CN114622143A - 140-155ksi油气开采用套管及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及140‑155ksi油气开采用套管，包括如下重量百分比的各组分：C：0.24～0.33；Si：0.13～0.40；Mn：0.40～0.65；P≤0.014；S≤0.003；Cr：0.90～1.25；Mo：0.66～1.20；Al：0.01～0.05；V：0.10～0.20；B：0.0005～0.002；余量为Fe。本发明相对于125ksi钢级，抗挤毁性能提高30％，抗内压性能提高12％；现场实施后效果明显，切头尾率由原来的4.3％降低到现在的3.6％，成材率提高近1％。
Description
技术领域
本发明属于石油化工管材技术领域，尤其涉及140-155ksi油气开采用套管及其生产方法。
背景技术
页岩油气已经成为接替常规油气资源增产上储的重要资源，我国页岩油气资源储量丰富，但开采难度大，需要采用水平井钻井技术及大规模的地层改造技术，水平井钻井技术直接决定井眼规则程度，局部过大的狗腿度极易造成套管在复合载荷下变形损坏，大规模的地层改造技术，在实现页岩油气运集的同时，往往带来套管损坏的问题，套管损坏带来丢段等不利影响，严重影响单井产量。
管柱的安全性成为页岩油气开采的重要前提，从套管承受的额载荷来看，提高套管的强度和韧性可以提高井眼曲率过大井段的通过性问题，保证套管在下入的过程中不发生损坏；保证套管的抗变形能力，需要套管具有抗大变形能力，即在大井眼曲率段和大外载条件下，管柱具有优异的性能。现有使用的套管存在强度低，韧性低的问题，同时也没考虑均匀伸长率的问题，针对这些问题，通过优化化学成分设计，采用控制壁厚均匀性技术，提供一种140-155ksi油气开采用套管及其生产方法，具有重要的应用价值。
发明内容
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
140-155ksi油气开采用套管，所述套管包括如下重量百分比的各组分：
C：0.24～0.33；
Si：0.13～0.40；
Mn：0.40～0.65；
P≤0.014；
S≤0.003；
Cr：0.90～1.25；
Mo：0.66～1.20；
Al：0.01～0.05；
V：0.10～0.20；
B：0.0005～0.002；
余量为Fe。
所述的140-155ksi油气开采用套管的生产方法，包括如下步骤：
获取炼钢原料，经处理获得符合各组分质量含量要求的钢水，经连铸工序，浇铸成连铸坯；
将获得的铸坯进行斜轧热穿孔、PQF三辊限动芯棒热连轧、热定径；其中，对管头增加0.6～0.8mm的削尖量，削尖长度最少1000mm；热定径时改进定径孔型设计，控制生产时的定径终轧温，提高孔型尺寸的设计精度，优化孔型设计时预留的宽展量：0～1mm；
采用淬火加回火的热处理工艺进行热处理：淬火温度为900℃±5℃，淬火介质为水，浸入冷却或层流冷却，回火温度为685℃±5℃，表面除磷，空气冷却；热处理后，进行热矫直处理，冷却，探伤，获得初始套管；其中，热矫直温度在550℃～600℃；
对初始套管进行机械加工，获得140-155ksi油气开采用套管。
需要说明的是，在斜轧穿孔时，通过提高穿孔孔型封闭程度、三辊定心对顶杆的抱紧程度、轧制中心线的对中程度等提高斜轧穿孔技术，具体的：
1、穿孔孔型由上下两个轧辊、左右两个导板和顶头共同组成，为了保证孔型封闭效果，对导板进行改型，通过加大导板开口度(由R20mm改为R200mm)和大圆弧过度(圆弧半径由136.5mm改为140mm)，保证钢坯顺利咬入，减小咬钢时抖动；增加顶头规格，在191孔型中增加Φ175、Φ169两种顶头规格，配合改型后的导板使用，可有效控制顶前压下率和孔型的椭圆度；
