CN109280859A - 一种石油钻采用易膨胀套管管材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石油钻采用易膨胀套管管材的制备方法，属于金属材料领域。其成分为，C:0.10～0.20、Mn：1.2～3.5、Si：0.1～0.4、Ni：0.1～2.0、Nb：0.01～0.20％、Cu：0.2～1.5％、其余为Fe和不可避免的杂质。通过冶炼、轧制获得合金板，配合正火回火工艺，将钢板加热至AC3以上10～100℃保温使之完全奥氏体化后空冷，再在两相区以下保温使合金化合物充分析出，获得铁素体和珠光体两相组织的膨胀管材，同时，相比不加Nb膨胀管组织，加Nb膨胀管的晶粒变得更加细小，屈服强度达400MPa，抗拉强度550MPa，可保证膨胀压力<35MPa，均匀延伸率(>16％),总延伸率(>35％)，膨胀后屈服强度可达550MPa以上。工艺简单，成本低廉，实用性强。

Description

一种石油钻采用易膨胀套管管材的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及石油套管，特别是一种石油钻采用易膨胀套管管材的制备方法。
背景技术
近年来，随着我国石油天然气消费的逐步增长，勘探开发深入到了海洋作业、陆地超深井以及老井的二次开发等领域，使得石油勘探开发的难度日益增大。当钻井作业需要通过更深的过压地层、枯竭地层或易塌易漏失地层时，现有的技术是采用不同直径的钻头钻进，并以不同直径的套管以套筒的形式层层封固完成。这种情况下，井越深，套管层次越多，井眼直径就越大；反之，如果初始井眼直径一定，最终的井眼直径更小，有可能钻不到目的层或者即使钻至目的层，但井眼太小，满足不了开采及后续修井、增产等重入作业的要求(李日宁，贺新敬，刘今朝，吴缝钢，程国胜.可膨胀技术及其在石油钻采行业中的应用.石油机械,2002,30(7)：66-68)。采用可膨胀技术就可实现这一要求。可膨胀技术可应用于钻井、完井、采油、修井等作业中，既能解决井眼变径问题，又能大量节约作业成本，被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。
膨胀管技术是近年发展起来的一项实用技术，该项技术是在钻井施工过程中，将管柱下入井底，用膨胀锥头以液力或机械力的方法使管材永久变形，从而达到增大套管，以实现节省井眼尺寸、封堵复杂地层的一种技术方法(马宏伟，黄勇.膨胀管技术现状分析.科技创新导报.2010,17:69-71)。目前，膨胀管技术主要应用于石油钻井，在地质勘探中尚未获得应用。可膨胀管可应用于钻井、完井、采油及修井等作业过程中，是21世纪石油钻采行业的重要技术之一。应用于钻井工程中的可膨胀管技术主要有可膨胀波纹管和实体管。可膨胀波纹管是管通过冷压方式处理，使其管端面形状呈梅花状，减小管的包络外径，可以通过上层套管内经，再通过液压，将其膨胀基本还原，在膨胀锥头的膨胀下，使其完全膨胀成圆管。可膨胀实体管是小于上层套管内径的特殊管，在井下通过液压式或机械式方式推动锥头，使小内径的管膨胀为较大直径管(马宏伟，黄勇，膨胀管技术现状分析.科技创新导报.2010,17:69-71)。
上个世纪九十年代末，壳牌公司首先提出了可膨胀套管技术，并由Enventure公司在墨西哥湾的海洋深井作业中完成了世界上的首次膨胀管的商业应用。自问世以来，膨胀管技术在世界范围内得到了蓬勃的发展，下入长度不断增加，工艺手段不断进步。目前，世界上多家石油公司均应用了此技术。例如：壳牌和哈里伯顿合资的Enventure公司、威福德公司、哈里伯顿公司、贝克石油工具公司、斯伦贝谢公司以及READ油井服务公司等(彭在没，赵旭，窦树柏，等.国外可膨胀管技术的发展概况.焊管.2010,33(6):5-9)。
随着膨胀技术在国外应用成功，证明了膨胀管技术对未来钻井作业的关键作用，同时，在国内存在着巨大的技术需求。在我国西部以及南方海相，特别是深井中，应用膨胀管技术可以改变井身结构，减小套管下入层数，封堵多压力体系地层、漏层、水层、易坍塌地层等复杂地层(马宏伟，黄勇，膨胀管技术现状分析，科技创新导报，2010,17：69-71)类似上述复杂的地层随着井越深，这样的情况更多，特别是在西部及南方海相的深井以及超深井的钻探作业中，问题更为突出，对套管的性能也提出了更为高的要求。针对该问题，目前最为有效的解决办法就是采用N80、P110、J55等高钢级膨胀管技术，实现全井同尺寸井眼，从而降低钻井作业成本，使油井钻探开发的风险得以减小。
