CN115584431A - 一种页岩气井用高性能抗挤毁套管及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油天然气管材技术领域，特别涉及一种页岩气井用高性能抗挤毁套管及加工方法。一种页岩气井用高性能抗挤毁套管，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：1.5~5.5%，Cr：0.20~0.60%，Mo：0.10~0.50%，S≤0.002%，P≤0.010%，Ni：0.10~0.50%，V：0.03~0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过炼钢、LF精炼+VD真空脱气处理、圆坯浇铸、热处理和无损探伤和车丝扣等工艺制造高性能抗挤毁套管，使套管屈服强度≥862MPa，抗拉强度≥931MPa，伸长率≥15%，0℃下的全尺寸横向冲击功≥88J，抗挤毁强度≥142.5MPa，而且最大环向残余应力≤170MPa，硬度≤36.0HRC。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气管材技术领域，特别涉及一种页岩气井用高性能抗挤毁套管及加工方法。
背景技术
页岩气是非常规油气资源的重要组成部分，其特点是孔隙度低，渗透率低，只能通过压裂施工作业进行商业开发。目前，我国对页岩储层的开发普遍采用长距离水平井组，通过多级水力体积压裂开发。在压裂过程中，通过形成复杂的裂缝网络，实现储层改造。但是，在我国川渝地区页岩气开发过程中，多次发生套管变形的问题，严重影响油气田高效经济开发。
资料研究表明我国页岩气储层非均质型强，储层的横向展布、垂向上岩性及储层的有效应力呈不均匀变化，且天然裂缝在页岩储层中更为发育，这对石油套管提出了新的要求。具体包括：1）较高的强度，可以保证套管具有较高的抗挤毁强度；2）高韧性，能够降低套管在射孔过程中发生开裂及在服役过程中发生裂纹扩展的风险；3）较低的残余应力。
中国专利CN 111549293 A公开了一种含稀土140ksi钢级耐高温页岩气用无缝钢管及其制备方法，其在材料中添加了0.001～0.010％的战略性金属——稀土；中国专利CN111154954 A公开了一种含稀土高强高韧深井页岩气用无缝钢管热处理方法，其在材料中不仅添加了稀土元素，还需要进行两次淬火+高温回火调质处理才能得到理想的强韧性匹配，复杂的热处理工艺不利于大规模工业化生产，而且上述两种页岩气用无缝钢管的原材料由于稀土元素的加入，导致材料成本高，同时复杂的工艺导致了生产效率较低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种页岩气井用高性能抗挤毁套管及加工方法，通过对常规钢管化学元素成分设计优化，结合钢管的穿孔、轧制以及热处理等工艺，使得该钢管具有较高的强度，良好的韧性，较低的残余应力，以及更好的抗外压挤毁性能，在满足页岩气井的使用需求的同时降低了生产成本，提高了生产效率。
本发明的技术方案在于：一种页岩气井用高性能抗挤毁套管，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：1.5~5.5%，Cr：0.20~0.60%，Mo：0.10~0.50%，S≤0.002%，P≤0.010%，Ni：0.10~0.50%，V：0.03~0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述页岩气井用高性能抗挤毁套管的化学成分的选择依据为：
碳（C）的设计范围：0.12~0.32%，其原因：钢中的碳对热处理过程中马氏体的碳含量与体积分数有着重要的影响。碳可溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用。随着钢中C含量的增高，会增加钢的淬硬性，进而提高拉伸强度；但是钢中的C含量较高时，由于其偏析，在相对高碳区起到了空穴或成核点的作用，造成材料的塑性、韧性下降，纵向与横向性能产生较大的差异，进而显著降低了夏比冲击性能和屈服强度。所以应选择合理的碳含量，在满足实际的强度需求的情况下，应尽可能的降低钢中的C含量，因此本发明碳（C）的设计范围：0.12~0.32%。
硅（Si）的设计范围：0.15~0.35%，其原因：硅不能形成碳化物，有强烈的促进碳的石墨化作用，但是它可溶入奥氏体，在调质钢中具有提高淬透性和耐回火性的作用，其主要是以固溶强化形式提高钢的强度，同时它也作为钢中的脱氧元素，但其含量不宜过高，否则会严重恶化钢材的韧性，因此本发明硅（Si）的设计范围：0.15~0.35%。
