CN114807511A - 一种基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于页岩油气井配套设备技术领域，尤其涉及一种基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法。一种基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法,其目的在于克服现有技术的缺点，通过合理的组分设计，结合钢管轧制以及热处理，使钢管具有高强度，同时韧性也得到大幅度提高，还具有更低的屈强比和更高的延伸率。一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法包括有电炉初炼、LF炉精炼、轧管处理、热处理等步骤。
Description
技术领域
本发明属于页岩油气井配套设备技术领域，尤其涉及一种基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法。
背景技术
页岩油气是指以页岩为主的页岩层系中所包含的石油与天然气资源。页岩油气藏属于非常规油气藏，与常规油气藏相比，页岩油气的形成和富集有着自身独特的特点，大规模开发困难，需要人工压裂等技术才能实现，具有开采寿命长和生产周期长的特点。
现阶段，页岩油气成为了中国油气开发的重点，其核心技术是采用长距离水平井进行复杂水力压裂。在工程压裂作业中，射孔枪及桥塞等工具须下入套管柱进行作业，套管必须保持有效的通径，从而保障工具顺利通过。
自页岩油气进入工业开发以来，水平段套管就存在大量变形的现象；这些套管变形严重限制了工具下入，制约了压裂作业，造成丢段从而引发油气产能下降。页岩油气井压裂环境下，套管柱的变形属于局部径向变形，在地质运移环境下，套管产生变形是不可避免的。对于压裂工程作业来说，只要保障作业工具能够顺利穿过套管、实现作业，套管变形就是允许的，但套管的变形量不能导致套管破裂、螺纹失效及井漏等破坏性损坏。
目前，常规的页岩油气套管柱设计遵循强度设计方法，即提高套管钢级与壁厚，以期望提高套管抗抗外力的能力，但相对于地质运移，提高套管强度的效果是有限的，并且高强度套管在射孔过程中更易产生裂纹甚至开裂，从而更容易导致套管失效。因此，页岩油气井套管设计不仅要考虑强度需求，更要考虑页岩油气井的作业需求，应采用基于应变的套管柱设计方法，允许套管服役后产生一定的塑性应变，但所产生的塑性应变不高于规定的许用应变。基于此，需要开发一种低屈强比、高强韧性、高延伸率、综合性能高的页岩油气井套管，缓解套管永久变形，从而保障页岩油气井多段复杂压裂工艺的顺利实现。
发明内容
本发明提供了一种基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法,其目的在于克服现有技术的缺点，通过合理的组分设计，结合钢管轧制以及热处理，使钢管具有高强度，同时韧性也得到大幅度提高，还具有更低的屈强比和更高的延伸率。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，包括有如下步骤：
电炉初炼：以生铁和废钢为原料进行冶炼得到初炼钢水；
LF炉精炼：将电炉初炼步骤所得的初炼钢水加入精炼渣料进行LF精炼；分批加入精炼剂、脱氧剂，进行脱氧合金化、脱硫和去除夹杂物操作；
轧管处理：将连铸后得到的圆坯按照期望的外径、壁厚进行轧管处理；
热处理：采用均匀控温的淬火加回火的热处理工艺对轧管处理后所得套管进行热处理。
较为优选的，控制所述电炉初炼的步骤，令初炼钢水其组分中碳组分的重量百分比不小于0.05%且磷组分的重量百分比不大于0.003%。
较为优选的，控制所述LF炉精炼的步骤，令碳组分的波动范围在0.03％内、锰组分的波动范围在0.10％内、铬组分的波动范围在0.05％内、钼组分的波动范围在0.05％内。
较为优选的，经所述轧管处理步骤后所得套管的外径不圆度≤0.5％，壁厚不均度≤10％。
较为优选的，所述热处理步骤中淬火温度为900℃±10℃；回火温度为650℃±10℃，矫直温度为≥550℃。
较为优选的，所述热处理步骤中使用步进式淬火炉进行加热，并采用外淋、内喷的冷却方式。
较为优选的，还包括有如下步骤：
在完成LF炉精炼步骤后，对LF精炼所得产物进行净吹处理，净吹时间≥10分钟。