膨胀管钻井技术的关键要素之一，就是开发相应的膨胀管用钢以及相应的管材热处理工艺。因为膨胀管在井下被径向膨胀的过程中要发生大的永久性的塑形均匀变形，所以，膨胀管应该具有足够的塑性变形能力。膨胀后，管材的力学性能、尺寸精度等应符合API5CT 9th或者有关标准的规定。
在综合分析了当前国内的膨胀管技术之后，不难发现，现有的膨胀管技术不能很好地满足多管连接时高悬挂力的需求，因此，设计了该成分的膨胀管。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用Nb微合金化的石油钻采用膨胀管的制备方法，通过合理的合金设计获得较低生产成本的大延伸膨胀管用钢，并通过冶炼、轧制获得相关合金板，对合金板进行卷板加工，然后焊接成膨胀管，最后通过正火-回火的热处理工艺使得膨胀管材达到预期的强度标准和塑性变形能力，保证管材膨胀前后的力学性能均满足API5CT 9th及其他有关标准的规定，从而在降低抗拉强度提高屈服强度的情况下，使新的膨胀管获得较大的塑性变形能力，从而解决现有膨胀管的膨胀力过高，不易膨胀的问题。同时，设计订制了针对膨胀管的电磁感应热处理设备，升温速度可达20℃/s，温度精度达±10℃，相对传统箱式加热炉，应用该设备加热后膨胀管弯曲度和椭圆度得到大幅度改善。
一种石油钻采用易膨胀套管管材的制备方法，其特征在于，利用Nb进行微合金化，管材的化学成分重量百分数如下：
C:0.10～0.20、Mn：1.2～3.5、Si：0.1～0.4、Ni：0.1～2.0、Nb：0.01～0.20、Cu：0.2～1.5％、S：0wt％～0.005wt％、P：0wt％～0.015wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
具体制备工艺为：
步骤1：根据所设计的化学成分进行冶炼并热轧轧制成板材；
步骤2：将上述热轧板材重新加热至奥氏体化温度AC3以上10～100℃的T1，并保温时间t1空冷，获得均匀的铁素体和珠光体组织；
步骤3：将上述空冷后的钢板再加热至钢板的AC1以下10～100℃的温度T2保温时间t2，使C、Mn、Nb元素有效富集，最后空冷至室温，获得铁素体和珠光体的两相组织的膨胀管材。
进一步地，步骤2和步骤3所述温度T1＝AC3+10～100℃，T2＝600～750℃，保温时间t1＝30～1000s,t2＝30～1000s,t1、t2是根据钢材到达相应的保温温度后开始计时的时间。
按照本发明，对所述合金板进行卷板加工，然后焊接制成膨胀管优选为：在焊接过程中对膨胀管的内、外焊缝毛刺处进行砂轮打磨，清除毛刺。
所得的利用Nb微合金化的膨胀管管材经热处理后的指标为：高屈服强度(400MPa)，适当抗拉强度(550MPa)，均匀延伸率&gt;16％,总延伸率&gt;35％，膨胀后屈服强度可达到550MPa以上。
本发明实施例公开了一种全新的利用Nb微合金化的石油钻采用膨胀管，各主要化学成分的作用，具体为：
加入铌,主要作用是：微量铌与碳、氮形成Nb(C,N)类析出物。在热变形后，这类化合物在奥氏体中会通过应变诱导在位错线上析出，从而明显的阻碍变形后再结晶晶界的运动，使含Nb的低碳钢再结晶停止温度升高，从而保证了这类钢中可以在非再结晶区进行大量变形，大幅度提高冷却时的相变形核率，使最终组织十分细小。
锰的含量取决于强度级别。一般强度从590MPa到780MPa时，锰的含量在1％到1.8％，通常锰含量一般在1％～2.5％之间。
硫在一般状况下也是钢中的有害元素，含硫较高的钢在高温下进行压力加工时，容易脆裂，通常叫做热脆性，会降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时容易造成裂纹，同时，硫还会降低钢的耐腐蚀能力，恶化钢的焊接性能。
通常状况下，磷是钢中的有害合金元素，钢中的磷含量超过一定值时会在晶界处析出，破坏晶界强度，损坏其延展性，使钢的可塑性和韧性明显下降，该类情况在低温下尤为严重，这种现象叫做冷脆性，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。
本发明的生产方法通过将管材完全奥氏体化之后进行空冷，得到大部分的铁素体和珠光体，然后将钢加热到600～750℃进行回火处理，保温后空冷，在此温度下，C、Mn、Nb元素充分富集，获得获得细化且均匀铁素体和珠光体组织。
本发明适用于含锰、硅、镍、铜、铌等元素的合金钢。
按照本发明的成分以及热处理工艺所制备的膨胀管具有合金元素少、合金含量低、屈强比高、抗拉强度低，延伸率好、易膨胀、成本低等优点，从而解决了以往膨胀管制造过程中所存在的成本高、焊接性能差、不易膨胀及膨胀后强度难以保证等技术难题，对我国焊管及石油工业的发展具有重要的意义。
