CN110042316A - 一种低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管及其制备方法 - Google Patents

一种低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管及其制备方法，属于金属材料技术领域。该套管成分重量百分比为C：<0.05％、Mn：<1.0％，Si：<0.2％，Cu：0.5‑3.0％，Ni：0.3％‑2.0％，Nb：0‑0.12％,Ti：<0.02％，余量为Fe，且Cu/Ni<1.5。通过热轧后缓冷的工艺生产母材钢卷，母材强度低于450MPa，可以在不增加现有设备制管卷曲能力的条件下实现低径厚比高强度高频电阻焊制管，制管后采用焊缝正火保证焊缝性能，利用350‑650℃回火工艺形成合金元素析出，提升钢管屈服强度50MPa以上，最大可达200MPa以上，且断后延伸率不显著降低，从而实现低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的生产。

Description

一种低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，特别是指一种低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管及其制备方法。
背景技术
膨胀套管技术是近二十年来新发展的石油天然气钻采领域的创新技术，被称为是钻井工程的革命。20世纪90年代荷兰壳牌公司率先提出了这一概念并很快开展了应用(孟庆昆,谢正凯,冯来,等.可膨胀套管技术概述[J].钻采工艺,2003,26(4):67-68)。这一技术可实现等井径钻井，缩减油气井上部井眼尺寸，优化钻具组合，提高机械钻速，节省井口设备、钻井液、循环时间、水泥、钻头和平台费用。据统计，该技术可以降低44％的钻井液用量、42％的水泥用量、38％的套管用量和59％的钻屑生成量，在海上钻井和建井中可节省33％～48％的建井费用(杨传勇.国外可膨胀套管技术的发展及应用[J].石油机械,2006,34(10):74-77.)。
当前我国油气产量与需求存在巨大差距，很大程度依赖进口，因此各大油气田每年面临的生产任务非常艰巨。随着我国各个油田进入开发后期，井筒维护、剩余油的挖潜、套损井的治理已经称为各油田特别是老油田二次开发的重点工作。膨胀管技术与常规技术相比具有强度高、密封可靠、修复后通径大等优点，特别适用于套损井修复，可以为套损井复产提供了有力支撑，创造重大经济价值。
在实际工程中，对膨胀套管强度有着较高的要求(李秀程,尚成嘉,袁胜福,等.新型膨胀套管材料研发及其商业前景.金属世界[J],2015,5.)，虽然膨胀套管的强度可以在膨胀过程中得到提升，但是初始强度仍是膨胀套管的重要性能指标，特别是对一些大厚度低膨胀率的工程设计而言，膨胀过程的加工硬化能力也是有限的。但是如果管材强度过高，也会增加制管的难度，特别是对大厚度、低径厚比的膨胀套管而言，会极大增加制管成型部分的机械负担。所以通常高强度膨胀套管的是采用正火板卷进行制管，制管后再通过调质工艺增加强度，不仅能耗大，流程长，而且还会造成塑性恶化和管型不佳等问题。因此需要开发一种既适合现有制管机械能力，又可以获得良好性能和管形质量的大厚度、低径厚比的膨胀套管生产方法。
发明内容
本发明针对目前膨胀套管强度要求高，制管机成型机械卷管力有限的问题，提供一种低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管及其制备方法。
该膨胀套管成分重量百分比为C：<0.05％、Mn：<1.0％，Si：<0.2％，Cu：0.5-3.0％，Ni：0.3％-2.0％，Nb：0-0.12％，Ti：<0.02％，余量为Fe，且Cu/Ni<1.5。
较低的C、Mn和Si含量保证了板卷具有较低的强度(通常可控制在450MPa以下，最低可达250MPa)，制管后通过Cu析出强化提升强度，如对强度有更高要求，特别是回火温度较高时(550℃以上)还可适当添加Nb元素，利用Nb的析出保证强度达到预期目标。由于加入Cu会导致热轧过程中的Cu偏聚产生热裂现象，所以按Cu/Ni小于1.5的比例加入Ni，以保证热轧板卷及焊接的质量。
制备该膨胀套管的方法，包括步骤如下：
(1)先按照成分进行冶炼、连铸，得到连铸坯；
(2)将连铸坯进行热轧、卷曲，得到钢卷；
(3)将卷曲后的钢卷进行高频电阻焊制管，得到整体管；
(4)将整体管上的焊缝进行感应正火；
(5)将整体管进行整管回火；
(6)得到成品套管。
其中，步骤(2)中终轧温度低于900℃，冷速控制在5-20℃范围，卷曲温度高于600℃，钢卷屈服强度在250-450MPa，通常以300-350MPa为佳。
步骤(3)中得到的整体管的径厚比不小于15，如Φ140×9，Φ219×14规格或Φ245×16。
步骤(3)中高频电阻焊制管时，焊缝内余高控制在-0.2mm至0.1mm，外余高控制在0mm至0.5mm。
步骤(4)中对焊缝在980-1080℃范围内进行感应正火。
步骤(5)中对整体管进行400℃-650℃范围内的整管回火，回火保温时间按不同壁厚进行设计，回火保温时间3-5min/mm。
步骤(6)得到的成品套管屈服强度较热处理前提升50MPa-200MPa，均匀延伸率达到12％，断后延伸率达到30％以上(API5CT标准)。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该方法利用低强度板卷生产板卷母材，制管后利用回火过程中Cu的析出强化提高套管强度，可提升钢管屈服强度50MPa以上，最大可达200MPa以上，且断后延伸率不显著降低，从而实现低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的生产。