作为本发明的另一方面，一种基于应变设计的页岩油气井套管，采用如上述任意一项的制造方法制备得到；
所述基于应变设计的页岩油气井套管的各组分重量百分比参考如下：碳：0.18～0.30％，硅：0.15～0.40％，锰：0.55～1.35％，硫≤0.005％，磷≤0.005％，铬：0.8～1.30％，钼：0.20～1.05％，钒≤0.15％，铌≤0.10％，钛≤0.05％，镍≤0.45％，余量为铁及不可避免的杂质。
较为优选的，所述基于应变设计的页岩油气井套管的屈服强度Rt0.6：790～860MPa，抗拉强度≥900MPa；延伸率≥20％、常温屈强比≤0.93、0℃纵向全尺寸夏比冲击值不小于120J。
本发明提供了一种基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法，其中该基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法包括有电炉初炼、LF炉精炼、轧管处理、热处理等步骤。具有上述步骤的基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法，相比于现有技术而言，至少具备如下优点以及有益效果：通过设计合理的化学组分，采用高精度的轧制控制工艺，以及合适的处理工艺优化，使得本发明制备所得套管性能均匀稳定，具备有良好的强度、塑性和韧性，以及优异的延伸率和屈强比，从而有效地降低了石油套管在采用水平井分段压裂技术开采页岩油气时发生局部变形失效以及产生裂纹的问题，适用于页岩油气的开采。
具体实施方式
本发明提供了一种基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法,其目的在于克服现有技术的缺点，通过合理的组分设计，结合钢管轧制以及热处理，使钢管具有高强度，同时韧性也得到大幅度提高，还具有更低的屈强比和更高的延伸率。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体的，本发明提供了一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，包括有如下步骤：
电炉初炼：以生铁和废钢为原料进行冶炼得到初炼钢水。
值得注意的是，作为本发明的一种较为优选实施方式，控制上述电炉初炼的步骤，令初炼钢水其组分中碳组分的重量百分比不小于0.05%且磷组分的重量百分比不大于0.003%。
LF炉精炼：将电炉初炼步骤所得的初炼钢水加入精炼渣料进行LF精炼；分批加入精炼剂、脱氧剂，进行脱氧合金化、脱硫和去除夹杂物操作。
值得注意的是，作为本发明的一种较为优选实施方式，控制上述LF炉精炼的步骤，令碳组分的波动范围在0.03％内、锰组分的波动范围在0.10％内、铬组分的波动范围在0.05％内、钼组分的波动范围在0.05％内。
此外，在完成LF炉精炼步骤后，对LF精炼所得产物进行净吹处理，净吹时间≥10分钟。
轧管处理：将连铸后得到的圆坯按照期望的外径、壁厚进行轧管处理；
作为本发明的一种较为优选实施方式，经所述轧管处理步骤后所得套管的外径不圆度≤0.5％，壁厚不均度≤10％。
热处理：采用均匀控温的淬火加回火的热处理工艺对轧管处理后所得套管进行热处理。
值得注意的是，作为本发明的一种较为优选实施方式，上述热处理步骤中优选使用步进式淬火炉进行加热，并采用外淋、内喷的冷却方式。热处理步骤中淬火温度为900℃±10℃；回火温度为650℃±10℃，矫直温度为≥550℃。
需要补充的是，在前述制备步骤完成后，还可进一步对上述制备所得的套管进行螺纹加工。其中，可优选具有一定抗疲劳能力的特殊扣螺纹，从而适配页岩油气井长距离水平段对套管反复上提下放和旋转下入的作业需求，满足多段压裂施工对管柱密封的要求。
另一方面，本发明提供一种基于应变设计的页岩油气井套管，该基于应变设计的页岩油气井套管采用上述制造方法制备得到。具体的，该基于应变设计的页岩油气井套管各组分重量百分比参考如下：碳：0.18～0.30％，硅：0.15～0.40％，锰：0.55～1.35％，硫≤0.005％，磷≤0.005％，铬：0.8～1.30％，钼：0.20～1.05％，钒≤0.15％，铌≤0.10％，钛≤0.05％，镍≤0.45％，余量为铁及不可避免的杂质。
在此，提供示例1-示例3之内的三种组分构成：
