素成分按重量百分比为：C：0.12～0.32％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.55～1.5％，Cr：0.20～1.20％，Mo：0.10～1.00％，S≤0.005％，P≤0.010％，Ni：0.05～0.45％，V：0.01～0.15％，Nb：0.01～0.10％，稀土Re：0.0005～0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。通过炼钢进行圆坯连铸，以及圆管坯加热、穿孔、连轧、张力减径、冷床、热处理、矫直、探伤和车丝扣等工艺制造高强度高韧性套管，使套管的屈服强度Rt0.65≥896MPa，抗拉强度Rm≥931MPa，延伸率A≥19％，抗挤毁强度≥140MPa，而且具有良好的冲击韧性，特别是0℃下的横向冲击功Akv≥116J。
Description
技术领域:
本发明属于金属材料和石油天然气工业领域，具体涉及一种页岩气井用高强度高韧性套管及其制造方法。
背景技术:
页岩气属于源生气，主要位于暗色泥岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，为典型原地成藏模式。与常规天然气气藏不同，页岩气“生、储、盖”自成一体，主要分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，连续性分布。经过数十年积累，美国页岩气勘探开发技术取得突破，产量快速增长，2012年美国页岩气产量达到2653亿方，大大提高了本国能源自给率。我国也是全球页岩气储藏量最丰富的国家之一，现阶段开采页岩气已成为国内油气田稳产高产的主要措施之一。
水平井分段压裂技术是目前开采页岩气的主要手段，页岩气井钻采工艺有其特殊性，使用普通套管后，由于套管变形严重等情况的发生，会给油气田造成较大的经济损失。资料研究表明页岩气井用生产套管所在地层非均匀性强，天然裂缝发育或存在断层，压裂过程中储层沿层离面或岩性界面发生错动，使套管受到强剪切应力，易发生挤毁失效；与此同时，低韧性高强度套管在射孔过程中易发生开裂，长期服役过程中在地层应力的作用下裂纹易发生拓展，易导致套管失效。
申请号为200810053446.5的中国发明专利，名称为具有高强韧性的石油套管及其生产方法，该石油套管采用Cr-Ni-Mo-V合金系，通过冶炼、连铸、穿孔、连轧、定减径、冷却、热处理和矫直等工艺提高钢的强韧性，但是，该管体的抗挤毁强度为93.1MPa，还不能满足页岩气井用套管的需求。
发明内容:
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种页岩气井用高强度高韧性套管及其制造方法，通过合理的成分设计结合钢管的穿孔、轧制以及热处理后，使钢管具有高强度，同时韧性也得到大幅度提高，还具有更好的抗外压挤毁性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种页岩气井用高强度高韧性套管，其化学元素成分按重量百分比为：C：0.12～0.32％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.55～1.5％，Cr：0.20～1.20％，Mo：0.10～1.00％，S≤0.005％，P≤0.010％，Ni：0.05～0.45％，V：0.01～0.15％，Nb：0.01～0.10％，稀土Re：0.0005～0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述一种页岩气井用高强度高韧性套管的制造方法，生产流程依次包括：铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、VD真空处理、圆坯连铸、圆管坯加热、穿孔、连轧、张力减径、冷却、热处理、矫直、探伤和车丝扣，所述圆管坯加热的温度为1220℃～1300℃，穿孔的温度为1230℃～1280℃，轧管的温度为1050℃～1150℃，张力减径的温度为820℃～900℃；所述热处理的工艺为淬火+回火，淬火温度为860℃～920℃，保温时间为60～90分钟；回火温度为580℃～660℃，保温时间为90～120分钟，所述矫直温度为≥480℃。
本发明的有益效果：
本发明通过合理的化学成分设计、轧制工艺及淬火+回火热处理工艺使制造的石油套管的屈服强度Rt0.65≥896MPa，抗拉强度Rm≥931MPa，延伸率A≥19％，抗挤毁强度≥140MPa，而且具有良好的冲击韧性，特别是0℃下的横向冲击功Akv≥116J。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
本发明页岩气井用高强度高韧性套管的材料重量百分比化学元素成分化学成分是：C：0.12～0.32％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.55～1.5％，Cr：0.20～1.20％，Mo：0.10～1.00％，S≤0.005％，P≤0.010％，Ni：0.05～0.45％，V：0.01～0.15％，Nb：0.01～0.10％，稀土Re：0.0005～0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质，质量分数共计为100％。通过在钢中加入Cr、Mo等元素来提高材料的淬透性、耐高温性、抗回火性等；添加V、Nb元素来细化晶粒，降低套管残余应力，提高材料的冲击韧性；添加稀土元素是为实现变质处理，可显著提高材料的韧性，特别是材料的横向冲击韧性。