2、穿孔中心线调整：穿孔机前后台和主机的中心线一致，要求顶杆、顶头、轧辊中心、导板中心和导套中心必须严格在一条直线上；使用标准样棒定期对三棍定心进行抱棒试验，特别是更换三辊定心后必须进行中心测量，并进行数据记录跟踪，保证顶头在轧制时候的对中性。定期测量、调整穿孔主机，导套，导板及机内定心辊的相对高度，以保证穿孔中心线状态；
3、顶杆直度：顶杆前端件直度偏差不超过0.5mm/m；
4、降低穿孔咬入速度：利用穿孔主电机的升速比设置，解决咬钢与轧制过程中速度变化的矛盾，既可以满足低速咬钢，也可以满足高速轧制，保证了轧制的稳定性，提高毛管壁厚质量。
PQF连轧技术：采用在线预穿模式，减少钢管的温降，确保连轧机组的负荷不过载；控制好芯棒温度，保证温度均匀；调整润滑线速度，使石墨喷涂均匀；重新分配了各机架延伸系数，使轧制更稳定；适当调整了部分连轧管机机架的孔型偏心量，增加了芯棒一毛管间隙量，减少抱棒可能，保证顺利脱棒；
为使管端与管体壁厚相对一致，需要对管头增加0.6～0.8mm的削尖量，削尖长度最少1000mm，这样管体管端壁厚都能保证在要求范围内，同时大幅降低了切头长度；
定径技术：优化改进定径孔型设计，控制好生产时的定径终轧温，提高孔型尺寸的设计精度，优化孔型设计时预留的宽展量：0～1mm。
进一步的，对铸坯进行轧制时：将冷却后的铸坯在环形加热炉内加热，环形炉炉温为1285℃～1305℃；热定心温度为1235℃～1255℃；热穿孔时温度为1210℃～1230℃；PQF三辊连轧时的温度为1050℃～1110℃。
进一步的，所述初始套管的力学性能指标为：屈服强度1020-1106MPa；抗拉强度1081-1200MPa；均匀延伸率3.0％；纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥170J；横向半尺寸夏比V型缺口冲击值≥60J；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥110J。
进一步的，所述140-155ksi油气开采用套管的公称外径≥0.8％D，正公差轧制：+0.8mm～2.0％，壁厚公差带控制在-3～25％，外径不圆度≤0.5，降低壁厚不均度≤8％，残余应力≤140MPa。
进一步的，所述140-155ksi油气开采用套管的屈服强度≥1000MPa；抗拉强度≥1068MPa；纵向冲击功≥100J；横向冲击功≥80J；均匀伸长率≥3.0％；管体抗外挤强度≥185MPa；管体屈服强度≥4891KN；管体抗内压强度≥153.6MPa；接头抗内压强度≥153.6MPa；管体连接强度≥4891KN；套管的管组织为回火索氏体，晶粒度≥9.0级，钢级硬度最大值不超过42HRC；管体残余应力≤140MPa。
本发明的优点和积极效果是：
本发明实现了页岩气套管的大外径大壁厚控制、高精度和高性能生产制造，套管钢级可以达到140-155ksi，相对于125ksi钢级，抗挤毁性能提高30％，抗内压性能提高12％；本发明现场实施后效果明显，切头尾率由原来的4.3％降低到现在的3.6％，成材率提高近1％。
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
140-155ksi油气开采用套管，所述套管包括如下重量百分比的各组分：
C：0.24～0.33；
Si：0.13～0.40；
Mn：0.40～0.65；
P≤0.014；
S≤0.003；
Cr：0.90～1.25；
Mo：0.66～1.20；
Al：0.01～0.05；
V：0.10～0.20；
B：0.0005～0.002；
余量为Fe。
所述的140-155ksi油气开采用套管的生产方法，包括如下步骤：
获取炼钢原料，经处理获得符合各组分质量含量要求的钢水，经连铸工序，浇铸成连铸坯；