并进一步对上述示例1-示例3三种组分的套管性能检测如下：
可以看出，根据依据本发明制造方法所制造的页岩油气井套管具有优异的强韧性、屈强比和延伸率指标，综合性能优良；同时，本发明基于页岩油气井套管应变设计方提出并实现了设计要求：在保证套管材料强度的前提下，重点提高材料的韧性和塑性，提高材料的延伸率，冲击功指标更高，规定了套管材料常温下的屈强比要求，能够很好地达到页岩油气井套管的作业与服役要求。
本发明提供了一种基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法，其中该基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法包括有电炉初炼、LF炉精炼、轧管处理、热处理等步骤。具有上述步骤的基于应变设计的页岩油气井套管及其制造方法，相比于现有技术而言，至少具备如下优点以及有益效果：通过设计合理的化学组分，采用高精度的轧制控制工艺，以及合适的处理工艺优化，使得本发明制备所得套管性能均匀稳定，具备有良好的强度、塑性和韧性，以及优异的延伸率和屈强比，从而有效地降低了石油套管在采用水平井分段压裂技术开采页岩油气时发生局部变形失效以及产生裂纹的问题，适用于页岩油气的开采。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，其特征在于，包括有如下步骤：
电炉初炼：以生铁和废钢为原料进行冶炼得到初炼钢水；
LF炉精炼：将电炉初炼步骤所得的初炼钢水加入精炼渣料进行LF精炼；分批加入精炼剂、脱氧剂，进行脱氧合金化、脱硫和去除夹杂物操作；
轧管处理：将连铸后得到的圆坯按照期望的外径、壁厚进行轧管处理；
热处理：采用均匀控温的淬火加回火的热处理工艺对轧管处理后所得套管进行热处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，其特征在于，控制所述电炉初炼的步骤，令初炼钢水其组分中碳组分的重量百分比不小于0.05%且磷组分的重量百分比不大于0.003%。
3.根据权利要求1所述的一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，其特征在于，控制所述LF炉精炼的步骤，令碳组分的波动范围在0.03％内、锰组分的波动范围在0.10％内、铬组分的波动范围在0.05％内、钼组分的波动范围在0.05％内。
4.根据权利要求1所述的一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，其特征在于，经所述轧管处理步骤后所得套管的外径不圆度≤0.5％，壁厚不均度≤10％。
5.根据权利要求1所述的一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，其特征在于，所述热处理步骤中淬火温度为900℃±10℃；回火温度为650℃±10℃，矫直温度为≥550℃。
6.根据权利要求1所述的一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，其特征在于，所述热处理步骤中使用步进式淬火炉进行加热，并采用外淋、内喷的冷却方式。
7.根据权利要求1所述的一种基于应变设计的页岩油气井套管的制造方法，其特征在于，还包括有如下步骤：
在完成LF炉精炼步骤后，对LF精炼所得产物进行净吹处理，净吹时间≥10分钟。
8.一种基于应变设计的页岩油气井套管，其特征在于，所述基于应变设计的页岩油气井套管采用如权利要求1-7中任意一项的制造方法制备得到；
所述基于应变设计的页岩油气井套管的各组分重量百分比参考如下：碳：0.18～0.30％，硅：0.15～0.40％，锰：0.55～1.35％，硫≤0.005％，磷≤0.005％，铬：0.8～1.30％，钼：0.20～1.05％，钒≤0.15％，铌≤0.10％，钛≤0.05％，镍≤0.45％，余量为铁及不可避免的杂质。
9.根据权利要求8所述的一种基于应变设计的页岩油气井套管，其特征在于，所述基于应变设计的页岩油气井套管的屈服强度Rt0.6：790～860MPa，抗拉强度≥900MPa；延伸率≥20％、常温屈强比≤0.93、0℃纵向全尺寸夏比冲击值不小于120J。
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