附图说明
图1是发明中生产膨胀管材用的热处理工艺温度-时间关系示意图。T1＝AC3+10～100℃，T2＝600～750℃，t1＝30～1000s,t2＝30～1000s,t1、t2是根据钢材到达相应的保温温度后开始计时的时间。
图2是发明实施例1所生产的利用Nb微合金化的高均匀延伸膨胀管材用钢的金相组织图片示意图。
图3是加Nb(a)与不加Nb元素(b)材料的金相显微组织对比图。
具体实施方式
下面将对本发明实施案例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用合金元素含量为表1所示的利用Nb微合金化的高均匀延伸膨胀管热减径管，将其置入设定炉温为AC3以上100℃的T1(850℃)的电磁感应加热炉中保温t1(480s)后空冷至室温，然后又置入炉温为AC1以下的T2(740℃)的电磁感应加热炉中保温t2(480s)后空冷至室温，获得如表2所示力学性能的膨胀管材用钢。从表2可知，膨胀管材钢板的均匀延伸率达到16％以上，且屈服强度为448MPa，抗拉强度为560MPa。
表1实施例1的利用Nb微合金化膨胀管材的成分(质量分数)
C Mn Si Ni Cu Nb P S
0.12 1.9 0.17 1.80 0.50 0.05 0.010 0.005
表2实施例1的利用Nb微合金化膨胀管材的力学性能
实施例2
采用合金元素含量为表3所示的利用Nb微合金化的高均匀延伸膨胀管热减径管，将其置入设定炉温为AC3以上100℃的T1(940℃)的电磁感应加热炉中保温t1(30s)后空冷至室温，然后又置入炉温为AC1以下的T2(700℃)的电磁感应加热炉中保温t2(60s)后空冷至室温，获得如表4所示力学性能的膨胀管材用钢。从表2可知，膨胀管材钢板的均匀延伸率达到16％以上，且屈服强度为412MPa，抗拉强度为559MPa。
表3实施例2的利用Nb微合金化膨胀管材的成分(质量分数)
C Mn Si Ni Cu Nb P S
0.16 1.5 0.15 1.50 0.62 0.07 0.012 0.004
表4实施例2的利用Nb微合金化膨胀管材的力学性能
实施例3
采用合金元素含量为表5所示的利用Nb微合金化的高均匀延伸膨胀管热减径管，将其置入设定炉温为AC3以上100℃的T1(860℃)的电磁感应加热炉中保温t1(180s)后空冷至室温，然后又置入炉温为AC1以下的T2(720℃)的电磁感应加热炉中保温t2(360s)后空冷至室温，获得如表6所示力学性能的膨胀管材用钢。从表2可知，膨胀管材钢板的均匀延伸率达到16％以上，且屈服强度为404MPa，抗拉强度为551MPa。
表5实施例3的利用Nb微合金化膨胀管材的成分(质量分数)
C Mn Si Ni Cu Nb P S
0.10 1.7 0.15 1.30 0.35 0.09 0.011 0.007
表6实施例3的利用Nb微合金化膨胀管材的力学性能

Claims (2)

1.一种石油钻采用易膨胀套管管材的制备方法，其特征在于，利用Nb进行微合金化，管材的化学成分重量百分数如下：
C:0.10～0.20、Mn：1.2～3.5、Si：0.1～0.4、Ni：0.1～2.0、Nb：0.01～0.20、Cu：0.2～1.5％、S：0wt％～0.005wt％、P：0wt％～0.015wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
具体制备工艺为：
步骤1：根据所设计的化学成分进行冶炼并热轧轧制成板材；
步骤2：将上述热轧板材重新加热至奥氏体化温度AC3以上10～100℃的T1，并保温时间t1空冷，获得均匀的铁素体和珠光体组织；
步骤3：将上述空冷后的钢板再加热至钢板的AC1以下10～100℃的温度T2保温时间t2，使C、Mn、Nb元素有效富集，最后空冷至室温，获得铁素体和珠光体的两相组织的膨胀管材。
2.如权利要求1所述一种石油钻采用易膨胀套管管材的制备方法，其特征在于，步骤2和步骤3所述温度T1＝AC3+10～100℃，T2＝600～750℃，保温时间t1＝30～1000s,t2＝30～1000s,t1、t2是根据钢材到达相应的保温温度后开始计时的时间。
同时，相比不加Nb膨胀管组织，加Nb膨胀管的晶粒变得更加细小，实现高屈服强度(400MPa)，适当抗拉强度(550MPa)，可保证膨胀压力&lt;35MPa，均匀延伸率(&gt;16％),总延伸率(&gt;35％)，膨胀后屈服强度可达到550MPa以上。工艺简单，成本低廉，实用性强。
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