将获得的铸坯进行斜轧热穿孔、PQF三辊限动芯棒热连轧、热定径；其中，对管头增加0.6～0.8mm的削尖量，削尖长度最少1000mm；热定径时改进定径孔型设计，控制生产时的定径终轧温，提高孔型尺寸的设计精度，优化孔型设计时预留的宽展量：0～1mm；
采用淬火加回火的热处理工艺进行热处理：淬火温度为900℃±5℃，淬火介质为水，浸入冷却或层流冷却，回火温度为685℃±5℃，表面除磷，空气冷却；热处理后，进行热矫直处理，冷却，探伤，获得初始套管；其中，热矫直温度在550℃～600℃；
对初始套管进行机械加工，获得140-155ksi油气开采用套管。
需要说明的是，在斜轧穿孔时，通过提高穿孔孔型封闭程度、三辊定心对顶杆的抱紧程度、轧制中心线的对中程度等提高斜轧穿孔技术，具体的：
1、穿孔孔型由上下两个轧辊、左右两个导板和顶头共同组成，为了保证孔型封闭效果，对导板进行改型，通过加大导板开口度(由R20mm改为R200mm)和大圆弧过度(圆弧半径由136.5mm改为140mm)，保证钢坯顺利咬入，减小咬钢时抖动；增加顶头规格，在191孔型中增加Φ175、Φ169两种顶头规格，配合改型后的导板使用，可有效控制顶前压下率和孔型的椭圆度；
2、穿孔中心线调整：穿孔机前后台和主机的中心线一致，要求顶杆、顶头、轧辊中心、导板中心和导套中心必须严格在一条直线上；使用标准样棒定期对三棍定心进行抱棒试验，特别是更换三辊定心后必须进行中心测量，并进行数据记录跟踪，保证顶头在轧制时候的对中性。定期测量、调整穿孔主机，导套，导板及机内定心辊的相对高度，以保证穿孔中心线状态；
3、顶杆直度：顶杆前端件直度偏差不超过0.5mm/m；
4、降低穿孔咬入速度：利用穿孔主电机的升速比设置，解决咬钢与轧制过程中速度变化的矛盾，既可以满足低速咬钢，也可以满足高速轧制，保证了轧制的稳定性，提高毛管壁厚质量。
PQF连轧技术：采用在线预穿模式，减少钢管的温降，确保连轧机组的负荷不过载；控制好芯棒温度，保证温度均匀；调整润滑线速度，使石墨喷涂均匀；重新分配了各机架延伸系数，使轧制更稳定；适当调整了部分连轧管机机架的孔型偏心量，增加了芯棒一毛管间隙量，减少抱棒可能，保证顺利脱棒；
为使管端与管体壁厚相对一致，需要对管头增加0.6～0.8mm的削尖量，削尖长度最少1000mm，这样管体管端壁厚都能保证在要求范围内，同时大幅降低了切头长度；
定径技术：优化改进定径孔型设计，控制好生产时的定径终轧温，提高孔型尺寸的设计精度，优化孔型设计时预留的宽展量：0～1mm。
对铸坯进行轧制时：将冷却后的铸坯在环形加热炉内加热，环形炉炉温为1285℃～1305℃；热定心温度为1235℃～1255℃；热穿孔时温度为1210℃～1230℃；PQF三辊连轧时的温度为1050℃～1110℃。
所述初始套管的力学性能指标为：屈服强度1020-1106MPa；抗拉强度1081-1200MPa；均匀延伸率3.0％；纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥170J；横向半尺寸夏比V型缺口冲击值≥60J；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥110J。
所述140-155ksi油气开采用套管的公称外径≥0.8％D，正公差轧制：+0.8mm～2.0％，壁厚公差带控制在-3～25％，外径不圆度≤0.5，降低壁厚不均度≤8％，残余应力≤140MPa。
所述140-155ksi油气开采用套管的屈服强度≥1000MPa；抗拉强度≥1068MPa；纵向冲击功≥100J；横向冲击功≥80J；均匀伸长率≥3.0％；管体抗外挤强度≥185MPa；管体屈服强度≥4891KN；管体抗内压强度≥153.6MPa；接头抗内压强度≥153.6MPa；管体连接强度≥4891KN；套管的管组织为回火索氏体，晶粒度≥9.0级，钢级硬度最大值不超过42HRC；管体残余应力≤140MPa。
