CN109338222B

CN109338222B - 一种中高压地层封堵用膨胀套管及其制造方法

Info

Publication number: CN109338222B
Application number: CN201811329088.6A
Authority: CN
Inventors: 谭峰亮; 封举宁; 李鸿娟; 张海筹; 汪力
Original assignee: Hunan University of Humanities Science and Technology
Current assignee: Loudi Hongshen Technology Co ltd
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: CN109338222A

Abstract

本发明公开了一种中高压地层封堵用膨胀套管，包括下列以质量百分数计的化学成分C：0.08‑0.18％，Si：0.18‑0.38％，Mn：0.5‑1.2％，Mo：0.35‑0.85％，Ni：0.25‑0.55％，Nb：0.04‑0.15％，RE：0.05‑0.12％，S≤0.005％，P≤0.010％，B：0.0005‑0.001％，余量为Fe及不可避免的杂质，包括以下制备步骤：卷板制造、ERW制管、焊缝热处理、整管热处理及去应力处理、无损探伤和螺纹加工。膨胀套管经≤15％径向膨胀变形后，管材纵向ReL为655‑758MPa，Rm＞724MPa，A＞13％，抗外压挤毁强度≥32MPa。

Description

一种中高压地层封堵用膨胀套管及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体是一种中高压地层封堵用膨胀套管及其制造方法。

背景技术

膨胀管技术是将管柱下入井内，以机械或液压的方法使管柱发生永久性塑性变形，使井眼或生产管柱的内径扩大。该技术能够增加套管层次，简化井身结构，节约钻井成本，是一种更加灵活的完井方式和全新的修井方法，也是油田钻井和完井方面最具革命性的技术之一(李益良，陈强，李涛，韩伟业，毕秀玲，孙强.国外膨胀管技术应用新进展.石油机械，2013，42(1)：24-27)。国内从2001年开始对实体膨胀管进行跟踪研究，主要包括可膨胀管材、膨胀工具及膨胀工艺等，其中可膨胀管材的开发是首要解决的问题。中国专利CN104087834B在中低碳钢中添加Ca、Cu、Ce/La混合稀土，添加Ni、Mo、Nb、V、Ti中的一种或几种，采用HFW焊接-焊缝在线正火处理-整管两相区淬火-回火的方法，发明了J55、N80钢级耐沟槽腐蚀膨胀管用钢及焊接膨胀套管，但是其强度和可膨胀性能均无法满足高压地层的封堵要求。宝鸡石油钢管有限责任公司利用“HFW+热张力减径+整管热处理”的SEW(HotStretch-reducing Electric Welding，热张力减径电阻焊)工艺开发出了80钢级膨胀套管。套管膨胀前(规格：

)外压失效载荷为66MPa，套管膨胀后(规格：

)外压失效载荷为29.7MPa(李远征，韦奉，毕宗岳，张峰，何石磊.一种石油天然气开采用80钢级膨胀管的性能研究.钢管，2015，44(2)：22-26)，基本能够满足中低压地层封堵要求(膨胀后管材外压失效载荷要求＜30MPa)，但并不适于高压地层的封堵(膨胀后管材外压失效载荷要求≥30MPa)。

膨胀套管的抗外压挤毁性能与所用材料成分、管体的机械性能、应力状态等有一定的关系，如套管钢级越高，抗外压挤毁能力越好。例如，公开号为CN101353949A的中国专利，通过在成分里面加入了大量的Cr、Ni等贵金属开发出P110钢级膨胀管，但原料的合金成本较高；公开号为CN102534372A的中国专利，通过利用淬火以及后续的亚稳回火-淬火-配分处理生产出P110钢级多相高均匀伸长率膨胀管，但生产工艺较复杂，不利于批量化生产；公开号为CN106011638A的中国专利，通过在成分里添加Cr、Ni、Mo及Ce-La-Y混合稀土，利用HFW焊接-焊缝在线热处理-整管正火及回火工艺制备了屈服强度

≥600Mpa、抗拉强度≥689MPa、断后伸长率≥30％、夏比V型缺口焊缝冲击韧性≥90J的稠油热采井用膨胀套管，但是该套管径向膨胀率≤10％。同时，上述三项专利一方面未提及膨胀管膨胀前后的抗外压挤毁性能；其次径向膨胀率≤10％；第三，API 5CT标准中P110钢级膨胀管最小屈服强度为758MPa，这对油田现场膨胀施工的作业压力及作业装备提出了更高的要求。管材膨胀变形是一种冷加工，其屈服强度越高，现场膨胀作业所需要的膨胀作业压力越大，对作业设备的要求就越高，本专利的目的是开发出95ksi钢级膨胀管，兼顾现场作业，克服抗外挤性能不足的问题。