附图说明
图1为本发明的低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管制备方法工艺流程图；
图2为本发明实施例1中的钢管析出物电镜图；
图3为图2中图谱1的能谱图；
图4为图2中图谱2的能谱图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管及其制备方法。
该膨胀套管成分重量百分比为C：<0.05％、Mn：<1.0％，Si：<0.2％，Cu：0.5-3.0％，Ni：0.3％-2.0％，Nb：0-0.12％，Ti：<0.02％，余量为Fe，且Cu/Ni<1.5。
如图1所示，制备该膨胀套管的方法，包括步骤如下：
(1)先按照成分进行冶炼、连铸，得到连铸坯；
(2)将连铸坯进行热轧、卷曲，得到钢卷；
(3)将卷曲后的钢卷进行高频电阻焊制管，得到整体管；
(4)将整体管上的焊缝进行感应正火；
(5)将整体管进行整管回火；
(6)得到成品套管。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
采用表1的合金成分设计，进行钢材冶炼。
表1膨胀管母材冶炼成分
合金元素 C Mn Si Cu Ni Nb Ti
含量(wt％) 0.04 0.5 0.1 1.0 1.0 0.08 0.015
P<100ppm，S<40ppm
连铸后经热轧成14.1mm板，终轧温度860℃，卷曲温度660℃，钢卷屈服强度340MPa，抗拉强度600MPa，均匀伸长率14％，断后延伸率32％。
钢卷经开卷、对裁、成型、焊接、焊缝正火(1000℃)、整体管回火后(600℃，保温45分钟)后，管材屈服强度达到520MPa，抗拉强度610MPa，均匀伸长率12％，断后伸长率30％。
经过萃取覆型并在透射电镜下观察，发现钢管在回火后形成了两种析出物，包括Ti、Nb复合析出，以及Cu的析出，析出物形貌和能谱如图2、图3和图4所示，两种析出物尺寸均在10nm级别。
实施例2
采用表2的合金成分设计，进行钢材冶炼。
表2膨胀管母材冶炼成分
合金元素 C Mn Si Cu Ni Nb Ti
含量(wt％) 0.02 1.0 - 1.5 1.8 - 0.015
P<80ppm，S<40ppm
连铸后经热轧成9.15mm板，终轧温度850℃，卷曲温度640℃，钢卷屈服强度400MPa，抗拉强度650MPa，均匀伸长率12％，断后延伸率29％。
钢卷经开卷、对裁、成型、焊接成、焊缝正火(1020℃)、整体管回火后(500℃，保温1小时)后，管材屈服强度达到480MPa，抗拉强度600MPa，均匀伸长率10％，断后伸长率30％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管，其特征在于：成分重量百分比为C：<0.05％、Mn：<1.0％，Si：<0.2％，Cu：0.5-3.0％，Ni：0.3％-2.0％，Nb：0-0.12％，Ti：<0.02％，余量为Fe，且Cu/Ni<1.5。
2.根据权利要求1所述的低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的制备方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)先按照成分进行冶炼、连铸，得到连铸坯；
(2)将连铸坯进行热轧、卷曲，得到钢卷；
(3)将卷曲后的钢卷进行高频电阻焊制管，得到整体管；
(4)将整体管上的焊缝进行感应正火；
(5)将整体管进行整管回火；
(6)得到成品套管。
3.根据权利要求2所述的低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中终轧温度低于900℃，冷速控制在5-20℃范围，卷曲温度高于600℃，钢卷屈服强度在250-450MPa。
4.根据权利要求2所述的低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中得到的整体管的径厚比不小于15。
5.根据权利要求2所述的低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中高频电阻焊制管时，焊缝内余高控制在-0.2mm至0.1mm，外余高控制在0mm至0.5mm。
6.根据权利要求2所述的低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中对焊缝在980-1080℃范围内进行感应正火。
7.根据权利要求2所述的低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中对整体管进行400℃-650℃范围内的整管回火，回火保温时间按不同壁厚进行设计，回火保温时间3-5min/mm。
8.根据权利要求2所述的低径厚比高强度高频电阻焊膨胀套管的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)得到的成品套管屈服强度较热处理前提升50MPa-200MPa，均匀延伸率达到12％，断后延伸率达到30％以上。
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