实施例2
按实施例1中方法生产出来的符合实施例1中各化学组分质量百分比的石油套管TP140SG，其尺寸为
其化学成分及各项性能指标如下：
所述套管的化学成分(重量百分比)为：C：0.26；Si：0.30；Mn：0.62；P：0.008；S：0.001；Cr：1.00；Mo：0.92；Al：0.020；V：0.19；B：0.0008；余量为Fe。
具体制备方法：采用铁水+优质废钢作为炼钢原料，用电弧炉将炼钢原料熔化为钢水，经炉外精炼和VD/RH高真空脱气，获得所需的化学成分，经连铸工序浇铸成连铸坯；环形加热炉加热后(加热温度为1270℃)，经热定心，热穿孔：加大导板开口度(由R20mm改为R200mm)和大圆弧过度(圆弧半径由136.5mm改为140mm)，保证钢坯顺利咬入，减小咬钢时抖动；增加顶头规格，在191孔型中增加Φ175、Φ169两种顶头规格，配合改型后的导板使用，PQF三辊连轧：采用在线预穿方式，提高轧制节奏；控制好芯棒温度，保证温度均匀；重新分配了各机架延伸系数，使轧制更稳定；适当调整了部分连轧管机机架的孔型偏心量，增加了芯棒一毛管间隙量，保证顺利脱棒。采用头尾削尖功能，使管端与管体壁厚相对一致，对管头增加0.6～0.8mm的削尖量。削尖长度最少1000mm。这样管体管端壁厚都能保证在要求范围内，同时大幅降低了切头长度。定径：优化改进定径孔型设计，控制好生产时的定径终轧温，提高孔型尺寸的设计精度，优化孔型设计时预留的宽展量：0～1mm。冷却，锯切，矫直，探伤；热处理炉内900℃±5℃温度下奥氏体化，然后水淬冷却，获得95％以上的马氏体，685℃±5℃温度下回火，空气冷却，矫直温度为550℃～600℃；热矫直后，冷却，探伤。
轧制后，钢管的几何尺寸为：外径不圆度≤0.2％，壁厚不均度≤5％；
热处理后，套管的力学性能指标如下：屈服强度：1020-1106MPa；抗拉强度：1081-1200MPa；均匀延伸率：3.0％；冲击值：纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥170J；横向半尺寸夏比V型缺口冲击值≥60J；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥110J；
在具体使用时，以套管TP140SG
为例，其力学性能为：管体抗外挤强度200MPa(式样挤毁)；管体屈服强度≥4891KN；管体抗内压强度≥153.6MPa；接头抗内压强度≥153.6MPa；管体连接强度≥4891KN；将该套管在四川长宁等区块成功下井，使用效果很好。
实施例3
按实施例1中方法生产出来的符合实施例1中各化学组分质量百分比的石油套管TP140V，其尺寸为
其化学成分及各项性能指标如下：
所述套管的化学成分(重量百分比)为：C：0.28；Si：0.32；Mn：0.63；P：0.009；S：0.001；Cr：1.10；Mo：1.0；Al：0.020；V：0.11；B：0.001；余量为Fe。
具体制备方法：采用铁水+优质废钢作为炼钢原料，用电弧炉将炼钢原料熔化为钢水，经炉外精炼和VD/RH高真空脱气，获得所需的化学成分，经连铸工序浇铸成连铸坯；环形加热炉加热后(加热温度为1270℃)，经热定心，热穿孔：加大导板开口度(由R20mm改为R200mm)和大圆弧过度(圆弧半径由136.5mm改为140mm)，保证钢坯顺利咬入，减小咬钢时抖动；增加顶头规格，在191孔型中增加Φ175、Φ169两种顶头规格，配合改型后的导板使用，PQF三辊连轧：采用在线预穿方式，提高轧制节奏；控制好芯棒温度，保证温度均匀；重新分配了各机架延伸系数，使轧制更稳定；适当调整了部分连轧管机机架的孔型偏心量，增加了芯棒一毛管间隙量，保证顺利脱棒。