本发明通过材料成分设计和管材制备工艺优化等，实现管材抗外压挤毁强度的提升，降低了生产制造成本，满足油田用户需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明第一个目的在于提供一种中高压地层封堵用低碳低合金膨胀套管。第二个目的在于提供一种中高压地层封堵用低碳低合金膨胀套管的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种中高压地层封堵用膨胀套管，包括下列以质量百分数计的化学成分：

C：0.08-0.18％，Si：0.18-0.38％，Mn：0.5-1.2％，Mo：0.35-0.85％，Ni：0.25-0.55％，Nb：0.04-0.15％，RE：0.05-0.12％，S≤0.005％，P≤0.010％，B：0.0005-0.001％，余量为Fe及不可避免的杂质。

降低S、P等有害元素含量，可显著提高钢的洁净度及其冲击韧性，对后期膨胀变形有利。

优选地，包括下列以质量百分数计的化学成分：

C：0.14％，Si：0.32％，Mn：1.02％，Mo：0.66％，Ni：0.50，Nb：0.08％，RE：0.06％，S：0.002％，P：0.008％，B：0.0008％余量为Fe和不可避免的杂质。

上述中高压地层封堵用膨胀套管的制备方法，包括以下步骤：

(1)卷板制造：将上述化学成分的原料进行转炉或电炉冶炼，并进行炉外精炼、Ca处理后浇注成板坯，然后将所述板坯加热轧制并卷取成卷板；

(2)ERW制管：卷板经过开平、纵剪、排辊成型后进行ERW焊接和焊缝在线热处理，得到ERW焊接钢管，并对焊缝的内外飞边高度进行修整；

(3)焊缝热处理：采用中频感应加热对焊缝进行在线正火热处理，感应加热温度处于700～880℃范围内；

(4)全管体热处理：采用燃气炉将ERW焊管加热至900～950℃，保温0.5～1小时后水淬至室温，然后在Ac1以下0～30℃范围回火，保温1.5～3小时后冷却到室温；

(5)全管体去应力处理：采用燃气炉将风冷至室温的ERW焊管加热至200～450℃范围，保温1～3小时后空冷至室温；

(6)无损探伤和螺纹加工：将去应力处理后的ERW焊管进行超声、电磁等检测，随后对检测合格的管材进行管端螺纹加工及检验，最终获得中高压地层封堵用膨胀套管。

进一步，步骤(1)所述的将所述板坯加热轧制并卷取成卷板的条件如下：加热温度1100～1250℃，轧制终轧温度≥850℃，卷取时的温度≥630℃。

进一步，步骤(2)所述的对焊缝的内外飞边高度进行修整，修整为内飞边高度和外飞边高度均≤0.25mm。

进一步，步骤(4)全管体热处理：回火处理后管材的冷却方式为吹风冷。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

1、通过在钢中添加Ni、Mo、Nb、RE等化学元素，实现膨胀套管生产制造成本降低；

2、合理的成分设计结合钢管的成型焊接工艺、焊缝热处理和快速热处理可大幅减小管材焊缝区域与母材区域组织性能差异，保证全管体的机械性能均一，克服管材膨胀过程中变形不均匀的缺点；

3、本发明生产的膨胀套管经≤15％径向膨胀变形(膨胀率≤15％)后，管材纵向屈服强度为655-758MPa，抗拉强度＞724MPa，伸长率＞13％，抗外压挤毁强度≥32MPa。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例做详细说明。

实施例1

本实施例焊管用钢化学成分质量百分比为：C：0.14％，Si：0.32％，Mn：1.02％，Mo：0.66％，Ni：0.50，Nb：0.08％，RE：0.06％，S：0.002％，P：0.008％，B：0.0008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

首先，将转炉冶炼、炉外精炼后的钢水进行Ca处理后，连铸成板坯。连铸板坯经1100℃加热后轧成板带，板带的终轧温度860℃，轧后板带冷却至710℃卷取成卷板。

其次，进行拆卷、纵剪、铣边、成型、ERW焊接及焊缝热处理制成

的有缝焊管，中频感应加热对焊缝进行在线正火热处理，感应加热温度为700℃，加热时间为30s，随后对焊缝的内外飞边进行修整，内飞边高度为0.20mm，外飞边高度为0.25mm。