锰（Mn）的设计范围：1.5~5.5%，其原因：添加锰可降低马氏体转变温度Ms，进而提高了调质处理索氏体钢的力学性能。但是锰含量的增加会使钢板中带状组织增多，并且在热处理后保存下来，最终钢板中会含有一定量地带状组织，而贝氏体、马氏体等硬相在带状组织中聚集，使钢板的脆性增加，塑性降低，力学性能下降。同时当钢中含有高于2%的锰时，可以有效提高残余奥氏体分解的抗力，这对提高钢管的塑性变形有利，因此本发明锰（Mn）的设计范围：1.5~5.5%。
铬（Cr）的设计范围：0.20~0.60%，其原因：铬可降低γ→α相变临界温度，使奥氏体转变在较低的温度下进行。Cr还可提高材料的淬透性，在等温后的冷却过程中易形成马氏体；但是Cr与Fe可形成金属间化合物σ相（FeCr），若有σ相析出，冲击韧性急剧下降。因此对于韧性要求较高的套管钢，Cr的添加量应严格控制，因此本发明铬（Cr）的设计范围：0.20~0.60%。
钼（Mo）的设计范围：0.10~0.50%，其原因：钼是提高淬透性的重要元素，作用仅次于Mn。Mo可以使形变强化后软化和回复温度，以及再结晶温度提高，并强烈提高铁素体的蠕变抗力，有效抑制渗碳体在450~600℃下的聚集，促进特殊碳化物的析出，这对提高钢的热强性极为有利。在高强度低合金钢中，屈服强度随Mo含量的增加而提高，因此太高的Mo有损钢的塑性，因此本发明钼（Mo）的设计范围：0.10~0.50%。
镍（Ni）的设计范围：0.10~0.50%，其原因：镍是奥氏体稳定元素，可无限固溶于γ-Fe，对残余奥氏体的形成有利。此外，Ni还能降低点阵中的位错运动抗力和位错与间隙元素交互作用能量，促进应力松弛，从而减少脆性断裂倾向，因此本发明镍（Ni）的设计范围：0.10~0.50%。
钒（V）的设计范围：0.03~0.15%，其原因：钒与碳、氮、氧都有极强的亲和力，在钢中主要以碳化物或氮化物、氧化物的形态存在，其主要是通过形成碳氮化物来影响钢的组织结构及性能，但V（C,N）仅能在大致1000℃以下温度阻止奥氏体晶粒粗化；少量的钒使钢晶粒细化，韧性增大，对低温钢尤为有利，因此本发明钒（V）的设计范围：0.03~0.15%。
硫（S）的设计范围：S≤0.002%，其原因：硫对钢的相变和组织的影响主要由不同类型和分布状态的硫化物造成，表面为硫的偏析及硫化物夹杂以及由于硫化物的形成导致的Mn、Ti等有效含量及钢的淬透性下降；同时，FeS等低熔点化合物增大钢在锻、轧时的过热和过烧倾向，产生表面网状裂纹和开裂。因此，应尽量降低钢中的硫含量，因此本发明硫（S）的设计范围：S≤0.002%。
磷（P）的设计范围：P≤0.010%，其原因：磷在钢中的具有严重的偏析倾向，降低钢的塑性和韧性，碳含量越高，引起脆性也越大；同时，过高的磷含量会使钢的焊接性能变坏，同时降低钢的塑性，使其冷弯性能变坏。因此，应尽量减少钢中磷含量，因此本发明磷（P）的设计范围：P≤0.010%。
上述一种页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，包括以下步骤：
S1：炼钢：以铁水、生铁和管头为原料，在转炉上进行冶炼，形成初炼钢水，初炼钢水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：1.5~5.5%，Cr：0.20~0.60%，Mo：0.10~0.50%，S≤0.002%，P≤0.010%，Ni：0.10~0.50%，V：0.03~0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质；
S2：LF精炼+VD真空脱气处理：将S1中得到的初炼钢水进行LF精炼，全过程应进行吹氩；VD真空脱气处理时，深真空度≤0.06Kpa，深真空时间均≥15min；
S3：圆坯浇铸：将S2中处理好的初炼钢水浇铸成连铸圆坯；
S4：制管：将浇铸好的连铸圆坯经环形炉加热后，进行穿孔和轧制处理；
S5：热处理：将S4制成的管坯采用外淋+内喷进行水冷淬火，空冷回火热处理工艺；
S6：无损探伤和车丝扣：将S5处理后的管坯进行超声、电磁检测，随后对检测合格的管坯进行螺纹加工和检验，最终获得高性能抗挤毁套管产品。
所述S1：炼钢过程中的铁水所含As、Sn、Pb、Sb、Bi五种元素的重量百分比之和≤0.025%。
所述S4：制管过程中圆坯加热温度1100~1250℃。
所述S4：制管过程中管坯轧制温度≥950℃。
所述S5：热处理过程中，淬火温度为880℃~920℃，保温时间为45~90分钟；回火温度为630℃~690℃，保温时间为90~120分钟。
所述S5：热处理过程中，矫直温度≥480℃。
所述套管的屈服强度≥862MPa，抗拉强度≥931MPa，伸长率≥15%，0℃下的全尺寸横向冲击功≥88J，抗挤毁强度≥142.5MPa，最大环向残余应力≤170MPa，硬度≤36.0HRC。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明通过对钢管化学元素成分设计优化，结合钢管的穿孔、轧制以及热处理等工艺，使制造的石油套管的屈服强度≥862MPa，抗拉强度≥931MPa，伸长率≥15%，0℃下的全尺寸横向冲击功≥88J，抗挤毁强度≥142.5MPa，而且最大环向残余应力≤170MPa，硬度≤36.0HRC，满足页岩气开发对套管抗挤毁性能的要求；2. 本发明通过对钢管化学元素成分设计优化，结合钢管的穿孔、轧制以及热处理等工艺参数优化，不增加昂贵的稀有元素，在满足页岩气井的使用需求的同时降低了生产成本，提高了生产效率。