采用头尾削尖功能，使管端与管体壁厚相对一致，对管头增加0.6～0.8mm的削尖量，削尖长度最少1000mm；这样管体管端壁厚都能保证在要求范围内，同时大幅降低了切头长度。定径：优化改进定径孔型设计，控制好生产时的定径终轧温，提高孔型尺寸的设计精度，优化孔型设计时预留的宽展量：0～1mm。冷却，锯切，矫直，探伤；热处理炉内900℃±5℃温度下奥氏体化，然后水淬冷却，获得95％以上的马氏体，685℃±5℃温度下回火，空气冷却，矫直温度为550℃～600℃；热矫直后，冷却，探伤。
轧制后，钢管的几何尺寸为：外径不圆度≤0.2％，壁厚不均度≤5％；切头尾率由4.3％降低至3.6％，成材率由91.2提高至93.2％，提高2个百分点。
热处理后，套管的力学性能指标如下：屈服强度：1050-1131MPa；抗拉强度：1092-1210MPa；均匀延伸率：3.0％；冲击值：纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥180J；横向半尺寸夏比V型缺口冲击值≥65J；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥120J；
在具体使用时，以套管TP140V
为例，其力学性能为：管体抗外挤强度200MPa(式样挤毁)；管体屈服强度≥4891KN；管体抗内压强度≥153.6MPa；接头抗内压强度≥153.6MPa；管体连接强度≥4891KN；将该套管在川渝成功下井，使用效果很好。
实施例4
按实施例1中方法生产出来的符合实施例1中各化学组分质量百分比的石油套管TP140V，其尺寸为
其化学成分及各项性能指标如下：
所述套管的化学成分(重量百分比)为：C：0.31；Si：0.35；Mn：0.62；P：0.009；S：0.002；Cr：1.20；Mo：0.70；Al：0.020；V：0.15；B：0.0015；余量为Fe。
具体制备方法：采用铁水+优质废钢作为炼钢原料，用电弧炉将炼钢原料熔化为钢水，经炉外精炼和VD/RH高真空脱气，获得所需的化学成分，经连铸工序浇铸成连铸坯；环形加热炉加热后(加热温度为1270℃)，经热定心，热穿孔：加大导板开口度(由R20mm改为R200mm)和大圆弧过度(圆弧半径由136.5mm改为140mm)，保证钢坯顺利咬入，减小咬钢时抖动；增加顶头规格，在191孔型中增加Φ175、Φ169两种顶头规格，配合改型后的导板使用，PQF三辊连轧：采用在线预穿方式，提高轧制节奏；控制好芯棒温度，保证温度均匀；重新分配了各机架延伸系数，使轧制更稳定；适当调整了部分连轧管机机架的孔型偏心量，增加了芯棒一毛管间隙量，保证顺利脱棒。采用头尾削尖功能，使管端与管体壁厚相对一致，对管头增加0.6～0.8mm的削尖量，削尖长度最少1000mm。这样管体管端壁厚都能保证在要求范围内，同时大幅降低了切头长度。定径：优化改进定径孔型设计，控制好生产时的定径终轧温，提高孔型尺寸的设计精度，优化孔型设计时预留的宽展量：0～1mm。冷却，锯切，矫直，探伤；热处理炉内900℃±5℃温度下奥氏体化，然后水淬冷却，获得95％以上的马氏体，685℃±5℃温度下回火，空气冷却，矫直温度为550℃～600℃；热矫直后，冷却，探伤。
轧制后，钢管的几何尺寸为：外径不圆度≤0.2％，壁厚不均度≤5％；切头尾率由4.3％降低至3.6％，成材率由92.3提高至94.2％，提高1.9个百分点。
热处理后，套管的力学性能指标如下：屈服强度：1035-1142MPa；抗拉强度：1060-1235MPa；均匀延伸率：3.0％；冲击值：纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥185J；横向半尺寸夏比V型缺口冲击值≥63J；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥115J；