接着，采用燃气炉将ERW焊管加热至930℃，加热时间45分钟，水淬至室温，再利用燃气炉将淬火管坯加热至695℃，保温2小时，吹风冷却至室温。

然后，采用燃气炉将吹风冷却至室温的ERW焊管加热至320℃，保温1.5小时，空冷至室温。

最后，对经去应力处理后的焊管进行无损探伤和管端螺纹加工及检测，最终生产出本发明的中高压地层封堵用膨胀套管。

经检测，本实施例焊管纵向力学性能结果如下：屈服强度为675MPa，抗拉强度为760MPa，伸长率为28％；管体抗外压挤毁强度为67MPa。

本实施例焊管经液压式径向膨胀10％变形后，管材纵向的力学性能如下：屈服强度为715MPa，抗拉强度为785MPa，伸长率为18％；管体抗外压挤毁强度为38MPa。

实施例2

本实施例焊管用钢化学成分质量百分比为：C：0.12％，Si：0.27％，Mn：0.96％，Mo：0.6％，Ni：0.43，Nb：0.12％，RE：0.08％，S：0.002％，P：0.008％，B：0.0008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

首先，将转炉冶炼、炉外精炼后的钢水进行Ca处理后，连铸成板坯。连铸板坯经1200℃加热后轧成板带，板带的终轧温度870℃，轧后板带冷却至680℃卷取成卷板。

的有缝焊管，中频感应加热对焊缝进行在线正火热处理，感应加热温度为820℃，加热时间为40s，随后对焊缝的内外飞边进行修整，内飞边高度为0.22mm，外飞边高度为0.24mm。

接着，采用燃气炉将ERW焊管加热至915℃，加热时间45分钟，水淬至室温，再利用燃气炉将淬火管坯加热至705℃，保温2.5小时，风冷至室温。

然后，采用燃气炉将风冷至室温的ERW焊管加热至300℃，保温2小时，空冷至室温。

经检测，本实施例焊管纵向力学性能结果如下：屈服强度为660MPa，抗拉强度为765MPa，伸长率为27％；管体抗外压挤毁强度为68MPa。

本实施例焊管经液压式径向膨胀15％变形后，管材纵向的力学性能如下：屈服强度为735MPa，抗拉强度为795MPa，伸长率为17％；管体抗外压挤毁强度为36MPa。

实施例3

本实施例焊管用钢化学成分质量百分比为：C：0.13％，Si：0.28％，Mn：1.15％，Mo：0.59％，Ni：0.39，Nb：0.14％，RE：0.092％，S：0.005％，P：0.010％，B：0.0005％，余量为Fe和不可避免的杂质。首先，将转炉冶炼、炉外精炼后的钢水进行Ca处理后，连铸成板坯。连铸板坯经1250℃加热后轧成板带，板带的终轧温度880℃，轧后板带冷却至650℃卷取成卷板。

的有缝焊管，中频感应加热对焊缝进行在线正火热处理，感应加热温度为880℃，加热时间为45s，随后对焊缝的内外飞边进行修整，内飞边高度为0.25mm，外飞边高度为0.22mm。

接着，采用燃气炉将ERW焊管加热至900℃，加热时间45分钟，水淬至室温，再利用燃气炉将淬火管坯加热至685℃，保温2小时，风冷至室温。

然后，采用燃气炉将风冷至室温的ERW焊管加热至300℃，保温2.5小时，空冷至室温。

经检测，本实施例焊管纵向力学性能结果如下：屈服强度为665MPa，抗拉强度为775MPa，伸长率为29％；管体抗外压挤毁强度为66MPa。

本实施例焊管经液压式径向膨胀12％变形后，管材纵向的力学性能如下：屈服强度为715MPa，抗拉强度为780MPa，伸长率为18％；管体抗外压挤毁强度为35MPa。

上述实施例仅是本发明的较优实施方式，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修饰、修改及替代变化，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种中高压地层封堵用膨胀套管，其特征在于，包括下列以质量百分数计的化学成分：

2.根据权利要求1所述的一种中高压地层封堵用膨胀套管，其特征在于，包括下列以质量百分数计的化学成分：

3.如权利要求1所述的一种中高压地层封堵用膨胀套管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种中高压地层封堵用膨胀套管的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的将所述板坯加热轧制并卷取成卷板的条件如下：加热温度1100～1250℃，轧制终轧温度≥850℃，卷取时的温度≥630℃。

5.根据权利要求3所述的一种中高压地层封堵用膨胀套管的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的对焊缝的内外飞边高度进行修整，修整为内飞边高度和外飞边高度均≤0.25mm。

6.根据权利要求3所述的一种中高压地层封堵用膨胀套管的制备方法，其特征在于，步骤(4)全管体热处理：回火处理后管材的冷却方式为吹风冷。