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：
实施例1
一种页岩气井用高性能抗挤毁套管，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：1.5~5.5%，Cr：0.20~0.60%，Mo：0.10~0.50%，S≤0.002%，P≤0.010%，Ni：0.10~0.50%，V：0.03~0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。
实际使用过程中，本发明通过在钢中加入Mn、Cr等元素来提高材料的淬透性等；通过添加Mo元素来提高钢的抗回火性；通过添加V元素来细化晶粒；通过添加Ni元素来提高钢的塑性和韧性，进而实现降低套管残余应力，保证套管具有良好的力学性能。本发明通过对常规钢管化学元素成分设计优化，不增加昂贵的稀有元素，降低了原料成本。
实施例2
一种页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，包括以下步骤：
S1：炼钢：以铁水、生铁和管头为原料，在转炉上进行冶炼，形成初炼钢水，初炼钢水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：1.5~5.5%，Cr：0.20~0.60%，Mo：0.10~0.50%，S≤0.002%，P≤0.010%，Ni：0.10~0.50%，V：0.03~0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质；
S2：LF精炼+VD真空脱气处理：将S1中得到的初炼钢水进行LF精炼，全过程应进行吹氩；VD真空脱气处理时，深真空度≤0.06Kpa，深真空时间均≥15min；
S3：圆坯浇铸：将S2中处理好的钢水浇铸成连铸圆坯；
S4：制管：将浇铸好的连铸圆坯经环形炉加热后，进行穿孔和轧制处理；
S5：热处理：将S4制成的管坯采用外淋+内喷进行水冷淬火，空冷回火热处理工艺；
S6：无损探伤和车丝扣：将S5处理后的管坯进行超声、电磁检测，随后对检测合格的管坯进行螺纹加工和检验，最终获得高性能抗挤毁套管产品。
所述S1：炼钢过程中的铁水所含As、Sn、Pb、Sb、Bi五种元素的重量百分比之和≤0.025%。
所述S4：制管过程中圆坯加热温度1100~1250℃。
所述S4：制管过程中管坯轧制温度≥950℃。
所述S5：热处理过程中，淬火温度为880℃~920℃，保温时间为45~90分钟；回火温度为630℃~690℃，保温时间为90~120分钟。
所述S5：热处理过程中，矫直温度≥480℃。
所述套管的屈服强度≥862MPa，抗拉强度≥931MPa，伸长率≥15%，0℃下的全尺寸横向冲击功≥88J，抗挤毁强度≥142.5MPa，最大环向残余应力≤170MPa，硬度≤36.0HRC。
本发明通过对常规钢管化学元素成分设计优化，结合钢管的穿孔、轧制以及热处理等工艺参数优化，常规的工艺有利于大规模工业化生产，同时不增加昂贵的稀有元素，在满足页岩气井的使用需求的同时降低了生产成本，提高了生产效率。
表1为本发明实施例3至实施例5的页岩气井用高性能抗挤毁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%。
表1实施例3至实施例5的化学成分（质量百分数/%）
| 实施例 | C | Si | Mn | Cr | Mo | S | P | Ni | V |
| 实施例3 | 0.18 | 0.29 | 4.80 | 0.55 | 0.38 | 0.001 | 0.010 | 0.16 | 0.08 |
| 实施例4 | 0.26 | 0.32 | 3.50 | 0.54 | 0.26 | 0.001 | 0.010 | 0.36 | 0.08 |
| 实施例5 | 0.30 | 0.30 | 3.00 | 0.55 | 0.44 | 0.001 | 0.010 | 0.48 | 0.08 |
通过上述实施例提供的化学成分的重量百分比制造石油套管，具体的制造过程包括：
S1：炼钢：以铁水、生铁和管头为原料，在转炉上进行冶炼，形成初炼钢水；
S2：LF精炼+VD真空脱气处理：将S1中得到的初炼钢水进行LF精炼，全过程应进行吹氩；VD真空脱气处理时，深真空度≤0.06Kpa，深真空时间均≥15min；
S3：圆坯浇铸：将S2中处理好的钢水浇铸成连铸圆坯；
S4：制管：将浇铸好的连铸圆坯经环形炉加热后，进行穿孔和轧制处理；