在具体使用时，以套管TP140V
为例，其力学性能为：管体抗外挤强度200MPa(式样挤毁)；管体屈服强度≥4891KN；管体抗内压强度≥153.6MPa；接头抗内压强度≥153.6MPa；管体连接强度≥4891KN；将该套管在川渝成功下井，使用效果很好。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.140-155ksi油气开采用套管，其特征在于，所述套管包括如下重量百分比的各组分：
C：0.24～0.33；
Si：0.13～0.40；
Mn：0.40～0.65；
P≤0.014；
S≤0.003；
Cr：0.90～1.25；
Mo：0.66～1.20；
Al：0.01～0.05；
V：0.10～0.20；
B：0.0005～0.002；
余量为Fe。
2.权利要求1所述的140-155ksi油气开采用套管的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取炼钢原料，经处理获得符合各组分质量含量要求的钢水，经连铸工序，浇铸成连铸坯；
将获得的铸坯进行斜轧热穿孔、PQF三辊限动芯棒热连轧、热定径；其中，对管头增加0.6～0.8mm的削尖量，削尖长度最少1000mm；热定径时改进定径孔型设计，控制生产时的定径终轧温，提高孔型尺寸的设计精度，优化孔型设计时预留的宽展量：0～1mm；
采用淬火加回火的热处理工艺进行热处理：淬火温度为900℃±5℃，淬火介质为水，浸入冷却或层流冷却，回火温度为685℃±5℃，表面除磷，空气冷却；热处理后，进行热矫直处理，冷却，探伤，获得初始套管；其中，热矫直温度在550℃～600℃；
对初始套管进行机械加工，获得140-155ksi油气开采用套管。
3.根据权利要求2所述的140-155ksi油气开采用套管的生产方法，其特征在于，对铸坯进行轧制时：将冷却后的铸坯在环形加热炉内加热，环形炉炉温为1285℃～1305℃；热定心温度为1235℃～1255℃；热穿孔时温度为1210℃～1230℃；PQF三辊连轧时的温度为1050℃～1110℃。
4.根据权利要求2所述的140-155ksi油气开采用套管的生产方法，其特征在于，所述初始套管的力学性能指标为：屈服强度1020-1106MPa；抗拉强度1081-1200MPa；均匀延伸率3.0％；纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥170J；横向半尺寸夏比V型缺口冲击值≥60J；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥110J。
5.根据权利要求2所述的140-155ksi油气开采用套管的生产方法，其特征在于，所述140-155ksi油气开采用套管的公称外径≥0.8％D，正公差轧制：+0.8mm～2.0％，壁厚公差带控制在-3～25％，外径不圆度≤0.5，降低壁厚不均度≤8％，残余应力≤140MPa。
6.根据权利要求2所述的140-155ksi油气开采用套管的生产方法，其特征在于，
所述140-155ksi油气开采用套管的屈服强度≥1000MPa；抗拉强度≥1068MPa；纵向冲击功≥100J；横向冲击功≥80J；均匀伸长率≥3.0％；管体抗外挤强度≥185MPa；管体屈服强度≥4891KN；管体抗内压强度≥153.6MPa；接头抗内压强度≥153.6MPa；管体连接强度≥4891KN；套管的管组织为回火索氏体，晶粒度≥9.0级，钢级硬度最大值不超过42HRC；管体残余应力≤140MPa。
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