表1为本发明实施例1至实施例4的页岩气井用无缝套管的化学成分的重量百分比，余量为铁和不可避免的杂质，质量分数共计100％，其中加入的稀土元素Re由67％的Ce和33％的La构成的混合稀土金属。
表1各实例化学成分(质量百分数/％)
| 实例 | C | Si | Mn | Cr | Mo | S | P | Ni | V | Nb | Re |
| 实例1 | 0.24 | 0.29 | 0.78 | 0.99 | 0.19 | 0.001 | 0.012 | 0.06 | 0.08 | 0.07 | 0.006 |
| 实例2 | 0.25 | 0.32 | 0.90 | 0.98 | 0.34 | 0.001 | 0.010 | 0.12 | 0.11 | 0.04 | 0.012 |
| 实例3 | 0.25 | 0.32 | 1.21 | 0.99 | 0.82 | 0.001 | 0.011 | 0.36 | 0.11 | 0.05 | 0.009 |
| 实例4 | 0.26 | 0.30 | 0.88 | 0.99 | 0.98 | 0.002 | 0.012 | 0.28 | 0.06 | 0.06 | 0.016 |
通过上述实施例提供的化学成分的重量百分比制备石油套管，具体的制造过程包括：
炼钢生产过程的主要步骤为：铁水预处理→顶吹复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸，全部采用预脱硫铁水，采用单渣冶炼减小钢中气体含量，精炼全过程正常吹氩，LF炉精炼结束后VD真空处理前进行定量喂稀土丝，VD真空度≤0.10KPa，抽真空时间≥17min；真空处理后喂硅钙线，随后进行10-12min软吹氩；最后进行圆坯连铸，经过矫直后，切割为圆管坯。
制管生产过程的主要步骤为：圆管坯加热→穿孔→连轧→张力减径→冷却→热处理→矫直→探伤→车丝扣。
设计钢的合金含量高，为使合金元素全部溶解扩散均匀，又不会使坯料过烧，应严格控制各工艺温度，并控制冷却水的使用，其中圆管坯加热温度为1220℃～1300℃，穿孔温度为1230℃～1280℃，轧管温度为1050℃～1150℃，张力减径温度为830℃～900℃。
热处理工艺为淬火+回火，淬火温度为860℃～920℃，保温时间为60～90分钟；回火温度为580℃～660℃，保温时间为90～120分钟。在此工艺条件下，材料力学性能满足要求，而且具有良好的强韧性匹配。保证矫直温度为≥480℃，以避免钢管产生较大的应力而产生裂纹。
表2给出了采用实施例1至实施例4的化学成分制造套管过程的具体工艺参数。
表2各实施例的具体工艺参数
对矫直后的钢管逐支进行探伤检测，按照API SPEC 5CT 9th执行，其中：内外表、横纵向、L2等级；水压试验(69MPa)和通径处理，合格品经车丝扣加工得到成品，最后对成品套管进行性能测试，检测结果如表3所示。从表3可以看出：本发明石油套管的屈服强度Rt0.65≥896MPa，抗拉强度Rm≥931MPa，延伸率A≥19％，抗挤毁强度≥140MPa，而且具有良好的冲击韧性，特别是在0℃下的横向冲击功Akv≥116J，这种优异的抗挤毁强度和冲击韧性，有效降低了本发明的石油套管在采用水平井分段压裂技术开采页岩气时发生挤毁失效以及产生裂纹的问题，适用于页岩气开采。
表3各实施例的性能检测结果
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 (5)
1.一种页岩气井用高强度高韧性套管，其特征在于：所述套管的化学元素成分按重量百分比为：C：0.12～0.32％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.55～1.5％，Cr：0.20～1.20％，Mo：0.10～1.00％，S≤0.005％，P≤0.010％，Ni：0.05～0.45％，V：0.01～0.15％，Nb：0.01～0.10％，稀土Re：0.0005～0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种页岩气井用高强度高韧性套管，其特征在于：所述稀土Re由67％的Ce和33％的La构成。
3.根据权利要求1或2所述的一种页岩气井用高强度高韧性套管的制造方法，依次包括：铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、VD真空处理、圆坯连铸、圆管坯加热、穿孔、连轧、张力减径、冷床、热处理、矫直、探伤和车丝扣，其特征在于：所述圆管坯加热的温度为1220℃～1300℃，穿孔的温度为1230℃～1280℃，轧管的温度为1050℃～1150℃，张力减径的温度为820℃～900℃；所述热处理的工艺为淬火+回火，淬火温度为860℃～920℃、保温时间为60～90分钟，回火温度为580℃～660℃、保温时间为90～120分钟；所述矫直温度为≥480℃。
4.根据权利要求3所述的一种页岩气井用高强度高韧性套管的制造方法，其特征在于：LF炉精炼结束后，VD真空处理前进行定量喂稀土丝；VD真空处理的VD真空度≤0.10KPa，抽真空时间≥17min；真空处理后喂硅钙线，随后进行10-12min软吹氩，最后进行圆坯连铸，经过矫直后切割为圆管坯。
5.根据权利要求4所述的一种页岩气井用高强度高韧性套管的制造方法，其特征在于：所述套管的屈服强度Rt0.65≥896MPa，抗拉强度Rm≥931MPa，延伸率A≥19％，抗挤毁强度≥140MPa，在0℃下的横向冲击功Akv≥116J。
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