S5：热处理：将S4制成的管坯采用外淋+内喷进行水冷淬火，空冷回火热处理工艺；
S6：无损探伤和车丝扣：将S5处理后的管坯进行超声、电磁检测，随后对检测合格的管坯进行螺纹加工和检验，最终获得高性能抗挤毁套管产品。
表2给出了采用实施例3至实施例5的化学成分制造套管过程的具体工艺参数。
表2实施例3至实施例5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 10th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，按照API 5CT《套管和油管规范》，化学成分：C≦0.35%；Mn≦1.35%;Mo≦0.85%;Cr≦1.50%;Ni≦0.99%;P≦0.020;S≦0.010；力学性能：屈服强度：862~1034MPa;抗拉强度≥931MPa；伸长率≥12%，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≥862MPa，抗拉强度≥931MPa，伸长率≥15%，0℃下的全尺寸横向冲击功≥88J，抗挤毁强度≥142.5MPa，而且最大环向残余应力≤170MPa，硬度≤36.0HRC；这种优异的性能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。
表3实施例3至实施例5的性能检测结果
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种页岩气井用高性能抗挤毁套管，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：1.5~5.5%，Cr：0.20~0.60%，Mo：0.10~0.50%，S≤0.002%，P≤0.010%，Ni：0.10~0.50%，V：0.03~0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：炼钢：以铁水、生铁和管头为原料，在转炉上进行冶炼，形成初炼钢水，初炼钢水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：1.5~5.5%，Cr：0.20~0.60%，Mo：0.10~0.50%，S≤0.002%，P≤0.010%，Ni：0.10~0.50%，V：0.03~0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质；
S2：LF精炼+VD真空脱气处理：将S1中得到的初炼钢水进行LF精炼，全过程应进行吹氩；VD真空脱气处理时，深真空度≤0.06Kpa，深真空时间均≥15min；
S3：圆坯浇铸：将S2中处理好的钢水浇铸成连铸圆坯；
S4：制管：将浇铸好的连铸圆坯经环形炉加热后，进行穿孔和轧制处理；
S5：热处理：将S4制成的管坯采用外淋+内喷进行水冷淬火，空冷回火热处理工艺；
S6：无损探伤和车丝扣：将S5处理后的管坯进行超声、电磁检测，随后对检测合格的管坯进行螺纹加工和检验，最终获得高性能抗挤毁套管产品。
3.根据权利要求2所述一种页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，其特征在于：所述S1：炼钢过程中的铁水所含As、Sn、Pb、Sb、Bi五种元素的重量百分比之和≤0.025%。
4.根据权利要求2所述一种页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，其特征在于：所述S4：制管过程中圆坯加热温度1100~1250℃。
5.根据权利要求2所述一种页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，其特征在于：所述S4：制管过程中管坯轧制温度≥950℃。
6.根据权利要求2所述一种页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，其特征在于：所述S5：热处理过程中，淬火温度为880℃~920℃，保温时间为45~90分钟；回火温度为630℃~690℃，保温时间为90~120分钟。
7.根据权利要求2所述一种页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，其特征在于：所述S5：热处理过程中，矫直温度≥480℃。
8.根据权利要求2所述一种页岩气井用高性能抗挤毁套管的加工方法，其特征在于：所述套管的屈服强度≥862MPa，抗拉强度≥931MPa，伸长率≥15%，0℃下的全尺寸横向冲击功≥88J，抗挤毁强度≥142.5MPa，最大环向残余应力≤170MPa，硬度≤36.0HRC。
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